JP2001260356A - Actuator device, manufacturing method therefor, ink-jet type recording head and ink-jet type recording apparatus - Google Patents

Actuator device, manufacturing method therefor, ink-jet type recording head and ink-jet type recording apparatus

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JP2001260356A
JP2001260356A JP2000078975A JP2000078975A JP2001260356A JP 2001260356 A JP2001260356 A JP 2001260356A JP 2000078975 A JP2000078975 A JP 2000078975A JP 2000078975 A JP2000078975 A JP 2000078975A JP 2001260356 A JP2001260356 A JP 2001260356A
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JP
Japan
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piezoelectric
ink
actuator device
piezoelectric element
piezoelectric layer
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Soichi Moriya
壮一 守谷
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Seiko Epson Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an actuator device, a manufacturing method therefor, an ink-jet type recording head and an ink-jet type recording apparatus in which a breakdown of piezoelectric elements is prevented. SOLUTION: This actuator device includes piezoelectric elements 300 each comprising a lower electrode 60 set via an insulating layer 50 to the side of one face of a substrate 10 where cavities 12 are defined, a piezoelectric layer 70 set on the lower electrode 60 and an upper electrode 80 set to a front face of the piezoelectric layer 70. A concentration of an alkali metal or an alkaline earth metal element present at least at a surface layer of a region of an outer peripheral face of the piezoelectric element 300 where the piezoelectric layer 70 is exposed is set to be 1×1011 atoms/cm2 or smaller.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電材料層に電圧
を印加することにより変位させる圧電素子を具備するア
クチュエータ装置及びその製造方法に関し、特に、イン
ク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部
を振動板で構成し、この振動板の表面に圧電素子を形成
して圧電素子の変位によりインク滴を吐出させるインク
ジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an actuator device having a piezoelectric element for displacing a piezoelectric material layer by applying a voltage thereto, and a method of manufacturing the same. The present invention relates to an ink jet recording head and an ink jet recording apparatus in which a part of a chamber is constituted by a vibration plate, a piezoelectric element is formed on the surface of the vibration plate, and ink droplets are ejected by displacement of the piezoelectric element.

【0002】[0002]

【従来の技術】インク滴を吐出するノズル開口と連通す
る圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧
電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧して
ノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式
記録ヘッドには、圧電素子が軸方向に伸長、収縮する縦
振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、た
わみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの
2種類が実用化されている。
2. Description of the Related Art A part of a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for discharging ink droplets is constituted by a vibrating plate, and the vibrating plate is deformed by a piezoelectric element to pressurize the ink in the pressure generating chamber to pass the nozzle opening. Two types of ink jet recording heads that eject ink droplets have been put into practical use, one using a longitudinal vibration mode piezoelectric actuator in which a piezoelectric element expands and contracts in the axial direction, and the other using a flexural vibration mode piezoelectric actuator. ing.

【0003】前者は圧電素子の端面を振動板に当接させ
ることにより圧力発生室の容積を変化させることができ
て、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反
面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛
歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた
圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必
要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
In the former method, the volume of the pressure generating chamber can be changed by bringing the end face of the piezoelectric element into contact with the diaphragm, so that a head suitable for high-density printing can be manufactured. There is a problem in that a difficult process of cutting into a comb shape in accordance with the arrangement pitch of the openings and an operation of positioning and fixing the cut piezoelectric element in the pressure generating chamber are required, and the manufacturing process is complicated.

【0004】これに対して後者は、圧電材料のグリーン
シートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼
成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作
り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関
係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難
であるという問題がある。
On the other hand, in the latter, a piezoelectric element can be formed on a diaphragm by a relatively simple process of sticking a green sheet of a piezoelectric material according to the shape of a pressure generating chamber and firing the green sheet. In addition, there is a problem that a certain area is required due to the use of flexural vibration, and that high-density arrangement is difficult.

【0005】一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消す
べく、特開平5−286131号公報に見られるよう
に、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧
電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法に
より圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生
室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案さ
れている。
On the other hand, in order to solve the latter disadvantage of the recording head, a uniform piezoelectric material layer is formed by a film forming technique over the entire surface of the diaphragm as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-286131. A proposal has been made in which the piezoelectric material layer is cut into a shape corresponding to the pressure generating chambers by a lithography method, and a piezoelectric element is formed so as to be independent for each pressure generating chamber.

【0006】これによれば圧電素子を振動板に貼付ける
作業が不要となって、リソグラフィ法という精密で、か
つ簡便な手法で圧電素子を作り付けることができるばか
りでなく、圧電素子の厚みを薄くできて高速駆動が可能
になるという利点がある。
This eliminates the need for attaching the piezoelectric element to the vibration plate, which not only allows the piezoelectric element to be manufactured by a precise and simple method such as lithography, but also reduces the thickness of the piezoelectric element. There is an advantage that it can be made thin and can be driven at high speed.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな薄膜技術及びリソグラフィ法により製造した圧電素
子では、圧電素子に電圧を印加して駆動を繰り返すと絶
縁破壊が発生するという問題がある。この絶縁破壊は、
圧電体層と上電極膜又は下電極膜との境界部分で起こり
易く、特に圧力発生室の端部近傍に対向する領域で起こ
り易い。
However, a piezoelectric element manufactured by such a thin film technique and a lithography method has a problem that dielectric breakdown occurs when a voltage is applied to the piezoelectric element and driving is repeated. This dielectric breakdown
This is likely to occur at the boundary between the piezoelectric layer and the upper electrode film or the lower electrode film, particularly in a region facing the vicinity of the end of the pressure generating chamber.

【0008】また、このような問題はインクジェット式
記録ヘッドだけではなく、基板の一方側に振動板を介し
て圧電素子を有するアクチュエータ装置についても同様
に存在する。
[0008] Such a problem exists not only in an ink jet recording head but also in an actuator device having a piezoelectric element on one side of a substrate via a diaphragm.

【0009】本発明はこのような事情に鑑み、圧電素子
の絶縁破壊を防止したアクチュエータ装置及びその製造
方法並びにインクジェット式記録ヘッド及びインクジェ
ット式記録装置を提供することを課題とする。
In view of such circumstances, it is an object of the present invention to provide an actuator device that prevents dielectric breakdown of a piezoelectric element, a method of manufacturing the same, and an ink jet recording head and an ink jet recording device.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の第1の態様は、キャビティを画成した基板の一方面
側に絶縁層を介して設けられた下電極、該下電極上に設
けられた圧電体層及び該圧電体層の表面に設けられた上
電極からなる圧電素子を具備するアクチュエータ装置に
おいて、前記圧電素子の周面の前記圧電体層が露出され
た領域の少なくとも表層に存在するアルカリ金属又はア
ルカリ土類金属元素のそれぞれの濃度が、1×1011
toms/cm2以下であることを特徴とするアクチュ
エータ装置にある。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a lower electrode provided with an insulating layer on one side of a substrate defining a cavity, and a lower electrode provided on the lower electrode. In an actuator device including a provided piezoelectric layer and a piezoelectric element including an upper electrode provided on the surface of the piezoelectric layer, at least a surface layer of a peripheral surface of the piezoelectric element where the piezoelectric layer is exposed is provided. Each concentration of the alkali metal or alkaline earth metal element present is 1 × 10 11 a
The present invention provides an actuator device characterized in that the ratio is not more than toms / cm 2 .

【0011】かかる第1の態様では、圧電体層に含まれ
るアルカリ金属又はアルカリ土類金属元素の濃度が十分
に低く抑えられているため、圧電体層の絶縁破壊が防止
される。
In the first aspect, since the concentration of the alkali metal or alkaline earth metal element contained in the piezoelectric layer is sufficiently suppressed, dielectric breakdown of the piezoelectric layer is prevented.

