JP2009274226A - Liquid droplet ejecting head, ink cartridge, image forming apparatus, piezoelectric actuator, micropump, and light modulating device - Google Patents

Liquid droplet ejecting head, ink cartridge, image forming apparatus, piezoelectric actuator, micropump, and light modulating device Download PDF

Info

Publication number
JP2009274226A
JP2009274226A JP2008124931A JP2008124931A JP2009274226A JP 2009274226 A JP2009274226 A JP 2009274226A JP 2008124931 A JP2008124931 A JP 2008124931A JP 2008124931 A JP2008124931 A JP 2008124931A JP 2009274226 A JP2009274226 A JP 2009274226A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
diaphragm
film
lower electrode
piezoelectric actuator
ink
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2008124931A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Manabu Nishimura
学 西村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ricoh Co Ltd filed Critical Ricoh Co Ltd
Priority to JP2008124931A priority Critical patent/JP2009274226A/en
Publication of JP2009274226A publication Critical patent/JP2009274226A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a liquid droplet ejecting head which has a large amount of variation and can be made compact. <P>SOLUTION: The liquid droplet ejecting head includes: a nozzle plate with nozzle holes for ejecting liquid droplets; partition walls which form ejection chambers corresponding to the nozzle holes; a deformable diaphragm which constitutes walls of the ejection chambers; a lower electrode formed on a surface opposite to a surface of the diaphragm where the ejection chambers are formed; a piezoelectric layer formed on the lower electrode; and an upper electrode formed on the piezoelectric layer. A membrane stress as combined membrane stresses generated by the diaphragm, lower electrode, piezoelectric layer, and upper electrode is a compressive stress in the liquid droplet ejecting head. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、液滴吐出ヘッド、インクカートリッジ、画像形成装置、圧電アクチュエータ、マイクロポンプ及び光変調デバイスに関する。   The present invention relates to a droplet discharge head, an ink cartridge, an image forming apparatus, a piezoelectric actuator, a micropump, and a light modulation device.

インクジェット記録装置は、記録時の騒音が極めて低いこと、高速印字が可能であること、インクの自由度が高く、安価な普通紙を用いることが可能である等の多くの利点を有している。この中でも記録が必要なときにのみインク液滴を吐出する、いわゆるインク・オン・デマンド方式は、記録に不要なインク液滴の回収を必要としないため、現在主流となってきている。   The ink jet recording apparatus has many advantages such as extremely low noise during recording, high-speed printing, high degree of ink freedom, and the ability to use inexpensive plain paper. . Among these, the so-called ink-on-demand method, in which ink droplets are ejected only when recording is required, does not require collection of ink droplets that are not necessary for recording, and has become the mainstream at present.

プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像形成装置又は画像形成装置として用いるインクジェット記録装置において使用する液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドとしては、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する吐出室(加圧室、圧力室、インク流路等とも称される。)と、吐出室内のインクを加圧する圧力を発生する圧力発生手段とを備えて、圧力発生手段で発生した圧力で吐出室内のインクを加圧することによってノズルからインク滴を吐出させる。   An inkjet head, which is a droplet discharge head used in an image forming apparatus such as a printer, a facsimile machine, or a copying apparatus, or an inkjet recording apparatus used as an image forming apparatus, includes a nozzle that discharges ink droplets, and a discharge chamber ( Pressure chambers, pressure chambers, ink flow paths, etc.) and pressure generating means for generating pressure to pressurize the ink in the discharge chamber, and the ink in the discharge chamber at the pressure generated by the pressure generating means The ink droplets are ejected from the nozzles by pressurizing.

このような液滴吐出ヘッドとしては、圧力発生手段として圧電素子などの電気機械変換素子を用いて吐出室の壁面を形成している振動板を変形変位させることでインク滴を吐出させるピエゾ型のもの、吐出室内に配設した発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いてインクのバブルを発生させてインク滴を吐出させるバブル型(サーマル型)のもの等がある。ピエゾ型のものには、縦振動型、横振動型の他、せん断変形を利用したシェアモード型等がある。その中で近年、半導体プロセスやマイクロマシニング技術の進歩により、パターンニング加工技術が確立されていて、かつ、低コストのSi基板に加圧室及びピエゾ素子を直接形成するアクチュエータの構成が検討されている。   As such a droplet discharge head, a piezoelectric type that discharges ink droplets by deforming and displacing a diaphragm that forms the wall surface of the discharge chamber using an electromechanical conversion element such as a piezoelectric element as a pressure generating means. And a bubble type (thermal type) in which ink bubbles are generated by using an electrothermal conversion element such as a heating resistor disposed in the discharge chamber to discharge ink droplets. Piezoelectric types include a longitudinal vibration type and a lateral vibration type, as well as a shear mode type using shear deformation. Among them, in recent years, patterning technology has been established due to advances in semiconductor processes and micromachining technology, and the construction of actuators that directly form pressure chambers and piezoelectric elements on low-cost Si substrates has been studied. Yes.

特許文献1では、弾性膜とその上に形成された下電極とからなる振動板において、圧力発生室内側の少なくとも幅方向両側に長手方向に亘って凹部を有し、この凹部の深さはこの弾性膜の厚さの0.5倍以上で、下電極の一部に到達するまでの範囲であるとしている。振動板端部に凹部を設けることで振動板を変形しやすくし変位量を大きくすることが可能である。   In Patent Document 1, a diaphragm including an elastic film and a lower electrode formed thereon has a recess extending in the longitudinal direction at least on both sides in the width direction inside the pressure generating chamber, and the depth of the recess is The range is 0.5 times or more the thickness of the elastic film and reaches a part of the lower electrode. By providing a concave portion at the end of the diaphragm, the diaphragm can be easily deformed and the amount of displacement can be increased.

また、特許文献2では、振動板を正の膜応力を有する層と、負の膜応力を有する層との少なくとも二層を有する積層膜からなる振動膜により構成しており、これら膜応力により振動膜が有する膜張力は実質的にゼロ又は負となり、この振動膜の膜張力に圧電体膜の膜張力を加えた膜張力が正となるように構成されている。多層からなる振動板及び圧電体を含んだすべての膜の張力が正(引張り応力)であるため、振動板が平坦に張った状態とすることができる。   Further, in Patent Document 2, the diaphragm is composed of a vibration film composed of a laminated film having at least two layers of a layer having a positive film stress and a layer having a negative film stress. The film tension of the film is substantially zero or negative, and the film tension obtained by adding the film tension of the piezoelectric film to the film tension of the vibration film is configured to be positive. Since the tension of all the films including the multilayer diaphragm and the piezoelectric body is positive (tensile stress), the diaphragm can be in a flat state.

また、特許文献3では、基体と電気−機械変換素子部の間に一層以上の中間層が形成されている圧電アクチュエータにおいて、中間層が基材との密着機能層、反応防止機能層、膜応力緩和機能層を有する単層または複数層から構成されている圧電アクチュエータが開示されている。
特許第3610811号明細書 特許第3451623号明細書 特開平11−204849号公報
Further, in Patent Document 3, in a piezoelectric actuator in which one or more intermediate layers are formed between a substrate and an electro-mechanical conversion element portion, the intermediate layer is an adhesion functional layer with a substrate, a reaction preventing functional layer, a film stress. A piezoelectric actuator composed of a single layer or a plurality of layers having a relaxation function layer is disclosed.
Japanese Patent No. 3610811 Japanese Patent No. 3451623 JP-A-11-204849

しかしながら、特許文献1に記載されているアクチュエータでは、薄膜である振動板の一部を安定して加工することは困難であり、また、圧力室内に凹部を形成することはインクを充填した際に、圧力室に気泡がトラップされやすくなり、インクの吐出性能に影響を与える。   However, in the actuator described in Patent Document 1, it is difficult to stably process a part of the diaphragm which is a thin film, and forming a recess in the pressure chamber is performed when ink is filled. The air bubbles are easily trapped in the pressure chamber, which affects the ink ejection performance.

また、特許文献2に記載されているものは、縦振動モードで動作する積層ピエゾ型のアクチュエータと異なり、横振動モードで動作する薄膜ピエゾ型アクチュエータは、発生力が弱いため、強いテンションで張られた振動板では十分に変位させることは困難である。   In addition, what is described in Patent Document 2 is different from a laminated piezo-type actuator that operates in a longitudinal vibration mode, and a thin-film piezo-type actuator that operates in a transverse vibration mode has a low generated force and is stretched with a strong tension. It is difficult to sufficiently displace with a vibrating plate.

