JP2005144804A - Liquid injection head and liquid injection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特に、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板の表面に圧電素子を形成して、圧電素子の変位によりインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置に関する。 The present invention relates to a liquid ejecting head and a liquid ejecting apparatus, and in particular, a part of a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for ejecting ink droplets is configured by a vibration plate, and a piezoelectric element is formed on the surface of the vibration plate. The present invention relates to an ink jet recording head and an ink jet recording apparatus that eject ink droplets by displacement of a piezoelectric element.
インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの2種類が実用化されている。 A part of the pressure generation chamber communicating with the nozzle opening for discharging ink droplets is constituted by a vibration plate, and the vibration plate is deformed by a piezoelectric element to pressurize the ink in the pressure generation chamber to discharge ink droplets from the nozzle opening. Two types of ink jet recording heads have been put into practical use: those using a longitudinal vibration mode piezoelectric actuator that extends and contracts in the axial direction of the piezoelectric element, and those using a flexural vibration mode piezoelectric actuator.
前者は圧電素子の端面を振動板に当接させることにより圧力発生室の容積を変化させることができて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。 The former can change the volume of the pressure generation chamber by bringing the end face of the piezoelectric element into contact with the vibration plate, and it is possible to manufacture a head suitable for high-density printing, while the piezoelectric element is arranged in an array of nozzle openings. There is a problem that the manufacturing process is complicated because a difficult process of matching the pitch into a comb-like shape and an operation of positioning and fixing the cut piezoelectric element in the pressure generating chamber are necessary.
これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。 On the other hand, the latter can flexibly vibrate, although a piezoelectric element can be built on the diaphragm by a relatively simple process of sticking a green sheet of piezoelectric material according to the shape of the pressure generation chamber and firing it. There is a problem that a certain amount of area is required for the use of, and high-density arrangement is difficult.
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものがある。そして、このような圧電素子は、例えば、湿気等の外部環境に起因して破壊され易いという問題がある。そこで、このような問題を解決するために、圧電素子の外周面を絶縁体からなる保護膜で覆うと共に、その保護膜の圧電素子の上面に対向する領域に他の領域よりも膜厚の薄い薄膜部を設けたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 On the other hand, in order to eliminate the disadvantages of the latter recording head, a uniform piezoelectric material layer is formed over the entire surface of the diaphragm by a film forming technique, and this piezoelectric material layer is shaped to correspond to the pressure generating chamber by lithography. In some cases, the piezoelectric element is formed so as to be independent for each pressure generating chamber. And such a piezoelectric element has a problem that it is easily destroyed due to an external environment such as moisture. Therefore, in order to solve such a problem, the outer peripheral surface of the piezoelectric element is covered with a protective film made of an insulator, and the protective film is thinner in the area facing the upper surface of the piezoelectric element than the other areas. The thing which provided the thin film part is proposed (for example, refer patent document 1).
しかしながら、保護膜の成膜時に、膜にピンホール等が形成され、これによって耐湿性が低下し、圧電素子が破壊されるという問題がある。特に、ピンホール等が薄膜部に形成されると、圧電素子が破壊され易くなる。 However, when the protective film is formed, there is a problem that pinholes and the like are formed in the film, which reduces moisture resistance and destroys the piezoelectric element. In particular, when a pinhole or the like is formed in the thin film portion, the piezoelectric element is easily broken.
また、薄膜部を有する保護膜が設けられたヘッドにおいては、圧電素子の破壊を防止するために、圧電素子を保護膜で覆うようにし、圧電素子を保護膜で覆うことによる振動板の変位量の低下を防止するために、保護膜に薄膜部を設けているが、この薄膜部の膜厚は他の部分の膜厚よりも薄いため耐湿性が低下し、圧電素子(圧電体層)が破壊される虞があるという問題がある。 Further, in a head provided with a protective film having a thin film portion, the piezoelectric element is covered with a protective film in order to prevent the piezoelectric element from being broken, and the displacement of the diaphragm by covering the piezoelectric element with the protective film In order to prevent the deterioration of the film, the protective film is provided with a thin film portion. The film thickness of the thin film portion is smaller than the film thickness of the other portions, so that the moisture resistance is reduced, and the piezoelectric element (piezoelectric layer) There is a problem that it may be destroyed.
