JP2013248762A - Inkjet recording head - Google Patents

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和彦 板谷
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small-sized and readily integrated thermal actuator type inkjet recording head increased in degree of freedom in liquid selection, having no problem of kogation, large in drive volume, large in drive energy, and high in reliability.SOLUTION: An inkjet recording head of one embodiment includes a pressure generation chamber having a nozzle plate provided with a nozzle opening for discharging ink, a sidewall part, and a movable plate facing the nozzle plate with the sidewall part interposed. The movable plate includes a first elastic film having a fixed end whose peripheral part is fixed to the sidewall part, and a second elastic film laminated on the first elastic film extending from the fixed end of the first elastic film toward a central part, not laminated on the central part of the first elastic film, and different from the first elastic film in thermal expansion coefficient.

Description

本発明の実施の形態は、インクジェット式記録ヘッドに関する。   Embodiments described herein relate generally to an ink jet recording head.

プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ等の画像記録装置(画像形成装置)として用いるインクジェット式記録装置では、マイクロアクチュエータを含む液滴吐出ヘッドであるインクジェット式記録ヘッドが使用される。インクジェット式記録ヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する液室(加圧室、圧力室、加圧液室、インク流路、吐出室等とも称される)と、この液室内のインクを加圧する圧力発生手段(アクチュエータ手段)とを備える。そして、アクチュエータ手段を駆動することで液室内インクを加圧してノズルからインク滴を吐出させる。   In an ink jet recording apparatus used as an image recording apparatus (image forming apparatus) such as a printer, a facsimile machine, a copying apparatus, or a plotter, an ink jet recording head that is a droplet discharge head including a microactuator is used. An ink jet recording head includes a nozzle that ejects ink droplets, a liquid chamber (also referred to as a pressure chamber, a pressure chamber, a pressurized liquid chamber, an ink flow path, and a discharge chamber) that communicates with the nozzle, Pressure generating means (actuator means) for pressurizing the ink in the chamber. Then, the actuator means is driven to pressurize the ink in the liquid chamber and eject ink droplets from the nozzles.

従来のインクジェット式記録ヘッドは、アクチュエータ手段の種類という点から、圧電素子を用いて液室の壁面を形成す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、液室内に配設した発熱抵抗体を用いてインクの膜沸騰でバブルを発生させてインク滴を吐出させるバブル型のもの、熱膨張に伴う機械的変形によるアクチュエータ効果を発生するサーマルアクチュエータ型のもの、液室の壁面を形成する振動板(又はこれと一体の電極)と対向電極を用いて静電力で振動板を変形変位させることでインク滴を吐出させる静電型のものに大別される。   A conventional ink jet recording head is a piezoelectric type that discharges ink droplets by deforming and displacing a diaphragm that forms the wall surface of a liquid chamber using a piezoelectric element in terms of the type of actuator means. Bubble type that generates bubbles by ink film boiling using a heating resistor installed to eject ink droplets, thermal actuator type that generates actuator effect due to mechanical deformation accompanying thermal expansion, liquid chamber It is roughly classified into an electrostatic type that ejects ink droplets by deforming and displacing the diaphragm with an electrostatic force using a diaphragm (or an electrode integrated with the diaphragm) forming a wall surface and a counter electrode.

特開平2−030543号公報JP-A-2-030543

上述したようなインクジェット式記録ヘッドの内、ピエゾ型にあっては、圧電素子がインクに直接接触せず、圧電素子の発熱も無視できるため、使用するインク種類の制約がないという利点がある。反面、圧電素子の高熱処理(PZT焼成)、積層型圧電素子を用いる場合には分割化、個々の圧電素子の位置合わせ等の機械的、熱的な技術課題が大きく、煩雑な工程と装置によってコストが高くなる。   Among the ink jet recording heads described above, the piezoelectric type has an advantage that there is no restriction on the type of ink to be used because the piezoelectric element does not directly contact the ink and the heat generation of the piezoelectric element can be ignored. On the other hand, high heat treatment (PZT firing) of piezoelectric elements, and when using stacked piezoelectric elements, mechanical and thermal technical issues such as segmentation and alignment of individual piezoelectric elements are significant, and complicated processes and equipment are used. Cost increases.

また、バブル型にあっては、半導体技術の応用によってヒータを非常に小さくできることから、ヘッドの高集積化、小型化が容易であるという利点を有する反面、バブルを発生させるためにヒータ表面温度が400〜450℃と高くなる。このため、インクに極端な高熱を与えることからインク組成が変化し、ヒータのインク接触部分でのコゲーションが発生する。そのため、インク染料の選択が重要になり、顔料インクを使用することが難しく、カラー画像の高画質化に限界が生じ、またコゲーションによるヒータの劣化でバブル発生が不良になったり、高熱のためにヒータ保護膜が劣化してクラックによるヒータ断線が生じたりするなどの不良が発生し易い。   In the bubble type, since the heater can be made very small by application of semiconductor technology, it has the advantage of easy integration and miniaturization of the head. It becomes as high as 400 to 450 ° C. For this reason, since an extremely high heat is applied to the ink, the ink composition changes, and kogation occurs at the ink contact portion of the heater. For this reason, it is important to select ink dyes, it is difficult to use pigment ink, and there is a limit to improving the quality of color images. In addition, the generation of bubbles due to deterioration of heaters caused by kogation becomes poor, and heat is high. Defects such as heater breakage due to deterioration of the heater due to cracks are likely to occur.

また、サーマルアクチュエータ型にあっては、片持ち梁のバイメタルを使用したものと、両持ち梁の座屈変形を使用したものに分けられるが、片持ち梁のバイメタルを使用したものは駆動エネルギ(駆動圧力)が小さく、自由端のところで液漏れがあるという問題点があり、両持ち梁の座屈変形を使用したものは駆動体積が小さい。   In addition, the thermal actuator type can be divided into those using a cantilever bimetal and those using a cantilever buckling deformation, but those using a cantilever bimetal are driven energy ( There is a problem that the driving pressure is small and there is a liquid leak at the free end, and the one using the buckling deformation of the double-supported beam has a small driving volume.

さらに、静電型にあっては、ピエゾ型と同様に微細加工のプロセスが困難であり、材料選択性が少なく、プロセス工程が長く、コスト高になる。   Further, in the case of the electrostatic type, the microfabrication process is difficult as in the piezo type, the material selectivity is low, the process steps are long, and the cost is high.

インクジェット式記録ヘッドにおいては、インク滴を吐出する能力を増大させためには、駆動体積および駆動時にインクに印加される駆動エネルギを大きくすることが重要である。駆動エネルギは、一般に駆動体積とインクに印加される圧力の積に比例する。   In an ink jet recording head, in order to increase the ability to eject ink droplets, it is important to increase the driving volume and the driving energy applied to the ink during driving. The drive energy is generally proportional to the product of the drive volume and the pressure applied to the ink.

本発明はこのような事情に鑑み、液体選定の自由度が向上し、コゲーションの問題もなく、駆動体積が大きく、駆動エネルギが大きく、信頼性が高い小型、集積化の容易なサーマルアクチュエータ型のインクジェット式記録ヘッドを提供することを目的とする。   In view of such circumstances, the present invention is a thermal actuator type in which the degree of freedom in selecting a liquid is improved, there is no problem of kogation, the driving volume is large, the driving energy is large, the reliability is small, and the integration is easy. It is an object of the present invention to provide an ink jet recording head.

実施の形態の一つのインクジェット式記録ヘッドは、インクを吐出するノズル開口部が設けられるノズルプレートと、側壁部と、前記側壁部を挟んで前記ノズルプレートと対向する可動プレートとを有する圧力発生室を備え、前記可動プレートが、前記側壁部に周辺部を固定された固定端を有する第1の弾性膜と、前記第1の弾性膜の前記固定端から中央部に向かって延在して前記第1の弾性膜に積層され、前記第1の弾性膜の中央部には積層されず、前記第1の弾性膜と熱膨張係数の異なる第2の弾性膜とを備える。   One ink jet recording head according to an embodiment includes a nozzle plate provided with a nozzle opening for ejecting ink, a side wall, and a movable plate facing the nozzle plate with the side wall interposed therebetween. The movable plate includes a first elastic film having a fixed end whose peripheral part is fixed to the side wall part, and extends from the fixed end of the first elastic film toward a central part, and The first elastic film is laminated, and is not laminated at the center of the first elastic film, and includes the first elastic film and a second elastic film having a different thermal expansion coefficient.

第1の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの上面図である。FIG. 2 is a top view of the ink jet recording head according to the first embodiment. 図1のAA断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 第1の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの動作を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating an operation of the ink jet recording head according to the first embodiment. 第1の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the ink jet type recording head of 1st Embodiment. 第2の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの上面図である。FIG. 6 is a top view of an ink jet recording head according to a second embodiment. 図5のAA断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 第2の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの動作を示す図である。It is a figure which shows operation | movement of the ink jet type recording head of 2nd Embodiment. 第1ないし第2の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの変形例の動作を示す図である。It is a figure which shows operation | movement of the modification of the ink jet type recording head of 1st thru | or 2nd Embodiment. 第1ないし第2の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの変形例の動作を示す図である。It is a figure which shows operation | movement of the modification of the ink jet type recording head of 1st thru | or 2nd Embodiment. 第3の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの上面図である。FIG. 6 is a top view of an ink jet recording head according to a third embodiment. 図10のAA断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 第4の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの上面図である。It is a top view of an ink jet recording head according to a fourth embodiment. 実施例1の圧電膜および弾性膜の変形挙動を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing deformation behavior of the piezoelectric film and the elastic film of Example 1. 実施例1の弾性膜の剛性比と駆動体積および駆動エネルギの関係を示す図である。It is a figure which shows the rigidity ratio of the elastic film of Example 1, and the relationship of a drive volume and drive energy. 実施例1の弾性膜の端部長の割合と駆動体積および駆動エネルギの関係を示す図である。It is a figure which shows the ratio of the edge part length of the elastic film of Example 1, and the relationship of a drive volume and drive energy. 実施例2の弾性膜の剛性比と駆動体積および駆動エネルギの関係を示す図である。It is a figure which shows the rigidity ratio of the elastic film of Example 2, and the relationship of a drive volume and drive energy. 実施例2の弾性膜の端部長の割合と駆動体積および駆動エネルギの関係を示す図である。It is a figure which shows the ratio of the edge part length of the elastic film of Example 2, and the relationship of a drive volume and drive energy. 比較例1のインクジェット式記録ヘッドの断面図である。6 is a cross-sectional view of an ink jet recording head of Comparative Example 1. FIG. 比較例2のインクジェット式記録ヘッドの断面図である。6 is a cross-sectional view of an ink jet recording head of Comparative Example 2. FIG. 実施例および比較例のシミュレーション結果の比較図である。It is a comparison figure of the simulation result of an Example and a comparative example.

