JP2004082632A

JP2004082632A - Liquid ejection head

Info

Publication number: JP2004082632A
Application number: JP2002249562A
Authority: JP
Inventors: Shiro Yazaki; 矢　崎　士　郎
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2004-03-18

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a liquid ejection head in which rigidity of a barrier wall for sectioning pressure generating chambers at a high density can be enhanced. <P>SOLUTION: The liquid ejection head comprises a substrate 10 having a plurality of recesses for forming a plurality of pressure generating chambers 12 in the lower side face, and a elastic film 50 having a lower side face covering the recesses in the substrate to form pressure generating chambers. On the upper side face of the elastic film, a plurality of piezoelectric oscillators are formed in regions corresponding to respective pressure generating chambers. Each piezoelectric oscillator has a lower electrode layer 60, a piezoelectric layer 70 and an upper electrode layer 80 and bends the elastic film downward with a residual stress being generated when the piezoelectric layer is fired. Furthermore, an intermediary lining layer 330 including at least the piezoelectric layer 70 is formed in each region on on the other side of the elastic film corresponding to the barrier wall 11 between adjacent pressure generating chambers. Height of the intermediary lining layer is set higher than that of the piezoelectric oscillator and a lining plate member 110 is disposed to abut against the intermediary lining part. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノズル開口に連通する圧力発生室の一部をたわみ振動するアクチュエータにより膨張、収縮させて、ノズル開口から液体滴を吐出させる液体噴射ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体噴射ヘッドには、圧力発生室を機械的に変形させてインク等の液体を加圧する圧電振動型と、圧力発生室の中に発熱素子を設け発熱素子の熱で発生した気泡の圧力によりインク等の液体を加圧するバブルジェット型と、の２種類のタイプが存在する。
【０００３】
圧電振動型の液体噴射ヘッドは、更に、長手方向に変位する圧電振動子を使用した縦振動型の液体噴射ヘッドと、たわみ変位する圧電振動子を使用したたわみ型の液体噴射ヘッドと、の２種類に分類される。
【０００４】
縦振動型の液体噴射ヘッドは、高速駆動が可能でかつ高い密度での液体滴噴射が可能である。しかし、縦振動型の液体噴射ヘッドを製造する際、圧電振動子の加工に切削作業が伴う。また、圧電振動子を圧力発生室に固定する際に３次元的組立作業を必要として、製造の工程数が多くなるという問題がある。
【０００５】
これに対して、たわみ型の液体噴射ヘッドは、シリコン単結晶基板を基材に使用して、圧力発生室やリザーバ等の流路を異方性エッチングにより形成し、また圧電振動子を圧電材料のスパッタリング等の膜形成技術で形成する手法により、弾性膜を極めて薄く、また圧力発生室や圧電振動子を高い精度で形成できるため、圧力発生室の開口面積を可及的に小さくして液体滴噴射密度の向上を図ることが可能となる。
【０００６】
しかしながら、たわみ型の液体噴射ヘッドにおいてノズルの配列密度を上げようとすると、圧力発生室を区画する隔壁の肉厚を薄くせざるを得ず、圧力発生室を区画する隔壁の剛性が低下し、クロストークやインク滴の吐出不良が生じる等の問題がある。
【０００７】
特開平１１−２９１４９７号公報に記載された発明は、圧力発生室を区画する隔壁の肉厚を増すことなく、圧力発生室を区画する当該隔壁の剛性を高めることができ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を提供するものである。
【０００８】
具体的には、特開平１１−２９１４９７号公報に記載された発明では、図１１に示すように、流路形成基板５１０の圧電振動子７００側に接合され、その運動を阻害しない程度の空間からなる凹部６１２を区画する区画壁６１１を備えた裏打ち部材６１０が、その区画壁６１１が流路形成基板５１０の隔壁５１１に対向するように流路形成基板５１０に固定され、インク滴吐出時の圧電体能動部の変位を、裏打ち材６１０の区画壁６１１によっても受け止めて流路形成基板５１０の隔壁５１１のたわみを抑制する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１１−２９１４９７号公報に記載された発明は、流路形成基板５１０の隔壁５１１のたわみを顕著に抑制する効果を有し、極めて有用な技術である。
【００１０】
しかしながら、近年、記録密度（ノズル配列密度）を更に高めることが求められている。その場合、ノズルの配列や圧力発生室の配列が更に高密度になる。
【００１１】
圧力発生室の配列が高密度になると、裏打ち材６１０の区画壁６１１を流路形成基板５１０の隔壁５１１に対向するように位置決めすることが困難となる。裏打ち材６１０の区画壁６１１と流路形成基板５１０の隔壁５１１との対向関係が確保されていない状態では、流路形成基板５１０の隔壁５１１のたわみが十分に抑制されない場合がある。
【００１２】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、圧力発生室がより高密度に配列される場合において、圧力発生室を区画する隔壁の剛性を高めることができるインクジェット式記録ヘッド、広くは液体噴射ヘッド、を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下側面に複数の圧力発生室を形成するための複数の凹部を有する基板と、基板の凹部を覆って圧力発生室を形成する下側面を有する弾性膜と、弾性膜の上側面において、各圧力発生室に対応する領域に形成された複数の圧電振動子と、を備え、各圧電振動子は、下部電極層と圧電体層と上部電極層とを有し、圧電体層の成膜時に発生する残留応力によって、弾性膜を下方側に撓ませており、隣接する圧力発生室間の隔壁に対応する弾性膜の他側面の各領域に、圧電体層及び上部電極層の少なくとも一方を含む裏打ち仲介部が形成され、各裏打ち仲介部の高さは、下方側へ撓んでいる弾性膜上の各圧電振動子の高さよりも高くなっており、裏打ち板部材が、各圧電振動子の変動を阻害しないように、各裏打ち仲介部に当接するように配置されていることを特徴とする液体噴射ヘッドである。
【００１４】
本発明によれば、圧電振動子の変位が裏打ち仲介部を介して裏打ち板部材によって効果的に受け止められて基板の隔壁のたわみが抑制される一方、各圧力発生室に対向する弾性膜の振動特性が裏打ち仲介部によって変化させられることもない。特に、圧力発生室がより高密度に配列される場合においても、裏打ち板部材が裏打ち仲介部を介して基板の隔壁に対向するようになっているため、特開平１１−２９１４９７号公報に記載された発明のように裏打ち部材の区画壁を高精度に製造、位置決めする等の必要が無い。
【００１５】
具体的には、圧力発生室の幅が７０μｍ程度で、当該圧力発生室間の隔壁の幅が１５μｍ程度である時、特開平１１−２９１４９７号公報に記載された発明では、基板の隔壁と裏打ち材の区画壁との対向配置関係に誤差があると、基板の隔壁のたわみ抑制効果が大幅に低減されてしまう。また、特開平１１−２９１４９７号公報に記載された発明では、裏打ち材の区画壁の幅のバラツキが、隔壁のたわみ抑制効果のバラツキに結び付き易い。
【００１６】
しかし、前記本発明の特徴によれば、基板の隔壁に対する裏打ち板部材の配置等に特別な精度は不要であり、裏打ち板部材は裏打ち仲介部を介して十分なたわみ抑制効果を発揮して、圧力発生室間のクロストークを顕著に防止することができる。
【００１７】
また、特開平１１−２９１４９７号公報に記載された発明の裏打ち部材と比較して、裏打ち板部材の剛性は明らかに高い。従って、裏打ち板部材の取り扱いが容易である他、裏打ち板部材が固定された基板に対してノズルプレート等を接着する工程がより容易である。
【００１８】
なお、裏打ち板部材は、裏打ち仲介部に接着されることが好ましい。あるいは、裏打ち板部材は、裏打ち板部材自体の撓み力によって、裏打ち仲介部に固定されることが好ましい。
【００１９】
また、裏打ち部材の裏打ち仲介部に固定される面には、絶縁膜が成膜されていることが好ましい。また、絶縁膜は、熱酸化シリコンであることが好ましい。
【００２０】
好ましくは、裏打ち仲介部は、圧力発生室間の各隔壁に対応して個別に形成された圧電体層及び上部電極層の両方を含む。
【００２１】
更に好ましくは、各圧電振動子の下部電極層は共通に形成されている一方、各圧電振動子の圧電体層及び上部電極層は各圧力発生室毎に個別に形成されており、裏打ち仲介部は、各圧電振動子の下部電極層と圧力発生室間の各隔壁に対応して個別に形成された圧電体層及び上部電極層とを有している。
【００２２】
更に好ましくは、各圧電振動子は、上部電極層の上方に絶縁体層を有しており、各裏打ち仲介部も、上部電極層の上方に絶縁体層を有している。更には、各圧電振動子は、絶縁体層の上方にリード電極層を有し得て、各裏打ち仲介部も、絶縁体層の上方にリード電極層を有し得る。
【００２３】
また、好ましくは、弾性膜と裏打ち板部材との間の空間は、乾燥流体が封入されて封止されている。この場合、圧電振動子の耐久性が向上される。
【００２４】
また、好ましくは、前記基板と前記裏打ち板部材とは、同一の材料により構成されている。この場合、裏打ち板部材の接合等による変形が防止される。
【００２５】
また、好ましくは、基板はシリコン単結晶基板からなり、圧力発生室は異方性エッチングにより形成され、下部電極層と圧電体層と上部電極層とは成膜及びリソグラフィ法により形成されている。この場合、圧電振動子の形成と裏打ち仲介部の形成とが同時に容易に実施され得る。
【００２６】
また、本発明は、前記のいずれかの特徴を有する液体噴射ヘッドと、液体噴射ヘッドの圧電振動子を駆動させる制御部と、を備えたことを特徴とする液体噴射装置である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００２８】
図１は、本発明の液体噴射ヘッドの第１の実施の形態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る。図２は、その圧力発生室の長手方向及び幅方向における断面構造を示す図である。
【００２９】
図１及び図２に示すように、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、ノズルの配列密度にあわせて、通常、５０〜３００μｍ程度の厚さのものが用いられる。ノズルの配列密度が３６０ｄｐｉの場合の流路形成基板１０の厚さとしては、望ましくは５０〜１００μｍ程度、より望ましくは７０μｍ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。
【００３０】
流路形成基板１０の下方の面は開口面となり、上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０．５〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。
【００３１】
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、複数の隔壁１１により区画された圧力発生室１２の列１３が２列と、２列の圧力発生室１２の列１３の三方を囲むように略コ字状に配置されたリザーバ１４と、各圧力発生室１２とリザーバ１４とを一定の流体抵抗で連通するインク供給口１５がそれぞれ形成されている。なお、リザーバ１４の略中央部には、外部から当該リザーバ１４にインクを供給するためのインク導入孔１６が形成されている。
【００３２】
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（１１１）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１／１８０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（１１１）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。
【００３３】
本実施の形態では、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１０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。ここで、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。また各圧力発生室１２の一端に連通する各インク供給口１５は、圧力発生室１２より浅く形成されている。すなわち、インク供給口１５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。
【００３４】
また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給口１５とは反対側で連通するノズル開口１７が穿設されたノズルプレート１８が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。なお、ノズルプレート１８は、厚さが例えば、０．０５〜１ｍｍ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、又は不錆鋼などからなる。ノズルプレート１８は、一方の面で流路形成基板１０の下面を全面的に覆い、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。
【００３５】
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１７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１７は１０〜３０μｍの直径で精度よく形成する必要がある。
【００３６】
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０．５μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体膜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、圧電振動子（圧電素子）３００を構成している。ここで、圧電振動子３００は、下電極膜６０、圧電体膜７０、及び上電極膜８０を含む部分をいう。
【００３７】
一般的には、圧電振動子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膜７０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、パターニングされた何れか一方の電極及び圧電体膜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。本実施の形態では、下電極膜６０は圧電振動子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電振動子３００の個別電極としている。もっとも、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。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。
【００３８】