このように、保護膜によって圧電素子を覆うようにしたヘッドにおいては、圧電素子を保護膜で覆うと振動板の変位量が低下する一方、保護膜の膜厚を薄く形成すると圧電素子が破壊されてしまい、これら二つの問題を同時に解決するのは非常に困難である。このような問題は、インク滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドだけではなく、勿論、インク以外の液滴を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても、同様に存在する。 Thus, in a head in which a piezoelectric element is covered with a protective film, the amount of displacement of the diaphragm is reduced when the piezoelectric element is covered with the protective film, while the piezoelectric element is destroyed when the protective film is formed thin. Therefore, it is very difficult to solve these two problems at the same time. Such a problem exists not only in an ink jet recording head that ejects ink droplets, but also in other liquid ejecting heads that eject droplets other than ink.
なお、上述した保護膜としては、基板の一方面側に複数のインク液室が設けられ、これら各インク液室の内面に設けられた電極を保護する保護膜が知られている(例えば、特許文献2参照)。しかしながら、この保護膜は、電極を保護するものであり、インクとは接触しない部分に設けられた圧電素子の水分による破壊を防止する保護膜とは明らかに相違する。 As the above-described protective film, a plurality of ink liquid chambers are provided on one side of the substrate, and a protective film for protecting electrodes provided on the inner surface of each ink liquid chamber is known (for example, patents). Reference 2). However, this protective film protects the electrodes, and is clearly different from the protective film that prevents the piezoelectric element provided in the portion not in contact with ink from being damaged by moisture.
本発明は、このような事情に鑑み、圧電素子の破壊を長期間に亘って確実に防止することができると共に振動板の変位量の低下を防止することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを課題とする。 In view of such circumstances, the present invention provides a liquid ejecting head and a liquid ejecting apparatus that can reliably prevent destruction of a piezoelectric element over a long period of time and prevent a decrease in the displacement of a diaphragm. The issue is to provide.
上記課題を解決する本発明の第1の態様は、液滴を吐出するノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドにおいて、前記圧電素子が、無機絶縁材料からなり前記圧電素子側に形成される第1層と、該第1層とは異なる材料からなり当該第1層上に形成される第2層とを少なくとも有する絶縁膜によって覆われていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第1の態様では、圧電素子を直接保護する第1層が無機絶縁材料からなるため、水分による圧電素子の破壊が確実に防止される。また、圧電素子が少なくとも無機絶縁材料からなる第1層と、この第1層とは異なる材料からなる第2層を有する絶縁膜によって覆われるため、第1層及び第2層のそれぞれにピンホールが形成されたとしても、絶縁膜の面方向で各層のピンホールが一致することはなく、水分(湿気)に起因する圧電素子(圧電体層)の劣化(破壊)が長期に亘って確実に防止される。
According to a first aspect of the present invention for solving the above-described problem, a flow path forming substrate in which a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for discharging droplets is formed, and a diaphragm is provided on one side of the flow path forming substrate. A liquid ejecting head comprising a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode provided via the first electrode, wherein the piezoelectric element is made of an inorganic insulating material and is formed on the piezoelectric element side; In the liquid ejecting head, the liquid jet head is covered with an insulating film made of a material different from that of the first layer and having at least a second layer formed on the first layer.
In the first aspect, since the first layer that directly protects the piezoelectric element is made of an inorganic insulating material, destruction of the piezoelectric element due to moisture is surely prevented. In addition, since the piezoelectric element is covered with an insulating film having at least a first layer made of an inorganic insulating material and a second layer made of a material different from the first layer, pinholes are formed in each of the first layer and the second layer. Even if formed, the pinholes of the respective layers do not coincide with each other in the surface direction of the insulating film, and the deterioration (destruction) of the piezoelectric element (piezoelectric layer) due to moisture (humidity) is ensured over a long period of time. Is prevented.
本発明の第2の態様は、第1の態様において、前記絶縁膜の前記上電極に対向する部分の少なくとも一部に、前記第1層の厚さが前記圧電素子に対向する他の部分の厚さより薄い薄膜部を有することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第2の態様では、少なくとも上電極及び圧電体層の外周面を2層の絶縁膜によって確実に覆うことができるため、水分による圧電素子の破壊が確実に防止される。また、絶縁膜の上電極に対向する部分の少なくとも一部の厚さが圧電素子に対向する他の部分の厚さよりも薄いため、圧電素子の駆動を絶縁膜によって阻害することが減少し、振動板の変位量の低下が防止される。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, at least a part of the part of the insulating film facing the upper electrode has a thickness of the first layer of the other part facing the piezoelectric element. The liquid ejecting head has a thin film portion thinner than the thickness.
