JP2006272664A - Droplet ejection head and droplet ejector - Google Patents

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Naibe Regan
ナイベ レーガン
Yukihisa Koizumi
幸久 小泉
Hirofumi Nakamura
洋文 中村
Takaharu Kondo
隆晴 近藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a droplet ejection head which is equipped with a laminated-type pressure generating means capable of being made highly dense, downsized and sufficiently displaced. <P>SOLUTION: A piezoelectric material layer 22, which constitutes a piezoelectric element 20, a positive electrode layer 24A, and a negative electrode layer 24B are laminated along the face direction of a diaphragm 18. In manufacture, the layer 22 of a thin film formed by a deposition method is worked by a semiconductor process (dry etching), and conductive materials, which are alternately provided between the layers 22, are formed as a film by an electroplating method. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置に係り、詳細には、振動板上に設けられた積層型の圧力発生手段よって圧力室内の液体を加圧することによりノズルからインク滴を吐出し記録媒体に印字を行うインクジェット記録ヘッド等に適用される液滴吐出ヘッド、及び、インクジェット記録装置等に用いられる液滴吐出装置に関する。   The present invention relates to a droplet discharge head and a droplet discharge device, and more specifically, discharges ink droplets from nozzles by pressurizing a liquid in a pressure chamber by a stacked pressure generating means provided on a diaphragm. The present invention relates to a droplet discharge head applied to an inkjet recording head or the like that performs printing on a recording medium, and a droplet discharge device used in an inkjet recording apparatus or the like.

インクジェット記録ヘッドに用いられる圧電素子には、単層の圧電体層を正負電極で挟んだ構造の単層型(ベンダー型)、あるいは、圧電縦効果を利用して変位させる積層型(例えば、特許文献1参照)や、ペースト状圧電材料と導電材料(グリーンシート)とをそれぞれ層状に交互に積層して焼成した圧電板を所定の幅で切断して形成した積層型(例えば、特許文献2参照)などがある。
特開昭63−295269号公報 特開平4−1052号公報
A piezoelectric element used in an ink jet recording head may be a single layer type (bender type) having a structure in which a single piezoelectric layer is sandwiched between positive and negative electrodes, or a multilayer type that is displaced using the piezoelectric longitudinal effect (for example, patents) Reference 1), or a laminated type formed by cutting a paste-type piezoelectric material and a conductive material (green sheet) alternately and laminating each other in layers and cutting them to a predetermined width (for example, see Patent Document 2) )and so on.
JP-A 63-295269 JP-A-4-1052

しかしながら、単層型圧電素子では、圧電体層が単層構造であるため十分な変位が得られず、また、正負電極が圧電体層を挟み上下に分離して配置されるため、電極間に大きな段差を生じて各電極に接続する配線パターンの引き回しが複雑になる。   However, in a single layer type piezoelectric element, the piezoelectric layer has a single layer structure, so that sufficient displacement cannot be obtained, and the positive and negative electrodes are arranged separately above and below the piezoelectric layer, so that the gap between the electrodes is A large step is generated, and the wiring pattern connected to each electrode is complicated.

一方、従来の積層型圧電素子では、圧電体層と電極層とを交互に積層して作製しているため、接合工程が多く製造プロセスが複雑であり、高価となる。また、積層間隔が容易に狭められないため、高密度化及び小型化を実現することが困難で、この積層型圧電素子圧電素子を複数備えたインクジェット記録ヘッドではサイズが大きくなってしまう。   On the other hand, the conventional multilayer piezoelectric element is manufactured by alternately laminating piezoelectric layers and electrode layers, so that there are many joining processes, the manufacturing process is complicated, and the cost is high. In addition, since the stacking interval cannot be easily reduced, it is difficult to achieve high density and miniaturization, and the inkjet recording head including a plurality of the piezoelectric piezoelectric elements has a large size.

本発明は上記事実を考慮して、高密度化及び小型化が可能で且つ十分な変位が得られる積層型の圧力発生手段を備えた液滴吐出ヘッドを提供することを課題とする。また、また、その液滴吐出ヘッドを備えることでヘッド構成が簡素化及び小型化され低コストで十分な液滴吐出性能が得られる液滴吐出装置を提供することを課題とする。   In view of the above-described facts, an object of the present invention is to provide a droplet discharge head including a stacked pressure generating unit that can be densified and miniaturized and can obtain sufficient displacement. It is another object of the present invention to provide a liquid droplet ejection apparatus that has a liquid droplet ejection head that has a simplified and miniaturized head configuration and can provide sufficient liquid droplet ejection performance at low cost.

上記目的を達成するために請求項1に記載の発明は、振動板上に設けられた圧力発生手段によって圧力室内の液体を加圧することにより、前記圧力室と連通されたノズルから液滴を吐出する液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧力発生手段を構成する電歪材料により形成された圧電体層と導電性材料により形成された電極層とが前記振動板の面方向に沿って積層されていることを特徴としている。   In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, the liquid in the pressure chamber is pressurized by the pressure generating means provided on the diaphragm, so that the liquid droplets are ejected from the nozzle communicated with the pressure chamber. In the droplet discharge head, the piezoelectric layer formed of the electrostrictive material constituting the pressure generating means and the electrode layer formed of the conductive material are laminated along the surface direction of the diaphragm. It is characterized by.

請求項1に記載の発明では、積層型の圧力発生手段を構成する圧電体層と電極層とを振動板の面方向に沿って積層することにより、それらの各層を交互に積層しなくとも作製できるようになるため、製造プロセスが簡素化されるとともに、十分な変位が得られる圧力発生手段を一体的に形成できる。また、各層を交互に積層しないことで、積層間隔を狭め高密度化及び小型化できるようになる。   According to the first aspect of the present invention, the piezoelectric layers and the electrode layers constituting the laminated pressure generating means are laminated along the surface direction of the diaphragm, so that the respective layers are produced without being laminated alternately. As a result, the manufacturing process is simplified, and pressure generating means capable of obtaining sufficient displacement can be integrally formed. Also, by not laminating the layers alternately, the stacking interval can be narrowed to increase the density and reduce the size.

請求項2に記載の発明は、請求項1記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記電極層が備える正電極層及び負電極層が櫛歯状とされ互いに噛み合うように配置されていることを特徴としている。   According to a second aspect of the present invention, in the liquid droplet ejection head according to the first aspect, the positive electrode layer and the negative electrode layer included in the electrode layer are comb-like and arranged so as to mesh with each other. Yes.

請求項2に記載の発明では、正電極層及び負電極層を櫛歯状とし互いに噛み合うように配置することにより、圧電体層及び電極層を振動板の面方向に沿って積層する構成を実現しつつ、例えば、正電極層及び負電極層にそれぞれ電気信号を供給するために電気的に接続される各極の配線電極が同一層に容易に形成できるようになり、配線構造を簡素化することができる。   In the invention according to claim 2, the configuration in which the piezoelectric layer and the electrode layer are stacked along the surface direction of the diaphragm is realized by arranging the positive electrode layer and the negative electrode layer in a comb-like shape and meshing with each other. However, for example, the wiring electrodes of the respective electrodes that are electrically connected to supply an electric signal to the positive electrode layer and the negative electrode layer can be easily formed in the same layer, thereby simplifying the wiring structure. be able to.

請求項3に記載の発明は、請求項1記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記電極層が備える正電極層及び負電極層が帯状とされていることを特徴としている。   According to a third aspect of the present invention, in the liquid droplet ejection head according to the first aspect, the positive electrode layer and the negative electrode layer included in the electrode layer are formed in a strip shape.

請求項3に記載の発明では、正電極層及び負電極層を帯状とすることにより、積層間隔をより狭めて更なる高密度化及び小型化が可能となる。   In the invention described in claim 3, by making the positive electrode layer and the negative electrode layer into a strip shape, the stacking interval can be further narrowed to further increase the density and reduce the size.

請求項4に記載の発明は、請求項3記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記帯状の正電極層及び負電極層と前記圧電体層とが前記圧力発生手段の外周形状に沿った周回状で、且つ、圧力発生手段の内外方向に交互に積層配置されていることを特徴としている。   According to a fourth aspect of the present invention, in the liquid droplet ejection head according to the third aspect, the belt-like positive electrode layer, the negative electrode layer, and the piezoelectric layer are in a circular shape along the outer peripheral shape of the pressure generating means. And it is characterized by being alternately laminated in the inner and outer directions of the pressure generating means.

請求項4項記載の発明では、帯状の正電極層及び負電極層と圧電体層とを、圧力発生手段の外周形状に沿った周回状で、且つ、圧力発生手段の内外方向に交互に積層配置することにより、この圧力発生手段では、周回状とされた正電極層及び負電極層の略中心部から略放射状に外方へ又は内方へ変位するようになるため、より大きな変位量が得られる。   In the invention described in claim 4, the belt-like positive electrode layer, the negative electrode layer, and the piezoelectric layer are alternately laminated in a circular shape along the outer peripheral shape of the pressure generating means and in the inner and outer directions of the pressure generating means. By disposing, in this pressure generating means, the positive electrode layer and the negative electrode layer having a circular shape are displaced radially outward or inward from substantially the center of the positive electrode layer and the negative electrode layer. can get.

請求項5に記載の発明は、請求項3記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記帯状の正電極層及び負電極層が渦巻状に配置されていることを特徴としている。   According to a fifth aspect of the present invention, in the liquid droplet ejection head according to the third aspect, the belt-like positive electrode layer and the negative electrode layer are arranged in a spiral shape.

請求項5項記載の発明では、帯状の正電極層及び負電極層と圧電体層とを渦巻状に配置することにより、この圧力発生手段では、渦巻状とされた正電極層及び負電極層の略中心部から略放射状に内方へ又は外方へ変位するようになるため、より大きな変位量が得られる。   According to the fifth aspect of the present invention, the positive electrode layer and the negative electrode layer are formed in a spiral shape by arranging the belt-like positive electrode layer, the negative electrode layer, and the piezoelectric layer in a spiral shape. Therefore, a larger amount of displacement can be obtained.

請求項6に記載の発明は、請求項4又は請求項5記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧力発生手段の外形の略中心部に、前記周回状又は前記渦巻状に配置された正電極層及び負電極層の略中心部が配置されていることを特徴としている。   According to a sixth aspect of the present invention, in the liquid droplet ejection head according to the fourth or fifth aspect, the positive electrode layer disposed in the circumferential shape or the spiral shape at a substantially central portion of the outer shape of the pressure generating means. And the substantially center part of the negative electrode layer is arrange | positioned.

請求項6項記載の発明では、圧力発生手段の外形の略中心部に、周回状又は渦巻状に配置した正電極層及び負電極層の略中心部を配置することにより、この圧力発生手段では、圧力発生手段の略中心部に対し、周辺部が略均等に偏りなく内外方向へ変位するようになり、変位動作が安定する。   According to the sixth aspect of the present invention, the pressure generating means is arranged at the substantially central portion of the outer shape of the pressure generating means by arranging the substantially central portions of the positive electrode layer and the negative electrode layer arranged in a circular shape or a spiral shape. The peripheral portion of the pressure generating means is displaced inward and outward in a substantially uniform manner with respect to the substantially central portion of the pressure generating means, so that the displacement operation is stabilized.

請求項7に記載の発明は、請求項4〜請求項6の何れか1項記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧力発生手段の変位方向が4方向以上とされていることを特徴としている。   According to a seventh aspect of the present invention, in the liquid droplet ejection head according to any one of the fourth to sixth aspects, the displacement direction of the pressure generating means is four or more.

請求項7項記載の発明では、圧力発生手段を4方向以上に変位させることにより、例えば、2方向に変位させる場合に比べてより大きな変位量が得られる。   In the seventh aspect of the invention, by displacing the pressure generating means in four or more directions, for example, a larger amount of displacement can be obtained than in the case of displacing in two directions.

請求項8に記載の発明は、請求項1〜請求項7の何れか1項記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧電体層及び前記電極層が半導体プロセスにより形成されて積層構造とされていることを特徴としている。   According to an eighth aspect of the present invention, in the liquid droplet ejection head according to any one of the first to seventh aspects, the piezoelectric layer and the electrode layer are formed by a semiconductor process to form a laminated structure. It is characterized by that.

請求項8項記載の発明では、圧電体層及び電極層を、例えば薄膜、メッキ、エッチング等の半導体プロセスにより形成して積層構造とすることにより、簡単な製造方法で、十分な変位が得られる圧力発生手段を一体的に形成できる。   In the invention according to claim 8, sufficient displacement can be obtained by a simple manufacturing method by forming the piezoelectric layer and the electrode layer by a semiconductor process such as a thin film, plating, etching, etc. to form a laminated structure. The pressure generating means can be formed integrally.

請求項9に記載の発明は、請求項8記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧電体層は、前記振動板上に成膜されてから半導体プロセスにより前記電極層を設けるための層状空間が形成されることを特徴としている。   According to a ninth aspect of the present invention, in the liquid droplet ejection head according to the eighth aspect, the piezoelectric layer is formed on the diaphragm and then a layered space for providing the electrode layer is formed by a semiconductor process. It is characterized by being.

請求項9項記載の発明では、圧電体層を振動板上に成膜してから電極層を設けるための層状空間を半導体プロセスで形成することにより、このような簡単な製造工程で、一体構造の積層型圧力発生手段を作製することができる。   According to the ninth aspect of the present invention, the layered space for providing the electrode layer is formed by the semiconductor process after the piezoelectric layer is formed on the vibration plate, so that the monolithic structure can be obtained by such a simple manufacturing process. The laminated pressure generating means can be produced.

請求項10に記載の発明は、請求項1〜請求項7の何れか1項記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧電体層及び前記電極層がフォトリソプロセスを用いて積層構造に形成されていることを特徴としている。   According to a tenth aspect of the present invention, in the droplet discharge head according to any one of the first to seventh aspects, the piezoelectric layer and the electrode layer are formed in a laminated structure using a photolithography process. It is characterized by that.

請求項10項記載の発明では、圧電体層及び電極層をフォトリソプロセスを用いて積層構造に形成することにより、簡単な製造方法で、十分な変位が得られる圧力発生手段を一体的に形成できる。   In the invention described in claim 10, by forming the piezoelectric layer and the electrode layer in a laminated structure using a photolithography process, the pressure generating means capable of obtaining sufficient displacement can be integrally formed by a simple manufacturing method. .

請求項11に記載の発明は、請求項9記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧電体層は、前記振動板上にフォトリソプロセスにより形成されたフォトレジストを介して成膜されてからそのフォトレジストが除去されることにより前記電極層を設けるための層状空間が形成されることを特徴としている。   According to an eleventh aspect of the present invention, in the droplet discharge head according to the ninth aspect, the piezoelectric layer is formed on the diaphragm via a photoresist formed by a photolithography process, and then the photoresist is formed. By removing the layer, a layered space for providing the electrode layer is formed.

請求項11項記載の発明では、振動板上にフォトリソプロセスにより形成したフォトレジストを介して圧電体層を成膜し、その後にフォトレジストを除去して電極層を設けるための層状空間を形成することにより、このような簡単な製造工程で、一体構造の積層型圧力発生手段を作製することができる。   In the eleventh aspect of the present invention, a piezoelectric layer is formed on a diaphragm via a photoresist formed by a photolithography process, and thereafter, the photoresist is removed to form a layered space for providing an electrode layer. As a result, the monolithic laminated pressure generating means can be manufactured by such a simple manufacturing process.