なお、本実施の形態では、圧力発生室１２に対向する領域に圧電体膜７０及び上電極膜８０がパターニングされて圧電体能動部３２０を構成しており、当該圧電体能動部３２０を構成する圧電体膜７０及び上電極膜８０がインク供給口１５に対向する領域まで連続的に延設されている。また、インク供給口１５に対向する領域の上電極膜８０には、後述するコンタクトホール９０ａを介してリード電極１００が接続されている。
【００３９】
そして、本実施の形態では、圧力発生室１２の隔壁１１に対向する領域にも圧電体膜７０、上電極膜８０、絶縁体層９０及びリード電極１００がパターニングされており、当該圧電体膜７０及び上電極膜８０はインク供給口１５の隔壁に対向する領域まで連続的に延設されている。しかし、圧力発生室１２の隔壁１１に対向する領域にパターニングされた上電極膜８０上には、後述するコンタクトホール９０ａが設けられず、従って当該上電極膜８０（及び圧電体膜７０）は圧電体能動部を構成しない。
【００４０】
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、圧電体膜７０等を形成するプロセスを図３及び図４を参照しながら説明する。
【００４１】
図３（ａ）に示すように、まず、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１１００℃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。
【００４２】
また、弾性膜５０の上に、絶縁性の酸化ジルコニアなどの膜を成膜し、弾性膜５０の一部としてもよい。
【００４３】
次に、図３（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。下電極膜６０の材料としては、Ｐｔ、Ｉｒ等が好適である。これは、スパッタリングやゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体膜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、圧電体膜７０としてＰＺＴを用いた場合には、ＰｂＯ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Ｐｔが好適である。
【００４４】
次に、図３（ｃ）に示すように、圧電体膜７０を成膜する。この圧電体膜７０の成膜にはスパッタリングを用いることもできるが、本実施の形態では、金属有機物を溶媒に溶解・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膜７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いている。圧電体膜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。
【００４５】
次に、図３（ｄ）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、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｃｕ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、Ｐｔをスパッタリングにより成膜している。
【００４６】
次に、図３（ｅ）に示すように、各圧力発生室１２の略中央位置に圧電振動子を配設するように、更に同時に、各圧力発生室１２の隔壁に対向する位置に裏打ち仲介部を配設するように、上電極膜８０および圧電体膜７０のパターニングを行う。
【００４７】
図３（ｅ）では圧電体膜７０を上電極膜８０と同一のパターンでパターニングを行った場合を示しているが、上述したように、圧電体膜７０は必ずしもパターニングを行う必要はない。これは、上電極膜８０のパターンを個別電極として電圧を印加した場合、電界はそれぞれの上電極膜８０と、共通電極である下電極膜６０との間にかかるのみで、その他の部位には何ら影響を与えないためである。しかしながら、この場合には、同一の排除体積を得るためには大きな電圧印加が必要となるため、圧電体膜７０もパターニングするのが好ましい。
【００４８】
この後、下電極膜６０をパターニングして不要な部分、例えば、圧力発生室１２の幅方向両側の縁部内側近傍を除去してもよい。なお、下電極膜６０の除去は必ずしも行う必要はなく、また、除去する場合には、全てを除去せず、厚さを薄くするようにしてもよい。
【００４９】
ここで、パターニングは、レジストパターンを形成した後、エッチング等を行うことにより実施する。
【００５０】
レジストパターンは、ネガレジストをスピンコートなどにより塗布し、所定形状のマスクを用いて露光・現像・ベークを行うことにより形成する。なお、勿論、ネガレジストの代わりにポジレジストを用いてもよい。
【００５１】
また、エッチングは、ドライエッチング装置、例えば、イオンミリング装置を用いて行う。なお、エッチング後には、レジストパターンをアッシング装置等を用いて除去する。
【００５２】
また、ドライエッチング法としては、イオンミリング法以外に、反応性エッチング法等を用いてもよい。また、ドライエッチングの代わりにウェットエッチングを用いることも可能であるが、ドライエッチング法と比較してパターニング精度が多少劣り、上電極膜８０の材料も制限されるので、ドライエッチングを用いるのが好ましい。
【００５３】
次いで、図４（ａ）に示すように、上電極膜８０の周縁部および圧電体膜７０の側面を覆うように絶縁体層９０を形成する。この絶縁体層９０の材料は、本実施の形態ではネガ型の感光性ポリイミドを用いている。
【００５４】
次に、図４（ｂ）に示すように、絶縁体層９０をパターニングすることにより、圧力発生室１２に対向して設けられた上部電極８０上方のインク供給に対向する部分にコンタクトホール９０ａを形成する。このコンタクトホール９０ａは、後述するリード電極１００と当該上電極膜８０との接続をするためのものである。
【００５５】
次に、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、圧力発生室１２に対向して設けられた上部電極８０上方のインク供給口１５に対向する部分にリード電極１００を形成する。
【００５６】
本実施の形態ではリード電極は、圧力発生室１２の隔壁１１に対向して設けられた上電極膜８０上方の絶縁体層９０上にも形成される。
【００５７】
以上が膜形成プロセスである。このようにして膜形成を行った後、図４（ｃ）に示すように、前述した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等を形成する。
【００５８】
圧力発生室１２が形成されると、当該圧力発生室１２に対向するように配置されている圧電振動子（圧電素子）３００等の成膜時に発生する残留応力によって、当該圧力発生室１２に対応する部分の弾性膜５０が下方側に撓む（図１参照）。この撓み量は、本実施の形態では、１５０μｍ〜２００μｍである（圧電振動子３００の駆動時の最大撓み量は、３００〜４５０μｍである）。この撓みの結果、圧力発生室１２に対向して設けられた上部電極８０上方のリード電極１００の高さが、裏打ち仲介部３３０の高さよりも低くなる。
【００５９】
そこで、本実施の形態では、平板状の裏打ち板部材１１０が、流路形成基板１０の隔壁１１に対向して設けられた圧電体膜７０及び上電極膜８０上の絶縁体層９０及びリード電極１００上、すなわち、裏打ち仲介部３３０上に、接着剤などにより固定されている。
【００６０】
この時、裏打ち板部材１１０の裏打ち仲介部３３０に接着される面には二酸化シリコンのような絶縁膜が成膜されている。この結果、裏打ち板部材１１０にリード電極１００が接しても、隣接する圧電振動子３００がショートする虞は無い。
【００６１】
裏打ち板部材１１０は、接着剤を利用しないで、裏打ち板部材１１０自身の撓みを利用して固定されてもよい。例えば、ノズルプレート１８を流路形成基板１０に貼着する際に、流路形成基板１０をノズルプレート１８側に凹となるように撓ませておけば、ノズルプレート１８の接着後の流路形成基板１０は裏打ち板部材１１０側に凹となるような撓み力が作用する。当該撓み力は、裏打ち板部材１１０を撓ませて、結果的に裏打ち板部材１１０が流路形成基板１０に堅固に固定され得る。
【００６２】
また、裏打ち板部材１１０の端部は、ケーブル等を引き出すための開口１１３となっている。
【００６３】
ここで、弾性膜５０と裏打ち板部材１１０との間の空間を封止すべく、開口１１３は接着剤等によって閉塞され得る。この場合、封止された弾性膜５０と裏打ち板部材１１０との間の空間には、乾燥した不活性ガス等の乾燥流体が封入され得る。この場合、外部環境中の空気の浸入を阻止して、圧電体膜７０を湿気から隔離でき、吸湿による劣化や絶縁耐力の低下を防止することができる。
【００６４】
なお、以上説明した一連の膜形成および異方性エッチングは、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、ノズルプレート１８、裏打ち板部材１１０と順次接着してインクジェット式記録ヘッドとする。もっとも、前述のように、裏打ち板部材１１０は接着以外の方法で固定されてもよい。その後、インクジェット式記録ヘッドをホルダー１０５に固定し、キャリッジに搭載して、インクジェット式記録装置に組み込む。
【００６５】
このような構成により、弾性膜５０のたわみ変形は、インク滴を吐出させる圧力発生室１２を区画する隔壁１１と、当該隔壁１１に対向する圧電体膜７０、上電極膜８０、絶縁体層９０及び裏打ち板部材１１０と、に受け止められて、当該圧力発生室１２の領域に限定される。これにより、インク滴吐出時に圧力発生室１２に作用する応力が他の圧力発生室１２を区画している隔壁１１に伝搬することが防止され、クロストークの発生が阻止される。
【００６６】
このように、例えば、シリコン単結晶基板を用いて圧力発生室１２を区画する隔壁１１の厚さ１５μｍ、深さ７０μｍの流路形成基板１０、及び、厚さ２００μｍの裏打ち板部材１１０を形成して、インク滴を吐出させたところ、圧力発生室１２を区画する隔壁１１の中央部でのたわみによる相対変位が４．３であった。
【００６７】
これに対して、裏打ち板部材１１０を固定しない状態でインク滴を吐出させたところ、圧力発生室１２を区画する隔壁１１の中央部でのたわみによる相対変位が４．７となった。
【００６８】
このことから、裏打ち板部材１１０を固定した実施の形態によれば、インク滴吐出時の圧力発生室１２の隔壁１１の変位量が１０％程度減少することが明らかになった。
【００６９】
また、裏打ち板部材１１０を流路形成基板１０と同一の材料により構成することにより、熱膨張差によるたわみの発生をともなうことなく、異材料により構成されるノズルプレート１８との熱膨張差に起因する、記録ヘッド全体の変形を、裏打ち板部材１１０を用いない従来の記録ヘッドに比較して抑制することができる。
【００７０】
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１６からインクを取り込み、リザーバ１４からノズル開口１７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、リード電極１００を介して下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０と圧電体膜７０と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１７からインク滴が吐出する。
【００７１】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は、上述したものに限定されるものではない。
【００７２】
例えば、裏打ち板部材の形状は、上述の実施の形態に限定されず、図５に示すように、端部となる側に段差を設けて延長して、ケーブル等を固定する固定部１１４を形成するようにしてもよい。
【００７３】
更に、上述した各実施の形態では、流路形成基板１０に圧力発生室１２と共にリザーバ１４を形成しているが、共通インク室を形成する部材を流路形成基板１０に重ねて設けてもよい。
【００７４】
このように構成したインクジェット式記録ヘッドの部分断面を図６に示す。このような実施の形態では、ノズル開口１７Ａが穿設されたノズル基板１８Ａと流路形成基板１０Ａとの間に、封止板１６０、共通インク室形成板１７０、薄肉板１８０及びインク室側板１９０が挟持され、これらを貫通するように、圧力発生室１２Ａとノズル開口１７Ａとを連通するノズル連通口３１が配されている。すなわち、封止板１６０、共通インク室形成板１７０及び薄肉板１８０で共通インク室３２が画成され、各圧力発生室１２Ａと共通インク室３２とは、封止板１６０に穿設されたインク連通孔３３を介して連通されている。また、封止板１６０には供給インク室３２に外部からインクを導入するためのインク導入孔３４も穿設されている。また、薄肉板１８０とノズル基板１８Ａとの間に位置するインク室側板１９０には各供給インク室３２に対向する位置に貫通部３５が形成されており、インク滴吐出の際に発生するノズル開口１７Ａと反対側へ向かう圧力を、薄肉壁１８０が吸収するのを許容するようになっており、これにより、他の圧力発生室に、共通インク室３２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ことができる。なお、薄肉板１８０とインク室側板１９０とは一体に形成されてもよい。
【００７５】
このようなタイプのインクジェット式記録ヘッドにおいても、流路形成基板１０Ａの開口面とは反対側の、圧力発生室を区画する隔壁に対向する領域に、上述したような裏打ち仲介部３３０を形成して、裏打ち板部材１１０を当接させることにより、流路形成基板のたわみを抑制することができる。
【００７６】
また、以上の各実施の形態は、成膜及びリソグラフィプロセスを応用することにより製造できる薄膜型のインクジェット式記録ヘッドであるが、勿論これに限定されるものではない。例えば、基板を積層して圧力発生室を形成するもの、グリーンシートを貼付もしくはスクリーン印刷等により圧電体膜を形成するもの、あるいは、結晶成長により圧電体膜を形成するもの等、各種の構造のインクジェット式記録ヘッドに本発明が適用され得る。
【００７７】
更に、上述した各実施の形態において、上電極膜とリード電極との接続部は何れの場所に設けてもよく、圧力発生室の何れの端部でも又は中央部であってもよい。
【００７８】
また、圧電振動子とリード電極との間に絶縁体層を設けた例を説明したが、これに限定されず、例えば、絶縁体層を設けないで、各上電極に異方性導電膜を熱溶着し、この異方性導電膜をリード電極と接続したり、その他、ワイヤボンディング等の各種ボンディング技術を用いて接続したりする構成としてもよい。
【００７９】
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。
【００８０】
また、これら各実施の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７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。
【００８１】
図７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。記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂの各圧電振動子は、制御部９によって独立に駆動されるようになっている。
【００８２】
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。
【００８３】
なお、以上の説明は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ついてなされているが、本発明は、広く液体噴射ヘッド及び液体噴射装置全般を対象としたものである。液体の例としては、インクの他に、グルー、マニキュア、薬品等が用いられ得る。更に、本発明は、液晶等の表示体におけるカラーフィルタの製造装置にも適用され得る。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、圧電振動子の変位が裏打ち仲介部を介して裏打ち板部材によって効果的に受け止められて基板の隔壁のたわみが抑制される一方、各圧力発生室に対向する弾性膜の振動特性が裏打ち仲介部によって変化させられることもない。特に、圧力発生室がより高密度に配列される場合においても、裏打ち板部材が裏打ち仲介部を介して基板の隔壁に対向するようになっているため、特開平１１−２９１４９７号公報に記載された発明のように裏打ち部材の区画壁を高精度に製造、位置決めする等の必要が無く、コスト及び手間の面で優れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図２】図２（ａ）は、本発明の第１の実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッドの圧力発生室の長手方向の断面図、図２（ｂ）は、当該圧力発生室の配列方向での断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態の薄膜製造工程を示す図である。
【図４】本発明の一実施の形態の薄膜製造工程を示す図である。
【図５】本発明の他の実施の形態にかかる裏打ち材の斜視図である。
【図６】本発明の他の実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【図７】本発明の一実施の形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。