また、特許文献3に記載されているものでは、弱い力で振動板の変位量を増やすことは容易ではない。   Moreover, in what is described in Patent Document 3, it is not easy to increase the amount of displacement of the diaphragm with a weak force.

本発明は、このような問題に対しなされたものであり、特に、圧電素子形成側の反対側に凸形状となるように形成することにより、振動板の変位量を大きくすることができ、低コストで変位量の大きい液滴吐出ヘッド、インクカートリッジ、画像形成装置、圧電アクチュエータ、マイクロポンプ及び光変調デバイスを提供するものである。   The present invention has been made for such a problem, and in particular, by forming a convex shape on the opposite side of the piezoelectric element forming side, the displacement amount of the diaphragm can be increased, and the low The present invention provides a droplet discharge head, an ink cartridge, an image forming apparatus, a piezoelectric actuator, a micropump, and a light modulation device that are large in displacement at a low cost.

本発明は、液滴を吐出するノズル孔を有するノズル板と、前記ノズル孔に対応した吐出室を形成する隔壁と、前記吐出室の壁を構成する変形可能な振動板と、前記振動板の前記吐出室が形成される面とは反対の面上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電体層と、前記圧電体層上に形成された上部電極と、を有する液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板、前記下部電極、前記圧電体層、前記上部電極により生ずる膜応力を合わせた膜応力が圧縮応力であることを特徴とする。   The present invention provides a nozzle plate having a nozzle hole for discharging droplets, a partition wall that forms a discharge chamber corresponding to the nozzle hole, a deformable vibration plate that forms a wall of the discharge chamber, and the vibration plate. A lower electrode formed on a surface opposite to the surface on which the discharge chamber is formed; a piezoelectric layer formed on the lower electrode; and an upper electrode formed on the piezoelectric layer. In the droplet discharge head, a film stress that is a combination of film stresses generated by the vibration plate, the lower electrode, the piezoelectric layer, and the upper electrode is a compressive stress.

また、本発明は、前記振動板は、電圧を印加していない状態においては、前記吐出室側に凸形状となっていることを特徴とする。   Further, the invention is characterized in that the diaphragm has a convex shape toward the discharge chamber when no voltage is applied.

また、本発明は、前記振動板は、少なくとも圧縮応力を有する膜と、引張り応力を有する膜との2層以上の膜を積層形成することにより形成されるものであって、前記振動板は、圧縮応力を有することを特徴とする。   Further, in the present invention, the diaphragm is formed by laminating at least two films of a film having a compressive stress and a film having a tensile stress. It has a compressive stress.

また、本発明は、前記記載の液滴吐出ヘッドと、前記液滴吐出ヘッドと一体化されており、前記液滴吐出ヘッドにインクを供給するためのインクタンクと、を有することを特徴とする。   According to another aspect of the invention, there is provided the droplet discharge head described above, and an ink tank that is integrated with the droplet discharge head and supplies ink to the droplet discharge head. .

また、本発明は、前記記載の液滴吐出ヘッドから吐出する液滴により画像を形成することを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that an image is formed by droplets ejected from the droplet ejection head described above.

また、本発明は、変形可能な振動板と、前記振動板の一方の面に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電体層と、前記圧電体層上に形成された上部電極と、を有する圧電アクチュエータにおいて、前記振動板、前記下部電極、前記圧電体層、前記上部電極により生ずる膜応力を合わせた膜応力が圧縮応力であることを特徴とする。   The present invention also includes a deformable diaphragm, a lower electrode formed on one surface of the diaphragm, a piezoelectric layer formed on the lower electrode, and a piezoelectric layer formed on the piezoelectric layer. A piezoelectric actuator having an upper electrode is characterized in that a film stress including a film stress generated by the diaphragm, the lower electrode, the piezoelectric layer, and the upper electrode is a compressive stress.

また、本発明は、前記振動板は、少なくとも圧縮応力を有する膜と、引張り応力を有する膜との2層以上の膜を積層形成することにより形成されるものであって、前記振動板は、圧縮応力を有することを特徴とする。   Further, in the present invention, the diaphragm is formed by laminating at least two films of a film having a compressive stress and a film having a tensile stress. It has a compressive stress.

また、本発明は、前記記載の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータにおける前記振動板を壁面の一部とする流路と、を備え、前記振動板の変形により液体を輸送することを特徴とする。   In addition, the present invention includes the piezoelectric actuator described above and a flow path having the diaphragm in the piezoelectric actuator as a part of a wall surface, and transports liquid by deformation of the diaphragm.

また、本発明は、前記記載の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータの変形により、光の反射方向を変化させるミラーと、を備えたことを特徴とする。   In addition, the present invention is characterized by comprising the above-described piezoelectric actuator, and a mirror that changes a light reflection direction by deformation of the piezoelectric actuator.

本発明によれば、振動板、下部電極、圧電体層、上部電極のぞれぞれの膜応力を合わせた全体の膜応力が圧縮応力であるため、弱い力で大きな変位量を得ることができる。これにより、効率の高いアクチュエータを得ることができるとともに、小型で低コストとなる液滴吐出ヘッド、インクカートリッジ、画像形成装置を得ることができると共に、効率の良い圧電アクチュエータ、マイクロポンプ及び光変調デバイスを得ることができる。   According to the present invention, since the total film stress including the film stress of each of the diaphragm, the lower electrode, the piezoelectric layer, and the upper electrode is a compressive stress, a large amount of displacement can be obtained with a weak force. it can. As a result, a highly efficient actuator can be obtained, and a small and low-cost droplet discharge head, ink cartridge, and image forming apparatus can be obtained, and an efficient piezoelectric actuator, micropump, and light modulation device can be obtained. Can be obtained.

次に、本発明を実施するための最良の形態について、以下に説明する。   Next, the best mode for carrying out the present invention will be described below.

〔第1の実施の形態〕
本発明に係る第1の実施の形態は、液滴吐出ヘッドに関するものである。図1、図2に基づき本実施の形態について説明する。図1は、本実施の形態における液滴吐出ヘッドにおける分解斜視図であり、一部断面で示したものである。図2(a)は、本実施の形態における組み立てられた液滴吐出ヘッドについて、図1における破線A1−A2で切断した断面図であり、図2(b)は、液滴吐出ヘッドの上面図である。
[First Embodiment]
The first embodiment according to the present invention relates to a droplet discharge head. The present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is an exploded perspective view of a droplet discharge head according to the present embodiment, which is partially shown in cross section. 2A is a cross-sectional view of the assembled droplet discharge head according to the present embodiment, taken along the broken line A1-A2 in FIG. 1, and FIG. 2B is a top view of the droplet discharge head. It is.

本実施の形態は、インク液滴を基板の面部に設けたノズル孔から吐出させるサイドシューター方式の液体吐出ヘッドであり、インクを吐出するノズル孔20を有するノズル基板となる第2の基板2と、吐出室14、振動板、圧電素子を形成した液室基板となる第1の基板1と、圧電素子保護のための空間12を設けた保護基板となる第3の基板3からなるものであり、これら3枚の基板を重ねた積層構造となっている。   The present embodiment is a side shooter type liquid discharge head that discharges ink droplets from nozzle holes provided on the surface portion of the substrate. The second substrate 2 is a nozzle substrate having nozzle holes 20 for discharging ink. , A discharge chamber 14, a vibration plate, a first substrate 1 serving as a liquid chamber substrate on which a piezoelectric element is formed, and a third substrate 3 serving as a protective substrate provided with a space 12 for protecting the piezoelectric element. A laminated structure in which these three substrates are stacked.

第1の基板1は、シリコン基板4上に積層膜を形成した構成の振動板が設けられている。この振動板は、後述するように、シリコン基板4の一方の面上にシリコン酸化膜5、ポリシリコン層6、シリコン酸化膜7、シリコン窒化膜8、下部電極9となる白金膜、所定の領域をパターンニングすることにより形成した圧電体層10、上部電極11が積層形成されている。また、他方の面には、シリコン基板4をエッチングすることにより、吐出室14、これに連通する流体抵抗部15及び共通液室17が形成されている。   The first substrate 1 is provided with a diaphragm having a structure in which a laminated film is formed on a silicon substrate 4. As will be described later, the vibration plate includes a silicon oxide film 5, a polysilicon layer 6, a silicon oxide film 7, a silicon nitride film 8, a platinum film serving as a lower electrode 9, a predetermined region on one surface of the silicon substrate 4. The piezoelectric layer 10 and the upper electrode 11 formed by patterning are stacked. On the other surface, the silicon substrate 4 is etched to form a discharge chamber 14, a fluid resistance portion 15 communicating with the discharge chamber 14, and a common liquid chamber 17.

