JP2002370354A - Liquid jet head - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、液体噴射記録装置
に好適に用いられる液体噴射ヘッドに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a liquid jet head suitably used for a liquid jet recording apparatus.
【0002】一般に液体噴射記録装置は、液室、ノズ
ル、液体流路を有する液体噴射ヘッド、並びにインク供
給系とを具備し、液室内に充満しているインクにエネル
ギーを与えることにより、液室内のインクが液体流路に
押し出され、その結果ノズルからインク滴が噴射され、
これにより文字・画像情報の記録が行われるものであ
る。In general, a liquid jet recording apparatus includes a liquid chamber, a nozzle, a liquid jet head having a liquid flow path, and an ink supply system, and applies energy to ink filled in the liquid chamber to thereby provide energy to the liquid chamber. Ink is extruded into the liquid flow path, and as a result, ink droplets are ejected from the nozzle,
Thereby, the recording of the character / image information is performed.
【0003】インクにエネルギーを与える手段として
は、圧電素子を用いて液室内を加圧する手段、またはヒ
ータを用いて液室内インクを加熱する手段が広く利用さ
れている。As means for applying energy to ink, means for applying pressure to the liquid chamber using a piezoelectric element or means for heating ink in the liquid chamber using a heater are widely used.
【0004】本発明は、特に圧電素子を用いて液室内を
加圧する手段をもつ、液体噴射ヘッドに関する。The present invention particularly relates to a liquid ejecting head having means for pressurizing a liquid chamber using a piezoelectric element.
【0005】[0005]
【従来の技術】上述したような液体噴射ヘッドや、本発
明に関わる構成要素の従来技術としては、特公昭62−
22790号、特開平2−219654号、米国特許4
312008号、鳥居他(ジャパニーズジャーナルオブ
アプライドフィジックス、Vo1.30、No.12
B、1991年12月、3562〜3566ページ)、
特公平4−43435号、特開平3−124450号に
開示されたものがある。2. Description of the Related Art As a prior art of the liquid ejecting head as described above and the components related to the present invention, Japanese Patent Publication No.
No. 22790, JP-A-2-219654, U.S. Pat.
No. 312008, Torii et al. (Japanese Journal of Applied Physics, Vo 1.30, No. 12)
B, December 1991, 3562-3566),
Japanese Patent Publication No. 4-43535 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-124450 disclose such a technique.
【0006】特公昭62−22790号においては、液
室に対応した個所の厚さを薄くした基板上に電極形成
し、スパッタリング・印刷等の薄膜形成方法により、前
記液室に対応した個所にPZT薄膜を形成する、液体噴
射ヘッドの製造方法が開示されている。In Japanese Patent Publication No. 62-22790, an electrode is formed on a substrate having a thinner portion corresponding to the liquid chamber, and PZT is formed at the position corresponding to the liquid chamber by a thin film forming method such as sputtering or printing. A method for manufacturing a liquid ejecting head for forming a thin film is disclosed.
【0007】特開平2−219654号においては、ノ
ズルが設けられた半導体基板上に積層形成した薄板に液
室並びに液体流路が形成され、液室上部に積層形成され
た振動板、前記振動板上部に設けられた圧電振動子より
なる液体噴射ヘッド、及び、ノズルを半導体基板に形成
し、前記半導体基板上にドライフィルムを接着し、前記
ドライフィルム上に振動板、下電極、圧電膜、上電極と
積層し、前記ドライフィルムを除去して形成する液体噴
射ヘッドの製造方法が開示されている。In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-219654, a diaphragm and a diaphragm are formed on a thin plate laminated on a semiconductor substrate provided with a nozzle, in which a liquid chamber and a liquid flow path are formed. A liquid ejecting head including a piezoelectric vibrator provided on an upper part, and a nozzle formed on a semiconductor substrate, a dry film is adhered on the semiconductor substrate, and a vibrating plate, a lower electrode, a piezoelectric film, There is disclosed a method of manufacturing a liquid jet head which is formed by stacking electrodes and removing the dry film.
【0008】米国特許4312008号においては、基
板表面に形成された液体流路及び基板を貫通する液室を
具備し、前記基板の両表面に基板を接合し、圧電体を備
えて成る液体噴射ヘッドが開示されている。In US Pat. No. 4,311,2008, a liquid ejecting head comprising a liquid passage formed on the surface of a substrate and a liquid chamber penetrating the substrate, wherein the substrate is joined to both surfaces of the substrate, and a piezoelectric body is provided. Is disclosed.
【0009】鳥居他(ジャパニーズジャーナルオブアプ
ライドフィジックス、Vo1.30、No.12B、1
991年12月、3562〜3566ページ)において
は、PZT薄膜の下電極に白金を用いることが開示され
ている。[0009] Torii et al. (Japanese Journal of Applied Physics, Vo 1.30, No. 12B, 1
(December 991, p. 3562-3566) discloses the use of platinum for the lower electrode of a PZT thin film.
【0010】特公昭4−43435号においては、絶縁
性薄膜上に下地金属薄膜、白金膜を形成し、前記白金膜
の表面が結晶粒成長によって凹凸状となる温度で熱処理
する、圧電性薄膜用の電極形成方法が開示されている。Japanese Patent Publication No. 4-43535 discloses a method for forming a base metal thin film and a platinum film on an insulating thin film, and performing a heat treatment at a temperature at which the surface of the platinum film becomes uneven due to crystal grain growth. Is disclosed.
【0011】また、特開平3−124450号は本発明
者らによるものであるが、単結晶珪素基板の一表面から
ノズルを形成し、前記単結晶珪素基板の別表面にp型単
結晶珪素をエピタキシャル成長させ、更に圧電素子を形
成し、その後前記p型珪素層及び単結晶珪素基板をエッ
チングし、液室及び片持ち、両持ち振動板を形成する液
体噴射ヘッドの製造方法が開示されている。In Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-124450, a nozzle is formed from one surface of a single-crystal silicon substrate, and p-type single-crystal silicon is formed on another surface of the single-crystal silicon substrate. There is disclosed a method of manufacturing a liquid jet head in which a p-type silicon layer and a single crystal silicon substrate are epitaxially grown, and a p-type silicon layer and a single crystal silicon substrate are thereafter etched to form a liquid chamber and a cantilevered, double-sided vibration plate.
【0012】しかしながら、前記従来技術による液体噴
射ヘッド、その構成要素、それらの製造方法において
は、以下に示すような解決されるべき問題がある。However, the above-described conventional liquid jet head, its components, and their manufacturing methods have the following problems to be solved.
【0013】特公昭62−22790号においては、ク
レーム中に構成要素の厚み設定はないものの、実施例中
のPZT厚みtpが50μm、振動板厚みtvが50〜
100μm程度と設定されていて、tp+tvが10μ
m程度以下の領域について念頭におかれていないことが
明確である。tp+tvが100μm程度であれば、こ
れがまだ厚すぎるためPZTに電圧を印加した時の振動
板の変形量が小さく、液体噴射可能なほど液室の体積を
変形させるためには、同実施例中にも記載されているよ
うに、円形で直径2mm程度の大きさの液室が必要とな
る。この時、解像度を向上させようとすると、同実施例
に示されている如く、液室ピッチ>ノズルピッチの平面
構成となり、面積的な効率が悪い。すなわち、ノズルが
7個ある液体噴射ヘッドの平面サイズが20mm×15
mmにもなってしまう。更にノズル数を増やそうとすれ
ば、平面サイズが飛躍的に大きくなるのみならず、液室
とノズルを結ぶ液体流路が長くなり、その流路抵抗が大
きくなり、液体噴射動作の速度が極端に低下する。In Japanese Patent Publication No. 62-22790, although the thickness of the component is not set in the claim, the PZT thickness tp and the diaphragm thickness tv in the embodiment are set to 50 μm and 50 to 50 μm, respectively.
It is set to about 100 μm, and tp + tv is 10 μm.
It is clear that the region of about m or less is not considered. If tp + tv is about 100 μm, it is still too thick, so that the amount of deformation of the diaphragm when a voltage is applied to PZT is small. As described above, a circular liquid chamber having a size of about 2 mm in diameter is required. At this time, in order to improve the resolution, as shown in the embodiment, the plane configuration is such that the liquid chamber pitch> the nozzle pitch, and the area efficiency is low. That is, the plane size of the liquid ejecting head having seven nozzles is 20 mm × 15.
mm. In order to further increase the number of nozzles, not only does the plane size dramatically increase, but also the liquid flow path connecting the liquid chamber and the nozzle becomes longer, the flow resistance increases, and the speed of the liquid ejection operation becomes extremely high. descend.
【0014】更に同従来例においては、液室に対応した
個所に薄い振動板を形成し、その上にPZTを形成する
製造方法であるが、本発明者らの実験によれば、液室、
振動板を形成した後にPZTを形成する方法において、
前記tp+tvを更に薄くした場合、例えばtpを3μ
m、tvを1μmにした場合、製造工程中に振動板にた
るみ、しわ、破壊等の現象が起こり、液体噴射ヘッドの
製造歩留まりが極端に低下した。Further, in the conventional example, a thin diaphragm is formed at a position corresponding to the liquid chamber, and PZT is formed thereon. According to experiments by the present inventors, the liquid chamber,
In a method of forming PZT after forming a diaphragm,
When tp + tv is further reduced, for example, tp is set to 3 μm.
When m and tv were set to 1 μm, phenomena such as sagging, wrinkling, and destruction of the diaphragm occurred during the manufacturing process, and the manufacturing yield of the liquid jet head was extremely reduced.
【0015】特開平2−219654号においては、ノ
ズルが両方位(100)のSi基板を加工することによ
り形成されている。例えば厚さ300μm程度の(10
0)Si基板を異方性エッチングしてノズル形成する場
合、エッチングレートの遅い(111)面との角度関係
により、ノズル寸法を30μm角としても、これと反対
側の基板表面の開口部が不可避的に400μm角程度に
なる。このため、ノズルピッチは400μm以下になら
ず、せいぜい60dpi(dot per inch)程度の解像
度にしかならない。すなわち、液体噴射ヘッドのノズル
高密度化が不可能である。In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-219654, the nozzles are formed by processing Si substrates of both positions (100). For example, a thickness of about 300 μm (10
0) When forming a nozzle by anisotropically etching a Si substrate, even if the nozzle size is 30 μm square, an opening in the substrate surface on the opposite side is inevitable even if the nozzle size is 30 μm square due to the angular relationship with the (111) plane having a low etching rate. It is about 400 μm square. For this reason, the nozzle pitch is not less than 400 μm, and the resolution is at most about 60 dpi (dot per inch). That is, it is impossible to increase the nozzle density of the liquid jet head.
【0016】更に、同従来例中の実施例においては、圧
電膜及び上下電極が共に液室より大きく形成されてお
り、そのような構成では、圧電膜への電圧印加の際に効
率的に振動板を変形させ、液体を噴射させることが不可
能である。また、効率的に液体を噴射させるための圧電
膜、上下電極、液室の大きさ関係や厚み関係について言
及されていない。Further, in the embodiment of the prior art, both the piezoelectric film and the upper and lower electrodes are formed larger than the liquid chamber, and in such a configuration, when a voltage is applied to the piezoelectric film, vibration is efficiently generated. It is impossible to deform the plate and eject the liquid. Further, there is no mention of the size relationship and the thickness relationship of the piezoelectric film, the upper and lower electrodes, and the liquid chamber for efficiently ejecting the liquid.
【0017】更に、同従来例中の実施例においては、振
動板にSio21層が用いられている。Sio2は、ヤン
グ率が1010N/m2台と小さく、その上部に圧電薄膜
を形成し電圧印加して前記圧電薄膜が横方向に変形する
時、同時に横方向に大きく伸びてしまい、縦方向への変
形がそれほど大きくならない。すなわち、振動板にSi
o21層を用いた場合も、圧電膜への電圧印加の際に効
率的に振動板を変形させ、液体を噴射させることが不可
能である。また、効率的に液体を噴射させるための振動
板特性や材料については言及されていない。Further, in the embodiment of the conventional example, a single layer of SiO 2 is used for the diaphragm. Sio 2 has a Young's modulus as small as 10 10 N / m 2 , and when a piezoelectric thin film is formed thereon and a voltage is applied to deform the piezoelectric thin film in a horizontal direction, the piezoelectric thin film simultaneously expands greatly in a horizontal direction, and is vertically elongated. The deformation in the direction is not so large. That is, Si
Even when the o 2 single layer is used, it is impossible to efficiently deform the diaphragm and apply the liquid when a voltage is applied to the piezoelectric film. Further, there is no mention of diaphragm characteristics or materials for efficiently ejecting liquid.
