【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、印加信号によって伸縮する駆動素子から発生させた機械的エネルギーにより所望の液体を吐出する液体吐出ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から液体吐出装置は、微細加工、実験分析、画像形成等の様々な分野で応用されているが、ここではインクジェットによる記録方法を例にとって説明する。
【０００３】
インク滴を吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行うインクジェット記録方法は、高速記録が可能であり、また記録品位も高く、低騒音であるという利点を有している。さらに、この方法はカラー画像記録が容易であって、普通紙等にも記録でき、さらに装置を小型化し易いといった多くの優れた利点を有している。このようなインクジェット記録方法を用いる記録装置には、一般にインクを飛翔インク体として吐出させるための吐出口と、この吐出口に連通するインク路と、このインク路の一部に設けられ、インク路内のインクに吐出のための吐出エネルギーを与えるエネルギー発生手段とを有する記録ヘッドが備えられる。
【０００４】
インクを吐出させて記録を得るインクジェットヘッドの代表例としては、ピエゾ素子を振動させてインク室の容積を変化させて第１のタイミングでインクを吸引し、第２のタイミングでインクに圧力を加えて液体として記録用紙に飛翔させるものや（例えば、特許文献１参照。）、また、極めて細いノズル形成部材に発熱要素を内蔵させ、熱エネルギーによりノズル形成部材に瞬間的に気泡を生じさせ、気泡の膨張力によりインクを吐出させるものなどが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。ピエゾ素子を用いたインクジェットヘッドは、電圧変位でインク滴の液体サイズを可変させることができ、インクに熱を加えることがないためインク選択の幅が広がるという利点がある。
【０００５】
そうした中、近年の高精細印字の要求により、多ノズル化に伴う精密微細加工と複雑な所望形状が必要とされるようになった。例えば、圧電性を有する薄膜を駆動源とするインクジェットヘッドにおいては、振動板の機械的変形特性はインク吐出特性に大きく影響し、振動板の形成方法、材質特性も重要となっている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００６】
従来、図１５のように、圧電素子１１０１、下部電極１１０２、振動板１１０３と一体に焼成された構成で、下部電極１１０２は、その幅が圧力発生室１１０６の幅より狭く形成され、圧電素子１１０１は、その幅が下部電極１１０２の幅よりも大きく形成された構成のものが開示されている（例えば、特許文献４参照。）。この作製方法によると、圧力発生室１１０６上の一部に、振動板１１０３と駆動素子である圧電素子１１０１が一体となった凹形状の部分が作製される。
【０００７】
また、図１６のように、下電極１２０２を印刷する際に中央部の肉厚を周辺部よりも厚く印刷しておくことにより、焼成後において圧電素子１２０１が圧力発生室１２０５側にたわまず、圧電素子１２０１の収縮力が圧力発生室１２０５形成部材の側壁である圧力発生室隔室１２０４に作用しない構成が開示されている（例えば、特許文献５参照。）。この作製方法によると、振動板１２０３の一部分に凹形状の部分が作製される。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第３９４６３９８号明細書
【特許文献２】
特開昭５４―１６１９３５号公報
【特許文献３】
特開平１０―２８６９５３号公報
【特許文献４】
特開平０７―１４８９２１号公報
【特許文献５】
特開平０７―６０９６０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献４（図１１）のように、上記凹部が駆動素子である圧電素子１１０１のみにしか形成されていない場合、上記振動板１１０３の変形時に上記圧力発生室１１０６上の振動板支持部との境界部１１０５に発生する応力を緩和・解消できず、長時間にわたる駆動において疲労による振動特性の劣化、もしくは破壊することがある。
【００１０】
また、上記の特許文献５（図１２）のように、振動板１２０３中央部は圧力発生室１２０５側に対して凸形状に変形しているが、圧電素子１２０１が平坦形状に形成されている。この場合、下電極１２０２中央部は周辺部よりも厚みがあり変形しにくくなり、圧電素子１２０１の変形応力を、圧力発生室を収縮させる振動板変位に変換するのに効率が悪い。
【００１１】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、振動板の変位に関して変形量の向上、圧力発生室側方向に関しての静止から初期変形への移り易さ、液体吐出時において振動部域端部に発生する応力の緩和・解消が可能な液体吐出ヘッドを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明の液体吐出ヘッドは、印加信号によって伸縮する圧電／電歪素子と、圧力発生室と、圧力発生室の一部を構成する振動板と、インク供給流路と、インクリザーバと、ノズルとから構成され、圧電／電歪素子の変形によって振動板を変位させ、圧電／電歪素子に対応した圧力発生室内のインク圧力を高めることによってノズルからインク体を噴射させる液体吐出ヘッドにおいて、振動板は圧力発生室外側の圧力発生室の長手方向に沿って少なくとも１つ以上の凹部を有し、圧電／電歪素子が、凹部の凹形状表面の一部もしくは全部を覆うように、且つ凹形状に形成されている。
【００１３】
即ち、本発明のインクジェットヘッドは、本発明の液体吐出ヘッドでは、振動板が、圧力発生室外側の圧力発生室長手方向に沿って少なくとも１つ以上の凹部を有し、圧電／電歪素子が、凹形状表面の一部もしくは全部を覆うように、且つ凹形状に形成されていることで、振動板の圧力発生室側への変位量向上、圧力発生室側方向に関しての静止から初期変形への移り易さを実現し、振動部への発生応力を緩和・解消させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
まず、ノズル先端液面のメニスカス制御により液体吐出させる過程において、上記振動板の変位量向上、さらには振動特性の向上について説明する。
【００１５】
現在一般的に用いられている吐出法は、圧電振動子の伸縮で発生した圧力を、振動板を通じて圧力発生室内の体積変位に変換し、メニスカス制御を行うことでインク滴を発生させるものである。その際、振動板を圧力発生室側へ急激に変位させ圧力発生室体積を収縮させる運動があるため、振動板を効果的に圧力発止室側へ変位させる必要がある。ここでいう効果的とは振動板の変位に関して、変形量の向上、圧力発生室側方向に関しての静止から初期変形への移り易さ、液体吐出時において振動部域端部に発生する応力の緩和・解消に関するものである。
【００１６】
例えば図１、図２（圧力発生室断面図）に示すように、振動板６０３、７０３の圧力発生室外側に凹部６０２、７０２を有し、駆動素子６０１、７０１の一部が凹形状の外面上に凹形状に形成されることで上記の効果的な振動変位を実現できる。
【００１７】
それは、図３に示すように、たわみ振動により圧力発生室体積を変化させる場合、その駆動素子表面に凹部を形成することで、駆動素子上面の束縛されていない部分で発生する変位（座屈応力）に対して圧力発生室側へたわみやすくなり、変位しやすくなるからである。その際、図３（ａ）、図３（ｂ）の形状いずれでも問題はないが振動板変位、発生圧力を考慮する必要がある。例えば、図３（ａ）の構造に対して、図３（ｂ）の構造の方が変形量は大きく、発生圧力は大きくなる。実際の設計に際しては、駆動素子幅、圧力発生室幅、振動板特性、駆動素子特性を考慮に入れて、必要な変位と発生圧力を得られるようにしなければならない。
【００１８】
また、駆動素子以外の圧力発生室上の振動板表面に凹部を形成することで、液体吐出過程において一部に応力が集中せず、応力を緩和・解消することができる。
【００１９】
ただし、振動板構造全体として吐出に適した振動板の実効的厚さ、凹部の形状、形成位置、形成数、さらには圧力発生室幅に対する駆動素子幅を、吐出に適した振動変位、発生圧力が得られるように適宜設定する必要がある。
【００２０】