請求項12に記載の発明は、請求項10記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記電極層は、前記振動板上にフォトリソプロセスにより形成されたフォトレジストを介して形成されてからそのフォトレジストが除去されることにより前記圧電体層を設けるための層状空間が形成されることを特徴としている。   According to a twelfth aspect of the present invention, in the droplet discharge head according to the tenth aspect, the electrode layer is formed on the diaphragm via a photoresist formed by a photolithography process, and then the photoresist is removed. Thus, a layered space for providing the piezoelectric layer is formed.

請求項12項記載の発明では、振動板上にフォトリソプロセスにより形成したフォトレジストを介して電極層を形成し、その後にフォトレジストを除去して圧電体層を設けるための層状空間を形成することにより、このような簡単な製造工程で、一体構造の積層型圧力発生手段を作製することができる。   In the twelfth aspect of the present invention, an electrode layer is formed on the diaphragm via a photoresist formed by a photolithography process, and then the photoresist is removed to form a layered space for providing a piezoelectric layer. Thus, the monolithic laminated pressure generating means can be manufactured through such a simple manufacturing process.

請求項13に記載の発明は、請求項1〜請求項12の何れか1項記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記電極層に電気信号を供給するための電極端子、及び、電極端子と電極層とを電気的に接続する配線電極が前記振動板上にそれぞれ形成されるとともに、前記配線電極と電極層とが前記圧力発生手段の下面部で接続されていることを特徴としている。   The invention according to claim 13 is the droplet discharge head according to any one of claims 1 to 12, an electrode terminal for supplying an electric signal to the electrode layer, and the electrode terminal and the electrode layer Are respectively formed on the diaphragm, and the wiring electrode and the electrode layer are connected to each other at the lower surface of the pressure generating means.

請求項13に記載の発明では、電極端子及び配線電極を振動板上に形成し、配線電極と圧力発生手段の電極層は、圧力発生手段の下面部で接続することにより、電極端子と配線電極の間、及び、配線電極と電極層との接続部において段差等が生じることはなく、電極端子の形成、配線電極の形成(引き回し)及び電極層との接続が容易となり、配線及び接続構造の簡素化と製造性の向上が図られる。   In the invention according to claim 13, the electrode terminal and the wiring electrode are formed on the diaphragm, and the electrode layer of the wiring electrode and the pressure generating means is connected to the lower surface portion of the pressure generating means, whereby the electrode terminal and the wiring electrode are connected. Between the wiring electrode and the electrode layer does not cause a step or the like, and the formation of the electrode terminal, the formation of the wiring electrode (routing) and the connection with the electrode layer are facilitated. Simplification and improvement of manufacturability are achieved.

請求項14に記載の発明は、請求項13記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記電極端子が備える正極端子及び負極端子が前記振動板上に2層に分離形成されていることを特徴としている。   According to a fourteenth aspect of the present invention, in the liquid droplet ejection head according to the thirteenth aspect, the positive electrode terminal and the negative electrode terminal included in the electrode terminal are separately formed on the diaphragm in two layers.

請求項14に記載の発明では、正極端子及び負極端子を振動板上に2層に分離して形成することにより、正極端子及び負極端子にそれぞれ電気的に接続する各配線のレイアウトが容易となる。   In the invention described in claim 14, by forming the positive electrode terminal and the negative electrode terminal in two layers on the diaphragm, the layout of each wiring electrically connected to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal is facilitated. .

請求項15に記載の発明は、請求項1〜請求項12の何れか1項記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記電極層に電気信号を供給するため電極端子が、前記圧力発生手段の側面に形成されていることを特徴としている。   According to a fifteenth aspect of the present invention, in the droplet discharge head according to any one of the first to twelfth aspects, an electrode terminal for supplying an electric signal to the electrode layer is provided on a side surface of the pressure generating unit. It is characterized by being formed.

請求項15に記載の発明では、圧力発生手段の側面に電極端子を形成することにより、例えば複数の圧力発生手段を振動板上に並列配置する場合に、電極端子の設置スペースが小さくされ各圧力発生手段を近接配置できるようになる。これにより、液滴吐出ヘッドのノズルピッチを小さくすることができる。   In the invention described in claim 15, by forming the electrode terminal on the side surface of the pressure generating means, for example, when a plurality of pressure generating means are arranged in parallel on the diaphragm, the installation space for the electrode terminals is reduced, and each pressure The generating means can be arranged close to each other. Thereby, the nozzle pitch of a droplet discharge head can be made small.

請求項16に記載の発明は、請求項1〜請求項15の何れか1項記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧力発生手段は、下面の略全面が前記振動板に面接していることを特徴としている。   According to a sixteenth aspect of the present invention, in the liquid droplet ejection head according to any one of the first to fifteenth aspects, the pressure generating means has a substantially entire lower surface in contact with the diaphragm. It is a feature.

請求項16に記載の発明では、圧力発生手段の下面の略全面を振動板に面接させることにより、下面部に段差の無いシンプルな構造にすることができる。   In the invention described in claim 16, a simple structure having no step on the lower surface portion can be obtained by bringing the entire surface of the lower surface of the pressure generating means into contact with the diaphragm.

請求項17に記載の発明は、請求項1〜請求項16の何れか1項記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧力発生手段に前記正電極層及び前記負電極層が複数組設けられ、その複数組の正電極層及び負電極層の各組にそれぞれ電気信号を供給するタイミングを変更することにより圧力発生手段の変位量を調整することを特徴としている。   According to a seventeenth aspect of the present invention, in the liquid droplet ejection head according to any one of the first to sixteenth aspects, the pressure generating means includes a plurality of sets of the positive electrode layer and the negative electrode layer, It is characterized in that the amount of displacement of the pressure generating means is adjusted by changing the timing of supplying an electric signal to each of a plurality of sets of positive electrode layers and negative electrode layers.

請求項17に記載の発明では、圧力発生手段の変位量を調整することで、ノズルから吐出する液滴の量(大きさ)を調整することが可能となる。   In the invention according to the seventeenth aspect, it is possible to adjust the amount (size) of the droplet discharged from the nozzle by adjusting the displacement amount of the pressure generating means.

請求項18に記載の発明は、請求項17記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記複数組の正電極層及び負電極層の各組が圧力発生手段の中心部側と外周部側との間で複数に分割配置されていることを特徴としている。   According to an eighteenth aspect of the present invention, in the droplet discharge head according to the seventeenth aspect, each of the plurality of sets of positive electrode layers and negative electrode layers is disposed between the central portion side and the outer peripheral portion side of the pressure generating means. It is characterized by being divided into a plurality of parts.

請求項18に記載の発明では、正電極層及び負電極層の各組を圧力発生手段の中心部側と外周部側との間で複数に分割して配置することにより、各組を個別に駆動したときの排除体積の差が大きくなり、吐出液滴量の階調幅が広くなる。   In the invention of claim 18, each set of the positive electrode layer and the negative electrode layer is divided into a plurality of parts between the central side and the outer peripheral side of the pressure generating means, whereby each set is individually provided. The difference in the excluded volume when driven increases, and the gradation width of the discharged droplet amount increases.

請求項19に記載の発明は、請求項1〜請求項18の何れか1項記載の液滴吐出ヘッドにおいて、複数の前記圧力発生手段を備え、その複数の圧力発生手段が前記振動板上におけるアクティブ領域に対応し互いに近接して配置されていることを特徴としている。   According to a nineteenth aspect of the present invention, in the liquid droplet ejection head according to any one of the first to eighteenth aspects, the plurality of pressure generating means are provided, and the plurality of pressure generating means are provided on the diaphragm. It is characterized by being arranged adjacent to each other corresponding to the active area.

請求項19に記載の発明では、複数の圧力発生手段を振動板上におけるアクティブ領域に対応し互いに近接して配置することにより、液滴吐出ヘッドのノズルピッチを小さくすることができる。   According to the nineteenth aspect of the invention, the nozzle pitch of the droplet discharge head can be reduced by disposing the plurality of pressure generating means corresponding to the active area on the diaphragm and close to each other.

請求項20に記載の発明は、請求項1〜請求項19の何れか1項記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧力発生手段は、前記電極層に替えて熱歪材料により形成された発熱体層と、前記圧電体層に替えて前記発熱体層とは異なる熱膨張係数の材料により形成された基材層と、を有することを特徴としている。   The invention according to claim 20 is the liquid droplet ejection head according to any one of claims 1 to 19, wherein the pressure generating means is a heating element formed of a thermostrictive material instead of the electrode layer. And a base material layer formed of a material having a coefficient of thermal expansion different from that of the heating element layer instead of the piezoelectric layer.

請求項20に記載の発明では、上記の電極層に替えて熱歪材料により形成された発熱体層と、上記の圧電体層に替えて発熱体層とは異なる熱膨張係数の材料により形成された基材層と、を有する熱変位型の圧力発生手段に適用した場合でも、請求項1〜請求項19と同様の作用・効果が得られる。   In the invention of claim 20, the heating element layer is formed of a heat-strain material instead of the electrode layer, and the heating element layer is formed of a material having a different thermal expansion coefficient from that of the piezoelectric layer. Even when applied to a thermal displacement type pressure generating means having a substrate layer, the same actions and effects as in claims 1 to 19 can be obtained.

請求項21に記載の発明は、請求項1〜請求項19の何れか1項記載の液滴吐出ヘッドを備えることを特徴としている。   A twenty-first aspect of the invention is characterized by including the droplet discharge head according to any one of the first to nineteenth aspects.

請求項21に記載の発明では、高密度化及び小型化が可能で且つ必要十分な変位が得られる積層型の圧力発生手段を有する液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置であれば、ヘッド構成が簡素化及び小型化され低コストで必要十分な液滴吐出性能が得られる。   In the invention according to claim 21, if the liquid droplet ejection apparatus is provided with a liquid droplet ejection head having a laminated pressure generating means capable of achieving high density and miniaturization and obtaining necessary and sufficient displacement, the head The structure is simplified and miniaturized, and necessary and sufficient droplet discharge performance can be obtained at low cost.

本発明の液滴吐出ヘッドは上記構成としたので、搭載する積層型の圧力発生手段の高密度化及び小型化が可能で且つ十分な変位が得られる。また、本発明の液滴吐出装置は上記構成としたので、搭載する液滴吐出ヘッドのヘッド構成が簡素化及び小型化され低コストで十分な液滴吐出性能が得られる。   Since the droplet discharge head according to the present invention has the above-described configuration, it is possible to increase the density and size of the stacked pressure generating means to be mounted, and to obtain sufficient displacement. Further, since the droplet discharge device of the present invention has the above-described configuration, the head configuration of the mounted droplet discharge head is simplified and miniaturized, and sufficient droplet discharge performance can be obtained at low cost.

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装置について説明する。   Hereinafter, an ink jet recording head and an ink jet recording apparatus according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
まず、図36を用いてインクジェット記録装置300の概要を説明する。なお、記録媒体は記録紙Pとして説明する。また図36では、インクジェット記録装置300における記録紙Pの搬送方向を副走査方向として矢印Sで表し、その搬送方向と直交する方向を主走査方向として矢印Mで表す。
(First embodiment)
First, the outline of the inkjet recording apparatus 300 will be described with reference to FIG. The recording medium will be described as recording paper P. In FIG. 36, the conveyance direction of the recording paper P in the inkjet recording apparatus 300 is represented by an arrow S as a sub-scanning direction, and the direction orthogonal to the conveyance direction is represented by an arrow M as a main scanning direction.

図36に示されるように、本実施形態のインクジェット記録装置300は、ブラック、イエロー、マゼンタ、シアンの各インクジェット記録ユニット330(インクジェット記録ヘッド10)を搭載するキャリッジ312を備えている。キャリッジ312は、記録紙Pの搬送方向上流側に一対のブラケット314が突設されており(図では片側のブラケット314のみを示している)、この一対のブラケット314にそれぞれ形成された円形孔には、主走査方向に架設されたシャフト320が挿通されている。   As shown in FIG. 36, the ink jet recording apparatus 300 of this embodiment includes a carriage 312 on which black, yellow, magenta, and cyan ink jet recording units 330 (the ink jet recording head 10) are mounted. The carriage 312 has a pair of brackets 314 protruding from the upstream side in the conveyance direction of the recording paper P (only one bracket 314 is shown in the figure), and circular holes formed in the pair of brackets 314 respectively. The shaft 320 erected in the main scanning direction is inserted.

キャリッジ312に対し主走査方向の両端側には、主走査機構316を構成する駆動プーリー(図示省略)と従動プーリー(図示省略)が配設されている。これらの駆動プーリーと従動プーリーとに巻回されて、主走査方向に走行するタイミングベルト322の一部がキャリッジ312に固定されている。これにより、キャリッジ312は、駆動プーリーの回転駆動によってタイミングベルト322が主走査方向に走行すると、一対のブラケット314がシャフト320にガイドされて主走査方向に往復移動する。   A driving pulley (not shown) and a driven pulley (not shown) constituting the main scanning mechanism 316 are disposed on both ends in the main scanning direction with respect to the carriage 312. A part of a timing belt 322 that is wound around the driving pulley and the driven pulley and travels in the main scanning direction is fixed to the carriage 312. Accordingly, when the timing belt 322 travels in the main scanning direction by the rotational driving of the driving pulley, the carriage 312 is reciprocated in the main scanning direction with the pair of brackets 314 being guided by the shaft 320.

インクジェット記録装置300の前側下部には、画像印刷前の記録紙Pを束状にして収納しておく給紙トレイ326が設けられている。この給紙トレイ326の上方には、上記各色のインクジェット記録ユニット330によって画像が印刷された記録紙Pが排出される排紙トレイ328が設けられている。また、キャリッジ312及びシャフト320の下方には、給紙トレイ326から1枚ずつ給紙された記録紙Pを所定のピッチで副走査方向へ搬送する搬送ローラー及び排出ローラーからなる副走査機構318が設けられている。   A paper feed tray 326 for storing recording paper P before image printing in a bundle is provided at the lower front side of the ink jet recording apparatus 300. Above the paper feed tray 326, a paper discharge tray 328 for discharging the recording paper P on which an image has been printed by the ink jet recording unit 330 for each color is provided. Also, below the carriage 312 and the shaft 320, there is a sub-scanning mechanism 318 composed of a transport roller and a discharge roller for transporting the recording paper P fed one by one from the paper feed tray 326 at a predetermined pitch in the sub-scanning direction. Is provided.

その他、このインクジェット記録装置300には、印刷時において各種設定を行うコントロールパネル324や、メンテナンスステーション(図示省略)等が設けられている。メンテナンスステーションは、キャップ部材、吸引ポンプ、ダミージェット受け、クリーニング機構等を含んで構成されており、吸引回復動作、ダミージェット動作、クリーニング動作等のメンテナンス動作を行うようになっている。   In addition, the inkjet recording apparatus 300 is provided with a control panel 324 for performing various settings during printing, a maintenance station (not shown), and the like. The maintenance station includes a cap member, a suction pump, a dummy jet receiver, a cleaning mechanism, and the like, and performs maintenance operations such as a suction recovery operation, a dummy jet operation, and a cleaning operation.