【0018】米国特許4312008号においては、そ
のクレーム中に、圧電結晶が振動板上に取り付けられる
構成との記述がある。またその実施例中においてもイン
ジウムをベースとした半田で取り付ける記述があり、前
記特公昭62−22790号に示される以上の厚みの圧
電体を対象としているのが明白である。従って、前記特
公昭62−22790号同様実質的にノズル高密度化が
できない。また、この米国特許4312008号におい
て、異方性エッチングを用いて液体流路を形成する場合
にあっては、Si基板の両方位により流路形状が決定さ
れてしまい、その自由な選択が不可能であった。例え
ば、(100)Siを用いた場合、液体流路の断面形状
は逆三角形となり、一方(110)Siを用いた場合は
長方形となる。液体流路が逆三角形の場合は、気泡が溜
まりやすくなり、トラブルの原因となる。また、(11
0)Siに長方形となる液体流路を形成する場合、その
深さの制御が困難であり、出来上がりの深さが不均一に
なるため、液体噴射特性にばらつきを生じる。US Pat. No. 4,311,2008 describes in its claim that a piezoelectric crystal is mounted on a diaphragm. Further, even in the embodiment, there is a description of mounting with an indium-based solder, and it is clear that the present invention is directed to a piezoelectric body having a thickness larger than that described in JP-B-62-2790. Therefore, nozzle density cannot be substantially increased as in the above-mentioned Japanese Patent Publication No. 62-22790. In the case of US Pat. No. 4,311,2008, when a liquid flow path is formed by using anisotropic etching, the flow path shape is determined by both positions of the Si substrate. Met. For example, when (100) Si is used, the cross-sectional shape of the liquid channel is an inverted triangle, while when (110) Si is used, it is a rectangle. If the liquid flow path is an inverted triangle, air bubbles are likely to accumulate, causing trouble. Also, (11
0) When a rectangular liquid flow path is formed in Si, it is difficult to control the depth of the liquid flow path, and the resulting depth is not uniform.
【0019】更に液体流路と液室との接点においてアン
ダーカットエッチングが不可避的に生じ、このため接点
形状がまちまちとなり、液体噴射特性が一定しない。更
に加えて、同従来例においてはSi基板封止用の基板を
2枚必要とし、2回の接着工程を要するため、製造工程
が繁雑化し、製造コストにおいても不利を伴う。Furthermore, undercut etching inevitably occurs at the contact point between the liquid flow path and the liquid chamber, so that the contact shape varies and the liquid ejection characteristics are not constant. In addition, in the conventional example, two substrates for sealing the Si substrate are required, and two bonding steps are required, so that the manufacturing process is complicated and the manufacturing cost is disadvantageous.
【0020】鳥居他(ジャパニーズジャーナルオブアプ
ライドフィジックス、Vo1.30、No.12B、1
991年12月、3562〜3566ページ)において
は、PZT膜の下電極としてSio2上に直接白金膜が
形成されている。しかしながら、このような構成とした
場合、酸化珪素と白金との密着性に問題があることは周
知の事実であり、本発明者の実験においても、PZT膜
形成時またはその後の熱処理時や、完成後の動作時に酸
化珪素と白金の間に剥がれが生じた。また、以上の如き
問題点を解決し、酸化珪素等の絶縁材料と白金との密着
性を向上させるため、特公昭4−43435号に示され
るように白金と絶縁材料の間にチタンを挿入すればよい
ことが知られているが、PZT膜形成時やその後の熱処
理時に、白金表面に突起が生じ、これがPZT膜の耐電
圧を低下させていた。Torii et al. (Japanese Journal of Applied Physics, Vo 1.30, No. 12B, 1
(December 991, p. 3562-3566), a platinum film is formed directly on Sio 2 as a lower electrode of a PZT film. However, it is a well-known fact that such a configuration has a problem in the adhesion between silicon oxide and platinum. Peeling occurred between silicon oxide and platinum during a later operation. Further, in order to solve the above problems and to improve the adhesion between the insulating material such as silicon oxide and platinum and platinum, as shown in Japanese Patent Publication No. 43435/1973, titanium is inserted between the platinum and the insulating material. Although it is known that the PZT film is formed, projections are formed on the surface of the platinum during the formation of the PZT film or during the subsequent heat treatment, and this reduces the withstand voltage of the PZT film.
【0021】特開平3−124450号においては、単
結晶珪素基板の異方性エッチングを行う時に圧電素子側
の面に自動的にエッチング液が回り込む構成であり、こ
の時単結晶珪素基板の異方性エッチング液、例えば水酸
化カリウム水溶液により、圧電素子がサイドエッチング
される現象が起こり、これが液体噴射ヘッドの歩留まり
を低下させていた。In Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-124450, anisotropic etching of a single-crystal silicon substrate is performed such that an etchant automatically flows around the surface on the piezoelectric element side. A phenomenon in which a piezoelectric element is side-etched by an aqueous etchant, for example, an aqueous solution of potassium hydroxide occurs, and this reduces the yield of the liquid ejecting head.
【0022】[0022]
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来技術
の問題点に鑑みてなされたものであり、以下の点を目的
とするものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and has the following objects.
【0023】(1)効率的な液体噴射動作をさせること
を可能とし、ノズル数を増やしても平面的に小型で、ノ
ズル高密度化の図られた液体噴射ヘッドを提供するこ
と。(1) To provide a liquid ejecting head capable of performing an efficient liquid ejecting operation, having a small size in plan view even if the number of nozzles is increased, and having a high density of nozzles.
【0024】(2)表面の突起密度の少ない下電極を実
現し、耐電圧の大きなPZT膜を実現し、液体噴射特性
の向上が図られた液体噴射ヘッドを提供すること。(2) To provide a liquid ejecting head which realizes a lower electrode having a small surface projection density, realizes a PZT film having a high withstand voltage, and improves liquid ejecting characteristics.
【0025】(3)液室や液体流路の形状、深さを制御
することを容易とし、気泡溜まりや液体噴射特性ばらつ
きがなく、更にはその設計の自由度を向上することがで
きる液体噴射ヘッドを提供すること。(3) A liquid jet that makes it easy to control the shape and depth of the liquid chamber and the liquid flow path, has no bubble accumulation and fluctuations in the liquid jet characteristics, and can further improve the degree of freedom in its design. Providing a head.
【0026】[0026]
【課題を解決するための手段】本発明の液体噴射ヘッド
は、インク滴を吐出するノズルと、基板に形成され該ノ
ズルと連通する液室と、該液室の一部を構成する振動板
と、該振動板上に形成された下電極、圧電膜、上電極よ
り成る圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドにおいて、
前記下電極が前記振動板上に密着膜を介して積層されて
おり、前記下電極が、白金又は白金を含む合金であるこ
とを特徴としている。このことにより、電極材料の白金
と振動板との密着性を高めることができる。According to the present invention, there is provided a liquid ejecting head comprising: a nozzle for discharging ink droplets; a liquid chamber formed on a substrate and communicating with the nozzle; and a diaphragm constituting a part of the liquid chamber. A lower electrode formed on the diaphragm, a piezoelectric film, and a piezoelectric element comprising an upper electrode;
The lower electrode is laminated on the diaphragm via an adhesive film, and the lower electrode is made of platinum or an alloy containing platinum. As a result, the adhesion between the platinum of the electrode material and the diaphragm can be increased.
【0027】また、密着膜が膜厚80Å以下のチタンで
構成することが望ましい。このことによりPZT膜の耐
電圧を向上させることができる。It is desirable that the adhesion film is made of titanium having a thickness of 80 ° or less. Thereby, the withstand voltage of the PZT film can be improved.
【0028】また、振動板のヤング率が1×1011N/
m2以上となるように構成している。このことにより、
振動板の変形量が増大し、余裕を持った液体噴射動作が
可能となる。特に振動板のヤング率が2×1011N/m
2以上であれば、振動板の変形量が格段に増大し、液室
の奥行き方向長さWを減少させることができ、液体噴射
ヘッドの小型化・高速化が可能となる。The Young's modulus of the diaphragm is 1 × 10 11 N /
is configured such that m 2 or more. This allows
The amount of deformation of the diaphragm increases, and a liquid ejecting operation with a sufficient margin can be performed. Particularly, the Young's modulus of the diaphragm is 2 × 10 11 N / m
If it is 2 or more, the amount of deformation of the diaphragm is significantly increased, the length W of the liquid chamber in the depth direction can be reduced, and the size and speed of the liquid ejecting head can be reduced.
【0029】振動板として好適な材料としては、窒化珪
素、窒化チタン、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化
タンタル、窒化タングステン、窒化ジルコニウム、酸化
ジルコニウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、炭化珪
素、炭化チタン、炭化タングステン、炭化タンタルの少
なくとも1種を主成分とする材料が挙げられる。Suitable materials for the diaphragm include silicon nitride, titanium nitride, aluminum nitride, boron nitride, tantalum nitride, tungsten nitride, zirconium nitride, zirconium oxide, titanium oxide, aluminum oxide, silicon carbide, titanium carbide, and tungsten carbide. And a material mainly containing at least one of tantalum carbide.
【0030】また、振動板を、ヤング率が1×1011N
/m2以上、望ましくは2×1011N/m2以上の材料層
と、酸化珪素層との2層構造とし、該酸化珪素層は下電
極側に配置するように構成することが望ましい。このこ
とにより、下電極あるいは基板との密着性が強化される
ので、製造上の歩留まりを向上させることができる。The diaphragm has a Young's modulus of 1 × 10 11 N.
/ M 2 or more, preferably 2 × 10 11 N / m 2 or more, and a silicon oxide layer, and the silicon oxide layer is desirably arranged on the lower electrode side. As a result, the adhesion to the lower electrode or the substrate is strengthened, and the production yield can be improved.
【0031】また、振動板と下電極の間に、酸化アルミ
ニウム、酸化ジルコニウム、酸化錫、酸化亜鉛、酸化チ
タンの少なくとも1種を主成分とする材料層を挿入して
構成してもよい。このことにより、PZT膜の圧電特性
を向上させることができる。Further, a material layer containing at least one of aluminum oxide, zirconium oxide, tin oxide, zinc oxide and titanium oxide as a main component may be inserted between the diaphragm and the lower electrode. Thereby, the piezoelectric characteristics of the PZT film can be improved.
【0032】また、圧電膜として好適な材料としては、
チタン酸ジルコン酸鉛が挙げられる。Further, materials suitable for the piezoelectric film include:
And lead zirconate titanate.
【0033】また、上記の液体噴射ヘッドは、液体噴射
記録装置に具備されている。The above-described liquid jet head is provided in a liquid jet recording apparatus.
【0034】[0034]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について図
面を参照しながら説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0035】(実施例1)図1は、本発明の実施例にお
ける液体噴射ヘッドの斜視図である。Embodiment 1 FIG. 1 is a perspective view of a liquid jet head according to an embodiment of the present invention.
【0036】図において、液室102上に形成された振
動板103、及び下電極104、圧電膜105、上電極
106から構成される圧電素子が形成された第1の基板
101と、液体流路108が形成された第2の基板10
7を接合して成る構成となっている。109は第1の基
板101と第2の基板107を接合した断面の開口部に
形成されたノズルである。ここで、液室102とノズル
109は、同一のピッチで複数個配列されている。In the figure, a diaphragm 103 formed on a liquid chamber 102, a first substrate 101 on which a piezoelectric element composed of a lower electrode 104, a piezoelectric film 105 and an upper electrode 106 are formed, and a liquid flow path Second substrate 10 with 108 formed
7 are joined. Reference numeral 109 denotes a nozzle formed at an opening in a cross section where the first substrate 101 and the second substrate 107 are joined. Here, a plurality of liquid chambers 102 and nozzles 109 are arranged at the same pitch.
