JP3473611B2 - Manufacturing method of liquid jet head - Google Patents

Manufacturing method of liquid jet head

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JP3473611B2
JP3473611B2 JP2002169313A JP2002169313A JP3473611B2 JP 3473611 B2 JP3473611 B2 JP 3473611B2 JP 2002169313 A JP2002169313 A JP 2002169313A JP 2002169313 A JP2002169313 A JP 2002169313A JP 3473611 B2 JP3473611 B2 JP 3473611B2
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liquid chamber
jet head
piezoelectric element
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和正 長谷川
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、液体噴射記録装置
に好適に用いられる液体噴射ヘッドの製造方法に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a liquid jet head which is suitable for use in a liquid jet recording apparatus.

【0002】一般に液体噴射記録装置は、液室、ノズ
ル、液体流路を有する液体噴射ヘッド、並びにインク供
給系とを具備し、液室内に充満しているインクにエネル
ギーを与えることにより、液室内のインクが液体流路に
押し出され、その結果ノズルからインク滴が噴射され、
これにより文字・画像情報の記録が行われるものであ
る。
Generally, a liquid jet recording apparatus is provided with a liquid chamber, a nozzle, a liquid jet head having a liquid flow path, and an ink supply system, and by applying energy to the ink filled in the liquid chamber, Ink is pushed out into the liquid flow path, and as a result ink droplets are ejected from the nozzle,
As a result, the character / image information is recorded.

【0003】インクにエネルギーを与える手段として
は、圧電素子を用いて液室内を加圧する手段、またはヒ
ータを用いて液室内インクを加熱する手段が広く利用さ
れている。
As means for applying energy to ink, means for pressurizing the liquid chamber using a piezoelectric element or means for heating ink in the liquid chamber using a heater are widely used.

【0004】本発明は、特に圧電素子を用いて液室内を
加圧する手段をもつ、液体噴射ヘッドの製造方法に関す
る。
The present invention particularly relates to a method for manufacturing a liquid jet head having means for pressurizing the liquid chamber by using a piezoelectric element.

【0005】[0005]

【従来の技術】上述したような液体噴射ヘッドや、本発
明に関わる構成要素の従来技術としては、特公昭62−
22790号、特開平2−219654号、米国特許4
312008号、鳥居他(ジャパニーズジャーナルオブ
アプライドフィジックス、Vo1.30、No.12
B、1991年12月、3562〜3566ページ)、
特公平4−43435号、特開平3−124450号に
開示されたものがある。
2. Description of the Related Art As a conventional technique of the liquid jet head as described above and the constituent elements related to the present invention, Japanese Patent Publication No.
No. 22790, JP-A-2-219654, US Pat. No. 4
No. 312008, Torii, etc. (Japanese Journal of Applied Physics, Vo1.30, No. 12)
B, December 1991, pp. 3562-3566),
There are those disclosed in JP-B-4-43435 and JP-A-3-124450.

【0006】特公昭62−22790号においては、液
室に対応した個所の厚さを薄くした基板上に電極形成
し、スパッタリング・印刷等の薄膜形成方法により、前
記液室に対応した個所にPZT薄膜を形成する、液体噴
射ヘッドの製造方法が開示されている。
In JP-B-62-22790, an electrode is formed on a substrate having a thin portion corresponding to the liquid chamber, and PZT is formed at the portion corresponding to the liquid chamber by a thin film forming method such as sputtering or printing. A method of manufacturing a liquid jet head, which forms a thin film, is disclosed.

【0007】特開平2−219654号においては、ノ
ズルが設けられた半導体基板上に積層形成した薄板に液
室並びに液体流路が形成され、液室上部に積層形成され
た振動板、前記振動板上部に設けられた圧電振動子より
なる液体噴射ヘッド、及び、ノズルを半導体基板に形成
し、前記半導体基板上にドライフィルムを接着し、前記
ドライフィルム上に振動板、下電極、圧電膜、上電極と
積層し、前記ドライフィルムを除去して形成する液体噴
射ヘッドの製造方法が開示されている。
In Japanese Patent Laid-Open No. 219654/1990, a liquid chamber and a liquid flow path are formed in a thin plate laminated on a semiconductor substrate provided with a nozzle, and a vibration plate laminated above the liquid chamber, and the above-mentioned diaphragm. A liquid jet head including a piezoelectric vibrator provided on the upper portion, and a nozzle are formed on a semiconductor substrate, a dry film is adhered on the semiconductor substrate, and a diaphragm, a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper portion on the dry film. A method of manufacturing a liquid ejecting head is disclosed, which is formed by laminating an electrode and removing the dry film.

【0008】米国特許4312008号においては、基
板表面に形成された液体流路及び基板を貫通する液室を
具備し、前記基板の両表面に基板を接合し、圧電体を備
えて成る液体噴射ヘッドが開示されている。
[0008] In US Pat. No. 4,311,008, a liquid jet head comprising a liquid channel formed on the surface of a substrate and a liquid chamber penetrating the substrate, the substrates being bonded to both surfaces of the substrate, and a piezoelectric body. Is disclosed.

【0009】鳥居他(ジャパニーズジャーナルオブアプ
ライドフィジックス、Vo1.30、No.12B、1
991年12月、3562〜3566ページ)において
は、PZT薄膜の下電極に白金を用いることが開示され
ている。
Torii et al. (Japanese Journal of Applied Physics, Vo 1.30, No. 12B, 1
In December 991, pages 3562-3566), it is disclosed that platinum is used for the lower electrode of the PZT thin film.

【0010】特公昭4−43435号においては、絶縁
性薄膜上に下地金属薄膜、白金膜を形成し、前記白金膜
の表面が結晶粒成長によって凹凸状となる温度で熱処理
する、圧電性薄膜用の電極形成方法が開示されている。
In Japanese Patent Publication No. 4-43435, for a piezoelectric thin film, a base metal thin film and a platinum film are formed on an insulating thin film, and heat treatment is performed at a temperature at which the surface of the platinum film becomes uneven due to crystal grain growth. The method for forming an electrode is disclosed.

【0011】また、特開平3−124450号は本発明
者らによるものであるが、単結晶珪素基板の一表面から
ノズルを形成し、前記単結晶珪素基板の別表面にp型単
結晶珪素をエピタキシャル成長させ、更に圧電素子を形
成し、その後前記p型珪素層及び単結晶珪素基板をエッ
チングし、液室及び片持ち、両持ち振動板を形成する液
体噴射ヘッドの製造方法が開示されている。
Further, Japanese Patent Laid-Open No. 3-124450, by the present inventors, discloses that a nozzle is formed from one surface of a single crystal silicon substrate and p-type single crystal silicon is formed on the other surface of the single crystal silicon substrate. A method of manufacturing a liquid jet head is disclosed in which a piezoelectric element is epitaxially grown, a p-type silicon layer and a single crystal silicon substrate are then etched, and a liquid chamber, a cantilever, and a double-sided vibrating plate are formed.

【0012】しかしながら、前記従来技術による液体噴
射ヘッド、その構成要素、それらの製造方法において
は、以下に示すような解決されるべき問題がある。
However, the above-mentioned conventional liquid jet head, its constituent elements, and their manufacturing method have the following problems to be solved.

【0013】特公昭62−22790号においては、ク
レーム中に構成要素の厚み設定はないものの、実施例中
のPZT厚みtpが50μm、振動板厚みtvが50〜
100μm程度と設定されていて、tp+tvが10μ
m程度以下の領域について念頭におかれていないことが
明確である。tp+tvが100μm程度であれば、こ
れがまだ厚すぎるためPZTに電圧を印加した時の振動
板の変形量が小さく、液体噴射可能なほど液室の体積を
変形させるためには、同実施例中にも記載されているよ
うに、円形で直径2mm程度の大きさの液室が必要とな
る。この時、解像度を向上させようとすると、同実施例
に示されている如く、液室ピッチ>ノズルピッチの平面
構成となり、面積的な効率が悪い。すなわち、ノズルが
7個ある液体噴射ヘッドの平面サイズが20mm×15
mmにもなってしまう。更にノズル数を増やそうとすれ
ば、平面サイズが飛躍的に大きくなるのみならず、液室
とノズルを結ぶ液体流路が長くなり、その流路抵抗が大
きくなり、液体噴射動作の速度が極端に低下する。
In Japanese Patent Publication No. 62-22790, although the thickness of the constituent elements is not set in the claim, the PZT thickness tp in the embodiment is 50 μm and the diaphragm thickness tv is 50-.
It is set to about 100 μm, and tp + tv is 10 μm.
It is clear that no attention has been paid to areas below m. If tp + tv is about 100 μm, since this is still too thick, the amount of deformation of the vibrating plate when the voltage is applied to the PZT is small, and in order to deform the volume of the liquid chamber so that the liquid can be ejected, the same embodiment is used. As described above, a circular liquid chamber having a diameter of about 2 mm is required. At this time, if an attempt is made to improve the resolution, as shown in the same embodiment, a planar configuration of liquid chamber pitch> nozzle pitch is obtained, resulting in poor area efficiency. That is, the plane size of the liquid jet head having seven nozzles is 20 mm × 15.
It also becomes mm. If the number of nozzles is further increased, not only will the plane size dramatically increase, but the liquid flow path connecting the liquid chamber and the nozzle will also become longer, the flow path resistance will increase, and the speed of the liquid ejection operation will be extremely high. descend.

【0014】更に同従来例においては、液室に対応した
個所に薄い振動板を形成し、その上にPZTを形成する
製造方法であるが、本発明者らの実験によれば、液室、
振動板を形成した後にPZTを形成する方法において、
前記tp+tvを更に薄くした場合、例えばtpを3μ
m、tvを1μmにした場合、製造工程中に振動板にた
るみ、しわ、破壊等の現象が起こり、液体噴射ヘッドの
製造歩留まりが極端に低下した。
Furthermore, in the conventional example, a thin diaphragm is formed at a location corresponding to the liquid chamber, and PZT is formed on the thin diaphragm. According to the experiments conducted by the present inventors, the liquid chamber,
In the method of forming PZT after forming the diaphragm,
When the tp + tv is further reduced, for example, tp is 3 μ
When m and tv were set to 1 μm, phenomena such as sagging, wrinkling, and breakage of the diaphragm occurred during the manufacturing process, and the manufacturing yield of the liquid jet head was extremely reduced.

【0015】特開平2−219654号においては、ノ
ズルが両方位(100)のSi基板を加工することによ
り形成されている。例えば厚さ300μm程度の(10
0)Si基板を異方性エッチングしてノズル形成する場
合、エッチングレートの遅い(111)面との角度関係
により、ノズル寸法を30μm角としても、これと反対
側の基板表面の開口部が不可避的に400μm角程度に
なる。このため、ノズルピッチは400μm以下になら
ず、せいぜい60dpi(dot per inch)程度の解像
度にしかならない。すなわち、液体噴射ヘッドのノズル
高密度化が不可能である。
In Japanese Unexamined Patent Publication No. 2-219654, the nozzle is formed by processing a biaxial (100) Si substrate. For example, if the thickness is about 300 μm (10
0) When forming a nozzle by anisotropically etching a Si substrate, due to the angular relationship with the (111) plane with a slow etching rate, even if the nozzle size is 30 μm square, the opening on the opposite substrate surface is inevitable. Therefore, it becomes about 400 μm square. Therefore, the nozzle pitch does not become 400 μm or less, and the resolution is at most about 60 dpi (dot per inch). That is, it is impossible to increase the density of the nozzles of the liquid jet head.