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施の形態)
本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクを吐出するノズル開口部が設けられるノズルプレートと、側壁部と、側壁部を挟んでノズルプレートと対向する可動プレートとを有する圧力発生室を備える。そして、可動プレートが、側壁部に周辺部を固定された固定端を有する第1の弾性膜と、第1の弾性膜の固定端から中央部に向かって延在して第1の弾性膜に積層され、第1の弾性膜の中央部には積層されず、第1の弾性膜と熱膨張係数の異なる第2の弾性膜とを備える。
(First embodiment)
The ink jet recording head of the present embodiment includes a pressure generating chamber having a nozzle plate provided with a nozzle opening for ejecting ink, a side wall, and a movable plate facing the nozzle plate with the side wall interposed therebetween. The movable plate has a first elastic film having a fixed end whose peripheral part is fixed to the side wall, and a first elastic film extending from the fixed end of the first elastic film toward the central part. The first elastic film is laminated and is not laminated at the central portion of the first elastic film, and includes a first elastic film and a second elastic film having a different thermal expansion coefficient.

本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドは、上記構成を備えることにより、第1の弾性膜と第2の弾性膜が積層されてなる可動プレートの端部は、加熱時に大きな屈曲変形を生じる。さらに、第1の弾性膜のみからなる可動プレートの中央部は端部と逆反りの大きな座屈変形を生じる。屈曲変形と座屈変形とが複合される結果、可動プレート全体として大きな変形を生じ、大きな駆動体積および大きな駆動エネルギを有するインクジェット式記録ヘッドを提供することが可能になる。   The ink jet recording head according to the present embodiment has the above-described configuration, so that the end portion of the movable plate formed by laminating the first elastic film and the second elastic film is greatly bent and deformed when heated. Further, the central portion of the movable plate made only of the first elastic film causes a large buckling deformation opposite to the end portion. As a result of the combination of the bending deformation and the buckling deformation, it becomes possible to provide an ink jet recording head having a large driving volume and a large driving energy by causing a large deformation as a whole of the movable plate.

図1は、第1の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの上面図である。本実施の形態のインクジェット式記録ヘッド100は、サーマルアクチュエータ型のインクジェット式記録ヘッドである。   FIG. 1 is a top view of the ink jet recording head according to the first embodiment. The ink jet recording head 100 according to the present embodiment is a thermal actuator ink jet recording head.

図2は、図1のAA断面図である。インクジェット式記録ヘッド100は、複数の圧力発生室11を備える。圧力発生室11内は、インクを充填するために空洞となっている。図2は、インクジェット式記録ヘッド100が備える複数の圧力発生室11のうちの1つの圧力発生室の横手方向における断面構造を示す。   2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. The ink jet recording head 100 includes a plurality of pressure generation chambers 11. The inside of the pressure generation chamber 11 is hollow to be filled with ink. FIG. 2 shows a cross-sectional structure in the transverse direction of one pressure generation chamber among the plurality of pressure generation chambers 11 included in the ink jet recording head 100.

インクジェット式記録ヘッド100のインクの流路および圧力発生室11は流路形成基板10を用いて形成される。流路形成基板10としては、例えば、100〜300μm程度の厚さのシリコン基板が用いられる。シリコン基板の厚さは、望ましくは150〜250μm程度、より望ましくは200μm程度である。これは、隣接する圧力発生室11間の隔壁の剛性を保ちつつ、圧力発生室11の配列密度を高くできるからである。   The ink flow path and the pressure generation chamber 11 of the ink jet recording head 100 are formed using the flow path forming substrate 10. As the flow path forming substrate 10, for example, a silicon substrate having a thickness of about 100 to 300 μm is used. The thickness of the silicon substrate is desirably about 150 to 250 μm, more desirably about 200 μm. This is because the arrangement density of the pressure generating chambers 11 can be increased while maintaining the rigidity of the partition between the adjacent pressure generating chambers 11.

流路形成基板10の一方の面には、シリコン基板からなるノズルプレート20が接続される。ノズルプレート20には、例えばエッチングにより、インクを吐出するノズル開口部21が形成されている。   A nozzle plate 20 made of a silicon substrate is connected to one surface of the flow path forming substrate 10. The nozzle plate 20 has a nozzle opening 21 for discharging ink, for example, by etching.

流路形成基板10の他方の面には、可動プレート30が設けられている。ノズルプレート20、側壁部10a、および側壁部10aを挟んでノズルプレート20と対向する可動プレート30で圧力発生室11が構成されている。   A movable plate 30 is provided on the other surface of the flow path forming substrate 10. The pressure generating chamber 11 is configured by the nozzle plate 20, the side wall 10a, and the movable plate 30 facing the nozzle plate 20 with the side wall 10a interposed therebetween.

可動プレート30は、第1の弾性膜30aと第2の弾性膜30bで構成されている。第1の弾性膜30aと第2の弾性膜30bは異なる熱膨張係数を備えている。   The movable plate 30 is composed of a first elastic film 30a and a second elastic film 30b. The first elastic film 30a and the second elastic film 30b have different thermal expansion coefficients.

第1の弾性膜30aは、流路形成基板10の側壁部10a、10b側が固定端となっている。そして、第2の弾性膜30bは、第1の弾性膜30aの端部31に積層され、第1の弾性膜30aの中央部32には積層されない。すなわち、第1の弾性膜30aの固定端から中央部に向かって第2の弾性膜30bは延在して積層されるが、中央部32には積層されない。   As for the 1st elastic film 30a, the side wall part 10a, 10b side of the flow-path formation board | substrate 10 becomes a fixed end. And the 2nd elastic film 30b is laminated | stacked on the edge part 31 of the 1st elastic film 30a, and is not laminated | stacked on the center part 32 of the 1st elastic film 30a. That is, the second elastic film 30b extends from the fixed end of the first elastic film 30a toward the central portion and is laminated, but is not laminated on the central portion 32.

図2の断面で見た場合に、可動プレートの自由部分、すなわち、側壁部10aと側壁部10b間の距離(圧力発生室11の内部の幅と等しい)を1とした場合に、端部31の割合、すなわち、第1の弾性膜30aに積層される第2の弾性膜30bの割合が、片側で0.3以上0.4以下、すなわち両側で0.6以上0.8以下の範囲にあることが望ましい。この範囲にあることで、インクジェット式記録ヘッド100の駆動体積および駆動エネルギが最大値をとり得るからである。   When viewed from the cross-section of FIG. 2, when the free portion of the movable plate, that is, the distance between the side wall 10 a and the side wall 10 b (equal to the width inside the pressure generating chamber 11) is 1, the end 31 The ratio of the second elastic film 30b laminated on the first elastic film 30a is in the range of 0.3 to 0.4 on one side, that is, 0.6 to 0.8 on both sides. It is desirable to be. This is because the drive volume and drive energy of the ink jet recording head 100 can take the maximum values by being in this range.

そして、第1の弾性膜30aと第2の弾性膜30bの熱膨張係数が5×10−6/℃以上異なることが望ましい。この値未満では、インクを吐出する上で十分な駆動体積と駆動エネルギが得られないおそれがあるからである。 The thermal expansion coefficients of the first elastic film 30a and the second elastic film 30b are desirably different by 5 × 10 −6 / ° C. or more. This is because if it is less than this value, sufficient drive volume and drive energy for ejecting ink may not be obtained.

また、第1の弾性膜30aと第2の弾性膜30cの剛性の比が0.3以上1.8以下であることが望ましい。この範囲を超えると、インクを吐出する上で十分な駆動体積と駆動エネルギが得られないおそれがあるからである。   Moreover, it is desirable that the rigidity ratio of the first elastic film 30a and the second elastic film 30c is 0.3 or more and 1.8 or less. If this range is exceeded, sufficient drive volume and drive energy may not be obtained for ejecting ink.

第1の弾性膜30aは、例えば、予め熱酸化により形成した、厚さ1〜2μmのシリコン酸化膜(二酸化シリコン)で形成される。第1の弾性膜30aは、ノズル開口21に連通する圧力発生室11の一部を構成する。   The first elastic film 30a is formed of, for example, a silicon oxide film (silicon dioxide) having a thickness of 1 to 2 μm formed in advance by thermal oxidation. The first elastic film 30 a constitutes a part of the pressure generation chamber 11 that communicates with the nozzle opening 21.

シリコン酸化膜は非晶質であることが、均等な変形が実現できるという観点から望ましい。また、安定した組成および特性を備える膜の製造が容易という観点からも望ましい。さらに、従来の半導体プロセスとの整合性がよいという点からも望ましい。同様の観点から、非晶質のシリコン窒化膜を適用することも望ましい。なお、第1の弾性膜30aには、弾性を備える膜であれば、上記シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜以外の膜を適用することも可能である。   It is desirable that the silicon oxide film be amorphous from the viewpoint that uniform deformation can be realized. It is also desirable from the viewpoint of easy production of a film having a stable composition and characteristics. Furthermore, it is desirable from the viewpoint of good consistency with conventional semiconductor processes. From the same viewpoint, it is also desirable to apply an amorphous silicon nitride film. Note that a film other than the silicon oxide film or the silicon nitride film can be applied to the first elastic film 30a as long as it has elasticity.

第2の弾性膜30bは、厚さが例えば、約2μmの銅からなる。第1の弾性膜30aの中央部32には第2の弾性膜30bは形成されていない。   The second elastic film 30b is made of copper having a thickness of about 2 μm, for example. The second elastic film 30b is not formed in the central portion 32 of the first elastic film 30a.

流路形成基板10の側壁部10a、10bには、例えば、シリコン基板からなるノズルプレート20が接続される。ノズルプレート20は、圧力発生室11の一部を構成する。ノズルプレート20には、例えばエッチングによりノズル開口部21が形成されている。   For example, a nozzle plate 20 made of a silicon substrate is connected to the side wall portions 10 a and 10 b of the flow path forming substrate 10. The nozzle plate 20 constitutes a part of the pressure generation chamber 11. A nozzle opening 21 is formed in the nozzle plate 20 by etching, for example.

ここで、インク滴吐出圧力をインクに与える圧力発生室11の大きさと、インク滴を吐出するノズル開口21の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出スピード、吐出周波数に応じて最適化される。例えば、1インチ当たり360個のインク滴を記録する場合、ノズル開口11は数十μmの溝幅で精度よく形成する必要がある。   Here, the size of the pressure generation chamber 11 that applies ink droplet ejection pressure to the ink and the size of the nozzle opening 21 that ejects ink droplets are optimized according to the amount of ink droplets to be ejected, the ejection speed, and the ejection frequency. The For example, when recording 360 ink droplets per inch, the nozzle opening 11 needs to be accurately formed with a groove width of several tens of μm.

