JP4553130B2 - Liquid ejecting head and liquid ejecting apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特に、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、この振動板の表面に圧電素子を形成して、圧電素子の変位によりインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置に関する。 The present invention relates to a liquid ejecting head and a liquid ejecting apparatus, and in particular, a part of a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for ejecting ink droplets is configured by a vibration plate, and a piezoelectric element is formed on the surface of the vibration plate. The present invention relates to an ink jet recording head and an ink jet recording apparatus that eject ink droplets by displacement of a piezoelectric element.
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、この振動板を圧電素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、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの2種類が実用化されている。前者は圧電素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、圧電素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素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。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素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。 A part of the pressure generation chamber communicating with the nozzle opening for discharging ink droplets is constituted by a vibration plate, and the vibration plate is deformed by a piezoelectric element to pressurize the ink in the pressure generation chamber to discharge ink droplets from the nozzle opening. Two types of ink jet recording heads have been put into practical use: those using a longitudinal vibration mode piezoelectric actuator that extends and contracts in the axial direction of the piezoelectric element, and those using a flexural vibration mode piezoelectric actuator. The former can change the volume of the pressure generation chamber by bringing the end face of the piezoelectric element into contact with the vibration plate, and it is possible to manufacture a head suitable for high-density printing, while the piezoelectric element is arranged in an array of nozzle openings. There is a problem that the manufacturing process is complicated because a difficult process of matching the pitch into a comb-like shape and an operation of positioning and fixing the cut piezoelectric element in the pressure generating chamber are necessary. On the other hand, the latter can flexibly vibrate, although a piezoelectric element can be built on the diaphragm by a relatively simple process of sticking a green sheet of piezoelectric material according to the shape of the pressure generation chamber and firing it. There is a problem that a certain amount of area is required for the use of, and high-density arrangement is difficult.
このような後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、振動板の表面全体に亙って成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素子を形成したものがある。これによれば圧電素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素子を高密度に作り付けることができるばかりでなく、圧電素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。 In order to eliminate the disadvantages of the latter recording head, a uniform piezoelectric material layer is formed over the entire surface of the diaphragm by a film forming technique, and this piezoelectric material layer corresponds to the pressure generating chamber by lithography. There is one in which piezoelectric elements are formed so as to be separated into shapes and independent for each pressure generating chamber. This eliminates the need to affix the piezoelectric element to the diaphragm, and not only enables the piezoelectric element to be densely formed by a precise and simple technique called lithography, but also reduces the thickness of the piezoelectric element. There is an advantage that it can be made thin and can be driven at high speed.
しかしながら、このように圧電素子を高密度に配列したインクジェット式記録ヘッドでは、各圧電素子の一方の電極(共通電極)が複数の圧電素子に共通して設けられているため、多数の圧電素子を同時に駆動して多数のインク滴を一度に吐出させると、電圧降下が発生して圧電素子の変位量が不安定となり、インク吐出特性が低下するという問題がある。なお、薄膜で形成された圧電素子の電極はその膜厚が薄いため抵抗値が比較的高く、このような問題が特に生じやすい。 However, in such an ink jet recording head in which piezoelectric elements are arranged at high density, one electrode (common electrode) of each piezoelectric element is provided in common to a plurality of piezoelectric elements. If the ink droplets are simultaneously driven to discharge a large number of ink droplets at once, there is a problem that a voltage drop occurs, the displacement amount of the piezoelectric element becomes unstable, and the ink discharge characteristics deteriorate. Note that the electrode of the piezoelectric element formed of a thin film has a relatively high resistance value because of its thin film thickness, and this problem is particularly likely to occur.
このような問題を解決するために、例えば、圧電素子の長手方向端部近傍に対向する領域に、圧電素子の共通電極と電気的に接続される接続配線層を設け、共通電極の抵抗値を実質的に低下させるようにしたものがある(例えば、特許文献1参照)。 In order to solve such a problem, for example, a connection wiring layer electrically connected to the common electrode of the piezoelectric element is provided in a region facing the vicinity of the longitudinal end portion of the piezoelectric element, and the resistance value of the common electrode is set. There is one that is substantially reduced (for example, see Patent Document 1).
ここで、接続配線層は、共通電極の抵抗を下げるため、比較的導電性の高い材料、例えば、金(Au)、アルミニウム(Al)等の金属材料で形成されている。また、その厚みは振動板の厚みとほぼ同程度、例えば、1〜3μm程度に形成される。これに対し、振動板は、比較的導電性の低い材料で形成されていることが多い。例えば、特許文献1には、単結晶シリコン基板である流路形成基板を熱酸化することによって形成された二酸化シリコン(SIO2)からなる弾性膜を含む振動板が開示されている。 Here, the connection wiring layer is formed of a material having relatively high conductivity, for example, a metal material such as gold (Au) or aluminum (Al) in order to reduce the resistance of the common electrode. Further, the thickness is approximately the same as the thickness of the diaphragm, for example, about 1 to 3 μm. On the other hand, the diaphragm is often formed of a material having relatively low conductivity. For example, Patent Document 1 discloses a diaphragm including an elastic film made of silicon dioxide (SIO 2 ) formed by thermally oxidizing a flow path forming substrate that is a single crystal silicon substrate.