In the second aspect, since at least the outer peripheral surfaces of the upper electrode and the piezoelectric layer can be reliably covered with the two insulating films, destruction of the piezoelectric element due to moisture is reliably prevented. In addition, since the thickness of at least a part of the portion facing the upper electrode of the insulating film is thinner than the thickness of the other portion facing the piezoelectric element, obstruction of driving of the piezoelectric element by the insulating film is reduced and vibration A reduction in the displacement of the plate is prevented.
本発明の第3の態様は、第2の態様において、前記第1層の前記薄膜部に対応する部分が除去されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
かかる第3の態様では、上電極及び圧電体層の外周面を2層の絶縁膜によって確実に覆うことができるため、水分による圧電素子の破壊が確実に防止される。また、圧電素子の上面を覆う材料としてヤング率(硬度)の小さい材料(例えば、樹脂等)を選択できるため、振動板の変位量の低下が防止される。
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect, a portion corresponding to the thin film portion of the first layer is removed.
In the third aspect, since the outer peripheral surfaces of the upper electrode and the piezoelectric layer can be reliably covered with the two insulating films, destruction of the piezoelectric element due to moisture is reliably prevented. In addition, since a material having a low Young's modulus (hardness) (for example, a resin) can be selected as a material for covering the upper surface of the piezoelectric element, a decrease in the displacement of the diaphragm is prevented.
本発明の第4の態様は、第1〜3の何れかの態様において、前記第1層のヤング率が前記第2層のヤング率より大きいことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第4の態様では、絶縁膜の圧電素子側のヤング率(硬度)より表面側のヤング率(硬度)が小さいため、振動板の変位量の低下が防止される。
A fourth aspect of the present invention is the liquid ejecting head according to any one of the first to third aspects, wherein a Young's modulus of the first layer is larger than a Young's modulus of the second layer.
In the fourth aspect, since the Young's modulus (hardness) on the surface side is smaller than the Young's modulus (hardness) on the piezoelectric element side of the insulating film, a decrease in the displacement amount of the diaphragm is prevented.
本発明の第5の態様は、第1〜4の何れかの態様において、少なくとも前記第1層が酸化物からなることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第5の態様では、水分透過率の低い酸化物からなる第1層によって圧電素子が覆われるため、水分による圧電素子の破壊が確実に防止される。
According to a fifth aspect of the present invention, in the liquid jet head according to any one of the first to fourth aspects, at least the first layer is made of an oxide.
In the fifth aspect, since the piezoelectric element is covered with the first layer made of an oxide having a low moisture permeability, destruction of the piezoelectric element due to moisture is surely prevented.
本発明の第6の態様は、第5の態様において、前記第2層が前記第1層とは異なる酸化物からなることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第6の態様では、水分透過率の低い酸化物からなる第1層及び第2層を有する絶縁膜によって圧電素子が覆われるため、水分に起因する圧電素子の破壊が確実に防止される。
According to a sixth aspect of the present invention, in the liquid jet head according to the fifth aspect, the second layer is made of an oxide different from the first layer.
In the sixth aspect, since the piezoelectric element is covered with the insulating film having the first layer and the second layer made of the oxide having low moisture permeability, the destruction of the piezoelectric element due to moisture is surely prevented.
本発明の第7の態様は、第5又は6の態様において、前記第1層が酸化アルミニウムからなることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第7の態様では、第1層が酸化物の中でも特に水分透過率の極めて低い酸化アルミニウムからなるため、圧電素子の破壊が確実に防止される。
According to a seventh aspect of the present invention, in the liquid jet head according to the fifth or sixth aspect, the first layer is made of aluminum oxide.
In the seventh aspect, since the first layer is made of aluminum oxide having an extremely low moisture permeability among oxides, destruction of the piezoelectric element is reliably prevented.
本発明の第8の態様は、第5の態様において、前記第2層が樹脂からなることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第8の態様では、第1層が水分透過率の低い酸化物からなり、圧電素子の破壊が確実に防止され、第2層が酸化物よりヤング率(硬度)の小さい樹脂からなるため、振動板の変位量の低下が防止される。
According to an eighth aspect of the present invention, in the fifth aspect, the liquid ejecting head is characterized in that the second layer is made of a resin.
In the eighth aspect, the first layer is made of an oxide having a low moisture permeability, the destruction of the piezoelectric element is reliably prevented, and the second layer is made of a resin having a Young's modulus (hardness) smaller than that of the oxide. A decrease in the displacement of the diaphragm is prevented.