また、各圧力発生室11と共通インク室60とは、ノズルプレート20の各圧力発生室11の一端部に対応する位置にそれぞれ形成されたインク供給路61を介して連通されている。インクはこのインク供給路61を介して共通インク室60から供給され、各圧力発生室11に分配される。   The pressure generation chambers 11 and the common ink chamber 60 are communicated with each other via ink supply paths 61 formed at positions corresponding to one end portions of the pressure generation chambers 11 of the nozzle plate 20. Ink is supplied from the common ink chamber 60 through the ink supply path 61 and is distributed to the pressure generating chambers 11.

図1、図2に示すインクジェット式記録ヘッド100は、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口62からインクを取り込み、共通インク室60から各圧力発生室11のノズル開口21に至るまで内部をインクで満たす。   The ink jet recording head 100 shown in FIGS. 1 and 2 takes in ink from an ink introduction port 62 connected to an external ink supply means (not shown), and the inside from the common ink chamber 60 to the nozzle openings 21 of the pressure generating chambers 11. Fill with ink.

そして、インクジェット式記録ヘッド100は、第2の弾性膜30bに接続され、第2の弾性膜30bを抵抗発熱させるための通電用電極を備えている。通電用電極は、各圧力発生室11に設けられる個別電極72と共通電極74である。   The ink jet recording head 100 includes an energization electrode that is connected to the second elastic film 30b and causes the second elastic film 30b to generate resistance heat. The energization electrodes are individual electrodes 72 and common electrodes 74 provided in each pressure generation chamber 11.

図示しない外部の駆動回路からの記録信号に従い、各圧力発生室11の個別電極72に接続したリード71および共通電極74に接続したリード73を介して第2の弾性膜30bに電圧を印加して、第2の弾性膜30bを発熱させる。これにより、第2の弾性膜30bが加熱される。   In accordance with a recording signal from an external drive circuit (not shown), a voltage is applied to the second elastic film 30b via a lead 71 connected to the individual electrode 72 of each pressure generating chamber 11 and a lead 73 connected to the common electrode 74. The second elastic film 30b generates heat. Thereby, the second elastic film 30b is heated.

第1の弾性膜30aと第2の弾性膜30bの熱膨張係数の差により第1の弾性膜30aの端部31を凸状に屈曲変形させ、さらに第1の弾性膜30bの中央部32は圧縮応力により凹状に座屈変形させる。このようにして可動プレート30が大きく変形することにより、圧力発生室11内の圧力が高まりノズル開口21からインク滴が吐出する。   The end portion 31 of the first elastic film 30a is bent and deformed in a convex shape due to the difference in thermal expansion coefficient between the first elastic film 30a and the second elastic film 30b, and the central portion 32 of the first elastic film 30b is It is buckled and deformed into a concave shape by compressive stress. As the movable plate 30 is greatly deformed in this manner, the pressure in the pressure generating chamber 11 is increased and ink droplets are ejected from the nozzle openings 21.

なお、本実施の形態のインクジェット式記録ヘッド100では、第2の弾性膜30bの抵抗を高くすることで発熱量を大きくするために、第2の弾性膜30bの形状をジグザグ形状にしており、比抵抗値の小さい銅などの抵抗発熱体を使用することができる。   In the ink jet recording head 100 of the present embodiment, the second elastic film 30b has a zigzag shape in order to increase the heat generation amount by increasing the resistance of the second elastic film 30b. A resistance heating element such as copper having a small specific resistance value can be used.

本実施の形態のインクジェット式記録ヘッド100は、可動プレート30において、第1の弾性膜30aの端部31のみに第2の弾性膜30bが積層されている。このため、可動プレート30は、第1の弾性膜30aの中央部32では第1の弾性膜30aのみで変形しやすいため、端部31はバイメタル効果により大きな変形を生じることが可能である。さらに、可動プレート30は、中央部32では圧縮応力により大きな座屈変形を生じる。よって、可動プレート30の変位量を向上させることが可能になり、大きな駆動体積および大きな駆動エネルギを有し、駆動効率の高いインクジェット式記録ヘッドが実現される。   In the ink jet recording head 100 of the present embodiment, the second elastic film 30b is laminated on the movable plate 30 only on the end 31 of the first elastic film 30a. For this reason, since the movable plate 30 is easily deformed only by the first elastic film 30a at the central portion 32 of the first elastic film 30a, the end 31 can be largely deformed by the bimetal effect. Further, the movable plate 30 undergoes a large buckling deformation at the central portion 32 due to compressive stress. Therefore, the displacement amount of the movable plate 30 can be improved, and an ink jet recording head having a large driving volume and a large driving energy and high driving efficiency is realized.

また、本実施の形態のインクジェット式記録ヘッド100は、圧電型インクジェット式記録ヘッドに使用される鉛などの有害物質を含まず、環境にもやさしいインクジェット式記録ヘッドが実現可能である。また、第1の弾性膜30aや第2の弾性膜30bは安定した組成を製造することが容易であり、半導体プロセスとの整合性も良い。したがって、特性の安定したインクジェット式記録ヘッドを低コストで製造することが可能になる。   In addition, the ink jet recording head 100 according to the present embodiment can realize an environment-friendly ink jet recording head that does not contain harmful substances such as lead used in the piezoelectric ink jet recording head. In addition, the first elastic film 30a and the second elastic film 30b can easily produce a stable composition and have good compatibility with the semiconductor process. Therefore, an ink jet recording head having stable characteristics can be manufactured at low cost.

図3は、第1の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの動作を示す図である。図3は、第2の弾性膜30bの熱膨張係数が第1の弾性膜30bの熱膨張係数より大きい場合を示している。第2の弾性膜30bに電圧が印加されることにより、第2の弾性膜30bが発熱し、可動プレート30が全体として下に凸に変形する。   FIG. 3 is a diagram illustrating the operation of the ink jet recording head according to the first embodiment. FIG. 3 shows a case where the thermal expansion coefficient of the second elastic film 30b is larger than the thermal expansion coefficient of the first elastic film 30b. When a voltage is applied to the second elastic film 30b, the second elastic film 30b generates heat, and the movable plate 30 is deformed downward as a whole.

図4(a)〜(d)は、本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す図である。以下、シリコン単結晶基板からなる流路形成基板10上に、第1の弾性膜30a及び第2の弾性膜30b等を形成するプロセスを、図4(a)〜(d)を参照しながら説明する。   4A to 4D are views showing a method for manufacturing the ink jet recording head of the present embodiment. Hereinafter, a process of forming the first elastic film 30a, the second elastic film 30b, and the like on the flow path forming substrate 10 made of a silicon single crystal substrate will be described with reference to FIGS. 4 (a) to 4 (d). To do.

図4(a)に示すように、まず、流路形成基板10となるシリコン単結晶基板のウェハを、約1100℃の拡散炉で熱酸化して二酸化シリコンからなる第1の弾性膜30aを形成する。そして、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングによりパターニングする。   As shown in FIG. 4A, first, a silicon single crystal substrate wafer to be a flow path forming substrate 10 is thermally oxidized in a diffusion furnace at about 1100 ° C. to form a first elastic film 30a made of silicon dioxide. To do. Then, patterning is performed by photolithography and reactive ion etching.

次に、図4(b)に示すように、第1の弾性膜30a上に、スパッタリングにより銅からなる第2の弾性膜30bを成膜する。そして、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングによりパターニングする。   Next, as shown in FIG. 4B, a second elastic film 30b made of copper is formed on the first elastic film 30a by sputtering. Then, patterning is performed by photolithography and reactive ion etching.

次に、図4(c)に示すように、流路形成基板10の第1の弾性膜30aと対向する裏面側から、裏面フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングにより、圧力発生室11のパターンをパターニングにより形成する。このパターニングにより側壁部10a、10bが形成される。   Next, as shown in FIG. 4C, the pattern of the pressure generation chamber 11 is patterned from the back side facing the first elastic film 30a of the flow path forming substrate 10 by back side photolithography and reactive ion etching. To form. Sidewall portions 10a and 10b are formed by this patterning.

次に、図4(d)に示すように、流路形成基板10と、あらかじめフォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングによりノズル開口21を形成したシリコン単結晶基板からなるノズルプレート20を接着する。接着法としては、例えば、真空雰囲気中で双方の基板表面を清浄処理後密着して加圧により接着する、シリコンダイレクトボンディング法を用いても良いし、有機接着剤を用いても良い。   Next, as shown in FIG. 4D, the flow path forming substrate 10 and the nozzle plate 20 made of a silicon single crystal substrate in which the nozzle openings 21 are previously formed by photolithography and reactive ion etching are bonded. As the bonding method, for example, a silicon direct bonding method in which both substrate surfaces are brought into close contact with each other in a vacuum atmosphere and adhered by pressing may be used, or an organic adhesive may be used.

なお、以上説明した一連の膜形成及びエッチングは、一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成し、プロセス終了後、図1に示すような一つのチップに分割する。   In the series of film formation and etching described above, a large number of chips are simultaneously formed on a single wafer, and are divided into one chip as shown in FIG.

以上の製造方法により、本実施の形態のインクジェット式記録ヘッド100を製造することが可能である。   The ink jet recording head 100 of this embodiment can be manufactured by the above manufacturing method.

以上、本実施の形態によれば、液体選定の自由度が向上し、コゲーションの問題もなく、駆動体積が大きく、駆動エネルギが大きく、信頼性が高い小型、集積化の容易なサーマルアクチュエータ型のインクジェット式記録ヘッドを提供することが可能となる。   As described above, according to the present embodiment, the degree of freedom in selecting a liquid is improved, there is no problem of kogation, the driving volume is large, the driving energy is large, the reliability is small, and the thermal actuator type is easy to integrate. It is possible to provide an ink jet recording head.

(第2の実施の形態)
本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドは、第1の弾性膜または第2の弾性膜に接して形成される抵抗発熱膜と、抵抗発熱膜を抵抗発熱させるための通電用電極を、さらに備えること、第2の弾性膜がジグザグ形状でなく矩形形状であること以外は第1の実施の形態と同様である。したがって、第1の実施の形態と重複する内容については、記述を省略する。
(Second Embodiment)
The ink jet recording head according to the present embodiment further includes a resistance heating film formed in contact with the first elastic film or the second elastic film, and an energization electrode for causing the resistance heating film to generate resistance heat. The second elastic film is the same as the first embodiment except that the second elastic film is not a zigzag shape but a rectangular shape. Therefore, the description overlapping the first embodiment is omitted.