また、接続配線層の製造方法としては、スパッタリング法や、蒸着法で成膜した後に、エッチングによりパターニングする方法が一般的である。スパッタリング法や蒸着法で下地との密着力のよい膜を得るためには、接続配線層が形成される流路形成基板(振動板)を100〜300℃程度に加熱しながら成膜を行う必要がある。さらに、スパッタリング法では、流路形成基板(振動板)に原子が衝突しながら成膜が進むため、たとえ流路形成基板を加熱しなくても流路形成基板(振動板)の温度は150〜300℃に達してしまう。 Further, as a method for manufacturing the connection wiring layer, a method of patterning by etching after forming a film by sputtering or vapor deposition is common. In order to obtain a film having good adhesion to the substrate by sputtering or vapor deposition, it is necessary to form the film while heating the flow path forming substrate (vibrating plate) on which the connection wiring layer is formed to about 100 to 300 ° C. There is. Furthermore, in the sputtering method, the film formation proceeds while atoms collide with the flow path forming substrate (vibrating plate). Therefore, even if the flow path forming substrate is not heated, the temperature of the flow path forming substrate (vibrating plate) is 150- It reaches 300 ° C.
このため、接続配線層をスパッタリング法等によって成膜すると、振動板と接続配線層との冷却時の収縮量の違いにより、振動板には残留膜応力が作用してしまうという問題がある。すなわち、振動板に残留膜応力が作用することで、例えば、ヘッド組立時の加圧や、ヘッド使用時のキャッピングなどの外力が加わると、接続配線層の周囲の振動板が比較的簡単に割れてしまうという問題がある。 For this reason, when the connection wiring layer is formed by a sputtering method or the like, there is a problem that residual film stress acts on the vibration plate due to a difference in contraction amount when the vibration plate and the connection wiring layer are cooled. That is, the residual film stress acts on the diaphragm, so that, for example, when an external force such as pressurization during head assembly or capping when using the head is applied, the diaphragm around the connection wiring layer is relatively easily cracked. There is a problem that it ends up.
また、このようなインクジェット式記録ヘッドには、例えば、流路形成基板に設けられ連通部と、流路形成基板に接合されたリザーバ形成基板に設けられたリザーバ部とでリザーバを形成し、このリザーバから各圧力発生室にインクが供給されるようになっているものがある(例えば、特許文献2参照)。そして、このような構成のインクジェット式記録ヘッドでは、リザーバ内のインク(水分)が流路形成基板とリザーバ形成基板との接合部分から浸透し、接続配線層まで達するとインクに電圧が印加されインクが電気分解を起こし、気体や異物が生成されインク滴の吐出不良となる場合がある。さらには、インクが圧電素子まで浸透すると、そのインクによって圧電素子が破壊されてしまうという虞がある。また、上述したように接続配線層等を設けた構造では、リザーバ形成基板を接合するための接着剤の厚さが比較的厚くなってしまうため、このような問題が特に生じやすい。 Further, in such an ink jet recording head, for example, a reservoir is formed by a communication portion provided on the flow path forming substrate and a reservoir portion provided on the reservoir forming substrate joined to the flow path forming substrate. There is one in which ink is supplied from a reservoir to each pressure generating chamber (see, for example, Patent Document 2). In the ink jet recording head having such a configuration, the ink (moisture) in the reservoir permeates from the joint portion between the flow path forming substrate and the reservoir forming substrate, and when the ink reaches the connection wiring layer, a voltage is applied to the ink. May cause electrolysis, generating gas and foreign matter, resulting in ink droplet ejection failure. Furthermore, when the ink penetrates to the piezoelectric element, the piezoelectric element may be destroyed by the ink. Further, in the structure in which the connection wiring layer or the like is provided as described above, such a problem is particularly likely to occur because the thickness of the adhesive for joining the reservoir forming substrate becomes relatively large.
なお、このような問題は、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドだけではなく、勿論、インク以外の液滴を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても、同様に存在する。 Such a problem exists not only in an ink jet recording head that ejects ink, but also in other liquid ejecting heads that eject droplets other than ink.
本発明はこのような事情に鑑み、液体吐出特性を良好な状態に安定させることができると共に、応力集中による振動板の破壊及び水分による圧電素子の破壊を防止することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを課題とする。 In view of such circumstances, the present invention can stabilize the liquid ejection characteristics in a good state, and can prevent the vibration plate from being broken due to stress concentration and the piezoelectric element from being broken due to moisture. It is an object to provide an injection device.