また、各色のインクジェット記録ユニット330は、図2に示されるインクジェット記録ヘッド10と、それにインクを供給するインクタンク(図示省略)とが一体に構成されたものであり、インクジェット記録ヘッド10の下面(インク吐出面)に形成された複数のノズル12(図2参照)が、記録紙Pと対向するようにキャリッジ312上に搭載されている。これにより、インクジェット記録ヘッド10が主走査機構316によって主走査方向に移動しながら、記録紙Pに対してノズル12から選択的にインク滴を吐出することにより、所定のバンド領域に対して画像データに基づく画像の一部が記録される。   Further, each color ink jet recording unit 330 is configured by integrally forming the ink jet recording head 10 shown in FIG. 2 and an ink tank (not shown) for supplying ink to the ink jet recording head 10. A plurality of nozzles 12 (see FIG. 2) formed on the ink ejection surface are mounted on the carriage 312 so as to face the recording paper P. As a result, the ink jet recording head 10 selectively ejects ink droplets from the nozzles 12 onto the recording paper P while moving in the main scanning direction by the main scanning mechanism 316, whereby image data is applied to a predetermined band region. A part of the image based on is recorded.

そして、主走査方向への1回の移動が終了すると、記録紙Pは、副走査機構318によって副走査方向に所定ピッチ搬送され、再びインクジェット記録ヘッド10(インクジェット記録ユニット330)が主走査方向(前述とは反対方向)に移動しながら、次のバンド領域に対して画像データに基づく画像の一部が記録されるようになっており、このような動作を複数回繰り返すことによって、記録紙Pに画像データに基づく全体画像がフルカラーで記録される。   When one movement in the main scanning direction is completed, the recording paper P is conveyed at a predetermined pitch in the sub scanning direction by the sub scanning mechanism 318, and the ink jet recording head 10 (ink jet recording unit 330) is again moved in the main scanning direction ( A part of the image based on the image data is recorded in the next band area while moving in the opposite direction). By repeating such an operation a plurality of times, the recording paper P The entire image based on the image data is recorded in full color.

インクジェット記録装置300は以上の構成とされており、次に、このインクジェット記録装置300に搭載されたインクジェット記録ヘッド10について詳細に説明する。   The ink jet recording apparatus 300 is configured as described above. Next, the ink jet recording head 10 mounted on the ink jet recording apparatus 300 will be described in detail.

図1には第1の実施形態に係る積層型の圧電素子20と振動板18が示されており、図2にはその圧電素子20を備えた第1の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド10が示されている。   FIG. 1 shows a laminated piezoelectric element 20 and a diaphragm 18 according to the first embodiment, and FIG. 2 shows an inkjet recording head 10 according to the first embodiment having the piezoelectric element 20. It is shown.

図2に示されるように、インクジェット記録ヘッド10は、図の下側から、ノズル12が形成されたノズルプレート14、インクプールプレート16、及び振動板18の順に積層され、各プレートが互いに接合されて構成されている。圧電素子20は振動板18の上面に積層されるとともに、インクプール17からインクが供給されノズル12と連通された圧力室19に対応して配置されている。   As shown in FIG. 2, the inkjet recording head 10 is laminated from the lower side of the drawing in the order of a nozzle plate 14 on which nozzles 12 are formed, an ink pool plate 16, and a diaphragm 18, and the plates are joined together. Configured. The piezoelectric element 20 is stacked on the upper surface of the vibration plate 18 and is disposed corresponding to the pressure chamber 19 that is supplied with ink from the ink pool 17 and communicates with the nozzle 12.

図1(A)に示されるように、圧電素子20は、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等の電歪材料により形成された圧電体層(PZT層)22と、導電性材料により形成された正電極層24A及び負電極層24Bとが振動板18の面方向に沿って略交互に積層して構成されている。また、正電極層24Aと負電極層24Bは、平面視では櫛歯状に形成され、互いに噛み合うように配置されており、本実施形態では電極層24の幅(W1)が10μm、電極層間距離(P1)が10μmとされている。なお、これらの正電極層24A及び負電極層24Bを総称する場合には電極層24と呼ぶ。   As shown in FIG. 1A, the piezoelectric element 20 is formed of a piezoelectric layer (PZT layer) 22 made of an electrostrictive material such as PZT (lead zirconate titanate) and a conductive material. The positive electrode layer 24 </ b> A and the negative electrode layer 24 </ b> B are configured by being alternately stacked along the surface direction of the diaphragm 18. Further, the positive electrode layer 24A and the negative electrode layer 24B are formed in a comb shape in a plan view and are arranged so as to mesh with each other. In the present embodiment, the width (W1) of the electrode layer 24 is 10 μm, and the distance between the electrode layers (P1) is 10 μm. The positive electrode layer 24A and the negative electrode layer 24B are collectively referred to as an electrode layer 24.

振動板18上における圧電素子20の両側方には、正極側の電極端子となる正極端子26A、及び、負極側の電極端子となる負極端子26Bがそれぞれ形成されている。なお、これらの正極端子26A及び負極端子26Bを総称する場合には電極端子26と呼ぶ。   On both sides of the piezoelectric element 20 on the vibration plate 18, a positive electrode terminal 26A serving as a positive electrode terminal and a negative terminal 26B serving as a negative electrode terminal are formed. Note that the positive terminal 26A and the negative terminal 26B are collectively referred to as an electrode terminal 26.

正極端子26Aは、振動板18上にパターン状に形成された正極側の配線電極28Aを介して圧電素子20の正電極層24Aと電気的に接続されており、負極端子26Bは、振動板18上にパターン状に形成された負極側の配線電極28Bを介して圧電素子20の負電極層24Bと電気的に接続されている。なお、これらの配線電極28A及び配線電極28Bを総称する場合には配線電極28と呼ぶ。そして、配線電極28と電極層24とは、図1(B)、(C)に示されるように、圧電素子20の下面部で接続されており、圧電素子20の下面の略全面(電極層24を除く領域)は振動板18の上面に面接している。   The positive electrode terminal 26 </ b> A is electrically connected to the positive electrode layer 24 </ b> A of the piezoelectric element 20 through a positive electrode electrode 28 </ b> A formed in a pattern on the vibration plate 18, and the negative electrode terminal 26 </ b> B is connected to the vibration plate 18. It is electrically connected to the negative electrode layer 24B of the piezoelectric element 20 via a negative electrode electrode 28B formed in a pattern on the top. Note that the wiring electrode 28A and the wiring electrode 28B are collectively referred to as the wiring electrode 28. The wiring electrode 28 and the electrode layer 24 are connected at the lower surface of the piezoelectric element 20 as shown in FIGS. 1B and 1C, and substantially the entire lower surface of the piezoelectric element 20 (electrode layer). The region excluding 24 is in contact with the upper surface of the diaphragm 18.

また、振動板18は、少なくとも表面が非導電性とされた材料によって形成されており、例えば、酸化膜等の絶縁膜を表面に被覆したステンレス板、あるいは樹脂板等によって形成されている。   The vibration plate 18 is formed of a material having at least a non-conductive surface, and is formed of, for example, a stainless plate or a resin plate that covers an insulating film such as an oxide film.

この圧電素子20及び振動板18が図2に示されるようにインクジェット記録ヘッド10に搭載された状態では、電極端子26には図示しないヘッド制御部が接続され、ヘッド制御部は、外部から入力された画像情報に応じて電気信号(駆動信号)を送信し、圧電素子20を所定のタイミングで駆動させる。これにより、圧電素子20が変位して振動板18を変形させ、圧力室19のインクが加圧されてノズル12からインク滴idが吐出される。   When the piezoelectric element 20 and the diaphragm 18 are mounted on the ink jet recording head 10 as shown in FIG. 2, a head control unit (not shown) is connected to the electrode terminal 26, and the head control unit is inputted from the outside. In response to the received image information, an electrical signal (drive signal) is transmitted to drive the piezoelectric element 20 at a predetermined timing. Thereby, the piezoelectric element 20 is displaced to deform the vibration plate 18, the ink in the pressure chamber 19 is pressurized, and the ink droplet id is ejected from the nozzle 12.

次に、本実施形態に係る積層型圧電素子20の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the multilayer piezoelectric element 20 according to this embodiment will be described.

図3(A)に示されるように、先ず、振動板18上に、Ir、Pb等で電極端子26(正極端子26A、負極端子26B)及び配線電極28(配線電極28A、28B)と、電気メッキ用のシード層を成膜した後、フォトレジストをマスクとして電極端子26及び配線電極28をドライエッチングでパターニングする。パターニング後は、電極端子26を酸化膜等の絶縁膜30で保護する。   As shown in FIG. 3A, first, the electrode terminal 26 (positive electrode terminal 26A, negative electrode terminal 26B) and the wiring electrode 28 (wiring electrodes 28A, 28B) are electrically connected to the diaphragm 18 with Ir, Pb, etc. After forming a seed layer for plating, the electrode terminal 26 and the wiring electrode 28 are patterned by dry etching using a photoresist as a mask. After patterning, the electrode terminal 26 is protected by an insulating film 30 such as an oxide film.

次に、図3(B)に示されるように、振動板18上に圧電体層22を、ゾルゲル法、スパッタ法、基相成長法、液相成長法、水熱合成法、MOCVD法、AD(エアロゾルデポジション)法等の堆積法により成膜する。成膜後は、圧電体層22上にフォトレジスト又はSi含有レジスト等の耐エッチング膜32を成膜し、フォトリソグラフィー法でエッチングマスクを形成する。   Next, as shown in FIG. 3B, the piezoelectric layer 22 is formed on the diaphragm 18 by sol-gel method, sputtering method, basic phase growth method, liquid phase growth method, hydrothermal synthesis method, MOCVD method, AD The film is formed by a deposition method such as an (aerosol deposition) method. After the film formation, an etching resistant film 32 such as a photoresist or Si-containing resist is formed on the piezoelectric layer 22, and an etching mask is formed by photolithography.

続いて、圧電体層22をドライエッチングでパターニングした後に、図3(C)に示されるように、耐エッチング膜32(エッチングマスク)を剥離する。さらに、図3(D)に示されるように、圧電体層22間に、電極層24(正電極層24A、負電極層24B)の形成材料である導電性材料を電気メッキ等により成膜する。ここで、圧電体層22の表面を平坦にする必要があれば研磨加工を行う。   Subsequently, after the piezoelectric layer 22 is patterned by dry etching, the etching resistant film 32 (etching mask) is peeled off as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 3D, a conductive material, which is a material for forming the electrode layer 24 (positive electrode layer 24A, negative electrode layer 24B), is formed between the piezoelectric layers 22 by electroplating or the like. . Here, if it is necessary to flatten the surface of the piezoelectric layer 22, polishing is performed.

次に、電極端子26の絶縁膜30を剥離する。なお、ここで絶縁膜30を剥離せず、次の工程で電極端子26の開口を行っても良い。   Next, the insulating film 30 of the electrode terminal 26 is peeled off. Here, the insulating film 30 may not be peeled off, and the electrode terminal 26 may be opened in the next step.

最後に、図3(E)に示されるように、酸化膜等の絶縁膜34を成膜し、正極端子26A、負極端子26Bの開口36A、36Bを形成すると、振動板18上に、圧電素子20と、正極端子26A、負極端子26B、及び配線電極28A、28Bが形成される。   Finally, as shown in FIG. 3E, when an insulating film 34 such as an oxide film is formed to form openings 36A and 36B of the positive terminal 26A and the negative terminal 26B, a piezoelectric element is formed on the diaphragm 18. 20, a positive electrode terminal 26A, a negative electrode terminal 26B, and wiring electrodes 28A and 28B are formed.

ここで、上記の製造方法によって作製された薄膜積層型の圧電素子と、一般的な単層型の圧電素子との変位の比較を説明する。   Here, a comparison of displacement between a thin film laminated piezoelectric element manufactured by the above manufacturing method and a general single layer piezoelectric element will be described.

図4及び図5に示される圧電素子は、上記の製造プロセスで圧電体層42と正電極層44A、負電極層44Bとが振動板18の面方向に沿って交互に積層された積層型圧電素子40であり、この積層型圧電素子40は電気信号が印加されると、積層方向(分極方向)では外方(図4(A)及び図5(A)の矢印X1方向)に歪みを生じ、積層方向と直交する方向では内方(図4(A)及び図5(A)の矢印Y1方向)に歪みを生じて、振動板18上では例えば図4(B)の2点鎖線で示すように矢印Z1方向へ変位する。   The piezoelectric element shown in FIGS. 4 and 5 is a laminated piezoelectric element in which the piezoelectric layers 42, the positive electrode layers 44A, and the negative electrode layers 44B are alternately laminated along the surface direction of the diaphragm 18 in the above manufacturing process. When the electrical signal is applied to the stacked piezoelectric element 40, the stacked piezoelectric element 40 is distorted outward (in the direction of arrow X1 in FIGS. 4A and 5A) in the stacking direction (polarization direction). In the direction perpendicular to the stacking direction, distortion occurs inward (in the direction of the arrow Y1 in FIGS. 4A and 5A), and is shown on the diaphragm 18 by, for example, a two-dot chain line in FIG. 4B. Is displaced in the direction of arrow Z1.

また、この積層型圧電素子40において、圧電体層42を幅(d)20μmで20層積層し、全幅(W1)を400μmとした場合の変位量をシミュレーションした結果、圧電素子単体では最大変位が0.106μmとなり(図5(A)参照)、厚さ10μmのNi製の振動板18に取り付けた状態では最大変位が0.066μmとなった(図5(B)参照)。   Further, in this multilayer piezoelectric element 40, as a result of simulating the amount of displacement when 20 layers of piezoelectric layers 42 are laminated with a width (d) of 20 μm and the total width (W1) is 400 μm, the maximum displacement is obtained with the piezoelectric element alone. It was 0.106 μm (see FIG. 5A), and the maximum displacement was 0.066 μm when mounted on the Ni diaphragm 18 having a thickness of 10 μm (see FIG. 5B).

図6及び図7に示される圧電素子は、単層の圧電体層52を正電極層54A及び負電極層54Bで挟んだ一般的な構成の単層型圧電素子50であり、この単層型圧電素子50は電気信号が印加されると、面方向に沿った方向(分極方向と直交する方向)では全て内方(図6(A)及び図7(A)の矢印X2/Y2方向)に歪みを生じて、振動板18上では例えば図6(B)の2点鎖線で示すように矢印Z2方向へ変位する。   The piezoelectric element shown in FIGS. 6 and 7 is a single layer type piezoelectric element 50 having a general configuration in which a single piezoelectric layer 52 is sandwiched between a positive electrode layer 54A and a negative electrode layer 54B. When an electric signal is applied to the piezoelectric element 50, the direction along the surface direction (direction orthogonal to the polarization direction) is all inward (the direction of the arrow X2 / Y2 in FIGS. 6A and 7A). Distortion occurs and the diaphragm 18 is displaced in the direction of the arrow Z2 as indicated by a two-dot chain line in FIG. 6B, for example.

また、この単層型圧電素子50において、全幅(W2)を400μmとした場合の変位をシミュレーションした結果、圧電素子単体では最大変位が0.117μmとなり(図7(A)参照)、厚さ10μmのNi製の振動板18に取り付けた状態では最大変位が0.275μmとなった(図7(B)参照)。なお、図5(B)と比較しやすくするために、図7(B)では単層型圧電素子50の変位方向を図6(B)とは逆方向に示している。   Further, as a result of simulating the displacement when the total width (W2) is 400 μm in this single-layer piezoelectric element 50, the maximum displacement is 0.117 μm in the single piezoelectric element (see FIG. 7A), and the thickness is 10 μm. The maximum displacement was 0.275 μm when attached to the Ni diaphragm 18 (see FIG. 7B). For ease of comparison with FIG. 5B, in FIG. 7B, the displacement direction of the single-layer piezoelectric element 50 is shown in the direction opposite to that in FIG. 6B.