【0012】本発明の第2の態様は、第1の態様におい
て、前記アルカリ金属又はアルカリ土類金属元素が、ナ
トリウム、カリウム、マグネシウム又はカルシウムから
なる群から選択されることを特徴とするアクチュエータ
装置にある。
A second aspect of the present invention is the actuator device according to the first aspect, wherein the alkali metal or alkaline earth metal element is selected from the group consisting of sodium, potassium, magnesium and calcium. It is in.

【0013】かかる第2の態様では、圧電体層の表層に
存在する特定の金属元素の濃度を低く抑えることによ
り、より確実に圧電体層の絶縁破壊が防止される。
In the second aspect, the dielectric breakdown of the piezoelectric layer is more reliably prevented by suppressing the concentration of the specific metal element existing in the surface layer of the piezoelectric layer.

【0014】本発明の第3の態様は、第1又は2の態様
において、前記キャビティが、前記基板をアルカリ性溶
液によるエッチングによって形成されたものであること
を特徴とするアクチュエータ装置にある。
A third aspect of the present invention is the actuator device according to the first or second aspect, wherein the cavity is formed by etching the substrate with an alkaline solution.

【0015】かかる第3の態様では、キャビティを比較
的容易且つ高精度に形成することができる。
According to the third aspect, the cavity can be formed relatively easily and with high precision.

【0016】本発明の第4の態様において、第1又は2
の態様において、前記キャビティが、有機エッチング溶
液によって除去されていることを特徴とするアクチュエ
ータ装置にある。
In a fourth aspect of the present invention, the first or second
In the above aspect, the cavity may be removed by an organic etching solution.

【0017】かかる第4の態様では、圧電体層に含まれ
る所定金属の濃度を比較的容易且つ確実に低く抑えて圧
力発生室を形成することができる。
According to the fourth aspect, the pressure generating chamber can be formed while the concentration of the predetermined metal contained in the piezoelectric layer is relatively easily and reliably reduced.

【0018】本発明の第5の態様は、第1〜4の何れか
の態様のアクチュエータ装置を構成する前記基板の他方
面側に、前記キャビティに連通するノズル開口を有する
ノズル形成部材が接合されていることを特徴とするイン
クジェット式記録ヘッドにある。
According to a fifth aspect of the present invention, a nozzle forming member having a nozzle opening communicating with the cavity is joined to the other surface of the substrate constituting the actuator device according to any one of the first to fourth aspects. The ink jet recording head is characterized in that:

【0019】かかる第5の態様では、圧電素子の駆動に
より、ノズル開口から良好なインク吐出を行うことので
きるインクジェット式記録ヘッドを実現することができ
る。
According to the fifth aspect, it is possible to realize an ink jet type recording head capable of performing good ink ejection from the nozzle opening by driving the piezoelectric element.

【0020】本発明の第6の態様は、第5の態様におい
て、前記キャビティがシリコン単結晶基板に異方性エッ
チングにより形成され、前記圧電素子の各層が成膜及び
リソグラフィ法により形成されたものであることを特徴
とするインクジェット式記録ヘッドにある。
According to a sixth aspect of the present invention, in the fifth aspect, the cavity is formed in a silicon single crystal substrate by anisotropic etching, and each layer of the piezoelectric element is formed by film formation and lithography. An ink jet recording head is characterized in that:

【0021】かかる第6の態様では、高密度のノズル開
口を有するインクジェット式記録ヘッドを大量に且つ比
較的容易に製造することができる。
In the sixth aspect, an ink jet recording head having high-density nozzle openings can be manufactured in a large amount and relatively easily.

【0022】本発明の第7の態様は、第5又は6の態様
のインクジェット式記録ヘッドを具備することを特徴と
するインクジェット式記録装置にある。
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided an ink jet recording apparatus comprising the ink jet recording head according to the fifth or sixth aspect.

【0023】かかる第7の態様では、ヘッドの耐久性及
び信頼性を向上したインクジェット式記録装置を実現す
ることができる。
According to the seventh aspect, it is possible to realize an ink jet recording apparatus having improved head durability and reliability.

【0024】本発明の第8の態様は、キャビティを画成
した基板の一方面側に絶縁層を介して設けられた下電
極、該下電極上に設けられた圧電体層及び該圧電体層の
表面に設けられた上電極からなる圧電素子を具備するア
クチュエータ装置の製造方法において、前記基板上に下
電極、圧電体層及び上電極を順次積層すると共にパター
ニングして前記圧電素子を形成する工程と、前記圧電素
子の表面に保護膜を形成する工程と、前記キャビティを
前記基板にアルカリ溶液によるエッチングによって形成
する工程と、前記保護膜を除去すると共に前記圧電素子
の表面を所定洗浄液で洗浄する工程とを有することを特
徴とするアクチュエータ装置の製造方法にある。
According to an eighth aspect of the present invention, a lower electrode provided on one side of a substrate defining a cavity via an insulating layer, a piezoelectric layer provided on the lower electrode, and the piezoelectric layer Forming a piezoelectric element by sequentially laminating and patterning a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode on the substrate and forming the piezoelectric element on the substrate, in a method of manufacturing an actuator device including a piezoelectric element including an upper electrode provided on a surface of the substrate. Forming a protective film on the surface of the piezoelectric element, forming the cavity in the substrate by etching with an alkaline solution, removing the protective film and cleaning the surface of the piezoelectric element with a predetermined cleaning liquid. And a method of manufacturing the actuator device.

【0025】かかる第8の態様では、圧電素子の表面を
洗浄することにより、圧電体層の表層に存在する所定金
属元素の濃度が低減され、圧電体層の絶縁破壊が防止さ
れる。
In the eighth aspect, by cleaning the surface of the piezoelectric element, the concentration of the predetermined metal element existing on the surface of the piezoelectric layer is reduced, and dielectric breakdown of the piezoelectric layer is prevented.

【0026】本発明の第9の態様は、第8の態様におい
て、前記圧電素子の表面を洗浄する工程では、当該圧電
素子の外周面の前記圧電体層が露出された領域の少なく
とも表層に存在するアルカリ金属又はアルカリ土類金属
のそれぞれの濃度を1×10 11atoms/cm2以下
とすることを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法
にある。
A ninth aspect of the present invention is the ninth aspect, wherein:
In the step of cleaning the surface of the piezoelectric element,
The area of the outer peripheral surface of the element where the piezoelectric layer is exposed is reduced.
Alkali metal or alkaline earth metal both present in the surface layer
Each concentration of 1 × 10 11atoms / cmTwoLess than
Method for manufacturing an actuator device
It is in.

【0027】かかる第9の態様では、圧電体層に存在す
る特定の金属元素の濃度を1×10 11atoms/cm
2以下とすることにより、圧電体層の絶縁破壊がより確
実に防止される。
According to the ninth aspect, the piezoelectric layer
The concentration of a specific metal element is 1 × 10 11atoms / cm
TwoBy setting the following, dielectric breakdown of the piezoelectric layer can be more reliably
It is really prevented.

【0028】本発明の第10の態様は、第9の態様にお
いて、前記アルカリ金属又はアルカリ土類金属が、ナト
リウム、カリウム、マグネシウム又はカルシウムからな
る群から選択されることを特徴とするアクチュエータ装
置の製造方法にある。
A tenth aspect of the present invention is the actuator device according to the ninth aspect, wherein the alkali metal or alkaline earth metal is selected from the group consisting of sodium, potassium, magnesium and calcium. In the manufacturing method.

【0029】かかる第10の態様では、圧電体層に含ま
れる特定の金属元素が除去されることにより、圧電体層
の絶縁破壊がより確実に防止される。
In the tenth aspect, the dielectric breakdown of the piezoelectric layer is more reliably prevented by removing the specific metal element contained in the piezoelectric layer.