本発明の第9の態様は、第8の態様において、前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に接合され前記圧電素子を保護する圧電素子保持部が設けられた保護基板をさらに具備し、且つ前記第2層が、前記保護基板に設けられ前記圧電素子保持部に連通する連通孔から未硬化樹脂を注入することによって前記圧電素子に対向する領域から前記圧電素子保持部内の内面まで連続的に形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第9の態様では、流路形成基板と保護基板とを接合した状態で圧電素子保持部内に所定量の未硬化樹脂を注入することにより、第1層上に第2層を比較的容易に形成することができる。
According to a ninth aspect of the present invention, in the eighth aspect, the semiconductor device further includes a protective substrate provided with a piezoelectric element holding portion that is bonded to the surface of the flow path forming substrate on the piezoelectric element side and protects the piezoelectric element. The second layer is continuously provided from a region facing the piezoelectric element to an inner surface in the piezoelectric element holding portion by injecting uncured resin from a communication hole provided on the protective substrate and communicating with the piezoelectric element holding portion. The liquid ejecting head is characterized in that the liquid ejecting head is formed.
In the ninth aspect, the second layer is relatively easily formed on the first layer by injecting a predetermined amount of uncured resin into the piezoelectric element holding portion in a state where the flow path forming substrate and the protective substrate are joined. Can be formed.
本発明の第10の態様は、第1〜9の何れかの態様において、前記圧力発生室がシリコン単結晶基板に異方性エッチングにより形成され、前記圧電素子の各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されたものであることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第10の態様では、高密度のノズル開口を有する液体噴射ヘッドを大量に且つ比較的容易に製造することができる。
According to a tenth aspect of the present invention, in any one of the first to ninth aspects, the pressure generating chamber is formed on a silicon single crystal substrate by anisotropic etching, and each layer of the piezoelectric element is formed by film formation and lithography. In the liquid ejecting head, the liquid ejecting head is formed.
In the tenth aspect, a large number of liquid jet heads having high-density nozzle openings can be manufactured relatively easily.
本発明の第11の態様は、第1〜10の何れかの態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる第11の態様では、耐久性及び信頼性を著しく向上した液体噴射装置を実現することができる。
An eleventh aspect of the present invention is a liquid ejecting apparatus including the liquid ejecting head according to any one of the first to tenth aspects.
In the eleventh aspect, it is possible to realize a liquid ejecting apparatus that has significantly improved durability and reliability.
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図2は、図1の平面図及びA−A′断面図である。図示するように、流路形成基板10は、本実施形態では面方位(110)のシリコン単結晶基板からなり、その一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1〜2μmの弾性膜50が形成されている。流路形成基板10には、複数の圧力発生室12がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板10の圧力発生室12の長手方向外側の領域には連通部13が形成され、連通部13と各圧力発生室12とが、各圧力発生室12毎に設けられたインク供給路14を介して連通されている。なお、連通部13は、後述する保護基板のリザーバ部と連通して各圧力発生室12の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する。インク供給路14は、圧力発生室12よりも狭い幅で形成されており、連通部13から圧力発生室12に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an ink jet recording head according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. As shown in the figure, the flow
また、流路形成基板10の開口面側には、圧力発生室12を形成する際のマスクとして用いられた絶縁膜51を介して、各圧力発生室12のインク供給路14とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口21が穿設されたノズルプレート20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20は、厚さが例えば、0.01〜1mm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、シリコン単結晶基板又は不錆鋼などからなる。
Further, on the opening surface side of the flow