図5は、第2の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの上面図である。本実施の形態のインクジェット式記録ヘッド200は、サーマルアクチュエータ型のインクジェット記録ヘッドである。   FIG. 5 is a top view of the ink jet recording head according to the second embodiment. The ink jet recording head 200 of the present embodiment is a thermal actuator type ink jet recording head.

図6は、図1のAA断面図である。インクジェット式記録ヘッド200が備える複数の圧力発生室11のうちの1つの圧力発生室11の横手方向における断面構造を示す。   6 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 2 shows a cross-sectional structure in the transverse direction of one pressure generation chamber 11 among a plurality of pressure generation chambers 11 included in the ink jet recording head 200.

本実施の形態のインクジェット式記録ヘッド200は、第1の弾性膜30aまたは第2の弾性膜30bに接して形成される抵抗発熱膜30cと、抵抗発熱膜30cを抵抗発熱させるための通電用電極を備えている。抵抗発熱膜30cとしては、比較的比抵抗値の大きなチタン/アルミニウム合金や、鉄/クロム合金などを使用することができる。   The ink jet recording head 200 according to the present embodiment includes a resistance heating film 30c formed in contact with the first elastic film 30a or the second elastic film 30b, and an energization electrode for causing the resistance heating film 30c to generate resistance heat. It has. As the resistance heating film 30c, a titanium / aluminum alloy or an iron / chromium alloy having a relatively large specific resistance can be used.

そして、抵抗発熱膜30cに接続され、抵抗発熱膜30cを抵抗発熱させるための通電用電極を備えている。通電用電極は、各圧力発生室11に設けられる個別電極72と共通電極74である。   Then, an energization electrode is provided that is connected to the resistance heating film 30c and causes the resistance heating film 30c to generate resistance heat. The energization electrodes are individual electrodes 72 and common electrodes 74 provided in each pressure generation chamber 11.

本実施の形態のインクジェット式記録ヘッド200は、抵抗発熱膜30cを備える。これにより、第2の弾性膜30bは、第1の実施の形態と異なり、発熱体としての抵抗を考慮する必要がなくなる。したがって、第2の弾性膜30bの形状や厚さ等については、可動プレート30の変形にとって最適となるよう任意の形状や厚さ等を選択することが可能となる。ここでは、第2の弾性膜30bが、矩形形状を呈する場合を例示している。   The ink jet recording head 200 according to the present embodiment includes a resistance heating film 30c. As a result, unlike the first embodiment, the second elastic film 30b does not need to consider resistance as a heating element. Accordingly, the shape, thickness, etc. of the second elastic film 30b can be selected to be optimal for the deformation of the movable plate 30. Here, the case where the second elastic film 30b has a rectangular shape is illustrated.

図7は、第2の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの動作を示す図である。図7は、第2の弾性膜30bの熱膨張係数が第1の弾性膜30aの熱膨張係数より大きい場合を示している。抵抗発熱膜30cに電圧が印加されることにより、抵抗発熱膜30cが発熱し、可動プレート30が全体として下に凸に変形する。   FIG. 7 is a diagram illustrating the operation of the ink jet recording head according to the second embodiment. FIG. 7 shows a case where the thermal expansion coefficient of the second elastic film 30b is larger than the thermal expansion coefficient of the first elastic film 30a. When a voltage is applied to the resistance heating film 30c, the resistance heating film 30c generates heat, and the movable plate 30 is deformed downward as a whole.

なお、抵抗発熱膜30cが可動プレート30の変形をできるだけ妨げないように、抵抗発熱膜30cは第1の弾性膜30aおよび第2の弾性膜30bよりも膜厚が薄いことが望ましい。また、抵抗発熱膜30cが可動プレート30の変形をできるだけ妨げないように、抵抗発熱膜30cの弾性膨張係数が、第1の弾性膜30aと第2の弾性膜30bの熱膨張係数のいずれか一方と等しいか、その間の範囲にあることが望ましい。   The resistance heating film 30c is preferably thinner than the first elastic film 30a and the second elastic film 30b so that the resistance heating film 30c does not hinder the deformation of the movable plate 30 as much as possible. In addition, the elastic heating coefficient of the resistive heating film 30c is one of the thermal expansion coefficients of the first elastic film 30a and the second elastic film 30b so that the resistive heating film 30c does not hinder the deformation of the movable plate 30 as much as possible. It is desirable to be equal to or in the range between.

例えば、第1の実施の形態においては、第2の弾性膜30bの熱膨張係数を第1の弾性膜30aの熱膨張係数より大きいとし、第1の弾性膜30aを絶縁体とし、第2の弾性膜30bを導電体とし、第2の弾性膜30bに通電加熱する例を説明したが、その他にも多くの変形例が可能である。   For example, in the first embodiment, it is assumed that the thermal expansion coefficient of the second elastic film 30b is larger than the thermal expansion coefficient of the first elastic film 30a, the first elastic film 30a is an insulator, Although the example in which the elastic film 30b is a conductor and the second elastic film 30b is energized and heated has been described, many other modifications are possible.

図8(a)〜(e)は、第1ないし第2の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの変形例の動作を示す図である。図8(a)〜(e)は、いずれも第1の弾性膜30aの熱膨張係数が第2の弾性膜30bの熱膨張係数より小さい場合の変形例を示す。   FIGS. 8A to 8E are views showing the operation of a modified example of the ink jet recording head according to the first or second embodiment. FIGS. 8A to 8E show modifications in the case where the thermal expansion coefficient of the first elastic film 30a is smaller than the thermal expansion coefficient of the second elastic film 30b.

図8(a)は、第1の実施の形態と同様に、第2の弾性膜30bを導電体として通電加熱した例である。例えば、第1の弾性膜30aとして、酸化シリコンや窒化シリコンなどの無機絶縁膜を、第2の弾性膜30bとして、金属の抵抗膜を使用することができる。   FIG. 8A shows an example in which the second elastic film 30b is energized and heated as a conductor, as in the first embodiment. For example, an inorganic insulating film such as silicon oxide or silicon nitride can be used as the first elastic film 30a, and a metal resistance film can be used as the second elastic film 30b.

図8(b)は、第1の弾性膜30aを導電体として通電加熱した例である。例えば、第1の弾性膜30aとして、金属の抵抗膜を、第2の弾性膜30bとして、熱膨張係数の大きなポリイミド膜やエポキシ膜などの有機絶縁膜を使用することができる。   FIG. 8B shows an example in which the first elastic film 30a is energized and heated using a conductor. For example, a metal resistive film can be used as the first elastic film 30a, and an organic insulating film such as a polyimide film or an epoxy film having a large thermal expansion coefficient can be used as the second elastic film 30b.

図8(c)から(e)は、第1の弾性膜30aおよび第2の弾性膜30bに加えて、薄い抵抗発熱膜30cを設けた例である。抵抗発熱膜30cを薄くすることによりアクチュエータの変形に対する力学的な寄与が小さくなり、材料の選択範囲が広がる。   8C to 8E show an example in which a thin resistance heating film 30c is provided in addition to the first elastic film 30a and the second elastic film 30b. By making the resistance heating film 30c thin, the mechanical contribution to the deformation of the actuator is reduced, and the selection range of the material is expanded.

図8(c)は、第1の弾性膜30aと第2の弾性膜30bの間に抵抗発熱膜30cを設けた例である。第2の実施の形態と同様である。抵抗発熱膜30cは広い範囲の材料が使用可能であるが、望ましくはその熱膨張係数が第1の弾性膜30aと第2の弾性膜30bの熱膨張係数のいずれか一方と等しいか、その間の範囲にあることが望ましい。例えば、第1の弾性膜30aとして酸化シリコンなどの無機絶縁膜を、第2の弾性膜30bとしてポリイミド膜やエポキシ膜などの有機絶縁膜を、抵抗発熱膜30cとしてドープしたポリシリコンなどの半導体抵抗膜を使用することができる。   FIG. 8C shows an example in which a resistance heating film 30c is provided between the first elastic film 30a and the second elastic film 30b. This is the same as in the second embodiment. A wide range of materials can be used for the resistance heating film 30c. Preferably, the thermal expansion coefficient is equal to one of the thermal expansion coefficients of the first elastic film 30a and the second elastic film 30b, or between them. It is desirable to be in range. For example, a semiconductor resistance such as polysilicon doped with an inorganic insulating film such as silicon oxide as the first elastic film 30a, an organic insulating film such as a polyimide film or an epoxy film as the second elastic film 30b, and the resistance heating film 30c. A membrane can be used.

図8(d)は、第1の弾性膜30aの下側に抵抗発熱膜30cを設けた例である。抵抗発熱膜30cは広い範囲の材料が使用可能であるが、望ましくはその熱膨張係数が第1の弾性膜30aと同程度が望ましい。例えば、第1の弾性膜30aとして窒化シリコンなどの無機絶縁膜を、第2の弾性膜30bとしてポリイミド膜やエポキシ膜などの有機絶縁膜を、抵抗発熱膜30cとしてドープしたポリシリコンなどの半導体抵抗膜を使用することができる。   FIG. 8D shows an example in which a resistance heating film 30c is provided below the first elastic film 30a. Although a wide range of materials can be used for the resistance heating film 30c, it is desirable that the coefficient of thermal expansion be similar to that of the first elastic film 30a. For example, a semiconductor resistance such as polysilicon doped with an inorganic insulating film such as silicon nitride as the first elastic film 30a, an organic insulating film such as a polyimide film or an epoxy film as the second elastic film 30b, and the resistance heating film 30c. A membrane can be used.

図8(e)は、第2の弾性膜30bの上側に抵抗発熱膜30cを設けた例である。抵抗発熱膜30cは広い範囲の材料が使用可能である。例えば、第1の弾性膜30aとして酸化シリコンや窒化シリコンなどの無機絶縁膜を、第2の弾性膜30bとしてポリイミド膜やエポキシ膜などの有機絶縁膜を、抵抗発熱膜30cとしてドープしたポリシリコンなどの半導体抵抗膜を使用することができる。   FIG. 8E shows an example in which a resistance heating film 30c is provided on the upper side of the second elastic film 30b. A wide range of materials can be used for the resistance heating film 30c. For example, polysilicon doped with an inorganic insulating film such as silicon oxide or silicon nitride as the first elastic film 30a, an organic insulating film such as a polyimide film or an epoxy film as the second elastic film 30b, and the like as the resistance heating film 30c The semiconductor resistance film can be used.