第2の基板2は、ニッケル高速電鋳法により形成されたものであり、厚さは30〔μm〕である。第2の基板2は、第1の基板1に形成される吐出室14の壁面を構成するものであり、各々の吐出室14に対応してノズル孔20が設けられている。   The second substrate 2 is formed by a nickel high speed electroforming method and has a thickness of 30 [μm]. The second substrate 2 constitutes the wall surface of the discharge chamber 14 formed in the first substrate 1, and nozzle holes 20 are provided corresponding to the respective discharge chambers 14.

第3の基板3は、下部電極9、圧電体層10、上部電極11により構成される圧電素子の動作領域を確保し、保護するための空間12が形成されたものである。   The third substrate 3 is provided with a space 12 for securing and protecting an operation region of the piezoelectric element constituted by the lower electrode 9, the piezoelectric layer 10, and the upper electrode 11.

次に、本実施の形態における液滴吐出ヘッドの動作について説明する。インク供給孔16から共通液室17を経由して各々の吐出室14内にインクが供給される。各々の吐出室14がインクにより満たされた状態において、圧電素子の上部電極11と下部電極9との間に、20〔V〕の所定のパルス幅のパルス電圧を印加する。これにより、横振動モードで変形する圧電素子が縮み、圧電素子と密着している振動板全体が吐出室14側に、凸状態となるように変形する。これにより、吐出室14内の体積が減少し、吐出室14内の圧力が急上昇し、ノズル孔20よりインク液滴21が記録紙40に向けて吐出される。このパルス電圧を連続的に印加することにより、ノズル孔20より連続的にインク液滴21を吐出することができる。   Next, the operation of the droplet discharge head in this embodiment will be described. Ink is supplied into each discharge chamber 14 from the ink supply hole 16 via the common liquid chamber 17. In a state where each discharge chamber 14 is filled with ink, a pulse voltage having a predetermined pulse width of 20 [V] is applied between the upper electrode 11 and the lower electrode 9 of the piezoelectric element. As a result, the piezoelectric element that is deformed in the transverse vibration mode contracts, and the entire diaphragm that is in close contact with the piezoelectric element is deformed so as to be convex toward the discharge chamber 14 side. As a result, the volume in the discharge chamber 14 decreases, the pressure in the discharge chamber 14 increases rapidly, and the ink droplets 21 are discharged toward the recording paper 40 from the nozzle holes 20. By continuously applying this pulse voltage, the ink droplets 21 can be continuously discharged from the nozzle holes 20.

次に、本実施の形態における液体吐出ヘッドの製造方法について、図3に基づき説明する。図3は、図1における破線A1−A2により切断した断面における工程図である。   Next, a method for manufacturing the liquid discharge head in the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a process diagram in a cross section cut along a broken line A1-A2 in FIG.

最初に、図3(a)に示すように、<100>の厚さ250〔μm〕であるシリコン基板4の一方の面上にウエット酸化法により絶縁膜となるシリコン酸化物(SiO)からなるシリコン酸化膜5を約0.3〔μm〕形成する。尚、このシリコン酸化膜5を形成する際、シリコン基板4の反対側の面においてもシリコン酸化膜22が形成される。更にこの上に、振動板を構成する材料となるポリシリコン層6をLPCVD法により、約1.0〔μm〕成膜する。更にこの上に、シリコン酸化物(SiO)からなるシリコン酸化膜7をLPCVD法により、約0.6〔μm〕成膜する。更にこの上に、シリコン窒化物(Si)からなるシリコン窒化膜8をLPCVD法により、約0.1〔μm〕成膜する。尚、このシリコン窒化膜8は、上述の積層膜が成膜された振動板の応力を調整するためのものであり、その膜厚や成膜条件等は各々の膜の内部応力を勘案して定めることが望ましい。 First, as shown in FIG. 3A, a silicon oxide (SiO 2 ) serving as an insulating film is formed on one surface of a silicon substrate 4 having a thickness of <100> with a thickness of 250 [μm] by a wet oxidation method. A silicon oxide film 5 is formed with a thickness of about 0.3 [μm]. Incidentally, when the silicon oxide film 5 is formed, the silicon oxide film 22 is also formed on the opposite surface of the silicon substrate 4. Further thereon, a polysilicon layer 6 as a material constituting the diaphragm is formed by an LPCVD method with a thickness of about 1.0 [μm]. Further thereon, a silicon oxide film 7 made of silicon oxide (SiO 2 ) is formed to a thickness of about 0.6 [μm] by LPCVD. Further thereon, a silicon nitride film 8 made of silicon nitride (Si 3 O 4 ) is formed to a thickness of about 0.1 [μm] by LPCVD. The silicon nitride film 8 is for adjusting the stress of the diaphragm on which the above-described laminated film is formed. The film thickness, film forming conditions, and the like take into account the internal stress of each film. It is desirable to define.

次に、図3(b)に示すように、このシリコン窒化膜8上に、Pt膜からなる下部電極9をスパッタリングにより0.1〔μm〕成膜する。更にこの上に、スパッタリングにより、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)からなる圧電体層10を約1.0〔μm〕成膜し、更に、上部電極11を約0.1〔μm〕成膜する。尚、図示はしないが、Pt膜からなる下部電極9を成膜した後は、この上に、フォトレジストを塗布し、プリベークを行い、露光装置による露光、現像を行うことにより、形成される振動板に対応したレジストパターンを形成する。この後、RIE等のドライエッチングを行いレジストパターンの形成されていない領域の下部電極9を除去することにより、所定の領域に下部電極9を形成し、この後、圧電体層10、上部電極11の成膜を行う。   Next, as shown in FIG. 3B, a lower electrode 9 made of a Pt film is formed on the silicon nitride film 8 by sputtering to a thickness of 0.1 [μm]. Further thereon, a piezoelectric layer 10 made of PZT (lead zirconate titanate) is formed by sputtering to a thickness of about 1.0 [μm], and an upper electrode 11 is formed to a thickness of about 0.1 [μm]. . Although not shown, after the lower electrode 9 made of a Pt film is formed, a photoresist is applied thereon, pre-baked, and exposed and developed by an exposure apparatus. A resist pattern corresponding to the plate is formed. Thereafter, dry etching such as RIE is performed to remove the lower electrode 9 in the region where the resist pattern is not formed, thereby forming the lower electrode 9 in a predetermined region. Thereafter, the piezoelectric layer 10 and the upper electrode 11 are formed. The film is formed.

次に、図3(c)に示すように、後述する吐出室14に対応した圧電素子を形成する。即ち、圧電素子は下部電極9、圧電体層10、上部電極11により構成されるものであり、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程により、吐出室14に対応するように圧電素子を形成する。具体的には、上部電極11を成膜した後、この上に、フォトレジストを塗布し、プリベークを行い、露光装置による露光、現像を行うことにより、形成される圧電素子の形状に対応したレジストパターンを形成する。この後、RIE等のドライエッチングを行いレジストパターンの形成されていない領域の上部電極11及び圧電体層10を除去することにより、吐出室14に対応した圧電素子が形成される。   Next, as shown in FIG. 3C, a piezoelectric element corresponding to a discharge chamber 14 described later is formed. That is, the piezoelectric element is composed of the lower electrode 9, the piezoelectric layer 10, and the upper electrode 11, and the piezoelectric element is formed so as to correspond to the discharge chamber 14 by a photolithography process and an etching process. Specifically, after the upper electrode 11 is formed, a photoresist is applied thereon, pre-baked, and exposed and developed by an exposure apparatus, thereby corresponding to the shape of the piezoelectric element to be formed. Form a pattern. Thereafter, dry etching such as RIE is performed to remove the upper electrode 11 and the piezoelectric layer 10 in a region where the resist pattern is not formed, whereby a piezoelectric element corresponding to the discharge chamber 14 is formed.