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が設けられると共に供給路を介して前記圧力発生室に連通する連通部が設けられた流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子と、前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に接合され前記連通部に連通するリザーバ部を有するリザーバ形成基板とを有し、前記供給路に対応する領域には、少なくとも前記リザーバ形成基板が接合される領域の前記振動板上に、前記下電極及び前記上電極とは異なる層で構成され前記下電極と電気的に接続される積層電極が、線膨張係数が前記振動板よりも大きく前記積層電極よりも小さい材料からなる応力緩和層を介して前記圧力発生室の並設方向に沿って延設され、且つ前記積層電極の前記連通部側の領域には、前記積層電極に対応する領域から連続的に設けられる前記応力緩和層を介して、当該積層電極とは不連続の不連続積層電極が前記積層電極に並設されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第1の態様では、積層電極を設けることで、圧電素子の共通電極である下電極膜の抵抗値が実質的に低下するため、クロストーク等の発生が抑えられて安定した吐出特性が得られる。また、応力緩和層を設けることで、積層電極等の応力に起因する振動板への応力集中が抑えられ、この応力集中に起因する振動板の破壊が防止される。さらに、不連続積層電極を設けることで、リザーバ形成基板と流路形成基板とを良好に接合することができるため、リザーバ部からこれらの基板間に浸透した液体によって圧電素子が破壊されるのを防止することができる。
A first aspect of the present invention that solves the above problems includes a flow path forming substrate that includes a pressure generation chamber that communicates with a nozzle opening and a communication portion that communicates with the pressure generation chamber via a supply path. A piezoelectric element comprising a lower electrode, a piezoelectric layer and an upper electrode provided on one surface side of the flow path forming substrate via a vibration plate, and the communicating portion joined to the surface of the flow path forming substrate on the piezoelectric element side A reservoir forming substrate having a reservoir portion that communicates with the lower electrode and the upper electrode in an area corresponding to the supply path at least on the diaphragm in an area to which the reservoir forming substrate is joined. Is a laminated electrode that is composed of different layers and is electrically connected to the lower electrode, the linear expansion coefficient of which is larger than that of the diaphragm and smaller than that of the laminated electrode. Along the parallel direction A discontinuous stack that is discontinuous with the stacked electrode is provided in the region on the side of the communication portion of the stacked electrode that extends from the region corresponding to the stacked electrode via the stress relaxation layer. An electrode is provided in parallel with the laminated electrode.
In the first aspect, by providing the laminated electrode, the resistance value of the lower electrode film, which is the common electrode of the piezoelectric element, is substantially reduced, so that the occurrence of crosstalk or the like is suppressed and stable ejection characteristics are obtained. It is done. Further, by providing the stress relaxation layer, the stress concentration on the diaphragm due to the stress of the laminated electrode or the like is suppressed, and the diaphragm is prevented from being destroyed due to the stress concentration. Furthermore, since the reservoir forming substrate and the flow path forming substrate can be satisfactorily bonded by providing the discontinuous laminated electrode, the piezoelectric element is destroyed by the liquid that has permeated between these substrates from the reservoir portion. Can be prevented.
本発明の第2の態様は、第1の態様において、前記供給路が前記流路形成基板を貫通して設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第2の態様では、供給路に対応する領域の振動板には割れが生じやすいが、応力緩和層を設けることで、このような領域の振動板の破壊も防止される。
According to a second aspect of the invention, in the liquid jet head according to the first aspect, the supply path is provided through the flow path forming substrate.
In the second aspect, the diaphragm in the region corresponding to the supply path is likely to be cracked, but by providing the stress relaxation layer, the diaphragm in such a region can be prevented from being broken.
本発明の第3の態様は、第1又は2の態様において、前記積層電極と前記不連続積層電極は互いに絶縁されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第3の態様では、インクへの電圧印加をより確実に抑えることができる。
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the laminated electrode and the discontinuous laminated electrode are insulated from each other.
In the third aspect, voltage application to the ink can be more reliably suppressed.
本発明の第4の態様は、第1〜3の何れかの態様において、前記応力緩和層が、セラミックス材料からなることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第4の態様では、振動板への応力集中をより確実に抑えることができる。
According to a fourth aspect of the present invention, in the liquid jet head according to any one of the first to third aspects, the stress relaxation layer is made of a ceramic material.
In the fourth aspect, the stress concentration on the diaphragm can be suppressed more reliably.
本発明の第5の態様は、第1〜4の何れかの態様において、前記応力緩和層が、前記圧電素子を構成する前記圧電体層と同一の層からなり、且つ前記圧電素子を構成する圧電体層とは分離されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第5の態様では、圧電素子と同一プロセスで、応力緩和層を比較的容易に形成することができと共に、圧電素子変形時の応力伝播を効果的に抑制できる。
According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, the stress relaxation layer includes the same layer as the piezoelectric layer constituting the piezoelectric element, and constitutes the piezoelectric element. The liquid ejecting head is separated from the piezoelectric layer.
In the fifth aspect, the stress relaxation layer can be formed relatively easily by the same process as that of the piezoelectric element, and the stress propagation when the piezoelectric element is deformed can be effectively suppressed.
本発明の第6の態様は、第1〜5の何れかの態様において、前記応力緩和層の厚さが、前記積層電極の厚さと同一か又はそれよりも厚いことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第6の態様では、振動板及び積層電極に生じる応力が、応力緩和層によってさらに確実に緩和される。
According to a sixth aspect of the present invention, in any one of the first to fifth aspects, the thickness of the stress relaxation layer is equal to or greater than the thickness of the multilayer electrode. It is in.
In the sixth aspect, the stress generated in the diaphragm and the laminated electrode is more reliably relaxed by the stress relaxation layer.