この比較から、変位量を増やす方向(内方)と減らす方向(外方)とに歪み変形する積層型圧電素子40は、変位量を増やす方向(内方)のみに歪み変形する単層型圧電素子50に対し、圧電素子単体では同等の変位量が得られるが、振動板18に取り付けた状態では変位量が小さくなることがわかる。(例えば上記のシミュレーション結果では変位量が1/4程度)。ただし、インクジェット記録ヘッドにおいては、上記の変位量があればインクに必要十分な吐出エネルギー(圧力)を与えられるため、この積層型圧電素子40は十分に利用可能である。   From this comparison, the multilayer piezoelectric element 40 that strains and deforms in the direction of increasing (inward) and the direction of decreasing (outward) is a single-layer piezoelectric element that strains and deforms only in the direction of increasing (inward). It can be seen that, with respect to the element 50, an equivalent displacement amount can be obtained with the piezoelectric element alone, but the displacement amount becomes smaller when attached to the diaphragm 18. (For example, the amount of displacement is about ¼ in the above simulation result). However, in the ink jet recording head, if there is the above-mentioned displacement amount, the necessary and sufficient ejection energy (pressure) can be given to the ink, so that the laminated piezoelectric element 40 can be used sufficiently.

図8には、本実施形態の圧電素子20を、振動板18上にマトリックス状に配置した場合の一例が示されている。ここでは、各圧電素子20が振動板18上におけるアクティブ領域に対応し互いに近接して配置されており、正極端子26A及び負極端子26Bはそれぞれ圧電素子20の両側面に形成している。また、各圧電素子20(20A、20B、20C…)の正極端子26Aは、振動板18上に個別に配線された各アドレス線56(56A、56B、56C…)と接続され、各圧電素子20の負極端子26Bは、振動板18上に共通に配線されたGND線58と接続されている。   FIG. 8 shows an example in which the piezoelectric elements 20 of the present embodiment are arranged on the diaphragm 18 in a matrix. Here, each piezoelectric element 20 corresponds to the active region on the diaphragm 18 and is disposed close to each other, and the positive terminal 26 </ b> A and the negative terminal 26 </ b> B are formed on both side surfaces of the piezoelectric element 20. Further, the positive terminal 26A of each piezoelectric element 20 (20A, 20B, 20C...) Is connected to each address line 56 (56A, 56B, 56C...) Individually wired on the diaphragm 18, and each piezoelectric element 20 is connected. The negative electrode terminal 26 </ b> B is connected to a GND line 58 that is commonly wired on the diaphragm 18.

このように、電極端子26を側面に形成した複数の圧電素子20を振動板18上におけるアクティブ領域に対応し互いに近接して配置するとともに、圧電素子間にアドレス線56及びGND線58を引き回すことにより、電極端子26の設置スペースが小さくされ複数の圧電素子20を高密度に配置することができる。これにより、インクジェット記録ヘッド10のノズルピッチを小さくすることができて、画像の高解像度化が可能となる。   As described above, the plurality of piezoelectric elements 20 having the electrode terminals 26 formed on the side surfaces thereof are arranged in close proximity to each other corresponding to the active region on the diaphragm 18 and the address lines 56 and the GND lines 58 are routed between the piezoelectric elements. Thus, the installation space for the electrode terminals 26 can be reduced, and the plurality of piezoelectric elements 20 can be arranged with high density. Thereby, the nozzle pitch of the inkjet recording head 10 can be reduced, and the resolution of the image can be increased.

図9には、本実施形態の圧電素子20を図2とは異なる構成のインクジェット記録ヘッド60に搭載した状態が示されている。このインクジェット記録ヘッド60に、例えば上述した単層型圧電素子50を設けると、正電極層54A及び負電極層54Bが圧電体層52を挟み上下に分離して配置されるため、電極間に大きな段差を生じて各電極に接続する配線パターンの引き回しが複雑になる。これに対し、本実施形態の圧電素子20であれば、正電極層24A及び負電極層24B間に段差はないため、これらの電極層24と、駆動IC62が接続された電極層24との間の配線電極28の引き回しが容易になる。   FIG. 9 shows a state where the piezoelectric element 20 of this embodiment is mounted on an ink jet recording head 60 having a configuration different from that shown in FIG. When the above-described single-layer piezoelectric element 50 is provided in the ink jet recording head 60, for example, the positive electrode layer 54A and the negative electrode layer 54B are disposed separately above and below the piezoelectric body layer 52, so that there is a large gap between the electrodes. A step is generated, and the wiring pattern connected to each electrode is complicated. On the other hand, in the piezoelectric element 20 of the present embodiment, there is no step between the positive electrode layer 24A and the negative electrode layer 24B, and therefore, between these electrode layers 24 and the electrode layer 24 to which the driving IC 62 is connected. The wiring electrode 28 can be easily routed.

以上説明したように、本実施形態のインクジェット記録ヘッド10、60が備える圧電素子20では、圧電体層22と電極層24とを振動板18の面方向に沿って積層していることにより、製造プロセスが簡素化されるとともに、インク吐出を行うための十分な変位が得られ、また、各層を交互に積層しないことで、積層間隔を狭め高密度化及び小型化できるようになる。したがって、このインクジェット記録ヘッド10、60を備えるインクジェット記録装置300では、ヘッド構成が簡素化及び小型化され低コストで必要十分なインク吐出性能が得られる。   As described above, the piezoelectric element 20 included in the ink jet recording heads 10 and 60 of the present embodiment is manufactured by laminating the piezoelectric layer 22 and the electrode layer 24 along the surface direction of the diaphragm 18. In addition to simplifying the process, sufficient displacement for ink ejection can be obtained, and by not stacking the layers alternately, the stacking interval can be narrowed to increase the density and reduce the size. Therefore, in the ink jet recording apparatus 300 including the ink jet recording heads 10 and 60, the head configuration is simplified and miniaturized, and necessary and sufficient ink ejection performance can be obtained at low cost.

また、圧電素子20の製造においては、堆積法で成膜した薄膜の圧電体層22は半導体プロセス(ドライエッチング)で加工し、圧電体層間に交互する導電材料は電気メッキ法で成膜していることにより、簡単な製造方法で、十分な変位が得られる圧電素子20をモノリシックに形成できる。   In the manufacture of the piezoelectric element 20, the thin piezoelectric layer 22 formed by the deposition method is processed by a semiconductor process (dry etching), and the conductive material alternated between the piezoelectric layers is formed by an electroplating method. Accordingly, the piezoelectric element 20 capable of obtaining sufficient displacement can be formed monolithically by a simple manufacturing method.

また、本実施形態の圧電素子20では、製造工程の簡略化によりコストダウンが可能となり、電極間ピッチが狭ピッチ化できるため、変位が安定する。さらに、電極が圧電素子下面部の振動板18上に引き出せるため、プロセスの信頼性が向上する。   Further, in the piezoelectric element 20 of the present embodiment, the cost can be reduced by simplifying the manufacturing process, and the pitch between the electrodes can be narrowed, so that the displacement is stabilized. Furthermore, since the electrode can be pulled out on the diaphragm 18 on the lower surface of the piezoelectric element, the reliability of the process is improved.

また、本実施形態では、正電極層24A及び負電極層24Bを櫛歯状とし互いに噛み合うように配置していることにより、圧電体層22及び電極層24を振動板18の面方向と平行に積層する構成を実現しつつ、正電極層24A及び負電極層24Bにそれぞれ電気信号を供給するために電気的に接続される各極の配線電極28A、28Bが同一層に容易に形成できるようになり、配線構造を簡素化することができる。   Further, in the present embodiment, the positive electrode layer 24A and the negative electrode layer 24B are comb-shaped and arranged so as to mesh with each other, so that the piezoelectric layer 22 and the electrode layer 24 are parallel to the surface direction of the diaphragm 18. The wiring electrodes 28A and 28B of the respective electrodes that are electrically connected to supply electric signals to the positive electrode layer 24A and the negative electrode layer 24B can be easily formed in the same layer while realizing a stacked structure. Thus, the wiring structure can be simplified.

また、本実施形態では、電極端子26及び配線電極28を振動板18上に形成し、配線電極28と圧電素子20の電極層24は、圧電素子20の下面部で接続していることにより、電極端子26と配線電極28の間、及び、配線電極28と電極層24との接続部において段差等が生じることはなく、電極端子26の形成、配線電極28の形成(引き回し)及び電極層24との接続が容易となり、配線及び接続構造の簡素化と製造性の向上が図られる。   In the present embodiment, the electrode terminal 26 and the wiring electrode 28 are formed on the vibration plate 18, and the wiring electrode 28 and the electrode layer 24 of the piezoelectric element 20 are connected by the lower surface portion of the piezoelectric element 20. There is no step between the electrode terminal 26 and the wiring electrode 28 and between the wiring electrode 28 and the electrode layer 24, the formation of the electrode terminal 26, the formation (wiring) of the wiring electrode 28, and the electrode layer 24. Can be easily connected, and the wiring and connection structure can be simplified and the productivity can be improved.

また、本実施形態では、圧電素子20の下面の略全面(電極層24を除く領域)を振動板18に面接させていることにより、下面部に段差の無いシンプルな構造にすることができている。   Further, in the present embodiment, since the substantially entire lower surface of the piezoelectric element 20 (the region excluding the electrode layer 24) is in contact with the diaphragm 18, a simple structure with no step on the lower surface portion can be achieved. Yes.

(第2の実施形態)
図10には第2の実施形態に係る積層型の圧電素子110と振動板18が示されており、図11にはその圧電素子110を備えた第2の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド100が示されている。なお、このインクジェット記録ヘッド100は、圧電素子110を除く各構成部材が第1実施形態のインクジェット記録ヘッド10と同一構成である。
(Second Embodiment)
FIG. 10 shows a multilayer piezoelectric element 110 and a diaphragm 18 according to the second embodiment, and FIG. 11 shows an inkjet recording head 100 according to the second embodiment including the piezoelectric element 110. It is shown. The ink jet recording head 100 has the same configuration as that of the ink jet recording head 10 of the first embodiment except for the piezoelectric elements 110.

図10(A)〜(C)に示されるように、本実施形態の圧電素子110も、圧電体層112と、正電極層114A及び負電極層114Bとが振動板18の面方向に沿って積層して構成されているが、正負電極層は2組設けられている。また、各正負電極層は、平面視では圧電素子20の外周に沿って矩形の渦巻状に形成されており、その略中心部が圧電素子20の略中心部に配置されている。また、本実施形態も、正電極層114A、負電極層114Bの幅(W2)が10μm、電極層間距離(P2)が10μmとされている。   As shown in FIGS. 10A to 10C, the piezoelectric element 110 of the present embodiment also includes the piezoelectric layer 112, the positive electrode layer 114 </ b> A, and the negative electrode layer 114 </ b> B along the surface direction of the diaphragm 18. Although it is configured by laminating, two sets of positive and negative electrode layers are provided. Each of the positive and negative electrode layers is formed in a rectangular spiral shape along the outer periphery of the piezoelectric element 20 in plan view, and a substantially central portion thereof is disposed at a substantially central portion of the piezoelectric element 20. In this embodiment, the positive electrode layer 114A and the negative electrode layer 114B have a width (W2) of 10 μm and an electrode interlayer distance (P2) of 10 μm.

振動板18上における圧電素子110の一側方には、正極端子116A及び負極端子116Bがそれぞれ形成されており、これらの正極端子116A、負極端子116Bには、第1実施形態と同じく、振動板18上に形成されたパターン状の配線電極118A、118Bを介して、圧電素子110の正電極層114A、負電極層114Bが電気的に接続されている。また、本実施形態も、配線電極118A、118Bと正電極層114A、負電極層114Bとは、図10(B)、(C)に示されるように、圧電素子110の下面部で接続されており、圧電素子110の下面の略全面(正電極層114A、負電極層114Bを除く領域)は振動板18の上面に面接している。   A positive electrode terminal 116A and a negative electrode terminal 116B are respectively formed on one side of the piezoelectric element 110 on the vibration plate 18. The positive electrode terminal 116A and the negative electrode terminal 116B are provided with a vibration plate as in the first embodiment. The positive electrode layer 114 </ b> A and the negative electrode layer 114 </ b> B of the piezoelectric element 110 are electrically connected via the patterned wiring electrodes 118 </ b> A and 118 </ b> B formed on 18. Also in this embodiment, the wiring electrodes 118A, 118B, the positive electrode layer 114A, and the negative electrode layer 114B are connected to each other at the lower surface portion of the piezoelectric element 110 as shown in FIGS. The substantially entire lower surface of the piezoelectric element 110 (the region excluding the positive electrode layer 114A and the negative electrode layer 114B) is in contact with the upper surface of the diaphragm 18.

次に、本実施形態に係る圧電素子110の製造方法について説明する。この圧電素子110は、図12(A)〜(E)に示されるように、第1実施形態の圧電素子20と同様の工程で作製される。   Next, a method for manufacturing the piezoelectric element 110 according to this embodiment will be described. As shown in FIGS. 12A to 12E, the piezoelectric element 110 is manufactured in the same process as the piezoelectric element 20 of the first embodiment.

図12(A)に示されるように、振動板18上に、正極端子116A、負極端子116B、及び配線電極118A、118Bと、電気メッキ用のシード層を成膜した後、フォトレジストをマスクとして正極端子116A、負極端子116B、及び配線電極118A、118Bをドライエッチングでパターニングし、正極端子116A、負極端子116Bを絶縁膜30で保護する。   As shown in FIG. 12A, after the positive electrode terminal 116A, the negative electrode terminal 116B, the wiring electrodes 118A and 118B, and the seed layer for electroplating are formed on the diaphragm 18, the photoresist is used as a mask. The positive electrode terminal 116A, the negative electrode terminal 116B, and the wiring electrodes 118A and 118B are patterned by dry etching, and the positive electrode terminal 116A and the negative electrode terminal 116B are protected by the insulating film 30.

次に、図12(B)に示されるように、振動板18上に圧電体層112を堆積法により成膜し、圧電体層112上に耐エッチング膜32を成膜し、フォトリソグラフィー法でエッチングマスクを形成する。続いて、圧電体層112をドライエッチングでパターニングした後に、図12(C)に示されるように、耐エッチング膜32(エッチングマスク)を剥離し、図12(D)に示されるように、圧電体層112間に正電極層114A、負電極層114Bの形成材料である導電性材料を電気メッキ等により成膜する。ここで、圧電体層112の表面を平坦にする必要があれば研磨加工を行い、正極端子116A、負極端子116Bの絶縁膜30を剥離する。   Next, as shown in FIG. 12B, a piezoelectric layer 112 is formed on the diaphragm 18 by a deposition method, an etching resistant film 32 is formed on the piezoelectric layer 112, and a photolithography method is used. An etching mask is formed. Subsequently, after the piezoelectric layer 112 is patterned by dry etching, the etching resistant film 32 (etching mask) is peeled off as shown in FIG. 12C, and the piezoelectric layer 112 is removed as shown in FIG. A conductive material, which is a material for forming the positive electrode layer 114A and the negative electrode layer 114B, is formed between the body layers 112 by electroplating or the like. Here, if it is necessary to flatten the surface of the piezoelectric layer 112, polishing is performed, and the insulating film 30 of the positive electrode terminal 116A and the negative electrode terminal 116B is peeled off.