一方、このような流路形成基板10の開口面とは反対側には、上述したように、厚さが例えば約1.0μmの弾性膜50が形成され、この弾性膜50上には、厚さが例えば、約0.4μmの絶縁体膜55が形成されている。さらに、この絶縁体膜55上には、厚さが例えば、約0.2μmの下電極膜60と、厚さが例えば、約1.0μmの圧電体層70と、厚さが例えば、約0.05μmの上電極膜80とが積層形成されて、圧電素子300を構成している。ここで、圧電素子300は、下電極膜60、圧電体層70及び上電極膜80を含む部分をいう。一般的には、圧電素子300の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層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、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層70から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜60は圧電素子300の共通電極とし、上電極膜80を圧電素子300の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子300と当該圧電素子300の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。なお、このような圧電素子300は、圧力発生室12に対向する領域に振動板を介して設けられているため、圧力発生室12内に充填されるインクとは直接接触することはない。
On the other hand, as described above, the
例えば、本実施形態では、図2に示すように、下電極膜60は、圧力発生室12の長手方向では圧力発生室12に対向する領域内に形成され、複数の圧力発生室12に対応する領域に連続的に設けられている。また、下電極膜60は、圧力発生室12の列の外側、及び列設された圧電素子300の間から連通部13近傍まで延設され、それらの先端部は、後述する駆動IC120から延設された接続配線130が接続される接続部60aとなっている。圧電体層70及び上電極膜80は、基本的には圧力発生室12に対向する領域内に設けられているが、圧力発生室12の長手方向では、下電極膜60の端部よりも外側まで延設されており、下電極膜60の端面は圧電体層70によって覆われている。そして、圧力発生室12の長手方向端部近傍には、圧電体層70を有するが実質的に駆動されない圧電体非能動部が形成されている。また、上電極膜80の一端部近傍にはリード電極90が接続されている。このリード電極90は、本実施形態では、圧力発生室12の外側の圧電体非能動部上から連通部13に対向する領域まで延設されており、その先端部は、下電極膜60と同様に、接続配線130が接続される接続部90aとなっている。そして、本実施形態では、圧電素子300を構成する各層及びリード電極90が、下電極膜60の接続部60a及びリード電極90の接続部90aに対向する領域を除いて、絶縁膜100によって覆われており、これにより水分(湿気)等による圧電素子300の破壊が防止されている。
For example, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, the
本発明の絶縁膜100は、複数層で構成され、本実施形態では、無機絶縁材料からなり圧電素子300側に設けられる第1層101と、第1層101とは異なる材料からなると共にこの第1層101上に設けられる第2層102とを有する。
ここで、第1層101を形成する無機絶縁材料としては、特に限定されないが、例えば、酸化アルミニウム(Al2O3)、五酸化タンタル(Ta2O5)及び二酸化ケイ素(SiO2)等の酸化物等が挙げられる。一方、第2層102の材料は、第1層101とは異なる酸化物や、例えば、ウレタン系又はアクリル系の樹脂等が挙げられる。
The insulating
Here, the inorganic insulating material forming the
ただし、圧電素子300側に設けられる第1層101は、比較的水分透湿性の低い酸化物で形成されていることが好ましく、少なくとも第2層102よりも水分透湿性の低い材料で形成されていることが望ましい。これにより、水分等による圧電素子300の破壊をより効果的に防止することができる。また、第1層101の材料としては、酸化物の中でも水分透過率の極めて低い酸化アルミニウムで形成するのが好ましい。このように、第1層101の材料に酸化アルミニウムを用いることで、他の酸化物に比べて第1層101の膜厚を厚くすることなく、圧電素子200の破壊を防止することができる。
However, the
以上説明したように、本実施形態では、圧電素子200を直接保護する第1層101が無機絶縁材料からなるため、水分による圧電素子300の破壊を確実に防止することができる。具体的には、第1層101を形成する材料を樹脂等の有機絶縁材料とすると、無機絶縁材料よりも水分透過を防止することができず、水分によって圧電素子300が破壊される可能性が非常に高い。しかしながら、第1層101を無機絶縁材料で形成すると、有機絶縁材料と比べて水分透過率が極めて低いため、このような第1層101によって圧電素子300を直接保護することで、水分による圧電素子300の破壊を確実に防止することができる。
As described above, in the present embodiment, since the
また、本実施形態では、絶縁膜100を2層構造とすることにより、第1層101及び第2層102のそれぞれにピンホール等が形成された場合でも、絶縁膜100の面方向で各層のピンホールの位置が一致することはなく、水分等が絶縁膜100を透過するのをより確実に抑えることができる。さらに、圧電素子300が破壊され易い部分、すなわち、圧電体層70及び上電極膜80の外周面を2層の絶縁膜100によって覆うことにより、圧電素子300の破壊を確実に防止することができる。
In this embodiment, since the insulating
さらに、第1層101及び第2層102の材料として、ヤング率の異なる材料を用いる場合には、第1層101の材料に、ヤング率が大きい方の材料を用いるのが好ましい。すなわち、絶縁膜100の振動板側の層を比較的硬度の高い層とすることで、圧電素子300を駆動した際の振動板の変位量の低下が抑えられるからである。また、ヤング率が小さい材料ほど、透湿性が低くなる傾向にあるため、水分等による圧電素子300の破壊を防止するという面からも第1層101の材料に、ヤング率の大きい方の材料を用いることが好ましい。これらの理由から第1層101の材料としては、特に、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。
Further, when materials having different Young's moduli are used as the material of the
そして、このように絶縁膜100の第1層101を比較的ヤング率の大きい材料で形成し、第2層102をそれよりもヤング率の小さい材料で形成することで、圧電素子300の水分等による破壊を確実に防止でき、且つ圧電素子300の駆動による振動板の変位の低下を抑えることができる。
ここで、酸化アルミニウムからなる膜で圧電素子を覆い、この状態で圧電素子への通電試験を行った結果を下記表1に示す。
In this way, the
Here, the piezoelectric element is covered with a film made of aluminum oxide, and the result of conducting an energization test on the piezoelectric element in this state is shown in Table 1 below.