本発明の第7の態様は、第1〜6の何れかの態様において、前記リザーバ形成基板が、圧電素子を保護する圧電素子保持部を有することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第7の態様では、水分に起因する圧電素子の破壊をより確実に防止することができる。
According to a seventh aspect of the present invention, in the liquid ejecting head according to any one of the first to sixth aspects, the reservoir forming substrate includes a piezoelectric element holding portion that protects the piezoelectric element.
In the seventh aspect, it is possible to more reliably prevent the destruction of the piezoelectric element due to moisture.
本発明の第8の態様は、第1〜7の何れかの態様において、前記流路形成基板がシリコン単結晶基板からなると共に、前記振動板が前記流路形成基板の表面に形成された二酸化シリコンからなる弾性膜を少なくとも含むことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第8の態様では、二酸化シリコンからなる弾性膜には、応力集中による割れが特に発生しやすいが、応力緩和層を設けることで、弾性膜に生じる割れも防止することができる。
According to an eighth aspect of the present invention, in any one of the first to seventh aspects, the flow path forming substrate is formed of a silicon single crystal substrate, and the diaphragm is formed on a surface of the flow path forming substrate. The liquid ejecting head includes at least an elastic film made of silicon.
In the eighth aspect, cracks due to stress concentration are particularly likely to occur in the elastic film made of silicon dioxide. However, by providing a stress relaxation layer, it is possible to prevent cracks occurring in the elastic film.
本発明の第9の態様は、第1〜8の何れかの態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる第9の態様では、耐久性及び信頼性を向上した液体噴射装置を実現することができる。
A ninth aspect of the present invention is a liquid ejecting apparatus including the liquid ejecting head according to any one of the first to eighth aspects.
In the ninth aspect, a liquid ejecting apparatus with improved durability and reliability can be realized.
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
(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分解斜視図であり、図2は、図1の平面図及びA−A’断面図であり、図3は、その一部を拡大した断面図である。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り、図示するように、その一方の面には、二酸化シリコンからなり厚さ0.5〜2μmの弾性膜50が形成されている。この流路形成基板10には、複数の圧力発生室12がその幅方向に沿って並設されている。また、流路形成基板10の圧力発生室12の長手方向外側の領域には連通部13が形成されている。連通部13と各圧力発生室12とは、圧力発生室12と略同一幅で形成されるインク連通路14と、圧力発生室12よりも狭い幅で形成されるインク供給路15を介して連通されている。なお、連通部13は、後述するリザーバ形成基板のリザーバ部と連通して各圧力発生室12の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する。インク供給路15は、インク連通路14からを圧力発生室12に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
(Embodiment 1)
1 is an exploded perspective view showing an ink jet recording head according to Embodiment 1 of the present invention, FIG. 2 is a plan view of FIG. 1 and a cross-sectional view taken along line AA ′, and FIG. FIG. In this embodiment, the flow
流路形成基板10の開口面側には、圧力発生室12を形成する際のエッチングマスクとして用いられたマスク膜51を介して、各圧力発生室12のインク供給路15とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口21が穿設されたノズルプレート20が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。なお、ノズルプレート20は、厚さが例えば、0.01〜1mmで、線膨張係数が300℃以下で、例えば2.5〜20[×10-6/℃]であるガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又はステンレス鋼等からなる。
On the opening surface side of the flow
一方、このような流路形成基板10の開口面とは反対側には、上述したように、厚さが例えば約1.0μmの弾性膜50が形成され、この弾性膜50上には、酸化ジルコニウム(ZrO2)からなり厚さが例えば、約0.4μmの絶縁体膜55が形成されている。さらに、この絶縁体膜55上には、白金(Pt)及びイリジウム(Ir)からなり厚さが例えば、約0.2μmの下電極膜60と、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなり厚さが例えば、約1.0μmの圧電体層70と、イリジウム(Ir)からなり厚さが例えば、約0.05μmの上電極膜80とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子300を構成している。