【0030】本発明の第11の態様は、第9又は10の
態様において、前記所定洗浄液が酸性溶液又は純水であ
ることを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法にあ
る。
An eleventh aspect of the present invention is the method for manufacturing an actuator device according to the ninth or tenth aspect, wherein the predetermined cleaning liquid is an acidic solution or pure water.

【0031】かかる第11の態様では、所定の洗浄液を
用いることにより、圧電体層に含まれるアルカリ金属又
はアルカリ土類金属元素を確実に除去できる。
In the eleventh aspect, by using the predetermined cleaning liquid, the alkali metal or alkaline earth metal element contained in the piezoelectric layer can be reliably removed.

【0032】本発明の第12の態様は、第11の態様に
おいて、前記酸性溶液が、塩酸又は硝酸であることを特
徴とするアクチュエータ装置の製造方法にある。
A twelfth aspect of the present invention is the method for manufacturing an actuator device according to the eleventh aspect, wherein the acidic solution is hydrochloric acid or nitric acid.

【0033】かかる第12の態様では、所定の酸性溶液
を用いることにより、圧電体層に含まれるアルカリ金属
又はアルカリ土類金属元素をより確実に除去できる。
In the twelfth aspect, by using a predetermined acidic solution, the alkali metal or alkaline earth metal element contained in the piezoelectric layer can be more reliably removed.

【0034】[0034]

【発明の実施の形態】以下に本発明を実施形態に基づい
て詳細に説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in detail based on embodiments.

【0035】(実施形態1)図1は、本発明の実施形態
1に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図
であり、図2は、平面図及びその1つの圧力発生室の長
手方向における断面構造を示す図である。
(Embodiment 1) FIG. 1 is an exploded perspective view showing an ink jet recording head according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a plan view and a cross section of one of the pressure generating chambers in the longitudinal direction. It is a figure showing a structure.

【0036】図示するように、流路形成基板10は、本
実施形態では面方位(110)のシリコン単結晶基板か
らなる。流路形成基板10としては、通常、150〜3
00μm程度の厚さのものが用いられ、望ましくは18
0〜280μm程度、より望ましくは220μm程度の
厚さのものが好適である。これは、隣接する圧力発生室
間の隔壁の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるから
である。
As shown in the figure, the flow path forming substrate 10 is made of a silicon single crystal substrate having a plane orientation (110) in this embodiment. As the flow path forming substrate 10, usually 150 to 3
A thickness of about 00 μm is used.
Those having a thickness of about 0 to 280 μm, more preferably about 220 μm are suitable. This is because the arrangement density can be increased while maintaining the rigidity of the partition wall between the adjacent pressure generating chambers.

【0037】流路形成基板10の一方の面は開口面とな
り、他方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリ
コンからなる、厚さ0.1〜2μmの弾性膜50が形成
されている。
One surface of the flow path forming substrate 10 is an opening surface, and the other surface is formed with a 0.1 to 2 μm-thick elastic film 50 made of silicon dioxide previously formed by thermal oxidation.

【0038】一方、流路形成基板10の開口面には、シ
リコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより、
ノズル開口11、圧力発生室12が形成されている。
On the other hand, a silicon single crystal substrate is anisotropically etched on the opening surface of the flow path forming substrate
A nozzle opening 11 and a pressure generating chamber 12 are formed.

【0039】ここで、異方性エッチングは、シリコン単
結晶基板をKOH等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々
に侵食されて(110)面に垂直な第1の(111)面
と、この第1の(111)面と約70度の角度をなし且
つ上記(110)面と約35度の角度をなす第2の(1
11)面とが出現し、(110)面のエッチングレート
と比較して(111)面のエッチングレートが約1/1
80であるという性質を利用して行われるものである。
かかる異方性エッチングにより、二つの第1の(11
1)面と斜めの二つの第2の(111)面とで形成され
る平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行う
ことができ、圧力発生室12を高密度に配列することが
できる。
Here, in the anisotropic etching, when a silicon single crystal substrate is immersed in an alkaline solution such as KOH, it is gradually eroded and the first (111) plane perpendicular to the (110) plane and the first (111) plane. A second (1) which forms an angle of about 70 degrees with the (111) plane and forms an angle of about 35 degrees with the (110) plane.
11) plane, and the etching rate of the (111) plane is about 1/1 compared to the etching rate of the (110) plane.
This is performed using the property of being 80.
By such anisotropic etching, two first (11
Precision processing can be performed based on depth processing of a parallelogram formed by the 1) plane and two oblique second (111) planes, and the pressure generating chambers 12 can be arranged at high density. it can.

【0040】本実施形態では、各圧力発生室12の長辺
を第1の(111)面で、短辺を第2の(111)面で
形成している。この圧力発生室12は、流路形成基板1
0をほぼ貫通して弾性膜50に達するまでエッチングす
ることにより形成されている。なお、弾性膜50は、シ
リコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵さ
れる量がきわめて小さい。
In this embodiment, the long side of each pressure generating chamber 12 is formed by the first (111) plane, and the short side is formed by the second (111) plane. The pressure generating chamber 12 is provided on the flow path forming substrate 1.
It is formed by etching until it reaches the elastic film 50 almost through 0. The amount of the elastic film 50 that is attacked by the alkaline solution for etching the silicon single crystal substrate is extremely small.

【0041】一方、各圧力発生室12の一端に連通する
各ノズル開口11は、圧力発生室12より幅狭で且つ浅
く形成されている。すなわち、ノズル開口11は、シリ
コン単結晶基板を厚さ方向に途中までエッチング(ハー
フエッチング)することにより形成されている。なお、
ハーフエッチングは、エッチング時間の調整により行わ
れる。
On the other hand, each nozzle opening 11 communicating with one end of each pressure generating chamber 12 is formed narrower and shallower than the pressure generating chamber 12. That is, the nozzle opening 11 is formed by partially etching (half-etching) the silicon single crystal substrate in the thickness direction. In addition,
Half etching is performed by adjusting the etching time.

【0042】ここで、インク滴吐出圧力をインクに与え
る圧力発生室12の大きさと、インク滴を吐出するノズ
ル開口11の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出
スピード、吐出周波数に応じて最適化される。例えば、
1インチ当たり360個のインク滴を記録する場合、ノ
ズル開口11は数十μmの溝幅で精度よく形成する必要
がある。
Here, the size of the pressure generating chamber 12 for applying the ink droplet ejection pressure to the ink and the size of the nozzle opening 11 for ejecting the ink droplet depend on the amount of the ejected ink droplet, the ejection speed, and the ejection frequency. Optimized. For example,
When recording 360 ink droplets per inch, the nozzle openings 11 need to be formed with a groove width of several tens of μm with high accuracy.

【0043】また、各圧力発生室12と後述する共通イ
ンク室31とは、後述する封止板20の各圧力発生室1
2の一端部に対応する位置にそれぞれ形成されたインク
供給連通口21を介して連通されており、インクはこの
インク供給連通口21を介して共通インク室31から供
給され、各圧力発生室12に分配される。
Further, each pressure generating chamber 12 and a common ink chamber 31 described later are connected to each pressure generating chamber 1 of the sealing plate 20 described later.
The ink is supplied from a common ink chamber 31 through the ink supply communication port 21 formed at a position corresponding to one end of the pressure generation chamber 12. Distributed to

【0044】封止板20は、前述の各圧力発生室12に
対応したインク供給連通口21が穿設された、厚さが例
えば、0.1〜1mmで、線膨張係数が300℃以下
で、例えば2.5〜4.5[×10-6/℃]であるガラ
スセラミックスからなる。なお、インク供給連通口21
は、図3(a),(b)に示すように、各圧力発生室1
2のインク供給側端部の近傍を横断する一つのスリット
孔21Aでも、あるいは複数のスリット孔21Bであっ
てもよい。封止板20は、一方の面で流路形成基板10
の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外
力から保護する補強板の役目も果たす。また、封止板2
0は、他面で共通インク室31の一壁面を構成する。
The sealing plate 20 is provided with an ink supply communication port 21 corresponding to each of the pressure generating chambers 12 described above, and has a thickness of, for example, 0.1 to 1 mm and a linear expansion coefficient of 300 ° C. or less. , For example, 2.5-4.5 [× 10 −6 / ° C.]. In addition, the ink supply communication port 21
Each of the pressure generating chambers 1 is, as shown in FIGS.
It may be one slit hole 21A crossing the vicinity of the second ink supply side end or a plurality of slit holes 21B. The sealing plate 20 is provided on one side with the flow path forming substrate 10.
, And also serves as a reinforcing plate for protecting the silicon single crystal substrate from impacts and external forces. Also, sealing plate 2
0 forms one wall surface of the common ink chamber 31 on the other surface.