次に、図3(d)に示すように、シリコン基板4において、圧電素子が形成された面と反対の面に、吐出室14、流体抵抗部15及び共通液室17となる領域を形成する。具体的には、シリコン酸化膜5と同時にシリコン基板4の反対側の面に形成されたシリコン酸化膜22上に、フォトレジストを塗布し、プリベークを行い、露光装置による露光、現像を行うことにより、吐出室14、流体抵抗部15及び共通液室17が形成される領域に開口を有するレジストパターンを形成する。この後、RIE等のドライエッチングを行い、吐出室14、流体抵抗部15及び共通液室17の形成される領域のシリコン酸化膜22を除去する。この後、残存しているフォトレジストを除去し、形成されたシリコン酸化膜22のパターンをマスクとしてICP方式によるドライエッチングを行うことにより、吐出室14、流体抵抗部15及び共通液室17となる領域の空間を形成する。尚、図3(d)以降は、図3(c)以前の図の上下を反転させたものである。   Next, as shown in FIG. 3 (d), regions that serve as the discharge chamber 14, the fluid resistance portion 15, and the common liquid chamber 17 are formed on the surface of the silicon substrate 4 opposite to the surface on which the piezoelectric elements are formed. . Specifically, a photoresist is applied on the silicon oxide film 22 formed on the opposite surface of the silicon substrate 4 simultaneously with the silicon oxide film 5, prebaked, and exposed and developed by an exposure apparatus. Then, a resist pattern having an opening is formed in a region where the discharge chamber 14, the fluid resistance portion 15, and the common liquid chamber 17 are formed. Thereafter, dry etching such as RIE is performed to remove the silicon oxide film 22 in the region where the discharge chamber 14, the fluid resistance portion 15, and the common liquid chamber 17 are formed. Thereafter, the remaining photoresist is removed, and dry etching by ICP method is performed using the formed pattern of the silicon oxide film 22 as a mask, thereby forming the discharge chamber 14, the fluid resistance portion 15, and the common liquid chamber 17. Form the space of the area. In FIG. 3D and subsequent figures, the top and bottom of the figure before FIG. 3C are inverted.

次に、図3(e)に示すように、別工程で作製したノズル基板である第2の基板2と第1の基板1とを接着する。具体的には、第2の基板2は、スルファミン酸浴で高速電鋳法により作製されたものであり、第1の基板1における吐出室14に対応したノズル孔20が形成されている。第1の基板1の吐出室14と、ノズル孔20との位置合わせを行った後、第1の基板1の圧電素子が形成されていない面において、第2の基板2とを接着する。   Next, as shown in FIG.3 (e), the 2nd board | substrate 2 and the 1st board | substrate 1 which are nozzle substrates produced at another process are adhere | attached. Specifically, the second substrate 2 is manufactured by a high-speed electroforming method using a sulfamic acid bath, and a nozzle hole 20 corresponding to the discharge chamber 14 in the first substrate 1 is formed. After the discharge chamber 14 of the first substrate 1 and the nozzle hole 20 are aligned, the second substrate 2 is bonded to the surface of the first substrate 1 where the piezoelectric element is not formed.

次に、図3(f)に示すように、別工程で作製した保護基板である第3の基板3と第1の基板1と接着する。具体的には、第3の基板3は、<110>のシリコン基板において、空間12の形成される領域に開口部を有するレジスト等のパターンを形成した後、TMAH、KOH等のアルカリエッチング液を用い所定の深さまでエッチングを行うことにより空間12を形成する。尚、樹脂モールドやメタルインジェクションモールド等の成型部品を用いても良い。このようにして、第1の基板1の圧電素子に形成されている領域に対応した空間12を有する第3の基板3が形成される。第3の基板3は、第1の基板1の圧電素子の形成されている面に接着され、圧電素子と空間12との位置合わせを行った後、接着される。   Next, as shown in FIG. 3F, the third substrate 3 and the first substrate 1 which are protective substrates manufactured in a separate process are bonded. Specifically, the third substrate 3 is a silicon substrate of <110>, and after forming a pattern such as a resist having an opening in a region where the space 12 is formed, an alkaline etching solution such as TMAH or KOH is used. The space 12 is formed by etching to a predetermined depth. A molded part such as a resin mold or a metal injection mold may be used. In this way, the third substrate 3 having the space 12 corresponding to the region formed in the piezoelectric element of the first substrate 1 is formed. The third substrate 3 is bonded to the surface of the first substrate 1 where the piezoelectric elements are formed, and after the piezoelectric elements and the space 12 are aligned, they are bonded.

この後、圧電素子の上部電極11と下部電極9を液体吐出ヘッドの駆動回路と接続することにより、本実施の形態の液体吐出ヘッドが完成する。   Thereafter, the liquid discharge head of the present embodiment is completed by connecting the upper electrode 11 and the lower electrode 9 of the piezoelectric element to the drive circuit of the liquid discharge head.

本実施の形態においては、振動板が多数の膜により形成されており、無負荷の状態では、吐出室14側に凸形状となっている。即ち、伸びようとする圧縮応力を内在する膜を吐出室14側に積層し、縮もうとする引張り応力が内在する膜を吐出室14とは反対側となるように積層することにより、負荷がかからない状態では、吐出室14側に凸形状となるような振動板を得ているのである。   In the present embodiment, the diaphragm is formed of a large number of films, and has a convex shape toward the discharge chamber 14 in an unloaded state. That is, a film containing a compressive stress to be stretched is laminated on the discharge chamber 14 side, and a film containing a tensile stress to be shrunk is laminated so as to be on the side opposite to the discharge chamber 14, whereby the load is increased. In such a state, a diaphragm having a convex shape on the discharge chamber 14 side is obtained.

Figure 2009274226
具体的には、表1に示すように、酸化シリコン膜5、ポリシリコン層6、酸化シリコン膜7、窒化シリコン膜8、下部電極9により、振動板が形成されるが、この振動板の吐出室14側の酸化シリコン膜5、ポリシリコン層6、酸化シリコン膜7は、圧縮応力が内在する膜であり、吐出室14より離れた窒化シリコン膜8、下部電極9は引張り応力内在させた膜となる。更に、下部電極9上には、引張り応力を内在する圧電体層10、上部電極11が形成されている。
Figure 2009274226
Specifically, as shown in Table 1, a diaphragm is formed by the silicon oxide film 5, the polysilicon layer 6, the silicon oxide film 7, the silicon nitride film 8, and the lower electrode 9. The silicon oxide film 5, the polysilicon layer 6, and the silicon oxide film 7 on the chamber 14 side are films in which compressive stress is present, and the silicon nitride film 8 and the lower electrode 9 that are separated from the discharge chamber 14 are films in which tensile stress is present. It becomes. Further, on the lower electrode 9, a piezoelectric layer 10 and an upper electrode 11 having a tensile stress are formed.

シリコン酸化膜5、7やポリシリコン層6は、成膜温度が600〜1000〔℃〕と高いが、シリコン基板4に対し、線膨張係数が小さいため圧縮応力を内在した膜となる。一方、LPCVDにより成膜した窒化シリコン膜8は、成膜温度は高いが、線膨張係数がシリコン基板4に対し大きいため引張り応力を内在する膜となる。また、スパッタリングにより成膜した下部電極9、上部電極11となるPt膜や、圧電体層10となるPZTもシリコン基板4に対し、大きいため引張り応力を内在させた膜となる。   Although the silicon oxide films 5 and 7 and the polysilicon layer 6 have a high film formation temperature of 600 to 1000 [° C.], they have a low linear expansion coefficient with respect to the silicon substrate 4 and have a compressive stress. On the other hand, the silicon nitride film 8 formed by LPCVD has a high film forming temperature but has a higher linear expansion coefficient than that of the silicon substrate 4 and therefore has a tensile stress. Further, since the Pt film to be the lower electrode 9 and the upper electrode 11 formed by sputtering and the PZT to be the piezoelectric layer 10 are also larger than the silicon substrate 4, they are films in which tensile stress is inherent.