On the other hand, as described above, the
なお、圧電体層70の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の強誘電性圧電性材料に、ニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイットリウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等を用いてもよい。その組成は、圧電素子の特性、用途等を考慮して適宜選択すればよいが、例えば、PbTiO3(PT)、PbZrO3(PZ)、Pb(ZrxTi1−x)O3(PZT)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−PbTiO3(PMN−PT)、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3−PbTiO3(PZN−PT)、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3−PbTiO3(PNN−PT)、Pb(In1/2Nb1/2)O3−PbTiO3(PIN−PT)、Pb(Sc1/3Ta2/3)O3−PbTiO3(PST−PT)、Pb(Sc1/3Nb2/3)O3−PbTiO3(PSN−PT)、BiScO3−PbTiO3(BS−PT)、BiYbO3−PbTiO3(BY−PT)等が挙げられる。
As a material of the
ここで圧電素子300とは、下電極膜60、圧電体層70及び上電極膜80を含む部分をいう。一般的には、圧電素子300の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層70を圧力発生室12毎にパターニングして構成する。そして、パターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層70から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜60は圧電素子300の共通電極とし、上電極膜80を圧電素子300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。何れの場合においても、圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子300と当該圧電素子300の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。また、詳しくは後述するが、圧電素子300の個別電極である各上電極膜80には、上電極用引き出し電極90が接続されており、この上電極用引き出し電極90を介して、各圧電素子300に電圧が印加されるようになっている。なお、振動板とは、弾性膜50と絶縁体膜55から構成される。
Here, the
以下、圧電素子300の構造について詳しく説明する。圧電素子300の共通電極である下電極膜60は、本実施形態では、圧力発生室12の長手方向では圧力発生室12に対向する領域内に形成され、圧力発生室12の並設方向では複数の圧力発生室12に対応する領域に亘って連続的に設けられている。また、下電極膜60は、圧力発生室12の並設方向で流路形成基板10の端部近傍まで延設され、本実施形態では、並設された複数の圧電素子300及び上電極用引き出し電極90の周囲を囲んで連続的に設けられている。一方、圧電素子300を構成する圧電体層70及び上電極膜80は、基本的には圧力発生室12に対向する領域内に設けられているが、圧力発生室12の長手方向では、下電極膜60の端部よりも外側まで延設されており、下電極膜60の端面は圧電体層70によって覆われている。
Hereinafter, the structure of the
また、このような圧電素子300を構成する各層は、無機絶縁材料からなる第1の絶縁膜100によって覆われており、上電極用引き出し電極90は、この第1の絶縁膜100を介して各圧電素子300の上電極膜80に接続されている。詳細には、上電極用引き出し電極90は、本実施形態では、上電極膜80に接続される第1のリード電極91と、第1のリード電極91に接続される第2のリード電極94とで構成されている。そして、第1のリード電極91が、この第1の絶縁膜100上に延設され、その一端部近傍が第1の絶縁膜100に形成されたコンタクトホール101を介して上電極膜80に接続されている。また、この第1のリード電極91及び圧電素子300を構成する各層は、第1の絶縁膜100と同様の無機絶縁材料で形成される第2の絶縁膜110によってさらに覆われている。上電極用引き出し電極90を構成する第2のリード電極94は、この第2の絶縁膜110上に延設され、その一端部が第2の絶縁膜110に形成されたコンタクトホール111を介して第1のリード電極91の他端部に接続されている。そして、第2のリード電極94の他端部近傍は、後述するリザーバ形成基板30上に実装される駆動ICと電気的に接続されるようになっている。
Further, each layer constituting such a
ここで、第1のリード電極91は、例えば、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、チタン(Ti)、銅(Cu)、チタンタングステン(TiW)等で形成される密着層92と、例えば、金(Au)、アルミニウム(Al)等で形成される金属層93とからなる。なお、本実施形態では、第1のリード電極91を構成する密着層92がチタンタングステン(TiW)からなり、金属層93がアルミニウム(Al)からなり、その厚さは約1μmである。第2のリード電極94は、第1のリード電極91と同様に、密着層95と金属層96とで構成されている。例えば、本実施形態では、第2のリード電極94を構成する密着層95はニッケルクロム(NiCr)からなり、金属層96は金(Au)からなり、その厚さは約1μmである。第1及び第2の絶縁膜100,110の材料としては、無機絶縁材料であれば特に限定されず、例えば、酸化アルミニウム(AlOx)、酸化タンタル(TaOx)等が挙げられるが、特に、無機アモルファス材料である、例えば、酸化アルミニウム(Al2O3)等を用いるのが好ましい。
Here, the
なお、本実施形態では、連通部13の開口周縁部に対応する領域の弾性膜50及び絶縁体膜55上にも、この第2のリード電極94を構成する密着層95及び金属層96からなるが第2のリード電極94とは不連続の不連続金属層97が残存している。この不連続金属層97は、弾性膜50及び絶縁体膜55に形成された貫通部52を覆って形成され、流路形成基板10を異方性エッチングして連通部13を形成する際のエッチングストップ層として機能する。そして、連通部13を形成した後に、貫通部52に対向する領域の不連続金属層97が除去され、その結果、連通部13の開口周縁部に対応する領域に不連続金属層97が残存する。
In the present embodiment, the