表1に示すように、厚さ100nmの酸化アルミニウム膜で圧電素子を覆った試験例1の場合、高湿雰囲気であっても圧電素子が破壊されることはなかった。一方、厚さ50nmの酸化アルミニウム膜で圧電素子を覆った試験例2の場合、常湿雰囲気で圧電素子が破壊されることは無かったが、高湿雰囲気(27℃85%Rh)では圧電素子が破壊されてしまった。しかしながら、厚さ50nmの酸化アルミニウム膜上に、さらにウレタン系樹脂(商品名:タッフィー/日立化成工業(株)製)からなる樹脂膜を厚さ50μm程度で形成して通電試験を行ったところ、高湿雰囲気であっても圧電素子が破壊されることはなかった。また、樹脂膜のヤング率は、酸化アルミニウム膜のヤング率よりも小さく、振動板の変位への影響は極めて小さい。したがって、試験例2の酸化アルミニウム膜上に樹脂膜を設けた構成では、試験例1の場合と同等の耐湿性を確保しつつ、圧電素子の駆動による振動板の変位量の低下が小さく抑えられる。 As shown in Table 1, in the case of Test Example 1 in which the piezoelectric element was covered with an aluminum oxide film having a thickness of 100 nm, the piezoelectric element was not broken even in a high humidity atmosphere. On the other hand, in Test Example 2 in which the piezoelectric element was covered with an aluminum oxide film having a thickness of 50 nm, the piezoelectric element was not destroyed in the normal humidity atmosphere, but in the high humidity atmosphere (27 ° C. and 85% Rh), the piezoelectric element was not damaged. Has been destroyed. However, when a resin film made of a urethane resin (trade name: Taffey / manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd.) with a thickness of about 50 μm was formed on an aluminum oxide film having a thickness of 50 nm, an energization test was performed. Even in a high humidity atmosphere, the piezoelectric element was not destroyed. Further, the Young's modulus of the resin film is smaller than the Young's modulus of the aluminum oxide film, and the influence on the displacement of the diaphragm is extremely small. Therefore, in the configuration in which the resin film is provided on the aluminum oxide film in Test Example 2, the decrease in the displacement amount of the diaphragm due to the driving of the piezoelectric element can be suppressed while securing the moisture resistance equivalent to that in Test Example 1. .
この結果からも明らかなように、圧電素子300を無機絶縁材料からなる第1層101によって直接保護するようにし、この第1層101上に第2層102を形成することにより、水分(湿気)等による圧電素子300の破壊を確実に防止することができる。また、第1層101を比較的ヤング率の大きい材料、例えば、酸化アルミニウム等で形成し、第2層102をそれよりもヤング率の小さい材料、例えば、ウレタン系樹脂等で形成することで、圧電素子300の水分による破壊を確実に防止できる共に、圧電素子300の駆動による振動板の変位の低下を抑えることができる。
また、特に第2層102の材料に樹脂を用いれば、例えば、第1層101の段差部や表面に異物が付着している場合、第2層102の材料に酸化物を用いた場合と比べて、膜厚が薄くても第1層101を確実に覆うことができるため、絶縁膜100の形成不良を防止することができるという効果もある。
As is clear from this result, the
In particular, if a resin is used for the material of the
なお、流路形成基板10の圧電素子300側の面には、圧電素子300に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保可能な圧電素子保持部31を有する保護基板30がエポキシ系の樹脂からなる接着剤35を介して接着されている。圧電素子300は、この圧電素子保持部31内に形成されているため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護されている。さらに、保護基板30には、流路形成基板10の連通部13に対応する領域にリザーバ部32が設けられている。このリザーバ部32は、本実施形態では、保護基板30を厚さ方向に貫通して圧力発生室12の並設方向に沿って設けられており、上述したように流路形成基板10の連通部13と連通されて各圧力発生室12の共通のインク室となるリザーバ110を構成している。保護基板30と流路形成基板10との接合には、エポキシ系の樹脂を用いる他に、例えば、金属接合等による接合を行ってもよい。
A
さらに、この保護基板30の圧電素子保持部31とリザーバ部32との間の領域には、保護基板30を厚さ方向に貫通する接続孔33が設けられ、この接続孔33内に上述した下電極膜60の接続部60a及びリード電極90の接続部90aが露出されている。そして、これら下電極膜60の接続部60a及びリード電極90の接続部90aに、保護基板30上に実装された駆動IC120から延設される接続配線130の一端が接続されている。
Further, a
保護基板30の材料としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等が挙げられるが、流路形成基板10の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることがより好ましく、本実施形態では、流路形成基板10と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