【0016】更に、同従来例中の実施例においては、圧
電膜及び上下電極が共に液室より大きく形成されてお
り、そのような構成では、圧電膜への電圧印加の際に効
率的に振動板を変形させ、液体を噴射させることが不可
能である。また、効率的に液体を噴射させるための圧電
膜、上下電極、液室の大きさ関係や厚み関係について言
及されていない。
Further, in the embodiment of the prior art, both the piezoelectric film and the upper and lower electrodes are formed larger than the liquid chamber. With such a structure, the piezoelectric film is efficiently vibrated when a voltage is applied to the piezoelectric film. It is impossible to deform the plate and eject the liquid. Further, it does not mention the size relationship and the thickness relationship of the piezoelectric film, the upper and lower electrodes, and the liquid chamber for efficiently ejecting the liquid.

【0017】[0017]

【従来の技術】更に、同従来例中の実施例においては、
振動板にSio21層が用いられている。SiO2は、ヤ
ング率が1010N/m2台と小さく、その上部に圧電薄
膜を形成し電圧印加して前記圧電薄膜が横方向に変形す
る時、同時に横方向に大きく伸びてしまい、縦方向への
変形がそれほど大きくならない。すなわち、振動板にS
iO21層を用いた場合も、圧電膜への電圧印加の際に
効率的に振動板を変形させ、液体を噴射させることが不
可能である。また、効率的に液体を噴射させるための振
動板特性や材料については言及されていない。
Further, in the embodiment of the prior art,
The Sio 2 1 layer is used for the diaphragm. SiO 2 has a small Young's modulus of the order of 10 10 N / m 2 , and when a piezoelectric thin film is formed on top of it and the piezoelectric thin film is laterally deformed by applying a voltage, at the same time, it greatly expands laterally, and The deformation in the direction does not become so large. That is, S on the diaphragm
Even when the iO 2 1 layer is used, it is impossible to efficiently deform the vibrating plate and eject the liquid when a voltage is applied to the piezoelectric film. Further, it does not mention the characteristics of the diaphragm or the material for efficiently ejecting the liquid.

【0018】米国特許4312008号においては、そ
のクレーム中に、圧電結晶が振動板上に取り付けられる
構成との記述がある。またその実施例中においてもイン
ジウムをベースとした半田で取り付ける記述があり、前
記特公昭62−22790号に示される以上の厚みの圧
電体を対象としているのが明白である。従って、前記特
公昭62−22790号同様実質的にノズル高密度化が
できない。また、この米国特許4312008号におい
て、異方性エッチングを用いて液体流路を形成する場合
にあっては、Si基板の両方位により流路形状が決定さ
れてしまい、その自由な選択が不可能であった。例え
ば、(100)Siを用いた場合、液体流路の断面形状
は逆三角形となり、一方(110)Siを用いた場合は
長方形となる。液体流路が逆三角形の場合は、気泡が溜
まりやすくなり、トラブルの原因となる。また、(11
0)Siに長方形となる液体流路を形成する場合、その
深さの制御が困難であり、出来上がりの深さが不均一に
なるため、液体噴射特性にばらつきを生じる。
In US Pat. No. 4,312,008 it is stated in the claim that the piezoelectric crystal is mounted on a diaphragm. Further, in the examples, there is a description of mounting with indium-based solder, and it is obvious that a piezoelectric body having a thickness larger than that shown in JP-B-62-22790 is targeted. Therefore, as in the above Japanese Patent Publication No. 62-22790, the nozzle density cannot be increased substantially. Further, in this US Pat. No. 4,312,008, when the liquid flow path is formed by using anisotropic etching, the flow path shape is determined by both positions of the Si substrate, and it is impossible to freely select the shape. Met. For example, when (100) Si is used, the cross-sectional shape of the liquid channel is an inverted triangle, while when (110) Si is used, it is rectangular. If the liquid flow path is an inverted triangle, bubbles tend to accumulate, causing troubles. In addition, (11
0) When forming a rectangular liquid flow path in Si, it is difficult to control the depth, and the finished depth becomes non-uniform, so that the liquid ejection characteristics vary.

【0019】更に液体流路と液室との接点においてアン
ダーカットエッチングが不可避的に生じ、このため接点
形状がまちまちとなり、液体噴射特性が一定しない。更
に加えて、同従来例においてはSi基板封止用の基板を
2枚必要とし、2回の接着工程を要するため、製造工程
が繁雑化し、製造コストにおいても不利を伴う。
Further, undercut etching is inevitably generated at the contact point between the liquid flow path and the liquid chamber, which causes the contact shape to be varied, and the liquid ejection characteristic is not constant. In addition, in the conventional example, two substrates for Si substrate encapsulation are required, and two bonding processes are required, which complicates the manufacturing process and disadvantages in manufacturing cost.

【0020】[0020]

【従来の技術】鳥居他(ジャパニーズジャーナルオブア
プライドフィジックス、Vo1.30、No.12B、
1991年12月、3562〜3566ページ)におい
ては、PZT膜の下電極としてSiO2上に直接白金膜
が形成されている。しかしながら、このような構成とし
た場合、酸化珪素と白金との密着性に問題があることは
周知の事実であり、本発明者の実験においても、PZT
膜形成時またはその後の熱処理時や、完成後の動作時に
酸化珪素と白金の間に剥がれが生じた。また、以上の如
き問題点を解決し、酸化珪素等の絶縁材料と白金との密
着性を向上させるため、特公昭4−43435号に示さ
れるように白金と絶縁材料の間にチタンを挿入すればよ
いことが知られているが、PZT膜形成時やその後の熱
処理時に、白金表面に突起が生じ、これがPZT膜の耐
電圧を低下させていた。
2. Description of the Related Art Torii et al. (Japanese Journal of Applied Physics, Vo1.30, No. 12B,
In December 1991, pp. 3562-3566, a platinum film is directly formed on SiO 2 as a lower electrode of a PZT film. However, it is a well known fact that such a structure has a problem in the adhesion between silicon oxide and platinum, and even in the experiment of the present inventor, PZT
Peeling occurred between the silicon oxide and platinum during film formation or subsequent heat treatment, or during operation after completion. Further, in order to solve the above problems and improve the adhesion between an insulating material such as silicon oxide and platinum, it is necessary to insert titanium between the platinum and the insulating material as shown in JP-B-4-43435. Although it is known that the PZT film is formed and projections are formed on the platinum surface during the subsequent heat treatment, which lowers the withstand voltage of the PZT film.

【0021】特開平3−124450号においては、単
結晶珪素基板の異方性エッチングを行う時に圧電素子側
の面に自動的にエッチング液が回り込む構成であり、こ
の時単結晶珪素基板の異方性エッチング液、例えば水酸
化カリウム水溶液により、圧電素子がサイドエッチング
される現象が起こり、これが液体噴射ヘッドの歩留まり
を低下させていた。
In Japanese Patent Laid-Open No. 3-124450, the etching liquid is automatically introduced to the surface of the piezoelectric element side when anisotropically etching the single crystal silicon substrate. The phenomenon that the piezoelectric element is side-etched by a conductive etching solution, for example, an aqueous solution of potassium hydroxide, reduces the yield of the liquid ejecting head.

【0022】[0022]

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来技術
の問題点に鑑みてなされたものであり、薄い振動板や圧
電素子を形成しても高い製造歩留まり率を達成できる液
体噴射ヘッドの製造方法を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems of the prior art, and manufactures a liquid jet head which can achieve a high manufacturing yield rate even if a thin diaphragm or a piezoelectric element is formed. The purpose is to provide a method.

【0023】[0023]

【課題を解決するための手段】本発明の液体噴射ヘッド
の製造方法は、基板上に振動板を形成する工程と、該振
動板上に下電極、圧電膜、上電極と順次積層し圧電素子
を形成する工程と、前記基板の前記圧電素子側の面にエ
ッチング液が流れ込まないように治具で保護する工程
と、前記基板の前記圧電素子側の面と反対側の面の所定
部分にエッチング液で液室を形成する工程と、を有する
ことを特徴とする。このことにより、非常に薄い振動板
や圧電素子を用いても歩留まりよく液体噴射ヘッドを形
成することができる。
A method of manufacturing a liquid jet head according to the present invention comprises a step of forming a vibration plate on a substrate and a piezoelectric element in which a lower electrode, a piezoelectric film and an upper electrode are sequentially laminated on the vibration plate. And a step of protecting the surface of the substrate on the piezoelectric element side with a jig so that the etching liquid does not flow into the surface, and etching a predetermined portion of the surface of the substrate opposite to the surface on the piezoelectric element side. And a step of forming a liquid chamber with a liquid. As a result, the liquid jet head can be formed with good yield even if a very thin diaphragm or piezoelectric element is used.

【0024】また、基板上に酸化珪素層を形成する工程
と、液室を形成する工程と同一工程またはその後に液室
に接して成る酸化珪素層をエッチング除去する工程とを
有することにより、製造プロセス中における振動板の割
れや剥がれを防ぐことができ、製造歩留まりを向上させ
ることができる。
Further, the manufacturing process has a step of forming a silicon oxide layer on the substrate and a step of forming the liquid chamber or the step of removing the silicon oxide layer formed in contact with the liquid chamber by etching. The diaphragm can be prevented from cracking or peeling during the process, and the manufacturing yield can be improved.

【0025】また、振動板上に圧電素子を形成する工程
内で圧電膜を加熱処理する第1加熱工程と、基板に液室
を形成した後に圧電膜を再加熱する第2加熱工程とを有
するようにしてもよい。このことにより、PZT膜の圧
電ひずみ定数が大きくなり圧電特性を向上させることが
可能である。
Further, there is a first heating step of heating the piezoelectric film in the step of forming the piezoelectric element on the vibration plate, and a second heating step of reheating the piezoelectric film after forming the liquid chamber in the substrate. You may do it. As a result, the piezoelectric strain constant of the PZT film is increased and the piezoelectric characteristics can be improved.

【0026】また、液室が形成された第1基板の液室開
口部に、液体流路が形成された第2基板を接合する工程
を付加してもよい。このことにより、接着工程が1回で
済むため工程が簡略化され、液体噴射ヘッドの低価格化
が可能になる。
Further, a step of joining the second substrate having the liquid channel formed therein to the liquid chamber opening of the first substrate having the liquid chamber formed therein may be added. This simplifies the process because the bonding process is performed only once, and the cost of the liquid jet head can be reduced.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について図
面を参照しながら説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0028】(実施例1)図1は、本発明の実施例にお
ける液体噴射ヘッドの斜視図である。
(Embodiment 1) FIG. 1 is a perspective view of a liquid jet head in an embodiment of the present invention.

【0029】図において、液室102上に形成された振
動板103、及び下電極104、圧電膜105、上電極
106から構成される圧電素子が形成された第1の基板
101と、液体流路108が形成された第2の基板10
7を接合して成る構成となっている。109は第1の基
板101と第2の基板107を接合した断面の開口部に
形成されたノズルである。ここで、液室102とノズル
109は、同一のピッチで複数個配列されている。
In the figure, a vibrating plate 103 formed on a liquid chamber 102, a first substrate 101 on which a piezoelectric element composed of a lower electrode 104, a piezoelectric film 105 and an upper electrode 106 is formed, and a liquid flow path. Second substrate 10 on which 108 is formed
It is configured by joining 7 together. Reference numeral 109 is a nozzle formed in the opening of the cross section where the first substrate 101 and the second substrate 107 are joined. Here, a plurality of liquid chambers 102 and nozzles 109 are arranged at the same pitch.