【0037】この液体噴射ヘッドの動作を簡単に説明す
ると、下電極104と上電極106の間に電圧を印加
し、下電極104、圧電膜105、上電極106よりな
る圧電素子、及び振動板103を変形させ、液室102
の体積を減少させ、液室102内に充満しているインク
を液体流路108へ押し出し、ノズル109よりインク
が噴射される動作となる。The operation of the liquid ejecting head will be briefly described. A voltage is applied between the lower electrode 104 and the upper electrode 106, and a piezoelectric element including the lower electrode 104, the piezoelectric film 105, the upper electrode 106, and the vibration plate 103. And the liquid chamber 102
Is reduced, the ink filling the liquid chamber 102 is pushed out to the liquid flow path 108, and the ink is ejected from the nozzle 109.
【0038】以下、製造工程に従って本発明の液体噴射
ヘッド及びその製造方法を詳細に説明する。Hereinafter, the liquid jet head of the present invention and the method of manufacturing the same will be described in detail according to the manufacturing process.
【0039】図2(a)、(b)、(c)は、本発明の
実施例における、第1の基板101に圧電素子及び液室
を形成するまでの製造工程を示す断面図である。なお、
この断面図において、紙面に垂直な方向が液室の奥行き
方向となる。FIGS. 2A, 2B, and 2C are cross-sectional views showing a manufacturing process up to forming a piezoelectric element and a liquid chamber on the first substrate 101 in the embodiment of the present invention. In addition,
In this cross-sectional view, the direction perpendicular to the paper surface is the depth direction of the liquid chamber.
【0040】両方位(110)の単結晶珪素により第1
の基板101を1200℃で熱酸化し、基板101の両
面に酸化珪素層201を厚み5000Å形成する。そし
て、基板101の片面に振動板103を形成する。振動
板103は、例えば窒化珪素をPECVD法(プラズマ
化学気相成長法)により厚み1μmに形成し、窒素雰囲
気中800℃で熱処理を行い形成する。更に、基板10
1の両面にフォトレジストを形成し、振動板103を設
けた側と反対側の表面に開口部を設け、酸化珪素201
を弗酸と弗化アンモニウムの水溶液でパターニングし、
開口部202を形成し、図2(a)に示す断面図とな
る。この時開口部202の奥行き方向、すなわち紙面に
垂直な方向を<1−1 2>または<−1 1 2>方
向としておく。The first (110) single crystal silicon is used for the first
The substrate 101 is thermally oxidized at 1200 ° C. to form a silicon oxide layer 201 on both surfaces of the substrate 101 at a thickness of 5000 °. Then, the vibration plate 103 is formed on one surface of the substrate 101. The vibration plate 103 is formed by, for example, forming silicon nitride to a thickness of 1 μm by PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) and performing heat treatment at 800 ° C. in a nitrogen atmosphere. Further, the substrate 10
1. A photoresist is formed on both surfaces of the silicon oxide 201, and an opening is provided on the surface opposite to the side on which the diaphragm 103 is provided.
Is patterned with an aqueous solution of hydrofluoric acid and ammonium fluoride,
The opening 202 is formed, and a sectional view shown in FIG. At this time, the depth direction of the opening 202, that is, the direction perpendicular to the paper surface is set as the <1-12> or <-11.
【0041】そして、振動板103上に、下電極104
をスパッタリング法でチタンを厚み50Å、白金を厚み
2000Åと、この順に形成し、そのパターニングを王
水の水溶液で行う。次に、圧電膜105としてPZTを
厚み3μmにスパッタリング形成し、塩酸の水溶液でパ
ターニングする。PZT膜の形成方法は、近年いろいろ
な方法が試みられているが、本発明者らは、ニオブを混
入した変性PZTに酸化鉛を過剰に加えた焼結体ターゲ
ットを用いて、アルゴン雰囲気中基板加熱なしで高周波
スパッタリングを行い形成した。前記PZTのパターニ
ング後、酸素雰囲気中700℃にて加熱処理を行い、更
に上電極106をスパッタリング法でチタンを厚み50
Å、金を厚み2000Åと、この順に形成し、ヨウ素と
ヨウ化カリウムの水溶液でパターニングし、図2(b)
に示す断面図となる。Then, the lower electrode 104 is placed on the diaphragm 103.
Is formed by sputtering in a thickness of 50 ° for titanium and 2000 ° for platinum, in this order, and the patterning is performed with an aqueous solution of aqua regia. Next, PZT is formed by sputtering to a thickness of 3 μm as the piezoelectric film 105, and is patterned with an aqueous solution of hydrochloric acid. Various methods have been attempted in recent years for forming a PZT film. However, the present inventors have proposed a method of forming a substrate in an argon atmosphere by using a sintered body target in which lead oxide is excessively added to modified PZT mixed with niobium. It was formed by high-frequency sputtering without heating. After the patterning of the PZT, a heat treatment is performed at 700 ° C. in an oxygen atmosphere.
{Circle around (2)}, gold is formed to a thickness of 2000 mm in this order, and is patterned with an aqueous solution of iodine and potassium iodide.
The sectional view shown in FIG.
【0042】その後、保護膜203を感光性ポリイミド
で厚み2μmに形成し、図示しない電極取り出し部の保
護膜を現像により取り除き、400℃で熱処理を行う。
次に、保護膜203を形成した圧電素子側の面を、図3
に示す治具により保護し(詳細は後述する)、水酸化カ
リウム水溶液に浸せきし、酸化珪素層201の開口部2
02から単結晶珪素基板101の異方性エッチングを行
い、液室102を形成する。この時単結晶珪素基板10
1の両方位が(110)であり、更に開口部202の奥
行き方向が<1−1 2>または<−1 1 2>方向
であるから、液室102の奥行き方向の辺を形成する側
壁の面を(111)面とすることができる。水酸化カリ
ウム水溶液を用いた場合、単結晶珪素の(110)面と
(111)面のエッチングレートの比は300:1程度
となり、300μmの深さの溝をサイドエッチング1μ
m程度に抑えて形成することができ、液室102が形成
される。そして、基板101を前記治具に固定したま
ま、振動板103に接している酸化珪素を弗酸と弗化ア
ンモニウムの水溶液でエッチング除去し、図2(c)に
示す断面図となる。Thereafter, a protective film 203 is formed of photosensitive polyimide to a thickness of 2 μm, the protective film at the electrode take-out portion (not shown) is removed by development, and a heat treatment is performed at 400 ° C.
Next, the surface on the piezoelectric element side on which the protective film 203 is formed is shown in FIG.
(See below for details), and immersed in an aqueous solution of potassium hydroxide to form an opening 2 in the silicon oxide layer 201.
From 02, anisotropic etching of the single crystal silicon substrate 101 is performed to form a liquid chamber 102. At this time, the single crystal silicon substrate 10
1 are both (110) and the depth direction of the opening 202 is the <1-1 2> or <-11 12> direction, so that the side wall forming the side of the liquid chamber 102 in the depth direction is The plane can be a (111) plane. When an aqueous solution of potassium hydroxide is used, the etching rate ratio between the (110) plane and the (111) plane of single crystal silicon is about 300: 1, and a groove having a depth of 300 μm is etched by 1 μm.
m, and the liquid chamber 102 is formed. Then, while the substrate 101 is fixed to the jig, the silicon oxide in contact with the vibration plate 103 is removed by etching with an aqueous solution of hydrofluoric acid and ammonium fluoride to obtain a cross-sectional view shown in FIG.
【0043】本実施例においては、保護膜203を付け
ない状態で液室102を形成した後、再び酸素雰囲気中
700℃にて熱処理を行うようにし、更に保護膜を形成
するようにしてもよい。これは、圧電膜(PZT膜)1
05に対して2度の熱処理を行うことにより、圧電特性
をさらに向上させることができるためである。この効果
の詳細な理由は明確ではないが、圧電膜を構成するPZ
Tの焼結が進んでその結晶粒径が大きくなり、その結果
圧電ひずみ定数が上昇するものと推定される。In this embodiment, after the liquid chamber 102 is formed without the protective film 203, the heat treatment may be performed again at 700 ° C. in an oxygen atmosphere to further form the protective film. . This is a piezoelectric film (PZT film) 1
This is because the piezoelectric properties can be further improved by performing the heat treatment twice on the layer 05. Although the detailed reason for this effect is not clear, PZ constituting the piezoelectric film
It is presumed that the sintering of T proceeds to increase the crystal grain size, and as a result, the piezoelectric strain constant increases.
【0044】図3(a)、(b)は、前述の如く、本発
明の実施例における、基板101の異方性エッチング時
に圧電素子側の面を保護するための治具を示した図であ
り、同図(a)は治具の構成図、同図(b)は基板10
1を治具に固定した状態の断面図である。FIGS. 3A and 3B are views showing a jig for protecting the surface of the substrate 101 on the piezoelectric element side during anisotropic etching of the substrate 101 in the embodiment of the present invention, as described above. FIG. 5A is a configuration diagram of a jig, and FIG.
It is sectional drawing in the state which fixed 1 to the jig.
【0045】片側に開口部を有し、その内壁面にネジ山
が切られた円筒状の固定枠301に、Oリング302、
基板101、Oリング302の順にはめ込み、その外壁
面にネジ山が切られた固定リング303を前記固定枠3
01の内壁にねじ込み、固定する構成となっている。こ
の時、基板101のエッチングを行う側の面を固定枠3
01の開口部側にしておく。図3(b)に示される状態
で水酸化カリウム水溶液等のエッチング液に浸せきされ
るわけであるが、この時、固定リング303、Oリング
302、及び基板101のエッチングを行う面とで封じ
られるため、エッチング液は基板101の圧電素子側へ
回り込まないようにすることができる。治具の素材とし
ては、本発明者らはポリプロピレンを用いた。An O-ring 302 and an O-ring 302 are provided on a cylindrical fixed frame 301 having an opening on one side and having an inner wall surface threaded.
The substrate 101 and the O-ring 302 are fitted in this order, and the fixing ring 303 having a thread cut on the outer wall thereof is attached to the fixing frame 3.
It is configured to be screwed into the inner wall of the device 01 and fixed. At this time, the surface of the substrate 101 to be etched is fixed to the fixed frame 3.
01 on the opening side. In the state shown in FIG. 3B, the substrate is immersed in an etching solution such as an aqueous solution of potassium hydroxide. At this time, the substrate is sealed with the fixing ring 303, the O-ring 302, and the surface on which the substrate 101 is to be etched. Therefore, the etchant can be prevented from sneaking into the piezoelectric element side of the substrate 101. As a material of the jig, the present inventors used polypropylene.
【0046】図4は、本発明の実施例における、液体噴
射ヘッドの実装構造の概念図である。FIG. 4 is a conceptual diagram of the mounting structure of the liquid jet head in the embodiment of the present invention.
【0047】図において、圧電素子及び液室が形成され
た第1の基板101と液体流路108が形成された第2
の基板107を接合し、ノズル109と液体導入孔40
4が形成される。液体導入孔404側を基材401で囲
み、液体室403が形成される。この液体室403には
外部から液体が供給されるようになっている(図示せ
ず)。基材401は実装基板402に取り付けられる。
第2の基板107は、プラスチックを射出成形すること
により、液体流路108と一体形成した。In the figure, a first substrate 101 on which a piezoelectric element and a liquid chamber are formed, and a second substrate 101 on which a liquid flow path 108 is formed.
Nozzle 107 and liquid introduction hole 40
4 are formed. A liquid chamber 403 is formed by surrounding the liquid introduction hole 404 side with the base material 401. The liquid chamber 403 is supplied with liquid from outside (not shown). The base 401 is attached to the mounting board 402.
The second substrate 107 was formed integrally with the liquid channel 108 by injection molding of plastic.