図9(a)〜(e)は、第1ないし第2の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの変形例の動作を示す図である。図9(a)〜(e)は、いずれも第1の弾性膜30aの熱膨張係数が第2の弾性膜30bの熱膨張係数より大きい場合の変形例を示す。   FIGS. 9A to 9E are views showing the operation of a modified example of the ink jet recording head according to the first or second embodiment. FIGS. 9A to 9E show a modification in which the thermal expansion coefficient of the first elastic film 30a is larger than the thermal expansion coefficient of the second elastic film 30b.

図9(a)は、第2の弾性膜30bを導電体として通電加熱した例である。例えば、第1の弾性膜30aとしてポリイミド膜やエポキシ膜などの有機絶縁膜を、第2の弾性膜30bとして、金属の抵抗膜を使用することができる。   FIG. 9A shows an example in which the second elastic film 30b is energized and heated using a conductor. For example, an organic insulating film such as a polyimide film or an epoxy film can be used as the first elastic film 30a, and a metal resistance film can be used as the second elastic film 30b.

図9(b)は、第1の弾性膜30aを導電体として通電加熱した例である。例えば、第1の弾性膜30aとして金属の抵抗膜を、第2の弾性膜30bとして酸化シリコンや窒化シリコンなどの無機絶縁膜を使用することができる。   FIG. 9B is an example in which the first elastic film 30a is energized and heated using a conductor. For example, a metal resistive film can be used as the first elastic film 30a, and an inorganic insulating film such as silicon oxide or silicon nitride can be used as the second elastic film 30b.

図9(c)から(e)は、第1の弾性膜30aおよび第2の弾性膜30bに加えて、薄い抵抗発熱膜30cを設けた例である。抵抗発熱膜30cを薄くすることによりアクチュエータの変形に対する力学的な寄与が小さくなり、材料の選択範囲が広がる。   FIGS. 9C to 9E show an example in which a thin resistance heating film 30c is provided in addition to the first elastic film 30a and the second elastic film 30b. By making the resistance heating film 30c thin, the mechanical contribution to the deformation of the actuator is reduced, and the selection range of the material is expanded.

図9(c)は、第1の弾性膜30aと第2の弾性膜30bの間に抵抗発熱膜30cを設けた例である。抵抗発熱膜30cは広い範囲の材料が使用可能である。例えば、第1の弾性膜30aとしてポリイミド膜やエポキシ膜などの有機絶縁膜を、第2の弾性膜30bとして、酸化シリコンなどの無機絶縁膜を、抵抗発熱膜30cとしてドープしたポリシリコンなどの半導体抵抗膜を使用することができる。   FIG. 9C shows an example in which a resistance heating film 30c is provided between the first elastic film 30a and the second elastic film 30b. A wide range of materials can be used for the resistance heating film 30c. For example, a semiconductor such as polysilicon doped with an organic insulating film such as a polyimide film or an epoxy film as the first elastic film 30a and an inorganic insulating film such as silicon oxide as the second elastic film 30b as the resistance heating film 30c. Resistive films can be used.

図9(d)は、第1の弾性膜30aの下側に抵抗発熱膜30cを設けた例である。抵抗発熱膜30cは広い範囲の材料が使用可能である。例えば、第1の弾性膜30aとしてポリイミド膜やエポキシ膜などの有機絶縁膜を、第2の弾性膜30bとして窒化シリコンなどの無機絶縁膜を、抵抗発熱膜30cとしてドープしたポリシリコンなどの半導体抵抗膜を使用することができる。   FIG. 9D shows an example in which a resistance heating film 30c is provided below the first elastic film 30a. A wide range of materials can be used for the resistance heating film 30c. For example, a semiconductor resistance such as polysilicon doped with an organic insulating film such as a polyimide film or an epoxy film as the first elastic film 30a, an inorganic insulating film such as silicon nitride as the second elastic film 30b, and the resistance heating film 30c. A membrane can be used.

図9(e)は、第2の弾性膜30bの上側に抵抗発熱膜30cを設けた例である。抵抗発熱膜30cは広い範囲の材料が使用可能である。例えば、第1の弾性膜30aとしてポリイミド膜やエポキシ膜などの有機絶縁膜を、第2の弾性膜30bとして酸化シリコンや窒化シリコンなどの無機絶縁膜を、抵抗発熱膜30cとしてドープしたポリシリコンなどの半導体抵抗膜を使用することができる。   FIG. 9E shows an example in which a resistance heating film 30c is provided on the upper side of the second elastic film 30b. A wide range of materials can be used for the resistance heating film 30c. For example, polysilicon doped with an organic insulating film such as a polyimide film or an epoxy film as the first elastic film 30a, an inorganic insulating film such as silicon oxide or silicon nitride as the second elastic film 30b, and the like as the resistance heating film 30c The semiconductor resistance film can be used.

図9(a)〜(e)のように、電圧を印加した場合に第2の弾性膜30b側が上に凸になる場合、例えば、第2の絶縁膜30b側を、圧力発生室11の内側とすることで、電圧印加時にインクを吐出することが可能となる。あるいは、第1の弾性膜30a側を、圧力発生室11の内側とし、電圧の印加を中断することでインクを吐出する構成とすることも可能である。   As shown in FIGS. 9A to 9E, when the second elastic film 30b side is convex upward when a voltage is applied, for example, the second insulating film 30b side is placed inside the pressure generation chamber 11. By doing so, it becomes possible to eject ink when a voltage is applied. Alternatively, the first elastic film 30a side may be the inside of the pressure generating chamber 11 and ink may be ejected by interrupting voltage application.

(第3の実施の形態)
本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドは、第1の弾性膜の中央下部に第3の弾性膜が形成される点で第1の実施の形態と異なっている。この点以外は基本的に第1の実施の形態と同様であるので、第1の実施の形態と重複する内容については、記述を省略する。
(Third embodiment)
The ink jet recording head of this embodiment is different from that of the first embodiment in that a third elastic film is formed at the lower center of the first elastic film. Except for this point, the second embodiment is basically the same as the first embodiment, and therefore, the description overlapping with the first embodiment is omitted.

図10は、第3の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの上面図である。本実施の形態のインクジェット式記録ヘッド300は、サーマルアクチュエータ型のインクジェット記録ヘッドである。   FIG. 10 is a top view of the ink jet recording head according to the third embodiment. The ink jet recording head 300 of the present embodiment is a thermal actuator type ink jet recording head.

図11は、図1のAA断面図である。インクジェット式記録ヘッド300が備える複数の圧力発生室11のうちの1つの圧力発生室11の横手方向における断面構造を示す。   FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 2 shows a cross-sectional structure in the transverse direction of one pressure generation chamber 11 of a plurality of pressure generation chambers 11 included in the ink jet recording head 300. FIG.

本実施の形態において、可動プレート30には、第3の弾性膜30dが形成されている。すなわち、第1の弾性膜30aの上面端部31に形成された第2の弾性膜30bに加えて、第1の弾性膜30aの中央部32の下面に第3の弾性膜30dが積層されている。   In the present embodiment, the movable plate 30 is formed with a third elastic film 30d. That is, in addition to the second elastic film 30b formed on the upper surface end 31 of the first elastic film 30a, the third elastic film 30d is laminated on the lower surface of the central portion 32 of the first elastic film 30a. Yes.

可動プレート30の曲げ剛性を向上させる観点から、第1の弾性膜30aの全面に渡って、第2の弾性膜30bまたは第3の弾性膜30dが積層されていることが望ましい。いいかえれば、第1の弾性膜30aを挟む第2の弾性膜30bの端部と、第3の弾性膜30dの端部の位置が、一致するかまたは重なっていることが望ましい。   From the viewpoint of improving the bending rigidity of the movable plate 30, it is desirable that the second elastic film 30b or the third elastic film 30d is laminated over the entire surface of the first elastic film 30a. In other words, it is desirable that the position of the end of the second elastic film 30b sandwiching the first elastic film 30a and the position of the end of the third elastic film 30d coincide or overlap.

また、可動プレート30の駆動体積・駆動エネルギを大きくする観点からは、第2の弾性膜30bの端部と第3の弾性膜30d端部の位置が、ほぼ一致していることが望ましい。ほぼ一致とは、図11の断面で見た場合に、可動プレートの自由部分、すなわち、側壁部10aと側壁部10b間の距離を1として規格化した場合に、第2の弾性膜30bの端部と第3の弾性膜30d端部の距離が、0.05以下であることが望ましい。   Further, from the viewpoint of increasing the drive volume and drive energy of the movable plate 30, it is desirable that the positions of the end portions of the second elastic film 30b and the third elastic film 30d are substantially the same. The term “substantially coincides” means that the end of the second elastic film 30b is obtained when the free part of the movable plate, that is, when the distance between the side wall 10a and the side wall 10b is normalized as 1, when viewed in the cross section of FIG. The distance between the portion and the end of the third elastic film 30d is preferably 0.05 or less.

そして、第2の弾性膜30aに接続され、第2の弾性膜30bを抵抗発熱させるための通電用電極を備えている。通電用電極は、各圧力発生室11に設けられる個別電極72と共通電極74である。また、第2の弾性膜30aを介して第3の弾性膜30cにも通電し、発熱させるため、第2の弾性膜30aと第3の絶縁膜30cとはスルーホール80、82により接続されている。   Then, an energization electrode is provided which is connected to the second elastic film 30a and causes the second elastic film 30b to generate resistance heat. The energization electrodes are individual electrodes 72 and common electrodes 74 provided in each pressure generation chamber 11. Further, since the third elastic film 30c is energized through the second elastic film 30a to generate heat, the second elastic film 30a and the third insulating film 30c are connected by the through holes 80 and 82. Yes.

ここで、第3の弾性膜30dの熱膨張係数は、第3の弾性膜30dを設けることで可動プレート30の変形量を大きくするために、第1の弾性膜30aの熱膨張係数より大きい。特に、第3の弾性膜30dと第2の弾性膜30bとを同一の材料にすることにより、熱膨張係数を同一にすることが望ましい。可動プレート30の変形量を大きくするとともに、同一の材料を用いることで製造も容易になるからである。   Here, the thermal expansion coefficient of the third elastic film 30d is larger than the thermal expansion coefficient of the first elastic film 30a in order to increase the deformation amount of the movable plate 30 by providing the third elastic film 30d. In particular, it is desirable that the third elastic film 30d and the second elastic film 30b are made of the same material so that the thermal expansion coefficients are made the same. This is because the amount of deformation of the movable plate 30 is increased and manufacturing is facilitated by using the same material.