【0030】この液体噴射ヘッドの動作を簡単に説明す
ると、下電極104と上電極106の間に電圧を印加
し、下電極104、圧電膜105、上電極106よりな
る圧電素子、及び振動板103を変形させ、液室102
の体積を減少させ、液室102内に充満しているインク
を液体流路108へ押し出し、ノズル109よりインク
が噴射される動作となる。
The operation of this liquid jet head will be briefly described. A voltage is applied between the lower electrode 104 and the upper electrode 106 to form a piezoelectric element including the lower electrode 104, the piezoelectric film 105, and the upper electrode 106, and the vibrating plate 103. The liquid chamber 102
Is reduced, the ink filled in the liquid chamber 102 is pushed out to the liquid flow path 108, and the ink is ejected from the nozzle 109.

【0031】以下、製造工程に従って本発明の液体噴射
ヘッド及びその製造方法を詳細に説明する。
The liquid jet head and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail below according to the manufacturing process.

【0032】図2(a)、(b)、(c)は、本発明の
実施例における、第1の基板101に圧電素子及び液室
を形成するまでの製造工程を示す断面図である。なお、
この断面図において、紙面に垂直な方向が液室の奥行き
方向となる。
2A, 2B, and 2C are cross-sectional views showing a manufacturing process until the piezoelectric element and the liquid chamber are formed on the first substrate 101 in the embodiment of the present invention. In addition,
In this sectional view, the direction perpendicular to the paper surface is the depth direction of the liquid chamber.

【0033】両方位(110)の単結晶珪素により第1
の基板101を1200℃で熱酸化し、基板101の両
面に酸化珪素層201を厚み5000Å形成する。そし
て、基板101の片面に振動板103を形成する。振動
板103は、例えば窒化珪素をPECVD法(プラズマ
化学気相成長法)により厚み1μmに形成し、窒素雰囲
気中800℃で熱処理を行い形成する。更に、基板10
1の両面にフォトレジストを形成し、振動板103を設
けた側と反対側の表面に開口部を設け、酸化珪素201
を弗酸と弗化アンモニウムの水溶液でパターニングし、
開口部202を形成し、図2(a)に示す断面図とな
る。この時開口部202の奥行き方向、すなわち紙面に
垂直な方向を<1−1 2>又は<−1 1 2>方向
としておく。
First by the bicrystalline (110) single crystal silicon
Substrate 101 is thermally oxidized at 1200 ° C. to form silicon oxide layers 201 on both sides of substrate 101 with a thickness of 5000Å. Then, the vibration plate 103 is formed on one surface of the substrate 101. The diaphragm 103 is formed, for example, by forming silicon nitride to a thickness of 1 μm by PECVD (plasma chemical vapor deposition) and performing heat treatment at 800 ° C. in a nitrogen atmosphere. Further, the substrate 10
1. A photoresist is formed on both surfaces of No. 1 and an opening is provided on the surface opposite to the side where the vibration plate 103 is provided.
Is patterned with an aqueous solution of hydrofluoric acid and ammonium fluoride,
The opening 202 is formed, and the cross-sectional view shown in FIG. At this time, the depth direction of the opening 202, that is, the direction perpendicular to the paper surface is defined as <1-1 2> or <-1 12> direction.

【0034】そして、振動板103上に、下電極104
をスパッタリング法でチタンを厚み50Å、白金を厚み
2000Åと、この順に形成し、そのパターニングを王
水の水溶液で行う。次に、圧電膜105としてPZTを
厚み3μmにスパッタリング形成し、塩酸の水溶液でパ
ターニングする。PZT膜の形成方法は、近年いろいろ
な方法が試みられているが、本発明者らは、ニオブを混
入した変性PZTに酸化鉛を過剰に加えた焼結体ターゲ
ットを用いて、アルゴン雰囲気中基板加熱なしで高周波
スパッタリングを行い形成した。前記PZTのパターニ
ング後、酸素雰囲気中700℃にて加熱処理を行い、更
に上電極106をスパッタリング法でチタンを厚み50
Å、金を厚み2000Åと、この順に形成し、ヨウ素と
ヨウ化カリウムの水溶液でパターニングし、図2(b)
に示す断面図となる。
Then, the lower electrode 104 is placed on the vibrating plate 103.
Are formed in this order by sputtering with a thickness of 50 Å of titanium and a thickness of 2000 Å of platinum, and the patterning is performed with an aqua regia solution. Next, PZT is formed as the piezoelectric film 105 by sputtering to have a thickness of 3 μm, and is patterned with an aqueous solution of hydrochloric acid. Although various methods have been attempted in recent years as a method for forming a PZT film, the present inventors have used a sintered body target in which lead oxide is excessively added to modified PZT mixed with niobium to obtain a substrate in an argon atmosphere. High frequency sputtering was performed without heating. After patterning the PZT, heat treatment is performed at 700 ° C. in an oxygen atmosphere, and the upper electrode 106 is made to have a titanium thickness of 50 by a sputtering method.
Å, gold was formed in this order with a thickness of 2000Å, and patterned with an aqueous solution of iodine and potassium iodide, and then, as shown in FIG.
The sectional view shown in FIG.

【0035】その後、保護膜203を感光性ポリイミド
で厚み2μmに形成し、図示しない電極取り出し部の保
護膜を現像により取り除き、400℃で熱処理を行う。
次に、保護膜203を形成した圧電素子側の面を、図3
に示す治具により保護し(詳細は後述する)、水酸化カ
リウム水溶液に浸せきし、酸化珪素層201の開口部2
02から単結晶珪素基板101の異方性エッチングを行
い、液室102を形成する。この時単結晶珪素基板10
1の両方位が(110)であり、更に開口部202の奥
行き方向が<1−1 2>又は<−1 1 2>方向で
あるから、液室102の奥行き方向の辺を形成する側壁
の面を(111)面とすることができる。水酸化カリウ
ム水溶液を用いた場合、単結晶珪素の(110)面と
(111)面のエッチングレートの比は300:1程度
となり、300μmの深さの溝をサイドエッチング1μ
m程度に抑えて形成することができ、液室102が形成
される。そして、基板101を前記治具に固定したま
ま、振動板103に接している酸化珪素を弗酸と弗化ア
ンモニウムの水溶液でエッチング除去し、図2(c)に
示す断面図となる。
After that, a protective film 203 is formed with a photosensitive polyimide to a thickness of 2 μm, the protective film in the electrode extraction portion (not shown) is removed by development, and heat treatment is performed at 400 ° C.
Next, the surface on the piezoelectric element side where the protective film 203 is formed is shown in FIG.
Protected by a jig shown in FIG. 1 (details will be described later) and dipped in a potassium hydroxide aqueous solution to open the opening 2 of the silicon oxide layer 201.
From 02, the single crystal silicon substrate 101 is anisotropically etched to form the liquid chamber 102. At this time, the single crystal silicon substrate 10
Since the position of 1 is (110) and the depth direction of the opening 202 is the <1-1 2> or <-1 12> direction, the side wall forming the side of the liquid chamber 102 in the depth direction is defined. The plane can be a (111) plane. When an aqueous solution of potassium hydroxide is used, the ratio of the etching rates of the (110) plane and the (111) plane of single crystal silicon is about 300: 1, and a groove having a depth of 300 μm is side-etched by
The liquid chamber 102 can be formed by suppressing the thickness to about m. Then, with the substrate 101 fixed to the jig, the silicon oxide in contact with the vibrating plate 103 is removed by etching with an aqueous solution of hydrofluoric acid and ammonium fluoride to obtain a cross-sectional view shown in FIG. 2 (c).

【0036】本実施例においては、保護膜203を付け
ない状態で液室102を形成した後、再び酸素雰囲気中
700℃にて熱処理を行うようにし、更に保護膜を形成
するようにしてもよい。これは、圧電膜(PZT膜)1
05に対して2度の熱処理を行うことにより、圧電特性
をさらに向上させることができるためである。この効果
の詳細な理由は明確ではないが、圧電膜を構成するPZ
Tの焼結が進んでその結晶粒径が大きくなり、その結果
圧電ひずみ定数が上昇するものと推定される。
In this embodiment, after the liquid chamber 102 is formed without the protective film 203, the heat treatment may be performed again at 700 ° C. in an oxygen atmosphere to further form the protective film. . This is a piezoelectric film (PZT film) 1
This is because the piezoelectric characteristics can be further improved by performing heat treatment twice on 05. Although the detailed reason for this effect is not clear, the PZ that constitutes the piezoelectric film is
It is estimated that the sintering of T progresses and the crystal grain size increases, resulting in an increase in the piezoelectric strain constant.

【0037】図3(a)、(b)は、前述の如く、本発
明の実施例における、基板101の異方性エッチング時
に圧電素子側の面を保護するための治具を示した図であ
り、同図(a)は治具の構成図、同図(b)は基板10
1を治具に固定した状態の断面図である。
3A and 3B are views showing a jig for protecting the surface on the piezoelectric element side during anisotropic etching of the substrate 101 in the embodiment of the present invention, as described above. Yes, the figure (a) is a block diagram of the jig, the figure (b) is the substrate 10
It is sectional drawing of the state which fixed 1 to the jig.

【0038】片側に開口部を有し、その内壁面にネジ山
が切られた円筒状の固定枠301に、Oリング302、
基板101、Oリング302の順にはめ込み、その外壁
面にネジ山が切られた固定リング303を前記固定枠3
01の内壁にねじ込み、固定する構成となっている。こ
の時、基板101のエッチングを行う側の面を固定枠3
01の開口部側にしておく。図3(b)に示される状態
で水酸化カリウム水溶液等のエッチング液に浸せきされ
るわけであるが、この時、固定リング303、Oリング
302、及び基板101のエッチングを行う面とで封じ
られるため、エッチング液は基板101の圧電素子側へ
回り込まないようにすることができる。治具の素材とし
ては、本発明者らはポリプロピレンを用いた。
An O-ring 302 is attached to a cylindrical fixed frame 301 having an opening on one side and an inner wall surface of which a thread is cut.
The substrate 101 and the O-ring 302 are fitted in this order, and a fixing ring 303 having a thread cut on the outer wall surface thereof is attached to the fixing frame 3
The inner wall of 01 is screwed and fixed. At this time, the surface of the substrate 101 to be etched is fixed to the fixing frame 3
01 on the opening side. It is immersed in an etching solution such as an aqueous solution of potassium hydroxide in the state shown in FIG. 3B, but at this time, it is sealed by the fixing ring 303, the O-ring 302, and the surface of the substrate 101 to be etched. Therefore, the etching liquid can be prevented from flowing around to the piezoelectric element side of the substrate 101. The present inventors used polypropylene as the material for the jig.

【0039】図4は、本発明の実施例における、液体噴
射ヘッドの実装構造の概念図である。
FIG. 4 is a conceptual view of the mounting structure of the liquid jet head in the embodiment of the present invention.

