JP3610811B2 - Inkjet recording head and inkjet recording apparatus - Google Patents

Inkjet recording head and inkjet recording apparatus Download PDF

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

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動板の初期変形を排除して変位量を向上させ、且つ振動板の耐久性が向上したインクジェット式記録ヘッドに関する。
【0002】
【従来の技術】
インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電振動子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電振動子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電振動子を使用したものと、たわみ振動モードの圧電振動子を使用したものの2種類が実用化されている。
【0003】
前者は圧電振動子の端面を振動板に当接させることにより圧力発生室の容積を変化させることができて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、圧電振動子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電振動子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
【0004】
これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電振動子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。
【0005】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、特開平5−286131号公報に見られるように、振動板の表面全体に亙って薄膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電振動子を形成したものが提案されている。
【0006】
これによれば圧電振動子を振動板に貼付ける作業が不要となって、リソグラフィ法という精密で、かつ簡便な手法で圧電振動子を作り付けることができるばかりでなく、圧電振動子の厚みを薄くできて高速駆動が可能になるという利点がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した薄膜技術およびリソグラフィ法による製造方法では、圧電振動子の駆動による変形量が小さいので、十分な吐出容量が得られがたいという問題がある。
【0008】
本発明はこのような事情に鑑み、圧電振動子の駆動による変形量の向上を図ったインクジェット式記録ヘッドを提供することを課題とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第1の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室の一部を構成し、弾性膜とその上に形成された下電極とからなる振動板と、該振動板の表面に形成された圧電体層及び該圧電体層の表面に形成された上電極とからなり、少なくとも前記下電極、前記圧電体層、前記上電極が成膜及びリソグラフィ法を用いて形成された圧電振動子を備えるインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記振動板は、前記圧力発生室内側の少なくとも幅方向両側に長手方向に亘って凹部を有し、当該凹部の深さは、前記弾性膜の厚さの0.5倍以上で、前記下電極の一部に到達するまでの範囲であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【0010】
かかる第1の態様では、凹部を設けたことにより、圧電体能動部の駆動による振動板の変位量を大きく向上することができる。
【0011】
本発明の第2の態様は、第1の態様において、前記弾性膜が、第1の弾性膜とその上に設けられた第2の弾性膜とからなることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【0012】
かかる第2の態様では、弾性膜の耐久性が向上する。
【0013】
本発明の第3の態様は、第1又は2の記載のインクジェット式記録ヘッドを具備したことを特徴とするインクジェット式記録装置にある。
【0014】
かかる第3の態様では、ヘッドの特性が向上し、信頼性を向上させたインクジェット式記録装置を実現することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【0022】
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係るインクジェット式記録ヘッドを示す組立斜視図であり、図2は、平面図及びその1つの圧力発生室の長手方向における断面構造を示す図である。
【0023】
図示するように、流路形成基板10は、本実施形態では面方位(110)のシリコン単結晶基板からなる。流路形成基板10としては、通常、150〜300μm程度の厚さのものが用いられ、望ましくは180〜280μm程度、より望ましくは220μm程度の厚さのものが好適である。これは、隣接する圧力発生室間の隔壁の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。
【0024】
流路形成基板10の両面には、予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ0.1〜2μmの弾性膜50,51が形成されている。また、流路形成基板10の一方の面には、弾性膜51をパターニングした後、シリコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより、ノズル開口11、圧力発生室12が形成されている。
【0025】
ここで、異方性エッチングは、シリコン単結晶基板をKOH等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々に侵食されて(110)面に垂直な第1の(111)面と、この第1の(111)面と約70度の角度をなし且つ上記(110)と約35度の角度をなす第2の(111)面とが出現し、(110)面のエッチングレートと比較して(111)面のエッチングレートが約1/180であるという性質を利用して行われるものである。かかる異方性エッチングにより、二つの第1の(111)面と斜めの二つの第2の(111)面とで形成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行うことができ、圧力発生室12を高密度に配列することができる。
【0026】
本実施形態では、各圧力発生室12の長辺を第1の(111)面で、短辺を第2の(111)面で形成している。この圧力発生室12は、流路形成基板10をほぼ貫通し、後述するが、弾性膜50の一部までエッチングすることにより形成されている。なお、弾性膜50は、シリコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵される量がきわめて小さい。
【0027】
一方、各圧力発生室12の一端に連通する各ノズル開口11は、圧力発生室12より幅狭で且つ浅く形成されている。すなわち、ノズル開口11は、シリコン単結晶基板を厚さ方向に途中までエッチング(ハーフエッチング)することにより形成されている。なお、ハーフエッチングは、エッチング時間の調整により行われる。
【0028】
ここで、インク滴吐出圧力をインクに与える圧力発生室12の大きさと、インク滴を吐出するノズル開口11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。
【0029】
また、各圧力発生室12と後述する共通インク室31とは、後述する封止板20の各圧力発生室12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連通口21を介して連通されており、インクはこのインク供給連通口21を介して共通インク室31から供給され、各圧力発生室12に分配される。
【0030】
封止板20は、前述の各圧力発生室12に対応したインク供給連通口21が穿設された、厚さが例えば、0.1〜1mmで、線膨張係数が300℃以下で、例えば2.5〜4.5[×10−6/℃]であるガラスセラミックスからなる。なお、インク供給連通口21は、各圧力発生室12のインク供給側端部の近傍を横断する一つのスリット孔でも、あるいは複数のスリット孔であってもよい。封止板20は、一方の面で流路形成基板10の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。また、封止板20は、他面で共通インク室31の一壁面を構成する。