また上記のような凹部を形成することで、従来より駆動素子幅（Ｗ１）／圧力発生室幅（Ｗ２）の比を大きくしても振動変位を生むことができ、剛性も上がり発生圧力の増大を図ることができる。凹部は矩形状でもかまわないが、図４、図５に示すように矩形でない形状のほうが凹部内のエッジ形状である角部（隅）に応力が集中せずより好ましい。
【００２１】
その振動板の支持構造の降伏応力が発生する応力以上になるように適宜設計される必要がある。
【００２２】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
【００２３】
本発明の液体吐出ヘッドは、振動板が、圧力発生室外側の圧力発生室長手方向に沿って少なくとも１つ以上の凹部を有し、圧電／電歪素子が、凹形状表面の一部もしくは全部覆うように、且つ凹形状に形成されていることを特徴としていることにより、振動板の変位に関して、変形量の向上、圧力発生室側方向に関しての静止から初期変形への移り易さ、液体吐出時において振動部域端部に発生する応力の緩和・解消をすることができる。
【００２４】
圧力発生室外側の振動板表面へ矩形状の凹部を形成するには、例えば、Ｓｉ単結晶基板におけるエッチング時間の制御や、エッチングストップ技術を用いて形成した振動板をエッチング加工することで作製できる。エッチストップ技術とは、Ｓｉ単結晶基板におけるｐ型不純物層のエッチング速度が遅いことを利用し、ｐ型不純物層のみをエッチングにより残留させ、その残留層を振動板として用いるものである。さらにレジスト、または酸化膜等をマスクとしてその振動板をＡｒまたはＳＦ６を主成分とするガスによりドライエッチングして凹部を形成するものである。その際、凹部の形状、配置は、圧力発生室幅、駆動素子幅、駆動素子の特性により適宜決めることになる。
【００２５】
また圧力発生室外側の振動板表面へ矩形状でない凹部を形成するには、例えば、圧力発生室を有する基板と振動板を接合後、振動板を構造値として適正な厚みまで薄片化研磨し、酸溶液により振動板表側をエッチング加工することで作製できる。例えば、振動板にＳｉＯ２を主成分とする材料を用い、レジスト等をエッチングマスクとしてＨＦを主成分とする溶液でエッチング加工、または振動板にＭｇＯを主成分とする材料を用い、レジスト等をエッチングマスクとしてリン酸を主成分とする溶液でエッチング加工すれば、ウェットエッチングに特有な矩形状でない凹部を形成することができる。
【００２６】
もちろん、単結晶基板に、圧力発生室形成の際のエッチストップ層となる材料例えばＳｉＮ、熱酸化膜などを成膜して、必要ならばそのエッチストップ層上に振動板に適した材料例えばＳｉＯ２、Ｃｒなどを成膜して所望の振動板厚さを形成し、その後、振動板表面をエッチング加工することでも、上記のような矩形もしくは矩形でない凹部を形成できる。
【００２７】
また振動板は、例えば、酸化シリコンＳｉＯ２の他、ニッケル、アルミニウムなどの金属や、アルミナ、またはポリイミド系の樹脂のような特性の異なる複数の材料により積層された構造であっても問題はない。さらにはＳＯＩ基板のＳＯＩ層／絶縁層／Ｓｉ層（圧力発生室側）を振動板構成とすることも可能である。
【００２８】
次に、圧力発生源として圧電性膜を用いる場合、上記凹部を有する振動板上に下電極を形成後、構造体の許容する温度範囲内、且つプロセス工程からみて可能な成膜手段で形成することが可能である。例えばスパッタリング、ＣＶＤ、ゾルゲル、ＥＢ、蒸着、レーザーアブレーションなどで作製プロセス条件に適応する手段を用いる。用いる圧電体薄膜は、チタン酸ジルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、亜鉛酸化物、アルミ窒化物のうち少なくとも１種類を主成分とし、電極材料は、白金、パラジウム、銀―パラジウム、銀―白金、白金―パラジウムからなる合金のうち少なくとも１種類以上を主成分とする。
【００２９】
そして、基板表面に対し垂直な隔壁をもつ圧力発生室は、Ｓｉ（１１０）単結晶基板のＫＯＨ溶液による異方性エッチング、もしくはＳｉ単結晶基板をＳＦ６ガスを主成分とするガスを用いてドライエッチングすることにより高精度に作製できる。ノズル部は圧力発生室基板内、もしくは圧力発生室を密閉する基板内に含まれ、振動板変位方向に垂直でも平行でも作製可能である。
【００３０】
以下に具体的な実施例を示すが、駆動素子、振動板、圧力発生室、インク供給流路、インクリザーバ、およびノズル等の寸法や形状や材質、駆動条件等は一例であり、設計事項として任意に変更できるものである。
【００３１】
【実施例】
以下実施例を用いて本発明を、より詳細に説明する。
（実施例１）（要約―ボロン拡散層振動板 矩形＋たくさん凹）
長さ方向に長手形状を有する圧力発生室の、幅方向の断面図を基に、以下の手順で液体吐出ヘッドを作製し、評価した（図６（ａ）、図７、図８参照）。実際、凹部内の凹み幅５μｍで隣接する凹部までは５μｍの等間隔であり、駆動素子幅８５μｍ、圧力発生室幅１００μｍとしてある。
【００３２】
（１）ｎ型Ｓｉ（１１０）単結晶基板２０４（厚さ１００〜３００μｍ）の表面に個体拡散源から１×１０１９ｃｍ−３以上の高濃度ボロンを、深さ４μｍを目標として拡散した層２０３を形成する。マスクとしてＳｉＯ２を成膜後、フォトリソ技術により、圧力発生室に対応する部分に凹パターニング２０１を施す。
【００３３】
（２）ＳＦ６ガスを主成分とするドライエッチングで、Ｓｉ振動板２０３上に凹パターン２０５（深さ２．０μｍ）を形成し、ＳｉＯ２マスクを剥離する。
【００３４】
（３）下電極としてＰｔ膜２０８（厚さ１００ｎｍ）を形成し、圧電体薄膜としてＺｎＯ膜２０７（厚さ１０μｍ）をスパッタリング成膜し、上電極としてＰｔ膜２０６（厚さ１００ｎｍ）を形成する。
【００３５】
（４）フォトリソ技術によるレジストマスクを用いて、表面の上電極Ｐｔ膜２０６をＡｒを主成分とするガスでドライエッチングし上電極パターンを形成する。次にフォトリソ技術によるレジストマスクを用いて、ＺｎＯ膜をＨＣｌ希釈液でエッチングし、表面の下電極Ｐｔ膜２０８をエッチングし駆動素子２０９を形成する。ここで下電極の不必要部分をエッチングにて取り去ることで、圧力発生室上の振動板の特性を確保する。さらに、圧力発生室の表面に関して、上電極との接触がとれるように加工された保護用の絶縁膜ＳｉＮ膜２１０を０．１μｍ成膜することで以後のプロセスによる損傷を防ぐ。ここで駆動素子は、保護膜／上電極／圧電膜／下電極という構造になっており、圧電素子幅Ｗ１は８０μｍ、圧力発生室幅Ｗ２は１００μｍである。
【００３６】
（５）ＫＯＨ溶液でＳｉ（１１０）基板のエッチングを行い、振動板に垂直である圧力発生室隔壁を形成する。ボロン拡散層でエッチングがストップするため、振動板２０３が形成される。
【００３７】
（６）各圧力発生室にインクを供給するインクリザーバー、インク供給流路、各圧力発生室に対応するノズル部を有する基板２１２を、圧力発生室を有する基板に接着剤２１１で接着する。
【００３８】
インクリザーバーに吐出液体を供給し、先端ノズル側から供給インクの流入を確認後、駆動波形を印加して液体を吐出させた。
【００３９】
吐出ヘッドの圧電素子の駆動条件を、矩形波電圧３０Ｖ、オフセット電圧１５Ｖ、周波数１ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させた。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。すなわち、圧電体を駆動するための駆動パルスに同期し、且つ所定の遅延時間をおいてパルス光を発光させながら、吐出状況を観察した。この状況をパルス光源と顕微鏡を用いて観察した。
【００４０】
ＰＺＴ膜に比較して圧電定数の小さいＺｎＯ膜でも長時間安定して吐出を行えたことから、振動板表面に凹部を形成したことで、発生圧力を減少させずに液体吐出に充分な変位量を得ることができ、また、液体吐出ヘッドの耐久性も向上した。
（実施例２）（要約―酸化膜振動板 矩形＋少ない凹）
長さ方向に長手形状を有する圧力発生室の、幅方向の断面図を基に、以下の手順で液体吐出ヘッドを作製し、評価した（図６（ｂ）、図９、図１０参照）。実際、凹部内の凹み幅は５μｍで隣接する凹部までは５μｍの等間隔であり、駆動素子幅８５μｍ、圧力発生室幅１００μｍとしてある。
【００４１】