【0040】図において、圧電素子及び液室が形成され
た第1の基板101と液体流路108が形成された第2
の基板107を接合し、ノズル109と液体導入孔40
4が形成される。液体導入孔404側を基材401で囲
み、液体室403が形成される。この液体室403には
外部から液体が供給されるようになっている(図示せ
ず)。基材401は実装基板402に取り付けられる。
第2の基板107は、プラスチックを射出成形すること
により、液体流路108と一体形成した。
In the figure, a first substrate 101 in which a piezoelectric element and a liquid chamber are formed and a second substrate in which a liquid flow path 108 is formed
The substrate 107 is bonded to the nozzle 109 and the liquid introduction hole 40.
4 is formed. The liquid chamber 403 is formed by surrounding the liquid introduction hole 404 side with the base material 401. Liquid is supplied to the liquid chamber 403 from the outside (not shown). The base material 401 is attached to the mounting substrate 402.
The second substrate 107 was formed integrally with the liquid flow path 108 by injection-molding plastic.

【0041】以上が本発明の液体噴射ヘッドの概要であ
る。
The above is the outline of the liquid jet head of the present invention.

【0042】次に、液室・電極の寸法、圧電膜の厚み・
寸法、振動板の厚味などの関係について述べる。本発明
者らは、上述した液体噴射ヘッドを用いて液体噴射実験
を行ったところ様々な知見を得た。
Next, the dimensions of the liquid chamber / electrode, the thickness of the piezoelectric film,
The relationship between the dimensions and the thickness of the diaphragm will be described. The inventors of the present invention have obtained various findings when conducting a liquid ejecting experiment using the liquid ejecting head described above.

【0043】本発明者らはまず、液室102、下電極1
04、PZTによる圧電膜105、上電極106の平面
的な位置関係を設定した。
The present inventors first of all, the liquid chamber 102, the lower electrode 1
04, the planar positional relationship between the piezoelectric film 105 and the upper electrode 106 by PZT was set.

【0044】まず、下電極104と圧電膜105、上電
極106に関して、前記製造工程に従って上電極形成工
程まで行い評価してみた。
First, the lower electrode 104, the piezoelectric film 105, and the upper electrode 106 were evaluated according to the manufacturing process up to the upper electrode forming step.

【0045】下電極より上電極が大きい場合と、その逆
で上電極より下電極が大きい場合とを比べてみると、前
者は上下電極間のリーク電流が2桁程度後者に比べて多
くなることがわかった。これは、下電極端部におけるP
ZT膜のリーク電流が大きいことによるものと考えられ
る。
Comparing the case where the upper electrode is larger than the lower electrode and the case where the lower electrode is larger than the upper electrode on the contrary, the former shows that the leak current between the upper and lower electrodes is about two digits larger than the latter. I understood. This is P at the end of the lower electrode.
It is considered that this is due to the large leak current of the ZT film.

【0046】更に、上電極より下電極が大きい場合にお
いて、PZT膜が下電極より大きい場合と、PZT膜が
下電極より小さい場合においては、前者はPZT膜端部
が下地の窒化珪素からめくれ上がってしまったのに対
し、後者は膜剥がれ等なく形成できた。これは、PZT
膜と窒化珪素層の密着性が不十分であるためと考えられ
た。従って、以上の結果から、 上電極≦PZT膜<下電極 の大小関係とすること、すなわち、液室の配列方向にお
ける上電極長さをLu、液室の配列方向におけるPZT
長さをLp、液室の配列方向における下電極長さをL1
とした場合、 Lu≦Lp<L1 という大小関係にすること、及び液室の奥行き方向にお
ける上電極長さをWu、液室の奥行き方向におけるPZ
T長さをWp、液室の奥行き方向における下電極長さを
W1とした場合、 Wu≦Wp<W1 という大小関係にすることにより、製造プロセス上の問
題がなく、かつリーク電流が抑えられた圧電素子を構成
することができた。
Further, in the case where the lower electrode is larger than the upper electrode, the PZT film is larger than the lower electrode, and the PZT film is smaller than the lower electrode, in the former, the end of the PZT film is turned up from the underlying silicon nitride. However, the latter could be formed without film peeling. This is PZT
It was considered that the adhesion between the film and the silicon nitride layer was insufficient. Therefore, from the above results, the relation of upper electrode ≦ PZT film <lower electrode is established, that is, the upper electrode length in the arrangement direction of the liquid chambers is Lu, and the PZT in the arrangement direction of the liquid chambers is Lu.
Lp is the length and L1 is the length of the lower electrode in the arrangement direction of the liquid chamber.
In such a case, the relationship of Lu ≦ Lp <L1 is established, the upper electrode length in the depth direction of the liquid chamber is Wu, and the PZ in the depth direction of the liquid chamber is
When the T length is Wp and the lower electrode length in the depth direction of the liquid chamber is W1, by setting Wu ≦ Wp <W1, the manufacturing process has no problem and the leak current is suppressed. A piezoelectric element could be constructed.

【0047】更に、上電極106からの電極取り出しを
行うため、前記製造工程に従い、液室102まで形成し
た後、上電極106にワイヤボンディングをしてみた。
そうしたところ、液室102真上の上電極106にワイ
ヤボンディングを行った場合、圧力で振動板103が破
壊してしまった。これに対して、液室の奥行き方向に上
電極106を引き伸ばした場合、すなわち液室の奥行き
方向の長さをW、液室の奥行き方向の上電極長さをWu
とし、 W<Wu という大小関係にする。そして、上電極106下に基板
101が存在している部分(液室102が存在していな
い部分)にワイヤボンディングを行ったところ、問題な
く実施できた。従って、以上の結果から、 W<Wu とすることにより、上電極106からの電極取り出しが
容易となることがわかった。
Further, in order to take out the electrode from the upper electrode 106, after forming the liquid chamber 102 according to the above manufacturing process, wire bonding was tried to the upper electrode 106.
Then, when wire bonding was performed on the upper electrode 106 just above the liquid chamber 102, the vibration plate 103 was broken by the pressure. On the other hand, when the upper electrode 106 is extended in the depth direction of the liquid chamber, that is, the length of the liquid chamber in the depth direction is W, and the length of the upper electrode in the depth direction of the liquid chamber is Wu.
Then, the magnitude relation W <Wu is established. Then, wire bonding was performed on a portion where the substrate 101 exists below the upper electrode 106 (a portion where the liquid chamber 102 does not exist). Therefore, from the above results, it was found that the electrode extraction from the upper electrode 106 was facilitated by setting W <Wu.

【0048】次に、前記Lu≦Lp<L1という条件の
もとで、液室102の配列方向長さLとの関係につい
て、液室中央部における振動板103の変形量を調べる
ことにより最適化実験を行った。なお、振動板、下電
極、PZT、上電極の材料、厚みは前述のものとした。
そして、液室配列方向の辺の中央に圧電素子の中央を配
置し、左右対称となるようにした。また上下電極間の印
加電圧は30Vとした。L=100μm固定とし、L
u、Lp、L1をそれぞれ変えたときの結果を以下の表
1に示す。
Next, under the condition of Lu ≦ Lp <L1, the relationship with the length L of the liquid chamber 102 in the arrangement direction is optimized by examining the amount of deformation of the vibration plate 103 in the central portion of the liquid chamber. An experiment was conducted. The materials and thicknesses of the diaphragm, the lower electrode, the PZT, and the upper electrode are as described above.
Then, the center of the piezoelectric element is arranged at the center of the side in the liquid chamber arranging direction so as to be symmetrical. The applied voltage between the upper and lower electrodes was 30V. L = 100μm fixed, L
The results when u, Lp, and L1 were changed are shown in Table 1 below.

【0049】[0049]

【表1】 [Table 1]

【0050】以上の表1に示されるように、配列方向に
おける、液室102とPZT膜105や下電極104の
大小関係は、振動板変形量にはあまり影響を与えない。
しかし、液室102と上電極106の大小関係は、振動
板変形量に影響を与え、液室102より上電極106が
大きくなれば、振動板変形量が低下する。この結果によ
り、圧電素子の変形部分が液室内部に収まるようにすれ
ば、効率的な振動板変形をさせることができるものと考
えられる。そのような状態にする平面的な位置関係は、
液室配列方向において、液室の配列方向長さL>液室の
配列方向の上電極長さLuである。
As shown in Table 1 above, the magnitude relationship between the liquid chamber 102 and the PZT film 105 or the lower electrode 104 in the arrangement direction has little influence on the vibration plate deformation amount.
However, the size relationship between the liquid chamber 102 and the upper electrode 106 affects the deformation amount of the diaphragm, and if the upper electrode 106 is larger than the liquid chamber 102, the deformation amount of the diaphragm decreases. From this result, it is considered that the diaphragm can be efficiently deformed if the deformed portion of the piezoelectric element is contained within the liquid chamber. The planar positional relationship that makes such a state is
In the liquid chamber array direction, the length L of the liquid chamber in the array direction> the upper electrode length Lu of the array direction of the liquid chamber.

【0051】以上述べた平面的なサイズ関係のもとで、
次に液体噴射実験を行った。液体としては、水系インク
を用いた。液室の配列方向長さL(単位μm)、液室の
奥行き方向長さW(単位μm)、PZT膜厚みtp(単
位μm)、振動板厚みtv(単位μm)をパラメータと
して、ノズル109から5mm離れた部分で液体噴射速
度(単位m/sec)を測定した。PZT膜への印加電
界は5V/μmとした。なお、振動板材料、下電極材料
及び厚み、上電極材料及び厚み、保護膜材料及び厚みは
前述のものとした。結果を以下の表2に示す。
Based on the plane size relationship described above,
Next, a liquid jet experiment was conducted. Aqueous ink was used as the liquid. From the nozzle 109, the length L (unit: μm) of the liquid chambers in the array direction, the length W (unit: μm) in the depth direction of the liquid chambers, the thickness tp (unit: μm) of the PZT film, and the thickness tv (unit: μm) of the diaphragm are used as parameters. The liquid jetting speed (unit: m / sec) was measured at a portion separated by 5 mm. The electric field applied to the PZT film was 5 V / μm. The diaphragm material, the lower electrode material and thickness, the upper electrode material and thickness, the protective film material and thickness are as described above. The results are shown in Table 2 below.

【0052】[0052]

【表2】 [Table 2]

【0053】以下の結果について考察してみる。Consider the following results.

【0054】まず、L=100μm、W=15000μ
m、tv=0.4μmという条件において、tp=0.8
μmの場合は液体は噴射し、tp=0.7μmの場合は液
体は噴射しない。これは、液室内の液体に与える圧力が
tp=0.7μmにおいては不足のためであると考えら
れる。材料力学の教えるところによれば、一般的に液室
内の液体に与える圧力は、おおむねtp+tvの3乗に
比例し、Lの3乗に反比例する。したがって、この条件
に上記の実験結果をあてはめると、 (tp+tv)3/L3≧1.7×10-6、 すなわち、 (tp+tv)/L≧0.012 と範囲設定すれば、液室内液体に与える圧力としては、
液体を噴射させるだけのものを与えることができる。ま
た、前記不等式の左辺が大きくなれば、液体噴射特性は
向上することが期待され、実際、tp=tv=3μmの
時、液体噴射速度17m/secを記録している。
First, L = 100 μm and W = 15000 μ
m and tv = 0.4 μm, tp = 0.8
The liquid is ejected in the case of μm, and the liquid is not ejected in the case of tp = 0.7 μm. It is considered that this is because the pressure applied to the liquid in the liquid chamber is insufficient at tp = 0.7 μm. According to the teaching of material mechanics, the pressure applied to the liquid in the liquid chamber is generally proportional to the cube of tp + tv and inversely proportional to the cube of L. Therefore, if the above experimental results are applied to this condition, (tp + tv) 3 / L 3 ≧ 1.7 × 10 −6 , that is, if (tp + tv) /L≧0.012 The applied pressure is
It is possible to give something that only ejects a liquid. Further, if the left side of the inequality becomes large, it is expected that the liquid ejection characteristics will be improved. In fact, when tp = tv = 3 μm, the liquid ejection speed of 17 m / sec is recorded.