【0031】
共通インク室形成基板30は、共通インク室31の周壁を形成するものであり、ノズル開口数、インク滴吐出周波数に応じた適正な厚みのステンレス板を打ち抜いて作製されたものである。本実施形態では、共通インク室形成基板30の厚さは、0.2mmとしている。
【0032】
インク室側板40は、ステンレス基板からなり、一方の面で共通インク室31の一壁面を構成するものである。また、インク室側板40には、他方の面の一部にハーフエッチングにより凹部40aを形成することにより薄肉壁41が形成され、さらに、外部からのインク供給を受けるインク導入口42が打抜き形成されている。なお、薄肉壁41は、インク滴吐出の際に発生するノズル開口11と反対側へ向かう圧力を吸収するためのもので、他の圧力発生室12に、共通インク室31を経由して不要な正又は負の圧力が加わるのを防止する。本実施形態では、インク導入口42と外部のインク供給手段との接続時等に必要な剛性を考慮して、インク室側板40を0.2mmとし、その一部を厚さ0.02mmの薄肉壁41としているが、ハーフエッチングによる薄肉壁41の形成を省略するために、インク室側板40の厚さを初めから0.02mmとしてもよい。
【0033】
一方、流路形成基板10の圧力発生室12とは反対側の弾性膜50の上には、厚さが例えば、約0.5μmの下電極膜60と、厚さが例えば、約1μmの圧電体膜70と、厚さが例えば、約0.1μmの上電極膜80とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電振動子(圧電素子)を構成している。このように、弾性膜50の各圧力発生室12に対向する領域には、各圧力発生室12毎に独立して圧電振動子が設けられており、本実施形態では、下電極膜60は圧電振動子の共通電極とし、上電極膜80を圧電振動子の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。また、本実施形態では、圧電体膜70を各圧力発生室12に対応して個別に設けたが、圧電体膜を全体に設け、上電極膜80を各圧力発生室12に対応するように個別に設けてもよい。何れの場合においても、各圧力発生室12毎に圧電体能動部が形成されていることになる。
【0034】
ここで、シリコン単結晶基板からなる流路形成基板10上に、圧電体膜70等を形成するプロセスを図3を参照しながら説明する。
【0035】
図3(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、流路形成基板10の両面に二酸化シリコンからなる弾性膜50,51を一度に形成する。
【0036】
次に、図3(b)に示すように、スパッタリングで下電極膜60を形成する。下電極膜60の材料としては、Pt等が好適である。これは、スパッタリングやゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体膜70は、成膜後に大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で600〜1000℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があるからである。すなわち、下電極膜70の材料は、このような高温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければならず、殊に、圧電体膜70としてPZTを用いた場合には、PbOの拡散による導電性の変化が少ないことが望ましく、これらの理由からPtが好適である。
【0037】
次に、図3(c)に示すように、圧電体膜70を成膜する。この圧電体膜70の成膜にはスパッタリングを用いることもできるが、本実施形態では、金属有機物を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体膜70を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いている。圧電体膜70の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系の材料がインクジェット式記録ヘッドに使用する場合には好適である。
【0038】
次に、図3(d)に示すように、上電極膜80を成膜する。上電極膜80は、導電性の高い材料であればよく、Al、Au、Ni、Pt等の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態では、Ptをスパッタリングにより成膜している。
【0039】
次に、図4に示すように、下電極膜60、圧電体膜70及び上電極膜80をパターニングする。
【0040】
まず、図4(a)に示すように、下電極膜60、圧電体膜70及び上電極膜80を一緒にエッチングして下電極膜60の全体パターンをパターニングする。次いで、図4(b)に示すように、圧電体膜70及び上電極膜80のみをエッチングして圧電体能動部320のパターニングを行う。
【0041】
以上が膜形成プロセスである。このようにして膜形成を行った後、図5に示すように、前述したアルカリ溶液によるシリコン単結晶基板の異方性エッチングを行い、圧力発生室12等を形成する。その際、本実施形態では、振動板の圧力発生室12側の圧電体能動部の腕部に対向する位置に、後述する凹部を形成している。
【0042】
まず、図5(a)に示すように、圧力発生室12の形成位置に対応する部分の弾性膜51をパターニングし、開口部51a及び膜厚を相対的に薄くした段差部51bを形成する。この開口部51aは、後述する凹部に対応する部分、本実施形態では、圧電体能動部に対向する部分の両側の領域に設けられ、また、段差部51bは、圧力発生室12の圧電体能動部に対応する領域に設けられる。なお、この段差部51aは、ハーフエッチング等により形成すればよい。
【0043】
次いで、図5(b)に示すように、前述したアルカリ溶液によるシリコン単結晶基板の異方性エッチングを行い、圧力発生室12及び凹部330を形成する。このエッチングにより、まず開口部51aの領域のシリコン単結晶基板が侵されて行き、これと共に周囲の段差部51bも侵されて行く。これにより、段差部51bは完全に除去され、段差部51bに覆われていた部分のシリコン単結晶基板が、遅れて侵されていく。その後、開口部51aの領域のシリコン単結晶基板が完全に除去されるが、段差部51bの領域のシリコン単結晶基板が完全に除去されるまで、すなわち、圧力発生室12が形成されるまでエッチングを続行すると、結果的に、開口部51aの領域の弾性膜50が侵され、凹部330が形成される。
【0044】
この凹部330の深さは、段差部51bの厚さによって調節することができる。すなわち、段差部51bを厚く残すほど、凹部330は深く形成されることになる。また、凹部330の深さは、弾性膜50の0.5倍以上で下電極膜60の一部に到達する範囲であることが好ましい。なお、凹部330の深さを、下電極膜60の一部に到達するようにするためには、弾性膜51を弾性膜50よりも厚く形成する必要がある。
【0045】
このように形成された凹部330と圧電体能動部320及び圧力発生室12との位置関係を図6に示す。なお、図6の(a)は平面図、(b)および(c)はそれぞれ、そのB−B’線断面図、C−C’線断面図である。
【0046】
図示するように、本実施形態の凹部330は、圧力発生室12に対向する領域において、圧電体能動部320の幅方向両側の弾性膜50に、長手方向に亘って、弾性膜50の厚さの0.5〜1倍程度の深さで形成されている。
【0047】
この凹部330の深さは、振動板の変形量を向上するが、振動板の耐久性の低下に大きく影響しないように設計する必要があり、弾性膜50の膜厚の0.5倍以上で下電極膜60の一部に到達するまでの範囲であるのが好ましい。また、凹部330の幅及び長さも、圧電体能動部の大きさ等を考慮して、振動板の耐久性に大きく影響しないように設計する必要がある。
【0048】
このように、本実施形態では、凹部330を圧電体能動部の幅方向両側に形成することにより、圧電体能動部の駆動による応力を低減することができ、変位量を向上することができる。また、凹部330は、圧力発生室12と同時に形成することができるため、製造工程を増やすことなく容易に形成することができる。
【0049】
また、本実施形態では、弾性膜50を一層の二酸化シリコン膜で形成するようにしたが、これに限定されず、さらに他の層を設け、弾性膜を複数の層で形成するようにしてもよい。
【0050】
例えば、図7に示すように、弾性膜50と下電極膜60との間に、硬質材料、例えば、酸化ジルコニアからなる第2の弾性膜52を設けるようにしてもよい。これにより、圧電体能動部320の形成後の流路形成基板10にかかる残留応力を低減することができ、圧力発生室12を形成する際の応力変化による振動板の破壊を防止することができる。