（１）Ｓｉ（１１０）単結晶基板３０５（厚さ１００〜３００μｍ）に、表面保護層となる熱酸化膜３０４（厚さ０．５μメータ）を形成する。次に振動板形成側にＳｉＯ２膜３０３（厚さ４．５μｍ）を形成し、フォトリソ技術により、圧力発生室に内のレジストに凹パター３０１（深さ２．０μｍ）を形成する。
【００４２】
（２）Ａｒを主成分とするガスでドライエッチングを行い、振動板ＳｉＯ２膜上の圧力発生室外側一部に凹部パターン３０６を形成し、レジストマスクを剥離する。
【００４３】
（３）下電極となるＰｔ膜３０９（厚さ１００ｎｍ）を形成し、圧電体薄膜としてＰｂ（Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８）Ｏ３膜３０８（厚さ３μｍ）をスパッタリング成膜する。その後上電極となるＰｔ膜３０７（厚さ１００ｎｍ）を形成する。
【００４４】
（４）フォトリソ技術によるレジストマスクを用いて、表面の上電極Ｐｔ膜３０７をＡｒを主成分とするガスでドライエッチングし上電極パターンを形成する。次にフォトリソ技術によるレジストマスクを用いて、Ｐｂ（Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８）Ｏ３膜３０８を、ＨＦとＨＮＯ３主成分とする混合溶液でエッチングし、表面の下電極Ｐｔ膜３０９をエッチングし駆動素子３１０を形成する。ここで下電極の不必要部分をエッチングにて取り去ることで、圧力発生室上の振動板の特性を確保する。さらに、圧力発生室の表面に関して、上電極との接触がとれるように加工された保護用の絶縁膜ＳｉＮ膜３１１を０．１μｍ成膜することで以後のプロセスによる損傷を防ぐ。ここで駆動素子３１０は、保護膜／上電極／圧電膜／下電極という構造になっており、圧電素子幅Ｗ１は８０μｍ、圧力発生室幅Ｗ２は１００μｍである。
【００４５】
（５）ＫＯＨ溶液でＳｉ基板のエッチングを行い、振動板に垂直である圧力発生室隔壁を形成する。
【００４６】
（６）各圧力発生室にインクを供給するインクリザーバー、インク供給流路、各圧力発生室に対応するノズル部を有する基板３１３を圧力発生室を有する基板に接着剤３１２で接着する。
【００４７】
インクリザーバーに吐出液体を供給し、先端ノズル側から供給インクの流入を確認後、駆動波形を印加して液体を吐出させた。
【００４８】
吐出ヘッドの圧電素子の駆動条件を、矩形波電圧３０Ｖ、オフセット電圧１５Ｖ、周波数１ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させた。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。すなわち、圧電体を駆動するための駆動パルスに同期し、且つ所定の遅延時間をおいてパルス光を発光させながら、吐出状況を観察した。この状況をパルス光源と顕微鏡を用いて観察した。
【００４９】
長時間安定して吐出を行えたことから、振動板表面に凹部を形成したことで、発生圧力を減少させずに液体吐出に充分な変位量を得ることができ、液体吐出ヘッドの耐久性も向上した。
（実施例３）（要約―パイレックス振動板 丸状凹）
長さ方向に長手形状を有する圧力発生室の、幅方向の断面図を基に、以下の手順で液体吐出ヘッドを作製し、評価した（図１１、図１２参照）。実際、凹部内の凹み幅は最大５μｍで隣接する凹部までは５μｍの等間隔であり、駆動素子幅８０μｍ、圧力発生室幅１００μｍとしてある。
【００５０】
（１）Ｓｉ（１１０）単結晶基板４０３（厚さ１００〜３００μｍ）に、表面保護層となるＳｉＮ膜４０２、４０４（厚さ１００ｎｍ）を成膜する。基板裏面に、フォトリソ技術により圧力発生室レジストパターニングを施し、ＳＦ６を主成分とするガスでＳｉＮドライエッチングを行いパターン４０５を形成する。その後レジスト膜を剥離する。
【００５１】
（２）ＫＯＨを主成分とする溶液でＳｉエッチングを行い、基板表面に対して垂直な圧力発生室隔壁を形成する。
【００５２】
（３）表面保護層のＳｉＮ膜を剥離し、パイレックスガラス４０６を陽極接合により接合する。
【００５３】
（４）パイレックスガラス４０６を薄片化研磨し、６μｍの厚さの薄片化後のパイレックスガラス４０７にする。
【００５４】
（５）フォトリソ技術によりレジスト４０９をパターニングして、圧力発生室上のパイレックスガラス４０７の表面に凹パターン４０８を形成する。圧力発生室内側にレジストを充填し保護マスク４１０を形成し、ＨＦを主成分とする溶液で表面をエッチング（最大深さ２μｍ）する。
【００５５】
（６）下電極となるＰｔ膜（厚さ１００ｎｍ）形成し、圧電体薄膜としてＺｎＯ膜（厚さ１０μｍ）をスパッタリング成膜し、その後上電極となるＰｔ膜（厚さ１００ｎｍ）を形成する。フォトリソ技術によるレジストマスクを用いて、表面の上電極Ｐｔ膜をＡｒを主成分とするガスでドライエッチングし上電極パターンを形成する。次にフォトリソ技術によるレジストマスクを用いてＺｎＯ膜を、ＨＣｌ希釈液でエッチングし、表面の下電極Ｐｔ膜をエッチングし、駆動素子４１１を形成する。ここで下電極の不必要部分をエッチングにて取り去ることで、圧力発生室上の振動板の特性を確保する。さらに、圧力発生室の表面に関して、上電極との接触がとれるように加工された保護用の絶縁膜ＳｉＮ膜４１２を０．１μｍ成膜することで以後のプロセスによる損傷を防ぐ。ここで駆動素子４１１は、保護膜／上電極／圧電膜／下電極という構造になっており、圧電素子幅Ｗ１は８０μｍ、圧力発生室幅Ｗ２は１００μｍである。
【００５６】
（７）各圧力発生室にインクを供給するインクリザーバー、インク供給流路、各圧力発生室に対応するノズル部を有する基板４１４を圧力発生室を有する基板に接着剤４１３で接着する。
【００５７】
インクリザーバーに吐出液体を供給し、先端ノズル側から供給インクの流入を確認後、駆動波形を印加して液体を吐出させた。
【００５８】
吐出ヘッドの圧電素子の駆動条件を、矩形波電圧３０Ｖ、オフセット電圧１５Ｖ、周波数１ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させた。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。すなわち、圧電体を駆動するための駆動パルスに同期し、且つ所定の遅延時間をおいてパルス光を発光させながら、吐出状況を観察した。この状況をパルス光源と顕微鏡を用いて観察した。
【００５９】
ＰＺＴ膜に比較して圧電定数の小さいＺｎＯ膜でも長時間安定して吐出を行えたことから、振動板表面に凹部を形成したことで、発生圧力を減少させずに液体吐出に充分な変位量を得ることができ、また、液体吐出ヘッドの耐久性も向上した。
（実施例１〜３に対する比較例）（要約―壊れる 凹なし）
長さ方向に長手形状を有する圧力発生室の、幅方向の断面図を基に、以下の手順で液体吐出ヘッドを作製し、評価した。（図１３、図１４参照）駆動素子幅８μｍ、圧力発生室幅１００μｍとしてある。
【００６０】
（１）Ｓｉ（１１０）単結晶基板５０３（厚さ１００〜３００μｍ）に、表面保護層となる熱酸化膜５０２（厚さ０．５μメータ）を形成する。次に振動板形成側にＳｉＯ２膜５０１（厚さ４．５μｍ）をスパッタリング成膜して振動板として必要な厚みを形成する。
【００６１】
（２）下電極となるＰｔ膜５０６（厚さ１００ｎｍ）を形成し、圧電体薄膜としてＰｂ（Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８）Ｏ３膜５０５（厚さ３μｍ）をスパッタリング成膜する。その後上電極となるＰｔ膜５０４（厚さ１００ｎｍ）を形成する。
【００６２】
（３）フォトリソ技術によるレジストマスクを用いて、表面の上電極Ｐｔ膜５０４をＡｒを主成分とするガスでドライエッチングし上電極パターンを形成する。次にフォトリソ技術によるレジストマスクを用いて、Ｐｂ（Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８）Ｏ３膜５０５をＨＦ、ＨＮＯ３などを主成分とする混合溶液でエッチングし、表面の下電極Ｐｔ膜５０６をエッチングし、駆動素子５０７を形成する。圧力発生室の表面に関して、上電極との接触がとれるように加工された保護用の絶縁膜ＳｉＮ膜５０８を０．１μｍ成膜する。ここで駆動素子５０７は、保護膜／上電極／圧電膜／下電極という構造になっており、圧電素子幅Ｗ１は８０μｍ、圧力発生室幅Ｗ２は１００μｍである。
【００６３】
（４）ＫＯＨ溶液でＳｉ基板のエッチングを行い、振動板に垂直である圧力発生室隔壁を形成する。
【００６４】