【図８】図８（ａ）は、特開平１１−２９１４９７号公報に記載されたインクジェット式記録ヘッドの圧力発生室の長手方向の断面図、図８（ｂ）は、当該圧力発生室の配列方向での断面図である。
【符号の説明】
１Ａ、２Ａ　記録ヘッドユニット
２Ａ、２Ｂ　カートリッジ
３　キャリッジ
４　インクジェット式記録装置本体
５　キャリッジ軸
６　駆動モータ
７　タイミングベルト
８　プラテン
９　制御部
１０　流路形成基板
１１　隔壁
１２　圧力発生室
１４　リザーバ
１５　インク供給口
１７　ノズル開口
１８　ノズルプレート
５０　弾性膜
６０　下電極膜
７０　圧電体膜
８０　上電極膜
９０　絶縁体層
９０ａ　コンタクトホール
１００　リード電極
１１０　裏打ち板部材
１１３　開口部
３００　圧電振動子
３２０　圧電体能動部
３３０　裏打ち仲介部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid ejecting head that discharges a liquid droplet from a nozzle opening by expanding and contracting a part of a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening by an actuator that bends and vibrates.
[0002]
[Prior art]
The liquid ejecting head has a piezoelectric vibration type that pressurizes a liquid such as ink by mechanically deforming the pressure generating chamber, and a heating element is provided in the pressure generating chamber, and the pressure of the bubbles generated by the heat of the heating element is used to form the ink. There are two types, such as a bubble jet type for pressurizing a liquid such as the above.
[0003]
The piezoelectric vibration type liquid ejecting head further includes a longitudinal vibration type liquid ejecting head using a piezoelectric vibrator displaced in the longitudinal direction and a flexible liquid ejecting head using a flexurally displaced piezoelectric vibrator. Classified into types.
[0004]
The vertical vibration type liquid ejecting head can drive at high speed and eject liquid droplets at a high density. However, when manufacturing a vertical vibration type liquid jet head, machining of the piezoelectric vibrator involves a cutting operation. Further, when the piezoelectric vibrator is fixed to the pressure generating chamber, a three-dimensional assembling operation is required, so that there is a problem that the number of manufacturing steps is increased.
[0005]
On the other hand, a flexible liquid jet head uses a silicon single crystal substrate as a base material, forms channels such as pressure generating chambers and reservoirs by anisotropic etching, and uses a piezoelectric vibrator as a piezoelectric material. Since the elastic film can be formed extremely thin and the pressure generating chamber and the piezoelectric vibrator can be formed with high precision by the method of forming the film by the film forming technology such as the sputtering, the opening area of the pressure generating chamber is made as small as possible and the liquid is formed. It is possible to improve the droplet ejection density.
[0006]
However, when trying to increase the array density of the nozzles in the flexible liquid ejecting head, it is necessary to reduce the wall thickness of the partition that divides the pressure generation chamber, and the rigidity of the partition that divides the pressure generation chamber decreases, There are problems such as crosstalk and ink droplet ejection failure.
[0007]
The invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-291497 discloses an ink jet recording head and an ink jet recording head that can increase the rigidity of the partition that partitions the pressure generating chamber without increasing the thickness of the partition that partitions the pressure generating chamber. The present invention provides an expression recording device.
[0008]
Specifically, in the invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-291497, as shown in FIG. 11, the flow path forming substrate 510 is joined to the piezoelectric vibrator 700 side from a space that does not hinder its movement. A backing member 610 having a partition wall 611 for partitioning the concave portion 612 is fixed to the flow path forming substrate 510 such that the partition wall 611 faces the partition wall 511 of the flow path forming substrate 510, and the piezoelectric member at the time of discharging ink droplets. The displacement of the body active part is also received by the partition wall 611 of the backing material 610, and the deflection of the partition wall 511 of the flow path forming substrate 510 is suppressed.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The invention described in JP-A-11-291497 has an effect of remarkably suppressing the deflection of the partition wall 511 of the flow path forming substrate 510, and is an extremely useful technique.
[0010]
However, in recent years, it has been required to further increase the recording density (nozzle array density). In that case, the arrangement of the nozzles and the arrangement of the pressure generating chambers are further increased.
[0011]
When the arrangement of the pressure generating chambers is high, it becomes difficult to position the partition wall 611 of the backing material 610 so as to face the partition 511 of the flow path forming substrate 510. In a state where the facing relationship between the partition wall 611 of the backing material 610 and the partition 511 of the flow path forming substrate 510 is not ensured, the deflection of the partition 511 of the flow path forming substrate 510 may not be sufficiently suppressed.
[0012]
The present invention has been made in view of such a point, and in a case where pressure generating chambers are arranged at higher density, an ink jet recording head capable of increasing the rigidity of a partition partitioning the pressure generating chambers In general, it is an object to provide a liquid jet head.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a substrate having a plurality of concave portions for forming a plurality of pressure generating chambers on a lower surface, an elastic film having a lower surface forming a pressure generating chamber covering the concave portions of the substrate, and an upper surface of the elastic film. A plurality of piezoelectric vibrators formed in a region corresponding to each pressure generating chamber, each piezoelectric vibrator has a lower electrode layer, a piezoelectric layer, and an upper electrode layer, the piezoelectric layer The elastic film is bent downward by the residual stress generated at the time of film formation. At least each of the piezoelectric layer and the upper electrode layer is formed in each region on the other side surface of the elastic film corresponding to the partition wall between the adjacent pressure generating chambers. A backing intermediary portion including one is formed, and the height of each backing intermediary portion is higher than the height of each piezoelectric vibrator on the elastic film that is bent downward, and the backing plate member Contact each lining mediator so as not to hinder child movement A liquid ejecting head is characterized in that it is location.
[0014]
According to the present invention, while the displacement of the piezoelectric vibrator is effectively received by the backing plate member via the backing mediating portion, the deflection of the partition wall of the substrate is suppressed, and the vibration of the elastic film facing each pressure generating chamber is suppressed. The characteristics are not changed by the backing mediator. In particular, even in the case where the pressure generating chambers are arranged at a higher density, the backing plate member is opposed to the partition wall of the substrate via the backing mediation part, and thus described in JP-A-11-291497. There is no need to manufacture and position the partition wall of the backing member with high accuracy as in the invention.
[0015]