【0045】共通インク室形成基板30は、共通インク
室31の周壁を形成するものであり、ノズル開口数、イ
ンク滴吐出周波数に応じた適正な厚みのステンレス板を
打ち抜いて作製されたものである。本実施形態では、共
通インク室形成基板30の厚さは、0.2mmとしてい
る。
The common ink chamber forming substrate 30 forms the peripheral wall of the common ink chamber 31, and is formed by punching a stainless steel plate having an appropriate thickness according to the number of nozzles and the ink droplet ejection frequency. . In the present embodiment, the thickness of the common ink chamber forming substrate 30 is 0.2 mm.

【0046】インク室側板40は、ステンレス基板から
なり、一方の面で共通インク室31の一壁面を構成する
ものである。また、インク室側板40には、他方の面の
一部にハーフエッチングにより凹部40aを形成するこ
とにより薄肉壁41が形成され、さらに、外部からのイ
ンク供給を受けるインク導入口42が打抜き形成されて
いる。なお、薄肉壁41は、インク滴吐出の際に発生す
るノズル開口11と反対側へ向かう圧力を吸収するため
のもので、他の圧力発生室12に、共通インク室31を
経由して不要な正又は負の圧力が加わるのを防止する。
本実施形態では、インク導入口42と外部のインク供給
手段との接続時等に必要な剛性を考慮して、インク室側
板40を0.2mmとし、その一部を厚さ0.02mm
の薄肉壁41としているが、ハーフエッチングによる薄
肉壁41の形成を省略するために、インク室側板40の
厚さを初めから0.02mmとしてもよい。
The ink chamber side plate 40 is made of a stainless steel substrate, and one surface of the ink chamber side plate 40 constitutes one wall surface of the common ink chamber 31. In the ink chamber side plate 40, a thin wall 41 is formed by forming a concave portion 40a by half etching on a part of the other surface, and an ink introduction port 42 for receiving ink supply from the outside is punched and formed. ing. The thin wall 41 is for absorbing pressure generated at the time of ink droplet ejection toward the side opposite to the nozzle opening 11, and is unnecessary for the other pressure generating chambers 12 via the common ink chamber 31. Prevents positive or negative pressure from being applied.
In the present embodiment, the ink chamber side plate 40 is made 0.2 mm in consideration of rigidity required at the time of connection between the ink introduction port 42 and an external ink supply means, and a part of the thickness is 0.02 mm.
The thickness of the ink chamber side plate 40 may be 0.02 mm from the beginning in order to omit the formation of the thin wall 41 by half etching.

【0047】一方、流路形成基板10の開口面とは反対
側の弾性膜50の上には、厚さが例えば、約0.2〜
0.5μmの下電極膜60と、厚さが例えば、約1μm
の圧電体層70と、厚さが例えば、約0.1μmの上電
極膜80とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧
電素子300を構成している。ここで、圧電素子300
は、下電極膜60、圧電体層70、及び上電極膜80を
含む部分をいう。一般的には、圧電素子300の何れか
一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層7
0を各圧力発生室12毎にパターニングして構成する。
そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極
及び圧電体層70から構成され、両電極への電圧の印加
により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部320とい
う。本実施形態では、下電極膜60は圧電素子300の
共通電極とし、上電極膜80を圧電素子300の個別電
極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にし
ても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室
毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、
ここでは、圧電素子300と当該圧電素子300の駆動
により変位が生じる弾性膜とを合わせて圧電アクチュエ
ータと称する。なお、上述した例では、弾性膜50及び
下電極膜60が振動板として作用するが、下電極膜が弾
性膜を兼ねるようにしてもよい。
On the other hand, the thickness of the elastic film 50 on the side opposite to the opening surface of the flow path forming substrate 10 is, for example, about 0.2 to 0.2.
The lower electrode film 60 having a thickness of about 1 μm
The piezoelectric layer 70 and the upper electrode film 80 having a thickness of, for example, about 0.1 μm are laminated and formed by a process described later, thereby forming the piezoelectric element 300. Here, the piezoelectric element 300
Denotes a portion including the lower electrode film 60, the piezoelectric layer 70, and the upper electrode film 80. Generally, one of the electrodes of the piezoelectric element 300 is used as a common electrode, and the other electrode and the piezoelectric layer 7 are used as a common electrode.
0 is patterned for each pressure generating chamber 12.
Here, a portion which is constituted by one of the patterned electrodes and the piezoelectric layer 70 and in which a piezoelectric strain is generated by applying a voltage to both electrodes is referred to as a piezoelectric active portion 320. In the present embodiment, the lower electrode film 60 is used as a common electrode of the piezoelectric element 300, and the upper electrode film 80 is used as an individual electrode of the piezoelectric element 300. However, there is no problem even if the upper electrode film 80 is reversed for convenience of a drive circuit and wiring. In any case, the piezoelectric active portion is formed for each pressure generating chamber. Also,
Here, a combination of the piezoelectric element 300 and an elastic film whose displacement is generated by driving the piezoelectric element 300 is referred to as a piezoelectric actuator. In the example described above, the elastic film 50 and the lower electrode film 60 function as a diaphragm, but the lower electrode film may also serve as the elastic film.

【0048】このような本実施形態のインクジェット式
記録ヘッドの要部を示す平面図及び断面図を図4に示
す。
FIG. 4 is a plan view and a cross-sectional view showing a main part of the ink jet recording head of this embodiment.

【0049】図4に示すように、圧電素子300を構成
する下電極膜60は、並設された複数の圧力発生室12
に対向する領域に連続的に設けられ、圧力発生室12の
長手方向一端部近傍でパターニングされている。また、
下電極膜60の端部の外側には、圧力発生室12に対向
する領域から周壁上に亘って、下電極膜60とは不連続
な配線用下電極膜61が設けられている。
As shown in FIG. 4, the lower electrode film 60 constituting the piezoelectric element 300 has a plurality of pressure generating chambers 12 arranged in parallel.
And is patterned in the vicinity of one longitudinal end of the pressure generating chamber 12. Also,
Outside the end of the lower electrode film 60, a lower electrode film 61 for wiring that is discontinuous from the lower electrode film 60 is provided from a region facing the pressure generating chamber 12 to the peripheral wall.

【0050】一方、圧電体層70及び上電極膜80は、
基本的には圧力発生室12に対向する領域に設けられて
圧電体能動部320が形成されている。また、上電極膜
80及び圧電体層70の長手方向一端部は、配線用下電
極膜61上まで延設され、リード電極90を介して上電
極膜80と配線用下電極膜61とが接続されている。な
お、この配線用下電極膜61は、図示しないがその一端
部が外部配線に接続されて圧電体能動部320の配線の
一部を構成している。
On the other hand, the piezoelectric layer 70 and the upper electrode film 80
Basically, a piezoelectric active portion 320 is provided in a region facing the pressure generating chamber 12. Further, one end in the longitudinal direction of the upper electrode film 80 and the piezoelectric layer 70 extends to the lower electrode film 61 for wiring, and the upper electrode film 80 and the lower electrode film 61 for wiring are connected via the lead electrode 90. Have been. Although not shown, one end of the lower electrode film 61 for the wiring is connected to an external wiring to constitute a part of the wiring of the piezoelectric active portion 320.