また、並設された圧力発生室12に対応する領域の外側には、下電極膜60及び上電極膜80とは異なる層、本実施形態では、第1のリード電極91と同一層(密着層92及び金属層93)からなる第1の積層電極140が設けられ、下電極膜60と電気的に接続されている。なお、本実施形態では、第1の積層電極140は、下電極膜60上に形成されているが、これに限定されず、第1の積層電極140と下電極膜60とが電気的に接続されていれば、第1の積層電極140の下側に下電極膜60が設けられている必要はない。さらに、並設された圧電素子300同士の間の領域には、例えば、10個の圧電素子300に対して1本程度の割合で、第1の積層電極140から連続する下電極用引き出し電極98が設けられている。すなわち、下電極用引き出し電極98は、第1のリード電極91を構成する密着層92及び金属層93で構成されている。そして、この下電極用引き出し電極98は、第1の積層電極140から上電極用引き出し電極90の引き出し方向に沿って延設され、第1の絶縁膜100に設けられたコンタクトホール103を介して、圧力発生室12に対応する領域の下電極膜60に接続されている。なお、下電極用引き出し電極98等を構成する密着層92は、アルミニウム(Al)からなる金属層93と下電極膜60とが反応して相互拡散するのを防止するために設けられている。
Further, outside the region corresponding to the
このような構成では、第1の積層電極140によって圧電素子300の共通電極である下電極膜60の抵抗値が実質的に低下するため、多数の圧電素子300を同時に駆動しても電圧降下の発生を防止することができる。特に、複数の下電極用引き出し電極98が、第1の積層電極140から連続して形成されていることで、電圧降下の発生がより確実に防止され、常に良好で且つ安定したインク吐出特性を得ることができる。
In such a configuration, the resistance value of the
また、このような第1の積層電極140と振動板との間には、線膨張係数が振動板よりも大きく且つ第1の積層電極140よりも小さい材料からなる応力緩和層150が設けられている。この応力緩和層150は、第1の積層電極140の少なくとも端部に対応する領域に設けられていればよいが、例えば、本実施形態では、応力緩和層150は、第1の積層電極140の下側に、その全面に対応する領域に亘って連続的に設けられている。
In addition, a
このような応力緩和層150の材料は、線膨張係数が振動板よりも大きく且つ第1の積層電極140よりも小さい材料であれば特に限定されない。例えば、本実施形態のように、振動板が複数層で構成されている場合には、応力緩和層150の材料は、これら複数層のうち線膨張係数が最小のものよりも大きく且つ第1の積層電極140よりも小さい材料であればよいが、振動板全体としての線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有するものであることが望ましい。具体的には、セラミックス材料等が応力緩和層150の材料として好適に用いられ、例えば、本実施形態では、圧電素子300を構成する圧電体層70と同一の層、すなわち、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)で応力緩和層150を形成している。
The material of the
そして、このように第1の積層電極140と振動板との間に応力緩和層150を設けることにより、振動板及び第1の積層電極140の応力に起因して第1の積層電極140の周囲で発生する振動板、特に、弾性膜50の割れを防止することができる。本実施形態のように、インク連通路14、インク供給路15等が流路形成基板10を貫通して設けられているため、これらインク連通路14、インク供給路15等に対向する領域の振動板には特に割れが発生しやすいが、応力緩和層150を設けることで、このような領域の振動板の割れの発生も確実に防止することができる。
Then, by providing the
なお、本実施形態のように、応力緩和層150を圧電体層70と同一の層で形成する場合、応力緩和層150は、圧電素子300を構成する圧電体層70とは分離されていることが望ましい。これにより、圧電素子300を変形させたときの応力伝播を効果的に抑制できるからである。
When the
また、図3に示すように、圧力発生室12と連通部13とを連通する供給路、本実施形態では、インク連通路14及びインク供給路15に対応する領域に形成される第1の積層電極140の連通部13側には、第1の積層電極140とは電気的に不連続の不連続積層電極160が並設されている。この不連続積層電極160は、本実施形態では、第1の積層電極140と同様に、密着層92及び金属層93で構成されている。さらに、このような不連続積層電極160と振動板との間には、第1の積層電極140に対応する領域から連続的に設けられた応力緩和層150が設けられている。この応力緩和層150は、本実施形態では、第1の積層電極140及び不連続積層電極160に対応する領域に形成されているが、連通部13の開口周縁に設けられている不連続金属層97の下側まで連続的に形成してもよい。なお、不連続積層電極160の下側の領域の下電極膜60は、圧電素子300を構成する下電極膜60とは電気的に分離されているのが好ましい。
Further, as shown in FIG. 3, a first laminated layer formed in a region corresponding to the supply path that connects the
そして、流路形成基板10の圧電素子300側の面には、流路形成基板10の連通部13に対応する領域にリザーバ部31を有するリザーバ形成基板30が接合されている。このリザーバ部31は、本実施形態では、リザーバ形成基板30を厚さ方向に貫通して圧力発生室12の並設方向に沿って設けられており、上述したように流路形成基板10の連通部13と貫通部52を介して連通されて各圧力発生室12の共通のインク室となるリザーバ120を構成している。また、リザーバ形成基板30には、圧電素子300に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保可能な圧電素子保持部32が設けられている。圧電素子300は、この圧電素子保持部32内に形成されているため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護されている。なお、圧電素子保持部32は、密封されていてもよいが、密封されていなくてもよい。
A
また、リザーバ形成基板30の圧電素子保持部32のリザーバ部31とは反対側の領域には、その厚さ方向に貫通して第2のリード電極94が露出される露出孔33が形成されている。そして、図示しないが、この露出孔33内に延設される接続配線によって、リザーバ形成基板30上に実装される駆動ICと、第2のリード電極94及び下電極膜60とが電気的に接続されている。
An
このようなリザーバ形成基板30の材料としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等が挙げられるが、流路形成基板10の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることがより好ましく、本実施形態では、流路形成基板10と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
Examples of the material of the
ここで、このようなリザーバ形成基板30は、上述したように流路形成基板10に接着剤35によって接合されているが、例えば、インク供給路15及びインク連通路14に対向する領域の流路形成基板10上には、不連続金属層、第1の積層電極140等が形成されており、リザーバ形成基板30は、実際には、これらの上に接着剤35によって接合されている。
Here, such a