【0048】以上が本発明の液体噴射ヘッドの概要であ
る。The above is the outline of the liquid jet head of the present invention.
【0049】次に、液室・電極の寸法、圧電膜の厚み・
寸法、振動板の厚味などの関係について述べる。本発明
者らは、上述した液体噴射ヘッドを用いて液体噴射実験
を行ったところ様々な知見を得た。Next, the dimensions of the liquid chamber / electrode, the thickness of the piezoelectric film,
The relationship between the dimensions and the thickness of the diaphragm will be described. The present inventors have obtained various findings by conducting a liquid ejection experiment using the above-described liquid ejection head.
【0050】本発明者らはまず、液室102、下電極1
04、PZTによる圧電膜105、上電極106の平面
的な位置関係を設定した。The present inventors first set the liquid chamber 102 and the lower electrode 1
04, the planar positional relationship between the piezoelectric film 105 and the upper electrode 106 by PZT was set.
【0051】まず、下電極104と圧電膜105、上電
極106に関して、前記製造工程に従って上電極形成工
程まで行い評価してみた。First, the lower electrode 104, the piezoelectric film 105, and the upper electrode 106 were evaluated according to the above manufacturing process up to the upper electrode forming process.
【0052】下電極より上電極が大きい場合と、その逆
で上電極より下電極が大きい場合とを比べてみると、前
者は上下電極間のリーク電流が2桁程度後者に比べて多
くなることがわかった。これは、下電極端部におけるP
ZT膜のリーク電流が大きいことによるものと考えられ
る。When comparing the case where the upper electrode is larger than the lower electrode and the case where the lower electrode is larger than the upper electrode, the former shows that the leakage current between the upper and lower electrodes is about two digits larger than the latter. I understood. This is because P at the lower electrode end
It is considered that the leakage current of the ZT film was large.
【0053】更に、上電極より下電極が大きい場合にお
いて、PZT膜が下電極より大きい場合と、PZT膜が
下電極より小さい場合においては、前者はPZT膜端部
が下地の窒化珪素からめくれ上がってしまったのに対
し、後者は膜剥がれ等なく形成できた。これは、PZT
膜と窒化珪素層の密着性が不十分であるためと考えられ
た。従って、以上の結果から、 上電極≦PZT膜<下電極 の大小関係とすること、すなわち、液室の配列方向にお
ける上電極長さをLu、液室の配列方向におけるPZT
長さをLp、液室の配列方向における下電極長さをL1
とした場合、 Lu≦Lp<L1 という大小関係にすること、及び液室の奥行き方向にお
ける上電極長さをWu、液室の奥行き方向におけるPZ
T長さをWp、液室の奥行き方向における下電極長さを
W1とした場合、 Wu≦Wp<W1 という大小関係にすることにより、製造プロセス上の問
題がなく、かつリーク電流が抑えられた圧電素子を構成
することができた。Further, when the lower electrode is larger than the upper electrode, when the PZT film is larger than the lower electrode, and when the PZT film is smaller than the lower electrode, the former is such that the end of the PZT film is turned up from the underlying silicon nitride. In contrast, the latter could be formed without film peeling. This is PZT
It is considered that the adhesion between the film and the silicon nitride layer was insufficient. Therefore, based on the above results, the magnitude relation of upper electrode ≦ PZT film <lower electrode is satisfied, that is, the length of the upper electrode in the liquid chamber arrangement direction is Lu, and the PZT in the liquid chamber arrangement direction is Lu.
The length is Lp, and the length of the lower electrode in the liquid chamber arrangement direction is L1.
Where Lu ≦ Lp <L1 and the length of the upper electrode in the depth direction of the liquid chamber is Wu, and the PZ in the depth direction of the liquid chamber is PZ.
When the length of T is Wp and the length of the lower electrode in the depth direction of the liquid chamber is W1, there is no problem in the manufacturing process and the leakage current is suppressed by setting the magnitude relation of Wu ≦ Wp <W1. A piezoelectric element could be constructed.
【0054】更に、上電極106からの電極取り出しを
行うため、前記製造工程に従い、液室102まで形成し
た後、上電極106にワイヤボンディングをしてみた。
そうしたところ、液室102真上の上電極106にワイ
ヤボンディングを行った場合、圧力で振動板103が破
壊してしまった。これに対して、液室の奥行き方向に上
電極106を引き伸ばした場合、すなわち液室の奥行き
方向の長さをW、液室の奥行き方向の上電極長さをWu
とし、 W<Wu という大小関係にする。そして、上電極106下に基板
101が存在している部分(液室102が存在していな
い部分)にワイヤボンディングを行ったところ、問題な
く実施できた。従って、以上の結果から、 W<Wu とすることにより、上電極106からの電極取り出しが
容易となることがわかった。Further, in order to take out the electrode from the upper electrode 106, after forming up to the liquid chamber 102 according to the above-mentioned manufacturing process, wire bonding was performed on the upper electrode 106.
However, when wire bonding was performed to the upper electrode 106 directly above the liquid chamber 102, the diaphragm 103 was broken by pressure. On the other hand, when the upper electrode 106 is extended in the depth direction of the liquid chamber, that is, the length of the liquid chamber in the depth direction is W, and the length of the upper electrode in the depth direction of the liquid chamber is Wu.
And W <Wu. Then, when wire bonding was performed on a portion where the substrate 101 was present under the upper electrode 106 (a portion where the liquid chamber 102 was not present), the operation was successfully performed. Therefore, it was found from the above results that the electrode extraction from the upper electrode 106 was facilitated by setting W <Wu.
【0055】次に、前記Lu≦Lp<L1という条件の
もとで、液室102の配列方向長さLとの関係につい
て、液室中央部における振動板103の変形量を調べる
ことにより最適化実験を行った。なお、振動板、下電
極、PZT、上電極の材料、厚みは前述のものとした。
そして、液室配列方向の辺の中央に圧電素子の中央を配
置し、左右対称となるようにした。また上下電極間の印
加電圧は30Vとした。L=100μm固定とし、L
u、Lp、L1をそれぞれ変えたときの結果を以下の表
1に示す。Next, under the condition of Lu ≦ Lp <L1, the relationship with the length L of the liquid chamber 102 in the arrangement direction is optimized by examining the amount of deformation of the diaphragm 103 at the center of the liquid chamber. An experiment was performed. The materials and thicknesses of the diaphragm, lower electrode, PZT, and upper electrode were as described above.
Then, the center of the piezoelectric element was arranged at the center of the side in the liquid chamber arrangement direction so as to be bilaterally symmetric. The applied voltage between the upper and lower electrodes was 30 V. L = 100 μm fixed, L
Table 1 below shows the results when u, Lp, and L1 were changed.
【0056】[0056]
【表1】 [Table 1]
【0057】以上の表1に示されるように、配列方向に
おける、液室102とPZT膜105や下電極104の
大小関係は、振動板変形量にはあまり影響を与えない。
しかし、液室102と上電極106の大小関係は、振動
板変形量に影響を与え、液室102より上電極106が
大きくなれば、振動板変形量が低下する。この結果によ
り、圧電素子の変形部分が液室内部に収まるようにすれ
ば、効率的な振動板変形をさせることができるものと考
えられる。そのような状態にする平面的な位置関係は、
液室配列方向において、 液室の配列方向長さL>液室の配列方向の上電極長さL
u である。As shown in Table 1 above, the magnitude relationship between the liquid chamber 102 and the PZT film 105 or the lower electrode 104 in the arrangement direction does not significantly affect the diaphragm deformation.
However, the magnitude relationship between the liquid chamber 102 and the upper electrode 106 affects the amount of deformation of the diaphragm. If the upper electrode 106 is larger than the liquid chamber 102, the amount of deformation of the diaphragm decreases. Based on this result, it is considered that if the deformed portion of the piezoelectric element is accommodated in the liquid chamber, the diaphragm can be efficiently deformed. The planar positional relationship that makes such a state is
In the liquid chamber arrangement direction, the length L of the liquid chamber in the arrangement direction> the upper electrode length L of the liquid chamber in the arrangement direction
u.
【0058】以上述べた平面的なサイズ関係のもとで、
次に液体噴射実験を行った。液体としては、水系インク
を用いた。液室の配列方向長さL(単位μm)、液室の
奥行き方向長さW(単位μm)、PZT膜厚みtp(単
位μm)、振動板厚みtv(単位μm)をパラメータと
して、ノズル109から5mm離れた部分で液体噴射速
度(単位m/sec)を測定した。PZT膜への印加電
界は5V/μmとした。なお、振動板材料、下電極材料
及び厚み、上電極材料及び厚み、保護膜材料及び厚みは
前述のものとした。結果を以下の表2に示す。Under the planar size relationship described above,
Next, a liquid ejection experiment was performed. A water-based ink was used as the liquid. The length of the liquid chamber in the arrangement direction L (unit: μm), the length of the liquid chamber in the depth direction W (unit: μm), the thickness tp of the PZT film (unit: μm), and the thickness tv of the diaphragm (unit: μm) are used as parameters from the nozzle 109. The liquid ejection speed (unit: m / sec) was measured at a portion separated by 5 mm. The electric field applied to the PZT film was 5 V / μm. The diaphragm material, lower electrode material and thickness, upper electrode material and thickness, protective film material and thickness were as described above. The results are shown in Table 2 below.
【0059】[0059]
【表2】 [Table 2]
【0060】以下の結果について考察してみる。Consider the following results.
【0061】まず、L=100μm、W=15000μ
m、tv=0.4μmという条件において、tp=0.8
μmの場合は液体は噴射し、tp=0.7μmの場合は液
体は噴射しない。これは、液室内の液体に与える圧力が
tp=0.7μmにおいては不足のためであると考えら
れる。材料力学の教えるところによれば、一般的に液室
内の液体に与える圧力は、おおむねtp+tvの3乗に
比例し、Lの3乗に反比例する。したがって、この条件
に上記の実験結果をあてはめると、 (tp+tv)3/L3≧1.7×10-6、 すなわち、 (tp+tv)/L≧0.012 と範囲設定すれば、液室内液体に与える圧力としては、
液体を噴射させるだけのものを与えることができる。ま
た、前記不等式の左辺が大きくなれば、液体噴射特性は
向上することが期待され、実際、tp=tv=3μmの
時、液体噴射速度17m/secを記録している。First, L = 100 μm, W = 15000 μm
Under the condition that m and tv = 0.4 μm, tp = 0.8
In the case of μm, the liquid is ejected, and in the case of tp = 0.7 μm, the liquid is not ejected. This is considered to be because the pressure applied to the liquid in the liquid chamber is insufficient when tp = 0.7 μm. According to the teaching of material mechanics, the pressure applied to the liquid in the liquid chamber is generally proportional to the third power of tp + tv and inversely proportional to the third power of L. Therefore, when the above experimental results are applied to this condition, (tp + tv) 3 / L 3 ≧ 1.7 × 10 −6 , that is, if (tp + tv) /L≧0.012, the range is set as the liquid in the liquid chamber. The applied pressure is
Anything that only sprays liquid can be given. Further, if the left side of the above inequality expression is increased, the liquid ejection characteristics are expected to be improved. In fact, when tp = tv = 3 μm, the liquid ejection speed of 17 m / sec is recorded.
【0062】ところが、tp=3μm、tv=5μmの
時、液体は噴射しなかった。これは、振動板103が厚
くなってその剛性が高まり、液体を噴射させるだけの量
の変形をしなくなるためである。従って、振動板103
が厚くなりすぎるのは望ましくなく、前記不等式に数値
条件を当てはめると、 (tp+tv)3/L3<5.12×10-4、 すなわち、 (tp+tv)/L<0.08 とすることが必要となる。この不等式の意味するところ
は、液室の配列方向長さLを短くして、液体噴射ヘッド
のノズル高密度化を行なうためには、PZT厚みtpと
振動板厚みtvの和を小さくすることが必要ということ
である。逆に言えば、tp+tvを小さくすることによ
り、Lを小さくすることができ、ノズル高密度化が可能
となる。However, when tp = 3 μm and tv = 5 μm, no liquid was jetted. This is because the diaphragm 103 is thickened and its rigidity is increased, so that the diaphragm 103 is not deformed by an amount sufficient to eject the liquid. Therefore, the diaphragm 103
Is too thick, it is undesirable to apply the numerical condition to the above inequality: (tp + tv) 3 / L 3 <5.12 × 10 −4 , ie, (tp + tv) / L <0.08 Becomes This inequality means that the sum of the thickness tp of the PZT and the thickness tv of the diaphragm should be reduced in order to shorten the length L of the liquid chamber in the arrangement direction and increase the density of the nozzles of the liquid ejecting head. It is necessary. Conversely, by reducing tp + tv, L can be reduced and the nozzle density can be increased.