（５）各圧力発生室にインクを供給するインクリザーバー、インク供給流路、各圧力発生室に対応するノズル部を有する基板５１０を、圧力発生室を有する基板に接着剤５０９で接着する。
【００６５】
インクリザーバーに吐出液体を供給し、先端ノズル側から供給インクの流入を確認後、駆動波形を印加して液体を吐出させた。
【００６６】
吐出ヘッドの圧電素子の駆動条件を、矩形波電圧３０Ｖ、オフセット電圧１５Ｖ、周波数１ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させた。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。すなわち、圧電体を駆動するための駆動パルスに同期し、且つ所定の遅延時間をおいてパルス光を発光させながら、吐出状況を観察した。この状況をパルス光源と顕微鏡を用いて観察した。
【００６７】
３×１０６回のパルスを印加したところ、吐出体積が急激に減少し、吐出液体の体積、速度に関してばらつきがみられた。これは振動板支持部において応力が集中し、振動板に疲労破壊もしくは振動特性が大きく変化したためである。
（実施例４）
インクジェット吐出ヘッドを複数装備し、駆動用回路を備え、吐出ヘッドと被記録媒体とを所望の間隔で対向させるための支持体と、入力された情報に応じて、吐出ヘッドと被記録媒体との相対位置を変化させるための機構を有する記録装置を作製した。本実施例の記録装置は、高解像度・高速印字が可能で、従来と比較して長時間にわたり安定した液体吐出が得られた。
【００６８】
以上、本発明の４つの実施例が示され説明されたが、当業者であれば、本発明の趣旨と範囲は本明細書内特定の説明と図に限定されるのではなく、本特許請求の範囲に全て述べられた様々の修正と変更に及ぶことが理解されるであろう。
【００６９】
本発明の実施態様の例を以下に列挙する。
【００７０】
本発明の実施態様は、印加信号によって伸縮する圧電／電歪素子と、圧力発生室と、圧力発生室の一部を構成する振動板と、インク供給流路と、インクリザーバと、ノズルとから構成され、圧電／電歪素子の変形によって振動板を変位させ、圧電／電歪素子に対応した圧力発生室内のインク圧力を高めることによってノズルからインク体を噴射させる液体吐出ヘッドにおいて、振動板は圧力発生室外側の圧力発生室の長手方向に沿って少なくとも１つ以上の凹部を有し、圧電／電歪素子が、凹部の凹形状表面の一部もしくは全部を覆うように、且つ凹形状に形成されている。
【００７１】
本実施態様の液体吐出ヘッドによれば、振動板が、圧力発生室外側の圧力発生室長手方向に沿って少なくとも１つ以上の凹部を有し、圧電／電歪素子が、凹形状表面の一部もしくは全部を覆うように、且つ凹形状に形成されていることで、振動板の圧力発生室側への変位量向上、圧力発生室側方向に関しての静止から初期変形への移り易さを実現し、振動部への発生応力を緩和・解消させることができる。
【００７２】
また、本発明においては、凹部の最大深さが、振動板の最大厚さの０．３倍以上であることが好ましい。
【００７３】
また、本発明においては、凹部の形状は、多角形状もしくは円形状であることが好ましい。
【００７４】
本実施態様によれば、凹部は多角形状でもかまわないが、多角形状でない円形状のほうが凹部内のエッジ形状である角部（隅）に応力が集中せずより好ましい。
【００７５】
また、本発明においては、振動板は、特性の異なる複数の材料により積層された構造であることが好ましい。
【００７６】
また、本発明の実施態様は、上述の液体吐出ヘッドを有する記録装置である。
【００７７】
本実施態様によれば、長時間の駆動に対して、従来と比較して振動板特性が劣化せず、耐久性のある記録装置を提供することが可能になる。
【００７８】
また、本発明においては、複数の液体吐出ヘッドを備え、各駆動素子を伸縮させる電気信号を供給する手段を備えていることが好ましい。
【００７９】
本実施態様によれば、高解像度・高速印字が可能で、従来と比較して長時間にわたり安定した液体吐出が得られる記録装置を提供することが可能になる。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明には、以下の効果がある。
【００８１】
本発明のインクジェットヘッドは、本発明の液体吐出ヘッドでは、振動板が、圧力発生室外側の圧力発生室長手方向に沿って少なくとも１つ以上の凹部を有し、圧電／電歪素子が、凹形状表面の一部もしくは全部を覆うように、且つ凹形状に形成されていることで、振動板の圧力発生室側への変位量向上、圧力発生室側方向に関しての静止から初期変形への移り易さを実現し、振動部への発生応力を緩和・解消させることができる。結果として長時間の駆動に対して、従来と比較して振動板特性が劣化せず、耐久性のある記録装置を提供することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】矩形状凹部を有する圧力発生室断面図である。
【図２】矩形状凹部を有する圧力発生室断面図である。
【図３】凹部を有する圧力発生室断面の振動板変位の模式図である。
【図４】矩形でない凹部を有する圧力発生室断面図である。
【図５】矩形でない凹部を有する圧力発生室断面図である。
【図６】本発明における実施例図である。
【図７】本発明における実施例１の作製工程図である。
【図８】本発明における実施例１の作製工程図である。
【図９】本発明における実施例２の作製工程図である。
【図１０】本発明における実施例２の作製工程図である。
【図１１】本発明における実施例３の作製工程図である。
【図１２】本発明における実施例３の作製工程図である。
【図１３】本発明における実施例に対する比較例の作製工程図である。
【図１４】本発明における実施例に対する比較例の作製工程図である。
【図１５】従来の技術の圧力発生室断面図である。
【図１６】従来の技術の圧力発生室断面図である。
【符号の説明】
１０１、２０９、３１０、４１１ 駆動素子全体（上電極／圧電膜／下電極）
１０２、６０２、７０２、９０２、１００２ 凹部
１０３、２１０、３１１、４１２、５０８、 保護膜
１０４、６０３、７０３、９０３、１００３、１１０３、１２０３ 振動板
１０５、６０４、７０４、９０４、１００４、１１０４、１２０４ 圧力発生室隔壁
１０６、２１１、３１２、４１３、５０９ 接着剤
１０７ 密閉基板
２０１ ＳｉＯ２パターン
２０２ ＳｉＯ２マスク
２０３ ボロン拡散層
２０４、３０５、４０３、５０３、 Ｓｉ基板
２０５ ボロン拡散層内の凹部
２０６、３０７、５０４、 上電極膜
２０７ ＺｎＯ膜
２０８、３０９、５０６ 下電極膜
２１２、３１３、４１４，５１０ 圧力発生室密閉基板
３０１ レジストパターン
３０２ レジスト
３０３、５０１ スパッタで成膜されたＳｉＯ２膜
３０４、５０２ 熱酸化膜
３０５ Ｓｉ基板
３０６ スパッタで成膜されたＳｉＯ２膜内の凹部
３０８ ＰＺＴ膜
４０１ Ｓｉ基板表面
４０２ ＳｉＮ膜
４０３ Ｓｉ基板
４０４ ＳｉＮ保護膜
４０５ 圧力発生室開口部
４０６ パイレックスガラス
４０７ 薄片化後のパイレックスガラス
４０８ パイレックスガラス形成された矩形でない凹部
４０９ レジストマスク
４１０ 圧力発生室内保護用レジスト
５０５、６０１、７０１、９０１、１００１ 圧電膜
１１０１、１２０１ 圧電素子
１１０２ 下部電極
１２０２ 下電極
１１０５ 境界部
１１０６、１２０５ 圧力発生室[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid ejection head that ejects a desired liquid by using mechanical energy generated from a driving element that expands and contracts according to an applied signal.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, liquid ejecting apparatuses have been applied in various fields such as microfabrication, experimental analysis, and image formation. Here, a recording method using an inkjet will be described as an example.