【0055】ところが、tp=3μm、tv=5μmの
時、液体は噴射しなかった。これは、振動板103が厚
くなってその剛性が高まり、液体を噴射させるだけの量
の変形をしなくなるためである。従って、振動板103
が厚くなりすぎるのは望ましくなく、前記不等式に数値
条件を当てはめると、 (tp+tv)3/L3<5.12×10-4、 すなわち、 (tp+tv)/L<0.08 とすることが必要となる。この不等式の意味するところ
は、液室の配列方向長さLを短くして、液体噴射ヘッド
のノズル高密度化を行なうためには、PZT厚みtpと
振動板厚みtvの和を小さくすることが必要ということ
である。逆に言えば、tp+tvを小さくすることによ
り、Lを小さくすることができ、ノズル高密度化が可能
となる。
However, when tp = 3 μm and tv = 5 μm, the liquid was not ejected. This is because the vibration plate 103 becomes thicker and its rigidity is increased, so that the vibration plate 103 is not deformed by an amount enough to eject the liquid. Therefore, the diaphragm 103
Is not desired to be too thick, and applying numerical conditions to the above inequality requires (tp + tv) 3 / L 3 <5.12 × 10 −4 , that is, (tp + tv) / L <0.08. Becomes This inequality means that the sum of the PZT thickness tp and the diaphragm thickness tv should be reduced in order to shorten the length L of the liquid chamber in the arrangement direction and to increase the density of the nozzles of the liquid jet head. It is necessary. Conversely, by reducing tp + tv, L can be reduced and nozzle density can be increased.

【0056】さて、この状態(tp=3μm、tv=5
μmの状態)で液体を噴射させるための手段として、液
室の奥行き方向長さWを更に大きくすることが考えられ
る。しかしながらそのような構成にすれば、液体噴射ヘ
ッドが平面的に非常に大型化してしまい、実用的な範囲
を逸脱してしまう。また、Wが大きくなった場合、液室
内の流路抵抗が大きくなり、液体噴射ヘッドの動作速度
が低下する。従って、液体噴射ヘッドの平面的な小型
化、高速動作化に対しては、上記の実験結果から、 tp≧tv 及び W/L≦150 とするのが望ましい。
Now, in this state (tp = 3 μm, tv = 5)
As a means for ejecting the liquid in the (μm state), it is conceivable to further increase the depth direction length W of the liquid chamber. However, with such a configuration, the liquid ejecting head becomes extremely large in plan view, which is outside the practical range. Further, when W becomes large, the flow path resistance in the liquid chamber becomes large, and the operating speed of the liquid jet head decreases. Therefore, from the above experimental results, it is desirable that tp ≧ tv and W / L ≦ 150 for the planar miniaturization and high-speed operation of the liquid ejecting head.

【0057】また、L=200μm、tp=4μm、t
v=2μmにおいて、W=2000μmでは液体噴射
し、W=1000μmでは液体噴射しない。これは、W
=1000μmでは、液体噴射させるだけの液室の奥行
き長さが短すぎるためである。従って、L=200μm
以下として高密度化で液室を配列し、ノズルを高密度化
する場合、W/L≧10とすることが必要であることが
わかった。
Further, L = 200 μm, tp = 4 μm, t
When v = 2 μm, the liquid is ejected when W = 2000 μm and is not ejected when W = 1000 μm. This is W
This is because the depth length of the liquid chamber for ejecting the liquid is too short when = 1000 μm. Therefore, L = 200 μm
As described below, it has been found that it is necessary to satisfy W / L ≧ 10 when arranging the liquid chambers with high density and densifying the nozzles.

【0058】以上述べた液体噴射ヘッドの特徴をまとめ
ると、以下のようになる。
The features of the liquid jet head described above are summarized as follows.

【0059】圧電幕105にPZTを用いていることに
より、液体噴射効率がよい。PZTは、圧電材料の中で
も圧電ひずみ定数が大きく、本実施例におけるPZTに
おいてもd31=150pC/Nが達成されている。本発
明におけるPZTは、その組成や、上述した実施例にお
いて添加されている添加物の種類、量、更に固溶させる
ことのできる化合物の種類、量を上記実地例において限
定されているものではない。また、その形成方法も上記
方法に限定される必要はない。
By using PZT for the piezoelectric curtain 105, liquid ejection efficiency is good. PZT has a large piezoelectric strain constant among the piezoelectric materials, and d 31 = 150 pC / N is achieved also in PZT in the present embodiment. The PZT in the present invention is not limited to the composition, the kind and amount of the additive added in the above-described examples, and the kind and amount of the compound that can be further solid-dissolved in the above practical example. . Further, the forming method thereof does not have to be limited to the above method.

【0060】液室102の配列ピッチを、ノズル109
の配列ピッチと同一にしているため、前記液室とノズル
を結う液体流路108を引き回すスペースが不要とな
り、液体噴射ヘッドの小型化が可能となり、更にはノズ
ル数を増やしても液体噴射ヘッドの大型化を招くことは
ない。
The arrangement pitch of the liquid chambers 102 is set to the nozzle 109.
Since the arrangement pitch is the same, the space for drawing around the liquid flow path 108 connecting the liquid chamber and the nozzle is unnecessary, the liquid jet head can be downsized, and even if the number of nozzles is increased, There is no increase in size.

【0061】10≦W/L≦150かつtp≧tvかつ
0.012≦(tp+tv)/L<0.08とすること
により、薄い振動板103及びPZT膜105を用いて
狭い幅の液室を形成しても液体噴射が可能となり、液体
噴射ヘッドの小型化、そのノズル高密度化が可能とな
る。
By setting 10 ≦ W / L ≦ 150, tp ≧ tv and 0.012 ≦ (tp + tv) / L <0.08, a thin diaphragm 103 and a PZT film 105 are used to form a liquid chamber having a narrow width. Even if formed, the liquid can be ejected, and the liquid ejecting head can be downsized and the nozzle density can be increased.

【0062】基板101を面方位(110)の単結晶珪
素とし、液室102の奥行き方向を<1−1 2>又は
<−1 1 2>方向とすることにより、液室102の
奥行き方向の辺を形成する側壁の面を(111)面とす
ることができるため、300μmの深さの液室を配列方
向のサイドエッチング1μm程度に抑えて形成すること
ができ、液室寸法の高精度化が可能となる。
The substrate 101 is made of single crystal silicon having a plane orientation (110), and the depth direction of the liquid chamber 102 is set to the <1-1 2> or <-1 12> direction. Since the surface of the side wall forming the side can be the (111) plane, it is possible to form the liquid chamber having a depth of 300 μm while suppressing the side etching in the arrangement direction to about 1 μm, and the precision of the liquid chamber is improved. Is possible.

【0063】Lu≦Lp<L1とすることにより、製造
プロセス上の問題がなく、リーク電流が抑えられた圧電
素子を構成することが可能となる。
By setting Lu.ltoreq.Lp <L1, it becomes possible to construct a piezoelectric element in which there is no problem in the manufacturing process and the leak current is suppressed.

【0064】L>Luとすることにより、振動板の変形
を効率的に行なうことができるようになり、その結果効
率的な液体噴射が可能となる。
By setting L> Lu, the vibration plate can be efficiently deformed, and as a result, efficient liquid ejection can be performed.

【0065】W<Wu<Wp<W1とすることにより、
製造プロセス上の問題がなく、リーク電流が抑えられた
圧電素子を構成することが可能となると共に、上電極か
らの電極取り出しが容易となる。
By setting W <Wu <Wp <W1,
There is no problem in the manufacturing process, it is possible to configure a piezoelectric element with suppressed leakage current, and it is easy to take out the electrode from the upper electrode.

【0066】圧電素子及び液室102が形成された第1
の基板101と液体流路108が形成された第2の基板
107を、液室と液体流路が連通するように接合一体化
する構成としたことにより、液体流路の形状、深さを制
御することが容易となり、また、液体流路と液室との接
点形状を一定とすることが可能となり、その設計上の自
由度を向上させることが可能となると共に、気泡溜まり
や液体噴射特性のばらつきの原因を除去することが可能
となる。
First with piezoelectric element and liquid chamber 102 formed
The substrate 101 and the second substrate 107 in which the liquid channel 108 is formed are integrally joined so that the liquid chamber and the liquid channel communicate with each other, thereby controlling the shape and depth of the liquid channel. In addition, it is possible to make the contact shape between the liquid flow path and the liquid chamber constant, and it is possible to improve the degree of freedom in designing the liquid flow path and the liquid ejection characteristics. It is possible to eliminate the cause of variation.

【0067】第1の基板101と第2の基板107を接
合した断面の開口部をノズルとしたことにより、別部品
として必要であった高価なノズル板が不要となる。
By using the opening of the cross section where the first substrate 101 and the second substrate 107 are joined as a nozzle, an expensive nozzle plate which is required as a separate component is not required.

【0068】圧電素子を形成した後、この側の面を保護
する手段を設けて、反対側の面から液室を形成する製造
方法としたことにより、薄い振動板及びPZTを用いて
も歩溜まり良く液体噴射ヘッドが形成可能となる。本実
施例においては、圧電素子側の面を保護する手段は治具
によるものであるが、その手段はこれに限定されること
なく、フォトレジストを厚く塗布する等、他の手段を用
いても良い。
After forming the piezoelectric element, a means for protecting the surface on this side is provided, and the liquid chamber is formed from the surface on the opposite side. Therefore, the yield can be obtained even when a thin diaphragm and PZT are used. A liquid jet head can be formed well. In the present embodiment, the means for protecting the surface on the piezoelectric element side is a jig, but the means is not limited to this, and other means such as thick coating of photoresist may be used. good.

【0069】液室が形成された第1の基板101の液室
開口部側に、液体流路が形成された第2の基板107を
接合する製造方法としたことにより、基板101の封止
用に1枚の基板(第2の基板)を用いて1回の接着工程
ですませることが可能となり、液体噴射ヘッドの低価格
化が可能となる。
By using the manufacturing method in which the second substrate 107 in which the liquid flow path is formed is bonded to the liquid chamber opening side of the first substrate 101 in which the liquid chamber is formed, the substrate 101 is sealed. Since one substrate (second substrate) can be used for one bonding step, it is possible to reduce the price of the liquid ejecting head.

【0070】基板101上に酸化珪素層201を形成
し、液室102を形成する工程と同一工程またはその後
に液室102に接して成る酸化珪素層201を除去する
製造方法としたことにより、製造プロセス中における振
動板103の割れや剥がれを防ぐことが可能となり、液
体噴射ヘッドの製造歩留まりが向上する。更に振動板振
動時に残留する酸化珪素層201の影響を除去すること
が可能となり、液体噴射特性の向上が可能となる。
The silicon oxide layer 201 is formed on the substrate 101 and the silicon oxide layer 201 formed in contact with the liquid chamber 102 is removed in the same step as the step of forming the liquid chamber 102 or after that. It becomes possible to prevent the diaphragm 103 from cracking or peeling during the process, and the manufacturing yield of the liquid jet head is improved. Furthermore, it becomes possible to remove the influence of the silicon oxide layer 201 remaining when the diaphragm vibrates, and it is possible to improve the liquid ejection characteristics.