以下、第1の弾性膜30aの熱膨張係数よりも第2の弾性膜30bの熱膨張係数が大きく、第2の弾性膜30bと第3の弾性膜30dが同一の材料で熱膨張係数が等しい場合を例に説明する。例えば、第1の弾性膜30aはシリコン酸化膜であり、第2および第3の弾性膜30b、30dが銅(Cu)である。   Hereinafter, the thermal expansion coefficient of the second elastic film 30b is larger than the thermal expansion coefficient of the first elastic film 30a, and the second elastic film 30b and the third elastic film 30d are the same material and have the same thermal expansion coefficient. A case will be described as an example. For example, the first elastic film 30a is a silicon oxide film, and the second and third elastic films 30b and 30d are copper (Cu).

なお、本実施の形態のインクジェット式記録ヘッド100では、第2の弾性膜30bの抵抗を高くし発熱量を大きくするために、第2の弾性膜30bの形状をジグザグ形状にしている。   In the ink jet recording head 100 of the present embodiment, the second elastic film 30b has a zigzag shape in order to increase the resistance of the second elastic film 30b and increase the amount of heat generation.

第2および第3の弾性膜30b、30dへの通電により、第1の弾性膜30a、第2の弾性膜30b、第3の弾性膜30dが加熱される。そして、第1の弾性膜30aと第2の弾性膜30bの熱膨張係数の差により第1の弾性膜30aの端部31を凸状(上に凸)に屈曲変形させ、さらに第1の弾性膜30aと第3の弾性膜30dの熱膨張係数の差により第1の弾性膜30aの中央部32を圧力発生室11内部に向かって凹状(下に凸)に屈曲変形させる。これにより、圧力発生室11内の圧力が高まりノズル開口21からインク滴が吐出する。   By energizing the second and third elastic films 30b and 30d, the first elastic film 30a, the second elastic film 30b, and the third elastic film 30d are heated. Then, the end portion 31 of the first elastic film 30a is bent and deformed into a convex shape (convex upward) by the difference in thermal expansion coefficient between the first elastic film 30a and the second elastic film 30b, and further the first elasticity. Due to the difference in thermal expansion coefficient between the film 30a and the third elastic film 30d, the central portion 32 of the first elastic film 30a is bent and deformed toward the inside of the pressure generating chamber 11 in a concave shape (convex downward). As a result, the pressure in the pressure generating chamber 11 is increased and ink droplets are ejected from the nozzle openings 21.

本実施の形態のインクジェット式記録ヘッド300は、第1の弾性膜30aの端部31に第2の弾性膜30bが積層されており、第1の弾性膜30aの中央部32の反対の面には第3の弾性膜30dが積層されている。したがって、バイメタル効果により端部31と中央部32には逆向きの変形が生じることによる大きな変形を生じさせることが可能である。よって、第1の弾性膜30d(または可動プレート30)の変位による吐出液量を向上させることが可能になり、駆動効率の高いインクジェット式記録ヘッドが実現される。   In the ink jet recording head 300 of the present embodiment, the second elastic film 30b is laminated on the end 31 of the first elastic film 30a, and the surface opposite to the central part 32 of the first elastic film 30a. The third elastic film 30d is laminated. Therefore, the end portion 31 and the center portion 32 can be greatly deformed due to deformation in the opposite direction due to the bimetal effect. Therefore, it is possible to improve the amount of discharged liquid due to the displacement of the first elastic film 30d (or the movable plate 30), and an ink jet recording head with high driving efficiency is realized.

また、第1の弾性膜30aの全面に渡って第2の弾性膜30bまたは第3の弾性膜30dが形成されているため、第1の弾性膜30aの曲げ剛性が大きくなり、吐出圧力が増大し、吐出体積と吐出圧力の積に比例する駆動エネルギも増大するという特徴がある。   Further, since the second elastic film 30b or the third elastic film 30d is formed over the entire surface of the first elastic film 30a, the bending rigidity of the first elastic film 30a is increased and the discharge pressure is increased. In addition, the driving energy proportional to the product of the discharge volume and the discharge pressure is also increased.

(第4の実施の形態)
本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドは、第2の弾性膜の形状がジグザグ形状ではなく矩形形状であること以外は、第3の実施の形態と同様である。したがって、第3の実施の形態と重複する内容については記述を省略する。
(Fourth embodiment)
The ink jet recording head of this embodiment is the same as that of the third embodiment, except that the shape of the second elastic film is not a zigzag shape but a rectangular shape. Therefore, the description overlapping with the third embodiment is omitted.

図12は、第4の実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの上面図である。図12に示すように第2の弾性膜10bが矩形形状を呈している。すなわち、端部がジグザグではなく直線となっている。   FIG. 12 is a top view of the ink jet recording head according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 12, the second elastic film 10b has a rectangular shape. That is, the end is not a zigzag but a straight line.

なお、抵抗発熱膜として使用される第2の弾性膜30bとして、例えば、比較的、比抵抗値の大きなチタン/アルミニウム合金や、鉄/クロム合金などの金属膜を使用することにより、第3の実施の形態にあるようなジグザグの形状を取らず、本実施の形態のように矩形形状の形態をとることが可能となる。   As the second elastic film 30b used as the resistance heating film, for example, a metal film such as a titanium / aluminum alloy or an iron / chromium alloy having a relatively large specific resistance value is used. Instead of taking the zigzag shape as in the embodiment, it is possible to take a rectangular shape as in this embodiment.

本実施の形態によれば、第2の弾性膜30bの形状に関し、発熱からの制約が緩和される。したがって、可動プレート30の変位をより考慮した形状を選択することができる。よって、より駆動体積、駆動エネルギの大きいインクジェット式記録ヘッドを実現することが可能となる。   According to the present embodiment, restrictions on heat generation are eased with respect to the shape of the second elastic film 30b. Therefore, a shape that further considers the displacement of the movable plate 30 can be selected. Therefore, it is possible to realize an ink jet recording head having a larger driving volume and driving energy.

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、実施の形態の説明においては、インクジェット式記録ヘッドおよびその製造方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされるインクジェット式記録ヘッドおよびその製造方法等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. The above embodiment is merely given as an example, and does not limit the present invention. In the description of the embodiment, the description of the ink jet recording head and its manufacturing method, etc., which is not directly necessary for the description of the present invention is omitted. Elements relating to the manufacturing method and the like can be appropriately selected and used.

例えば、流路形成基板10としてシリコン単結晶基板以外に、その他の半導体単結晶基板等を適用してもかまわない。   For example, in addition to the silicon single crystal substrate, other semiconductor single crystal substrates or the like may be applied as the flow path forming substrate 10.

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのインクジェット式記録ヘッドが、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。   In addition, all inkjet recording heads that include the elements of the present invention and that can be appropriately modified by those skilled in the art are included in the scope of the present invention. The scope of the present invention is defined by the appended claims and equivalents thereof.

以下、実施例と比較例について説明する。   Hereinafter, examples and comparative examples will be described.

(実施例1)
図1、2に示す第1の実施の形態と同様の構造を備えるインクジェット式記録ヘッドについて、シミュレーションを行った。第2の弾性膜30bに通電加熱を行ったときの、第1の弾性膜30aに生じる撓みについて、シミュレーション結果に基づきさらに詳細に説明する。
Example 1
A simulation was performed on an ink jet recording head having the same structure as that of the first embodiment shown in FIGS. The bending that occurs in the first elastic film 30a when the second elastic film 30b is energized and heated will be described in more detail based on the simulation results.

シミュレーションに使用した本実施例の主要部寸法を表1に示す。第1の弾性膜30aとしては、二酸化シリコン(SiO)を、第2の弾性膜30bとしては銅を使用した。 Table 1 shows the dimensions of the main part of the present example used in the simulation. Silicon dioxide (SiO 2 ) was used as the first elastic film 30a, and copper was used as the second elastic film 30b.

なお、本実施例における第1と第2の弾性膜の剛性比は約0.73であり、第1の弾性膜の端部の幅の圧力発生室幅に対する割合は0.33である。剛性比は式(1)により算出した。ここで、E1とV1は第1の弾性膜のヤング率と断面積、E2とV2は第2の弾性膜のヤング率と断面積である。   In this embodiment, the rigidity ratio of the first and second elastic membranes is about 0.73, and the ratio of the width of the end portion of the first elastic membrane to the width of the pressure generating chamber is 0.33. The stiffness ratio was calculated by equation (1). Here, E1 and V1 are the Young's modulus and cross-sectional area of the first elastic film, and E2 and V2 are the Young's modulus and cross-sectional area of the second elastic film.

剛性比=E2・V2/(E1・V1) 式(1)   Rigidity ratio = E2 / V2 / (E1 / V1) Formula (1)

図13は、第2の弾性膜30bに0.30Aの電流を5μs流し、第2の弾性膜30bの最高温度が200℃になったときの、本実施例の記録ヘッドのシミュレータで計算された可動プレート30の変形を示す図である。ただし、変形の撓みは2倍に拡大して表示している。   FIG. 13 is calculated by the recording head simulator of this example when a current of 0.30 A was passed through the second elastic film 30b for 5 μs and the maximum temperature of the second elastic film 30b reached 200 ° C. It is a figure which shows the deformation | transformation of the movable plate. However, the deflection of the deformation is enlarged and displayed twice.

第2の弾性膜30bと積層された第1の弾性膜30aの端部31においては、熱膨張差により凸状に変形し、また中央部32においては凹状に変形していることが分かる。中央部32の中心の垂直方向の変位は0.44μmであり、500μmの長さの第1の弾性膜30a全体での駆動体積は6pl(ピコリットル)である。第1の弾性膜30aの中心を0.44μm変形させるための駆動圧力は1.06MPaであり、本実施例のインクジェット式駆動ヘッドのトータルの駆動エネルギは3.2nJと算出された。   It can be seen that the end 31 of the first elastic film 30a laminated with the second elastic film 30b is deformed into a convex shape due to a difference in thermal expansion, and the central portion 32 is deformed into a concave shape. The vertical displacement at the center of the central portion 32 is 0.44 μm, and the driving volume of the entire first elastic film 30 a having a length of 500 μm is 6 pl (picoliter). The driving pressure for deforming the center of the first elastic film 30a by 0.44 μm was 1.06 MPa, and the total driving energy of the ink jet driving head of this example was calculated to be 3.2 nJ.