そして、本発明では、第1の積層電極140の連通部13側に、第1の積層電極140とは電気的に分離された不連続積層電極160を設け、不連続金属層97、第1の積層電極140と共に、この不連続積層電極160上にリザーバ形成基板30を接着剤35によって接合するようにした。
In the present invention, the discontinuous
これにより、リザーバ形成基板30と流路形成基板10とを極めて良好に接合することができ、リザーバ120内のインクが流路形成基板10とリザーバ形成基板30との間から浸透して圧電素子保持部32内に侵入するのを防止することができる。したがって、インクによる圧電素子300の破壊を確実に防止することができる。さらに、不連続積層電極160と第1の積層電極140とは、電気的に分離、すなわち、互いに絶縁されているため、不連続積層電極160まで仮にインクが浸透した場合でも、インクに電圧が印加され、インクが電気分解を起こし、気体や異物が生成されインク滴の吐出不良となることもない。また、例えば、本実施形態のように、連通部13の周縁部に金(Au)からなる金属層を含む不連続金属層97が設けられ、この不連続金属層97上にリザーバ形成基板30が接合されている場合には、特に効果的である。すなわち、不連続金属層97(金属層96)は接着剤35との接着性が低く、不連続金属層97と接着剤35との間にはインクが浸透しやすいが、不連続積層電極160を設けておくことで、圧電素子保持部32内へのインクの侵入は確実に防止することができる。
Thereby, the
なお、応力緩和層150は、不連続積層電極160に対応する領域と、第1の積層電極140に対応する領域とに分離されていても、上述したような圧電素子保持部32内へのインクの侵入は防止することはできるが、振動板の破壊を防止するという観点から、応力緩和層150は、第1の積層電極140及び不連続積層電極160に対応する領域に連続的に形成するようにしている。応力緩和層150が、第1の積層電極140に対応する領域と、不連続積層電極160に対応する領域とに分離されていると、応力緩和層150の端部に対応する領域の振動板に応力集中が生じてクラック等が発生しやすくなってしまうからである。すなわち、応力緩和層150は、少なくとも第1の積層電極140と不連続積層電極160との間の領域で連続的に設けられていればよく、例えば、図4に示すように、第1の積層電極140及び不連続積層電極160の下側の領域では、応力緩和層150は、これら第1の積層電極140及び不連続積層電極160の端部に対応する領域のみに設けられていてもよい。勿論、このような構成としても、振動板の破壊を防止しつつ、且つ圧電素子保持部32内へのインクの侵入も確実に防止することができる。
Even if the
また、本実施形態のように、密着層95及び金属層96からなる不連続金属層97が連通部13の開口周縁部に設けられている場合には、例えば、図5に示すように、不連続金属層97を構成する密着層95を、不連続積層電極160上まで連続的に形成するようにしてもよい。密着層95は、接着剤35との接着性が高いため、圧電素子保持部32内へのインクの侵入をさらに確実に防止することができる。勿論、不連続積層電極160上に、接着剤35との接着性の高い材料、例えば、チタンタングステン(TiW)、ニッケルクロム(NiCr)等からなる密着層を不連続金属層97とは別途設けるようにしてもよい。このような構成としても同様の効果が得られることは言うまでもない。また、この密着層を不連続金属層97上にも設けることによって、不連続金属層97と不連続積層電極160を一体化させることもできる。
Further, when the
なお、リザーバ形成基板30上には、封止膜41及び固定板42とからなるコンプライアンス基板40が接合されている。封止膜41は、剛性が低く可撓性を有する材料(例えば、厚さが6μmのポリフェニレンサルファイド(PPS)フィルム)からなり、この封止膜41によってリザーバ部31の一方面が封止されている。また、固定板42は、金属等の硬質の材料(例えば、厚さが30μmのステンレス鋼(SUS)等)で形成される。この固定板42のリザーバ120に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部43となっているため、リザーバ120の一方面は可撓性を有する封止膜41のみで封止されている。
Note that a
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、リザーバ120からノズル開口21に至るまで内部をインクで満たした後、リザーバ形成基板30上に実装された図示しない駆動ICからの記録信号に従い、圧力発生室12に対応するそれぞれの下電極膜60と上電極膜80との間に電圧を印加し、弾性膜50、絶縁体膜55、下電極膜60及び圧電体層70をたわみ変形させることにより、各圧力発生室12内の圧力が高まりノズル開口21からインク滴が吐出する。
In such an ink jet recording head of this embodiment, ink is taken in from an external ink supply means (not shown), filled with ink from the
(他の実施形態)
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、不連続積層電極を、インク連通部及びインク供給路に対応する領域のみに設けるようにしたが、これに限定されず、例えば、圧電素子保持部の周囲に亘って連続的に設けるようにしてもよい。これにより、例えば、印刷時等にヘッドの外周面に付着したインクが、圧電素子保持部内に侵入するのも防止することができ、インクによる圧電素子の破壊をより確実に防止することができる。
(Other embodiments)
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to embodiment mentioned above. For example, in the above-described embodiment, the discontinuous laminated electrode is provided only in the region corresponding to the ink communication portion and the ink supply path. However, the present invention is not limited to this. For example, the discontinuous laminated electrode extends around the periphery of the piezoelectric element holding portion. You may make it provide continuously. Thereby, for example, ink attached to the outer peripheral surface of the head during printing or the like can be prevented from entering the piezoelectric element holding portion, and destruction of the piezoelectric element by ink can be prevented more reliably.