Specifically, when the width of the pressure generating chamber is about 70 μm and the width of the partition between the pressure generating chambers is about 15 μm, the invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No. If there is an error in the positional relationship between the material and the partition wall, the effect of suppressing the deflection of the partition wall of the substrate is greatly reduced. Further, in the invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-291497, the variation in the width of the partition wall of the backing material tends to be linked to the variation in the effect of suppressing the deflection of the partition wall.
[0016]
However, according to the features of the present invention, no special precision is required for the arrangement of the backing plate member with respect to the partition wall of the substrate, and the backing plate member exhibits a sufficient deflection suppressing effect via the backing mediation portion, Crosstalk between the pressure generating chambers can be significantly prevented.
[0017]
Also, the rigidity of the backing plate member is clearly higher than that of the backing member of the invention described in JP-A-11-291497. Therefore, in addition to easy handling of the backing plate member, the step of bonding the nozzle plate or the like to the substrate to which the backing plate member is fixed is easier.
[0018]
Preferably, the backing plate member is bonded to the backing mediation portion. Alternatively, it is preferable that the backing plate member is fixed to the backing mediation portion by the bending force of the backing plate member itself.
[0019]
Further, it is preferable that an insulating film is formed on a surface of the backing member fixed to the backing mediating portion. The insulating film is preferably made of thermally oxidized silicon.
[0020]
Preferably, the backing mediator includes both a piezoelectric layer and an upper electrode layer individually formed corresponding to each partition between the pressure generating chambers.
[0021]
More preferably, the lower electrode layer of each piezoelectric vibrator is formed in common, while the piezoelectric layer and upper electrode layer of each piezoelectric vibrator are formed separately for each pressure generating chamber, and Has a piezoelectric layer and an upper electrode layer which are individually formed corresponding to each partition between the lower electrode layer and the pressure generating chamber of each piezoelectric vibrator.
[0022]
More preferably, each piezoelectric vibrator has an insulator layer above the upper electrode layer, and each backing mediator also has an insulator layer above the upper electrode layer. Furthermore, each piezoelectric vibrator may have a lead electrode layer above the insulator layer, and each backing mediator may have a lead electrode layer above the insulator layer.
[0023]
Preferably, a space between the elastic film and the backing plate member is sealed by sealing a dry fluid. In this case, the durability of the piezoelectric vibrator is improved.
[0024]
Preferably, the substrate and the backing plate member are made of the same material. In this case, deformation due to joining of the backing plate member or the like is prevented.
[0025]
Preferably, the substrate is formed of a silicon single crystal substrate, the pressure generating chamber is formed by anisotropic etching, and the lower electrode layer, the piezoelectric layer, and the upper electrode layer are formed by film formation and lithography. In this case, the formation of the piezoelectric vibrator and the formation of the backing mediation portion can be easily performed simultaneously.
[0026]
According to another aspect of the invention, there is provided a liquid ejecting apparatus including: a liquid ejecting head having any of the features described above; and a control unit that drives a piezoelectric vibrator of the liquid ejecting head.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0028]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an ink jet recording head according to a first embodiment of the liquid ejecting head of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing a cross-sectional structure in a longitudinal direction and a width direction of the pressure generating chamber.
[0029]
As shown in FIGS. 1 and 2, the flow path forming substrate 10 is formed of a silicon single crystal substrate having a plane orientation (110) in the present embodiment. As the flow path forming substrate 10, a substrate having a thickness of about 50 to 300 μm is generally used according to the arrangement density of the nozzles. When the nozzle array density is 360 dpi, the thickness of the flow path forming substrate 10 is preferably about 50 to 100 μm, and more preferably about 70 μm. This is because the arrangement density can be increased while maintaining the rigidity of the partition wall between the adjacent pressure generating chambers.
[0030]
The lower surface of the flow path forming substrate 10 is an opening surface, and the upper surface is formed with a 0.5 to 2 μm thick elastic film 50 made of silicon dioxide formed in advance by thermal oxidation.
[0031]
On the other hand, two rows of pressure generating chambers 12 divided by a plurality of partition walls 11 are formed on the opening surface of the flow path forming substrate 10 by anisotropic etching of a silicon single crystal substrate. A reservoir 14 arranged in a substantially U-shape so as to surround three sides of a row 13 of the generation chambers 12 and an ink supply port 15 for communicating each pressure generation chamber 12 and the reservoir 14 with a constant fluid resistance are formed. I have. In addition, an ink introduction hole 16 for supplying ink to the reservoir 14 from the outside is formed at a substantially central portion of the reservoir 14.
[0032]
Here, in the anisotropic etching, when the 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 are formed. A second (111) plane that forms an angle of about 70 degrees with the (111) plane and forms an angle of about 35 degrees with the (110) plane appears, and is compared with the etching rate of the (110) plane by (111). The etching is performed using the property that the etching rate of the surface is about 1/180. By such anisotropic etching, precision processing can be performed based on depth processing of a parallelogram formed by two first (111) surfaces and two oblique second (111) surfaces. , The pressure generating chambers 12 can be arranged at a high density.
[0033]
In the present 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 formed by etching until it reaches the elastic film 50 substantially through the flow path forming substrate 10. Here, the amount of the elastic film 50 that is attacked by the alkaline solution for etching the silicon single crystal substrate is extremely small. Each ink supply port 15 communicating with one end of each pressure generating chamber 12 is formed shallower than the pressure generating chamber 12. That is, the ink supply port 15 is formed by partially etching (half-etching) the silicon single crystal substrate in the thickness direction. Note that the half etching is performed by adjusting the etching time.
[0034]
A nozzle plate 18 having a nozzle opening 17 communicating with the ink supply port 15 of each pressure generating chamber 12 on the side opposite to the ink supply port 15 is provided on the opening side of the flow path forming substrate 10 with an adhesive, a heat-sealing film, or the like. Is fixed through. The nozzle plate 18 has a thickness of, for example, 0.05 to 1 mm, a coefficient of linear expansion of 300 ° C. or less, and, for example, 2.5 to 4.5 [× 10 ⁻⁶ / ° C.], or Made of non-rusting steel. The nozzle plate 18 entirely covers the lower surface of the flow path forming substrate 10 on one surface, and also serves as a reinforcing plate for protecting the silicon single crystal substrate from impact and external force.