【0071】(実施例2)振動板103の材料について
の知見を得るため、図2(c)の構造において、振動板
材料を変え、液室中央部における振動板の変形量を調べ
た。下電極104は全くパターニングを行なわず、基板
101全面に存在する構成とした。条件としては、L=
100μm、Lp=94μm、Lu=88mμm、W=
15mm、tp=3μm、tv=1μmで上下電極間の
印加電圧は30Vとした。
Example 2 In order to obtain information on the material of the diaphragm 103, the diaphragm material was changed in the structure of FIG. 2C, and the amount of deformation of the diaphragm in the center of the liquid chamber was examined. The lower electrode 104 was not patterned at all, and was formed on the entire surface of the substrate 101. As a condition, L =
100 μm, Lp = 94 μm, Lu = 88 mμm, W =
The applied voltage between the upper and lower electrodes was 30 V at 15 mm, tp = 3 μm, and tv = 1 μm.

【0072】振動板103の材料としては、上述の実施
例1で使用した窒素珪素に加え、熱酸化法により形成し
た酸化珪素、ホウ素を1021cm-3熱拡散させた珪素、
スパッタリング法により形成した酸化ジルコニウム、及
び酸化アルミニウムの5種類を用いた。結果を以下の表
3に示す。
As the material of the vibrating plate 103, in addition to the nitrogen silicon used in the first embodiment, silicon oxide formed by a thermal oxidation method, silicon in which boron is thermally diffused at 10 21 cm −3 ,
Five kinds of zirconium oxide and aluminum oxide formed by the sputtering method were used. The results are shown in Table 3 below.

【0073】[0073]

【表3】 [Table 3]

【0074】以下の結果により、振動板103のヤング
率が大きいほど振動板変形量は大きくなる。これは、振
動板103のヤング率が小さいと、圧電薄膜が横方向に
変形する時、同時に横方向に大きく伸びてしまい、縦方
向への変形がそれほど大きくならないことを示している
ものである。効率的に振動板を変形させ、液体を噴射さ
せるためには、ヤング率の大きな振動板を用いることが
必要である。
From the following results, the larger the Young's modulus of the diaphragm 103, the larger the amount of deformation of the diaphragm. This shows that when the Young's modulus of the vibration plate 103 is small, when the piezoelectric thin film is deformed in the lateral direction, the piezoelectric film is greatly expanded in the lateral direction at the same time, and the deformation in the longitudinal direction is not so large. In order to efficiently deform the diaphragm and eject the liquid, it is necessary to use a diaphragm having a large Young's modulus.

【0075】上記結果により近似的に振動板103によ
る液室の排除体積を見積もってみると、酸化珪素を用い
た場合1.5×10-133となり、水系インクを用いて
液体噴射を行なう場合に対して必要な排除体積ぎりぎり
のところである。従って、振動板のヤング率を1×10
11N/m2以上とすれば、余裕を持って液体噴射させる
ことが可能となり、更には2×1011N/m2以上とす
れば、振動板変形量が格段に増大し、液室の奥行き方向
長さWを減少させることができ、液体噴射ヘッドの小型
化、動作の高速化が可能となる。
Approximately estimating the excluded volume of the liquid chamber by the vibrating plate 103 from the above result, it becomes 1.5 × 10 −13 m 3 when silicon oxide is used, and the liquid jet is performed using the water-based ink. It is at the limit of the excluded volume necessary for the case. Therefore, the Young's modulus of the diaphragm is 1 × 10
If it is 11 N / m 2 or more, it is possible to eject the liquid with a margin, and if it is 2 × 10 11 N / m 2 or more, the vibration plate deformation amount is remarkably increased and the liquid chamber The length W in the depth direction can be reduced, and the liquid jet head can be downsized and the operation speed can be increased.

【0076】以上の結果によれば、振動板材料として、
ヤング率の大きい酸化ジルコニウム、窒素珪素、酸化ア
ルミニウムが望ましいことがわかる。この他に、窒化チ
タン、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化タンタル、
窒化タングステン、窒化ジルコニウム、窒化チタン、炭
化珪素、炭化チタン、炭化タングステン、炭化タンタル
は、ヤング率が2×1011N/m2以上であり、望まし
い振動板材料といえる。
According to the above results, as the diaphragm material,
It can be seen that zirconium oxide, silicon nitride, and aluminum oxide having a large Young's modulus are desirable. In addition to this, titanium nitride, aluminum nitride, boron nitride, tantalum nitride,
Tungsten nitride, zirconium nitride, titanium nitride, silicon carbide, titanium carbide, tungsten carbide, and tantalum carbide have a Young's modulus of 2 × 10 11 N / m 2 or more and can be said to be desirable diaphragm materials.

【0077】更に、前記材料を主成分として他の成分が
添加されていても良いし、前記材料を2種類以上含んだ
材料でもよい。例えば、炭化タングステンが主成分で、
炭化チタン、炭化タルタル、コバルトを微量添加した超
硬合金や、炭化チタンや炭化窒化チタンを主成分とし、
不純物を微量添加してサーメットを振動板に用いて良
い。
Further, other components may be added with the above-mentioned material as the main component, or a material containing two or more of the above-mentioned materials. For example, tungsten carbide is the main component,
Cemented carbide containing trace amounts of titanium carbide, tartar carbide, cobalt, titanium carbide and titanium carbonitride
The cermet may be used for the diaphragm by adding a small amount of impurities.

【0078】(実施例3)図5は、本発明の実施例にお
ける、振動板を積層構造とした液体噴射ヘッドにおけ
る、圧電素子、液室を形成した基板の断面図である。
(Embodiment 3) FIG. 5 is a cross-sectional view of a substrate in which a piezoelectric element and a liquid chamber are formed in a liquid jet head having a vibrating plate of a laminated structure according to an embodiment of the present invention.

【0079】同図において、501はヤング率が1×1
11N/m2以上、望ましくは2×1011N/m2以上の
材料層であり、前記(実施例1)と同様窒化珪素を用い
た。502は酸化珪素層であり、窒素珪素層501を形
成したPECVD装置において、窒素珪素層501を形
成した後に連続形成した。これ以外の要素は実施例1と
同様である。
In the figure, 501 has a Young's modulus of 1 × 1.
The material layer is 0 11 N / m 2 or more, preferably 2 × 10 11 N / m 2 or more, and silicon nitride was used as in the above (Example 1). Reference numeral 502 denotes a silicon oxide layer, which was continuously formed after the nitrogen silicon layer 501 was formed in the PECVD apparatus in which the nitrogen silicon layer 501 was formed. The other elements are the same as those in the first embodiment.

【0080】この酸化珪素層502を設けるころによ
り、下電極104と振動板との密着性が強化された。ま
た、製造プロセス中の熱処理時に起こるPZT膜105
に加わる応力を緩和することができるので、製造歩留ま
りを向上することが可能である。窒化珪素層501を1
μm、酸化珪素層502を1000Åとしたときの液体
噴射特性は、実施例1中の表2に示すものと変わらず、
酸化珪素層502を設けることによる液体噴射特性の劣
化はなかった。
By providing the silicon oxide layer 502, the adhesion between the lower electrode 104 and the vibration plate is strengthened. In addition, the PZT film 105 that occurs during heat treatment during the manufacturing process
Since it is possible to relieve the stress applied to, it is possible to improve the manufacturing yield. Silicon nitride layer 501 to 1
The liquid jetting characteristics when the silicon oxide layer 502 has a thickness of 1000 .mu.m and a thickness of 1000 .mu.m are the same as those shown in Table 2 in Example 1,
The provision of the silicon oxide layer 502 did not deteriorate the liquid ejection characteristics.

【0081】本実施例は、PZT膜形成時またはそれ以
降の処理温度を710℃以下として適用するのが望まし
い。これは、PZT膜中の鉛が下電極104を通って振
動板の酸化珪素層502へ拡散することによるものであ
る。通常、酸化珪素はこの温度領域では固体状態である
が、鉛が拡散された酸化珪素は714℃以上で液体とな
ってしまい、これが外部に噴出して液体噴射ヘッドを破
壊してしまうためである。
In this embodiment, it is desirable to apply the processing temperature at or after the PZT film formation is 710 ° C. or less. This is because lead in the PZT film diffuses into the silicon oxide layer 502 of the diaphragm through the lower electrode 104. Normally, silicon oxide is in a solid state in this temperature range, but silicon oxide in which lead is diffused becomes a liquid at 714 ° C. or higher, and this is jetted to the outside to destroy the liquid jet head. .

【0082】(実施例4)図6は、振動板と下電極の間
に酸化アルミニウム層を挿入した液体噴射ヘッドにおけ
る、圧電素子、液室を形成した基板の断面図である。
(Embodiment 4) FIG. 6 is a cross-sectional view of a substrate in which a piezoelectric element and a liquid chamber are formed in a liquid jet head in which an aluminum oxide layer is inserted between a diaphragm and a lower electrode.

【0083】図において、窒化珪素層501、酸化珪素
層502より成る振動板上に、酸化アルミニウム層60
1をスパッタリング法により厚み1000Åで形成し、
その上部から下電極104を形成する。それ以外は実施
例3と同様である。
In the figure, an aluminum oxide layer 60 is formed on a diaphragm composed of a silicon nitride layer 501 and a silicon oxide layer 502.
1 was formed with a thickness of 1000Å by the sputtering method,
The lower electrode 104 is formed from the upper part. Other than that is the same as the third embodiment.

【0084】酸化アルミニウム層601を形成すること
により、上記実施例3中において述べたPZT中の鉛の
振動板への拡散が抑えられる。このことにより、710
℃以上の高温熱処理を行なっても、酸化珪素層502外
部噴出による液体噴射ヘッドの破壊を防止することがで
き、液体噴射ヘッドの製造歩留まりを向上させることが
できる。更には、710℃以上の高温かつ効率的な熱処
理が可能となるため、PZT膜の圧電特性を一層向上さ
せることが可能となり、液体噴射特性の向上を図ること
ができる。
By forming the aluminum oxide layer 601, the diffusion of lead in the PZT into the diaphragm as described in the third embodiment can be suppressed. This makes 710
Even if the high temperature heat treatment of not less than 0 ° C. is performed, it is possible to prevent the liquid jet head from being destroyed due to the jetting of the silicon oxide layer 502 to the outside, and it is possible to improve the manufacturing yield of the liquid jet head. Furthermore, since it is possible to perform heat treatment efficiently at a high temperature of 710 ° C. or higher, it is possible to further improve the piezoelectric characteristics of the PZT film and improve the liquid ejection characteristics.

【0085】酸化アルミニウム層601を設けたことに
よる効果は他の材料を用いても得られることが判明し
た。実験の結果、上記酸化アルミニウム以外では、酸化
ジルコニウム、酸化錫、酸化亜鉛、酸化チタンを用いて
もその効果は同様に確認された。また、これらを主成分
とし添加物を加えた材料や、これらの材料を2種類以上
含むものを主成分とする材料も同様に適用可能である。
さらに、この効果は、表面に酸化珪素層を設けた振動板
構成のみならず、ホウ素を混入した単結晶珪素振動板に
おいても確認された。
It has been found that the effect of providing the aluminum oxide layer 601 can be obtained by using other materials. As a result of the experiment, the effect was similarly confirmed even when zirconium oxide, tin oxide, zinc oxide, or titanium oxide was used other than the above-mentioned aluminum oxide. Further, a material containing these as main components and an additive, or a material containing as a main component two or more kinds of these materials is also applicable.
Further, this effect was confirmed not only in the diaphragm configuration in which the silicon oxide layer was provided on the surface but also in the single crystal silicon diaphragm mixed with boron.