最後に、図12(E)に示されるように、酸化膜等の絶縁膜34を成膜し、正極端子116A、負極端子116Bの開口119A、119Bを形成すると、振動板18上に、圧電素子110と、正極端子116A、負極端子116B、及び配線電極118A、118Bが形成される。   Finally, as shown in FIG. 12E, an insulating film 34 such as an oxide film is formed, and openings 119A and 119B of the positive electrode terminal 116A and the negative electrode terminal 116B are formed. 110, a positive electrode terminal 116A, a negative electrode terminal 116B, and wiring electrodes 118A and 118B are formed.

上記の製造方法によって作製された本実施形態の薄膜積層型の圧電素子110は、電気信号が印加されると、図13に示されるように、圧電素子110の中心部が平面視ではほぼ不変で、中心部に対し周辺部がそれぞれ変位して変位方向が4方向になる(図13の上下左右方向)。また、第1実施形態で説明した積層型の圧電素子40や圧電素子20では、図14に示されるように変位方向が2方向(図14の左右方向)であるため、これらの圧電素子と比較すると、本実施形態の圧電素子110ではより大きな変位量が得られる。   When the electric signal is applied to the thin film laminated piezoelectric element 110 of the present embodiment manufactured by the above manufacturing method, the central portion of the piezoelectric element 110 is substantially unchanged in a plan view as shown in FIG. The peripheral portion is displaced with respect to the central portion, and the displacement directions become four directions (up, down, left and right directions in FIG. 13). Further, in the stacked piezoelectric element 40 and the piezoelectric element 20 described in the first embodiment, the displacement direction is two directions (left and right direction in FIG. 14) as shown in FIG. Then, a larger amount of displacement can be obtained in the piezoelectric element 110 of the present embodiment.

また、図15には、本実施形態の圧電素子110を図11とは異なる構成のインクジェット記録ヘッド120に搭載した状態が示されている。なお、このインクジェット記録ヘッド120は、圧力室19の大きさ及び圧電素子110を除く各構成部材が第1実施形態のインクジェット記録ヘッド60と同一構成である。この場合も、正電極層114A、負電極層114Bと、駆動IC62が接続された正極端子116A、負極端子116Bとの間の配線電極118A、118Bの引き回しが容易になる。   FIG. 15 shows a state in which the piezoelectric element 110 of the present embodiment is mounted on an ink jet recording head 120 having a configuration different from that in FIG. The inkjet recording head 120 has the same configuration as that of the inkjet recording head 60 of the first embodiment except for the size of the pressure chamber 19 and the constituent members except the piezoelectric element 110. Also in this case, it is easy to route the wiring electrodes 118A and 118B between the positive electrode layer 114A and the negative electrode layer 114B and the positive terminal 116A and the negative terminal 116B to which the driving IC 62 is connected.

以上説明したように、本実施形態の圧電素子110でも、第1実施形態と同様に、インク吐出を行うための十分な変位が得られるとともに、積層間隔を狭め高密度化及び小型化できるようになる。したがって、この圧電素子110を備えたインクジェット記録ヘッド100、120でも、ヘッド構成が簡素化及び小型化され低コストで必要十分なインク吐出性能が得られる。また、この圧電素子110の製造においても、堆積法で成膜した薄膜の圧電体層112は半導体プロセス(ドライエッチング)で加工し、圧電体層間に交互する導電材料は電気メッキ法で成膜していることにより、簡単な製造方法で、十分な変位が得られる圧電素子110をモノリシックに形成できる。   As described above, the piezoelectric element 110 according to the present embodiment can obtain a sufficient displacement for ejecting ink as well as the first embodiment, and can reduce the stacking interval to increase the density and reduce the size. Become. Therefore, even in the ink jet recording heads 100 and 120 including the piezoelectric element 110, the head configuration is simplified and miniaturized, and necessary and sufficient ink ejection performance can be obtained at low cost. Also in manufacturing the piezoelectric element 110, the thin piezoelectric layer 112 formed by the deposition method is processed by a semiconductor process (dry etching), and the conductive material alternated between the piezoelectric layers is formed by an electroplating method. Accordingly, the piezoelectric element 110 capable of obtaining sufficient displacement can be formed monolithically by a simple manufacturing method.

また、第1実施形態と同様に、製造工程の簡略化によるコストダウン、電極間ピッチが狭ピッチ化できることによる変位の安定性向上、電極が圧電素子下面部の振動板18上に引き出せることによるプロセスの信頼性向上、正極端子116A、負極端子116Bと配線電極118A、118Bの間、及び、配線電極118A、118Bと正電極層114A、負電極層114Bの間の接続構造の簡素化とそれに伴う製造性の向上、圧電素子110の下面部構造の簡素化などの効果が得られる。   Further, as in the first embodiment, the cost can be reduced by simplifying the manufacturing process, the stability of displacement can be improved by reducing the pitch between the electrodes, and the process by which the electrodes can be drawn on the diaphragm 18 on the lower surface of the piezoelectric element. Reliability, the simplification of the connection structure between the positive electrode terminal 116A and the negative electrode terminal 116B and the wiring electrodes 118A and 118B, and the connection between the wiring electrodes 118A and 118B and the positive electrode layer 114A and the negative electrode layer 114B, and the manufacturing associated therewith Effects such as improvement in performance and simplification of the bottom surface structure of the piezoelectric element 110 can be obtained.

さらに、本実施形態の圧電素子110では、渦巻状とされた正電極層114A、負電極層114Bの略中心部から略放射状(4方向)に内外方向へ変位するようになるため、より大きな変位量が得られる。さらに、圧電素子110の外形の略中心部に、渦巻状に配置した正電極層114A、負電極層114Bの略中心部を配置していることにより、圧電素子110の略中心部に対し、周辺部が略均等に偏りなく内外方向へ変位するようになるため、変位動作が安定する。   Further, in the piezoelectric element 110 according to the present embodiment, the positive electrode layer 114A and the negative electrode layer 114B having a spiral shape are displaced radially inward and outward from the substantially central portions of the negative electrode layer 114B. A quantity is obtained. Furthermore, the substantially central part of the positive electrode layer 114A and the negative electrode layer 114B arranged in a spiral shape is disposed at the substantially central part of the outer shape of the piezoelectric element 110, so that Since the portion is displaced in the inner and outer directions substantially without unevenness, the displacement operation is stabilized.

(第3の実施形態)
図16には第3の実施形態に係る積層型の圧電素子130と振動板18が示されている。この圧電素子130は、第2実施形態の圧電素子110と同一構成で、正極端子及び負極端子が2層構造とされた変形例である。
(Third embodiment)
FIG. 16 shows a laminated piezoelectric element 130 and a diaphragm 18 according to the third embodiment. The piezoelectric element 130 is a modified example in which the positive electrode terminal and the negative electrode terminal have a two-layer structure with the same configuration as the piezoelectric element 110 of the second embodiment.

図示のように、正極端子132Aは振動板18上に形成され、負極端子132Bは正極端子132Aよりも上層に形成されており、これらの正極端子132A及び負極端子132Bは2層に形成されている。   As illustrated, the positive terminal 132A is formed on the diaphragm 18, the negative terminal 132B is formed in an upper layer than the positive terminal 132A, and the positive terminal 132A and the negative terminal 132B are formed in two layers. .

次に、本実施形態に係る圧電素子130の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the piezoelectric element 130 according to this embodiment will be described.

図17(A)に示されるように、振動板18上に、Ir、Pb等の電極用の導電性膜を成膜した後、レジストマスクを使って正極端子132Aをドライエッチングでパターニングする。配線上に、SOG、PI等の層間絶縁膜134を塗布して正極端子132Aを開口する(開口136A)。   As shown in FIG. 17A, after a conductive film for an electrode such as Ir or Pb is formed on the vibration plate 18, the positive electrode terminal 132A is patterned by dry etching using a resist mask. On the wiring, an interlayer insulating film 134 such as SOG or PI is applied to open the positive terminal 132A (opening 136A).

次に、形成した開口136AをLPCVD等で成膜したSiO2等の絶縁膜で保護して、図17(B)に示されるように、Ir、Pb等の電極用の導電性膜を成膜した後、レジストマスクを使って負極端子132Bをドライエッチングでパターニングする。   Next, the formed opening 136A was protected by an insulating film such as SiO2 formed by LPCVD or the like, and a conductive film for an electrode such as Ir or Pb was formed as shown in FIG. Thereafter, the negative electrode terminal 132B is patterned by dry etching using a resist mask.

次に、図17(C)に示されるように、形成した正極端子132A、負極端子132Bを酸化膜等の絶縁膜136で保護し、振動板18上に圧電体層112を堆積法により成膜し、圧電体層112上に耐エッチング膜32を成膜し、フォトリソグラフィー法でエッチングマスクを形成する。続いて、圧電体層112をドライエッチングでパターニングした後に、図17(D)に示されるように、耐エッチング膜32(エッチングマスク)を剥離し、図17(E)に示されるように、圧電体層112間に正電極層114A、負電極層114Bの形成材料である導電性材料を電気メッキ等により成膜する。ここで、圧電体層112の表面を平坦にする必要があれば研磨加工を行い、正極端子132A、負極端子132Bの絶縁膜136を剥離する。   Next, as shown in FIG. 17C, the formed positive electrode terminal 132A and negative electrode terminal 132B are protected by an insulating film 136 such as an oxide film, and the piezoelectric layer 112 is formed on the diaphragm 18 by a deposition method. Then, an etching resistant film 32 is formed on the piezoelectric layer 112, and an etching mask is formed by photolithography. Subsequently, after the piezoelectric layer 112 is patterned by dry etching, the etching resistant film 32 (etching mask) is peeled off as shown in FIG. 17D, and the piezoelectric layer 112 is removed as shown in FIG. A conductive material, which is a material for forming the positive electrode layer 114A and the negative electrode layer 114B, is formed between the body layers 112 by electroplating or the like. Here, if it is necessary to flatten the surface of the piezoelectric layer 112, polishing is performed, and the insulating film 136 of the positive electrode terminal 132A and the negative electrode terminal 132B is peeled off.

最後に、図17(F)に示されるように、酸化膜等の絶縁膜(保護膜)34を成膜し、圧電素子130のところのみ絶縁膜34を残す。   Finally, as shown in FIG. 17F, an insulating film (protective film) 34 such as an oxide film is formed, and the insulating film 34 is left only at the piezoelectric element 130.

以上のプロセスにより、本実施形態の圧電素子130及び2層構造の正極端子132A及び負極端子132Bが作製される。そして本実施形態の構成では、正極端子132A及び負極端子132Bを振動板18上に2層に分離して形成していることにより、正極端子132A、負極端子132Bにそれぞれ接続する各配線のレイアウトが容易となる。   Through the above process, the piezoelectric element 130 of this embodiment and the positive electrode terminal 132A and the negative electrode terminal 132B having a two-layer structure are manufactured. In the configuration of the present embodiment, the positive electrode terminal 132A and the negative electrode terminal 132B are separately formed on the diaphragm 18 in two layers, so that the layout of each wiring connected to the positive electrode terminal 132A and the negative electrode terminal 132B can be made. It becomes easy.

(第4の実施形態)
第4の実施形態では、第3の実施形態の構成において、高画質化と高速化を両立するための有効な手段として用いられる、インク滴のサイズを変えるいわゆる「ドロップ変調」行う場合について説明する。
(Fourth embodiment)
In the fourth embodiment, a case where so-called “drop modulation” for changing the size of ink droplets, which is used as an effective means for achieving both high image quality and high speed in the configuration of the third embodiment, will be described. .

本実施形態では、図18に示されるように、圧電素子130に2組設けられた正電極層114A、負電極層114Bにおいて、圧電素子130の内部側に配置された正負電極層の組を(1)組、外部側に配置された正負電極層の組を(2)組とし、図19に示されるように、組毎に、信号発生器140A、140B、増幅器142A、142B、回路スイッチ144A、144Bを設けている。また、回路スイッチ144A、144Bは、制御器146によって、それぞれON/OFFが切り替えられる。ここで、制御器146が回路スイッチ144A、144BをON/OFF制御することにより、(1)組の正電極層114A、負電極層114B、及び、(2)組の正電極層114A、負電極層114Bに電気信号がそれぞれ供給され、各組に対応する圧電素子(圧電体層112)が個別に変位可能となる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 18, in the positive electrode layer 114 </ b> A and the negative electrode layer 114 </ b> B provided in two sets on the piezoelectric element 130, a set of positive and negative electrode layers arranged on the inner side of the piezoelectric element 130 ( 1) A set of positive and negative electrode layers arranged on the outside side is set as (2) set, and as shown in FIG. 19, signal generators 140A and 140B, amplifiers 142A and 142B, circuit switch 144A, 144B is provided. The circuit switches 144A and 144B are switched ON / OFF by the controller 146, respectively. Here, the controller 146 performs ON / OFF control of the circuit switches 144A and 144B, whereby (1) a set of positive electrode layers 114A and a negative electrode layer 114B and (2) a set of positive electrode layers 114A and a negative electrode. Electric signals are respectively supplied to the layers 114B, and the piezoelectric elements (piezoelectric layers 112) corresponding to the respective groups can be individually displaced.

図20に、各組の正電極層114A、負電極層114Bに電気信号を供給した場合の、圧電素子130の変位を示す。(1)組の正電極層114A、負電極層114Bのみに電気信号を供給した場合には、図の点線で示されるように、圧電素子130の中心部付近が小さく変位し、ノズル12から吐出されるインク滴(インクドロップ)idは小さくなる。また、(2)組の正電極層114A、負電極層114Bのみに電気信号を供給した場合には、図の一点鎖線で示されるように、圧電素子130のほぼ全体が平均的に小さく変位し、インク滴idの大きさは中程度となる。また、(1)及び(2)組の正電極層114A、負電極層114Bに同時に電気信号を供給した場合には、図の実線で示されるように、圧電素子130の中心部付近が大きく変位し、インク滴idは大きくなる。   FIG. 20 shows the displacement of the piezoelectric element 130 when an electric signal is supplied to each pair of the positive electrode layer 114A and the negative electrode layer 114B. (1) When an electric signal is supplied only to the pair of positive electrode layer 114A and negative electrode layer 114B, the vicinity of the central portion of the piezoelectric element 130 is slightly displaced and discharged from the nozzle 12 as shown by the dotted line in the figure. The ink drop id is smaller. In addition, when an electric signal is supplied only to (2) the pair of positive electrode layer 114A and negative electrode layer 114B, almost the entire piezoelectric element 130 is displaced by a small average on average, as shown by a one-dot chain line in the figure. The ink droplet id has a medium size. Further, when electric signals are supplied simultaneously to the positive electrode layer 114A and the negative electrode layer 114B in the (1) and (2) sets, as shown by the solid line in the figure, the vicinity of the center of the piezoelectric element 130 is greatly displaced. However, the ink droplet id increases.