[0003]
An ink jet recording method of forming an image by ejecting ink droplets and attaching the ink droplets onto a recording medium has advantages that high-speed recording is possible, recording quality is high, and noise is low. Further, this method has many excellent advantages such as easy recording of a color image, recording on plain paper or the like, and further, easy downsizing of the apparatus. A recording apparatus using such an ink jet recording method generally includes a discharge port for discharging ink as a flying ink body, an ink path communicating with the discharge port, and an ink path provided in a part of the ink path. A recording head having an energy generating means for applying ejection energy for ejection to the ink inside.
[0004]
As a typical example of an ink jet head that obtains recording by discharging ink, a volume of an ink chamber is changed by vibrating a piezo element to suck ink at a first timing and apply pressure to the ink at a second timing. (See, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-163873), or a very thin nozzle forming member with a built-in heating element, and thermal energy instantaneously generates bubbles in the nozzle forming member. A device that ejects ink by the expansion force of the above has been proposed (for example, see Patent Document 2). An ink jet head using a piezo element has the advantage that the liquid size of an ink droplet can be varied by voltage displacement, and heat is not applied to the ink, so that the range of ink selection is widened.
[0005]
Under such circumstances, recent demands for high-definition printing have required precise fine processing and complicated desired shapes accompanying the increase in the number of nozzles. For example, in an ink jet head using a piezoelectric thin film as a driving source, the mechanical deformation characteristics of the diaphragm greatly affect the ink ejection characteristics, and the method of forming the diaphragm and the material characteristics are also important (for example, See Patent Document 3.).
[0006]
Conventionally, as shown in FIG. 15, the piezoelectric element 1101, the lower electrode 1102, and the diaphragm 1103 are integrally fired, and the lower electrode 1102 is formed to have a width smaller than that of the pressure generating chamber 1106. For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2004-168131 discloses a configuration in which the width is formed to be larger than the width of the lower electrode 1102. According to this manufacturing method, a concave portion in which the vibration plate 1103 and the piezoelectric element 1101 as a driving element are integrated is formed in a part of the pressure generating chamber 1106.
[0007]
Further, as shown in FIG. 16, when printing the lower electrode 1202, by printing the thickness of the central portion thicker than the peripheral portion, the piezoelectric element 1201 does not bend toward the pressure generating chamber 1205 after firing. A configuration is disclosed in which the contraction force of the piezoelectric element 1201 does not act on the pressure generation chamber compartment 1204, which is the side wall of the pressure generation chamber 1205 forming member (for example, see Patent Document 5). According to this manufacturing method, a concave portion is formed in a part of diaphragm 1203.
[0008]
[Patent Document 1]
U.S. Pat. No. 3,946,398
[Patent Document 2]
JP-A-54-161935
[Patent Document 3]
JP-A-10-286953
[Patent Document 4]
JP-A-07-148921
[Patent Document 5]
JP-A-07-60960
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, if the concave portion is formed only in the piezoelectric element 1101 as a driving element as in Patent Document 4 (FIG. 11), the diaphragm on the pressure generating chamber 1106 when the diaphragm 1103 is deformed. The stress generated at the boundary 1105 with the support cannot be relaxed or eliminated, and the vibration characteristics may be degraded or broken due to fatigue during long-time driving.
[0010]
Further, as in Patent Document 5 (FIG. 12), the center of the diaphragm 1203 is deformed in a convex shape with respect to the pressure generating chamber 1205 side, but the piezoelectric element 1201 is formed in a flat shape. In this case, the central portion of the lower electrode 1202 is thicker than the peripheral portion and is less liable to be deformed, so that it is inefficient to convert the deformation stress of the piezoelectric element 1201 into a diaphragm displacement for contracting the pressure generating chamber.
[0011]
The present invention has been made in view of the above problems. It is an object of the present invention to improve the amount of deformation with respect to the displacement of the diaphragm, to facilitate the transition from stationary to initial deformation in the direction of the pressure generating chamber, and to alleviate and eliminate the stress generated at the end of the vibrating area during liquid ejection. To provide a liquid ejection head capable of performing the above.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
That is, the liquid ejection head of the present invention includes a piezoelectric / electrostrictive element that expands and contracts by an applied signal, a pressure generation chamber, a diaphragm that forms a part of the pressure generation chamber, an ink supply channel, an ink reservoir, and a nozzle. In a liquid ejection head, a diaphragm is displaced by deformation of a piezoelectric / electrostrictive element, and ink is ejected from a nozzle by increasing ink pressure in a pressure generating chamber corresponding to the piezoelectric / electrostrictive element. The plate has at least one or more concave portions along the longitudinal direction of the pressure generating chamber outside the pressure generating chamber, and the piezoelectric / electrostrictive element covers a part or all of the concave surface of the concave portion, and It is formed in a shape.
[0013]
That is, in the ink jet head of the present invention, in the liquid ejection head of the present invention, the diaphragm has at least one or more concave portions along the longitudinal direction of the pressure generating chamber outside the pressure generating chamber, and the piezoelectric / electrostrictive element has By forming a concave shape so as to cover a part or the whole of the concave surface, the displacement of the diaphragm toward the pressure generating chamber is improved, and from the stationary state to the initial deformation in the pressure generating chamber side direction. , The stress generated in the vibrating part can be reduced or eliminated.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, in the process of discharging liquid by controlling the meniscus of the liquid surface at the nozzle tip, improvement in the amount of displacement of the diaphragm and improvement in vibration characteristics will be described.
[0015]
The ejection method generally used at present is to convert the pressure generated by expansion and contraction of a piezoelectric vibrator into a volume displacement in a pressure generating chamber through a vibration plate and perform meniscus control to generate ink droplets. . At this time, there is a movement to rapidly displace the diaphragm to the pressure generating chamber side and to reduce the volume of the pressure generating chamber, so it is necessary to effectively displace the diaphragm to the pressure stopping chamber side. The term “effective” means that the displacement of the diaphragm is improved, the amount of deformation is increased, the ease of transition from stationary to initial deformation in the direction of the pressure generating chamber is reduced, and the stress generated at the end of the vibrating area during liquid ejection is reduced.・ It is about cancellation.
[0016]
For example, as shown in FIGS. 1 and 2 (cross-sectional views of the pressure generating chamber), the vibration plates 603 and 703 have concave portions 602 and 702 outside the pressure generating chamber, and a part of the driving elements 601 and 701 has a concave outer surface. The above-described effective vibration displacement can be realized by being formed in a concave shape on the upper side.
[0017]
As shown in FIG. 3, when the pressure generating chamber volume is changed by flexural vibration, a concave portion is formed on the surface of the drive element to thereby generate a displacement (buckling stress) generated at an unconstrained portion on the upper surface of the drive element. This is because it is easy to bend toward the pressure generating chamber side with respect to ()) and to be easily displaced. At this time, there is no problem with any of the shapes shown in FIGS. 3A and 3B, but it is necessary to consider the displacement of the diaphragm and the generated pressure. For example, as compared with the structure of FIG. 3A, the structure of FIG. 3B has a larger deformation amount and a larger generated pressure. In an actual design, the necessary displacement and generated pressure must be obtained in consideration of the drive element width, the pressure generation chamber width, the diaphragm characteristics, and the drive element characteristics.
[0018]
Further, by forming a concave portion on the surface of the vibration plate on the pressure generating chamber other than the driving element, stress is not concentrated on a part in the liquid discharging process, and the stress can be reduced or eliminated.
[0019]
However, the effective thickness of the diaphragm suitable for discharge as a whole of the diaphragm structure, the shape of the concave portion, the formation position, the number of formation, and the width of the drive element with respect to the width of the pressure generating chamber, the vibration displacement and the generated pressure suitable for discharge. Needs to be set appropriately so as to obtain.
[0020]
Further, by forming the recesses as described above, even if the ratio of the drive element width (W1) / the pressure generation chamber width (W2) is increased, vibration displacement can be generated, rigidity increases, and the generated pressure increases. Can be achieved. Although the concave portion may be rectangular, a non-rectangular shape as shown in FIGS. 4 and 5 is more preferable because stress is not concentrated on the edge portion (corner) of the concave portion.