本実施の形態では、上記膜をシリコン基板4上に積層形成した後、吐出室14となる領域のシリコン基板4をエッチングすることにより、薄いメンブレン(膜)状態とし振動板を形成しているため、各々の膜の内部応力により、振動板が吐出室14側に
凸形状となるように形成され、全体として張力の弱い膜となっている。このことにより、振動板が変形しやすく、小さな電圧印加によって大きな変位量を得ることができるアクチュエータを形成することができる。これにより、効率が良く、また、小型化可能な液滴吐出ヘッドを作製することが可能となるのである。
In the present embodiment, since the film is stacked on the silicon substrate 4 and then the silicon substrate 4 in the region to be the discharge chamber 14 is etched, the diaphragm is formed in a thin membrane (film) state. The diaphragm is formed in a convex shape on the discharge chamber 14 side by the internal stress of each film, and the film as a whole has a low tension. As a result, the diaphragm can be easily deformed, and an actuator that can obtain a large amount of displacement by applying a small voltage can be formed. This makes it possible to produce a droplet discharge head that is efficient and can be miniaturized.

また、各々の膜の応力により、振動板の形状を吐出室14に凸形状となるように形成しているため、振動板を連続的に振動させた際にも、残留振動により振動板が凹状態になりにくく、横振動モードで収縮動作を行う薄膜圧電素子の変形を妨げ難い構造となっている。これによって、より一層効率よく振動板を変形させることが可能となる。   In addition, since the diaphragm is formed in a convex shape in the discharge chamber 14 by the stress of each film, the diaphragm is recessed by residual vibration even when the diaphragm is continuously vibrated. The structure is difficult to prevent the deformation of the thin film piezoelectric element that contracts in the transverse vibration mode. As a result, the diaphragm can be more efficiently deformed.

尚、本実施の形態における液体吐出ヘッドは、インク流路からノズルである吐出口にかけての形状が、直線的であるエッジシューター方式であってもよいし、本実施の形態において説明したようなインク流路の向きとノズルである吐出口の向きが異なるサイドシューター方式であってもよい。   The liquid discharge head in the present embodiment may be an edge shooter system in which the shape from the ink flow path to the discharge port that is the nozzle is linear, or the ink described in the present embodiment A side shooter system in which the direction of the flow path and the direction of the discharge port as the nozzle are different may be used.

〔第2の実施の形態〕
本発明における第2の実施の形態は、インクカートリッジである。具体的に、図4に基づき説明する。図4は、本実施の形態におけるインクカートリッジの斜視図である。
[Second Embodiment]
The second embodiment of the present invention is an ink cartridge. Specifically, a description will be given based on FIG. FIG. 4 is a perspective view of the ink cartridge in the present embodiment.

このインクカートリッジは、ノズル20等を有する上記各実施形態のいずれかのインクジェットヘッド61と、このインクジェットヘッド61に対してインクを供給するインクタンク62とを一体化したものである。   This ink cartridge is obtained by integrating the ink jet head 61 according to any of the above embodiments having the nozzle 20 and the like, and the ink tank 62 for supplying ink to the ink jet head 61.

このようにインクタンク一体型のヘッドの場合、ヘッドの低コスト化、信頼性向上は、ただちにインクカートリッジ全体の低コスト化、信頼性向上につながるので、上述したように低コスト化、高信頼性化、製造不良を低減することで、インクカートリッジの歩留まり、信頼性が向上し、ヘッド一体型インクカートリッジの低コスト化を図ることができる。   In this way, in the case of an ink tank integrated head, the cost reduction and reliability improvement of the head immediately lead to the cost reduction and reliability improvement of the entire ink cartridge. Therefore, as described above, the cost reduction and high reliability are achieved. By reducing the manufacturing and manufacturing defects, the yield and reliability of the ink cartridge can be improved, and the cost of the head-integrated ink cartridge can be reduced.

〔第3の実施の形態〕
本発明における第3の実施の形態は、画像形成装置であるインクジェット記録装置である。図5に本実施の形態におけるインクジェット記録装置の斜視図、図6に本実施形態におけるインクジェット記録装置の機構部の側面図を示す。
[Third Embodiment]
The third embodiment of the present invention is an ink jet recording apparatus which is an image forming apparatus. FIG. 5 is a perspective view of the ink jet recording apparatus according to the present embodiment, and FIG. 6 is a side view of the mechanism portion of the ink jet recording apparatus according to the present embodiment.

このインクジェット記録装置は、記録装置本体81の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明を実施したインクジェットヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部82等を収納し、装置本体81の下方部には前方側から多数枚の用紙83を積載可能な給紙カセット(或いは給紙トレイでもよい。)84を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙83を手差しで給紙するための手差しトレイ85を開倒することができ、給紙カセット84或いは手差しトレイ85から給送される用紙83を取り込み、印字機構部82によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ86に排紙する。   This ink jet recording apparatus includes a carriage movable in the main scanning direction inside the recording apparatus main body 81, a recording head composed of an ink jet head embodying the present invention mounted on the carriage, an ink cartridge for supplying ink to the recording head, and the like. A sheet feeding cassette (or a sheet feeding tray) 84 on which a large number of sheets 83 can be stacked from the front side is detachably attached to the lower part of the apparatus main body 81. The manual feed tray 85 for manually feeding the paper 83 can be opened, the paper 83 fed from the paper feed cassette 84 or the manual feed tray 85 is taken in, and the printing mechanism 82 After recording a required image, the image is discharged to a paper discharge tray 86 mounted on the rear side.

印字機構部82は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド91と従ガイドロッド92とでキャリッジ93を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ93にはイエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を吐出する本発明に係るインクジェットヘッドからなるヘッド94を複数のインク吐出口(ノズル)を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ93にはヘッド94に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ95を交換可能に装着している。   The printing mechanism 82 holds a carriage 93 slidably in the main scanning direction by a main guide rod 91 and a sub guide rod 92 which are guide members horizontally mounted on left and right side plates (not shown). (Y), cyan (C), magenta (M), black (Bk) A head 94 comprising an ink jet head according to the present invention for ejecting ink droplets of each color has a plurality of ink ejection openings (nozzles) as the main scanning direction. They are arranged in the intersecting direction and mounted with the ink droplet ejection direction facing downward. In addition, each ink cartridge 95 for supplying ink of each color to the head 94 is replaceably mounted on the carriage 93.

インクカートリッジ95は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド94を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する1個のヘッドでもよい。   The ink cartridge 95 has an air port that communicates with the atmosphere upward, a supply port that supplies ink to the inkjet head below, and a porous body filled with ink inside, and the capillary force of the porous body. Thus, the ink supplied to the inkjet head is maintained at a slight negative pressure. Further, although the heads 94 of the respective colors are used here as the recording heads, a single head having nozzles for ejecting ink droplets of the respective colors may be used.

ここで、キャリッジ93は後方側(用紙搬送方向下流側)を主ガイドロッド91に摺動自在に嵌装し、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッド92に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ93を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ97で回転駆動される駆動プーリ98と従動プーリ99との間にタイミングベルト100を張装し、このタイミングベルト100をキャリッジ93に固定しており、主走査モータ97の正逆回転によりキャリッジ93が往復駆動される。   Here, the carriage 93 is slidably fitted to the main guide rod 91 on the rear side (downstream side in the paper conveyance direction), and is slidably mounted on the sub guide rod 92 on the front side (upstream side in the paper conveyance direction). is doing. In order to move and scan the carriage 93 in the main scanning direction, a timing belt 100 is stretched between a driving pulley 98 and a driven pulley 99 that are rotationally driven by a main scanning motor 97, and the timing belt 100 is moved to the carriage 93. The carriage 93 is driven to reciprocate by forward and reverse rotation of the main scanning motor 97.

一方、給紙カセット84にセットした用紙83をヘッド94の下方側に搬送するために、給紙カセット84から用紙83を分離給装する給紙ローラ101及びフリクションパッド102と、用紙83を案内するガイド部材103と、給紙された用紙83を反転させて搬送する搬送ローラ104と、この搬送ローラ104の周面に押し付けられる搬送コロ105及び搬送ローラ104からの用紙83の送り出し角度を規定する先端コロ106とを設けている。搬送ローラ104は副走査モータ107によってギヤ列を介して回転駆動される。   On the other hand, in order to convey the paper 83 set in the paper feed cassette 84 to the lower side of the head 94, the paper feed roller 101 and the friction pad 102 for separating and feeding the paper 83 from the paper feed cassette 84 and the paper 83 are guided. A guide member 103, a transport roller 104 that reverses and transports the fed paper 83, a transport roller 105 that is pressed against the peripheral surface of the transport roller 104, and a leading end that defines a feed angle of the paper 83 from the transport roller 104 A roller 106 is provided. The transport roller 104 is rotationally driven by a sub-scanning motor 107 through a gear train.