【0063】さて、この状態(tp=3μm、tv=5
μmの状態)で液体を噴射させるための手段として、液
室の奥行き方向長さWを更に大きくすることが考えられ
る。しかしながらそのような構成にすれば、液体噴射ヘ
ッドが平面的に非常に大型化してしまい、実用的な範囲
を逸脱してしまう。また、Wが大きくなった場合、液室
内の流路抵抗が大きくなり、液体噴射ヘッドの動作速度
が低下する。従って、液体噴射ヘッドの平面的な小型
化、高速動作化に対しては、上記の実験結果から、 tp≧tv 及び W/L≦150 とするのが望ましい。Now, in this state (tp = 3 μm, tv = 5
As a means for ejecting the liquid in a state of μm), it is conceivable to further increase the depth W of the liquid chamber in the depth direction. However, with such a configuration, the size of the liquid ejecting head becomes extremely large in plan view, which deviates from a practical range. Also, when W becomes large, the flow path resistance in the liquid chamber becomes large, and the operating speed of the liquid jet head decreases. Accordingly, for the planar miniaturization and high-speed operation of the liquid ejecting head, it is desirable that tp ≧ tv and W / L ≦ 150 from the above experimental results.
【0064】また、L=200μm、tp=4μm、t
v=2μmにおいて、W=2000μmでは液体噴射
し、W=1000μmでは液体噴射しない。これは、W
=1000μmでは、液体噴射させるだけの液室の奥行
き長さが短すぎるためである。従って、L=200μm
以下として高密度化で液室を配列し、ノズルを高密度化
する場合、W/L≧10とすることが必要であることが
わかった。Further, L = 200 μm, tp = 4 μm, t
When v = 2 μm, liquid ejection is performed when W = 2000 μm, and liquid ejection is not performed when W = 1000 μm. This is W
This is because the depth of the liquid chamber for ejecting the liquid is too short at 1000 μm. Therefore, L = 200 μm
In the following, it was found that it is necessary to satisfy W / L ≧ 10 when arranging liquid chambers and increasing the density of nozzles.
【0065】以上述べた液体噴射ヘッドの特徴をまとめ
ると、以下のようになる。The characteristics of the liquid ejecting head described above are summarized as follows.
【0066】圧電幕105にPZTを用いていることに
より、液体噴射効率がよい。PZTは、圧電材料の中で
も圧電ひずみ定数が大きく、本実施例におけるPZTに
おいてもd31=150pC/Nが達成されている。本発
明におけるPZTは、その組成や、上述した実施例にお
いて添加されている添加物の種類、量、更に固溶させる
ことのできる化合物の種類、量を上記実地例において限
定されているものではない。また、その形成方法も上記
方法に限定される必要はない。Since PZT is used for the piezoelectric curtain 105, the liquid ejection efficiency is good. PZT has a large piezoelectric strain constant among piezoelectric materials, d 31 = 150pC / N is achieved in the PZT in this embodiment. In the PZT of the present invention, the composition, the type and amount of the additive added in the above-described examples, and the type and amount of the compound which can be further dissolved are not limited in the above-mentioned practical examples. . Further, the forming method does not need to be limited to the above method.
【0067】液室102の配列ピッチを、ノズル109
の配列ピッチと同一にしているため、前記液室とノズル
を結う液体流路108を引き回すスペースが不要とな
り、液体噴射ヘッドの小型化が可能となり、更にはノズ
ル数を増やしても液体噴射ヘッドの大型化を招くことは
ない。The arrangement pitch of the liquid chambers 102 is
The arrangement pitch is the same as that of the above, so that a space for routing the liquid flow path 108 connecting the liquid chamber and the nozzle is not required, and the size of the liquid ejection head can be reduced. No increase in size is required.
【0068】10≦W/L≦150かつtp≧tvかつ
0.012≦(tp+tv)/L<0.08とすること
により、薄い振動板103及びPZT膜105を用いて
狭い幅の液室を形成しても液体噴射が可能となり、液体
噴射ヘッドの小型化、そのノズル高密度化が可能とな
る。By setting 10 ≦ W / L ≦ 150 and tp ≧ tv and 0.012 ≦ (tp + tv) / L <0.08, a liquid chamber having a narrow width can be formed using the thin diaphragm 103 and the PZT film 105. Even if it is formed, liquid ejection becomes possible, so that the size of the liquid ejection head can be reduced and the nozzle density thereof can be increased.
【0069】基板101を面方位(110)の単結晶珪
素とし、液室102の奥行き方向を<1−1 2>また
は<−1 1 2>方向とすることにより、液室102
の奥行き方向の辺を形成する側壁の面を(111)面と
することができるため、300μmの深さの液室を配列
方向のサイドエッチング1μm程度に抑えて形成するこ
とができ、液室寸法の高精度化が可能となる。The substrate 101 is made of single crystal silicon having a plane orientation (110), and the depth direction of the liquid chamber 102 is set to a <1-12> or <−11 2> direction.
Of the side wall forming the side in the depth direction can be a (111) plane, so that the liquid chamber having a depth of 300 μm can be formed while suppressing the side etching in the arrangement direction to about 1 μm, and the liquid chamber dimension Can be made more accurate.
【0070】Lu≦Lp<L1とすることにより、製造
プロセス上の問題がなく、リーク電流が抑えられた圧電
素子を構成することが可能となる。By setting Lu ≦ Lp <L1, it is possible to configure a piezoelectric element having no problem in the manufacturing process and having a suppressed leak current.
【0071】L>Luとすることにより、振動板の変形
を効率的に行なうことができるようになり、その結果効
率的な液体噴射が可能となる。By setting L> Lu, the diaphragm can be efficiently deformed, and as a result, efficient liquid ejection becomes possible.
【0072】W<Wu<Wp<W1とすることにより、
製造プロセス上の問題がなく、リーク電流が抑えられた
圧電素子を構成することが可能となると共に、上電極か
らの電極取り出しが容易となる。By setting W <Wu <Wp <W1,
This makes it possible to form a piezoelectric element having no problem in the manufacturing process and a reduced leakage current, and facilitates taking out of the electrode from the upper electrode.
【0073】圧電素子及び液室102が形成された第1
の基板101と液体流路108が形成された第2の基板
107を、液室と液体流路が連通するように接合一体化
する構成としたことにより、液体流路の形状、深さを制
御することが容易となり、また、液体流路と液室との接
点形状を一定とすることが可能となり、その設計上の自
由度を向上させることが可能となると共に、気泡溜まり
や液体噴射特性のばらつきの原因を除去することが可能
となる。The first in which the piezoelectric element and the liquid chamber 102 are formed
The shape and depth of the liquid flow path are controlled by joining and integrating the first substrate 101 and the second substrate 107 on which the liquid flow path 108 is formed so that the liquid chamber and the liquid flow path communicate with each other. In addition, the shape of the contact point between the liquid flow path and the liquid chamber can be made constant, the degree of freedom in design can be improved, and bubble accumulation and liquid ejection characteristics can be improved. It is possible to eliminate the cause of the variation.
【0074】第1の基板101と第2の基板107を接
合した断面の開口部をノズルとしたことにより、別部品
として必要であった高価なノズル板が不要となる。The use of a nozzle at the opening of the cross section where the first substrate 101 and the second substrate 107 are joined eliminates the need for an expensive nozzle plate that was required as a separate component.
【0075】圧電素子を形成した後、この側の面を保護
する手段を設けて、反対側の面から液室を形成する製造
方法としたことにより、薄い振動板及びPZTを用いて
も歩溜まり良く液体噴射ヘッドが形成可能となる。本実
施例においては、圧電素子側の面を保護する手段は治具
によるものであるが、その手段はこれに限定されること
なく、フォトレジストを厚く塗布する等、他の手段を用
いても良い。After the piezoelectric element is formed, means for protecting the surface on this side is provided, and the liquid chamber is formed from the opposite surface. Thus, the yield can be reduced even when a thin diaphragm and PZT are used. A liquid jet head can be formed well. In the present embodiment, the means for protecting the surface on the piezoelectric element side is by a jig, but the means is not limited to this, and other means such as applying a thick photoresist may be used. good.
【0076】液室が形成された第1の基板101の液室
開口部側に、液体流路が形成された第2の基板107を
接合する製造方法としたことにより、基板101の封止
用に1枚の基板(第2の基板)を用いて1回の接着工程
ですませることが可能となり、液体噴射ヘッドの低価格
化が可能となる。The manufacturing method of joining the second substrate 107 having the liquid flow path formed thereon to the liquid chamber opening side of the first substrate 101 having the liquid chamber formed therein is used for sealing the substrate 101. In this case, it is possible to perform only one bonding process using one substrate (second substrate), and the cost of the liquid ejecting head can be reduced.
【0077】基板101上に酸化珪素層201を形成
し、液室102を形成する工程と同一工程またはその後
に液室102に接して成る酸化珪素層201を除去する
製造方法としたことにより、製造プロセス中における振
動板103の割れや剥がれを防ぐことが可能となり、液
体噴射ヘッドの製造歩留まりが向上する。更に振動板振
動時に残留する酸化珪素層201の影響を除去すること
が可能となり、液体噴射特性の向上が可能となる。The manufacturing method is the same as the step of forming the silicon oxide layer 201 on the substrate 101 and removing the silicon oxide layer 201 formed in contact with the liquid chamber 102 in the same step as the step of forming the liquid chamber 102. It is possible to prevent the vibration plate 103 from being cracked or peeled off during the process, and the production yield of the liquid jet head is improved. Further, the influence of the silicon oxide layer 201 remaining when the diaphragm vibrates can be removed, and the liquid ejection characteristics can be improved.
【0078】(実施例2)振動板103の材料について
の知見を得るため、図2(c)の構造において、振動板
材料を変え、液室中央部における振動板の変形量を調べ
た。下電極104は全くパターニングを行なわず、基板
101全面に存在する構成とした。条件としては、L=
100μm、Lp=94μm、Lu=88mμm、W=
15mm、tp=3μm、tv=1μmで上下電極間の
印加電圧は30Vとした。Example 2 In order to obtain knowledge about the material of the diaphragm 103, the amount of deformation of the diaphragm at the center of the liquid chamber was examined by changing the material of the diaphragm in the structure of FIG. 2C. The lower electrode 104 does not perform any patterning, and is formed on the entire surface of the substrate 101. As a condition, L =
100 μm, Lp = 94 μm, Lu = 88 μm, W =
The applied voltage between the upper and lower electrodes was 15 V, tp = 3 μm, and tv = 1 μm.
【0079】振動板103の材料としては、上述の実施
例1で使用した窒素珪素に加え、熱酸化法により形成し
た酸化珪素、ホウ素を1021cm-3熱拡散させた珪素、
スパッタリング法により形成した酸化ジルコニウム、及
び酸化アルミニウムの5種類を用いた。結果を以下の表
3に示す。As the material of the diaphragm 103, in addition to the nitrogen silicon used in Example 1 described above, silicon oxide formed by a thermal oxidation method, silicon obtained by thermally diffusing boron by 10 21 cm -3 ,
Five kinds of zirconium oxide and aluminum oxide formed by a sputtering method were used. The results are shown in Table 3 below.