[0021]
It is necessary to appropriately design the support structure of the diaphragm so that the yield stress is equal to or higher than the generated stress.
[0022]
Next, an embodiment of the present invention will be described.
[0023]
In the liquid discharge head according to the present invention, the diaphragm has at least one or more concave portions along the longitudinal direction of the pressure generating chamber outside the pressure generating chamber, and the piezoelectric / electrostrictive element has a part or all of the concave surface. By being formed so as to cover and have a concave shape, with respect to displacement of the diaphragm, improvement in the amount of deformation, ease of transition from stationary to initial deformation in the direction of the pressure generating chamber, liquid ejection The stress generated at the end of the vibrating portion at the time can be reduced or eliminated.
[0024]
In order to form a rectangular concave portion on the surface of the diaphragm outside the pressure generating chamber, for example, it can be manufactured by controlling the etching time in a Si single crystal substrate or etching the diaphragm formed using an etching stop technique. . The etch stop technique utilizes the fact that the etching rate of a p-type impurity layer in a Si single crystal substrate is low, leaving only the p-type impurity layer by etching, and using the remaining layer as a diaphragm. Further, using a resist or an oxide film or the like as a mask, the diaphragm is Ar or SF. 6 The concave portion is formed by dry etching with a gas containing as a main component. At this time, the shape and arrangement of the concave portion are appropriately determined according to the pressure generating chamber width, the driving element width, and the characteristics of the driving element.
[0025]
Further, in order to form a non-rectangular concave portion on the surface of the diaphragm outside the pressure generating chamber, for example, after bonding the substrate having the pressure generating chamber and the diaphragm, the diaphragm is thinned and polished to an appropriate thickness as a structural value, The diaphragm can be manufactured by etching the front side of the diaphragm with an acid solution. For example, when the diaphragm is made of SiO 2 Etching with a solution containing HF as a main component using a resist or the like as an etching mask, or using a material containing MgO as a main component for a diaphragm and using phosphoric acid as a resist or an etching mask If etching is performed with a solution as a component, a non-rectangular concave portion unique to wet etching can be formed.
[0026]
Of course, a material serving as an etch stop layer for forming a pressure generating chamber, such as SiN, a thermal oxide film, or the like, is formed on a single crystal substrate. If necessary, a material suitable for a diaphragm, such as SiO 2, is formed on the etch stop layer. 2 , Cr or the like, a desired thickness of the diaphragm is formed, and then the surface of the diaphragm is etched to form the above-described rectangular or non-rectangular concave portion.
[0027]
The diaphragm is made of, for example, silicon oxide SiO. 2 In addition, there is no problem even if the structure is formed by laminating a plurality of materials having different properties such as a metal such as nickel and aluminum, or alumina or a polyimide resin. Furthermore, the SOI layer / insulating layer / Si layer (on the side of the pressure generating chamber) of the SOI substrate may have a diaphragm configuration.
[0028]
Next, when a piezoelectric film is used as the pressure generating source, the lower electrode is formed on the vibration plate having the concave portion, and then formed by a film forming means that is within a temperature range permitted by the structure and is viewable from a process step. It is possible. For example, means suitable for manufacturing process conditions is used by sputtering, CVD, sol-gel, EB, vapor deposition, laser ablation, or the like. The piezoelectric thin film used is selected from lead zirconate titanate, lead magnesium niobate, lead nickel niobate, lead zinc niobate, lead manganese niobate, lead antimony stannate, lead titanate, zinc oxide, and aluminum nitride. At least one type is a main component, and the electrode material is at least one type of an alloy composed of platinum, palladium, silver-palladium, silver-platinum, and platinum-palladium.
[0029]
The pressure generating chamber having a partition wall perpendicular to the substrate surface is anisotropically etched with a KOH solution of a Si (110) single crystal substrate or SF 6 By performing dry etching using a gas containing a gas as a main component, it can be manufactured with high accuracy. The nozzle portion is included in the substrate of the pressure generating chamber or in the substrate that seals the pressure generating chamber, and can be manufactured either perpendicular to or parallel to the direction of displacement of the diaphragm.
[0030]
Specific examples will be described below, but the dimensions, shapes, materials, driving conditions, and the like of the driving element, the diaphragm, the pressure generating chamber, the ink supply flow path, the ink reservoir, and the nozzles are examples, and are design items. It can be changed arbitrarily.
[0031]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
(Example 1) (Summary-Boron diffusion layer diaphragm rectangular + many concaves)
Based on the cross-sectional view in the width direction of the pressure generating chamber having a longitudinal shape in the length direction, a liquid ejection head was manufactured and evaluated according to the following procedure (see FIGS. 6A, 7, and 8). Actually, the concave width in the concave portion is 5 μm, the distance to the adjacent concave portion is 5 μm, the drive element width is 85 μm, and the pressure generating chamber width is 100 μm.
[0032]
(1) 1 × 10 4 from a solid diffusion source on the surface of an n-type Si (110) single crystal substrate 204 (100 to 300 μm thick) 19 cm -3 A layer 203 is formed by diffusing the above high-concentration boron with a target of a depth of 4 μm. SiO as mask 2 Is formed, a concave patterning 201 is applied to a portion corresponding to the pressure generating chamber by photolithography.
[0033]
(2) SF 6 A concave pattern 205 (2.0 μm deep) is formed on the Si diaphragm 203 by dry etching mainly using gas, 2 Peel off the mask.
[0034]
(3) A Pt film 208 (thickness 100 nm) is formed as a lower electrode, a ZnO film 207 (thickness 10 μm) is formed as a piezoelectric thin film by sputtering, and a Pt film 206 (thickness 100 nm) is formed as an upper electrode. .
[0035]
(4) The upper electrode Pt film 206 is dry-etched with a gas containing Ar as a main component using a resist mask formed by photolithography to form an upper electrode pattern. Next, using a resist mask formed by a photolithography technique, the ZnO film is etched with a HCl diluent, and the lower electrode Pt film 208 on the surface is etched to form a drive element 209. Unnecessary portions of the lower electrode are removed by etching to secure the characteristics of the diaphragm on the pressure generating chamber. Further, the surface of the pressure generating chamber is formed with a 0.1 μm-thick protective insulating film SiN 210 processed so as to be in contact with the upper electrode, thereby preventing damage due to subsequent processes. Here, the driving element has a structure of protective film / upper electrode / piezoelectric film / lower electrode, and the width W1 of the piezoelectric element is 80 μm and the width W2 of the pressure generating chamber is 100 μm.
[0036]
(5) The Si (110) substrate is etched with a KOH solution to form pressure generating chamber partition walls perpendicular to the diaphragm. Since the etching is stopped at the boron diffusion layer, the diaphragm 203 is formed.
[0037]
(6) A substrate 212 having an ink reservoir for supplying ink to each pressure generating chamber, an ink supply channel, and a nozzle corresponding to each pressure generating chamber is bonded to the substrate having the pressure generating chamber with an adhesive 211.
[0038]
The discharge liquid was supplied to the ink reservoir, and after confirming the inflow of the supply ink from the tip nozzle side, a drive waveform was applied to discharge the liquid.
[0039]
The driving condition of the piezoelectric element of the ejection head was an electric signal consisting of a rectangular pulse having a rectangular wave voltage of 30 V, an offset voltage of 15 V, and a frequency of 1 kHz, and ink was ejected from the ejection port. This situation was observed using a pulsed light source and a microscope. That is, the ejection state was observed while emitting pulsed light in synchronization with a drive pulse for driving the piezoelectric body and after a predetermined delay time. This situation was observed using a pulsed light source and a microscope.
[0040]
Even a ZnO film having a smaller piezoelectric constant than a PZT film was able to discharge stably for a long time. By forming a recess on the surface of the diaphragm, the displacement amount sufficient for liquid discharge without reducing the generated pressure was obtained. Was obtained, and the durability of the liquid discharge head was also improved.
(Example 2) (Summary-Oxide film diaphragm rectangular + few concaves)
Based on a cross-sectional view in the width direction of the pressure generating chamber having a longitudinal shape in the length direction, a liquid discharge head was manufactured and evaluated by the following procedure (see FIGS. 6B, 9 and 10). Actually, the width of the recess in the concave portion is 5 μm, and the interval between adjacent concave portions is 5 μm, and the drive element width is 85 μm and the pressure generating chamber width is 100 μm.