[0035]
Here, the size of the pressure generating chamber 12 that applies the ink droplet ejection pressure to the ink and the size of the nozzle opening 17 that ejects the ink droplet are optimized according to the amount of the ejected ink droplet, the ejection speed, and the ejection frequency. You. For example, when recording 360 ink droplets per inch, the nozzle openings 17 need to be formed with a diameter of 10 to 30 μm with high accuracy.
[0036]
On the other hand, the lower electrode film 60 having a thickness of, for example, about 0.5 μm and the piezoelectric film having a thickness of, for example, about 1 μm are formed on the elastic film 50 on the side opposite to the opening surface of the flow path forming substrate 10. A piezoelectric vibrator (piezoelectric element) 300 is formed by laminating a layer 70 and an upper electrode film 80 having a thickness of, for example, about 0.1 μm by a process described later. Here, the piezoelectric vibrator 300 refers to a portion including the lower electrode film 60, the piezoelectric film 70, and the upper electrode film 80.
[0037]
Generally, one of the electrodes of the piezoelectric vibrator 300 is used as a common electrode, and the other electrode and the piezoelectric film 70 are patterned for each of the pressure generating chambers 12. A portion which is constituted by one of the patterned electrodes and the piezoelectric film 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 a common electrode of the piezoelectric vibrator 300, and the upper electrode film 80 is an individual electrode of the piezoelectric vibrator 300. However, there is no problem even if this is reversed for the sake of the drive circuit and wiring. In any case, the piezoelectric active portion is formed for each pressure generating chamber. 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.
[0038]
In the present embodiment, the piezoelectric film 70 and the upper electrode film 80 are patterned in a region facing the pressure generating chamber 12 to constitute the piezoelectric active portion 320, and constitute the piezoelectric active portion 320. The piezoelectric film 70 and the upper electrode film 80 are continuously extended to a region facing the ink supply port 15. Further, a lead electrode 100 is connected to the upper electrode film 80 in a region facing the ink supply port 15 via a contact hole 90a described later.
[0039]
In the present embodiment, the piezoelectric film 70, the upper electrode film 80, the insulator layer 90, and the lead electrode 100 are also patterned in the region of the pressure generating chamber 12 facing the partition 11. The upper electrode film 80 extends continuously to a region of the ink supply port 15 facing the partition wall. However, a contact hole 90a, which will be described later, is not provided on the upper electrode film 80 patterned in a region of the pressure generating chamber 12 facing the partition 11, so that the upper electrode film 80 (and the piezoelectric film 70) is made of a piezoelectric material. Does not constitute a body active part.
[0040]
Here, a process of forming the piezoelectric film 70 and the like on the flow path forming substrate 10 made of a silicon single crystal substrate will be described with reference to FIGS.
[0041]
As shown in FIG. 3A, first, a silicon single crystal substrate wafer serving as the flow path forming substrate 10 is thermally oxidized in a diffusion furnace at about 1100 ° C. to form an elastic film 50 made of silicon dioxide.
[0042]
Further, a film of insulating zirconia or the like may be formed on the elastic film 50 to be a part of the elastic film 50.
[0043]
Next, as shown in FIG. 3B, the lower electrode film 60 is formed by sputtering. Pt, Ir, and the like are preferable as the material of the lower electrode film 60. This is because the piezoelectric film 70 described later, which is formed by sputtering or a sol-gel method, needs to be crystallized by firing at a temperature of about 600 to 1000 ° C. in an air atmosphere or an oxygen atmosphere after the film formation. It is. That is, the material of the lower electrode film 60 must be able to maintain conductivity at such a high temperature and in an oxidizing atmosphere. In particular, when PZT is used for the piezoelectric film 70, the conductivity of the material by diffusion of PbO is increased. It is desirable that there is little change in sex, and Pt is preferred for these reasons.
[0044]
Next, as shown in FIG. 3C, a piezoelectric film 70 is formed. Sputtering can be used to form the piezoelectric film 70. In this embodiment, however, a so-called sol in which a metal organic substance is dissolved and dispersed in a solvent is applied, dried, gelled, and further fired at a high temperature. A so-called sol-gel method is used to obtain a piezoelectric film 70 made of a metal oxide. As a material for the piezoelectric film 70, a lead zirconate titanate (PZT) -based material is suitable when used in an ink jet recording head.
[0045]
Next, as shown in FIG. 3D, an upper electrode film 80 is formed. The upper electrode film 80 only needs to be a material having high conductivity, and many metals such as Al, Au, Ni, Pt, Ir, and Cu, and a conductive oxide can be used. In this embodiment, Pt is formed by sputtering.
[0046]
Next, as shown in FIG. 3 (e), a piezoelectric vibrator is disposed at a substantially central position of each pressure generating chamber 12, and at the same time, a backing mediation is made at a position facing the partition wall of each pressure generating chamber 12. The upper electrode film 80 and the piezoelectric film 70 are patterned so as to arrange the portions.
[0047]
FIG. 3E shows a case where the piezoelectric film 70 is patterned with the same pattern as the upper electrode film 80. However, as described above, the piezoelectric film 70 does not necessarily need to be patterned. This is because when a voltage is applied using the pattern of the upper electrode film 80 as an individual electrode, an electric field is applied only between each upper electrode film 80 and the lower electrode film 60 which is a common electrode, and the other portions are not applied. This has no effect. However, in this case, it is necessary to apply a large voltage to obtain the same excluded volume. Therefore, it is preferable that the piezoelectric film 70 is also patterned.
[0048]
After that, the lower electrode film 60 may be patterned to remove unnecessary portions, for example, the vicinity of the inside of the edge on both sides in the width direction of the pressure generating chamber 12. The removal of the lower electrode film 60 is not necessarily performed, and when it is removed, the thickness may be reduced without removing all.
[0049]
Here, the patterning is performed by forming a resist pattern and then performing etching or the like.
[0050]
The resist pattern is formed by applying a negative resist by spin coating or the like, and performing exposure, development, and baking using a mask having a predetermined shape. Of course, a positive resist may be used instead of the negative resist.
[0051]
The etching is performed using a dry etching device, for example, an ion milling device. After the etching, the resist pattern is removed using an ashing device or the like.
[0052]
As the dry etching method, a reactive etching method or the like may be used in addition to the ion milling method. It is also possible to use wet etching instead of dry etching, but it is preferable to use dry etching because patterning accuracy is somewhat inferior to dry etching and the material of the upper electrode film 80 is limited. .
[0053]