【0051】
このように第2の弾性膜52を設けた場合には、弾性板が変形しにくくなるため、特に、弾性膜50に凹部330を形成することが必要となる。
【0052】
以上の説明では、圧電体能動部320の形成後に、圧力発生室12を形成するようにしたが、実際には、図2に示すように、各上電極膜80の上面の少なくとも周縁、及び圧電体膜70および下電極膜60の側面を覆うように電気絶縁性を備えた絶縁体層90を形成し、さらに、絶縁体層90の各圧電体能動部320の一端部に対応する部分の上面を覆う部分の一部にはリード電極100と接続するために上電極膜80の一部を露出させるコンタクトホール90aを形成し、このコンタクトホール90aを介して各上電極膜80に一端が接続し、また他端が接続端子部に延びるリード電極100を形成した後に、圧力発生室12を形成するようにしてもよい。ここで、リード電極100は、駆動信号を上電極膜80に確実に供給できる程度に可及的に狭い幅となるように形成するのが好ましい。
【0053】
なお、本実施形態では、コンタクトホール90aは、圧力発生室12の周壁に対向する位置に設けられているが、圧電体能動部320を圧力発生室12に対向する領域内にパターニングし、圧力発生室12に対向する位置にコンタクトホール90aを設けてもよい。
【0054】
また、以上説明した一連の膜形成及び異方性エッチングは、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サイズの流路形成基板10毎に分割する。また、分割した流路形成基板10を、封止板20、共通インク室形成基板30、及びインク室側板40と順次接着して一体化し、インクジェット式記録ヘッドとする。
【0055】
このように構成したインクジェットヘッドは、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42からインクを取り込み、共通インク室31からノズル開口11に至るまで内部をインクで満たした後、図示しない外部の駆動回路からの記録信号に従い、リード電極100を介して下電極膜60と上電極膜80との間に電圧を印加し、弾性膜50、下電極膜60及び圧電体膜70をたわみ変形させることにより、圧力発生室12内の圧力が高まりノズル開口11からインク滴が吐出する。
【0056】
(他の実施形態)
以上、本発明の各実施形態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。
【0057】
例えば、上述した封止板20の他、共通インク室形成板30をガラスセラミックス製としてもよく、さらには、薄肉膜41を別部材としてガラスセラミックス製としてもよく、材料、構造等の変更は自由である。
【0058】
また、上述した実施形態では、ノズル開口を流路形成基板10の端面に形成しているが、面に垂直な方向に突出するノズル開口を形成してもよい。
【0059】
このように構成した実施形態の分解斜視図を図8、その流路の断面を図9にそれぞれ示す。この実施形態では、ノズル開口11が圧電振動子とは反対のノズル基板120に穿設され、これらノズル開口11と圧力発生室12とを連通するノズル連通口22が、封止板20,共通インク室形成板30及び薄肉板41A及びインク室側板40Aを貫通するように配されている。
【0060】
なお、本実施形態は、その他、薄肉板41Aとインク室側板40Aとを別部材とし、インク室側板40に開口40bを形成した以外は、基本的に上述した実施形態と同様であり、同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。
【0061】
ここで、この実施形態においても、上述した実施形態と同様に、圧力発生室内側の振動板に凹部を設けることにより、圧電体能動部の駆動による応力が抑えられ、変位量を向上することができる。
【0062】
また、勿論、共通インク室を流路形成基板内に形成したタイプのインクジェット式記録ヘッドにも同様に応用できる。
【0063】
また、以上説明した各実施形態は、成膜及びリソグラフィプロセスを応用することにより製造できる薄膜型のインクジェット式記録ヘッドを例にしたが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、基板を積層して圧力発生室を形成するもの、あるいはグリーンシートを貼付もしくはスクリーン印刷等により圧電体膜を形成するもの、又は結晶成長により圧電体膜を形成するもの等、各種の構造のインクジェット式記録ヘッドに本発明を採用することができる。
【0064】
さらに、上述した実施形態では、振動板として下電極膜とは別に弾性膜を設けたが、下電極膜が弾性膜を兼ねるようにしてもよい。
【0065】
また、圧電振動子とリード電極との間に絶縁体層を設けた例を説明したが、これに限定されず、例えば、絶縁体層を設けないで、各上電極に異方性導電膜を熱溶着し、この異方性導電膜をリード電極と接続したり、その他、ワイヤボンディング等の各種ボンディング技術を用いて接続したりする構成としてもよい。
【0066】
このように、本発明は、その趣旨に反しない限り、種々の構造のインクジェット式記録ヘッドに応用することができる。また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図10は、そのインクジェット式記録の一例を示す概略図である。
【0067】
図10に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット1A及び1Bは、インク供給手段を構成するカートリッジ2A及び2Bが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキャリッジ3は、装置本体4に取り付けられたキャリッジ軸5に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット1A及び1Bは、例えば、それぞれブラックインク組成物を吐出するものとしている。
【0068】
そして、駆動モータ6の駆動力が図示しない複数の歯車及びタイミングベルト7を介してキャリッジ3に伝達されることで、記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキャリッジ3はキャリッジ軸5に沿って移動される。一方、装置本体4にはキャリッジ3に沿ってプラテン8が設けられている。このプラテン8は図示しない紙送りモータの駆動力により回転できるようになっており、給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートSがプラテン8に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
【0069】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、圧力発生室内側の振動板に凹部を形成するようにしたので、圧電体能動部の駆動による応力が抑えられ、変位量を向上することができる。また、凹部は、圧力発生室と同時に形成することができるため、製造工程を増加することなく、容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図2】本発明の実施形態1に係るインクジェット式記録ヘッドを示す図であり、図1の平面図及び断面図である。
【図3】本発明の実施形態1の薄膜製造工程を示す図である。
【図4】本発明の実施形態1の薄膜製造工程を示す図である。
【図5】本発明の実施形態1の圧力発生室及び凹部の製造工程を示す図である。
【図6】本発明の実施形態1に係るインクジェット式記録ヘッドの要部を示す平面図及び断面図である。
【図7】振動板の変形を示す断面図である。
【図8】本発明の他の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図9】本発明の他の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドを示す断面図である。
【図10】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。
【符号の説明】
10 流路形成基板
11 ノズル開口
12 圧力発生室
50,51 弾性膜
52 第2弾性膜
60 下電極膜
70 圧電体膜
80 上電極膜
90 絶縁体層
100 リード電極
320 圧電体能動部
330 凹部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ink jet recording head in which an initial deformation of a diaphragm is eliminated to improve a displacement amount, and the durability of the diaphragm is improved.