【0086】(実施例5)本発明者らは、下電極104
の構成を決定するため、以下の実験を行なった。
(Fifth Embodiment) The present inventors have made the lower electrode 104
The following experiment was conducted to determine the composition of the.

【0087】酸化珪素層を設けた単結晶珪素基板上に、
下電極104としてチタンと白金をスパッタリング法で
この順に連続形成した。白金の厚みは2000Å、チタ
ンの厚みは50Åから1000Åまで変化させた。な
お、チタンは電極材料の白金と振動板材料の酸化珪素層
との密着性を高めるために必要なものである。
On a single crystal silicon substrate provided with a silicon oxide layer,
As the lower electrode 104, titanium and platinum were continuously formed in this order by a sputtering method. The platinum thickness was changed to 2000Å and the titanium thickness was changed from 50Å to 1000Å. Titanium is necessary to improve the adhesion between the electrode material platinum and the diaphragm material silicon oxide layer.

【0088】その上から、実施例1中に示す方法でPZ
Tを膜厚1μmに形成し、酸素雰囲気中で600℃の熱
処理を4時間行い、更に上電極としてアルミニウムを3
mm角の大きさにマスク蒸着して形成した。
From above, PZ was carried out by the method shown in Example 1.
T is formed to a film thickness of 1 μm, heat treatment is performed at 600 ° C. for 4 hours in an oxygen atmosphere, and aluminum is used as an upper electrode for 3 hours.
It was formed by mask vapor deposition in the size of mm square.

【0089】このサンプルにおいて、上下電極間に電圧
を印加し、PZT膜の耐電圧特性を評価した。ここで、
PZT膜の耐電圧の定義としては、リーク電流が100
nA流れたときの印加電圧とした。その結果を表4に示
す。
In this sample, a voltage was applied between the upper and lower electrodes and the withstand voltage characteristics of the PZT film were evaluated. here,
The PZT film withstand voltage is defined as a leak current of 100.
The applied voltage when flowing nA was used. The results are shown in Table 4.

【0090】[0090]

【表4】 [Table 4]

【0091】以上の結果により、チタン膜厚とPZT膜
の耐電圧には相関関係があり、チタン膜厚が薄くなれば
耐電圧が増すことがわかる。また、本発明者らの観測に
よれば、白金表面に微妙な突起が生じていて、この突起
の密度がチタン膜厚を厚くすると共に大きくなってい
た。例えば、チタン50Åにおいては20000個/m
2程度であったものが、チタン200Åおいては21
0000個/mm2程度となっていることが観測され
た。このことから、熱処理によって形成される白金表面
の微小な突起が、PZT膜の耐電圧を低下させているも
のと考えられる。
The above results show that there is a correlation between the titanium film thickness and the withstand voltage of the PZT film, and the withstand voltage increases as the titanium film thickness becomes thinner. In addition, according to the observation by the present inventors, delicate projections were formed on the platinum surface, and the density of the projections increased as the titanium film thickness increased. For example, for titanium 50Å, 20000 pieces / m
What was about m 2 is 21 for titanium 200Å
It was observed that the number was about 0000 pieces / mm 2 . From this, it is considered that the minute projections on the platinum surface formed by the heat treatment reduce the withstand voltage of the PZT film.

【0092】チタン膜厚を100Åから80Åに下げる
ことにより、PZT膜の耐電圧は18Vから30Vへと
大きく向上した。PZT膜の耐電圧が向上すれば、印加
電圧を高くすることができるようになり、液体噴射ヘッ
ドにおける、液体噴射特性を向上させることが可能とな
る。また、PZT膜を薄くした状態においても液体噴射
が可能となり、製造上の生産性も向上させることが可能
となる。
By lowering the titanium film thickness from 100Å to 80Å, the withstand voltage of the PZT film was greatly improved from 18V to 30V. If the withstand voltage of the PZT film is improved, the applied voltage can be increased and the liquid ejecting characteristics of the liquid ejecting head can be improved. In addition, the liquid can be ejected even when the PZT film is thinned, and the productivity in manufacturing can be improved.

【0093】この耐電圧値としては、10V以下では実
用には耐えられず、20V程度でもまだ不十分である
が、20Vを大きく超えれば実用領域とみなすことがで
きる。上記の実験結果によると、チタン膜層が80Å以
下になるとPZT膜の耐電圧が格段に向上しているのが
わかる。従って、チタン膜厚を80Å以下とすることが
望ましく、本発明者らは、上述した実施例においてもチ
タン膜厚を50Åとしている。
With respect to this withstand voltage value, if it is 10 V or less, it cannot withstand practical use, and about 20 V is still insufficient, but if it exceeds 20 V, it can be regarded as a practical region. From the above experimental results, it can be seen that the withstand voltage of the PZT film is remarkably improved when the titanium film layer is 80 Å or less. Therefore, it is desirable to set the titanium film thickness to 80 Å or less, and the present inventors set the titanium film thickness to 50 Å even in the above-mentioned embodiments.

【0094】以上の本実施例においては、厚み80Å以
下のチタン上に設ける電極材料を白金としているが、こ
れは、白金を含む合金としてよい。本発明者らは酸化珪
素層を設けた単結晶珪素基板にチタンを50Å、更に白
金70at%−イリジウム30at%の合金をスパッタ
リング法で連続形成し、酸素雰囲気中で600℃の熱処
理を4時間行なってみた、熱処理後のこの合金表面を8
00倍で顕微鏡観察してみたところ、前記表面の微小突
起は全く観察されなかった。前記実施例と同様にPZT
膜を形成し耐電圧の測定したところ、70Vという結果
が得られ、更に特性の向上がみられた。
In the above-mentioned embodiment, platinum is used as the electrode material provided on titanium having a thickness of 80 Å or less, but this may be an alloy containing platinum. The inventors of the present invention continuously form 50 liters of titanium on a single crystal silicon substrate provided with a silicon oxide layer, and further continuously form an alloy of 70 at% of platinum and 30 at% of iridium by a sputtering method, and perform heat treatment at 600 ° C. for 4 hours in an oxygen atmosphere. The surface of this alloy after heat treatment was 8
When microscopically observed at 00 times, no fine protrusions on the surface were observed. PZT as in the previous embodiment
When a film was formed and the withstand voltage was measured, a result of 70 V was obtained, and further improvement in characteristics was observed.

【0095】また、振動板の材料としても酸化珪素層を
設けた単結晶珪素に限られたわけでなく、上述した実施
例で挙げられた材料であれば適用可能である。
Further, the material of the diaphragm is not limited to the single crystal silicon provided with the silicon oxide layer, and the materials mentioned in the above-mentioned embodiments can be applied.

【0096】(実施例6)図7は、液室内表面に親水性
材料層を形成した液体噴射ヘッドにおける、圧電素子、
液室を形成した基板の断面図である。
(Embodiment 6) FIG. 7 shows a piezoelectric element in a liquid jet head in which a hydrophilic material layer is formed on the inner surface of a liquid chamber.
It is sectional drawing of the board | substrate which formed the liquid chamber.

【0097】同図において、701が親水性材料層であ
る。本実施例における製造方法は実施例1に示すものと
ほぼ同一であるが、保護膜203の形成前に単結晶珪素
基板101の異方性エッチングを行い、その後800℃
程度の温度で基板101表面を熱酸化することにより、
親水性材料層701として酸化珪素を形成する点が実施
例1と異なっている。その後、圧電素子側の面に保護膜
203を形成する。
In the figure, 701 is a hydrophilic material layer. The manufacturing method in this embodiment is almost the same as that in Embodiment 1, except that the single crystal silicon substrate 101 is anisotropically etched before forming the protective film 203, and then 800 ° C.
By thermally oxidizing the surface of the substrate 101 at a temperature of about
The difference from Example 1 is that silicon oxide is formed as the hydrophilic material layer 701. After that, the protective film 203 is formed on the surface of the piezoelectric element side.

【0098】親水性材料層701の形成方法としては、
SOG(Spin On Glass)法等で振動板103下も覆う
ように酸化珪素を形成してもよいし、更には、液体噴射
ヘッド組立後に親水性材料粒子を混ぜた液体を液体流路
や液室を通し、液体流路や液室表面に親水性材料粒子を
残すようにしてもよい。
As a method of forming the hydrophilic material layer 701,
Silicon oxide may be formed by SOG (Spin On Glass) method or the like so as to cover under the vibrating plate 103. Furthermore, after the liquid jet head is assembled, a liquid mixed with hydrophilic material particles is used to form a liquid flow path or a liquid chamber. Alternatively, the hydrophilic material particles may be left on the surface of the liquid channel or the liquid chamber by passing through.

【0099】このような構成とした場合、液体に水性の
インク等の、水をベースとした材料を用いた時、液室や
液体流路と液体の濡れ性が向上し、気泡の発生が少なく
なる。同時に、第2の基板107にもガラス等の親水性
材料を用いれば、更にこの効果は向上する。
With such a structure, when a water-based material such as a water-based ink is used as the liquid, the wettability of the liquid with the liquid chamber or the liquid flow path is improved and the generation of bubbles is reduced. Become. At the same time, if a hydrophilic material such as glass is used for the second substrate 107, this effect is further improved.

【0100】(実施例7)図8(a)、(b)は、第2
の基板107にノズルを形成した液体噴射ヘッドにおけ
る、平面図及び断面図である。
(Embodiment 7) FIG. 8A and FIG.
3A and 3B are a plan view and a cross-sectional view of a liquid jet head in which nozzles are formed on a substrate 107 of FIG.

【0101】図において、液体流路108を形成した第
2の基板107に、ノズル801を形成し、第1の基板
101と接合した構成となっている。ノズル801は、
エキシマレーザーを照射することにより形成すればよ
い。
In the figure, a nozzle 801 is formed on a second substrate 107 having a liquid flow path 108 formed thereon, and is joined to the first substrate 101. The nozzle 801 is
It may be formed by irradiating an excimer laser.

【0102】このような構成とすることにより、図8
(a)に示すように液室102を千鳥状に配置し、しか
もノズル801を一直線上に配置することが可能とな
る。従って、ノズル801の配列ピッチを液室102の
配列ピッチの半分とすることができ、液室寸法を上述し
た実施例1と同様に100μmとした場合、ノズル80
1の更なる高密度化が可能となる。また、一直線上に配
置できるので、インク等の液体を紙などの媒体上に記録
する場合、ドットずれが起こらず高品位の印字が可能と
なる。
By adopting such a configuration, as shown in FIG.
As shown in (a), it is possible to arrange the liquid chambers 102 in a zigzag manner and further to arrange the nozzles 801 in a straight line. Therefore, the arrangement pitch of the nozzles 801 can be set to half the arrangement pitch of the liquid chambers 102, and when the liquid chamber size is 100 μm as in the first embodiment described above, the nozzles 80
It is possible to further increase the density. Further, since they can be arranged on a straight line, when recording a liquid such as ink on a medium such as paper, dot deviation does not occur and high-quality printing is possible.

【0103】(実施例8)図9は、本発明の液体噴射ヘ
ッドを用いた液体噴射記録装置の概念図である。
(Embodiment 8) FIG. 9 is a conceptual diagram of a liquid jet recording apparatus using the liquid jet head of the present invention.