また、保護基板30上には、封止膜41及び固定板42とからなるコンプライアンス基板40が接合されている。封止膜41は、剛性が低く可撓性を有する材料(例えば、厚さが6μmのポリフェニレンサルファイド(PPS)フィルム)からなり、この封止膜41によってリザーバ部32の一方面が封止されている。また、固定板42は、金属等の硬質の材料(例えば、厚さが30μmのステンレス鋼(SUS)等)で形成される。この固定板42のリザーバ110に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部43となっているため、リザーバ110の一方面は可撓性を有する封止膜41のみで封止されている。
Examples of the material of the
A
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、リザーバ110からノズル開口21に至るまで内部をインクで満たした後、駆動IC120からの記録信号に従い、圧力発生室12に対応するそれぞれの下電極膜60と上電極膜80との間に電圧を印加し、弾性膜50、絶縁体膜55、下電極膜60及び圧電体層70をたわみ変形させることにより、各圧力発生室12内の圧力が高まりノズル開口21からインク滴が吐出する。
In such an ink jet recording head according to this embodiment, ink is taken in from an external ink supply unit (not shown), filled with ink from the
(実施形態2)
図3は、本発明の実施形態2に係るインクジェット式記録ヘッドの要部拡大断面図である。図4は、本発明の実施形態2に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明する要部拡大断面図である。図3及び図4に示すように、本実施形態では、流路形成基板10に接合された保護基板30Aに設けられた圧電素子保持部31Aに連通する連通孔31aを介して未硬化樹脂102aを注入し、圧電素子300に対向する領域から圧電素子保持部31A内の内面まで連続的に第2層102Aを形成した。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a main part of an ink jet recording head according to Embodiment 2 of the present invention. FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a main part for explaining a method for manufacturing an ink jet recording head according to Embodiment 2 of the present invention. As shown in FIGS. 3 and 4, in this embodiment, the
具体的には、図4に示すように、流路形成基板10の圧電素子300側の面に保護基板30Aを接着した後、保護基板30Aの連通孔31aにノズル管200を挿入すると共にこのノズル管200を介して圧電素子保持部31A内に未硬化樹脂102aとして液状のウレタン系の樹脂を所定量注入する。ここでは、例えば、圧電素子300に対向する領域から圧電素子保持部31A内の内面に接触するまで未硬化樹脂102aを注入する。この際、保護基板30Aと流路形成基板10とは接着剤35によって接着されているため、注入された未硬化樹脂102aが圧電素子保持部31Aの外に流れ出ることはない。なお、その後は、所定温度に加熱処理をすることにより、圧電素子保持部31A内の第1層101Aの面上に第2層102Aが形成される。これにより、図3に示すように、圧電素子300が第1層101A及び第2層102Aを有する絶縁膜100Aによって確実に覆われる。
Specifically, as shown in FIG. 4, after the
このように、流路形成基板10と保護基板30Aとを接合した状態で圧電素子保持部31A内に所定量の未硬化樹脂102aを注入して第2層102Aを形成することにより、第2層102Aを所定形状にパターニングしなくてもよいので、第1層101A上に第2層102Aを比較的容易に形成することができる。また、ウレタン系樹脂からなる第2層102Aは、酸化アルミニウムを用いた場合と比べて、振動板の変位に対する影響が小さい。このため、第2層102Aの厚さを高精度に制御しなくてもよいという利点がある。また、第1層101A及び第2層102Aを有する絶縁膜100Aによって圧電素子300を確実に覆うことができるため、上述した実施形態1と同様の効果を得ることができる。
In this way, the
(実施形態3)
図5は、本発明の実施形態3に係るインクジェット式記録ヘッドの要部拡大断面図である。本実施形態では、図5に示すように、絶縁膜100Bの上電極膜80に対向する部分の少なくとも一部に、第1層101Bの厚さが圧電素子300に対向する他の部分の厚さよりも薄い薄膜部400を設けた。このような構成としても、第1層101B及び第2層102Bを有する2層の絶縁膜100Bによって少なくとも圧電体層70及び上電極膜80の外周面を確実に覆うことができるため、水分(湿気)等による圧電体層70の破壊を確実に防止することができる。また、第1層101Bに薄膜部400を設けることにより、絶縁膜100Bが圧電素子300(振動板)の変位に与える影響を小さくすることができ、振動板の変位量の低下を防止できる。
(Embodiment 3)
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of a main part of an ink jet recording head according to
(実施形態4)
図6は、本発明の実施形態4に係るインクジェット式記録ヘッドの要部拡大断面図である。上述した実施形態3では、絶縁膜100Bの上電極膜80に対向する部分の少なくとも一部に薄膜部400を設けたが、本実施形態では、図6に示すように、第1層101Cの上電極膜80に対向する部分の少なくとも一部を除去して除去部500を設け、この除去部500を第2層102Cによって覆うようにした。このような構成としても、第1層101C及び第2層102Cを有する2層の絶縁膜100Cによって圧電体層70及び上電極膜80の外周面を確実に覆うことができるため、水分(湿気)等による圧電体層70の破壊を確実に防止することができる。また、絶縁膜Cに除去部500を設けることにより、絶縁膜100Cが圧電素子300(振動板)の変位に与える影響を小さくすることができ、振動板の変位量の低下を防止できる。なお、第2層102Cの膜厚は、除去部500においてその他の部分よりも比較的厚く形成されるため、この除去部分に対応する第2層102Cでの水分透過やピンホールに起因する圧電素子300の破壊は発生しない。
(Embodiment 4)
FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of a main part of an ink jet recording head according to
(他の実施形態)
以上、本発明の各実施形態を説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態1では、第1層101及び第2層102の2層からなる絶縁膜100を設けたが、これに限定されず、例えば、3層以上からなる絶縁膜を設けるようにしてもよい。
また、上述した実施形態1では、圧電素子300を保護基板30の圧電素子保持部31内に形成したが、これに限定されず、圧電素子保持部を設けなくてもよい。この場合でも、圧電素子及びリード電極の表面は、第1層及び第2層を有する絶縁膜によって覆われているため、水分(湿気)に起因する圧電素子(圧電体層)の破壊を確実に防止できる。