[0041]
(1) A thermal oxide film 304 (0.5 μm thick) serving as a surface protection layer is formed on a Si (110) single crystal substrate 305 (100 to 300 μm thick). Next, on the diaphragm forming side, SiO 2 A film 303 (4.5 μm in thickness) is formed, and a concave pattern 301 (2.0 μm in depth) is formed in a resist in a pressure generating chamber by photolithography.
[0042]
(2) Dry etching is performed with a gas containing Ar as a main component, and the diaphragm SiO 2 A concave pattern 306 is formed on a part of the film outside the pressure generating chamber, and the resist mask is peeled off.
[0043]
(3) A Pt film 309 (thickness 100 nm) to be a lower electrode is formed, and Pb (Zr 0.52 Ti 0.48 ) O 3 A film 308 (thickness: 3 μm) is formed by sputtering. Thereafter, a Pt film 307 (thickness: 100 nm) serving as an upper electrode is formed.
[0044]
(4) The upper electrode Pt film 307 is dry-etched with a gas containing Ar as a main component to form an upper electrode pattern using a resist mask formed by photolithography. Next, Pb (Zr 0.52 Ti 0.48 ) O 3 The film 308 is made of HF and HNO 3 The drive element 310 is formed by etching with a mixed solution containing a main component and etching the lower electrode Pt film 309 on the surface. Unnecessary portions of the lower electrode are removed by etching to secure the characteristics of the diaphragm on the pressure generating chamber. Further, the surface of the pressure generating chamber is formed with a 0.1 μm-thick SiN film 311 for protection, which is processed so as to be in contact with the upper electrode, thereby preventing damage due to subsequent processes. Here, the drive element 310 has a structure of a protective film / upper electrode / piezoelectric film / lower electrode, and the width W1 of the piezoelectric element is 80 μm and the width W2 of the pressure generating chamber is 100 μm.
[0045]
(5) The Si substrate is etched with a KOH solution to form pressure generating chamber partition walls perpendicular to the diaphragm.
[0046]
(6) A substrate 313 having an ink reservoir for supplying ink to each pressure generating chamber, an ink supply channel, and a nozzle corresponding to each pressure generating chamber is bonded to the substrate having the pressure generating chamber with an adhesive 312.
[0047]
The discharge liquid was supplied to the ink reservoir, and after confirming the inflow of the supply ink from the tip nozzle side, a drive waveform was applied to discharge the liquid.
[0048]
The driving condition of the piezoelectric element of the ejection head was an electric signal consisting of a rectangular pulse having a rectangular wave voltage of 30 V, an offset voltage of 15 V, and a frequency of 1 kHz, and ink was ejected from the ejection port. This situation was observed using a pulsed light source and a microscope. That is, the ejection state was observed while emitting pulsed light in synchronization with a drive pulse for driving the piezoelectric body and after a predetermined delay time. This situation was observed using a pulsed light source and a microscope.
[0049]
Since a stable discharge was performed for a long time, the concave portion was formed on the surface of the diaphragm, so that a sufficient amount of displacement for liquid discharge could be obtained without reducing the generated pressure, and the durability of the liquid discharge head was improved. Improved.
(Example 3) (Summary-Pyrex diaphragm round concave)
Based on the cross-sectional view in the width direction of the pressure generating chamber having a longitudinal shape in the length direction, a liquid discharge head was manufactured and evaluated according to the following procedure (see FIGS. 11 and 12). Actually, the maximum width of the recess in the concave portion is 5 μm, and the interval between adjacent concave portions is 5 μm. The drive element width is 80 μm and the pressure generating chamber width is 100 μm.
[0050]
(1) SiN films 402 and 404 (thickness: 100 nm) serving as surface protection layers are formed on a Si (110) single crystal substrate 403 (thickness: 100 to 300 μm). On the back surface of the substrate, resist patterning of pressure generating chamber is performed by photolithography technology, and SF 6 Is subjected to SiN dry etching with a gas containing as a main component a pattern 405 is formed. Thereafter, the resist film is stripped.
[0051]
(2) Perform Si etching with a solution containing KOH as a main component to form a partition wall of the pressure generation chamber perpendicular to the substrate surface.
[0052]
(3) The SiN film of the surface protective layer is peeled off, and Pyrex glass 406 is bonded by anodic bonding.
[0053]
(4) The Pyrex glass 406 is thinned and polished to give a 6 μm-thick Pyrex glass 407 after the thinning.
[0054]
(5) The resist 409 is patterned by the photolithography technique to form a concave pattern 408 on the surface of the Pyrex glass 407 on the pressure generating chamber. A resist is filled inside the pressure generating chamber to form a protective mask 410, and the surface is etched (2 μm maximum depth) with a solution containing HF as a main component.
[0055]
(6) A Pt film (thickness: 100 nm) serving as a lower electrode is formed, a ZnO film (thickness: 10 μm) is formed by sputtering as a piezoelectric thin film, and then a Pt film (thickness: 100 nm) serving as an upper electrode is formed. Using a resist mask formed by photolithography, the upper electrode Pt film on the surface is dry-etched with a gas mainly containing Ar to form an upper electrode pattern. Next, the drive element 411 is formed by etching the ZnO film with an HCl diluent using a resist mask formed by a photolithography technique and etching the lower electrode Pt film on the surface. Unnecessary portions of the lower electrode are removed by etching to secure the characteristics of the diaphragm on the pressure generating chamber. Further, the surface of the pressure generating chamber is formed with a 0.1 μm-thick protective insulating film SiN film 412 processed so as to be in contact with the upper electrode, thereby preventing damage due to subsequent processes. Here, the drive element 411 has a structure of protective film / upper electrode / piezoelectric film / lower electrode, and the width W1 of the piezoelectric element is 80 μm and the width W2 of the pressure generating chamber is 100 μm.
[0056]
(7) A substrate 414 having an ink reservoir for supplying ink to each pressure generating chamber, an ink supply channel, and a nozzle corresponding to each pressure generating chamber is bonded to the substrate having the pressure generating chamber with an adhesive 413.
[0057]
The discharge liquid was supplied to the ink reservoir, and after confirming the inflow of the supply ink from the tip nozzle side, a drive waveform was applied to discharge the liquid.
[0058]
The driving condition of the piezoelectric element of the ejection head was an electric signal consisting of a rectangular pulse having a rectangular wave voltage of 30 V, an offset voltage of 15 V, and a frequency of 1 kHz, and ink was ejected from the ejection port. This situation was observed using a pulsed light source and a microscope. That is, the ejection state was observed while emitting pulsed light in synchronization with a drive pulse for driving the piezoelectric body and after a predetermined delay time. This situation was observed using a pulsed light source and a microscope.
[0059]
Even a ZnO film having a smaller piezoelectric constant than a PZT film was able to discharge stably for a long time. By forming a recess on the surface of the diaphragm, the displacement amount sufficient for liquid discharge without reducing the generated pressure was obtained. Was obtained, and the durability of the liquid discharge head was also improved.
(Comparative Example with respect to Examples 1 to 3) (Summary-No Break-Down)
Based on the cross-sectional view in the width direction of the pressure generating chamber having a longitudinal shape in the length direction, a liquid discharge head was manufactured in the following procedure and evaluated. (See FIGS. 13 and 14.) The width of the driving element is 8 μm and the width of the pressure generating chamber is 100 μm.
[0060]
(1) A thermal oxide film 502 (0.5 μm thick) serving as a surface protection layer is formed on a Si (110) single crystal substrate 503 (100 to 300 μm thick). Next, on the diaphragm forming side, SiO 2 A film 501 (with a thickness of 4.5 μm) is formed by sputtering to have a thickness necessary for a diaphragm.
[0061]
(2) A Pt film 506 (thickness: 100 nm) serving as a lower electrode is formed, and Pb (Zr 0.52 Ti 0.48 ) O 3 A film 505 (thickness: 3 μm) is formed by sputtering. After that, a Pt film 504 (thickness: 100 nm) serving as an upper electrode is formed.