【0104】図において、複数のノズルを有する液体噴
射ヘッド901は、図示しない制御回路と接続されてお
り、この制御回路によって液体噴射ヘッド901が適切
に駆動され選択的にインクが噴射されるようになってい
る。そして、この液体噴射ヘッド901と対向した位置
にある記録用紙909上に、文字・画像などの情報がイ
ンク滴によるドットの集合体として記録されるように構
成されている。
In the figure, a liquid jet head 901 having a plurality of nozzles is connected to a control circuit (not shown) so that the liquid jet head 901 is appropriately driven by this control circuit and ink is selectively jetted. Has become. Then, information such as characters and images is recorded as a set of dots formed by ink droplets on a recording sheet 909 located at a position facing the liquid ejecting head 901.

【0105】また、液体噴射ヘッド901には、インク
を貯蔵しているカートリッジ902が接続形成されてお
り、更にガイドレール903及び送りベルト904がカ
ートリッジ902に接続されている。送りローラ905
が回転すると、送りベルト904が駆動され、ガイドレ
ール903に沿って液体噴射ヘッド901及びカートリ
ッジ902が移動する仕組みになっている。
A cartridge 902 storing ink is connected to the liquid jet head 901, and a guide rail 903 and a feed belt 904 are connected to the cartridge 902. Feed roller 905
When is rotated, the feed belt 904 is driven, and the liquid jet head 901 and the cartridge 902 are moved along the guide rail 903.

【0106】一方、記録用紙909は、挟持ローラ90
7と紙送りローラ908によりプラテン906に密着す
るようになっている。液体噴射ヘッド901を主走査方
向(ガイドレール903により液体噴射ヘッド901が
移動する方向)に走査し、記録を終えたら紙送りローラ
908をステップ回転させ、再び液体噴射ヘッド901
からインクを噴射し、次の記録を始めるようになってい
る。
On the other hand, the recording paper 909 is held by the nip roller 90.
7 and the paper feed roller 908 are in close contact with the platen 906. The liquid ejecting head 901 is scanned in the main scanning direction (the direction in which the liquid ejecting head 901 moves by the guide rail 903), and when recording is completed, the paper feed roller 908 is rotated stepwise, and the liquid ejecting head 901 is again rotated.
Ink is ejected from and the next recording is started.

【0107】この記録装置は、以上説明してきた液体噴
射ヘッドの特性や効果をそのまま有するものとなる。
This recording apparatus has the characteristics and effects of the liquid jet head described above as they are.

【0108】本実施例においては、インクが噴射される
媒体として記録用紙を用いたが、もちろんこれに限られ
るわけでなく、布地等であってもよい。また、金属・樹
脂・木材などの立体物を用いてもよい。
In the present embodiment, the recording paper is used as the medium on which the ink is ejected, but it is not limited to this and may be cloth or the like. Also, a three-dimensional object such as metal, resin or wood may be used.

【0109】[0109]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の液体噴射
ヘッドの製造方法は、基板上に振動板を形成する工程
と、該振動板上に下電極、圧電膜、上電極と順次積層し
圧電素子を形成する工程と、前記基板の前記圧電素子側
の面にエッチング液が流れ込まないようにする保護する
工程と、前記基板の前記圧電素子側の面と反対側の面の
所定部分にエッチング液で液室を形成する工程と、を有
することにより、薄い振動板や圧電素子を形成しても高
い製造歩留まり率を達成できるという効果を有する。
As described above, according to the method of manufacturing a liquid jet head of the present invention, a step of forming a vibration plate on a substrate, and a lower electrode, a piezoelectric film and an upper electrode are sequentially laminated on the vibration plate. A step of forming a piezoelectric element, a step of protecting the surface of the substrate on the piezoelectric element side so that an etching liquid does not flow, and an etching on a predetermined portion of the surface of the substrate opposite to the surface on the piezoelectric element side. The step of forming a liquid chamber with a liquid has an effect that a high manufacturing yield rate can be achieved even if a thin diaphragm or a piezoelectric element is formed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明の実施例における液体噴射ヘッドの斜
視図である。
FIG. 1 is a perspective view of a liquid jet head according to an embodiment of the present invention.

【図2】 (a)ないし(c)は、第1の基板101に
圧電素子及び液室を形成するまでの製造工程を示す断面
図である。
FIGS. 2A to 2C are cross-sectional views showing a manufacturing process until a piezoelectric element and a liquid chamber are formed on the first substrate 101. FIGS.

【図3】 (a)は、基板101の異方性エッチング時
に圧電素子側の面を保護するための治具の構成図、同図
(b)は基板101を治具に固定した状態の断面図であ
る。
3A is a configuration diagram of a jig for protecting the surface of the substrate 101 on the piezoelectric element side during anisotropic etching of the substrate 101, and FIG. 3B is a cross-sectional view of the substrate 101 fixed to the jig. It is a figure.

【図4】 本発明の液体噴射ヘッドの実装構造の概念図
である。
FIG. 4 is a conceptual diagram of a mounting structure of a liquid jet head of the present invention.

【図5】 振動板を積層構造とした液体噴射ヘッドにお
ける、圧電素子、液室を形成した基板の断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view of a substrate on which a piezoelectric element and a liquid chamber are formed in a liquid jet head having a vibration plate having a laminated structure.

【図6】 振動板と下電極の間に酸化アルミニウム層を
挿入した液体噴射ヘッドにおける、圧電素子、液室を形
成した基板の断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view of a substrate in which a piezoelectric element and a liquid chamber are formed in a liquid jet head in which an aluminum oxide layer is inserted between a diaphragm and a lower electrode.

【図7】 液室内表面に親水性材料層を形成した液体噴
射ヘッドにおける、圧電素子、液室を形成した基板の断
面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view of a piezoelectric element and a substrate on which a liquid chamber is formed in a liquid jet head in which a hydrophilic material layer is formed on the surface of the liquid chamber.

【図8】 (a)は、本発明の第2の基板107にノズ
ルを形成した液体噴射ヘッドにおける平面図、同図
(b)はその断面図である。
8A is a plan view of a liquid jet head in which nozzles are formed on a second substrate 107 of the present invention, and FIG. 8B is a sectional view thereof.

【図9】 本発明の液体噴射ヘッドを用いた液体噴射記
録装置の概念図である。
FIG. 9 is a conceptual diagram of a liquid jet recording apparatus using the liquid jet head of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 第1の基板 102 液室 103 振動板 104 下電極 105 圧電膜 106 上電極 107 第2の基板 108 液体流路 109 ノズル 203 保護膜 101 first substrate 102 Liquid chamber 103 diaphragm 104 Lower electrode 105 Piezoelectric film 106 upper electrode 107 second substrate 108 liquid flow path 109 nozzles 203 protective film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平5−57430 (32)優先日 平成5年3月17日(1993.3.17) (33)優先権主張国 日本(JP) (31)優先権主張番号 特願平5−72426 (32)優先日 平成5年3月30日(1993.3.30) (33)優先権主張国 日本(JP) (31)優先権主張番号 特願平5−10226 (32)優先日 平成5年1月25日(1993.1.25) (33)優先権主張国 日本(JP) (56)参考文献 特開 平2−289352(JP,A) 特開 平3−151248(JP,A) 特開 平2−297445(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B41J 2/16 B41J 2/045 B41J 2/055 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (31) Priority claim number Japanese Patent Application No. 5-57430 (32) Priority date March 17, 1993 (1993. 3.17) (33) Country of priority claim Japan (JP) (31) Priority claim number Japanese Patent Application No. 5-72426 (32) Priority date March 30, 1993 (March 30, 1993) (33) Country of priority claim Japan (JP) (31) Priority claim number Japanese Patent Application No. 5-10226 (32) Priority date January 25, 1993 (January 25, 1993) (33) Priority claiming country Japan (JP) (56) Reference JP-A-2-289352 (JP, A) JP-A-3-151248 (JP, A) JP-A-2-297445 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) B41J 2/16 B41J 2/045 B41J 2 / 055

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 基板上に振動板を形成する工程と、 該振動板上に下電極、圧電膜、上電極と順次積層し圧電
素子を形成する工程と、 前記基板の前記圧電素子側の面にエッチング液が流れ込
まないように治具で保護する工程と、 前記基板の前記圧電素子側の面と反対側の面の所定部分
にエッチング液で液室を形成する工程と、 を有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
1. A step of forming a vibration plate on a substrate, a step of sequentially laminating a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode on the vibration plate to form a piezoelectric element, and a surface of the substrate on the piezoelectric element side. A step of protecting the substrate with a jig so that the etching liquid does not flow into the substrate, and a step of forming a liquid chamber with the etching liquid in a predetermined portion of the surface of the substrate opposite to the surface on the piezoelectric element side. And a method for manufacturing a liquid jet head.
【請求項2】 前記基板が面方位(110)の単結晶珪
素から成り、前記液室の奥行き方向を<1−1 2>又
は<−1 1 2>方向としたことを特徴とする請求項
1記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
2. The substrate is made of single crystal silicon having a plane orientation (110), and the depth direction of the liquid chamber is <1-1 2> or <-1 12> direction. 2. The method for manufacturing a liquid jet head according to 1.
【請求項3】 前記基板上に酸化珪素層を形成する工程
と、 前記液室を形成する工程と同一工程又はその後に前記液
室を接して成る酸化珪素層をエッチング除去する工程
と、 を有することを特徴とする請求項1又は2記載の液体噴
射ヘッドの製造方法。
3. A step of forming a silicon oxide layer on the substrate, the same step as the step of forming the liquid chamber, or a step of etching and removing the silicon oxide layer formed in contact with the liquid chamber after that. The method of manufacturing a liquid jet head according to claim 1, wherein the liquid jet head is manufactured.
【請求項4】 前記振動板上に前記圧電素子を形成する
工程内で、前記圧電膜を加熱する第1の加熱工程と、 前記基板と前記液室を形成した後に前記圧電膜を再加熱
する第2の加熱工程と、 を有することを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載
の液体噴射ヘッドの製造方法。
4. A first heating step of heating the piezoelectric film in a step of forming the piezoelectric element on the diaphragm, and a step of reheating the piezoelectric film after forming the substrate and the liquid chamber. The second heating step, and the method for manufacturing a liquid jet head according to claim 1, wherein the second heating step is included.
【請求項5】 前記液室が形成された第1の基板の液室
開口部に、液体流路が形成された第2の基板を接合する
工程を付加することを特徴とする請求項1〜4の何れか
に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
5. A step of joining a second substrate having a liquid flow path formed therein to a liquid chamber opening of a first substrate having the liquid chamber formed therein is added. 5. The method for manufacturing a liquid jet head according to any one of 4 above.
【請求項6】 基板上に振動板を形成する工程と、 該振動板上に下電極、圧電膜、上電極と順次積層し圧電
素子を形成する工程と、 前記基板の前記圧電素子側の面に形成された前記圧電素
子をエッチング液にさらされないようにするための保護
空間を形成する部材を設ける工程と、 前記基板の前記圧電素子側の面と反対側の面の所定部分
にエッチング液で液室を形成する工程と、 を有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
6. A step of forming a vibration plate on a substrate, a step of sequentially laminating a lower electrode, a piezoelectric film and an upper electrode on the vibration plate to form a piezoelectric element, and a surface of the substrate on the piezoelectric element side. A step of providing a member for forming a protective space for preventing the piezoelectric element formed on the substrate from being exposed to an etching solution; and an etching solution on a predetermined portion of the surface of the substrate opposite to the surface on the piezoelectric element side. A method of manufacturing a liquid ejecting head, comprising: a step of forming a liquid chamber.
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