さらに、上述した実施形態1では、圧電素子300を構成する各層及びリード電極90のパターン領域に、下電極膜60の接続部60a及びリード電極90の接続部90aに対向する領域を除いて絶縁膜100を設けるようにしたが、これに限定されず、絶縁膜は、少なくとも圧電素子に対向する領域を覆って設けられていればよい。
(Other embodiments)
As mentioned above, although each embodiment of this invention was described, this invention is not limited to embodiment mentioned above. For example, in Embodiment 1 described above, the insulating
In Embodiment 1 described above, the
Furthermore, in the first embodiment described above, the insulating film is formed except for the layers constituting the
また、上述した実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図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。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。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上を搬送されるようになっている。
Further, the ink jet recording head of the above-described embodiment constitutes a part of a recording head unit including an ink flow path communicating with an ink cartridge or 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. As shown in FIG. 7, in the
また、上述した実施形態においては、本発明の液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを説明したが、液体噴射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。本発明は、広く液体噴射ヘッドの全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射するものにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレー、FED(面発光ディスプレー)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオchip製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。 In the above-described embodiment, the ink jet recording head has been described as an example of the liquid ejecting head of the present invention. However, the basic configuration of the liquid ejecting head is not limited to the above-described configuration. The present invention covers a wide range of liquid ejecting heads, and can naturally be applied to those ejecting liquids other than ink. Other liquid ejecting heads include, for example, various recording heads used in image recording apparatuses such as printers, color material ejecting heads used in the manufacture of color filters such as liquid crystal displays, organic EL displays, and FEDs (surface emitting displays). Examples thereof include an electrode material ejection head used for electrode formation, a bioorganic matter ejection head used for biochip production, and the like.
10 流路形成基板、 12 圧力発生室、 20 ノズルプレート、 21 ノズル開口、 30 保護基板、 31 圧電素子保持部、 32 リザーバ部、 40 コンプライアンス基板、 50 弾性膜、 55 絶縁体膜、 60 下電極膜、 70 圧電体層、 80 上電極膜、 100 絶縁膜、 101 第1層、 102 第2層、110 リザーバ、 200 ノズル管、 300 圧電素子
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記圧電素子が、無機絶縁材料からなり前記圧電素子側に形成される第1層と、該第1層とは異なる材料からなり当該第1層上に形成される第2層とを少なくとも有する絶縁膜によって覆われていることを特徴とする液体噴射ヘッド。 A flow path forming substrate in which a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for discharging droplets is formed, and a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode provided on one surface side of the flow path forming substrate via a vibration plate In a liquid ejecting head comprising the piezoelectric element,
The piezoelectric element is an insulation having at least a first layer made of an inorganic insulating material and formed on the piezoelectric element side, and a second layer made of a material different from the first layer and formed on the first layer. A liquid ejecting head, which is covered with a film.
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