[0062]
(3) The upper electrode Pt film 504 is dry-etched with a gas containing Ar as a main component to form an upper electrode pattern using a resist mask formed by photolithography. Next, Pb (Zr 0.52 Ti 0.48 ) O 3 The film 505 is made of HF, HNO 3 The drive element 507 is formed by etching with a mixed solution mainly containing, for example, the lower electrode Pt film 506 on the surface. On the surface of the pressure generating chamber, a protective insulating film SiN film 508 is formed to a thickness of 0.1 μm, which is processed so as to make contact with the upper electrode. Here, the drive element 507 has a structure of protective film / upper electrode / piezoelectric film / lower electrode, and the width W1 of the piezoelectric element is 80 μm and the width W2 of the pressure generating chamber is 100 μm.
[0063]
(4) The Si substrate is etched with a KOH solution to form a pressure generating chamber partition wall perpendicular to the diaphragm.
[0064]
(5) A substrate 510 having an ink reservoir for supplying ink to each pressure generating chamber, an ink supply channel, and a nozzle corresponding to each pressure generating chamber is bonded to the substrate having the pressure generating chamber with an adhesive 509.
[0065]
The discharge liquid was supplied to the ink reservoir, and after confirming the inflow of the supply ink from the tip nozzle side, a drive waveform was applied to discharge the liquid.
[0066]
The driving condition of the piezoelectric element of the ejection head was an electric signal consisting of a rectangular pulse having a rectangular wave voltage of 30 V, an offset voltage of 15 V, and a frequency of 1 kHz, and ink was ejected from the ejection port. This situation was observed using a pulsed light source and a microscope. That is, the ejection state was observed while emitting pulsed light in synchronization with a drive pulse for driving the piezoelectric body and after a predetermined delay time. This situation was observed using a pulsed light source and a microscope.
[0067]
3 × 10 6 When the number of pulses was applied, the ejection volume sharply decreased, and variations were observed in the volume and speed of the ejection liquid. This is because stress was concentrated at the diaphragm supporting portion, and fatigue fracture or vibration characteristics were greatly changed on the diaphragm.
(Example 4)
A plurality of inkjet discharge heads are provided, a driving circuit is provided, a support for facing the discharge head and the recording medium at a desired interval, and a support between the discharge head and the recording medium according to input information. A recording device having a mechanism for changing a relative position was manufactured. The recording apparatus of the present embodiment was capable of high-resolution and high-speed printing, and stable liquid ejection was obtained over a long period of time as compared with the related art.
[0068]
Although four embodiments of the present invention have been shown and described, those skilled in the art will recognize that the spirit and scope of the present invention is not limited to the specific description and figures herein, but rather is defined by the appended claims. Will be understood to cover various modifications and changes all set forth in the scope of.
[0069]
Examples of embodiments of the present invention are listed below.
[0070]
An embodiment of the present invention includes a piezoelectric / electrostrictive element that expands and contracts by an applied signal, a pressure generation chamber, a diaphragm that forms a part of the pressure generation chamber, an ink supply channel, an ink reservoir, and a nozzle. In a liquid ejection head which is configured to displace a vibration plate by deformation of a piezoelectric / electrostrictive element and increase ink pressure in a pressure generating chamber corresponding to the piezoelectric / electrostrictive element to eject an ink body from a nozzle, the vibration plate is The piezoelectric / electrostrictive element has at least one concave portion along the longitudinal direction of the pressure generating chamber outside the pressure generating chamber, and the piezoelectric / electrostrictive element covers part or all of the concave surface of the concave portion, and has a concave shape. Is formed.
[0071]
According to the liquid ejection head of the present embodiment, the diaphragm has at least one or more concave portions along the longitudinal direction of the pressure generating chamber outside the pressure generating chamber, and the piezoelectric / electrostrictive element has one concave surface. By forming a concave shape so as to cover all or part of the diaphragm, the amount of displacement of the diaphragm toward the pressure generating chamber is improved, and the transition from stationary to initial deformation in the direction of the pressure generating chamber is realized. However, the stress generated in the vibrating portion can be reduced or eliminated.
[0072]
In the present invention, it is preferable that the maximum depth of the concave portion is at least 0.3 times the maximum thickness of the diaphragm.
[0073]
Further, in the present invention, the shape of the concave portion is preferably a polygonal shape or a circular shape.
[0074]
According to the present embodiment, the concave portion may have a polygonal shape, but a circular shape that is not a polygonal shape is more preferable because stress is not concentrated on an edge (corner) that is an edge shape in the concave portion.
[0075]
Further, in the present invention, it is preferable that the diaphragm has a structure in which a plurality of materials having different characteristics are laminated.
[0076]
An embodiment of the present invention is a recording apparatus having the above-described liquid ejection head.
[0077]
According to the present embodiment, it is possible to provide a durable recording apparatus in which the characteristics of the diaphragm are not deteriorated as compared with the related art when driven for a long time.
[0078]
Further, in the present invention, it is preferable to provide a plurality of liquid ejection heads and a means for supplying an electric signal for expanding and contracting each drive element.
[0079]
According to the present embodiment, it is possible to provide a recording apparatus capable of high-resolution and high-speed printing and capable of obtaining a stable liquid ejection for a long time as compared with the related art.
[0080]
【The invention's effect】
As described above, the present invention has the following effects.
[0081]
In the ink jet head of the present invention, in the liquid discharge head of the present invention, the diaphragm has at least one or more concave portions along the longitudinal direction of the pressure generating chamber outside the pressure generating chamber, and the piezoelectric / electrostrictive element has a concave shape. By forming a concave shape so as to cover part or all of the shape surface, the amount of displacement of the diaphragm toward the pressure generating chamber is improved, and the transition from stationary to initial deformation in the direction of the pressure generating chamber is performed. The simplicity can be realized, and the generated stress on the vibrating portion can be reduced or eliminated. As a result, it has become possible to provide a durable recording apparatus in which the characteristics of the diaphragm are not deteriorated as compared with the related art when driven for a long time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a pressure generating chamber having a rectangular concave portion.
FIG. 2 is a sectional view of a pressure generating chamber having a rectangular recess.
FIG. 3 is a schematic diagram of displacement of a diaphragm in a cross section of a pressure generating chamber having a concave portion.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a pressure generating chamber having a non-rectangular concave portion.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a pressure generating chamber having a non-rectangular concave portion.
FIG. 6 is an embodiment diagram of the present invention.
FIG. 7 is a manufacturing process diagram of Example 1 of the present invention.
FIG. 8 is a manufacturing process diagram of Example 1 of the present invention.
FIG. 9 is a manufacturing process diagram of Example 2 of the present invention.
FIG. 10 is a manufacturing process diagram of Example 2 of the present invention.
FIG. 11 is a manufacturing process diagram of Example 3 of the present invention.
FIG. 12 is a manufacturing process diagram of Example 3 of the present invention.
FIG. 13 is a manufacturing process diagram of a comparative example with respect to the example in the present invention.
FIG. 14 is a manufacturing process diagram of a comparative example with respect to the example in the present invention.
FIG. 15 is a sectional view of a conventional pressure generating chamber.
FIG. 16 is a sectional view of a conventional pressure generating chamber.
[Explanation of symbols]
101, 209, 310, 411 Entire drive element (upper electrode / piezoelectric film / lower electrode)
102, 602, 702, 902, 1002 recess
103, 210, 311, 412, 508, protective film
104, 603, 703, 903, 1003, 1103, 1203 diaphragm
105, 604, 704, 904, 1004, 1104, 1204 Partition wall of pressure generating chamber
106, 211, 312, 413, 509 Adhesive
107 sealed substrate
201 SiO 2 pattern
202 SiO 2 mask
203 boron diffusion layer
204, 305, 403, 503, Si substrate
205 Concavity in boron diffusion layer
206, 307, 504, upper electrode film
207 ZnO film
208, 309, 506 Lower electrode film
212, 313, 414, 510 Pressure generating chamber sealed substrate
301 resist pattern
302 resist
303, 501 SiO formed by sputtering 2 film
304, 502 Thermal oxide film
305 Si substrate
306 SiO deposited by sputtering 2 Recesses in the membrane
308 PZT film
401 Si substrate surface
402 SiN film
403 Si substrate
404 SiN protective film
405 pressure generating chamber opening
406 Pyrex glass
407 Pyrex glass after exfoliation
408 Pyrex glass formed non-rectangular recess
409 Resist mask
410 Resist for protection of pressure generation chamber
505, 601, 701, 901, 1001 Piezoelectric film
1101, 1201 Piezoelectric element
1102 Lower electrode
1202 Lower electrode
1105 Border
1106, 1205 Pressure generating chamber