[0002]
[Prior art]
A part of the pressure generation chamber that communicates with the nozzle opening that ejects ink droplets is composed of a diaphragm, and the diaphragm is deformed by a piezoelectric vibrator to pressurize the ink in the pressure generation chamber and eject ink droplets from the nozzle opening. Two types of ink jet recording heads have been put into practical use, one that uses a piezoelectric vibrator in a longitudinal vibration mode that extends and contracts in the axial direction of the piezoelectric vibrator and one that uses a piezoelectric vibrator in a flexural vibration mode. Yes.
[0003]
The former can change the volume of the pressure generation chamber by bringing the end face of the piezoelectric vibrator into contact with the vibration plate, making it possible to manufacture a head suitable for high-density printing. There is a problem that the manufacturing process is complicated because it requires a difficult process of cutting into a comb-tooth shape in accordance with the arrangement pitch of the above and an operation of positioning and fixing the cut piezoelectric vibrator in the pressure generating chamber.
[0004]
On the other hand, in the latter case, a piezoelectric vibrator can be formed on the diaphragm by a relatively simple process of attaching a green sheet of piezoelectric material in accordance with the shape of the pressure generating chamber and firing it. In order to use vibration, a certain area is required, and there is a problem that high-density arrangement is difficult.
[0005]
On the other hand, in order to eliminate the inconvenience of the latter recording head, a uniform piezoelectric material layer is formed by thin film technology over the entire surface of the diaphragm as seen in Japanese Patent Laid-Open No. 5-286131. There has been proposed a method in which a piezoelectric vibrator is formed so that a layer is cut into a shape corresponding to a pressure generation chamber by a lithography method and independent for each pressure generation chamber.
[0006]
This eliminates the need to affix the piezoelectric vibrator to the diaphragm, so that not only can the piezoelectric vibrator be created by a precise and simple technique called lithography, but also the thickness of the piezoelectric vibrator can be reduced. There is an advantage that it can be made thin and can be driven at high speed.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described thin film technology and the manufacturing method using the lithography method have a problem that it is difficult to obtain a sufficient discharge capacity because the amount of deformation caused by driving the piezoelectric vibrator is small.
[0008]
In view of such circumstances, it is an object of the present invention to provide an ink jet recording head in which an amount of deformation is improved by driving a piezoelectric vibrator.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention for solving the above-mentioned problem, a diaphragm comprising a part of a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening and comprising an elastic film and a lower electrode formed thereon, and the diaphragm A piezoelectric layer formed on the surface of the substrate and an upper electrode formed on the surface of the piezoelectric layer. At least the lower electrode, the piezoelectric layer, and the upper electrode are formed using a film formation and lithography method. In the ink jet recording head including the piezoelectric vibrator, the vibration plate has a recess extending in the longitudinal direction at least on both sides in the width direction inside the pressure generating chamber, and the depth of the recess is determined by the thickness of the elastic film. The ink jet recording head is characterized in that it is 0.5 times or more and reaches a part of the lower electrode.