このように、本実施形態では、圧電素子130による圧力室19の加圧状態が3種類に切り替えられて、インク滴のサイズが3段階に調整されるため(ドロップ変調)、高画質化と高速化の両立を図ることが可能となる。また、ここでは、正電極層114A及び負電極層114Bの(1)組を圧電素子130の中心部側に、(2)組を圧電素子130の外周部側に分割して配置していることにより、各組を個別に駆動したときの排除体積の差が大きくなり、ドロップ量の階調幅が広くなる。   As described above, in this embodiment, the pressure state of the pressure chamber 19 by the piezoelectric element 130 is switched to three types, and the ink droplet size is adjusted in three stages (drop modulation). It is possible to achieve compatibility. In addition, here, the (1) set of the positive electrode layer 114A and the negative electrode layer 114B is divided and arranged on the center side of the piezoelectric element 130, and the (2) set is divided on the outer peripheral side of the piezoelectric element 130. As a result, the difference in excluded volume when each set is driven individually is increased, and the gradation width of the drop amount is increased.

次に、第5〜第9の実施形態で、上述した積層型圧電素子の製造方法の変形例を説明する。   Next, modified examples of the manufacturing method of the multilayer piezoelectric element described above in the fifth to ninth embodiments will be described.

(第5の実施形態)
第5の実施形態に係る製造方法では、図21(A)に示されるように、先ず、振動板18上に、STOなどの配向制御層151を形成する。
(Fifth embodiment)
In the manufacturing method according to the fifth embodiment, as shown in FIG. 21A, first, an orientation control layer 151 such as STO is formed on the diaphragm 18.

次に、図21(B)、(B´)に示されるように、正極側及び負極側の配線電極152A、152Bをパターニングして絶縁層を被覆し、図21(C)に示されるように、フォトレジスト154による凸部を形成する。続いて、図21(D)に示されるように、圧電体層156を成膜(ゾル-ゲル)して焼成し、図21(E)に示されるように、圧電体層156のパターニングとフォトレジスト154(凸部)の除去を行う。またここで、場合により研摩を行う。   Next, as shown in FIGS. 21B and 21B ', the wiring electrodes 152A and 152B on the positive electrode side and the negative electrode side are patterned to cover the insulating layer, and as shown in FIG. 21C. Then, a convex portion by the photoresist 154 is formed. Subsequently, as shown in FIG. 21D, the piezoelectric layer 156 is formed (sol-gel) and baked, and as shown in FIG. 21E, patterning and photo processing of the piezoelectric layer 156 are performed. The resist 154 (convex portion) is removed. Also, here, polishing is performed if necessary.

次に、図22(A)に示されるように、マスク158を用いて電気メッキ用のシード層160を形成する。さらに、図22(B)に示されるように、圧電体層156間に、導電性材料のペーストを充填して焼成する、あるいは、電鋳、メッキ等を用いて電極162を埋め込み形成する。そして、図22(C)、(C´)に示されるように、研磨を行うことで薄膜積層型の圧電素子150が完成する。   Next, as shown in FIG. 22A, a seed layer 160 for electroplating is formed using a mask 158. Further, as shown in FIG. 22B, a conductive material paste is filled between the piezoelectric layers 156 and fired, or electrodes 162 are embedded by electroforming, plating, or the like. Then, as shown in FIGS. 22C and 22C, polishing is performed to complete the thin film stacked piezoelectric element 150.

このように、圧電体層及び電極層をフォトリソプロセスを用いて積層構造に形成する方法によっても、簡単な工程で、十分な変位が得られるとともに高密度化及び小型化が可能な圧電素子150を一体的に形成することができる。   As described above, the piezoelectric element 150 can be obtained with sufficient displacement and high density and miniaturization by a simple process even by the method of forming the piezoelectric layer and the electrode layer in a laminated structure using a photolithography process. It can be formed integrally.

(第6の実施形態)
第6の実施形態に係る製造方法では、図23(A)、(B)、(B´)工程は、図21(A)、(B)、(B´)工程と同じであり、続く工程で、図23(C)に示されるように、フォトレジスト164を形成してパターニングを行う。次に、図23(D)に示されるように、電気メッキ用のシード層160を形成し、図23(E)に示されるように、フォトレジスト164間に、ペースト充填後に焼成する、あるいは、電鋳、メッキ等を用いて電極162を埋め込む。さらに、図24(A)に示されるように、フォトレジスト164を除去し、図24(B)に示されるように、デポジション法(スパッタ、ゾルゲル、AD等)で圧電体層156を形成する。最後に、図24(C)、(C´)に示されるように、研磨を行うことで薄膜積層型の圧電素子170が完成する。
(Sixth embodiment)
In the manufacturing method according to the sixth embodiment, steps (A), (B), and (B ′) in FIG. 23 are the same as steps (A), (B), and (B ′) in FIG. Then, as shown in FIG. 23C, a photoresist 164 is formed and patterned. Next, as shown in FIG. 23 (D), a seed layer 160 for electroplating is formed and, as shown in FIG. 23 (E), baking is performed after filling the paste between the photoresists 164, or The electrode 162 is embedded using electroforming, plating, or the like. Further, as shown in FIG. 24A, the photoresist 164 is removed, and as shown in FIG. 24B, a piezoelectric layer 156 is formed by a deposition method (sputtering, sol-gel, AD, etc.). . Finally, as shown in FIGS. 24C and 24C, polishing is performed to complete the thin film stacked piezoelectric element 170.

このように、本実施形態のフォトリソプロセスを用いた製造方法によっても、簡単な工程で、十分な変位が得られるとともに高密度化及び小型化が可能な圧電素子170を一体的に形成することができる。   As described above, the manufacturing method using the photolithographic process according to the present embodiment can integrally form the piezoelectric element 170 capable of obtaining sufficient displacement and high density and miniaturization in a simple process. it can.

(第7の実施形態)
第7の実施形態に係る製造方法では、図25(A)、(B)、(B´)工程は、図21(A)、(B)、(B´)工程と同じであり、続く工程で、図25(C)に示されるように、フォトレジスト172の形成による内部電極構成部のパターン化を行い、図25(D)に示されるように、圧電体層156を成膜(スパッタ)する。次に、図25(E)に示されるように、フォトレジスト172を除去し、図26(A)に示されるように、マスク174を用いてメッキ用のシード層160を形成し、図26(B)に示されるように、電極162を埋め込む。最後に、図26(C)、(C´)に示されるように、研磨を行うことで薄膜積層型の圧電素子180が完成する。
(Seventh embodiment)
In the manufacturing method according to the seventh embodiment, steps (A), (B), (B ′) in FIG. 25 are the same as steps (A), (B), (B ′) in FIG. Then, as shown in FIG. 25C, the internal electrode constituent portion is patterned by forming a photoresist 172, and as shown in FIG. 25D, the piezoelectric layer 156 is formed (sputtering). To do. Next, as shown in FIG. 25E, the photoresist 172 is removed, and as shown in FIG. 26A, a seed layer 160 for plating is formed using a mask 174, and FIG. As shown in B), the electrode 162 is embedded. Finally, as shown in FIGS. 26C and 26C, polishing is performed to complete the thin film stacked piezoelectric element 180.

このように、本実施形態のフォトリソプロセスを用いた製造方法によっても、簡単な工程で、十分な変位が得られるとともに高密度化及び小型化が可能な圧電素子180を一体的に形成することができる。   As described above, the manufacturing method using the photolithographic process of the present embodiment can integrally form the piezoelectric element 180 that can obtain sufficient displacement and can be densified and miniaturized by a simple process. it can.

(第8の実施形態)
第8の実施形態に係る製造方法では、図27(A)に示されるように、振動板18(Si基板)上にバリア層182を形成してから、配向制御層151を形成する。続く図27(B)、(B´)〜図28(C)、(C´)工程は、図21(B)、(B´)〜図22(C)、(C´)工程と同じであり、これにより、バリア層180が設けられた薄膜積層型の圧電素子190が作製される。本実施形態の製造方法では、振動板18上にバリア層182を設けていることにより、圧電体層156を焼成する際の振動板18への熱拡散が防止される。
(Eighth embodiment)
In the manufacturing method according to the eighth embodiment, as shown in FIG. 27A, the orientation control layer 151 is formed after the barrier layer 182 is formed on the vibration plate 18 (Si substrate). The subsequent steps of FIGS. 27 (B), (B ′) to FIG. 28 (C), (C ′) are the same as the steps of FIG. 21 (B), (B ′) to FIG. 22 (C), (C ′). Thus, the thin film laminated piezoelectric element 190 provided with the barrier layer 180 is manufactured. In the manufacturing method of the present embodiment, the barrier layer 182 is provided on the vibration plate 18, thereby preventing thermal diffusion to the vibration plate 18 when the piezoelectric layer 156 is fired.

(第9の実施形態)
第9の実施形態に係る製造方法では、図29(A)、(A´)に示されるように、先ず、振動板18上に配線電極192A、192Bをパターニングし、図29(B)、(B´)に示されるように、ストッパ層194及び配向制御層151を成膜する。次に、図29(C)、(C´)に示されるように、配向制御層151のパターンを形成し、図29(D)、(D´)に示されるように、フォトレジスト196により電極198Aのパターンを形成する。次に、図30(A)、(A´)に示されるように、電極198Aを埋め込み、図30(B)、(B´)に示されるように、フォトレジスト196を除去する。次に、図30(C)、(C´)に示されるように、デポジション法で圧電体層156を形成し、図31(A)、(A´)に示されるように、研磨後にストッパ層200を成膜して電極198Bのパターンを形成する。さらに、図31(B)、(B´)に示されるように、圧電体層156をエッチングし、図31(C)、(C´)に示されるように、電極198Bを埋め込み形成し、研磨を行うと図32に示されるような薄膜積層型の圧電素子210が完成する。
(Ninth embodiment)
In the manufacturing method according to the ninth embodiment, as shown in FIGS. 29A and 29A, first, the wiring electrodes 192A and 192B are patterned on the diaphragm 18, and FIGS. B ′), a stopper layer 194 and an orientation control layer 151 are formed. Next, as shown in FIGS. 29 (C) and (C ′), a pattern of the orientation control layer 151 is formed, and as shown in FIGS. 29 (D) and (D ′), an electrode is formed by a photoresist 196. A pattern of 198A is formed. Next, as shown in FIGS. 30A and 30A, an electrode 198A is embedded, and as shown in FIGS. 30B and 30B, the photoresist 196 is removed. Next, as shown in FIGS. 30C and 30C, a piezoelectric layer 156 is formed by a deposition method, and as shown in FIGS. 31A and 31A, a stopper after polishing is formed. Layer 200 is deposited to form the pattern of electrode 198B. Further, as shown in FIGS. 31B and 31B, the piezoelectric layer 156 is etched, and as shown in FIGS. 31C and 31C, an electrode 198B is embedded and polished. Then, a thin film laminated piezoelectric element 210 as shown in FIG. 32 is completed.

このように、本実施形態のフォトリソプロセスを用いた製造方法によっても、簡単な工程で、十分な変位が得られるとともに高密度化及び小型化が可能な圧電素子210を一体的に形成することができる。   As described above, the manufacturing method using the photolithographic process according to the present embodiment can integrally form the piezoelectric element 210 that can obtain sufficient displacement and can be densified and miniaturized in a simple process. it can.

(第10の実施形態)
第10の実施形態は、第1〜第9の実施形態で説明したような圧電型の圧力発生手段(圧電素子)ではなく、発熱体を用いた熱変位型の圧力発生手段に本発明を適用した変形例であり、以下、第10の実施形態に係る圧力発生手段の構成について説明する。
(Tenth embodiment)
In the tenth embodiment, the present invention is applied not to the piezoelectric pressure generating means (piezoelectric element) as described in the first to ninth embodiments but to the thermal displacement type pressure generating means using a heating element. Hereinafter, the configuration of the pressure generating means according to the tenth embodiment will be described.

図34(A)〜(C)には第10の実施形態に係る熱変位型の圧力発生素子220が示されている。この圧力発生素子220は、第1実施形態で説明した圧電素子20の形状をベースに形成されたものであり(図1参照)、電極層24に替えて熱歪材料により形成された発熱体層224と、圧電体層22に替えて発熱体層224とは異なる熱膨張係数(低熱膨張係数)の材料により形成された基材層222と、を備えており、それらの発熱体層224と基材層222とが振動板18の面方向に沿って略交互に積層して構成されている。また、発熱体層224は図34(A)に示されるように平面視では帯状(直線状)に形成されるとともに、図34(B)に示されるように振動板18上にパターン状に形成された配線電極28C上に設けられて配線電極28Cと電気的に接続されている。なお、本実施形態では発熱体層224の幅(W3)が5μm以下とされ、発熱体層間距離(P3)が10μm以下とされている。また、発熱体層224には例えばタンタル、ニッケル合金、クロム等の金属材料を使用することができ、基材層222には例えばガラス材料(蒸着)、ポリマー系材料、ポリイミド系樹脂材料、エポキシ系樹脂材料、酸化膜等の発熱体層224とは熱膨張係数が異なり(低熱膨張係数)、且つ、添加物と作製プロセスが異なる材料を使用することができる。   FIGS. 34A to 34C show a thermal displacement type pressure generating element 220 according to the tenth embodiment. The pressure generating element 220 is formed based on the shape of the piezoelectric element 20 described in the first embodiment (see FIG. 1), and is a heating element layer formed of a thermostrictive material instead of the electrode layer 24. 224 and a base material layer 222 formed of a material having a different thermal expansion coefficient (low thermal expansion coefficient) from that of the heating element layer 224 instead of the piezoelectric layer 22, and the heating element layer 224 and the base layer 222. The material layers 222 are configured by being alternately stacked along the surface direction of the diaphragm 18. In addition, the heating element layer 224 is formed in a band shape (linear shape) in a plan view as shown in FIG. 34A, and is formed in a pattern on the diaphragm 18 as shown in FIG. The wiring electrode 28C is provided and electrically connected to the wiring electrode 28C. In this embodiment, the width (W3) of the heating element layer 224 is set to 5 μm or less, and the heating element interlayer distance (P3) is set to 10 μm or less. In addition, a metal material such as tantalum, nickel alloy, or chromium can be used for the heating element layer 224, and a glass material (evaporation), a polymer material, a polyimide resin material, an epoxy material, for example, can be used for the base material layer 222. A material having a different thermal expansion coefficient (low thermal expansion coefficient) from the heating element layer 224 such as a resin material or an oxide film, and a manufacturing process different from that of the additive can be used.

配線電極28Cの両端部には、正極端子26Aに繋がれた配線電極28Aと、負極端子26Bに繋がれた配線電極28Bとがそれぞれ接続されている。また、本実施形態も、配線電極28Cと発熱体層224とは、図33(B)に示されるように、圧力発生素子220の下面部で接続されており、圧力発生素子220の下面の略全面(発熱体層224を除く領域)は振動板18の上面に面接している。   A wiring electrode 28A connected to the positive terminal 26A and a wiring electrode 28B connected to the negative terminal 26B are connected to both ends of the wiring electrode 28C, respectively. Also in this embodiment, the wiring electrode 28C and the heating element layer 224 are connected to each other at the lower surface portion of the pressure generating element 220 as shown in FIG. The entire surface (region excluding the heating element layer 224) is in contact with the upper surface of the diaphragm 18.

次に、本実施形態に係る圧力発生素子220の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the pressure generating element 220 according to this embodiment will be described.