【0080】[0080]
【表3】 [Table 3]
【0081】以下の結果により、振動板103のヤング
率が大きいほど振動板変形量は大きくなる。これは、振
動板103のヤング率が小さいと、圧電薄膜が横方向に
変形する時、同時に横方向に大きく伸びてしまい、縦方
向への変形がそれほど大きくならないことを示している
ものである。効率的に振動板を変形させ、液体を噴射さ
せるためには、ヤング率の大きな振動板を用いることが
必要である上記結果により近似的に振動板103による
液室の排除体積を見積もってみると、酸化珪素を用いた
場合1.5×10-13m3となり、水系インクを用いて液
体噴射を行なう場合に対して必要な排除体積ぎりぎりの
ところである。従って、振動板のヤング率を1×1011
N/m2以上とすれば、余裕を持って液体噴射させるこ
とが可能となり、更には2×1011N/m2以上とすれ
ば、振動板変形量が格段に増大し、液室の奥行き方向長
さWを減少させることができ、液体噴射ヘッドの小型
化、動作の高速化が可能となる。According to the following results, as the Young's modulus of the diaphragm 103 increases, the amount of deformation of the diaphragm increases. This indicates that when the Young's modulus of the vibration plate 103 is small, when the piezoelectric thin film is deformed in the horizontal direction, it is also greatly expanded in the horizontal direction, and the deformation in the vertical direction is not so large. In order to efficiently deform the diaphragm and eject the liquid, it is necessary to use a diaphragm having a large Young's modulus. In the case where silicon oxide is used, the volume becomes 1.5 × 10 −13 m 3 , which is just around the exclusion volume required when performing liquid ejection using water-based ink. Therefore, the Young's modulus of the diaphragm is 1 × 10 11
If it is not less than N / m 2, it is possible to eject the liquid with a margin, and if it is not less than 2 × 10 11 N / m 2 , the amount of deformation of the diaphragm is significantly increased and the depth of the liquid chamber is increased. The length W in the direction can be reduced, and the size of the liquid ejecting head can be reduced, and the operation speed can be increased.
【0082】以上の結果によれば、振動板材料として、
ヤング率の大きい酸化ジルコニウム、窒素珪素、酸化ア
ルミニウムが望ましいことがわかる。この他に、窒化チ
タン、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化タンタル、
窒化タングステン、窒化ジルコニウム、窒化チタン、炭
化珪素、炭化チタン、炭化タングステン、炭化タンタル
は、ヤング率が2×1011N/m2以上であり、望まし
い振動板材料といえる。According to the above results, as the diaphragm material,
It is understood that zirconium oxide, nitrogen silicon, and aluminum oxide having large Young's modulus are desirable. In addition, titanium nitride, aluminum nitride, boron nitride, tantalum nitride,
Tungsten nitride, zirconium nitride, titanium nitride, silicon carbide, titanium carbide, tungsten carbide, and tantalum carbide have a Young's modulus of 2 × 10 11 N / m 2 or more, and can be said to be desirable diaphragm materials.
【0083】更に、前記材料を主成分として他の成分が
添加されていても良いし、前記材料を2種類以上含んだ
材料でもよい。例えば、炭化タングステンが主成分で、
炭化チタン、炭化タルタル、コバルトを微量添加した超
硬合金や、炭化チタンや炭化窒化チタンを主成分とし、
不純物を微量添加してサーメットを振動板に用いて良
い。Further, other components may be added with the above-mentioned material as a main component, or a material containing two or more kinds of the above-mentioned materials may be used. For example, tungsten carbide is the main component,
Titanium carbide, tantalum carbide, cemented carbide with a small addition of cobalt, titanium carbide or titanium carbonitride as the main component,
Cermet may be used for the diaphragm with a small amount of impurities added.
【0084】(実施例3)図5は、本発明の実施例にお
ける、振動板を積層構造とした液体噴射ヘッドにおけ
る、圧電素子、液室を形成した基板の断面図である。(Embodiment 3) FIG. 5 is a cross-sectional view of a substrate on which a piezoelectric element and a liquid chamber are formed in a liquid jet head having a laminated structure of a vibration plate according to an embodiment of the present invention.
【0085】同図において、501はヤング率が1×1
011N/m2以上、望ましくは2×1011N/m2以上の
材料層であり、前記(実施例1)と同様窒化珪素を用い
た。502は酸化珪素層であり、窒素珪素層501を形
成したPECVD装置において、窒素珪素層501を形
成した後に連続形成した。これ以外の要素は実施例1と
同様である。In the figure, reference numeral 501 denotes a Young's modulus of 1 × 1.
It is a material layer of 0 11 N / m 2 or more, desirably 2 × 10 11 N / m 2 or more, and silicon nitride is used as in the above (Example 1). Reference numeral 502 denotes a silicon oxide layer, which was continuously formed after forming the nitrogen silicon layer 501 in the PECVD apparatus in which the nitrogen silicon layer 501 was formed. Other elements are the same as in the first embodiment.
【0086】この酸化珪素層502を設けるころによ
り、下電極104と振動板との密着性が強化された。ま
た、製造プロセス中の熱処理時に起こるPZT膜105
に加わる応力を緩和することができるので、製造歩留ま
りを向上することが可能である。窒化珪素層501を1
μm、酸化珪素層502を1000Åとしたときの液体
噴射特性は、実施例1中の表2に示すものと変わらず、
酸化珪素層502を設けることによる液体噴射特性の劣
化はなかった。By providing the silicon oxide layer 502, the adhesion between the lower electrode 104 and the diaphragm was enhanced. Further, the PZT film 105 generated at the time of heat treatment during the manufacturing process is used.
Since the stress applied to the substrate can be reduced, the production yield can be improved. 1 silicon nitride layer 501
The liquid ejection characteristics when the thickness of the silicon oxide layer 502 is set to 1000 ° are the same as those shown in Table 2 in the first embodiment.
The provision of the silicon oxide layer 502 did not deteriorate the liquid ejection characteristics.
【0087】本実施例は、PZT膜形成時またはそれ以
降の処理温度を710℃以下として適用するのが望まし
い。これは、PZT膜中の鉛が下電極104を通って振
動板の酸化珪素層502へ拡散することによるものであ
る。通常、酸化珪素はこの温度領域では固体状態である
が、鉛が拡散された酸化珪素は714℃以上で液体とな
ってしまい、これが外部に噴出して液体噴射ヘッドを破
壊してしまうためである。This embodiment is desirably applied at a processing temperature of 710 ° C. or less when forming the PZT film or thereafter. This is because lead in the PZT film diffuses through the lower electrode 104 to the silicon oxide layer 502 of the diaphragm. Normally, silicon oxide is in a solid state in this temperature range. However, silicon oxide in which lead is diffused becomes liquid at 714 ° C. or higher, and this is ejected to the outside and destroys the liquid ejecting head. .
【0088】(実施例4)図6は、振動板と下電極の間
に酸化アルミニウム層を挿入した液体噴射ヘッドにおけ
る、圧電素子、液室を形成した基板の断面図である。Embodiment 4 FIG. 6 is a cross-sectional view of a substrate in which a piezoelectric element and a liquid chamber are formed in a liquid ejecting head in which an aluminum oxide layer is inserted between a diaphragm and a lower electrode.
【0089】図において、窒化珪素層501、酸化珪素
層502より成る振動板上に、酸化アルミニウム層60
1をスパッタリング法により厚み1000Åで形成し、
その上部から下電極104を形成する。それ以外は実施
例3と同様である。In the figure, an aluminum oxide layer 60 is placed on a diaphragm composed of a silicon nitride layer 501 and a silicon oxide layer 502.
1 is formed to a thickness of 1000 ° by a sputtering method,
A lower electrode 104 is formed from above. Other than that is the same as the third embodiment.
【0090】酸化アルミニウム層601を形成すること
により、上記実施例3中において述べたPZT中の鉛の
振動板への拡散が抑えられる。このことにより、710
℃以上の高温熱処理を行なっても、酸化珪素層502外
部噴出による液体噴射ヘッドの破壊を防止することがで
き、液体噴射ヘッドの製造歩留まりを向上させることが
できる。更には、710℃以上の高温かつ効率的な熱処
理が可能となるため、PZT膜の圧電特性を一層向上さ
せることが可能となり、液体噴射特性の向上を図ること
ができる。By forming the aluminum oxide layer 601, the diffusion of lead in the PZT into the diaphragm as described in the third embodiment can be suppressed. This allows 710
Even if a high-temperature heat treatment at a temperature of not less than ° C. is performed, it is possible to prevent the liquid ejecting head from being broken due to the external ejection of the silicon oxide layer 502, and to improve the production yield of the liquid ejecting head. Furthermore, since a high-temperature and high-temperature heat treatment of 710 ° C. or more can be performed efficiently, the piezoelectric characteristics of the PZT film can be further improved, and the liquid ejecting characteristics can be improved.
【0091】酸化アルミニウム層601を設けたことに
よる効果は他の材料を用いても得られることが判明し
た。実験の結果、上記酸化アルミニウム以外では、酸化
ジルコニウム、酸化錫、酸化亜鉛、酸化チタンを用いて
もその効果は同様に確認された。また、これらを主成分
とし添加物を加えた材料や、これらの材料を2種類以上
含むものを主成分とする材料も同様に適用可能である。
さらに、この効果は、表面に酸化珪素層を設けた振動板
構成のみならず、ホウ素を混入した単結晶珪素振動板に
おいても確認された。It has been found that the effect of providing the aluminum oxide layer 601 can be obtained by using other materials. As a result of the experiment, the effect was similarly confirmed by using zirconium oxide, tin oxide, zinc oxide, and titanium oxide in addition to the above aluminum oxide. Further, a material containing these as a main component and an additive, or a material containing two or more of these materials as a main component can be similarly applied.
Furthermore, this effect was confirmed not only for the diaphragm having a silicon oxide layer on the surface but also for a single-crystal silicon diaphragm containing boron.
【0092】(実施例5)本発明者らは、下電極104
の構成を決定するため、以下の実験を行なった。(Embodiment 5) The present inventors have proposed that the lower electrode 104
The following experiment was performed to determine the configuration of
【0093】酸化珪素層を設けた単結晶珪素基板上に、
下電極104としてチタンと白金をスパッタリング法で
この順に連続形成した。白金の厚みは2000Å、チタ
ンの厚みは50Åから1000Åまで変化させた。な
お、チタンは電極材料の白金と振動板材料の酸化珪素層
との密着性を高めるために必要なものである。On a single crystal silicon substrate provided with a silicon oxide layer,
As the lower electrode 104, titanium and platinum were continuously formed in this order by a sputtering method. The thickness of the platinum was changed from 2000 ° and the thickness of the titanium was changed from 50 ° to 1000 °. Titanium is necessary to increase the adhesion between platinum as the electrode material and the silicon oxide layer as the diaphragm material.
【0094】その上から、実施例1中に示す方法でPZ
Tを膜厚1μmに形成し、酸素雰囲気中で600℃の熱
処理を4時間行い、更に上電極としてアルミニウムを3
mm角の大きさにマスク蒸着して形成した。Then, PZ was obtained by the method shown in the first embodiment.
T was formed to a thickness of 1 μm, and heat treatment was performed at 600 ° C. for 4 hours in an oxygen atmosphere.
It was formed by mask evaporation to a size of mm square.
【0095】このサンプルにおいて、上下電極間に電圧
を印加し、PZT膜の耐電圧特性を評価した。ここで、
PZT膜の耐電圧の定義としては、リーク電流が100
nA流れたときの印加電圧とした。その結果を表4に示
す。In this sample, a voltage was applied between the upper and lower electrodes, and the withstand voltage characteristics of the PZT film were evaluated. here,
As a definition of the withstand voltage of the PZT film, the leakage current is 100
The applied voltage when nA flowed was taken. Table 4 shows the results.