また、例えば、上述の実施形態では、不連続積層電極は、第1の積層電極と同一の層のみで構成されているが、これに限定されず、例えば、不連続積層電極は、複数層で構成されていてもよい。不連続積層電極は、何れにしても、第1の積層電極等の周囲に形成されている膜の高さと同一又はそれよりも高く形成されていればよい。 Further, for example, in the above-described embodiment, the discontinuous laminated electrode is configured by only the same layer as the first laminated electrode. However, the present invention is not limited to this. For example, the discontinuous laminated electrode is formed of a plurality of layers. It may be configured. In any case, the discontinuous laminated electrode may be formed to be equal to or higher than the height of the film formed around the first laminated electrode or the like.
また、上述の実施形態では、上電極用引き出し配線が第1のリード電極と第2のリード電極とで構成されているが、これに限定されず、上電極用引き出し配線は、第1のリード電極又は第2のリード電極の何れか一方のみで構成されていてもよく、さらにその一方のリード電極と同一の層で、第1の積層電極及び不連続積層電極が形成されていてもよい。これにより、製造工程を簡略化しつつ、応力集中による振動板の破壊を防止することができる。 In the above-described embodiment, the upper electrode lead-out wiring is composed of the first lead electrode and the second lead electrode. However, the upper electrode lead-out wiring is not limited to this, and the upper electrode lead-out wiring is not limited to the first lead electrode. Only one of the electrode and the second lead electrode may be formed, and the first laminated electrode and the discontinuous laminated electrode may be formed in the same layer as the one lead electrode. Thereby, destruction of the diaphragm due to stress concentration can be prevented while simplifying the manufacturing process.
なお、上述した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6は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。図6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及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。そして、駆動モータ6の駆動力が図示しない複数の歯車およ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にはキャリッジ軸5に沿ってプラテン8が設けられており、図示しない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上を搬送されるようになっている。
The ink jet recording head according to the above-described embodiment 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. 6 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus. As shown in FIG. 6, in the
また、上述した実施形態においては、本発明の液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを説明したが、液体噴射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。本発明は、広く液体噴射ヘッドの全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射するものにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレー、FED(面発光ディスプレー)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオchip製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。 In the above-described embodiment, the ink jet recording head has been described as an example of the liquid ejecting head of the present invention. However, the basic configuration of the liquid ejecting head is not limited to the above-described configuration. The present invention covers a wide range of liquid ejecting heads, and can naturally be applied to those ejecting liquids other than ink. Other liquid ejecting heads include, for example, various recording heads used in image recording apparatuses such as printers, color material ejecting heads used in manufacturing color filters such as liquid crystal displays, organic EL displays, and FEDs (surface emitting displays). Examples thereof include an electrode material ejection head used for electrode formation, a bioorganic matter ejection head used for biochip production, and the like.
10 流路形成基板、 12 圧力発生室、 13 連通部、 14 インク連通路、 15 インク供給路、 20 ノズルプレート、 21 ノズル開口、 30 リザーバ形成基板、 31 リザーバ部、 32 圧電素子保持部、 40 コンプライアンス基板、 60 下電極膜、 70 圧電体層、 80 上電極膜、 90 上電極用引き出し電極、 91 第1のリード電極、 94 第2のリード電極、 97 不連続金属層、 98 下電極用引き出し電極、 100 第1の絶縁膜、 110 第2の絶縁膜、 120 リザーバ、 140 第1の積層電極、 150 応力緩和層、 160 不連続積層電極、 300 圧電素子
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記供給路に対応する領域には、少なくとも前記リザーバ形成基板が接合される領域の前記振動板上に、前記下電極及び前記上電極とは異なる層で構成され前記下電極と電気的に接続される積層電極が、線膨張係数が前記振動板よりも大きく前記積層電極よりも小さい材料からなる応力緩和層を介して前記圧力発生室の並設方向に沿って延設され、
且つ前記積層電極の前記連通部側の領域には、前記積層電極に対応する領域から連続的に設けられる前記応力緩和層を介して、当該積層電極とは不連続の不連続積層電極が前記積層電極に並設されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。 A flow path forming substrate provided with a pressure generating chamber that communicates with the nozzle opening and a communication portion that communicates with the pressure generating chamber via a supply path, and a diaphragm on one side of the flow path forming substrate A piezoelectric element including a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode, and a reservoir forming substrate having a reservoir portion that is joined to the surface of the flow path forming substrate on the piezoelectric element side and communicates with the communicating portion. ,
The region corresponding to the supply path is composed of a layer different from the lower electrode and the upper electrode and is electrically connected to the lower electrode on at least the diaphragm in the region to which the reservoir forming substrate is bonded. A laminated electrode having a linear expansion coefficient larger than that of the diaphragm and extending along a parallel direction of the pressure generating chambers through a stress relaxation layer made of a material smaller than the laminated electrode,
In addition, a discontinuous multilayer electrode that is discontinuous with the multilayer electrode is disposed in the region on the communication portion side of the multilayer electrode via the stress relaxation layer continuously provided from a region corresponding to the multilayer electrode. A liquid ejecting head, wherein the liquid ejecting head is arranged in parallel with an electrode.
A liquid ejecting apparatus comprising the liquid ejecting head according to claim 1.
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