そして、キャリッジ93の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ104から送り出された用紙83を記録ヘッド94の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材109を設けている。この印写受け部材109の用紙搬送方向下流側には、用紙83を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ111、拍車112を設け、さらに用紙83を排紙トレイ86に送り出す排紙ローラ113及び拍車114と、排紙経路を形成するガイド部材115,116とを配設している。   A printing receiving member 109 is provided as a paper guide member that guides the paper 83 sent from the transport roller 104 below the recording head 94 in accordance with the movement range of the carriage 93 in the main scanning direction. A conveyance roller 111 and a spur 112 that are rotationally driven to send the paper 83 in the paper discharge direction are provided on the downstream side of the printing receiving member 109 in the paper conveyance direction, and the paper 83 is further delivered to the paper discharge tray 86. A roller 113 and a spur 114, and guide members 115 and 116 that form a paper discharge path are disposed.

記録時には、キャリッジ93を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド94を駆動することにより、停止している用紙83にインクを吐出して1行分を記録し、用紙83を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙83の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙83を排紙する。   At the time of recording, the recording head 94 is driven according to the image signal while moving the carriage 93, thereby ejecting ink onto the stopped sheet 83 to record one line. Record the line. Upon receiving a recording end signal or a signal that the trailing edge of the paper 83 has reached the recording area, the recording operation is terminated and the paper 83 is discharged.

また、キャリッジ93の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド94の吐出不良を回復するための回復装置117を配置している。回復装置117はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ93は印字待機中にはこの回復装置117側に移動されてキャッピング手段でヘッド94をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。   Further, a recovery device 117 for recovering defective ejection of the head 94 is disposed at a position outside the recording area on the right end side in the movement direction of the carriage 93. The recovery device 117 includes a cap unit, a suction unit, and a cleaning unit. The carriage 93 is moved to the recovery device 117 side during printing standby and the head 94 is capped by the capping means, and the ejection port portion is kept in a wet state to prevent ejection failure due to ink drying. Further, by ejecting ink that is not related to recording during recording or the like, the ink viscosity of all the ejection ports is made constant and stable ejection performance is maintained.

吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド94の吐出口(ノズル)を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜(不図示)に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。   When a discharge failure occurs, the discharge port (nozzle) of the head 94 is sealed with a capping unit, and bubbles and the like are sucked out from the discharge port with the suction unit through the tube. Is removed by the cleaning means to recover the ejection failure. Further, the sucked ink is discharged to a waste ink reservoir (not shown) installed at the lower part of the main body and absorbed and held by an ink absorber inside the waste ink reservoir.

このように、このインクジェット記録装置においては本発明を実施したインクジェットヘッドを搭載しているので、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質が向上する。   As described above, since the inkjet head embodying the present invention is mounted in this inkjet recording apparatus, there is no ink droplet ejection failure due to vibration plate drive failure, stable ink droplet ejection characteristics are obtained, and image quality is improved. improves.

なお、上記実施形態においては、液滴吐出ヘッドとしてインクジェットヘッドに適用した例で説明したが、インクジェットヘッド以外の液滴吐出ヘッドとして、例えば、液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッド、DNAの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッド(スポッタ)などの他の液滴吐出ヘッドにも適用することができる。   In the above-described embodiment, the example in which the ink jet head is applied as a liquid droplet ejecting head has been described. The present invention can also be applied to other droplet discharge heads such as a droplet discharge head (spotter) that discharges the sample as droplets.

〔第4の実施の形態〕
第4の実施の形態は、本発明における圧電アクチュエータ及びこの圧電アクチュエータを用いたマイクロポンプである。本実施の形態の圧電アクチュエータについて、図7に基づき説明する。本実施の形態における圧電アクチュエータは、圧縮応力を内在している膜24と引張り応力を内在している膜25からなる振動板上に、下部電極26、圧電体層27、上部電極28が形成されている。下部電極26、圧電体層27、上部電極28により構成される圧電素子により、振動板が変位する構造の圧電アクチュエータである。振動板は、上述のとおり、圧縮応力を内在している膜24と引張り応力を内在している膜25の積層により構成されている。具体的には、圧縮応力を有する膜24は、ウエット酸化法により形成されたシリコン酸化物(SiO)からなるシリコン酸化膜、LPCVD法により形成されたポリシリコン層、LPCVD法により形成されたシリコン酸化物(SiO)からなるシリコン酸化膜を積層することにより形成される。また、引張り応力を内在している膜25は、LPCVD法により形成したシリコン窒化物(Si)からなるシリコン窒化膜により形成される。尚、下部電極26、圧電体層27、上部電極28は、いずれも引張り応力を有する膜である。
[Fourth Embodiment]
The fourth embodiment is a piezoelectric actuator according to the present invention and a micropump using this piezoelectric actuator. The piezoelectric actuator of this embodiment will be described with reference to FIG. In the piezoelectric actuator according to the present embodiment, a lower electrode 26, a piezoelectric layer 27, and an upper electrode 28 are formed on a diaphragm including a film 24 containing compressive stress and a film 25 containing tensile stress. ing. This is a piezoelectric actuator having a structure in which a diaphragm is displaced by a piezoelectric element composed of a lower electrode 26, a piezoelectric layer 27, and an upper electrode 28. As described above, the diaphragm is formed by stacking the film 24 containing the compressive stress and the film 25 containing the tensile stress. Specifically, the film 24 having compressive stress includes a silicon oxide film made of silicon oxide (SiO 2 ) formed by wet oxidation, a polysilicon layer formed by LPCVD, and silicon formed by LPCVD. It is formed by stacking silicon oxide films made of oxide (SiO 2 ). The film 25 containing the tensile stress is formed of a silicon nitride film made of silicon nitride (Si 3 O 4 ) formed by LPCVD. The lower electrode 26, the piezoelectric layer 27, and the upper electrode 28 are all films having tensile stress.

次に、本実施の形態におけるマイクロポンプについて図8に基づき説明する。本実施の形態におけるマイクロポンプは、上述の圧電アクチュエータを含んだ構成のものである。具体的には、本実施の形態におけるマイクロポンプは、振動板30が紙面横方向に連続して設けられており、流路33を形成しており、この流路33内を液体が流れる構造となっている。尚、図面上振動板30は多層膜により形成されている。   Next, the micropump in the present embodiment will be described with reference to FIG. The micropump in the present embodiment has a configuration including the above-described piezoelectric actuator. Specifically, the micropump in the present embodiment has a structure in which the diaphragm 30 is continuously provided in the horizontal direction on the paper surface, forms a flow path 33, and a liquid flows through the flow path 33. It has become. In the drawing, the diaphragm 30 is formed of a multilayer film.

振動板30の流路と反対の面に複数設けられた圧電素子37を図面右側より順次駆動することにより、振動板30が順次変形し、流路33内の流体は、矢印の方向に流れ、流体を輸送することが可能となる。   By sequentially driving a plurality of piezoelectric elements 37 provided on the surface opposite to the flow path of the vibration plate 30 from the right side of the drawing, the vibration plate 30 is sequentially deformed, and the fluid in the flow path 33 flows in the direction of the arrow, It becomes possible to transport the fluid.

本実施の形態におけるマイクロポンプは、小さな電圧印加により大きな変位量を得ることができるため、高い効率のマイクロポンプを得ることができる。   Since the micropump in this embodiment can obtain a large displacement by applying a small voltage, a highly efficient micropump can be obtained.

〔第5の実施の形態〕
第5の実施の形態は、本発明における光変調デバイスである。具体的に、図9に基づき説明する。本実施の形態における振動板36はミラーを兼ね備えた構成のものである。図に示すように、振動板36のミラーとしての機能を有する面と反対の面には、圧電素子38が二次元的に複数配列されている。振動板36はつなぎ目がなく、圧電素子38の駆動により、振動板36の表面が変形する。
[Fifth Embodiment]
The fifth embodiment is an optical modulation device according to the present invention. Specifically, a description will be given based on FIG. The diaphragm 36 in the present embodiment has a configuration that also includes a mirror. As shown in the drawing, a plurality of piezoelectric elements 38 are two-dimensionally arranged on the surface of the diaphragm 36 opposite to the surface having a function as a mirror. The diaphragm 36 has no joints, and the surface of the diaphragm 36 is deformed by driving the piezoelectric element 38.