Next, as shown in FIG. 4A, an insulator layer 90 is formed so as to cover the periphery of the upper electrode film 80 and the side surfaces of the piezoelectric film 70. In this embodiment, a negative photosensitive polyimide is used as a material of the insulator layer 90.
[0054]
Next, as shown in FIG. 4B, by patterning the insulator layer 90, a contact hole 90a is formed in a portion facing the ink supply above the upper electrode 80 provided facing the pressure generating chamber 12. Form. The contact hole 90 a is for connecting a lead electrode 100 described later and the upper electrode film 80.
[0055]
Next, for example, a conductor such as Cr-Au is formed on the entire surface, and then patterned to form a portion facing the ink supply port 15 above the upper electrode 80 provided facing the pressure generating chamber 12. The lead electrode 100 is formed.
[0056]
In the present embodiment, the lead electrode is also formed on the insulator layer 90 above the upper electrode film 80 provided to face the partition 11 of the pressure generating chamber 12.
[0057]
The above is the film forming process. After forming the film in this manner, as shown in FIG. 4C, the silicon single crystal substrate is anisotropically etched with the above-described alkali solution to form the pressure generating chamber 12 and the like.
[0058]
When the pressure generating chambers 12 are formed, the pressure generating chambers 12 correspond to the pressure generating chambers 12 due to residual stress generated at the time of film formation of the piezoelectric vibrator (piezoelectric element) 300 and the like arranged to face the pressure generating chambers 12. The portion of the elastic film 50 that is to be bent bends downward (see FIG. 1). In the present embodiment, the amount of bending is 150 μm to 200 μm (the maximum amount of bending when the piezoelectric vibrator 300 is driven is 300 to 450 μm). As a result of this bending, the height of the lead electrode 100 above the upper electrode 80 provided to face the pressure generating chamber 12 becomes lower than the height of the backing mediating portion 330.
[0059]
Therefore, in the present embodiment, the flat backing plate member 110 is provided with the insulating layer 90 and the lead electrode on the piezoelectric film 70 and the upper electrode film 80 provided opposite the partition 11 of the flow path forming substrate 10. 100, that is, on the backing mediation section 330, with an adhesive or the like.
[0060]
At this time, an insulating film such as silicon dioxide is formed on the surface of the backing plate member 110 that is to be bonded to the backing mediating portion 330. As a result, even if the lead electrode 100 is in contact with the backing plate member 110, there is no possibility that the adjacent piezoelectric vibrator 300 will be short-circuited.
[0061]
The backing plate member 110 may be fixed using the bending of the backing plate member 110 itself without using an adhesive. For example, when the nozzle plate 18 is adhered to the flow path forming substrate 10 and the flow path forming substrate 10 is bent so as to be concave toward the nozzle plate 18 side, the flow path formation after the nozzle plate 18 is bonded is formed. A flexing force acts on the substrate 10 so as to be concave toward the backing plate member 110 side. The bending force causes the backing plate member 110 to bend, and as a result, the backing plate member 110 can be firmly fixed to the flow path forming substrate 10.
[0062]
Further, an end of the backing plate member 110 is an opening 113 for drawing out a cable or the like.
[0063]
Here, the opening 113 may be closed with an adhesive or the like in order to seal a space between the elastic film 50 and the backing plate member 110. In this case, a dry fluid such as a dry inert gas can be sealed in the space between the sealed elastic film 50 and the backing plate member 110. In this case, the infiltration of air in the external environment can be prevented, the piezoelectric film 70 can be isolated from moisture, and deterioration due to moisture absorption and a decrease in dielectric strength can be prevented.
[0064]
In the above-described series of film formation and anisotropic etching, a large number of chips are simultaneously formed on one wafer, and after the process is completed, the flow path forming substrate 10 having one chip size as shown in FIG. Divide each time. Further, the divided flow path forming substrate 10 is sequentially bonded to the nozzle plate 18 and the backing plate member 110 to form an ink jet recording head. However, as described above, the backing plate member 110 may be fixed by a method other than bonding. Thereafter, the ink jet recording head is fixed to the holder 105, mounted on a carriage, and incorporated into the ink jet recording apparatus.
[0065]
With such a configuration, the flexural deformation of the elastic film 50 is caused by partitioning the pressure generating chamber 12 for discharging ink droplets, the piezoelectric film 70 facing the partition 11, the upper electrode film 80, and the insulating layer 90. And the backing plate member 110, and is limited to the region of the pressure generating chamber 12. This prevents the stress acting on the pressure generating chamber 12 during the ejection of ink droplets from propagating to the partition 11 that partitions the other pressure generating chambers 12, thereby preventing the occurrence of crosstalk.
[0066]
In this manner, for example, a flow channel forming substrate 10 having a thickness of 15 μm and a depth of 70 μm of the partition wall 11 that partitions the pressure generating chamber 12 using a silicon single crystal substrate, and a backing plate member 110 having a thickness of 200 μm are formed. As a result, when the ink droplets were ejected, the relative displacement due to the deflection at the center of the partition wall 11 defining the pressure generating chamber 12 was 4.3.
[0067]
On the other hand, when the ink droplets were ejected without fixing the backing plate member 110, the relative displacement due to the deflection at the center of the partition wall 11 defining the pressure generating chamber 12 was 4.7.
[0068]
From this, it has been clarified that according to the embodiment in which the backing plate member 110 is fixed, the displacement of the partition 11 of the pressure generating chamber 12 at the time of discharging the ink droplet is reduced by about 10%.
[0069]
Further, since the backing plate member 110 is made of the same material as the flow path forming substrate 10, the backing plate member 110 does not bend due to the difference in thermal expansion and is caused by the difference in thermal expansion with the nozzle plate 18 made of a different material. Thus, the deformation of the entire recording head can be suppressed as compared with a conventional recording head that does not use the backing plate member 110.
[0070]
The ink jet head thus configured takes in ink from an ink inlet 16 connected to an external ink supply means (not shown), fills the inside with ink from the reservoir 14 to the nozzle opening 17, and then supplies an external drive circuit (not shown). Voltage is applied between the lower electrode film 60 and the upper electrode film 80 via the lead electrode 100 in accordance with the recording signal from the lead electrode 100, and the elastic film 50 and the piezoelectric film 70 are flexibly deformed. The pressure inside increases, and ink droplets are ejected from the nozzle opening 17.
[0071]
The embodiment of the present invention has been described above, but the basic configuration of the ink jet recording head is not limited to the above-described one.
[0072]
For example, the shape of the backing plate member is not limited to the above-described embodiment. As shown in FIG. 5, as shown in FIG. You may make it.