[0010]
In the first aspect, by providing the concave portion, the displacement amount of the diaphragm due to the driving of the piezoelectric active portion can be greatly improved.
[0011]
According to a second aspect of the present invention, in the ink jet recording head according to the first aspect, the elastic film includes a first elastic film and a second elastic film provided thereon. is there.
[0012]
In the second aspect, the durability of the elastic film is improved.
[0013]
A third aspect of the present invention is an ink jet recording apparatus comprising the ink jet recording head described in the first or second aspect.
[0014]
In the third aspect, the ink jet recording apparatus with improved head characteristics and improved reliability can be realized.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
[0022]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an assembled perspective view showing an ink jet recording head according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view in the longitudinal direction of one pressure generating chamber.
[0023]
As shown in the drawing, the flow path forming substrate 10 is composed of a silicon single crystal substrate having a plane orientation (110) in this embodiment. As the flow path forming substrate 10, one having a thickness of about 150 to 300 μm is usually used, preferably about 180 to 280 μm, more preferably about 220 μm. This is because the arrangement density can be increased while maintaining the rigidity of the partition between adjacent pressure generating chambers.
[0024]
Elastic films 50 and 51 having a thickness of 0.1 to 2 μm made of silicon dioxide previously formed by thermal oxidation are formed on both surfaces of the flow path forming substrate 10. Further, on one surface of the flow path forming substrate 10, after the elastic film 51 is patterned, the silicon single crystal substrate is anisotropically etched to form the nozzle opening 11 and the pressure generating chamber 12.
[0025]
Here, in the anisotropic etching, when the silicon single crystal substrate is immersed in an alkaline solution such as KOH, the first (111) plane perpendicular to the (110) plane is gradually eroded and the first (111) ) Surface and an angle of about 70 degrees and the above (110) and a second (111) surface of about 35 degrees appear, and the (111) surface compared to the etching rate of the (110) surface. The etching rate is about 1/180. By this anisotropic etching, precision processing can be performed based on the parallelogram depth processing formed by two first (111) surfaces and two oblique second (111) surfaces. The pressure generating chambers 12 can be arranged with high density.
[0026]
In the present embodiment, the long side of each pressure generating chamber 12 is formed by the first (111) plane and the short side is formed by the second (111) plane. The pressure generating chamber 12 substantially penetrates the flow path forming substrate 10 and is formed by etching up to a part of the elastic film 50 as will be described later. Note that the elastic film 50 is extremely small in the amount of being attacked by the alkaline solution for etching the silicon single crystal substrate.
[0027]
On the other hand, each nozzle opening 11 communicating with one end of each pressure generating chamber 12 is formed narrower and shallower than the pressure generating chamber 12. That is, the nozzle opening 11 is formed by etching (half etching) the silicon single crystal substrate halfway in the thickness direction. Half etching is performed by adjusting the etching time.
[0028]
Here, the size of the pressure generation chamber 12 that applies ink droplet discharge pressure to the ink and the size of the nozzle opening 11 that discharges ink droplets are optimized according to the amount of ink droplets to be discharged, the discharge speed, and the discharge 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.
[0029]
Further, each pressure generating chamber 12 and a common ink chamber 31 described later communicate with each other through an ink supply communication port 21 formed at a position corresponding to one end portion of each pressure generating chamber 12 of a sealing plate 20 described later. The ink is supplied from the common ink chamber 31 through the ink supply communication port 21 and is distributed to the pressure generating chambers 12.
[0030]
The sealing plate 20 is provided with an ink supply communication port 21 corresponding to each of the pressure generation chambers 12 described above, has a thickness of, for example, 0.1 to 1 mm, a linear expansion coefficient of 300 ° C. or less, and, for example, 2 5 to 4.5 [× 10 −6 / ° C.]. The ink supply communication port 21 may be a single slit hole that crosses the vicinity of the ink supply side end of each pressure generating chamber 12 or a plurality of slit holes. The sealing plate 20 entirely covers one surface of the flow path forming substrate 10 on one side, and also serves as a reinforcing plate that protects the silicon single crystal substrate from impact and external force. The sealing plate 20 constitutes one wall surface of the common ink chamber 31 on the other surface.
[0031]
The common ink chamber forming substrate 30 forms the peripheral wall of the common ink chamber 31, and is produced by punching a stainless plate having an appropriate thickness according to the nozzle numerical aperture and the ink droplet ejection frequency. In the present embodiment, the common ink chamber forming substrate 30 has a thickness of 0.2 mm.
[0032]
The ink chamber side plate 40 is made of a stainless steel substrate, and constitutes one wall surface of the common ink chamber 31 on one surface. Further, the ink chamber side plate 40 is formed with a thin wall 41 by forming a recess 40a by half-etching on a part of the other surface, and an ink introduction port 42 for receiving ink supply from the outside is punched and formed. ing. The thin wall 41 is for absorbing the pressure generated when ink droplets are discharged toward the opposite side of the nozzle opening 11, and is unnecessary for the other pressure generation chamber 12 via the common ink chamber 31. Prevent the application of positive or negative pressure. In the present embodiment, the ink chamber side plate 40 is set to 0.2 mm and a part thereof is a thin wall having a thickness of 0.02 mm in consideration of rigidity required when the ink introduction port 42 is connected to an external ink supply unit. Although the wall 41 is used, the thickness of the ink chamber side plate 40 may be 0.02 mm from the beginning in order to omit the formation of the thin wall 41 by half etching.