【0096】[0096]
【表4】 [Table 4]
【0097】以上の結果により、チタン膜厚とPZT膜
の耐電圧には相関関係があり、チタン膜厚が薄くなれば
耐電圧が増すことがわかる。また、本発明者らの観測に
よれば、白金表面に微妙な突起が生じていて、この突起
の密度がチタン膜厚を厚くすると共に大きくなってい
た。例えば、チタン50Åにおいては20000個/m
m2程度であったものが、チタン200Åおいては21
0000個/mm2程度となっていることが観測され
た。このことから、熱処理によって形成される白金表面
の微小な突起が、PZT膜の耐電圧を低下させているも
のと考えられる。From the above results, it is understood that there is a correlation between the titanium film thickness and the withstand voltage of the PZT film, and the withstand voltage increases as the titanium film thickness decreases. Further, according to observations made by the present inventors, fine projections were formed on the platinum surface, and the density of the projections increased as the titanium film thickness increased. For example, in the case of titanium 50 °, 20,000 pieces / m
m 2 , but for titanium 200 mm 21
It was observed that it was about 0000 / mm 2 . From this, it is considered that minute protrusions on the platinum surface formed by the heat treatment lower the withstand voltage of the PZT film.
【0098】チタン膜厚を100Åから80Åに下げる
ことにより、PZT膜の耐電圧は18Vから30Vへと
大きく向上した。PZT膜の耐電圧が向上すれば、印加
電圧を高くすることができるようになり、液体噴射ヘッ
ドにおける、液体噴射特性を向上させることが可能とな
る。また、PZT膜を薄くした状態においても液体噴射
が可能となり、製造上の生産性も向上させることが可能
となる。By reducing the titanium film thickness from 100 ° to 80 °, the withstand voltage of the PZT film was greatly improved from 18V to 30V. If the withstand voltage of the PZT film is improved, the applied voltage can be increased, and the liquid ejecting characteristics of the liquid ejecting head can be improved. Further, even in a state where the PZT film is made thin, liquid ejection becomes possible, and productivity in manufacturing can be improved.
【0099】この耐電圧値としては、10V以下では実
用には耐えられず、20V程度でもまだ不十分である
が、20Vを大きく超えれば実用領域とみなすことがで
きる。上記の実験結果によると、チタン膜層が80Å以
下になるとPZT膜の耐電圧が格段に向上しているのが
わかる。従って、チタン膜厚を80Å以下とすることが
望ましく、本発明者らは、上述した実施例においてもチ
タン膜厚を50Åとしている。As for the withstand voltage value, if it is less than 10 V, it cannot withstand practical use, and if it is about 20 V, it is still insufficient. According to the above experimental results, the withstand voltage of the PZT film is significantly improved when the thickness of the titanium film layer is 80 ° or less. Therefore, it is desirable that the titanium film thickness be set to 80 ° or less, and the present inventors also set the titanium film thickness to 50 ° in the above-described embodiment.
【0100】以上の本実施例においては、厚み80Å以
下のチタン上に設ける電極材料を白金としているが、こ
れは、白金を含む合金としてよい。本発明者らは酸化珪
素層を設けた単結晶珪素基板にチタンを50Å、更に白
金70at%−イリジウム30at%の合金をスパッタ
リング法で連続形成し、酸素雰囲気中で600℃の熱処
理を4時間行なってみた、熱処理後のこの合金表面を8
00倍で顕微鏡観察してみたところ、前記表面の微小突
起は全く観察されなかった。前記実施例と同様にPZT
膜を形成し耐電圧の測定したところ、70Vという結果
が得られ、更に特性の向上がみられた。In the above embodiment, the electrode material provided on titanium having a thickness of 80 ° or less is platinum, but this may be an alloy containing platinum. The inventors of the present invention continuously formed an alloy of titanium at 50 ° and 70 at% of platinum-30 at% of iridium on a single crystal silicon substrate provided with a silicon oxide layer by a sputtering method, and heat-treated at 600 ° C. for 4 hours in an oxygen atmosphere. The surface of this alloy after heat treatment was 8
Microscopic observation at a magnification of 00 showed that no microprojections on the surface were observed. PZT as in the previous embodiment
When a film was formed and the breakdown voltage was measured, a result of 70 V was obtained, and the characteristics were further improved.
【0101】また、振動板の材料としても酸化珪素層を
設けた単結晶珪素に限られたわけでなく、上述した実施
例で挙げられた材料であれば適用可能である。The material of the diaphragm is not limited to single crystal silicon provided with a silicon oxide layer, but may be any material as mentioned in the above-described embodiments.
【0102】(実施例6)図7は、液室内表面に親水性
材料層を形成した液体噴射ヘッドにおける、圧電素子、
液室を形成した基板の断面図である。(Embodiment 6) FIG. 7 shows a piezoelectric element in a liquid jet head in which a hydrophilic material layer is formed on the surface of a liquid chamber.
It is sectional drawing of the board | substrate which formed the liquid chamber.
【0103】同図において、701が親水性材料層であ
る。本実施例における製造方法は実施例1に示すものと
ほぼ同一であるが、保護膜203の形成前に単結晶珪素
基板101の異方性エッチングを行い、その後800℃
程度の温度で基板101表面を熱酸化することにより、
親水性材料層701として酸化珪素を形成する点が実施
例1と異なっている。その後、圧電素子側の面に保護膜
203を形成する。In the figure, reference numeral 701 denotes a hydrophilic material layer. The manufacturing method in this embodiment is almost the same as that in the first embodiment, except that the anisotropic etching of the single-crystal silicon substrate 101 is performed before the formation of the protective film 203, and then the temperature is set to 800 ° C.
By thermally oxidizing the surface of the substrate 101 at about the temperature,
The difference from the first embodiment is that silicon oxide is formed as the hydrophilic material layer 701. After that, a protective film 203 is formed on the surface on the piezoelectric element side.
【0104】親水性材料層701の形成方法としては、
SOG(Spin On Glass)法等で振動板103下も覆う
ように酸化珪素を形成してもよいし、更には、液体噴射
ヘッド組立後に親水性材料粒子を混ぜた液体を液体流路
や液室を通し、液体流路や液室表面に親水性材料粒子を
残すようにしてもよい。The method for forming the hydrophilic material layer 701 is as follows.
Silicon oxide may be formed by SOG (Spin On Glass) or the like so as to cover the lower part of the diaphragm 103. Further, after assembling the liquid jet head, a liquid mixed with hydrophilic material particles is supplied to a liquid flow path or a liquid chamber. Through which the hydrophilic material particles may be left on the liquid flow path and the surface of the liquid chamber.
【0105】このような構成とした場合、液体に水性の
インク等の、水をベースとした材料を用いた時、液室や
液体流路と液体の濡れ性が向上し、気泡の発生が少なく
なる。同時に、第2の基板107にもガラス等の親水性
材料を用いれば、更にこの効果は向上する。In such a configuration, when a water-based material such as aqueous ink is used for the liquid, the wettability between the liquid chamber and the liquid flow path and the liquid is improved, and the generation of bubbles is reduced. Become. At the same time, if a hydrophilic material such as glass is used for the second substrate 107, this effect is further improved.
【0106】(実施例7)図8(a)、(b)は、第2
の基板107にノズルを形成した液体噴射ヘッドにおけ
る、平面図及び断面図である。Embodiment 7 FIGS. 8A and 8B show the second embodiment.
FIGS. 4A and 4B are a plan view and a cross-sectional view of a liquid jet head in which a nozzle is formed on a substrate 107 of FIG.
【0107】図において、液体流路108を形成した第
2の基板107に、ノズル801を形成し、第1の基板
101と接合した構成となっている。ノズル801は、
エキシマレーザーを照射することにより形成すればよ
い。In the figure, a nozzle 801 is formed on a second substrate 107 on which a liquid flow path 108 is formed, and the nozzle 801 is joined to the first substrate 101. The nozzle 801 is
It may be formed by irradiating an excimer laser.
【0108】このような構成とすることにより、図8
(a)に示すように液室102を千鳥状に配置し、しか
もノズル801を一直線上に配置することが可能とな
る。従って、ノズル801の配列ピッチを液室102の
配列ピッチの半分とすることができ、液室寸法を上述し
た実施例1と同様に100μmとした場合、ノズル80
1の更なる高密度化が可能となる。また、一直線上に配
置できるので、インク等の液体を紙などの媒体上に記録
する場合、ドットずれが起こらず高品位の印字が可能と
なる。With such a configuration, FIG.
As shown in (a), the liquid chambers 102 can be arranged in a staggered manner, and the nozzles 801 can be arranged in a straight line. Therefore, the arrangement pitch of the nozzles 801 can be made half of the arrangement pitch of the liquid chambers 102. When the liquid chamber dimensions are set to 100 μm as in the first embodiment, the nozzle 80
1 can be further increased in density. In addition, since they can be arranged on a straight line, when recording a liquid such as ink on a medium such as paper, high-quality printing can be performed without causing a dot shift.
【0109】(実施例8)図9は、本発明の液体噴射ヘ
ッドを用いた液体噴射記録装置の概念図である。(Embodiment 8) FIG. 9 is a conceptual diagram of a liquid jet recording apparatus using the liquid jet head of the present invention.
【0110】図において、複数のノズルを有する液体噴
射ヘッド901は、図示しない制御回路と接続されてお
り、この制御回路によって液体噴射ヘッド901が適切
に駆動され選択的にインクが噴射されるようになってい
る。そして、この液体噴射ヘッド901と対向した位置
にある記録用紙909上に、文字・画像などの情報がイ
ンク滴によるドットの集合体として記録されるように構
成されている。In the figure, a liquid ejecting head 901 having a plurality of nozzles is connected to a control circuit (not shown) so that the control circuit drives the liquid ejecting head 901 appropriately to selectively eject ink. Has become. Information such as characters and images is recorded as a group of dots formed by ink droplets on a recording sheet 909 at a position facing the liquid jet head 901.
【0111】また、液体噴射ヘッド901には、インク
を貯蔵しているカートリッジ902が接続形成されてお
り、更にガイドレール903及び送りベルト904がカ
ートリッジ902に接続されている。送りローラ905
が回転すると、送りベルト904が駆動され、ガイドレ
ール903に沿って液体噴射ヘッド901及びカートリ
ッジ902が移動する仕組みになっている。A cartridge 902 for storing ink is connected to the liquid ejecting head 901, and a guide rail 903 and a feed belt 904 are connected to the cartridge 902. Feed roller 905
When is rotated, the feed belt 904 is driven, and the liquid ejecting head 901 and the cartridge 902 move along the guide rail 903.
【0112】一方、記録用紙909は、挟持ローラ90
7と紙送りローラ908によりプラテン906に密着す
るようになっている。液体噴射ヘッド901を主走査方
向(ガイドレール903により液体噴射ヘッド901が
移動する方向)に走査し、記録を終えたら紙送りローラ
908をステップ回転させ、再び液体噴射ヘッド901
からインクを噴射し、次の記録を始めるようになってい
る。On the other hand, the recording paper 909 is
7 and the paper feed roller 908 so as to be in close contact with the platen 906. The liquid ejecting head 901 is scanned in the main scanning direction (the direction in which the liquid ejecting head 901 moves by the guide rail 903), and when recording is completed, the paper feed roller 908 is rotated stepwise, and the liquid ejecting head 901 is again rotated.
, The next recording is started.
【0113】この記録装置は、以上説明してきた液体噴
射ヘッドの特性や効果をそのまま有するものとなる。This recording apparatus has the characteristics and effects of the liquid jet head described above as they are.
【0114】本実施例においては、インクが噴射される
媒体として記録用紙を用いたが、もちろんこれに限られ
るわけでなく、布地等であってもよい。また、金属・樹
脂・木材などの立体物を用いてもよい。In this embodiment, the recording paper is used as the medium from which the ink is ejected. However, the recording medium is not limited to this, and may be a cloth or the like. Further, a three-dimensional object such as metal, resin, and wood may be used.
【0115】[0115]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の液体噴射
ヘッドは、紙・金属・樹脂・布地等の記録媒体上にイン
クを用いて文字・画像情報を記録する液体噴射記録装置
に好適に用いられる。As described above, the liquid ejecting head according to the present invention is suitable for a liquid ejecting recording apparatus for recording characters and image information on a recording medium such as paper, metal, resin, and fabric using ink. Used.