【0051】ここで、シリコン単結晶基板からなる流路
形成基板10上に、圧電素子300等を形成するプロセ
スを図5〜図7を参照しながら説明する。なお、図5
は、圧力発生室12の長手方向の断面図であり、図6及
び図7は、圧力発生室12の幅方向の断面図である。
Here, a process of forming the piezoelectric element 300 and the like on the flow path forming substrate 10 made of a silicon single crystal substrate will be described with reference to FIGS. FIG.
6 is a longitudinal sectional view of the pressure generating chamber 12, and FIGS. 6 and 7 are sectional views of the pressure generating chamber 12 in the width direction.

【0052】まず、図5(a)に示すように、流路形成
基板10となるシリコン単結晶基板のウェハを約110
0℃の拡散炉で熱酸化して二酸化シリコンからなる弾性
膜50を形成する。
First, as shown in FIG. 5 (a), a wafer of a silicon single crystal
Thermal oxidation is performed in a diffusion furnace at 0 ° C. to form an elastic film 50 made of silicon dioxide.

【0053】次に、図5(b)に示すように、スパッタ
リングで下電極膜60を形成する。この下電極膜60の
材料としては、白金等が好適である。これは、スパッタ
リング法やゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体層70
は、成膜後に大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で600〜
1000℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があ
るからである。すなわち、下電極膜60の材料は、この
ような高温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければ
ならず、殊に、圧電体層70としてチタン酸ジルコン酸
鉛(PZT)を用いた場合には、酸化鉛の拡散による導
電性の変化が少ないことが望ましく、これらの理由から
白金が好適である。
Next, as shown in FIG. 5B, a lower electrode film 60 is formed by sputtering. As a material of the lower electrode film 60, platinum or the like is preferable. This is because a piezoelectric layer 70 described later formed by a sputtering method or a sol-gel method is formed.
Is from 600 to 600 ° C. in an air atmosphere or an oxygen atmosphere after film formation.
This is because it is necessary to perform crystallization by firing at a temperature of about 1000 ° C. That is, the material of the lower electrode film 60 must be able to maintain conductivity under such a high temperature and oxidizing atmosphere. In particular, when the piezoelectric layer 70 is made of lead zirconate titanate (PZT), It is desirable that the change in conductivity due to the diffusion of lead oxide is small, and for these reasons, platinum is preferred.

【0054】次に、図5(c)に示すように、下電極膜
60を所定の形状にパターニングする。すなわち、下電
極膜60を圧力発生室12の長手方向一端部近傍に対向
する領域でパターニングして、各圧力発生室12毎に、
その長手方向一端部近傍から周壁に対向する領域に亘っ
て設けられ、圧電体能動部320の上電極膜80と外部
配線とを接続する配線の一部となる配線用下電極膜61
を形成する。
Next, as shown in FIG. 5C, the lower electrode film 60 is patterned into a predetermined shape. That is, the lower electrode film 60 is patterned in a region opposed to the vicinity of one end in the longitudinal direction of the pressure generation chamber 12, and for each pressure generation chamber 12,
The lower electrode film 61 for wiring, which is provided from the vicinity of one end in the longitudinal direction to a region facing the peripheral wall, and is a part of a wiring connecting the upper electrode film 80 of the piezoelectric active portion 320 and an external wiring.
To form

【0055】次に、図5(d)に示すように、圧電体層
70を成膜する。本実施形態では、金属有機物を触媒に
溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、
さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体
層70を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成し
た。圧電体層70の材料としては、チタン酸ジルコン酸
鉛(PZT)系の材料がインクジェット式記録ヘッドに
使用する場合には好適である。なお、この圧電体層70
の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリン
グ法で形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 5D, a piezoelectric layer 70 is formed. In this embodiment, a so-called sol in which a metal organic substance is dissolved and dispersed in a catalyst is applied, dried and gelled,
The piezoelectric layer 70 made of a metal oxide is obtained by firing at a higher temperature, that is, by using a so-called sol-gel method. As a material of the piezoelectric layer 70, a lead zirconate titanate (PZT) -based material is suitable when used in an ink jet recording head. Note that this piezoelectric layer 70
The film forming method is not particularly limited, and may be formed by, for example, a sputtering method.

【0056】さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング
法等によりチタン酸ジルコン酸鉛の前駆体膜を形成後、
アルカリ水溶液中での高圧処理法にて低温で結晶成長さ
せる方法を用いてもよい。
Further, after forming a precursor film of lead zirconate titanate by a sol-gel method, a sputtering method or the like,
A method of growing crystals at a low temperature by a high-pressure treatment method in an alkaline aqueous solution may be used.

【0057】次に、図5(e)に示すように、上電極膜
80を成膜する。上電極膜80は、導電性の高い材料で
あればよく、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多
くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態
では、白金をスパッタリングにより成膜している。
Next, as shown in FIG. 5E, an upper electrode film 80 is formed. The upper electrode film 80 only needs to be a material having high conductivity, and can use many metals such as aluminum, gold, nickel, and platinum, and a conductive oxide. In the present embodiment, platinum is formed by sputtering.

【0058】次に、図6(a)に示すように、圧電体層
70及び上電極膜80を一括してエッチングして各圧力
発生室12に対向する領域に圧電体能動部320のパタ
ーニングを行う。
Next, as shown in FIG. 6A, the piezoelectric layer 70 and the upper electrode film 80 are collectively etched to pattern the piezoelectric active portion 320 in a region facing each pressure generating chamber 12. Do.

【0059】次いで、図6(b)に示すように、例え
ば、Cr−Auなどの導電体を全面に成膜した後、パタ
ーニングすることにより、各圧電体能動部320の上電
極膜80と配線用下電極61とを接続するリード電極9
0を形成する。
Next, as shown in FIG. 6B, for example, a conductor such as Cr-Au is formed on the entire surface and then patterned to form a wiring with the upper electrode film 80 of each piezoelectric active part 320. Lead electrode 9 connecting to lower electrode 61
0 is formed.

【0060】次に、図6(c)に示すように、圧電体能
動部320の表面に、例えば、パリレン等からなる保護
膜100を形成する。この保護膜100は、以下の工程
のアルカリ溶液によるエッチングの際に、圧電素子30
0、特に圧電体層70が破壊されるのを防止するための
ものである。
Next, as shown in FIG. 6C, a protective film 100 made of, for example, parylene is formed on the surface of the piezoelectric active portion 320. The protective film 100 is used for the piezoelectric element 30 during etching with an alkaline solution in the following steps.
0, in particular, to prevent the piezoelectric layer 70 from being destroyed.

【0061】次に、図7(a)に示すように、前述した
KOH等のアルカリ溶液によるシリコン単結晶基板の異
方性エッチングを行い、圧力発生室12等を形成後、図
7(b)に示すように、例えば、ドライエッチング等に
よって保護膜100を除去する。
Next, as shown in FIG. 7A, the silicon single crystal substrate is subjected to anisotropic etching with the above-described alkaline solution such as KOH to form the pressure generating chambers 12 and the like. As shown in FIG. 7, the protective film 100 is removed by, for example, dry etching.