[0033]
On the other hand, on the elastic film 50 opposite to the pressure generating chamber 12 of the flow path forming substrate 10, a lower electrode film 60 having a thickness of, for example, about 0.5 μm and a piezoelectric film having a thickness of, for example, about 1 μm. A body film 70 and an upper electrode film 80 having a thickness of, for example, about 0.1 μm are laminated by a process described later to constitute a piezoelectric vibrator (piezoelectric element). Thus, in the region facing the pressure generation chambers 12 of the elastic film 50, the piezoelectric vibrator is provided independently for each pressure generation chamber 12, and in this embodiment, the lower electrode film 60 is a piezoelectric film. The common electrode of the vibrator is used and the upper electrode film 80 is an individual electrode of the piezoelectric vibrator. However, there is no problem even if this is reversed for the convenience of the drive circuit and wiring. Further, in the present embodiment, the piezoelectric film 70 is individually provided corresponding to each pressure generating chamber 12, but the piezoelectric film is provided as a whole and the upper electrode film 80 corresponds to each pressure generating chamber 12. It may be provided individually. In any case, a piezoelectric active part is formed for each pressure generating chamber 12.
[0034]
Here, a process of forming the piezoelectric film 70 and the like on the flow path forming substrate 10 made of a silicon single crystal substrate will be described with reference to FIG.
[0035]
As shown in FIG. 3A, first, a silicon single crystal substrate wafer to be the flow path forming substrate 10 is thermally oxidized in a diffusion furnace at about 1100 ° C., and both sides of the flow path forming substrate 10 are made of silicon dioxide. The elastic films 50 and 51 are formed at a time.
[0036]
Next, as shown in FIG. 3B, the lower electrode film 60 is formed by sputtering. As a material of the lower electrode film 60, Pt or the like is suitable. This is because a piezoelectric film 70 described later formed by sputtering or a sol-gel method needs to be crystallized by firing at a temperature of about 600 to 1000 ° C. in an air atmosphere or an oxygen atmosphere after the film formation. It is. That is, the material of the lower electrode film 70 must be able to maintain conductivity at such a high temperature and in an oxidizing atmosphere. In particular, when PZT is used as the piezoelectric film 70, the conductivity due to the diffusion of PbO. It is desirable that there is little change in properties, and Pt is preferred for these reasons.
[0037]
Next, as shown in FIG. 3C, a piezoelectric film 70 is formed. Sputtering can be used to form the piezoelectric film 70. In this embodiment, a so-called sol in which a metal organic material is dissolved and dispersed in a solvent is applied, dried, gelled, and further fired at a high temperature. A so-called sol-gel method for obtaining a piezoelectric film 70 made of an oxide is used. As a material of the piezoelectric film 70, a lead zirconate titanate (PZT) -based material is suitable when used for an ink jet recording head.
[0038]
Next, as shown in FIG. 3D, an upper electrode film 80 is formed. The upper electrode film 80 may be made of a highly conductive material, and many metals such as Al, Au, Ni, and Pt, conductive oxides, and the like can be used. In this embodiment, Pt is formed by sputtering.
[0039]
Next, as shown in FIG. 4, the lower electrode film 60, the piezoelectric film 70, and the upper electrode film 80 are patterned.
[0040]
First, as shown in FIG. 4A, the lower electrode film 60, the piezoelectric film 70, and the upper electrode film 80 are etched together to pattern the entire pattern of the lower electrode film 60. Next, as shown in FIG. 4B, only the piezoelectric film 70 and the upper electrode film 80 are etched to pattern the piezoelectric active portion 320.
[0041]
The above is the film forming process. After the film is formed in this manner, as shown in FIG. 5, the silicon single crystal substrate is anisotropically etched with the alkali solution described above to form the pressure generating chamber 12 and the like. At this time, in this embodiment, a concave portion described later is formed at a position facing the arm portion of the piezoelectric active portion on the pressure generating chamber 12 side of the diaphragm.
[0042]
First, as shown in FIG. 5A, a portion of the elastic film 51 corresponding to the position where the pressure generating chamber 12 is formed is patterned to form an opening 51a and a step 51b having a relatively thin film thickness. The opening 51 a is provided in a region corresponding to a concave portion to be described later, in this embodiment, on both sides of the portion facing the piezoelectric active portion, and the stepped portion 51 b is provided in the piezoelectric active portion of the pressure generating chamber 12. It is provided in a region corresponding to the part. The step 51a may be formed by half etching or the like.
[0043]
Next, as shown in FIG. 5B, the silicon single crystal substrate is anisotropically etched with the alkali solution described above to form the pressure generating chamber 12 and the recess 330. By this etching, first, the silicon single crystal substrate in the region of the opening 51a is eroded, and at the same time, the surrounding stepped portion 51b is also eroded. As a result, the step portion 51b is completely removed, and the portion of the silicon single crystal substrate covered with the step portion 51b is eroded with a delay. Thereafter, the silicon single crystal substrate in the region of the opening 51a is completely removed, but etching is performed until the silicon single crystal substrate in the region of the stepped portion 51b is completely removed, that is, until the pressure generation chamber 12 is formed. As a result, the elastic film 50 in the region of the opening 51a is eroded and a recess 330 is formed.
[0044]
The depth of the concave portion 330 can be adjusted by the thickness of the step portion 51b. That is, the thicker the step 51b is, the deeper the recess 330 is formed. Further, the depth of the recess 330 is preferably in a range reaching 0.5 part or more of the elastic film 50 and reaching a part of the lower electrode film 60. Note that the elastic film 51 needs to be formed thicker than the elastic film 50 so that the depth of the recess 330 reaches a part of the lower electrode film 60.