具体的には、光源31からの光はレンズ34を介してミラーとなる振動板36の表面に照射される。このミラーとなる振動板36が駆動されていない領域に入射した光は、投影用レンズ32へ入射する。一方、圧電素子38に電圧が印加されている領域のミラーとなる振動板36に入射した光は、ミラーとなる振動板36の表面が凹面鏡となるため、光は散乱し投影用レンズ32にはほとんど入射しない。投影用レンズ32に入射した光は、不図示のスクリーン等に投影される。この状態を図10に基づき説明する。図10は、本実施の形態に係る光変調デバイスの斜視図である。本図に示されるように、ミラーとなる振動板36の背面には、二次元的に圧電素子38が形成されており、各々の圧電素子38は独立に制御することができ、これにより、不図示のスクリーン上に画像を表示することができる。尚、本図では、圧電素子38が4×4で配列されている構成を示したが、より多くの圧電素子を配列することも可能である。   Specifically, the light from the light source 31 is applied to the surface of the diaphragm 36 serving as a mirror through the lens 34. The light incident on the region where the vibration plate 36 serving as the mirror is not driven enters the projection lens 32. On the other hand, the light incident on the vibration plate 36 serving as a mirror in the region where the voltage is applied to the piezoelectric element 38 is scattered because the surface of the vibration plate 36 serving as the mirror becomes a concave mirror. Almost no incident. The light incident on the projection lens 32 is projected onto a screen (not shown) or the like. This state will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a perspective view of the light modulation device according to the present embodiment. As shown in the figure, a piezoelectric element 38 is two-dimensionally formed on the back surface of the vibration plate 36 serving as a mirror, and each piezoelectric element 38 can be controlled independently. Images can be displayed on the screen shown. In the drawing, the configuration in which the piezoelectric elements 38 are arranged in 4 × 4 is shown, but more piezoelectric elements can be arranged.

以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。   As mentioned above, although the form which concerns on implementation of this invention was demonstrated, the said content does not limit the content of invention.

第1の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドの分解斜視図1 is an exploded perspective view of a droplet discharge head according to a first embodiment. 第1の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドの要部断面図及び上面図1 is a cross-sectional view and a top view of a main part of a droplet discharge head according to a first embodiment. 第1の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドの製造工程図Manufacturing process diagram of liquid droplet ejection head according to the first embodiment 第2の実施の形態に係るインクカートリッジの斜視図The perspective view of the ink cartridge which concerns on 2nd Embodiment 第3の実施の形態に係る画像形成装置の斜視図A perspective view of an image forming apparatus according to a third embodiment 第3の実施の形態に係る画像形成装置の断面図Sectional drawing of the image forming apparatus which concerns on 3rd Embodiment 第4の実施の形態に係る圧電アクチュエータの断面図Sectional drawing of the piezoelectric actuator which concerns on 4th Embodiment 第4の実施の形態に係るマイクロポンプの断面図Sectional drawing of the micropump which concerns on 4th Embodiment 第5の実施の形態に係る光変調デバイスの断面図Sectional drawing of the light modulation device which concerns on 5th Embodiment 第5の実施の形態に係る光変調デバイスの斜視図The perspective view of the light modulation device which concerns on 5th Embodiment

符号の説明Explanation of symbols

1 第1の基板
2 第2の基板
3 第3の基板
4 シリコン基板
5 シリコン酸化膜
6 ポリシリコン層
7 シリコン酸化膜
8 シリコン窒化膜
9 下部電極
10 圧電体層
11 上部電極
12 空間
14 吐出室
20 ノズル孔
22 シリコン酸化膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st board | substrate 2 2nd board | substrate 3 3rd board | substrate 4 Silicon substrate 5 Silicon oxide film 6 Polysilicon layer 7 Silicon oxide film 8 Silicon nitride film 9 Lower electrode 10 Piezoelectric layer 11 Upper electrode 12 Space 14 Discharge chamber 20 Nozzle hole 22 Silicon oxide film

Claims (9)

液滴を吐出するノズル孔を有するノズル板と、
前記ノズル孔に対応した吐出室を形成する隔壁と、
前記吐出室の壁を構成する変形可能な振動板と、
前記振動板の前記吐出室が形成される面とは反対の面上に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成された圧電体層と、
前記圧電体層上に形成された上部電極と、
を有する液滴吐出ヘッドにおいて、
前記振動板、前記下部電極、前記圧電体層、前記上部電極により生ずる膜応力を合わせた膜応力が圧縮応力であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
A nozzle plate having nozzle holes for discharging droplets;
A partition wall forming a discharge chamber corresponding to the nozzle hole;
A deformable diaphragm constituting a wall of the discharge chamber;
A lower electrode formed on a surface opposite to a surface on which the discharge chamber of the diaphragm is formed;
A piezoelectric layer formed on the lower electrode;
An upper electrode formed on the piezoelectric layer;
In a droplet discharge head having
2. A droplet discharge head according to claim 1, wherein a film stress including a film stress generated by the vibration plate, the lower electrode, the piezoelectric layer, and the upper electrode is a compressive stress.
前記振動板は、電圧を印加していない状態においては、前記吐出室側に凸形状となっていることを特徴とする請求項1に記載の液滴吐出ヘッド。   2. The droplet discharge head according to claim 1, wherein the vibration plate has a convex shape toward the discharge chamber when no voltage is applied. 前記振動板は、少なくとも圧縮応力を有する膜と、引張り応力を有する膜との2層以上の膜を積層形成することにより形成されるものであって、
前記振動板は、圧縮応力を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の液滴吐出ヘッド。
The diaphragm is formed by laminating two or more layers of a film having at least a compressive stress and a film having a tensile stress,
3. The droplet discharge head according to claim 1, wherein the vibration plate has a compressive stress.
請求項1から3のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドと、
前記液滴吐出ヘッドと一体化されており、前記液滴吐出ヘッドにインクを供給するためのインクタンクと、
を有することを特徴とするインクカートリッジ。
A droplet discharge head according to any one of claims 1 to 3,
An ink tank integrated with the droplet discharge head, for supplying ink to the droplet discharge head;
An ink cartridge comprising:
請求項1から3のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドから吐出する液滴により画像を形成することを特徴とする画像形成装置。   An image forming apparatus, wherein an image is formed by droplets ejected from the droplet ejection head according to claim 1. 変形可能な振動板と、
前記振動板の一方の面に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成された圧電体層と、
前記圧電体層上に形成された上部電極と、
を有する圧電アクチュエータにおいて、
前記振動板、前記下部電極、前記圧電体層、前記上部電極により生ずる膜応力を合わせた膜応力が圧縮応力であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
A deformable diaphragm,
A lower electrode formed on one surface of the diaphragm;
A piezoelectric layer formed on the lower electrode;
An upper electrode formed on the piezoelectric layer;
In a piezoelectric actuator having
A piezoelectric actuator characterized in that a film stress, which is a combination of film stresses generated by the diaphragm, the lower electrode, the piezoelectric layer, and the upper electrode, is a compressive stress.
前記振動板は、少なくとも圧縮応力を有する膜と、引張り応力を有する膜との2層以上の膜を積層形成することにより形成されるものであって、
前記振動板は、圧縮応力を有することを特徴とする請求項6に記載の圧電アクチュエータ。
The diaphragm is formed by laminating two or more layers of a film having at least a compressive stress and a film having a tensile stress,
The piezoelectric actuator according to claim 6, wherein the diaphragm has a compressive stress.
請求項6又は7に記載の圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータにおける前記振動板を壁面の一部とする流路と、
を備え、前記振動板の変形により液体を輸送することを特徴とするマイクロポンプ。
A piezoelectric actuator according to claim 6 or 7,
A flow path having the diaphragm in the piezoelectric actuator as a part of a wall surface;
And a liquid is transported by deformation of the diaphragm.
請求項6又は7に記載の圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータの変形により、光の反射方向を変化させるミラーと、
を備えたことを特徴とする光変調デバイス。
A piezoelectric actuator according to claim 6 or 7,
A mirror that changes the reflection direction of light by deformation of the piezoelectric actuator;
A light modulation device comprising:
JP2008124931A 2008-05-12 2008-05-12 Liquid droplet ejecting head, ink cartridge, image forming apparatus, piezoelectric actuator, micropump, and light modulating device Pending JP2009274226A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008124931A JP2009274226A (en) 2008-05-12 2008-05-12 Liquid droplet ejecting head, ink cartridge, image forming apparatus, piezoelectric actuator, micropump, and light modulating device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008124931A JP2009274226A (en) 2008-05-12 2008-05-12 Liquid droplet ejecting head, ink cartridge, image forming apparatus, piezoelectric actuator, micropump, and light modulating device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2009274226A true JP2009274226A (en) 2009-11-26