【0062】その後、本実施形態では、圧電素子300
を所定の洗浄液を用いて洗浄することにより、圧電素子
300を構成する圧電体層70の表面、すなわち、圧電
素子300の外周面の圧電体層70が露出した部分の少
なくとも表層に存在するイオン化傾向の大きい金属元
素、具体的には、アルカリ金属又はアルカリ土類金属元
素を除去する。このとき、圧電体層に存在する各アルカ
リ金属又はアルカリ土類金属元素の濃度を1×1011
toms/cm2以下、好ましくは1×1010atom
s/cm2以下まで下げる。
Thereafter, in this embodiment, the piezoelectric element 300
Is cleaned by using a predetermined cleaning liquid, so that the ionization tendency existing on at least the surface layer of the surface of the piezoelectric layer 70 constituting the piezoelectric element 300, that is, the exposed portion of the piezoelectric layer 70 on the outer peripheral surface of the piezoelectric element 300 is obtained. , Specifically, an alkali metal or alkaline earth metal element is removed. At this time, the concentration of each alkali metal or alkaline earth metal element present in the piezoelectric layer was set to 1 × 10 11 a
toms / cm 2 or less, preferably 1 × 10 10 atoms
s / cm 2 or less.

【0063】ここで、アルカリ金属、アルカリ土類金属
元素としては、例えば、ナトリウム、カリウム、マグネ
シウム、カルシウム、リチウム、ルビジウム又はセシウ
ム等が挙げられる。
Here, examples of the alkali metal and alkaline earth metal elements include sodium, potassium, magnesium, calcium, lithium, rubidium and cesium.

【0064】また、このような洗浄に用いられる洗浄液
としては、例えば、塩酸(HCl)又は硝酸(HN
3)等の酸性溶液、或いは純水等を用いることが好ま
しい。
As a cleaning solution used for such cleaning, for example, hydrochloric acid (HCl) or nitric acid (HN)
It is preferable to use an acidic solution such as O 3 ) or pure water.

【0065】本実施形態では、塩酸溶液によって圧電素
子300を洗浄し、圧電体層70に存在する少なくとも
ナトリウム、カリウム、マグネシウム及びカルシウムの
金属元素を除去し、それぞれの金属元素の濃度を1×1
11atoms/cm2以下とした。
In the present embodiment, the piezoelectric element 300 is washed with a hydrochloric acid solution to remove at least the sodium, potassium, magnesium, and calcium metal elements present in the piezoelectric layer 70, and the concentration of each metal element is reduced to 1 × 1.
0 11 atoms / cm 2 or less.

【0066】このように、圧電体層70に存在するアル
カリ金属又はアルカリ土類金属元素を除去して所定濃度
以下とすることにより、圧電体層70の絶縁破壊を防止
することができる。
As described above, the dielectric breakdown of the piezoelectric layer 70 can be prevented by removing the alkali metal or alkaline earth metal element present in the piezoelectric layer 70 to a predetermined concentration or less.

【0067】ここで、発明者は、圧電素子300の圧電
体層70が絶縁破壊を起こす場所には、上記のようなア
ルカリ金属又はアルカリ土類金属元素等が偏析している
ことを知見した。すなわち、圧電体層に偏析しているア
ルカリ金属又はアルカリ土類金属元素等が絶縁破壊の原
因の一つであることを知見した。このことから、上述の
ように圧電体層70に含まれるアルカリ金属又はアルカ
リ土類金属元素を除去し、それぞれの金属元素の濃度を
所定濃度、具体的には1×1011atoms/cm2
下、好ましくは1×1010atoms/cm2以下とす
ることにより、圧電体層70の絶縁破壊の防止を図っ
た。
Here, the inventor has found that the above-described alkali metal or alkaline earth metal element or the like is segregated in a place where the piezoelectric layer 70 of the piezoelectric element 300 causes dielectric breakdown. That is, the inventors have found that the alkali metal or alkaline earth metal element segregated in the piezoelectric layer is one of the causes of dielectric breakdown. From this, as described above, the alkali metal or alkaline earth metal element contained in the piezoelectric layer 70 is removed, and the concentration of each metal element is reduced to a predetermined concentration, specifically, 1 × 10 11 atoms / cm 2 or less. Preferably, the dielectric breakdown of the piezoelectric layer 70 is prevented by setting it to 1 × 10 10 atoms / cm 2 or less.

【0068】なお、圧電体層70に金属元素が偏析する
主要な原因の一つは、KOH等のアルカリ溶液による圧
力発生室12のパターニングにあると考えられる。すな
わち、アルカリ溶液で圧力発生室12を形成する際に、
保護膜100に上述のような金属元素が付着し、保護膜
100を除去する際に、保護膜100に付着している金
属元素が圧電体層70に再付着してしまうと考えられ
る。
It is considered that one of the main causes of segregation of the metal element in the piezoelectric layer 70 is due to the patterning of the pressure generating chamber 12 by an alkaline solution such as KOH. That is, when forming the pressure generating chamber 12 with an alkaline solution,
It is considered that the above-described metal element adheres to the protective film 100, and when the protective film 100 is removed, the metal element adhered to the protective film 100 is re-adhered to the piezoelectric layer 70.

【0069】このため、本実施形態では、保護膜100
を除去後に、圧電素子300を洗浄するようにしたが、
これに限定されず、圧力発生室12を形成後であれば何
れのタイミングで洗浄してもよい。例えば、圧力発生室
12を形成後、保護膜100の表面を洗浄して、上述の
ような各金属元素を除去するようにしてもよい。この場
合には、上述のように保護膜100を除去する際に、圧
電体層70に金属元素が再付着することがなく、圧電体
層70に存在するアルカリ金属又はアルカリ土類金属元
素の濃度を1×1011atoms/cm2以下とするこ
とができる。
For this reason, in this embodiment, the protective film 100
After removing, the piezoelectric element 300 was cleaned,
The cleaning is not limited to this, and the cleaning may be performed at any timing as long as the pressure generating chamber 12 is formed. For example, after forming the pressure generating chamber 12, the surface of the protective film 100 may be washed to remove each metal element as described above. In this case, when removing the protective film 100 as described above, the metal element does not re-attach to the piezoelectric layer 70 and the concentration of the alkali metal or alkaline earth metal element existing in the piezoelectric layer 70 is reduced. Can be set to 1 × 10 11 atoms / cm 2 or less.

【0070】なお、以上説明した一連の膜形成及び異方
性エッチングによって、一枚のウェハ上に多数のチップ
を同時に形成し、プロセス終了後、図1に示すような一
つのチップサイズの流路形成基板10毎に分割する。ま
た、分割した流路形成基板10を、封止板20、共通イ
ンク室形成基板30及びインク室側板40と順次接着し
て一体化し、インクジェット式記録ヘッドとする。
By the series of film formation and anisotropic etching described above, a large number of chips are simultaneously formed on one wafer, and after the process is completed, a flow path of one chip size as shown in FIG. It is divided for each forming substrate 10. Further, the divided flow path forming substrate 10 is sequentially adhered and integrated with the sealing plate 20, the common ink chamber forming substrate 30, and the ink chamber side plate 40 to form an ink jet recording head.

【0071】このように構成したインクジェットヘッド
は、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導
入口42からインクを取り込み、共通インク室31から
ノズル開口11に至るまで内部をインクで満たした後、
図示しない外部の駆動回路からの記録信号に従い、下電
極膜60と上電極膜80との間に電圧を印加し、弾性膜
50、下電極膜60及び圧電体層70をたわみ変形させ
ることにより、圧力発生室12内の圧力が高まりノズル
開口11からインク滴が吐出する。
The ink-jet head thus configured takes in ink from an ink inlet 42 connected to an external ink supply means (not shown), fills the interior from the common ink chamber 31 to the nozzle opening 11 with ink, and
By applying a voltage between the lower electrode film 60 and the upper electrode film 80 according to a recording signal from an external drive circuit (not shown), the elastic film 50, the lower electrode film 60, and the piezoelectric layer 70 are flexibly deformed. The pressure in the pressure generating chamber 12 increases, and ink droplets are ejected from the nozzle opening 11.

【0072】(他の実施形態)以上、本発明の実施形態
を説明したが、本発明は上述したものに限定されるもの
ではない。
(Other Embodiments) The embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above embodiments.