[0045]
FIG. 6 shows the positional relationship between the recess 330 thus formed, the piezoelectric active part 320 and the pressure generating chamber 12. 6A is a plan view, and FIGS. 6B and 6C are a cross-sectional view taken along the line BB ′ and a cross-sectional view taken along the line CC ′, respectively.
[0046]
As shown in the figure, the concave portion 330 of the present embodiment has a thickness of the elastic film 50 across the longitudinal direction on the elastic film 50 on both sides in the width direction of the piezoelectric active portion 320 in a region facing the pressure generating chamber 12. Is formed at a depth of about 0.5 to 1 times.
[0047]
The depth of the concave portion 330 improves the amount of deformation of the diaphragm, but must be designed so as not to greatly affect the decrease in the durability of the diaphragm, and is not less than 0.5 times the film thickness of the elastic film 50. A range up to reaching a part of the lower electrode film 60 is preferable. In addition, the width and length of the concave portion 330 must be designed so as not to greatly affect the durability of the diaphragm in consideration of the size of the piezoelectric active portion and the like.
[0048]
As described above, in the present embodiment, by forming the recesses 330 on both sides in the width direction of the piezoelectric active part, it is possible to reduce the stress due to the driving of the piezoelectric active part and improve the displacement. Moreover, since the recessed part 330 can be formed simultaneously with the pressure generation chamber 12, it can be formed easily, without increasing a manufacturing process.
[0049]
In this embodiment, the elastic film 50 is formed of a single silicon dioxide film. However, the present invention is not limited to this, and another layer may be provided and the elastic film may be formed of a plurality of layers. Good.
[0050]
For example, as shown in FIG. 7, a second elastic film 52 made of a hard material such as zirconia oxide may be provided between the elastic film 50 and the lower electrode film 60. Thereby, the residual stress applied to the flow path forming substrate 10 after the formation of the piezoelectric active portion 320 can be reduced, and the vibration plate can be prevented from being broken due to the stress change when the pressure generating chamber 12 is formed. .
[0051]
When the second elastic film 52 is provided in this manner, the elastic plate is not easily deformed, and therefore, it is particularly necessary to form the recess 330 in the elastic film 50.
[0052]
In the above description, the pressure generation chamber 12 is formed after the formation of the piezoelectric active portion 320, but actually, as shown in FIG. 2, at least the periphery of the upper surface of each upper electrode film 80, and the piezoelectric An insulating layer 90 having electrical insulation is formed so as to cover the side surfaces of the body film 70 and the lower electrode film 60, and an upper surface of a portion corresponding to one end portion of each piezoelectric active portion 320 of the insulating layer 90 A contact hole 90a exposing a part of the upper electrode film 80 is formed in a part of the portion covering the lead electrode 100, and one end is connected to each upper electrode film 80 through the contact hole 90a. Alternatively, the pressure generation chamber 12 may be formed after the lead electrode 100 having the other end extending to the connection terminal portion is formed. Here, the lead electrode 100 is preferably formed to have a width as narrow as possible so that a drive signal can be reliably supplied to the upper electrode film 80.
[0053]
In the present embodiment, the contact hole 90a is provided at a position facing the peripheral wall of the pressure generating chamber 12. However, the piezoelectric active portion 320 is patterned in a region facing the pressure generating chamber 12 to generate pressure. A contact hole 90 a may be provided at a position facing the chamber 12.
[0054]
Further, in the series of film formation and anisotropic etching described above, a large number of chips are simultaneously formed on a single wafer, and after the completion of the process, a flow path forming substrate 10 having a single chip size as shown in FIG. Divide every time. Further, the divided flow path forming substrate 10 is sequentially bonded and integrated with the sealing plate 20, the common ink chamber forming substrate 30, and the ink chamber side plate 40 to form an ink jet recording head.
[0055]
The ink jet head configured in this manner takes in ink from an ink inlet 42 connected to an external ink supply means (not shown), fills the interior from the common ink chamber 31 to the nozzle opening 11, and then fills the outside with an external (not shown). In accordance with a recording signal from the drive circuit, a voltage is applied between the lower electrode film 60 and the upper electrode film 80 via the lead electrode 100 to bend and deform the elastic film 50, the lower electrode film 60, and the piezoelectric film 70. As a result, the pressure in the pressure generating chamber 12 increases, and ink droplets are ejected from the nozzle openings 11.
[0056]
(Other embodiments)
While the embodiments of the present invention have been described above, the basic configuration of the ink jet recording head is not limited to that described above.
[0057]
For example, in addition to the sealing plate 20 described above, the common ink chamber forming plate 30 may be made of glass ceramics, and further, the thin film 41 may be made of glass ceramics as a separate member. It is.
[0058]
In the above-described embodiment, the nozzle opening is formed on the end face of the flow path forming substrate 10, but the nozzle opening protruding in the direction perpendicular to the face may be formed.
[0059]
FIG. 8 shows an exploded perspective view of the embodiment configured as described above, and FIG. 9 shows a cross section of the flow path. In this embodiment, the nozzle openings 11 are formed in the nozzle substrate 120 opposite to the piezoelectric vibrator, and the nozzle communication ports 22 that connect the nozzle openings 11 and the pressure generating chambers 12 are the sealing plate 20 and the common ink. The chamber forming plate 30, the thin plate 41A, and the ink chamber side plate 40A are arranged so as to penetrate.