図34(A)に示されるように、先ず、振動板18上に、Ir、Pb等で正極端子26A、負極端子26B、及び配線電極28A、28B、28Cと(配線電極28A、28Bは不図示)を成膜した後、フォトレジストをマスクとしてそれらをドライエッチングでパターニングする。パターニング後は、正極端子26A、負極端子26Bを酸化膜等の絶縁膜30で保護する。   As shown in FIG. 34A, first, the positive electrode terminal 26A, the negative electrode terminal 26B, and the wiring electrodes 28A, 28B, and 28C and the wiring electrodes 28A, 28B, and 28C are not shown on the diaphragm 18 with Ir, Pb, or the like. ) Are then patterned by dry etching using a photoresist as a mask. After patterning, the positive electrode terminal 26A and the negative electrode terminal 26B are protected by an insulating film 30 such as an oxide film.

次に、図34(B)に示されるように、振動板18上に基材層222の形成材料を、塗布、デポジション法、蒸着法等により成膜する。成膜後は、基材層222上にフォトレジスト又はSi含有レジスト等の耐エッチング膜226を成膜し、フォトリソグラフィー法でエッチングマスクを形成する。   Next, as shown in FIG. 34B, a material for forming the base material layer 222 is formed on the vibration plate 18 by coating, a deposition method, a vapor deposition method, or the like. After the film formation, an etching resistant film 226 such as a photoresist or a Si-containing resist is formed on the base material layer 222, and an etching mask is formed by a photolithography method.

続いて、基材層222をドライエッチングでパターニングした後に、図34(C)に示されるように、耐エッチング膜226(エッチングマスク)を剥離する。さらに、図34(D)に示されるように、基材層222間に、発熱体層224の形成材料であるタンタル、ニッケル合金、クロム等の金属材料をデポジション法、蒸着法、スパッタ法等により成膜する。ここで、発熱体層224の表面を平坦にする必要があれば研磨加工を行う。   Subsequently, after patterning the base material layer 222 by dry etching, the etching resistant film 226 (etching mask) is peeled off as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 34D, a metal material such as tantalum, nickel alloy, or chromium, which is a material for forming the heating element layer 224, is formed between the base material layers 222 by a deposition method, a vapor deposition method, a sputtering method, or the like. The film is formed by Here, if it is necessary to flatten the surface of the heating element layer 224, polishing is performed.

次に、正極端子26A、負極端子26Bの絶縁膜30を剥離する。なお、ここで絶縁膜30を剥離せず、次の工程で正極端子26A、負極端子26Bの開口を行っても良い。   Next, the insulating film 30 of the positive electrode terminal 26A and the negative electrode terminal 26B is peeled off. Here, the insulating film 30 may not be peeled, and the positive electrode terminal 26A and the negative electrode terminal 26B may be opened in the next step.

最後に、図34(E)に示されるように、酸化膜等の絶縁膜(保護膜)34を成膜し、正極端子26A、負極端子26Bの開口36A、36Bを形成すると、振動板18上に、圧力発生素子220と、正極端子26A、負極端子26B、及び配線電極28A、28B、28Cが形成される。   Finally, as shown in FIG. 34E, an insulating film (protective film) 34 such as an oxide film is formed to form openings 36A and 36B for the positive terminal 26A and the negative terminal 26B. In addition, the pressure generating element 220, the positive terminal 26A, the negative terminal 26B, and the wiring electrodes 28A, 28B, and 28C are formed.

以上により、この圧力発生素子220がインクジェット記録ヘッドに搭載されて正極端子26A及び負極端子26Bにヘッド制御部が接続され、ヘッド制御部から圧力発生素子220に電気信号(駆動信号)が印加/停止されると、発熱体層224が高温/常温となって基材層222よりも大きく歪み、図35に示されるように、積層方向(図35の矢印X3方向)に歪みを生じて、振動板18上では例えば図35の2点鎖線で示すように矢印Z3方向へ変位する。また、この圧力発生素子220は、発熱体層224が高温になると平板状に保たれ、常温になると変位するように構成されている。そして、この圧力発生素子220の変位によって振動板18が変形し、圧力室のインクが加圧されてインクジェット記録ヘッドのノズルからインク滴が吐出される。   As described above, the pressure generating element 220 is mounted on the ink jet recording head, the head control unit is connected to the positive terminal 26A and the negative terminal 26B, and an electric signal (driving signal) is applied / stopped from the head control unit to the pressure generating element 220. Then, the heating element layer 224 becomes high temperature / normal temperature and is distorted more than the base material layer 222, and as shown in FIG. 35, distortion occurs in the stacking direction (arrow X3 direction in FIG. 35). 18 is displaced in the direction of arrow Z3 as indicated by a two-dot chain line in FIG. Further, the pressure generating element 220 is configured to be maintained in a flat plate shape when the heating element layer 224 becomes high temperature and to be displaced when the temperature becomes normal temperature. The vibration plate 18 is deformed by the displacement of the pressure generating element 220, the ink in the pressure chamber is pressurized, and ink droplets are ejected from the nozzles of the ink jet recording head.

以上説明したように、本実施形態の圧力発生素子220においても、第1実施形態と同様に、インク吐出を行うための十分な変位が得られるとともに、積層間隔を狭め高密度化及び小型化できるようになる。したがって、この圧力発生素子220を備えたインクジェット記録ヘッドの場合も、ヘッド構成が簡素化及び小型化され低コストで必要十分なインク吐出性能が得られる。また、この圧力発生素子220の製造においても、堆積法で成膜した基材層222を半導体プロセス(ドライエッチング)で加工し、基材層間に交互する薄膜の発熱体層224を半導体プロセスで成膜していることにより、簡単な製造方法で、十分な変位が得られる圧力発生素子220をモノリシックに形成できる。   As described above, in the pressure generating element 220 of the present embodiment as well, as in the first embodiment, sufficient displacement for ink ejection can be obtained, and the stacking interval can be narrowed to increase the density and reduce the size. It becomes like this. Therefore, in the case of an ink jet recording head provided with this pressure generating element 220, the head configuration is simplified and miniaturized, and necessary and sufficient ink ejection performance can be obtained at low cost. Also in the production of the pressure generating element 220, the base material layer 222 formed by the deposition method is processed by a semiconductor process (dry etching), and thin heating element layers 224 alternately formed between the base material layers are formed by the semiconductor process. By forming the film, the pressure generating element 220 capable of obtaining sufficient displacement can be formed monolithically by a simple manufacturing method.

また、第1実施形態と同様に、製造工程の簡略化によるコストダウン、電極間ピッチが狭ピッチ化できることによる変位の安定性向上、電極が圧電素子下面部の振動板18上に引き出せることによるプロセスの信頼性向上、正極端子26A、負極端子26Bと配線電極28A、28Bの間、配線電極28A、28Bと配線電極28Cの間、及び、配線電極28Cと発熱体層224の間の接続構造の簡素化とそれに伴う製造性の向上、圧力発生素子220の下面部構造の簡素化などの効果が得られる。このように、本発明による薄膜積層型の圧力発生手段は、電歪材料を用いた圧電型に限らず、熱歪材料を用いた熱変位型など、エネルギーの印加によって歪みを生じる材料を用いたものであれば利用可能である。   Further, as in the first embodiment, the cost can be reduced by simplifying the manufacturing process, the stability of displacement can be improved by reducing the pitch between the electrodes, and the process by which the electrodes can be drawn on the diaphragm 18 on the lower surface of the piezoelectric element. Reliability, and a simple connection structure between the positive electrode terminal 26A, the negative electrode terminal 26B and the wiring electrodes 28A and 28B, between the wiring electrodes 28A and 28B and the wiring electrode 28C, and between the wiring electrode 28C and the heating element layer 224. As a result, it is possible to obtain the effects such as the improvement of manufacturability and the accompanying improvement in manufacturability and the simplification of the lower surface structure of the pressure generating element 220. As described above, the pressure generating means of the thin film stack type according to the present invention is not limited to the piezoelectric type using the electrostrictive material, but uses a material that generates strain by applying energy, such as a thermal displacement type using the thermostrictive material. Anything can be used.

以上、本発明を上述した第1〜第10の実施形態により詳細に説明したが、本発明はそれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の形態が実施可能である。   As mentioned above, although the present invention was explained in detail by the 1st-10th embodiment mentioned above, the present invention is not limited to those embodiments, and other various forms are within the scope of the present invention. It can be implemented.

例えば、第1〜第9の実施形態で説明した圧電素子では、圧電体層を形成する電歪材料として、例えばゾルゲル法による成膜及びドライエッチングによるパターニングが可能なSBT(Strontium Bismuth Tantalates)やBST(Barium Strontium Titanate)等を使用することもできる。   For example, in the piezoelectric elements described in the first to ninth embodiments, SBT (Strontium Bismuth Tantalates) or BST that can be patterned by sol-gel deposition and dry etching, for example, as an electrostrictive material for forming a piezoelectric layer. (Barium Strontium Titanate) etc. can also be used.

また、第2〜第4の実施形態では、帯状の正電極層114A及び負電極層114Bを渦巻状に配置しているが、これに替えて、圧電素子の外周形状に沿った周回状で、且つ、圧電素子の内外方向に交互に積層配置するようにしてもよく、それによっても同様の作用・効果が得られる。また、これらの渦巻状や周回状の正電極層114A及び負電極層114Bは矩形状(四角形)に限らず、例えば五角形以上の多角形状や、円弧状、円周状等とすることもでき、その場合には、圧電素子の変位方向が5方向以上となって更に大きな変位量が得られるようになる。   Further, in the second to fourth embodiments, the strip-like positive electrode layer 114A and the negative electrode layer 114B are arranged in a spiral shape, but instead, in a circular shape along the outer peripheral shape of the piezoelectric element, In addition, the piezoelectric elements may be alternately stacked in the inner and outer directions, and the same action and effect can be obtained. Further, the spiral and circular positive electrode layer 114A and the negative electrode layer 114B are not limited to a rectangular shape (quadrangle), for example, a polygonal shape of a pentagon or more, an arc shape, a circular shape, etc. In that case, the displacement direction of the piezoelectric element becomes five or more directions, and a larger displacement amount can be obtained.

また、第10の実施形態で説明した熱変位型の圧力発生素子220については、第2〜第4の実施形態と同様の構成にすることが可能であり、それによって同様の作用・効果を得ることができる。   Further, the thermal displacement type pressure generating element 220 described in the tenth embodiment can be configured in the same manner as in the second to fourth embodiments, thereby obtaining the same operation and effect. be able to.

また、本発明は、上述したインクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装置に限らず、半導体等のパターン形成のために液滴を吐出するパターン形成装置等に使用される他の液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置にも適用することができる。   The present invention is not limited to the above-described ink jet recording head and ink jet recording apparatus, and other liquid droplet ejection heads and liquid droplet ejections used in pattern forming apparatuses that eject liquid droplets for pattern formation of semiconductors and the like. It can also be applied to devices.