【0073】例えば、上述の実施形態では、KOH等の
アルカリ溶液によって圧力発生室12を形成し、その後
圧電素子300を洗浄することにより、圧電体層70に
含まれる金属元素の濃度を下げた例を説明したが、これ
に限定されず、例えば,圧力発生室12をTMAH(水
酸化テトラメチルアンモニウム)等の有機エッチング溶
液によるエッチングによって形成するようにしてもよ
い。この場合には、圧力発生室12を形成する際に、上
述のようにアルカリ金属又はアルカリ土類金属元素が保
護膜100等に付着することがない。したがって、これ
らアルカリ金属又はアルカリ土類金属元素が圧電体層7
0に偏析することがない。
For example, in the above-described embodiment, the pressure generating chamber 12 is formed with an alkaline solution such as KOH, and then the piezoelectric element 300 is washed to reduce the concentration of the metal element contained in the piezoelectric layer 70. However, the pressure generating chamber 12 may be formed by etching with an organic etching solution such as TMAH (tetramethylammonium hydroxide). In this case, when forming the pressure generating chamber 12, the alkali metal or alkaline earth metal element does not adhere to the protective film 100 or the like as described above. Therefore, these alkali metal or alkaline earth metal elements are
There is no segregation to zero.

【0074】何れにしても、圧電素子300の圧電体層
70に存在するアルカリ金属又はアルカリ土類金属元素
の濃度を1×1011atoms/cm2以下とすれば、
これら金属元素に起因する圧電体層70の絶縁破壊を防
止することができる。
In any case, if the concentration of the alkali metal or alkaline earth metal element present in the piezoelectric layer 70 of the piezoelectric element 300 is set to 1 × 10 11 atoms / cm 2 or less,
The dielectric breakdown of the piezoelectric layer 70 caused by these metal elements can be prevented.

【0075】また、例えば、圧電素子300を封止する
封止部材を設け、圧電素子300を外部環境と遮断する
ようにしてもよい。これにより、圧電体層70に湿度等
の外部環境の変化が影響することがないため、圧電体層
70の絶縁破壊をより確実に防止することができる。
Further, for example, a sealing member for sealing the piezoelectric element 300 may be provided so as to block the piezoelectric element 300 from the external environment. Thus, since a change in the external environment such as humidity does not affect the piezoelectric layer 70, dielectric breakdown of the piezoelectric layer 70 can be more reliably prevented.

【0076】また、例えば、上述した封止板20の他、
共通インク室形成基板30をガラスセラミックス製とし
てもよく、さらには、薄肉膜41を別部材としてガラス
セラミックス製としてもよく、材料、構造等の変更は自
由である。
For example, in addition to the sealing plate 20 described above,
The common ink chamber forming substrate 30 may be made of glass ceramic, and further, the thin film 41 may be made of glass ceramic as a separate member, and the material, structure, and the like can be freely changed.

【0077】さらに、上述した実施形態では、ノズル開
口11を流路形成基板10の端面に形成しているが、面
に垂直な方向に突出するノズル開口を形成してもよい。
Further, in the above-described embodiment, the nozzle openings 11 are formed on the end surface of the flow path forming substrate 10, but may be formed so as to protrude in a direction perpendicular to the surface.

【0078】このように構成した実施形態の分解斜視図
を図8、その流路の断面を図9にそれぞれ示す。この実
施形態では、ノズル開口11が圧電素子とは反対のノズ
ル基板120に穿設され、これらノズル開口11と圧力
発生室12とを連通するノズル連通口22が、封止板2
0、共通インク室形成基板30及び薄肉板41A及びイ
ンク室側板40Aを貫通するように配されている。
FIG. 8 is an exploded perspective view of the embodiment constructed as described above, and FIG. 9 is a sectional view of the flow path. In this embodiment, the nozzle opening 11 is formed in the nozzle substrate 120 opposite to the piezoelectric element, and the nozzle communication port 22 for communicating the nozzle opening 11 with the pressure generating chamber 12 is provided in the sealing plate 2.
0, it is arranged to penetrate the common ink chamber forming substrate 30, the thin plate 41A, and the ink chamber side plate 40A.

【0079】なお、本実施形態は、その他、薄肉板41
Aとインク室側板40Aとを別部材とし、インク室側板
40Aに開口40bを形成した以外は、基本的に上述し
た実施形態と同様であり、同一部材には同一符号を付し
て重複する説明は省略する。
In this embodiment, the thin plate 41
A is basically the same as the above-described embodiment except that the ink chamber side plate 40A and the ink chamber side plate 40A are separate members, and the opening is formed in the ink chamber side plate 40A. Is omitted.

【0080】また、勿論、共通インク室を流路形成基板
内に形成したタイプのインクジェット式記録ヘッドにも
同様に応用できる。
Further, needless to say, the present invention can be similarly applied to an ink jet recording head of a type in which a common ink chamber is formed in a flow path forming substrate.

【0081】このように、本発明は、その趣旨に反しな
い限り、種々の構造のインクジェット式記録ヘッドに応
用することができる。
As described above, the present invention can be applied to ink-jet recording heads having various structures, as long as the gist of the present invention is not contradicted.

【0082】また、これら各実施形態のインクジェット
式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するイン
ク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成し
て、インクジェット式記録装置に搭載される。図10
は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図
である。
The ink jet recording head of each of these embodiments constitutes a part of a recording head unit having an ink flow path communicating with an ink cartridge and the like, and is mounted on an ink jet recording apparatus. FIG.
FIG. 1 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.

【0083】図10に示すように、インクジェット式記
録ヘッドを有する記録ヘッドユニット1A及び1Bは、
インク供給手段を構成するカートリッジ2A及び2Bが
着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット1A及び
1Bを搭載したキャリッジ3は、装置本体4に取り付け
られたキャリッジ軸5に軸方向移動自在に設けられてい
る。この記録ヘッドユニット1A及び1Bは、例えば、
それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物
を吐出するものとしている。
As shown in FIG. 10, recording head units 1A and 1B having an ink jet recording head are
Cartridges 2A and 2B constituting ink supply means are detachably provided. A carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted is provided on a carriage shaft 5 attached to the apparatus main body 4 so as to be movable in the axial direction. I have. The recording head units 1A and 1B are, for example,
Each of them ejects a black ink composition and a color ink composition.

【0084】そして、駆動モータ6の駆動力が図示しな
い複数の歯車およびタイミングベルト7を介してキャリ
ッジ3に伝達されることで、記録ヘッドユニット1A及
び1Bを搭載したキャリッジ3はキャリッジ軸5に沿っ
て移動される。一方、装置本体4にはキャリッジ軸5に
沿ってプラテン8が設けられており、図示しない給紙ロ
ーラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シ
ートSがプラテン8に巻き掛けられて搬送されるように
なっている。
The driving force of the driving motor 6 is transmitted to the carriage 3 via a plurality of gears and a timing belt 7 (not shown), so that the carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted moves along the carriage shaft 5. Moved. On the other hand, a platen 8 is provided on the apparatus main body 4 along the carriage shaft 5, and a recording sheet S, which is a recording medium such as paper fed by a paper feed roller (not shown), is wound around the platen 8. It is designed to be transported.

【0085】[0085]

【発明の効果】このように、本実施形態では、圧電素子
を構成する圧電体層に存在するアルカリ金属又はアルカ
リ土類金属元素の濃度を1×1011atoms/cm2
以下としたので、圧電体層の絶縁破壊を防止することが
でき、ヘッドの耐久性及び信頼性を向上することができ
る。
As described above, in this embodiment, the concentration of the alkali metal or alkaline earth metal element present in the piezoelectric layer constituting the piezoelectric element is set to 1 × 10 11 atoms / cm 2.
Because of the following, dielectric breakdown of the piezoelectric layer can be prevented, and durability and reliability of the head can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記
録ヘッドの分解斜視図である。
FIG. 1 is an exploded perspective view of an ink jet recording head according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施形態1に係るインクジェット式記
録ヘッドを示す図であり、図1の平面図及び断面図であ
る。
FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view of the inkjet recording head according to the first embodiment of the present invention, showing the same.