【0116】さらに、小型、高密度、改善された特性と
いう特性を活かし、小型かつ高性能の液体噴射記録装置
に用いられる記録ヘッドとして最適である。Further, taking advantage of the characteristics of small size, high density, and improved characteristics, it is most suitable as a recording head used in a small and high performance liquid jet recording apparatus.
【図1】 本発明の実施例における液体噴射ヘッドの斜
視図である。FIG. 1 is a perspective view of a liquid jet head according to an embodiment of the present invention.
【図2】 (a)ないし(c)は、第1の基板101に
圧電素子及び液室を形成するまでの製造工程を示す断面
図である。FIGS. 2A to 2C are cross-sectional views illustrating a manufacturing process until a piezoelectric element and a liquid chamber are formed on a first substrate 101. FIGS.
【図3】 (a)は、基板101の異方性エッチング時
に圧電素子側の面を保護するための治具の構成図、同図
(b)は基板101を治具に固定した状態の断面図であ
る。3A is a configuration diagram of a jig for protecting a surface of a substrate 101 on a piezoelectric element side during anisotropic etching of the substrate 101, and FIG. 3B is a cross-sectional view of a state where the substrate 101 is fixed to the jig. FIG.
【図4】 本発明の液体噴射ヘッドの実装構造の概念図
である。FIG. 4 is a conceptual diagram of a mounting structure of a liquid jet head according to the present invention.
【図5】 振動板を積層構造とした液体噴射ヘッドにお
ける、圧電素子、液室を形成した基板の断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of a substrate on which a piezoelectric element and a liquid chamber are formed in a liquid jet head having a laminated structure of a vibration plate.
【図6】 振動板と下電極の間に酸化アルミニウム層を
挿入した液体噴射ヘッドにおける、圧電素子、液室を形
成した基板の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of a substrate on which a piezoelectric element and a liquid chamber are formed in a liquid jet head in which an aluminum oxide layer is inserted between a diaphragm and a lower electrode.
【図7】 液室内表面に親水性材料層を形成した液体噴
射ヘッドにおける、圧電素子、液室を形成した基板の断
面図である。FIG. 7 is a sectional view of a substrate on which a piezoelectric element and a liquid chamber are formed in a liquid ejecting head in which a hydrophilic material layer is formed on the surface of the liquid chamber.
【図8】 (a)は、本発明の第2の基板107にノズ
ルを形成した液体噴射ヘッドにおける平面図、同図
(b)はその断面図である。FIG. 8A is a plan view of a liquid jet head in which a nozzle is formed on a second substrate 107 of the present invention, and FIG. 8B is a cross-sectional view thereof.
【図9】 本発明の液体噴射ヘッドを用いた液体噴射記
録装置の概念図である。FIG. 9 is a conceptual diagram of a liquid jet recording apparatus using the liquid jet head of the present invention.
101 第1の基板 102 液室 103 振動板 104 下電極 105 圧電膜 106 上電極 107 第2の基板 108 液体流路 109 ノズル 101 first substrate 102 liquid chamber 103 diaphragm 104 lower electrode 105 piezoelectric film 106 upper electrode 107 second substrate 108 liquid flow path 109 nozzle
─────────────────────────────────────────────────────
────────────────────────────────────────────────── ───
【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成14年6月27日(2002.6.2
7)[Submission date] June 27, 2002 (2002.6.2
7)
【手続補正1】[Procedure amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0017[Correction target item name] 0017
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【0017】[0017]
【従来の技術】更に、同従来例中の実施例においては、
振動板にSio21層が用いられている。SiO2は、ヤ
ング率が1010N/m2台と小さく、その上部に圧電薄
膜を形成し電圧印加して前記圧電薄膜が横方向に変形す
る時、同時に横方向に大きく伸びてしまい、縦方向への
変形がそれほど大きくならない。すなわち、振動板にS
iO21層を用いた場合も、圧電膜への電圧印加の際に
効率的に振動板を変形させ、液体を噴射させることが不
可能である。また、効率的に液体を噴射させるための振
動板特性や材料については言及されていない。2. Description of the Related Art Further, in an embodiment of the prior art,
One layer of SiO 2 is used for the diaphragm. SiO 2 has a Young's modulus as small as 10 10 N / m 2 , and when a piezoelectric thin film is formed thereon and a voltage is applied to deform the piezoelectric thin film in a horizontal direction, the piezoelectric thin film also expands in the horizontal direction at the same time. The deformation in the direction is not so large. That is, S
Even when a single layer of iO 2 is used, it is impossible to efficiently deform the diaphragm and apply a liquid when applying a voltage to the piezoelectric film. Further, there is no mention of diaphragm characteristics or materials for efficiently ejecting liquid.
【手続補正2】[Procedure amendment 2]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0020[Correction target item name] 0020
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【0020】[0020]
【従来の技術】鳥居他(ジャパニーズジャーナルオブア
プライドフィジックス、Vo1.30、No.12B、
1991年12月、3562〜3566ページ)におい
ては、PZT膜の下電極としてSiO2上に直接白金膜
が形成されている。しかしながら、このような構成とし
た場合、酸化珪素と白金との密着性に問題があることは
周知の事実であり、本発明者の実験においても、PZT
膜形成時またはその後の熱処理時や、完成後の動作時に
酸化珪素と白金の間に剥がれが生じた。また、以上の如
き問題点を解決し、酸化珪素等の絶縁材料と白金との密
着性を向上させるため、特公昭4−43435号に示さ
れるように白金と絶縁材料の間にチタンを挿入すればよ
いことが知られているが、PZT膜形成時やその後の熱
処理時に、白金表面に突起が生じ、これがPZT膜の耐
電圧を低下させていた。2. Description of the Related Art Torii et al. (Japanese Journal of Applied Physics, Vo1.30, No. 12B,
(December 1991, pages 3562 to 3566), a platinum film is formed directly on SiO 2 as a lower electrode of a PZT film. However, it is a well-known fact that such a configuration has a problem in the adhesion between silicon oxide and platinum.
Peeling occurred between silicon oxide and platinum during film formation or subsequent heat treatment, or during operation after completion. Further, in order to solve the above problems and to improve the adhesion between the insulating material such as silicon oxide and platinum and platinum, as shown in Japanese Patent Publication No. 43435/1973, titanium is inserted between the platinum and the insulating material. Although it is known that the PZT film is formed, projections are formed on the surface of the platinum during the formation of the PZT film or during the subsequent heat treatment, and this reduces the withstand voltage of the PZT film.
【手続補正3】[Procedure amendment 3]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0022[Correction target item name] 0022
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【0022】[0022]
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来技術
の問題点に鑑みてなされたものであり、以下の点を目的
とするものである。 (1)効率的な液体噴射動作をさせることを可能とし、
ノズル数を増やしても平面的に小型で、ノズル高密度化
の図られた液体噴射ヘッドを提供すること。 (2)表面の突起密度の少ない下電極を実現し、耐電圧
の大きなPZT膜を実現し、液体噴射特性の向上が図ら
れた液体噴射ヘッドを提供すること。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and has the following objects. (1) Enables efficient liquid ejection operation,
Provided is a liquid ejecting head which is small in a plane even when the number of nozzles is increased and has a high nozzle density. (2) To provide a liquid ejecting head which realizes a lower electrode having a small surface projection density, realizes a PZT film having a high withstand voltage, and improves liquid ejecting characteristics.
フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平5−57430 (32)優先日 平成5年3月17日(1993.3.17) (33)優先権主張国 日本(JP) (31)優先権主張番号 特願平5−72426 (32)優先日 平成5年3月30日(1993.3.30) (33)優先権主張国 日本(JP) (31)優先権主張番号 特願平5−10226 (32)優先日 平成5年1月25日(1993.1.25) (33)優先権主張国 日本(JP) (72)発明者 澤田 昌志 長野県諏訪市大和3丁目3番5号 セイコ ーエプソン株式会社内 Fターム(参考) 2C057 AF34 AF78 AG32 AG39 AG44 AG52 AG55 AP02 AP34 AP52 AP56 AP59 AQ02 BA03 BA14Continued on front page (31) Priority claim number Japanese Patent Application No. 5-57430 (32) Priority date March 17, 1993 (1993. 3.17) (33) Priority claim country Japan (JP) (31) Priority claim number Japanese Patent Application No. 5-72426 (32) Priority date March 30, 1993 (1993.3.30) (33) Priority claim country Japan (JP) (31) Priority claim number 5-10226 (32) Priority date January 25, 1993 (1993.1.25) (33) Priority claiming country Japan (JP) (72) Inventor Masashi Sawada 3-5-5 Yamato, Suwa-shi, Nagano Prefecture No. Seiko Epson Corporation F-term (reference) 2C057 AF34 AF78 AG32 AG39 AG44 AG52 AG55 AP02 AP34 AP52 AP56 AP59 AQ02 BA03 BA14
Claims (8)
成され該ノズルと連通する液室と、該液室の一部を構成
する振動板と、該振動板上に形成された下電極、圧電
膜、上電極より成る圧電素子とを具備する液体噴射ヘッ
ドにおいて、前記下電極が前記振動板上に密着膜を介し
て積層されており、前記下電極が、白金又は白金を含む
合金であることを特徴とする液体噴射ヘッド。A nozzle for discharging ink droplets, a liquid chamber formed in the substrate and communicating with the nozzle, a diaphragm constituting a part of the liquid chamber, a lower electrode formed on the diaphragm, In a liquid ejecting head including a piezoelectric film and a piezoelectric element including an upper electrode, the lower electrode is laminated on the diaphragm via an adhesive film, and the lower electrode is platinum or an alloy containing platinum. A liquid jet head, characterized in that:
ことを特徴とする請求項1記載の液体噴射ヘッド。2. The liquid jet head according to claim 1, wherein the adhesion film is titanium having a thickness of 80 ° or less.
m2以上、望ましくは、2×1011N/m2以上であるこ
とを特徴とする請求項1または2に記載の液体噴射ヘッ
ド。Is wherein Young's modulus of the diaphragm 1 × 10 11 N /
3. The liquid jet head according to claim 1, wherein the liquid jet head is at least m 2 , preferably at least 2 × 10 11 N / m 2 .
化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化タンタル、窒化タン
グステン、窒化ジルコニウム、酸化ジルコニウム、酸化
チタン、酸化アルミニウム、炭化珪素、炭化チタン、炭
化タングステン、炭化タンタルの少なくとも1種を主成
分とする材料であることを特徴とする請求項3記載の液
体噴射ヘッド。4. The vibrating plate is made of silicon nitride, titanium nitride, aluminum nitride, boron nitride, tantalum nitride, tungsten nitride, zirconium nitride, zirconium oxide, titanium oxide, aluminum oxide, silicon carbide, titanium carbide, tungsten carbide, tantalum carbide. 4. The liquid jet head according to claim 3, wherein the liquid jet head is a material containing at least one of the following as a main component.
/m2以上、望ましくは、2×1011N/m2以上の材料
と、酸化珪素層の2層構造よりなり、該酸化珪素層は、
下電極側に配置されていることを特徴とする請求項1乃
至4のいずれかに記載の液体噴射ヘッド。5. The diaphragm has a Young's modulus of 1 × 10 11 N.
/ M 2 or more, desirably 2 × 10 11 N / m 2 or more, and a silicon oxide layer having a two-layer structure.
The liquid ejecting head according to claim 1, wherein the liquid ejecting head is disposed on a lower electrode side.
ルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化錫、酸化亜鉛、酸
化チタンの少なくとも1種を主成分とする材料層がさら
に具備されていることを特徴とする請求項1乃至5のい
ずれかに記載の液体噴射ヘッド。6. A material layer mainly comprising at least one of aluminum oxide, zirconium oxide, tin oxide, zinc oxide and titanium oxide is provided between the diaphragm and the lower electrode. The liquid jet head according to any one of claims 1 to 5, wherein
ることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の
液体噴射ヘッド。7. The liquid jet head according to claim 1, wherein the piezoelectric film is made of lead zirconate titanate.
噴射ヘッドを具備して成ることを特徴とする液体噴射記
録装置。8. A liquid jet recording apparatus comprising the liquid jet head according to claim 1.
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