Family

ID=41440104

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008124931A Pending JP2009274226A (en) 2008-05-12 2008-05-12 Liquid droplet ejecting head, ink cartridge, image forming apparatus, piezoelectric actuator, micropump, and light modulating device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2009274226A (en)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011140117A (en) * 2010-01-05 2011-07-21 Konica Minolta Holdings Inc Thin film actuator and inkjet head
JP2012158011A (en) * 2011-01-31 2012-08-23 Ricoh Co Ltd Droplet ejection head, liquid cartridge, and image forming apparatus
JP2013065698A (en) * 2011-09-16 2013-04-11 Ricoh Co Ltd Electro-mechanical conversion element, droplet discharge head, droplet discharge device, and image forming apparatus
JP2014154740A (en) * 2013-02-12 2014-08-25 Ricoh Co Ltd Piezoelectric thin film element, piezoelectric actuator, liquid jetting head and droplet discharge device
JP2014533619A (en) * 2011-11-30 2014-12-15 オセ−テクノロジーズ ビーブイ Ink jet print head and manufacturing method thereof
JP2016046335A (en) * 2014-08-21 2016-04-04 株式会社リコー Electromechanical conversion member, droplet discharge device, image forming apparatus, and method of forming electromechanical conversion member
EP3608108A1 (en) * 2018-08-09 2020-02-12 Brother Kogyo Kabushiki Kaisha Liquid ejection head
US11130335B2 (en) 2019-03-19 2021-09-28 Ricoh Company, Ltd. Piezoelectric thin-film element, liquid discharge head, head module, liquid discharge device, liquid discharge apparatus, and method for manufacturing piezoelectric thin-film element

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1034924A (en) * 1996-05-21 1998-02-10 Seiko Epson Corp Piezoelectric actuator unit, manufacture thereof, and ink jet recording head employing it
JPH10181015A (en) * 1996-10-28 1998-07-07 Seiko Epson Corp Ink-jet recording head and its manufacture
JP2000141643A (en) * 1998-09-03 2000-05-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd Ink jet head
JP3385935B2 (en) * 1997-09-08 2003-03-10 セイコーエプソン株式会社 Ink jet recording head and method of manufacturing the same
JP2008099364A (en) * 2006-10-06 2008-04-24 Ricoh Co Ltd Electrostatic actuator, liquid droplet discharge head, manufacturing method of the electrostatic actuator, ink cartridge, ink jet recording apparatus, micropump and optical modulation device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1034924A (en) * 1996-05-21 1998-02-10 Seiko Epson Corp Piezoelectric actuator unit, manufacture thereof, and ink jet recording head employing it
JPH10181015A (en) * 1996-10-28 1998-07-07 Seiko Epson Corp Ink-jet recording head and its manufacture
JP3385935B2 (en) * 1997-09-08 2003-03-10 セイコーエプソン株式会社 Ink jet recording head and method of manufacturing the same
JP2000141643A (en) * 1998-09-03 2000-05-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd Ink jet head
JP2008099364A (en) * 2006-10-06 2008-04-24 Ricoh Co Ltd Electrostatic actuator, liquid droplet discharge head, manufacturing method of the electrostatic actuator, ink cartridge, ink jet recording apparatus, micropump and optical modulation device

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011140117A (en) * 2010-01-05 2011-07-21 Konica Minolta Holdings Inc Thin film actuator and inkjet head
JP2012158011A (en) * 2011-01-31 2012-08-23 Ricoh Co Ltd Droplet ejection head, liquid cartridge, and image forming apparatus
JP2013065698A (en) * 2011-09-16 2013-04-11 Ricoh Co Ltd Electro-mechanical conversion element, droplet discharge head, droplet discharge device, and image forming apparatus
JP2014533619A (en) * 2011-11-30 2014-12-15 オセ−テクノロジーズ ビーブイ Ink jet print head and manufacturing method thereof
JP2014154740A (en) * 2013-02-12 2014-08-25 Ricoh Co Ltd Piezoelectric thin film element, piezoelectric actuator, liquid jetting head and droplet discharge device
JP2016046335A (en) * 2014-08-21 2016-04-04 株式会社リコー Electromechanical conversion member, droplet discharge device, image forming apparatus, and method of forming electromechanical conversion member
EP3608108A1 (en) * 2018-08-09 2020-02-12 Brother Kogyo Kabushiki Kaisha Liquid ejection head
JP2020026037A (en) * 2018-08-09 2020-02-20 ブラザー工業株式会社 Liquid discharge head
US10744769B2 (en) 2018-08-09 2020-08-18 Brother Kogyo Kabushiki Kaisha Liquid ejection head including vibrating film and piezoelectric film deflecting toward pressure chambers
JP7095477B2 (en) 2018-08-09 2022-07-05 ブラザー工業株式会社 Liquid discharge head
JP2022120171A (en) * 2018-08-09 2022-08-17 ブラザー工業株式会社 Liquid discharge head
US11130335B2 (en) 2019-03-19 2021-09-28 Ricoh Company, Ltd. Piezoelectric thin-film element, liquid discharge head, head module, liquid discharge device, liquid discharge apparatus, and method for manufacturing piezoelectric thin-film element

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2009274226A (en) Liquid droplet ejecting head, ink cartridge, image forming apparatus, piezoelectric actuator, micropump, and light modulating device
JP5618208B2 (en) Droplet discharge head, liquid cartridge, and image forming apparatus
JP2004066652A (en) Liquid droplet jetting head, ink cartridge, and ink jet recorder
JP2012051236A (en) Droplet ejecting head
JP2012061689A (en) Liquid droplet ejection head, method for manufacturing liquid droplet ejection head, liquid cartridge and image forming apparatus
JP2012121199A (en) Liquid droplet delivering head, ink cartridge and image forming apparatus
JP2010165724A (en) Actuator, droplet discharge head, ink cartridge, and image forming apparatus
JP4282342B2 (en) Droplet discharge head and apparatus using the droplet discharge head
JP4111809B2 (en) Electrostatic actuator, droplet discharge head and manufacturing method thereof, ink cartridge, inkjet recording apparatus, micropump, optical device, image forming apparatus, and apparatus for discharging droplets
JP2004090297A (en) Liquid drop ejection head and inkjet recorder
JP2003211394A (en) Electrostatic actuator, droplet discharge head, ink jet recording device, micropump, and optical device
JP4527466B2 (en) Liquid ejection head and image forming apparatus
JP2009066904A (en) Liquid jet head and image forming apparatus
JP2008099364A (en) Electrostatic actuator, liquid droplet discharge head, manufacturing method of the electrostatic actuator, ink cartridge, ink jet recording apparatus, micropump and optical modulation device
JP2003260795A (en) Liquid drop discharge head and inkjet recorder
JP2003245897A (en) Electrostatic actuator, drop discharge head, and inkjet recording device
JP2009269334A (en) Heat bending actuator, liquid discharge head, ink cartridge, micropump, light modulation device, and image formation apparatus
JP4115210B2 (en) Electrostatic actuator, droplet discharge head and manufacturing method thereof, ink cartridge, micropump, optical device, image forming apparatus, and droplet discharge apparatus
JP4424695B2 (en) Electrostatic actuator, droplet discharge head, image forming apparatus, and micropump
JP6701784B2 (en) Liquid ejection head, liquid ejection unit, and device for ejecting liquid
JP5195097B2 (en) Electrostatic actuator manufacturing method, droplet discharge head, liquid cartridge, image forming apparatus, micropump, and optical device
JP2004114315A (en) Liquid drop ejecting head, ink cartridge, and inkjet recorder
JP2010284825A (en) Liquid droplet ejecting head, liquid cartridge and image forming apparatus
JP2003089203A (en) Liquid drop discharge head and ink jet recorder
JP2003340796A (en) Electrostatic actuator, liquid drop ejection head and ink jet recorder

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20110112

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120410

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20120731