例えば、体積5pl(ピコリットル)の有機溶媒や水溶液からなるインク滴を10m/sの速度で吐出するときの表面エネルギと運動エネルギの和は、0.1〜0.3nJ程度である。一般に記録ヘッドに必要とされる駆動エネルギは、インク滴のエネルギの10倍程度といわれていることから、本実施例のインクジェット式記録ヘッドは、体積5pl(ピコリットル)程度のインク滴を吐出する能力を有していることが分かる。   For example, the sum of surface energy and kinetic energy when ejecting ink droplets made of an organic solvent or aqueous solution with a volume of 5 pl (picoliter) at a speed of 10 m / s is about 0.1 to 0.3 nJ. In general, it is said that the driving energy required for the recording head is about 10 times the energy of the ink droplets. Therefore, the ink jet recording head of this embodiment ejects ink droplets having a volume of about 5 pl (picoliter). You can see that you have the ability.

次に、本実施例において表1に示した各パラメータを変更したときの挙動について、同様にシミュレーション結果を使用して詳細に検討する。   Next, the behavior when each parameter shown in Table 1 is changed in this embodiment will be examined in detail using the simulation result.

まず、第1や第2の弾性膜30a、30bの厚さを変化させたときの性能について検討した。図14(a)は、駆動体積に及ぼす、第1の弾性膜30aと第2の弾性膜30bの剛性比の影響を示し、図14(b)は、駆動エネルギに及ぼす剛性比の影響を示す。   First, the performance when the thicknesses of the first and second elastic films 30a and 30b were changed was examined. FIG. 14A shows the influence of the rigidity ratio of the first elastic film 30a and the second elastic film 30b on the driving volume, and FIG. 14B shows the influence of the rigidity ratio on the driving energy. .

駆動体積は剛性比が0.5以上0.6以下の範囲で最大値を示す。一方、駆動エネルギは剛性比が1以上1.1以下の範囲で最大値を示す。インク滴を吐出するためには、駆動体積と駆動エネルギの双方が大きいことが必要であるから、剛性比は0.5以上1.1以下の範囲であることが最も望ましい。また、各最大値の1/2以上の性能があることが必要と考えられることから、少なくても剛性比が0.3以上1.8以下であることが望ましい。   The drive volume shows the maximum value in the range where the rigidity ratio is 0.5 or more and 0.6 or less. On the other hand, the drive energy has a maximum value in the range where the rigidity ratio is 1 or more and 1.1 or less. In order to eject ink droplets, it is necessary that both the drive volume and drive energy are large. Therefore, the stiffness ratio is most preferably in the range of 0.5 to 1.1. In addition, since it is considered necessary to have a performance of ½ or more of each maximum value, it is desirable that the rigidity ratio is at least 0.3 to 1.8.

次に、第1の弾性膜30aと第2の弾性膜30bが積層されている、端部31の幅が圧力発生室11の幅(側壁部10aと側壁部10b間の距離に等しい)に占める割合について検討した。図15(a)は、駆動体積に及ぼす、端部31の幅(端部長)の割合の影響を示し、図15(b)に駆動エネルギに及ぼす端部31の幅(端部長)の割合の影響を示す。   Next, the width of the end 31 where the first elastic film 30a and the second elastic film 30b are stacked occupies the width of the pressure generating chamber 11 (equal to the distance between the side wall 10a and the side wall 10b). The ratio was examined. FIG. 15A shows the influence of the ratio of the width of the end 31 (end length) on the driving volume, and FIG. 15B shows the ratio of the width of the end 31 (end length) on the driving energy. Show the impact.

駆動体積および駆動エネルギは、共に端部31の幅(端部長)の割合が0.3以上0.4以下で最大値を示す。したがって、端部31の幅の割合は0.3以上0.4以下であることが最も望ましい。また、各最大値の1/2以上の性能があることが必要と考えられることから、少なくても端部31の幅の割合は0.2以上0.45以下であることが望ましい。   The drive volume and drive energy both show maximum values when the ratio of the width of the end portion 31 (end portion length) is 0.3 to 0.4. Therefore, the ratio of the width of the end portion 31 is most preferably 0.3 or more and 0.4 or less. In addition, since it is considered necessary to have a performance of 1/2 or more of each maximum value, it is desirable that the ratio of the width of the end portion 31 is 0.2 or more and 0.45 or less.

(実施例2)
図10、11に示す第3の実施の形態と同様の構造を備えるインクジェット式記録ヘッドについて、シミュレーションを行った。第2の弾性膜30bおよび第3の弾性膜30dに通電加熱を行ったときの、第1の弾性膜30aに生じる撓みについて、シミュレーション結果に基づきさらに詳細に説明する。
(Example 2)
A simulation was performed on an ink jet recording head having the same structure as that of the third embodiment shown in FIGS. The bending that occurs in the first elastic film 30a when the second elastic film 30b and the third elastic film 30d are energized and heated will be described in more detail based on simulation results.

シミュレーションに使用した本実施例の主要部寸法を表2に示す。第1の弾性膜30aとしては、二酸化シリコン(SiO)を、第2の弾性膜30bおよび第3の弾性膜30dとしては銅を使用した。 Table 2 shows the main dimensions of the present embodiment used in the simulation. Silicon dioxide (SiO 2 ) was used as the first elastic film 30a, and copper was used as the second elastic film 30b and the third elastic film 30d.

なお、本実施例における第1と第2ないし第3の弾性膜の剛性比は約0.73であり、第1の弾性膜の端部の幅の圧力発生室幅に対する割合は0.25である。剛性比は上記式(1)により算出した。   The rigidity ratio of the first and second to third elastic membranes in this embodiment is about 0.73, and the ratio of the width of the end portion of the first elastic membrane to the pressure generating chamber width is 0.25. is there. The rigidity ratio was calculated by the above formula (1).

第2および第3の弾性膜30a、30dに0.28Aの電流を5μs流し、第2および第3の弾性膜30a、30dの最高温度が200℃になったとき、中央部32の中心の垂直方向の変位は0.36μmであり、500μmの長さの第1の弾性膜30全体での駆動体積は5.6pl(ピコリットル)である。第1の弾性膜30aの中心を0.36μm変形させるための駆動圧力は1.8MPaであり、本実施例のインクジェット式駆動ヘッドのトータルの駆動エネルギは5.2nJと算出された。   When a current of 0.28 A is passed through the second and third elastic membranes 30a and 30d for 5 μs and the maximum temperature of the second and third elastic membranes 30a and 30d reaches 200 ° C., the center of the central portion 32 is vertical. The displacement in the direction is 0.36 μm, and the driving volume of the entire first elastic film 30 having a length of 500 μm is 5.6 pl (picoliter). The driving pressure for deforming the center of the first elastic film 30a by 0.36 μm was 1.8 MPa, and the total driving energy of the ink jet driving head of this example was calculated to be 5.2 nJ.

例えば、体積5pl(ピコリットル)の有機溶媒や水溶液からなるインク滴を10m/sの速度で吐出するときの表面エネルギと運動エネルギの和は、0.1〜0.3nJ程度である。一般に記録ヘッドに必要とされる駆動エネルギは、インク滴のエネルギの10倍程度といわれていることから、本実施例のインクジェット式記録ヘッドは、体積5pl(ピコリットル)程度のインク滴を吐出する能力を有していることが分かる。   For example, the sum of surface energy and kinetic energy when an ink droplet made of an organic solvent or aqueous solution having a volume of 5 pl (picoliter) is ejected at a speed of 10 m / s is about 0.1 to 0.3 nJ. In general, it is said that the driving energy required for the recording head is about 10 times the energy of the ink droplets. Therefore, the ink jet recording head of this embodiment ejects ink droplets having a volume of about 5 pl (picoliter). You can see that you have the ability.

次に、本実施例において表2に示した各パラメータを変更したときの挙動について、同様にシミュレーション結果を使用して詳細に検討する。   Next, the behavior when each parameter shown in Table 2 in this embodiment is changed will be similarly examined in detail using the simulation result.

まず、第1の弾性膜30に対して、第2および第3の弾性膜30a、30dの厚さを変化させたときの性能について検討した。図16(a)は、駆動体積に及ぼす、第1の弾性膜と第2ないし第3の弾性膜の剛性比の影響を示し、図16(b)に駆動エネルギに及ぼす剛性比の影響を示す。剛性比は上記式(1)と同様に算出した。   First, the performance when the thicknesses of the second and third elastic films 30a and 30d were changed with respect to the first elastic film 30 was examined. FIG. 16A shows the influence of the rigidity ratio of the first elastic film and the second to third elastic films on the driving volume, and FIG. 16B shows the influence of the rigidity ratio on the driving energy. . The rigidity ratio was calculated in the same manner as the above formula (1).

駆動体積は剛性比が小さいほど増大し、一方駆動エネルギは剛性比が1以上1.1以下で最大値を示す。インク滴を吐出するためには、駆動体積と駆動エネルギの双方が大きいことが必要であるから、剛性比は0.5以上1.1以下であることが最も望ましい。また、各最大値の1/2以上の性能があることが必要と考えられることから、少なくても剛性比が0.3以上1.8以下であることが望ましい。   The driving volume increases as the rigidity ratio is smaller, while the driving energy shows a maximum value when the rigidity ratio is 1 or more and 1.1 or less. In order to eject ink droplets, it is necessary that both the drive volume and drive energy are large. Therefore, it is most desirable that the rigidity ratio be 0.5 or more and 1.1 or less. In addition, since it is considered necessary to have a performance of ½ or more of each maximum value, it is desirable that the rigidity ratio is at least 0.3 to 1.8.

次に、第1の弾性膜30aと第2の弾性膜30bが積層されている、端部31の幅(端部長)の圧力発生室11の幅に占める割合について検討した。図17(a)は、駆動体積に及ぼす、端部31の幅の割合の影響を示し、図17(b)に駆動エネルギに及ぼす端部31の割合の影響を示す。   Next, the ratio of the width of the end portion 31 (length of the end portion) to the width of the pressure generating chamber 11 where the first elastic film 30a and the second elastic film 30b are stacked was examined. FIG. 17A shows the influence of the ratio of the width of the end 31 on the driving volume, and FIG. 17B shows the influence of the ratio of the end 31 on the driving energy.

駆動体積および駆動エネルギは、共に端部31の幅(端部長)の割合が0.2以上0.3以下で最大値を示す。したがって、端部31の幅の割合は0.2以上0.3以下であることが最も望ましい。また、各最大値の1/2以上の性能があることが必要と考えられることから、少なくても端部31の幅の割合は0.05以上0.4以下であることが望ましい。   Both the driving volume and the driving energy show maximum values when the ratio of the width of the end portion 31 (end portion length) is 0.2 or more and 0.3 or less. Therefore, it is most desirable that the ratio of the width of the end portion 31 is 0.2 or more and 0.3 or less. In addition, since it is considered necessary to have a performance of 1/2 or more of each maximum value, it is desirable that the ratio of the width of the end portion 31 is 0.05 or more and 0.4 or less.