[0060]
The present embodiment is basically the same as the above-described embodiment except that the thin plate 41A and the ink chamber side plate 40A are separate members, and the opening 40b is formed in the ink chamber side plate 40. Are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0061]
Here, in this embodiment as well, as in the above-described embodiment, by providing a recess in the diaphragm on the pressure generation chamber side, stress due to driving of the piezoelectric body active portion can be suppressed, and the amount of displacement can be improved. it can.
[0062]
Of course, the present invention can be similarly applied to an ink jet type recording head in which a common ink chamber is formed in a flow path forming substrate.
[0063]
In each of the embodiments described above, a thin film type ink jet recording head that can be manufactured by applying a film forming and lithography process is taken as an example. However, the present invention is not limited to this example. Ink jet recording heads of various structures, such as those that form pressure generation chambers, those that form a piezoelectric film by attaching a green sheet or screen printing, or those that form a piezoelectric film by crystal growth The present invention can be employed.
[0064]
Further, in the above-described embodiment, the elastic film is provided as the diaphragm separately from the lower electrode film, but the lower electrode film may also serve as the elastic film.
[0065]
In addition, the example in which the insulator layer is provided between the piezoelectric vibrator and the lead electrode has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, without providing the insulator layer, an anisotropic conductive film is provided on each upper electrode. It is good also as a structure which heat-welds and connects this anisotropic conductive film with a lead electrode, and connects using various bonding techniques, such as wire bonding.
[0066]
As described above, the present invention can be applied to ink jet recording heads having various structures as long as the gist of the present invention is not contradicted. In addition, the ink jet recording head of each of these embodiments constitutes a part of a recording head unit including an ink flow path communicating with an ink cartridge or the like, and is mounted on the ink jet recording apparatus. FIG. 10 is a schematic view showing an example of the ink jet recording.
[0067]
As shown in FIG. 10, in the recording head units 1A and 1B having the ink jet recording head, cartridges 2A and 2B constituting ink supply means are detachably provided, and a carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted. Is provided on a carriage shaft 5 attached to the apparatus body 4 so as to be movable in the axial direction. The recording head units 1A and 1B, for example, each discharge a black ink composition.
[0068]
The driving force of the driving motor 6 is transmitted to the carriage 3 via a plurality of gears and timing belt 7 (not shown), so that the carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted is moved along the carriage shaft 5. The On the other hand, the apparatus body 4 is provided with a platen 8 along the carriage 3. The platen 8 can be rotated by a driving force of a paper feed motor (not shown), and a recording sheet S which is a recording medium such as paper fed by a paper feed roller is wound around the platen 8 and conveyed. It has become so.
[0069]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the concave portion is formed in the diaphragm inside the pressure generating chamber, the stress due to the driving of the piezoelectric active portion can be suppressed and the amount of displacement can be improved. Further, since the recess can be formed at the same time as the pressure generating chamber, it can be easily formed without increasing the number of manufacturing steps.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of an ink jet recording head according to an embodiment of the present invention.
2A and 2B are diagrams illustrating an ink jet recording head according to the first embodiment of the invention, and are a plan view and a cross-sectional view of FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a thin film manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a thin film manufacturing process according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating a manufacturing process of a pressure generating chamber and a recess according to the first embodiment of the present invention.
6A and 6B are a plan view and a cross-sectional view showing a main part of the ink jet recording head according to the first embodiment of the invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing deformation of the diaphragm.
FIG. 8 is an exploded perspective view of an ink jet recording head according to another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing an ink jet recording head according to another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic view of an ink jet recording apparatus according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Flow path formation board | substrate 11 Nozzle opening 12 Pressure generating chambers 50 and 51 Elastic film 52 2nd elastic film 60 Lower electrode film 70 Piezoelectric film 80 Upper electrode film 90 Insulator layer 100 Lead electrode 320 Piezoelectric active part 330 Recessed part

Claims (3)

ノズル開口に連通する圧力発生室の一部を構成し、弾性膜とその上に形成された下電極とからなる振動板と、該振動板の表面に形成された圧電体層及び該圧電体層の表面に形成された上電極からなる圧電体能動部とからなり、少なくとも前記下電極、前記圧電体層、前記上電極が成膜及びリソグラフィ法を用いて形成された圧電振動子を備えるインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記振動板は、前記圧力発生室内側の少なくとも幅方向両側に長手方向に亘って凹部を有し、
当該凹部の深さは、前記弾性膜の厚さの0.5倍以上で、前記下電極の一部に到達するまでの範囲であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
A diaphragm comprising a part of a pressure generating chamber communicating with the nozzle opening, and comprising an elastic film and a lower electrode formed thereon, a piezoelectric layer formed on the surface of the diaphragm, and the piezoelectric layer Inkjet type comprising a piezoelectric active part comprising an upper electrode formed on the surface of the substrate and comprising at least the lower electrode, the piezoelectric layer, and a piezoelectric vibrator in which the upper electrode is formed using a film forming and lithography method In the recording head,
The diaphragm has a recess extending in the longitudinal direction at least on both sides in the width direction inside the pressure generating chamber,
The depth of the concave portion is 0.5 times or more the thickness of the elastic film and is in a range up to reaching a part of the lower electrode.
請求項1において、前記弾性膜が、第1の弾性膜とその上に設けられた第2の弾性膜とからなることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。2. The ink jet recording head according to claim 1, wherein the elastic film comprises a first elastic film and a second elastic film provided thereon. 請求項1又は2に記載のインクジェット式記録ヘッドを具備したことを特徴とするインクジェット式記録装置。An ink jet recording apparatus comprising the ink jet recording head according to claim 1.
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