本発明の第1の実施形態に係る圧電素子を示す(A)は平面図、(B)は(A)の1B−1B線断面図、(C)は(A)の1C−1C線断面図である。(A) which shows the piezoelectric element which concerns on the 1st Embodiment of this invention is a top view, (B) is the 1B-1B sectional view taken on the line of (A), (C) is the 1C-1C sectional view taken on the line of (A). It is. 図1の圧電素子が備えられた本発明の第1の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the inkjet recording head which concerns on the 1st Embodiment of this invention provided with the piezoelectric element of FIG. (A)〜(E)は図1の圧電素子の製造工程を示す製造工程図である。(A)-(E) is a manufacturing process figure which shows the manufacturing process of the piezoelectric element of FIG. (A)は本発明の第1の実施形態に相当する積層型圧電素子を示す斜視図、(B)は変位動作を示す断面図である。(A) is a perspective view showing a multilayer piezoelectric element corresponding to the first embodiment of the present invention, (B) is a sectional view showing a displacement operation. 図4の積層型圧電素子の変位をシミュレーションした(A)は圧電素子単体での変位状態を示す斜視図、(B)は振動板に取り付けた状態での変位状態を示す斜視図である。4A is a perspective view showing a displacement state of the piezoelectric element alone, and FIG. 5B is a perspective view showing a displacement state in a state where it is attached to a diaphragm. (A)は単層型圧電素子を示す斜視図、(B)は変位動作を示す断面図である。(A) is a perspective view which shows a single layer type piezoelectric element, (B) is sectional drawing which shows displacement operation | movement. 図6の単層型圧電素子の変位をシミュレーションした(A)は圧電素子単体での変位状態を示す斜視図、(B)は振動板に取り付けた状態での変位状態を示す斜視図である。6A is a perspective view showing a displacement state of a single piezoelectric element, and FIG. 7B is a perspective view showing a displacement state when attached to a diaphragm. FIG. 図1の圧電素子をマトリックス状に配置した例を示す平面図である。It is a top view which shows the example which has arrange | positioned the piezoelectric element of FIG. 1 in matrix form. 図1の圧電素子が備えられた他のインクジェット記録ヘッドを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other inkjet recording head provided with the piezoelectric element of FIG. 本発明の第2の実施形態に係る圧電素子を示す(A)は平面図、(B)は(A)の10B−10B線断面図、(C)は(A)の10C−10C線断面図である。(A) which shows the piezoelectric element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention is a top view, (B) is the 10B-10B sectional view taken on the line of (A), (C) is the 10C-10C sectional view taken on the line of (A). It is. 図8の圧電素子が備えられた本発明の第2の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the inkjet recording head which concerns on the 2nd Embodiment of this invention provided with the piezoelectric element of FIG. (A)〜(E)は図10の圧電素子の製造工程を示す製造工程図である。(A)-(E) is a manufacturing process figure which shows the manufacturing process of the piezoelectric element of FIG. 図10の圧電素子の変位動作を示す平面図である。It is a top view which shows the displacement operation | movement of the piezoelectric element of FIG. 図4の圧電素子の変位動作を示す平面図である。It is a top view which shows the displacement operation | movement of the piezoelectric element of FIG. 図10の圧電素子が備えられた他のインクジェット記録ヘッドを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other inkjet recording head provided with the piezoelectric element of FIG. 本発明の第3の実施形態に係る圧電素子を示す(A)は平面図、(B)は(A)の16B−16B線断面図、(C)は(A)の16C−16C線断面図である。(A) which shows the piezoelectric element which concerns on the 3rd Embodiment of this invention is a top view, (B) is the 16B-16B sectional view taken on the line of (A), (C) is the 16C-16C sectional view taken on the line of (A) It is. (A)〜(F)は図16の圧電素子の製造工程を示す製造工程図である。(A)-(F) are the manufacturing process diagrams which show the manufacturing process of the piezoelectric element of FIG. 本発明の第4の実施形態に係る圧電素子を示す(A)は平面図、(B)は(A)の18B−18B線断面図、(C)は(A)の18C−18C線断面図である。(A) which shows the piezoelectric element which concerns on the 4th Embodiment of this invention is a top view, (B) is the 18B-18B sectional view taken on the line of (A), (C) is the 18C-18C sectional view taken on the line of (A) It is. 本発明の第4の実施形態に係る圧電素子を駆動する駆動回路の概略構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows schematic structure of the drive circuit which drives the piezoelectric element which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る圧電素子の変位動作を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the displacement operation | movement of the piezoelectric element which concerns on the 4th Embodiment of this invention. (A)〜(E)は本発明の第5の実施形態に係る圧電素子の製造工程を示す製造工程図である。(A)-(E) are manufacturing process diagrams which show the manufacturing process of the piezoelectric element which concerns on the 5th Embodiment of this invention. (A)〜(C)は本発明の第5の実施形態に係る圧電素子の製造工程を示す製造工程図である。(A)-(C) are manufacturing process diagrams which show the manufacturing process of the piezoelectric element which concerns on the 5th Embodiment of this invention. (A)〜(E)は本発明の第6の実施形態に係る圧電素子の製造工程を示す製造工程図である。(A)-(E) are manufacturing process drawings which show the manufacturing process of the piezoelectric element which concerns on the 6th Embodiment of this invention. (A)〜(C)は本発明の第6の実施形態に係る圧電素子の製造工程を示す製造工程図である。(A)-(C) are manufacturing process diagrams which show the manufacturing process of the piezoelectric element which concerns on the 6th Embodiment of this invention. (A)〜(E)は本発明の第7の実施形態に係る圧電素子の製造工程を示す製造工程図である。(A)-(E) are manufacturing process diagrams which show the manufacturing process of the piezoelectric element which concerns on the 7th Embodiment of this invention. (A)〜(C)は本発明の第7の実施形態に係る圧電素子の製造工程を示す製造工程図である。(A)-(C) are manufacturing process diagrams which show the manufacturing process of the piezoelectric element which concerns on the 7th Embodiment of this invention. (A)〜(E)は本発明の第8の実施形態に係る圧電素子の製造工程を示す製造工程図である。(A)-(E) are manufacturing process diagrams which show the manufacturing process of the piezoelectric element which concerns on the 8th Embodiment of this invention. (A)〜(C)は本発明の第8の実施形態に係る圧電素子の製造工程を示す製造工程図である。(A)-(C) are manufacturing process diagrams which show the manufacturing process of the piezoelectric element which concerns on the 8th Embodiment of this invention. (A)、(A´)〜(D)、(D´)は本発明の第9の実施形態に係る圧電素子の製造工程を示す製造工程図である。(A), (A ')-(D), (D') is a manufacturing process figure which shows the manufacturing process of the piezoelectric element which concerns on the 9th Embodiment of this invention. (A)、(A´)〜(C)、(C´)は本発明の第9の実施形態に係る圧電素子の製造工程を示す製造工程図である。(A), (A ')-(C), (C') is a manufacturing process figure which shows the manufacturing process of the piezoelectric element which concerns on the 9th Embodiment of this invention. (A)、(A´)〜(C)、(C´)本発明の第9の実施形態に係る圧電素子の製造工程を示す製造工程図である。(A), (A ')-(C), (C') It is a manufacturing-process figure which shows the manufacturing process of the piezoelectric element which concerns on the 9th Embodiment of this invention. 本発明の第9の実施形態に係る圧電素子を示す部分断面斜視図である。It is a fragmentary sectional perspective view which shows the piezoelectric element which concerns on the 9th Embodiment of this invention. 本発明の第10の実施形態に係る熱変位型の圧力発生素子を示す(A)は平面図、(B)は(A)の33B−33B線断面図、(C)は(A)の33C−33C線断面図である。(A) which shows the thermal displacement type pressure generating element which concerns on the 10th Embodiment of this invention is a top view, (B) is the 33B-33B sectional view taken on the line of (A), (C) is 33C of (A). It is -33C sectional view taken on the line. (A)〜(E)は図33の圧力発生素子の製造工程を示す製造工程図である。(A)-(E) is a manufacturing process figure which shows the manufacturing process of the pressure generating element of FIG. 図33の圧力発生素子の変位動作を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the displacement operation | movement of the pressure generating element of FIG. 本発明の一実施形態に係るインクジェット記録装置の外観を示す斜視図である。1 is a perspective view illustrating an appearance of an ink jet recording apparatus according to an embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 インクジェット記録ヘッド(液滴吐出ヘッド)
12 ノズル
18 振動板
19 圧力室
20 圧電素子(圧力発生手段)
22 圧電体層
24 電極層
24A 正電極層
24B 負電極層
26 電極端子
26A 正極端子
26B 負極端子
28 配線電極
28A 配線電極
28B 配線電極
28C 配線電極
40 積層型圧電素子(圧力発生手段)
42 圧電体層
44A 正電極層
44B 負電極層
60 インクジェット記録ヘッド(液滴吐出ヘッド)
100 インクジェット記録ヘッド(液滴吐出ヘッド)
110 圧電素子(圧力発生手段)
112 圧電体層
114A 正電極層
114B 負電極層
116A 正極端子
116B 負極端子
118A 配線電極
118B 配線電極
120 インクジェット記録ヘッド(液滴吐出ヘッド)
130 圧電素子(圧力発生手段)
132A 正極端子
132B 負極端子
150 圧電素子(圧力発生手段)
152A 配線電極
152B 配線電極
156 圧電体層
162 電極
170 圧電素子(圧力発生手段)
180 圧電素子(圧力発生手段)
190 圧電素子(圧力発生手段)
192A 配線電極
192B 配線電極
198A 電極
198B 電極
210 圧電素子(圧力発生手段)
220 圧力発生素子(圧力発生手段)
222 基材層
224 発熱体層
300 インクジェット記録装置
P 記録紙
id インク滴(液滴)
10 Inkjet recording head (droplet ejection head)
12 Nozzle 18 Diaphragm 19 Pressure chamber 20 Piezoelectric element (pressure generating means)
22 Piezoelectric layer 24 Electrode layer 24A Positive electrode layer 24B Negative electrode layer 26 Electrode terminal 26A Positive electrode terminal 26B Negative electrode terminal 28 Wiring electrode 28A Wiring electrode 28B Wiring electrode 28C Wiring electrode 40 Multilayer piezoelectric element (pressure generating means)
42 Piezoelectric layer 44A Positive electrode layer 44B Negative electrode layer 60 Inkjet recording head (droplet ejection head)
100 Inkjet recording head (droplet ejection head)
110 Piezoelectric element (pressure generating means)
112 Piezoelectric layer 114A Positive electrode layer 114B Negative electrode layer 116A Positive electrode terminal 116B Negative electrode terminal 118A Wiring electrode 118B Wiring electrode 120 Inkjet recording head (droplet ejection head)
130 Piezoelectric element (pressure generating means)
132A Positive terminal 132B Negative terminal 150 Piezoelectric element (pressure generating means)
152A Wiring electrode 152B Wiring electrode 156 Piezoelectric layer 162 Electrode 170 Piezoelectric element (pressure generating means)
180 Piezoelectric element (pressure generating means)
190 Piezoelectric element (pressure generating means)
192A Wiring electrode 192B Wiring electrode 198A Electrode 198B Electrode 210 Piezoelectric element (pressure generating means)
220 Pressure generating element (pressure generating means)
222 base material layer 224 heating element layer 300 ink jet recording apparatus P recording paper id ink droplet (droplet)

Claims (21)

振動板上に設けられた圧力発生手段によって圧力室内の液体を加圧することにより、前記圧力室と連通されたノズルから液滴を吐出する液滴吐出ヘッドにおいて、
前記圧力発生手段を構成する電歪材料により形成された圧電体層と導電性材料により形成された電極層とが前記振動板の面方向に沿って積層されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
In a liquid droplet ejection head that ejects liquid droplets from a nozzle communicated with the pressure chamber by pressurizing the liquid in the pressure chamber by a pressure generating means provided on the diaphragm,
A droplet discharge characterized in that a piezoelectric layer formed of an electrostrictive material constituting the pressure generating means and an electrode layer formed of a conductive material are laminated along the surface direction of the diaphragm. head.
前記電極層が備える正電極層及び負電極層が櫛歯状とされ互いに噛み合うように配置されていることを特徴とする請求項1記載の液滴吐出ヘッド。   2. The liquid droplet ejection head according to claim 1, wherein the positive electrode layer and the negative electrode layer provided in the electrode layer are comb-shaped and arranged so as to mesh with each other. 前記電極層が備える正電極層及び負電極層が帯状とされていることを特徴とする請求項1記載の液滴吐出ヘッド。   2. The liquid droplet ejection head according to claim 1, wherein the positive electrode layer and the negative electrode layer included in the electrode layer are formed in a strip shape. 前記帯状の正電極層及び負電極層と前記圧電体層とが前記圧力発生手段の外周形状に沿った周回状で、且つ、圧力発生手段の内外方向に交互に積層配置されていることを特徴とする請求項3項記載の液滴吐出ヘッド。   The belt-like positive electrode layer, the negative electrode layer, and the piezoelectric layer have a circular shape along the outer peripheral shape of the pressure generating means, and are alternately stacked in the inner and outer directions of the pressure generating means. The droplet discharge head according to claim 3. 前記帯状の正電極層及び負電極層が渦巻状に配置されていることを特徴とする請求項3記載の液滴吐出ヘッド。   4. The droplet discharge head according to claim 3, wherein the belt-like positive electrode layer and the negative electrode layer are arranged in a spiral shape. 前記圧力発生手段の外形の略中心部に、前記周回状又は前記渦巻状に配置された正電極層及び負電極層の略中心部が配置されていることを特徴とする請求項4又は請求項5記載の液滴吐出ヘッド。   The substantially central portion of the positive electrode layer and the negative electrode layer disposed in the circular shape or the spiral shape is disposed at a substantially central portion of the outer shape of the pressure generating means. 6. A droplet discharge head according to 5. 前記圧力発生手段の変位方向が4方向以上とされていることを特徴とする請求項4〜請求項6の何れか1項記載の液滴吐出ヘッド。   The liquid droplet ejection head according to any one of claims 4 to 6, wherein the displacement direction of the pressure generating means is four or more. 前記圧電体層及び前記電極層が半導体プロセスにより形成されて積層構造とされていることを特徴とする請求項1〜請求項7の何れか1項記載の液滴吐出ヘッド。   8. The droplet discharge head according to claim 1, wherein the piezoelectric layer and the electrode layer are formed by a semiconductor process to form a laminated structure. 前記圧電体層は、前記振動板上に成膜されてから半導体プロセスにより前記電極層を設けるための層状空間が形成されることを特徴とする請求項8記載の液滴吐出ヘッド。   9. The liquid droplet ejection head according to claim 8, wherein the piezoelectric layer is formed on the diaphragm and then a layered space for providing the electrode layer is formed by a semiconductor process. 前記圧電体層及び前記電極層がフォトリソプロセスを用いて積層構造に形成されていることを特徴とする請求項1〜請求項7の何れか1項記載の液滴吐出ヘッド。   8. The liquid droplet ejection head according to claim 1, wherein the piezoelectric layer and the electrode layer are formed in a laminated structure using a photolithography process. 前記圧電体層は、前記振動板上にフォトリソプロセスにより形成されたフォトレジストを介して成膜されてからそのフォトレジストが除去されることにより前記電極層を設けるための層状空間が形成されることを特徴とする請求項10記載の液滴吐出ヘッド。   The piezoelectric layer is formed on the diaphragm via a photoresist formed by a photolithography process, and then the photoresist is removed to form a layered space for providing the electrode layer. The droplet discharge head according to claim 10. 前記電極層は、前記振動板上にフォトリソプロセスにより形成されたフォトレジストを介して形成されてからそのフォトレジストが除去されることにより前記圧電体層を設けるための層状空間が形成されることを特徴とする請求項10記載の液滴吐出ヘッド。   The electrode layer is formed on the diaphragm via a photoresist formed by a photolithography process, and then the photoresist is removed to form a layered space for providing the piezoelectric layer. The droplet discharge head according to claim 10. 前記電極層に電気信号を供給するための電極端子、及び、電極端子と電極層とを電気的に接続する配線電極が前記振動板上にそれぞれ形成されるとともに、前記配線電極と電極層とが前記圧力発生手段の下面部で接続されていることを特徴とする請求項1〜請求項12の何れか1項記載の液滴吐出ヘッド。   An electrode terminal for supplying an electric signal to the electrode layer, and a wiring electrode for electrically connecting the electrode terminal and the electrode layer are formed on the diaphragm, respectively, and the wiring electrode and the electrode layer are The liquid droplet ejection head according to claim 1, wherein the liquid droplet ejection head is connected at a lower surface portion of the pressure generating means. 前記電極端子が備える正極端子及び負極端子が前記振動板上に2層に分離形成されていることを特徴とする請求項13記載の液滴吐出ヘッド。   14. The liquid droplet ejection head according to claim 13, wherein a positive electrode terminal and a negative electrode terminal included in the electrode terminal are formed in two layers on the diaphragm. 前記電極層に電気信号を供給するため電極端子が、前記圧力発生手段の側面に形成されていることを特徴とする請求項1〜請求項12の何れか1項記載の液滴吐出ヘッド。   13. The liquid droplet ejection head according to claim 1, wherein an electrode terminal for supplying an electric signal to the electrode layer is formed on a side surface of the pressure generating means. 前記圧力発生手段は、下面の略全面が前記振動板に面接していることを特徴とする請求項1〜請求項15の何れか1項記載の液滴吐出ヘッド。   16. The droplet discharge head according to claim 1, wherein the pressure generating unit has a substantially entire lower surface in contact with the vibration plate. 前記圧力発生手段に前記正電極層及び前記負電極層が複数組設けられ、その複数組の正電極層及び負電極層の各組にそれぞれ電気信号を供給するタイミングを変更することにより圧力発生手段の変位量を調整することを特徴とする請求項1〜請求項16の何れか1項記載の液滴吐出ヘッド。   A plurality of sets of the positive electrode layer and the negative electrode layer are provided in the pressure generating means, and the pressure generating means is changed by changing the timing of supplying an electric signal to each of the plurality of sets of the positive electrode layer and the negative electrode layer. The liquid droplet ejection head according to claim 1, wherein the displacement amount of the liquid droplet is adjusted. 前記複数組の正電極層及び負電極層の各組が圧力発生手段の中心部側と外周部側との間で複数に分割配置されていることを特徴とする請求項17記載の液滴吐出ヘッド。   18. The droplet discharge according to claim 17, wherein each of the plurality of sets of positive electrode layers and negative electrode layers is divided into a plurality of portions between a central portion side and an outer peripheral portion side of the pressure generating means. head. 複数の前記圧力発生手段を備え、その複数の圧力発生手段が前記振動板上におけるアクティブ領域に対応し互いに近接して配置されていることを特徴とする請求項1〜請求項18の何れか1項記載の液滴吐出ヘッド。   19. The apparatus according to claim 1, further comprising a plurality of the pressure generating units, wherein the plurality of pressure generating units correspond to an active region on the diaphragm and are arranged close to each other. The droplet discharge head according to Item. 前記圧力発生手段は、前記電極層に替えて熱歪材料により形成された発熱体層と、前記圧電体層に替えて前記発熱体層とは異なる熱膨張係数の材料により形成された基材層と、を有することを特徴とする請求項1〜請求項19の何れか1項記載の液滴吐出ヘッド。   The pressure generating means includes a heating element layer formed of a thermostrictive material instead of the electrode layer, and a base material layer formed of a material having a thermal expansion coefficient different from that of the heating element layer instead of the piezoelectric layer. The liquid droplet ejection head according to claim 1, wherein 請求項1〜請求項20の何れか1項記載の液滴吐出ヘッドを備えることを特徴とする液滴吐出装置。   A droplet discharge apparatus comprising the droplet discharge head according to claim 1.
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