[0073]
Further, in each of the above-described embodiments, the reservoir 14 is formed together with the pressure generating chambers 12 in the flow path forming substrate 10, but a member forming the common ink chamber may be provided so as to overlap the flow path forming substrate 10. .
[0074]
FIG. 6 shows a partial cross section of the ink jet recording head thus configured. In such an embodiment, the sealing plate 160, the common ink chamber forming plate 170, the thin plate 180, and the ink chamber side plate 190 are provided between the nozzle substrate 18A in which the nozzle openings 17A are formed and the flow path forming substrate 10A. Are provided, and a nozzle communication port 31 that communicates with the pressure generating chamber 12A and the nozzle opening 17A is provided so as to penetrate them. That is, the common ink chamber 32 is defined by the sealing plate 160, the common ink chamber forming plate 170, and the thin plate 180, and each of the pressure generating chambers 12 </ b> A and the common ink chamber 32 The communication is made through a communication hole 33. The sealing plate 160 is also provided with an ink introduction hole 34 for introducing ink from outside into the supply ink chamber 32. Further, a penetrating portion 35 is formed in the ink chamber side plate 190 located between the thin plate 180 and the nozzle substrate 18A at a position facing each of the supply ink chambers 32, and a nozzle opening generated when ink droplets are ejected is formed. The thin wall 180 is allowed to absorb the pressure toward the side opposite to the pressure 17A, so that an unnecessary positive or negative pressure is applied to the other pressure generating chambers via the common ink chamber 32. Can be prevented from being added. Note that the thin plate 180 and the ink chamber side plate 190 may be formed integrally.
[0075]
In this type of ink jet recording head as well, the above-described backing mediating portion 330 is formed in the region opposite to the opening surface of the flow path forming substrate 10A and facing the partition that partitions the pressure generating chamber. Thus, by bringing the backing plate member 110 into contact, the deflection of the flow path forming substrate can be suppressed.
[0076]
Further, each of the above embodiments is a thin film type ink jet recording head which can be manufactured by applying a film forming and lithography process, but is not limited to this. For example, various structures such as a structure in which a pressure generating chamber is formed by laminating substrates, a structure in which a piezoelectric film is formed by pasting a green sheet or screen printing, or a structure in which a piezoelectric film is formed by crystal growth. The present invention can be applied to an ink jet recording head.
[0077]
Further, in each of the above-described embodiments, the connection portion between the upper electrode film and the lead electrode may be provided at any position, and may be at any end or the center of the pressure generating chamber.
[0078]
Further, the example in which the insulator layer is provided between the piezoelectric vibrator and the lead electrode has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, without providing the insulator layer, an anisotropic conductive film may be formed on each upper electrode. A configuration may be adopted in which this anisotropic conductive film is thermally welded and connected to a lead electrode, or connected using various bonding techniques such as wire bonding.
[0079]
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.
[0080]
Further, the ink jet recording head of each of the 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 the ink jet recording apparatus. FIG. 7 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.
[0081]
As shown in FIG. 7, the recording head units 1A and 1B having the ink jet recording heads are provided with detachable cartridges 2A and 2B constituting ink supply means, and 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. The recording head units 1A and 1B discharge, for example, a black ink composition and a color ink composition, respectively. Each piezoelectric vibrator of the recording head units 1A and 1B is independently driven by the control unit 9.
[0082]
Then, the driving force of the driving motor 6 is transmitted to the carriage 3 via a plurality of gears (not shown) and the timing belt 7, so that the carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted is moved along the carriage shaft 5. You. On the other hand, the apparatus main body 4 is provided with a platen 8 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.
[0083]
Although the above description has been made with respect to an ink jet recording head and an ink jet recording apparatus, the present invention is broadly applied to a liquid ejecting head and a liquid ejecting apparatus in general. As an example of the liquid, in addition to ink, glue, nail polish, chemicals, and the like can be used. Further, the present invention can be applied to an apparatus for manufacturing a color filter in a display such as a liquid crystal.
[0084]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the displacement of the piezoelectric vibrator is effectively received by the backing plate member via the backing mediating portion, and the deflection of the partition wall of the substrate is suppressed. The vibration characteristics of the opposing elastic films are not changed by the backing mediator. In particular, even in the case where the pressure generating chambers are arranged at a higher density, the backing plate member is opposed to the partition wall of the substrate via the backing mediation part, and thus described in JP-A-11-291497. Unlike the invention described above, there is no need to manufacture and position the partition wall of the backing member with high accuracy, which is excellent in cost and labor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of an ink jet recording head according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2A is a longitudinal sectional view of a pressure generation chamber of the ink jet recording head according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2B is an arrangement of the pressure generation chamber. It is sectional drawing in a direction.
FIG. 3 is a diagram showing a thin film manufacturing process according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a thin film manufacturing process according to one embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view of a backing material according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of an ink jet recording head according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic diagram of an ink jet recording apparatus according to one embodiment of the present invention.
FIG. 8A is a longitudinal sectional view of a pressure generating chamber of an ink jet recording head described in JP-A-11-291497, and FIG. 8B is an arrangement of the pressure generating chamber. It is sectional drawing in a direction.
[Explanation of symbols]
1A, 2A Recording head unit 2A, 2B Cartridge 3 Carriage 4 Ink jet recording apparatus main body 5 Carriage shaft 6 Drive motor 7 Timing belt 8 Platen 9 Control unit 10 Flow path forming substrate 11 Partition wall 12 Pressure generating chamber 14 Reservoir 15 Ink supply port 17 Nozzle opening 18 Nozzle plate 50 Elastic film 60 Lower electrode film 70 Piezoelectric film 80 Upper electrode film 90 Insulator layer 90a Contact hole 100 Lead electrode 110 Backing plate member 113 Opening 300 Piezoelectric vibrator 320 Piezoelectric active part 330 Backing mediator