(比較例1)
次に、比較例1として、従来の片持ち梁構造を持つインクジェット式記録ヘッドについても同様にシミュレーション結果を示し、実施例1および2と詳細に比較する。
(Comparative Example 1)
Next, as Comparative Example 1, simulation results are similarly shown for an ink jet recording head having a conventional cantilever structure, and are compared in detail with Examples 1 and 2.

図18は、比較例1のインクジェット式記録ヘッドの断面図である。比較例1における1つの圧力発生室の横手方向における断面構造を示す図である。実施例1と同じ部材には同じ番号を付してある。   FIG. 18 is a cross-sectional view of the ink jet recording head of Comparative Example 1. 6 is a view showing a cross-sectional structure in the transverse direction of one pressure generating chamber in Comparative Example 1. FIG. The same members as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.

比較例1のインクジェット式記録ヘッド500においては、可動プレート330が、第1の弾性膜330aと第2の弾性膜330bとで構成される。可動プレート330は、左右に分割された片持ち梁型の第1の弾性膜330aを有しており、第1の弾性膜330の上部には、第2の弾性膜330bが直接積層され、いわゆるバイメタル構造を形成している。   In the ink jet recording head 500 of Comparative Example 1, the movable plate 330 includes a first elastic film 330a and a second elastic film 330b. The movable plate 330 has a cantilever-type first elastic film 330 a divided into left and right, and a second elastic film 330 b is directly laminated on the first elastic film 330, so-called A bimetal structure is formed.

なお、本比較例においては、駆動体積および駆動エネルギを考慮した吐出性能が、第1の弾性膜330aと第2の弾性膜330bの剛性比がほぼ1程度で最大になるため、剛性比が1となるように第2の弾性膜330bの厚さを定めた。   In this comparative example, the ejection performance considering the drive volume and drive energy is maximized when the stiffness ratio between the first elastic film 330a and the second elastic film 330b is approximately 1, so the stiffness ratio is 1. The thickness of the second elastic film 330b was determined so that

その他の形状・寸法・材料は実施例1と同様である。シミュレーションに使用した本比較例の主要部寸法を表3に示す。   Other shapes, dimensions, and materials are the same as those in the first embodiment. Table 3 shows the main dimensions of the comparative example used in the simulation.

シミュレーションにより、第2の弾性膜330bの最大温度が200℃になるときの、駆動体積を計算した結果、約5pl(ピコリットル)と比較的大きな値が得られた。しかしながら、駆動エネルギは1.7nJと小さかった。   As a result of calculating the drive volume when the maximum temperature of the second elastic film 330b is 200 ° C. by simulation, a relatively large value of about 5 pl (picoliter) was obtained. However, the driving energy was as small as 1.7 nJ.

(比較例2)
次に、比較例2として、両持ち梁の座屈駆動型インクジェット式記録ヘッドについても同様にシミュレーション結果を示し、実施例1と詳細に比較する。
(Comparative Example 2)
Next, as Comparative Example 2, a simulation result is similarly shown for a buckled drive type ink jet recording head of a doubly supported beam and is compared in detail with Example 1.

図19は、比較例2のインクジェット式記録ヘッドの断面図である。比較例2における1つの圧力発生室の横手方向における断面構造を示す図である。実施例1と同じ部材には同じ番号を付してある。   FIG. 19 is a cross-sectional view of the ink jet recording head of Comparative Example 2. 6 is a view showing a cross-sectional structure in the transverse direction of one pressure generating chamber in Comparative Example 2. FIG. The same members as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.

比較例2のインクジェット式記録ヘッド600においては、可動プレート430が、第1の弾性膜430aと第2の弾性膜430bとで構成される。第1の弾性膜430aおよび第2の弾性膜430bは、圧力発生室11の上面全面に形成されている。第2の弾性膜430bと第1の弾性膜430aが加熱された場合に圧縮応力が加わり座屈変形を生じる。   In the ink jet recording head 600 of Comparative Example 2, the movable plate 430 is composed of a first elastic film 430a and a second elastic film 430b. The first elastic film 430 a and the second elastic film 430 b are formed on the entire upper surface of the pressure generating chamber 11. When the second elastic film 430b and the first elastic film 430a are heated, compressive stress is applied to cause buckling deformation.

なお、本比較例においては、駆動体積および駆動エネルギを考慮した吐出性能が、第1の弾性膜330aと第2の弾性膜330bの剛性比がほぼ0.4程度で最大になるため、剛性比が0.4となるように第2の弾性膜330bの厚さを定めた。   In this comparative example, the ejection performance considering the drive volume and drive energy is maximized when the rigidity ratio of the first elastic film 330a and the second elastic film 330b is about 0.4, so the rigidity ratio The thickness of the second elastic film 330b was determined so as to be 0.4.

その他の形状・寸法・材料は実施例1と同様である。シミュレーションに使用した本比較例の主要部寸法を表3に示す。   Other shapes, dimensions, and materials are the same as those in the first embodiment. Table 3 shows the main dimensions of the comparative example used in the simulation.

図20は、実施例および比較例のシミュレーション結果の比較図である。比較例1および比較例2を実施例1および2と比較した結果を示す。実施例1と比較例1を比較すると、駆動体積についてはほぼ同等であるものの、駆動エネルギについては実施例1が比較例1よりも2倍程度大きく、実施例1の優位性は明らかである。また、実施例1と比較例2を比較すると、駆動エネルギは実施例1よりも一桁程度小さく、実施例1の優位性は明らかである。   FIG. 20 is a comparison diagram of simulation results of the example and the comparative example. The result of comparing Comparative Example 1 and Comparative Example 2 with Examples 1 and 2 is shown. When Example 1 and Comparative Example 1 are compared, although the drive volume is almost the same, Example 1 is about twice as large as Drive Example in terms of drive energy, and the superiority of Example 1 is clear. Further, when Example 1 and Comparative Example 2 are compared, the driving energy is about an order of magnitude smaller than Example 1, and the superiority of Example 1 is clear.

10 流路形成基板
10a 側壁部
10b 側壁部
11 圧力発生室
20 ノズルプレート
21 ノズル開口部
30 可動プレート
30a 第1の弾性膜
30b 第2の弾性膜
30c 抵抗発熱膜
30d 第3の弾性膜
31 端部
32 中央部
60 共通インク室
61 インク供給路
62 インク導入口
71 リード
72 個別電極
73 リード
74 共通電極
80 スルーホール
82 スルーホール
100 インクジェット式記録ヘッド
200 インクジェット式記録ヘッド
300 インクジェット式記録ヘッド
400 インクジェット式記録ヘッド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Flow path formation board | substrate 10a Side wall part 10b Side wall part 11 Pressure generation chamber 20 Nozzle plate 21 Nozzle opening part 30 Movable plate 30a 1st elastic film 30b 2nd elastic film 30c Resistance heating film 30d 3rd elastic film 31 End part 32 Central portion 60 Common ink chamber 61 Ink supply path 62 Ink introduction port 71 Lead 72 Individual electrode 73 Lead 74 Common electrode 80 Through hole 82 Through hole 100 Inkjet recording head 200 Inkjet recording head 300 Inkjet recording head 400 Inkjet recording head

Claims (6)

インクを吐出するノズル開口部が設けられるノズルプレートと、側壁部と、前記側壁部を挟んで前記ノズルプレートと対向する可動プレートとを有する圧力発生室を備え、
前記可動プレートが、前記側壁部に周辺部を固定された固定端を有する第1の弾性膜と、前記第1の弾性膜の前記固定端から中央部に向かって延在して前記第1の弾性膜に積層され、前記第1の弾性膜の中央部には積層されず、前記第1の弾性膜と熱膨張係数の異なる第2の弾性膜とを備えることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
A pressure generating chamber having a nozzle plate provided with a nozzle opening for discharging ink, a side wall, and a movable plate facing the nozzle plate across the side wall;
The movable plate has a first elastic film having a fixed end whose peripheral part is fixed to the side wall part, and extends from the fixed end of the first elastic film toward a central part, and An ink jet recording head comprising: a second elastic film which is laminated on an elastic film and is not laminated on a central portion of the first elastic film, and has a second elastic film having a thermal expansion coefficient different from that of the first elastic film. .
前記第1の弾性膜と前記第2の弾性膜の熱膨張係数が5×10−6/℃以上異なり、前記第1の弾性膜と前記第2の弾性膜の剛性の比が0.3以上1.8以下であることを特徴とする請求項1記載のインクジェット式記録ヘッド。 The first elastic film and the second elastic film have different thermal expansion coefficients of 5 × 10 −6 / ° C. or more, and the rigidity ratio of the first elastic film and the second elastic film is 0.3 or more. 2. The ink jet recording head according to claim 1, wherein the recording head is 1.8 or less. 前記第1の弾性膜を挟んで前記第2の弾性膜の反対側の前記第1の弾性膜の中央部に積層され、熱膨張係数が前記第2の弾性膜と等しいか、または、前記第1と第2の弾性膜の熱膨張係数の間にある第3の弾性膜を、さらに備えることを特徴とする請求項1または請求項2記載のインクジェッ式記録トヘッド。   Laminated on the center of the first elastic film on the opposite side of the second elastic film across the first elastic film, and has a thermal expansion coefficient equal to that of the second elastic film, or 3. The ink jet recording head according to claim 1, further comprising a third elastic film located between the thermal expansion coefficients of the first elastic film and the second elastic film. 前記第2の弾性膜に接続され、前記第2の弾性膜を抵抗発熱させるための通電用電極を、さらに備えることを特徴とする請求項1ないし請求項3いずれか一項記載のインクジェット式記録ヘッド。   4. The ink jet recording according to claim 1, further comprising a current-carrying electrode connected to the second elastic film and causing the second elastic film to generate resistance heat. 5. head. 前記第1の弾性膜に接続され、前記第1の弾性膜を抵抗発熱させるための通電用電極を、さらに備えることを特徴とする請求項1ないし請求項3いずれか一項記載のインクジェット式記録ヘッド。   4. The ink jet recording according to claim 1, further comprising a current-carrying electrode connected to the first elastic film for causing the first elastic film to generate resistance heat. 5. head. 前記第1の弾性膜または前記第2の弾性膜に接して形成される抵抗発熱膜と、前記抵抗発熱膜を抵抗発熱させるための通電用電極を、さらに備えることを特徴とする請求項1ないし請求項3いずれか一項記載のインクジェット式記録ヘッド。   2. A resistance heating film formed in contact with the first elastic film or the second elastic film, and a current-carrying electrode for causing the resistance heating film to generate resistance heat. The ink jet recording head according to claim 3.
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