【図3】封止板の変形例を示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing a modification of the sealing plate.

【図4】本発明の実施形態1に係るインクジェット式記
録ヘッドの要部平面図及び断面図である。
FIG. 4 is a plan view and a cross-sectional view of a main part of the inkjet recording head according to the first embodiment of the invention.

【図5】本発明の実施形態1の薄膜製造工程を示す断面
図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a thin-film manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.

【図6】本発明の実施形態1の薄膜製造工程を示す断面
図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a thin-film manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.

【図7】本発明の実施形態1の薄膜製造工程を示す断面
図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a thin-film manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.

【図8】本発明の他の実施形態に係るインクジェット式
記録ヘッドの分解斜視図である。
FIG. 8 is an exploded perspective view of an ink jet recording head according to another embodiment of the present invention.

【図9】本発明の他の実施形態に係るインクジェット式
記録ヘッドを示す断面図である。
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating an ink jet recording head according to another embodiment of the present invention.

【図10】本発明の一実施形態に係るインクジェット式
記録装置の概略図である。
FIG. 10 is a schematic diagram of an ink jet recording apparatus according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 流路形成基板 12 圧力発生室 50 弾性膜 60 下電極膜 70 圧電体層 80 上電極膜 300 圧電素子 320 圧電体能動部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Flow path forming substrate 12 Pressure generating chamber 50 Elastic film 60 Lower electrode film 70 Piezoelectric layer 80 Upper electrode film 300 Piezoelectric element 320 Piezoelectric active part

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 キャビティを画成した基板の一方面側に
絶縁層を介して設けられた下電極、該下電極上に設けら
れた圧電体層及び該圧電体層の表面に設けられた上電極
からなる圧電素子を具備するアクチュエータ装置におい
て、 前記圧電素子の外周面の前記圧電体層が露出された領域
の少なくとも表層に存在するアルカリ金属又はアルカリ
土類金属元素のそれぞれの濃度が、1×1011atom
s/cm2以下であることを特徴とするアクチュエータ
装置。
1. A lower electrode provided on one surface side of a substrate defining a cavity via an insulating layer, a piezoelectric layer provided on the lower electrode, and an upper surface provided on a surface of the piezoelectric layer. In an actuator device including a piezoelectric element composed of an electrode, the concentration of each of the alkali metal or alkaline earth metal element present in at least the surface layer of the outer peripheral surface of the piezoelectric element where the piezoelectric layer is exposed is 1 × 10 11 atom
s / cm 2 or less.
【請求項2】 請求項1において、前記アルカリ金属又
はアルカリ土類金属元素が、ナトリウム、カリウム、マ
グネシウム又はカルシウムからなる群から選択されるこ
とを特徴とするアクチュエータ装置。
2. The actuator device according to claim 1, wherein the alkali metal or alkaline earth metal element is selected from the group consisting of sodium, potassium, magnesium and calcium.
【請求項3】 請求項1又は2において、前記キャビテ
ィが、前記基板をアルカリ性溶液によるエッチングによ
って形成されたものであることを特徴とするアクチュエ
ータ装置。
3. The actuator device according to claim 1, wherein the cavity is formed by etching the substrate with an alkaline solution.
【請求項4】 請求項1又は2において、前記キャビテ
ィが、有機エッチング溶液によって除去されていること
を特徴とするアクチュエータ装置。
4. The actuator device according to claim 1, wherein the cavity is removed by an organic etching solution.
【請求項5】 請求項1〜4の何れかのアクチュエータ
装置を構成する前記基板の他方面側に、前記キャビティ
に連通するノズル開口を有するノズル形成部材が接合さ
れていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッ
ド。
5. An ink jet printer, wherein a nozzle forming member having a nozzle opening communicating with the cavity is joined to the other surface of the substrate constituting the actuator device according to claim 1. Type recording head.
【請求項6】 請求項5において、前記キャビティがシ
リコン単結晶基板に異方性エッチングにより形成され、
前記圧電素子の各層が成膜及びリソグラフィ法により形
成されたものであることを特徴とするインクジェット式
記録ヘッド。
6. The method according to claim 5, wherein the cavity is formed in the silicon single crystal substrate by anisotropic etching.
An ink jet recording head, wherein each layer of the piezoelectric element is formed by film formation and lithography.
【請求項7】 請求項5又は6のインクジェット式記録
ヘッドを具備することを特徴とするインクジェット式記
録装置。
7. An ink jet recording apparatus comprising the ink jet recording head according to claim 5.
【請求項8】 キャビティを画成した基板の一方面側に
絶縁層を介して設けられた下電極、該下電極上に設けら
れた圧電体層及び該圧電体層の表面に設けられた上電極
からなる圧電素子を具備するアクチュエータ装置の製造
方法において、 前記基板上に下電極、圧電体層及び上電極を順次積層す
ると共にパターニングして前記圧電素子を形成する工程
と、前記圧電素子の表面に保護膜を形成する工程と、前
記キャビティを前記基板にアルカリ溶液によるエッチン
グによって形成する工程と、前記保護膜を除去すると共
に前記圧電素子の表面を所定洗浄液で洗浄する工程とを
有することを特徴とするアクチュエータ装置の製造方
法。
8. A lower electrode provided on one surface side of a substrate defining a cavity with an insulating layer interposed therebetween, a piezoelectric layer provided on the lower electrode, and an upper surface provided on a surface of the piezoelectric layer. A method of manufacturing an actuator device including a piezoelectric element including an electrode, a step of sequentially laminating and patterning a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode on the substrate to form the piezoelectric element; Forming a cavity on the substrate by etching with an alkaline solution, and removing the protective film and cleaning the surface of the piezoelectric element with a predetermined cleaning liquid. Manufacturing method of an actuator device.
【請求項9】 請求項8において、前記圧電素子の表面
を洗浄する工程では、当該圧電素子の外周面の前記圧電
体層が露出された領域の少なくとも表層に存在するアル
カリ金属又はアルカリ土類金属のそれぞれの濃度を1×
1011atoms/cm2以下とすることを特徴とする
アクチュエータ装置の製造方法。
9. The method according to claim 8, wherein in the step of cleaning the surface of the piezoelectric element, an alkali metal or an alkaline earth metal present on at least a surface layer of the outer peripheral surface of the piezoelectric element where the piezoelectric layer is exposed. Each concentration of 1 ×
A method for manufacturing an actuator device, wherein the pressure is set to 10 11 atoms / cm 2 or less.
【請求項10】 請求項9において、前記アルカリ金属
又はアルカリ土類金属が、ナトリウム、カリウム、マグ
ネシウム又はカルシウムからなる群から選択されること
を特徴とするアクチュエータ装置の製造方法。
10. The method according to claim 9, wherein said alkali metal or alkaline earth metal is selected from the group consisting of sodium, potassium, magnesium and calcium.
【請求項11】 請求項9又は10において、前記所定
洗浄液が酸性溶液又は純水であることを特徴とするアク
チュエータ装置の製造方法。
11. The method according to claim 9, wherein the predetermined cleaning liquid is an acidic solution or pure water.
【請求項12】 請求項11において、前記酸性溶液
が、塩酸又は硝酸であることを特徴とするアクチュエー
タ装置の製造方法。
12. The method according to claim 11, wherein the acidic solution is hydrochloric acid or nitric acid.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008302685A (en) * 2007-05-08 2008-12-18 Seiko Epson Corp Fluid jet head, manufacturing method for fluid jet head, and fluid jet apparatus

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