Claims

A substrate having a plurality of recesses for forming a plurality of pressure generating chambers on a lower surface,
An elastic film having a lower surface that forms a pressure generating chamber by covering a concave portion of the substrate,
On the upper surface of the elastic film, a plurality of piezoelectric vibrators formed in a region corresponding to each pressure generating chamber,
With
Each piezoelectric vibrator has a lower electrode layer, a piezoelectric layer, and an upper electrode layer, and the elastic film is bent downward by residual stress generated when the piezoelectric layer is formed.
In each region of the other side surface of the elastic film corresponding to the partition wall between adjacent pressure generating chambers, a backing mediating portion including at least the piezoelectric layer is formed,
The height of each backing mediation part is higher than the height of each piezoelectric vibrator on the elastic film that is bent downward,
A liquid ejecting head, wherein a backing plate member is arranged so as to abut against each backing mediating portion so as not to hinder the fluctuation of each piezoelectric vibrator.

2. The liquid jet head according to claim 1, wherein the backing plate member is bonded to the backing mediation portion.

2. The liquid jet head according to claim 1, wherein the backing plate member is fixed to the backing mediation portion by a bending force of the backing plate member itself. 3.

4. The liquid jet head according to claim 2, wherein an insulating film is formed on a surface of the backing member fixed to the backing mediating portion.

The insulating film formed on the surface fixed to the backing mediation portion of the backing member,
The liquid jet head according to claim 4, wherein the liquid jet head is made of thermally oxidized silicon.

The liquid jet according to any one of claims 1 to 5, wherein the backing mediator includes both a piezoelectric layer and an upper electrode layer individually formed corresponding to each partition between the pressure generating chambers. head.

The lower electrode layer of each piezoelectric vibrator is formed in common, while the piezoelectric layer and upper electrode layer of each piezoelectric vibrator are individually formed for each pressure generating chamber,
The backing mediator has a piezoelectric layer and an upper electrode layer which are individually formed corresponding to the lower electrode layer of each piezoelectric vibrator and each partition between the pressure generating chambers. 7. The liquid jet head according to 6.

Each piezoelectric vibrator has an insulator layer above the upper electrode layer,
The liquid ejecting head according to claim 7, wherein each of the backing mediating portions also has an insulator layer above the upper electrode layer.

Each piezoelectric vibrator has a lead electrode layer above the insulator layer,
The liquid ejecting head according to claim 8, wherein each of the backing mediating portions also has a lead electrode layer above the insulator layer.

The liquid ejecting head according to any one of claims 1 to 9, wherein a space between the elastic film and the backing plate member is sealed with a dry fluid sealed therein.

11. The liquid jet head according to claim 1, wherein the substrate and the backing plate member are made of the same material.

The substrate is made of a silicon single crystal substrate,
The pressure generating chamber is formed by anisotropic etching,
12. The liquid jet head according to claim 1, wherein the lower electrode layer, the piezoelectric layer, and the upper electrode layer are formed by a film formation and a lithography method.

A liquid jet head according to any one of claims 1 to 12,
A control unit for driving the piezoelectric vibrator of the liquid jet head,
A liquid ejecting apparatus comprising: