JP3888454B2

JP3888454B2 - Liquid ejecting head and liquid ejecting apparatus

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Publication number: JP3888454B2
Application number: JP2002192574A
Authority: JP
Inventors: 士郎矢崎
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2022-07-01
Also published as: JP2004034417A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被噴射液を吐出する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に供給されたインクを圧電素子又は発熱素子を介して加圧することによって、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及びインクジェット式記録装置に関する。
【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、圧電素子が軸方向に伸長、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素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。
【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。
【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提案されている。
【０００６】
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。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにノズル開口を高密度に配列したインクジェット式記録ヘッドでは、各圧力発生室を区画する隔壁の剛性が低下してしまうため、隔壁が振動板の張力の影響を受けやすく、この振動板の張力に起因するクロストークが発生してしまうという問題がある。
【０００８】
すなわち、駆動する圧電素子の数によって、各圧力発生室に対向する領域の振動板の変位量が変化してしまい、インク吐出特性が安定しないという問題がある。
【０００９】
また、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なく、勿論、インク以外の液体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。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑み、振動板の張力に起因するクロストークを防止して均一な特性で液体を噴射させ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。
【００１１】
【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が画成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面に振動板を介して設けられ且つ少なくとも下電極、圧電体層及び上電極を有する圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドにおいて、前記振動板が前記流路形成基板上に設けられて圧縮応力を有する弾性膜と、該弾性膜上に設けられて引張り応力を有する絶縁膜とを含み、前記下電極が複数の圧力発生室に対向する領域を覆って設けられ当該下電極が引張り応力を有すると共に前記振動板の一部を構成し、前記圧力発生室の内面に当該圧力発生室の内面を保護する保護膜が設けられ該保護膜が圧縮応力を有すると共に前記振動板の一部を構成し、且つ前記弾性膜及び前記保護膜の張力の和と前記絶縁膜及び前記下電極の張力の和との差が、前記弾性膜及び保護膜の張力の和の２割以下であることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１２】
かかる第１の態様では、振動板を構成する各層の張力の合力が比較的小さく抑えられ、振動板の張力に起因するクロストークを防止できるため、駆動する圧電素子の数に拘わらず、常に均一なインク吐出特性が得られる。また、保護膜が設けられていることで、インクによる流路形成基板等の腐食を防止できると共に、振動板を構成する層が増加するため振動板の張力をより調整しやすくなる。
【００１３】
本発明の第２の態様は、前記弾性膜が二酸化シリコンからなることを特徴とする第１の態様の液体噴射ヘッドにある。
【００１４】
かかる第２の態様では、所定の材料を用いることにより、圧縮応力を有する弾性膜を確実に形成できる。
【００１５】
本発明の第３の態様は、前記絶縁膜が二酸化ジルコニウムからなることを特徴とする第１又は２の態様の液体噴射ヘッドにある。
【００１６】
かかる第３の態様では、所定の材料を用いることにより、引張り応力を有する絶縁膜を確実に形成できる。
【００２７】
本発明の第４の態様は、前記圧力発生室がシリコン単結晶基板に異方性エッチングにより形成され、前記圧電素子の各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されたものであることを特徴とする第１〜３の何れかの態様の液体噴射ヘッドにある。
【００２８】
かかる第４の態様では、高密度のノズル開口を有する液体噴射ヘッドを大量に且つ比較的容易に製造することができる。
【００２９】
本発明の第５の態様は、第１〜４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。
【００３０】
かかる第５の態様では、印刷品質を向上した液体噴射装置を実現することができる。
【００３１】
【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。
【００３２】
（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はその平面図及び断面図である。
【００３３】
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り、その一方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弾性膜５０が形成されている。
【００３４】
この流路形成基板１０には、その他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が形成されている。また、各列の圧力発生室１２の長手方向外側には、後述するリザーバ形成基板３０に設けられるリザーバ部３１と連通孔５１を介して連通し、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成する連通部１３が形成されている。また、この連通部１３は、インク供給路１４を介して各圧力発生室１２の長手方向一端部とそれぞれ連通されている。
【００３５】
ここで、異方性エッチングは、シリコン単結晶基板のエッチングレートの違いを利用して行われる。例えば、本実施形態では、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）面と約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。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。
【００３６】
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をほぼ貫通して弾性膜５０に達するまでエッチングすることにより形成されている。ここで、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。また各圧力発生室１２の一端に連通する各インク供給路１４は、圧力発生室１２より浅く形成されており、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。すなわち、インク供給路１４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。
【００３７】
このような流路形成基板１０の厚さは、圧力発生室１２を配列密度に合わせて最適な厚さを選択すればよく、圧力発生室１２の配列密度が、例えば、１インチ当たり１８０個（１８０ｄｐｉ）程度であれば、流路形成基板１０の厚さは、２２０μｍ程度であればよいが、例えば、２００ｄｐｉ以上と比較的高密度に配列する場合には、流路形成基板１０の厚さは１００μｍ以下と比較的薄くするのが好ましい。これは、隣接する圧力発生室１２間の隔壁１１の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。
【００３８】
また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で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、０．０５〜１ｍｍ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、又は不錆鋼などからなる。ノズルプレート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、ノズルプレート２０は、流路形成基板１０と熱膨張係数が略同一の材料で形成するようにしてもよい。この場合には、流路形成基板１０とノズルプレート２０との熱による変形が略同一となるため、熱硬化性の接着剤等を用いて容易に接合することができる。
【００３９】
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２１の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出スピード、吐出周波数に応じて最適化される。例えば、１インチ当たり３６０個のインク滴を記録する場合、ノズル開口２１は数十μｍの直径で精度よく形成する必要がある。
【００４０】
一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側の面には、上述したように、厚さが例えば、０．５μｍの弾性膜５０が設けられ、この弾性膜５０上には、厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁膜５５が設けられている。さらに、この絶縁膜５５上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約０．５〜５μｍの圧電体層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、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００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を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここでは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、各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。
【００４１】
なお、圧電素子３００の上電極膜８０の長手方向一端部近傍には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が接続され、このリード電極９０は、流路形成基板１０の端部近傍まで引き出されている。そして、図示しないが、このリード電極９０の端部近傍は、圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ等とワイヤボンディングによって接続される。
【００４２】
ここで、圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板は、本発明では、圧縮応力を有する圧縮膜と、引張り応力を有する引張り膜とを有し、この圧縮膜の張力と、引張り膜の張力との差が、圧縮膜又は引張り膜の張力の何れか大きい方の２割以下となっている。なお、ここでいう張力とは、各膜の内部応力と膜厚とを掛けた値である。
【００４３】
例えば、本実施形態では、図３に示すように、圧電素子３００を構成する下電極膜６０は、複数の圧力発生室１２に対向する領域に亘って連続的に設けられているため、弾性膜５０、絶縁膜５５及び下電極膜６０が振動板として作用し、このうち、弾性膜５０が圧縮応力を有し、絶縁膜５５及び下電極膜６０が引張り応力を有している。なお、圧力発生室１２が形成された領域の振動板は、その張力が開放されるため、図３に示すように、弾性膜５０の圧縮応力は、振動板を圧力発生室１２の外側に引っ張る方向の力となり、絶縁膜５５及び下電極膜６０の引張り応力は、振動板を圧縮する方向の力となる。
【００４４】
そして、本実施形態では、圧縮膜である弾性膜５０は、例えば、二酸化シリコンからなり厚さが約０．５μｍであるため、その張力は約１１０Ｎ／ｍとなる。一方、引張り膜である絶縁膜５５は、例えば、二酸化ジルコニウムからなり厚さが約０．４μｍであり、下電極膜６０は、例えば、白金からなり厚さが約０．２μｍであるためその張力の和は約１００Ｎ／ｍとなる。したがって、弾性膜５０の張力と絶縁膜５５及び下電極膜６０の張力の和との差は、約１０Ｎ／ｍであり、圧縮膜又は引張り膜の張力の何れか大きい方、本実施形態では、弾性膜５０の張力の２割以下となっている。なお、この弾性膜５０の張力と、絶縁膜５５及び下電極膜６０の張力の和との差はできるだけ小さいことが好ましく、望ましくは零である。
【００４５】
このように、本実施形態では、振動板を構成する圧縮膜（弾性膜５０）の張力と、引張り膜（絶縁膜５５及び下電極膜６０）の張力との差が比較的小さいため、圧電素子３００を駆動していない状態での振動板の撓み量（初期撓み量）が極めて小さく抑えられる。なお、弾性膜５０の張力と絶縁膜５５及び下電極膜６０の張力の和との差が零であれば、振動板の初期撓みは実質的になくなることになる。
【００４６】
これにより、１つの圧電素子３００を駆動した場合と、複数の圧電素子３００を同時に駆動した場合とで、振動板の変位量が変化するのを防止できる。すなわち、振動板の張力によって隔壁１１が変形することがないため、複数の圧電素子３００を同時に駆動しても隔壁１１に変化が生じることがなく、振動板の張力に起因するクロストークの発生を抑えることができる。したがって、駆動する圧電素子３００の数に拘わらず、振動板の変位量は一定となり、常に均一なインク吐出特性を得ることができる。
【００４７】
なお、弾性膜５０、絶縁膜５５及び下電極膜６０の張力は、それぞれの膜厚によって調整することができ、各膜厚は、振動板全体の張力バランスを考慮して決定されればよい。
【００４８】
また、このような振動板の応力状態、すなわち、振動板全体の圧縮応力又は引張り応力の程度は、例えば、振動板の断面を電子顕微鏡等で観察することによって判定することができる。また、圧電素子３００を除去して振動板の撓み状態を観察することによっても判定することができる。
【００４９】
なお、このような振動板上、すなわち流路形成基板１０の圧電素子３００側には、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部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の幅方向に亘って形成されており、振動板を貫通して設けられた貫通孔５１を介して流路形成基板１０の連通部１３と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１００を構成している。
【００５０】
このリザーバ形成基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、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。
【００５１】
また、リザーバ形成基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で、その空間を密封可能な圧電素子保持部３２が設けられ、圧電素子３００はこの圧電素子保持部３２内に密封されている。
【００５２】
さらに、このようなリザーバ形成基板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。ここで、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１００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１００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。
【００５３】
なお、図示しないが、リザーバ形成基板３０及びコンプライアンス基板４０には、リザーバ１００と外部とを連通するインク導入口が形成されており、このインク導入口からリザーバ１００内にインクが供給される。
【００５４】
そして、このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、図示しない外部インク供給手段からインク導入口を介してインクを取り込み、リザーバ１００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、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。
【００５５】
以下、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造工程、特に、振動板及び圧電素子３００等を構成する各層を形成するプロセスを、図４及び図５を参照しながら説明する。
【００５６】
まず、図４（ａ）に示すように、流路形成基板１０となるシリコン単結晶基板のウェハを約１１００℃の拡散炉で熱酸化して二酸化シリコンからなり圧縮応力を有する弾性膜５０を形成する。
【００５７】
次いで、図４（ｂ）に示すように、弾性膜５０上に絶縁膜５５を形成する。この絶縁膜５５の材質としては、所定の強度を有し、且つ引張り応力を有する膜となる材料、例えば、二酸化ジルコニウムが好適に用いられる。
【００５８】
本実施形態の絶縁膜５５では、弾性膜５０上にジルコニウム層をスパッタリングで形成後、約９００℃の拡散炉で熱酸化処理することにより、引張り応力を有する二酸化ジルコニウムからなる絶縁膜５５を形成した。
【００５９】
次に、図４（ｃ）に示すように、スパッタリング法で下電極膜６０を絶縁膜５５の全面に形成後、下電極膜６０をパターニングして全体パターンを形成する。下電極膜６０の材料としては、白金（Ｐｔ）が好適である。これは、スパッタリング法やゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体層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６０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、圧電体層７０としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化が少ないことが望ましく、これらの理由から白金が好適である。
【００６０】
次に、図４（ｄ）に示すように、圧電体層７０を成膜する。この圧電体層７０は、結晶が配向していることが好ましい。例えば、本実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・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層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成することにより、結晶が配向している圧電体層７０とした。圧電体層７０の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛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。なお、この圧電体層７０の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリング法で形成してもよい。
【００６１】
さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング法等によりチタン酸ジルコン酸鉛の前駆体膜を形成後、アルカリ水溶液中での高圧処理法にて低温で結晶成長させる方法を用いてもよい。
【００６２】
何れにしても、このように成膜された圧電体層７０は、バルクの圧電体とは異なり結晶が優先配向しており、且つ本実施形態では、圧電体層７０は、結晶が柱状に形成されている。なお、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。また、結晶が柱状の薄膜とは、略円柱体の結晶が中心軸を厚さ方向に略一致させた状態で面方向に亘って集合して薄膜を形成している状態をいう。勿論、優先配向した粒状の結晶で形成された薄膜であってもよい。なお、このように薄膜工程で製造された圧電体層の厚さは、一般的に０．２〜５μｍである。
【００６３】
次に、図５（ａ）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、アルミニウム、金、ニッケル、白金、イリジウム等の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態では、イリジウムをスパッタリングにより成膜している。
【００６４】
次に、図５（ｂ）に示すように、圧電体層７０及び上電極膜８０のみをエッチングして圧電素子３００のパターニングを行う。
【００６５】
次に、図５（ｃ）に示すように、リード電極９０を形成する。具体的には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０を流路形成基板１０の全面に亘って形成すると共に、各圧電素子３００毎にパターニングする。
【００６６】
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、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、図５（ｄ）に示すように、圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４等を形成する。
【００６７】
なお、実際には、上述した一連の膜形成及び異方性エッチングによって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。そして、分割した流路形成基板１０に、リザーバ形成基板３０及びコンプライアンス基板４０を順次接着して一体化することによってインクジェット式記録ヘッドとする。
【００６８】
（実施形態２）
図６は、実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの要部断面図である。
【００６９】
本実施形態では、図６に示すように、圧力発生室１２形成後、弾性膜５０で形成される下面側も含めて圧力発生室１２の内面に保護膜１１０を形成し、弾性膜５０、絶縁膜５５及び下電極膜６０に加えてこの保護膜１１０で振動板を構成するようにした以外は、実施形態１と同様である。
【００７０】
この保護膜１１０は、圧力発生室１２のインクによる腐食の防止や、気泡の発生を抑えるためのものであり、例えば、本実施形態では、弾性膜５０と同様に二酸化シリコンで形成されている。したがって、この保護膜１１０は、弾性膜５０と同様に圧縮応力を有する。そして、本実施形態では、弾性膜５０及び保護膜１１０の膜厚を調整することにより、これら弾性膜５０及び保護膜１１０の張力の和と、絶縁膜５５及び下電極膜６０の張力の和との差が、弾性膜５０及び保護膜１１０の張力の和の２割以下となるようにした。
【００７１】
なお、この保護膜１１０の形成方法としては、圧電素子３００等に悪影響を及ぼさない程度の比較的低温で形成できる方法であればよく、例えば、ＴＥＯＳ（テトラエチルオルトシリケート）を用いたＣＶＤ法を用いることができる。
【００７２】
このような構成においても、勿論、実施形態１と同様に、振動板の張力に起因するクロストークを防止することができ、駆動する圧電素子３００の数に拘わらず、常に均一なインク吐出特性を得ることができる。
【００７３】
なお、本実施形態では、保護膜１１０が圧縮応力を有するようにしたが、勿論、引張り応力を有するようにしてもよい。この場合には、引張り膜である絶縁膜５５及び下電極膜６０の膜厚を調整すればよい。何れにしても、圧縮膜の張力と、引張り膜の張力との差が、圧縮膜又は引張り膜の張力の何れか大きい方の２割以下となるように、それぞれの膜厚を適宜決定すればよい。
【００７４】
（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。
【００７５】
例えば、上述した実施形態では、下電極膜６０が振動板の一部を構成するようにしたが、これに限定されず、下電極膜６０は、圧電素子３００毎にパターニングされていてもよい。この場合、弾性膜５０及び絶縁膜５５、或いは弾性膜５０、絶縁膜５５及び保護膜１１０が振動板として作用することになる。
【００７６】
また、上述した実施形態では、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示にしたが、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層を形成するもの等、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。
【００７７】
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。
【００７８】
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７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。
【００７９】
図７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。
【００８０】
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。
【００８１】
また、上述の実施形態では、液体噴射ヘッドとして、印刷媒体に所定の画像や文字を印刷するインクジェット式記録ヘッドを一例として説明したが、勿論、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、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噴射ヘッド、バイオチップの製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等、他の液体噴射ヘッドにも適用することができる。そして、色材噴射ヘッドではＲＧＢ（Red, Green, Blue）の色材を溶かした液体、電極材噴射ヘッドでは電極材を溶かした液体、生体有機物噴射ヘッドでは有機物を溶かした液体を、上記のインクに替えてそれぞれ用いる。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、振動板が圧縮応力を有する圧縮膜と、引張り応力を有する引張り膜とを有し、圧縮膜の張力と引張り膜の張力との差が、圧縮膜又は引張り膜の張力の何れか大きい方の２割以下であるようにしたので、多数の圧電素子を同時に駆動しても振動板の張力に起因するクロストークの発生を防止できる。したがって、駆動する圧電素子の数に拘わらず、圧電素子の駆動による振動板の変位量がほぼ一定となり、常に均一な特性で液体を吐出することができるという効果を奏する。
【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に係るインクジェット式記録ヘッドを構成する振動板の応力状態を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態１の薄膜製造工程を示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態１の薄膜製造工程を示す断面図である。
【図６】本発明の実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドを構成する振動板の応力状態を示す断面図である。
【図７】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隔壁
１２圧力発生室
５０弾性膜
５５絶縁膜
６０下電極膜
７０圧電体層
８０上電極膜
９０リード電極
１００リザーバ
１１０保護膜
３００圧電素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid ejecting head and a liquid ejecting apparatus that eject a liquid to be ejected, and in particular, pressurizes ink supplied to a pressure generating chamber that communicates with a nozzle opening that ejects ink droplets via a piezoelectric element or a heating element. The present invention relates to an ink jet recording head and an ink jet recording apparatus that eject ink droplets from nozzle openings.
[0002]
[Prior art]
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, one using a piezoelectric actuator in a longitudinal vibration mode in which a piezoelectric element extends and contracts in the axial direction and one using a piezoelectric element in a flexural vibration mode.
[0003]
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.
[0004]
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.
[0005]
On the other hand, in order to eliminate the inconvenience of the latter recording head, a uniform piezoelectric material layer is formed by a film forming technique over the entire surface of the diaphragm as seen in Japanese Patent Laid-Open No. 5-286131. A material in which a piezoelectric layer is formed so that a material layer is cut into a shape corresponding to a pressure generation chamber by a lithography method and is independent for each pressure generation chamber has been proposed.
[0006]
This eliminates the need to affix the piezoelectric element to the diaphragm, so that not only can the piezoelectric element be created by a precise and simple technique called lithography, but also the thickness of the piezoelectric element can be reduced. There is an advantage that high-speed driving is possible.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the ink jet recording head in which the nozzle openings are arranged at high density in this way, the rigidity of the partition walls that partition each pressure generating chamber is reduced, so that the partition walls are easily affected by the tension of the diaphragm. There is a problem that crosstalk due to the tension of the plate occurs.
[0008]
That is, there is a problem that the amount of displacement of the diaphragm in the region facing each pressure generating chamber changes depending on the number of piezoelectric elements to be driven, and the ink ejection characteristics are not stable.
[0009]
Such a problem exists not only in an ink jet recording head that ejects ink, but also in other liquid ejecting heads that eject liquid other than ink.
[0010]
In view of such circumstances, it is an object of the present invention to provide a liquid ejecting head and a liquid ejecting apparatus that can eject liquid with uniform characteristics by preventing crosstalk caused by tension of a diaphragm.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention for solving the above-described problem, a flow path forming substrate in which a pressure generation chamber communicating with a nozzle opening is defined, and a flow path forming substrate is provided on one surface via a diaphragm, and In a liquid ejecting head including at least a lower electrode, a piezoelectric layer, and a piezoelectric element having an upper electrode, the vibration plate is provided on the flow path forming substrate and has an elastic film having compressive stress, and the elastic film on the elastic film. An insulating film having a tensile stress provided, the lower electrode is provided to cover a region facing the plurality of pressure generating chambers, and the lower electrode has a tensile stress and constitutes a part of the diaphragm, A protective film for protecting the inner surface of the pressure generating chamber is provided on the inner surface of the pressure generating chamber, the protective film has a compressive stress and constitutes a part of the diaphragm, and the tension of the elastic film and the protective film And the insulating film and the bottom The difference between the sum of the poles of the tension, a liquid-jet head, wherein the or less elastic membrane and 20% of the sum of the tension of the protective film.
[0012]
In the first aspect, the resultant force of each layer constituting the diaphragm can be kept relatively small, and crosstalk due to the tension of the diaphragm can be prevented. Therefore, the first aspect is always uniform regardless of the number of driven piezoelectric elements. Ink ejection characteristics can be obtained. In addition, the provision of the protective film can prevent corrosion of the flow path forming substrate and the like due to ink, and the number of layers constituting the diaphragm increases, so that the tension of the diaphragm can be more easily adjusted.
[0013]
According to a second aspect of the invention, there is provided the liquid jet head according to the first aspect, wherein the elastic film is made of silicon dioxide.
[0014]
In the second aspect, an elastic film having a compressive stress can be reliably formed by using a predetermined material.
[0015]
According to a third aspect of the present invention, in the liquid jet head according to the first or second aspect, the insulating film is made of zirconium dioxide.
[0016]
In the third aspect, an insulating film having a tensile stress can be reliably formed by using a predetermined material.
[0027]
According to a fourth aspect of the present invention, the pressure generation chamber is formed on a silicon single crystal substrate by anisotropic etching, and each layer of the piezoelectric element is formed by film formation and lithography. The liquid jet head according to any one of the first to third aspects.
[0028]
In the fourth aspect, a large number of liquid jet heads having high-density nozzle openings can be manufactured relatively easily.
[0029]
A fifth aspect of the present invention is a liquid ejecting apparatus including the liquid ejecting head according to any one of the first to fourth aspects.
[0030]
In the fifth aspect, a liquid ejecting apparatus with improved print quality can be realized.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
[0032]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded 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 sectional view thereof.
[0033]
As shown in the figure, the flow path forming substrate 10 is made of a silicon single crystal substrate having a plane orientation (110) in this embodiment, and an elastic film 50 made of silicon dioxide previously formed by thermal oxidation is formed on one surface thereof. ing.
[0034]
The flow path forming substrate 10 is formed with a pressure generating chamber 12 partitioned by a plurality of partition walls 11 by anisotropic etching from the other side. In addition, the pressure generation chambers 12 of each row communicate with the reservoir section 31 provided on the reservoir formation substrate 30 (described later) through a communication hole 51 on the outer side in the longitudinal direction, thereby forming a common ink chamber for the pressure generation chambers 12. A communication portion 13 constituting the reservoir 100 is formed. The communication portion 13 is in communication with one end portion in the longitudinal direction of each pressure generating chamber 12 through the ink supply path 14.
[0035]
Here, the anisotropic etching is performed by utilizing the difference in etching rate of the silicon single crystal substrate. For example, in this embodiment, when a 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) plane. And a second (111) plane that forms an angle of about 70 degrees with the (110) plane and an angle of about 35 degrees appears, and the (111) plane is compared with the etching rate of the (110) plane. This is performed using the property that 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.
[0036]
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 generation chamber 12 is formed by etching until it substantially passes through the flow path forming substrate 10 and reaches the elastic film 50. Here, the amount of the elastic film 50 that is affected by the alkaline solution for etching the silicon single crystal substrate is extremely small. In addition, each ink supply path 14 communicating with one end of each pressure generation chamber 12 is formed shallower than the pressure generation chamber 12, and the flow path resistance of the ink flowing into the pressure generation chamber 12 is kept constant. That is, the ink supply path 14 is formed by etching the silicon single crystal substrate halfway in the thickness direction (half etching). Half etching is performed by adjusting the etching time.
[0037]
The thickness of the flow path forming substrate 10 may be selected as the optimum thickness according to the arrangement density of the pressure generating chambers 12, and the arrangement density of the pressure generating chambers 12 is, for example, 180 per inch ( If it is about 180 dpi), the thickness of the flow path forming substrate 10 may be about 220 μm. However, for example, when arranged at a relatively high density of 200 dpi or more, the thickness of the flow path forming substrate 10 is It is preferable to make it relatively thin as 100 μm or less. This is because the arrangement density can be increased while maintaining the rigidity of the partition wall 11 between the adjacent pressure generation chambers 12.
[0038]
Further, a nozzle plate 20 having a nozzle opening 21 communicating with the side opposite to the ink supply path 14 of each pressure generating chamber 12 on the opening surface side of the flow path forming substrate 10 is an adhesive, a heat-welded film, or the like. It is fixed through. The nozzle plate 20 has a thickness of, for example, 0.05 to 1 mm, a linear expansion coefficient of 300 ° C. or lower, for example, 2.5 to 4.5 [× 10 ⁻⁶ / ° C.], or Made of non-rust steel. The nozzle plate 20 entirely covers one surface of the flow path forming substrate 10 on one surface, and also serves as a reinforcing plate that protects the silicon single crystal substrate from impact and external force. Further, the nozzle plate 20 may be formed of a material having substantially the same thermal expansion coefficient as that of the flow path forming substrate 10. In this case, since the deformation by heat of the flow path forming substrate 10 and the nozzle plate 20 becomes substantially the same, it is possible to easily join using a thermosetting adhesive or the like.
[0039]
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 21 that discharges the ink droplet are optimized according to the amount of ink droplet to be discharged, the discharge speed, and the discharge frequency. The For example, when recording 360 ink droplets per inch, the nozzle opening 21 needs to be accurately formed with a diameter of several tens of μm.
[0040]
On the other hand, as described above, the elastic film 50 having a thickness of, for example, 0.5 μm is provided on the surface of the flow path forming substrate 10 opposite to the opening surface. For example, an insulating film 55 of about 0.4 μm is provided. Further, on the insulating film 55, a lower electrode film 60 having a thickness of, for example, about 0.2 μm, a piezoelectric layer 70 having a thickness of, for example, about 0.5 to 5 μm, and a thickness of, for example, about The upper electrode film 80 having a thickness of 0.1 μm is laminated by a process described later to constitute the piezoelectric element 300. Here, the piezoelectric element 300 refers to a portion including the lower electrode film 60, the piezoelectric layer 70, and the upper electrode film 80. In general, one electrode of the piezoelectric element 300 is used as a common electrode, and the other electrode and the piezoelectric layer 70 are patterned for each pressure generating chamber 12. In addition, here, a portion that is configured by any one of the patterned electrodes and the piezoelectric layer 70 and in which piezoelectric distortion is generated by applying a voltage to both electrodes is referred to as a piezoelectric active portion. In this embodiment, the lower electrode film 60 is a common electrode of the piezoelectric element 300, and the upper electrode film 80 is an individual electrode of the piezoelectric element 300. However, there is no problem even if this is reversed for the convenience of the drive circuit and wiring. In either case, a piezoelectric active part is formed for each pressure generating chamber. Further, here, the piezoelectric element 300 and the vibration plate that is displaced by driving the piezoelectric element 300 are collectively referred to as a piezoelectric actuator.
[0041]
A lead electrode 90 made of, for example, gold (Au) or the like is connected to the vicinity of one end in the longitudinal direction of the upper electrode film 80 of the piezoelectric element 300, and this lead electrode 90 is near the end of the flow path forming substrate 10. Has been pulled out. Although not shown, the vicinity of the end portion of the lead electrode 90 is connected to a driving IC for driving the piezoelectric element 300 by wire bonding.
[0042]
Here, in the present invention, the diaphragm that is displaced by the driving of the piezoelectric element 300 includes a compression film having a compression stress and a tension film having a tensile stress, and the tension of the compression film and the tension of the tension film. Is less than 20% of the larger of the tension of the compression film or the tension film. Here, the tension is a value obtained by multiplying the internal stress of each film by the film thickness.
[0043]
For example, in the present embodiment, as shown in FIG. 3, the lower electrode film 60 constituting the piezoelectric element 300 is continuously provided over a region facing the plurality of pressure generation chambers 12, so that the elastic film 50, the insulating film 55, and the lower electrode film 60 function as a diaphragm. Among these, the elastic film 50 has a compressive stress, and the insulating film 55 and the lower electrode film 60 have a tensile stress. Since the tension of the diaphragm in the region where the pressure generating chamber 12 is formed is released, the compressive stress of the elastic film 50 pulls the diaphragm to the outside of the pressure generating chamber 12 as shown in FIG. The tensile stress of the insulating film 55 and the lower electrode film 60 becomes a force in the direction of compressing the diaphragm.
[0044]
In this embodiment, the elastic film 50, which is a compression film, is made of, for example, silicon dioxide and has a thickness of about 0.5 μm, so that the tension is about 110 N / m. On the other hand, the insulating film 55 which is a tensile film is made of, for example, zirconium dioxide and has a thickness of about 0.4 μm, and the lower electrode film 60 is made of, for example, platinum and has a thickness of about 0.2 μm. Is about 100 N / m. Therefore, the difference between the tension of the elastic film 50 and the sum of the tensions of the insulating film 55 and the lower electrode film 60 is about 10 N / m, and in this embodiment, whichever is larger, the tension of the compression film or the tension film, It is 20% or less of the tension of the elastic film 50. The difference between the tension of the elastic film 50 and the sum of the tensions of the insulating film 55 and the lower electrode film 60 is preferably as small as possible, and is preferably zero.
[0045]
As described above, in this embodiment, the difference between the tension of the compression film (elastic film 50) constituting the diaphragm and the tension of the tension film (insulating film 55 and lower electrode film 60) is relatively small. The deflection amount (initial deflection amount) of the diaphragm in the state where 300 is not driven is suppressed to be extremely small. If the difference between the tension of the elastic film 50 and the sum of the tensions of the insulating film 55 and the lower electrode film 60 is zero, the initial deflection of the diaphragm is substantially eliminated.
[0046]
Thereby, it is possible to prevent the displacement amount of the diaphragm from changing between when one piezoelectric element 300 is driven and when a plurality of piezoelectric elements 300 are driven simultaneously. That is, since the partition wall 11 is not deformed by the tension of the diaphragm, even if the plurality of piezoelectric elements 300 are driven at the same time, the partition wall 11 is not changed, and crosstalk caused by the tension of the diaphragm is generated. Can be suppressed. Therefore, regardless of the number of piezoelectric elements 300 to be driven, the displacement amount of the diaphragm is constant, and uniform ink ejection characteristics can always be obtained.
[0047]
Note that the tensions of the elastic film 50, the insulating film 55, and the lower electrode film 60 can be adjusted by the respective film thicknesses, and each film thickness may be determined in consideration of the tension balance of the entire diaphragm.
[0048]
The stress state of the diaphragm, that is, the degree of compressive stress or tensile stress of the entire diaphragm can be determined by observing a cross section of the diaphragm with an electron microscope or the like, for example. The determination can also be made by removing the piezoelectric element 300 and observing the bending state of the diaphragm.
[0049]
A reservoir having a reservoir portion 31 constituting at least a part of the reservoir 100 serving as a common ink chamber of each pressure generating chamber 12 is provided on such a diaphragm, that is, on the piezoelectric element 300 side of the flow path forming substrate 10. The formation substrate 30 is bonded. In this embodiment, the reservoir portion 31 is formed through the reservoir forming substrate 30 in the thickness direction and across the width direction of the pressure generating chamber 12, and a through hole 51 provided through the diaphragm. The reservoir 100 is configured to communicate with the communication portion 13 of the flow path forming substrate 10 through the first and second pressure generation chambers 12 and serve as a common ink chamber.
[0050]
As the reservoir forming substrate 30, it is preferable to use a material substantially the same as the coefficient of thermal expansion of the flow path forming substrate 10, for example, glass, ceramic material, etc. In this embodiment, the same material as the flow path forming substrate 10 is used. It was formed using a silicon single crystal substrate.
[0051]
Further, in a region facing the piezoelectric element 300 of the reservoir forming substrate 30, a piezoelectric element holding portion 32 capable of sealing the space is provided in a state where a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 300 is secured. The element 300 is sealed in the piezoelectric element holding portion 32.
[0052]
Further, a compliance substrate 40 including a sealing film 41 and a fixing plate 42 is bonded onto the reservoir forming substrate 30. Here, the sealing film 41 is made of a material having low rigidity and flexibility (for example, a polyphenylene sulfide (PPS) film having a thickness of 6 μm), and the sealing film 41 seals one surface of the reservoir portion 31. It has been stopped. The fixing plate 42 is made of a hard material such as metal (for example, stainless steel (SUS) having a thickness of 30 μm). Since the region of the fixing plate 42 facing the reservoir 100 is an opening 43 that is completely removed in the thickness direction, one surface of the reservoir 100 is sealed only with a flexible sealing film 41. Has been.
[0053]
Although not shown, the reservoir forming substrate 30 and the compliance substrate 40 are formed with ink introduction ports that allow the reservoir 100 to communicate with the outside, and ink is supplied into the reservoir 100 from the ink introduction ports.
[0054]
The ink jet recording head according to this embodiment takes in ink from an external ink supply unit (not shown) through an ink introduction port, fills the interior from the reservoir 100 to the nozzle opening 21, and then A voltage is applied between the lower electrode film 60 and the upper electrode film 80 corresponding to the pressure generation chamber 12 in accordance with a recording signal from the driving IC that does not, and the elastic film 50, the insulating film 55, the lower electrode film 60, and the piezoelectric film. By flexing and deforming the body layer 70, the pressure in each pressure generating chamber 12 increases and ink droplets are ejected from the nozzle openings 21.
[0055]
Hereinafter, the manufacturing process of the ink jet recording head of the present embodiment, particularly the process of forming each layer constituting the diaphragm and the piezoelectric element 300 will be described with reference to FIGS.
[0056]
First, as shown in FIG. 4A, 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. to form an elastic film 50 made of silicon dioxide and having a compressive stress. To do.
[0057]
Next, as shown in FIG. 4B, an insulating film 55 is formed on the elastic film 50. As a material of the insulating film 55, a material having a predetermined strength and a film having a tensile stress, for example, zirconium dioxide is preferably used.
[0058]
In the insulating film 55 of this embodiment, after forming a zirconium layer on the elastic film 50 by sputtering, the insulating film 55 made of zirconium dioxide having tensile stress was formed by thermal oxidation treatment in a diffusion furnace at about 900 ° C. .
[0059]
Next, as shown in FIG. 4C, after the lower electrode film 60 is formed on the entire surface of the insulating film 55 by sputtering, the lower electrode film 60 is patterned to form an entire pattern. As a material of the lower electrode film 60, platinum (Pt) is suitable. This is because a piezoelectric layer 70 described later formed by sputtering or 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. Because. That is, the material of the lower electrode film 60 must be able to maintain conductivity at such a high temperature and in an oxidizing atmosphere, particularly when lead zirconate titanate (PZT) is used as the piezoelectric layer 70. It is desirable that the change in conductivity due to diffusion of lead oxide is small, and platinum is preferable for these reasons.
[0060]
Next, as shown in FIG. 4D, the piezoelectric layer 70 is formed. The piezoelectric layer 70 preferably has crystals oriented. For example, in the present embodiment, a so-called sol-gel method is obtained in which a so-called sol in which a metal organic material is dissolved and dispersed in a catalyst is applied and dried to be gelled, and further baked at a high temperature to obtain a piezoelectric layer 70 made of metal oxide Thus, the piezoelectric layer 70 in which the crystals are oriented is obtained. As a material of the piezoelectric layer 70, a lead zirconate titanate-based material is suitable when used for an ink jet recording head. In addition, the film-forming method of this piezoelectric material layer 70 is not specifically limited, For example, you may form by sputtering method.
[0061]
Furthermore, after forming a lead zirconate titanate precursor film by a sol-gel method or a sputtering method, a method of crystal growth at a low temperature by a high-pressure treatment method in an alkaline aqueous solution may be used.
[0062]
In any case, the piezoelectric layer 70 thus formed has crystals preferentially oriented unlike a bulk piezoelectric body, and in this embodiment, the piezoelectric layer 70 is formed in a columnar shape. Has been. Note that the preferential orientation refers to a state in which the orientation direction of the crystal is not disordered and a specific crystal plane is oriented in a substantially constant direction. The columnar thin film is a state in which substantially cylindrical crystals are aggregated over the surface direction in a state where the central axis substantially coincides with the thickness direction to form a thin film. Of course, it may be a thin film formed of preferentially oriented granular crystals. Note that the thickness of the piezoelectric layer manufactured in this way in the thin film process is generally 0.2 to 5 μm.
[0063]
Next, as shown in FIG. 5A, 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 aluminum, gold, nickel, platinum, iridium, and conductive oxides can be used. In this embodiment, iridium is formed by sputtering.
[0064]
Next, as shown in FIG. 5B, the piezoelectric element 300 is patterned by etching only the piezoelectric layer 70 and the upper electrode film 80.
[0065]
Next, as shown in FIG. 5C, lead electrodes 90 are formed. Specifically, for example, a lead electrode 90 made of gold (Au) or the like is formed over the entire surface of the flow path forming substrate 10 and patterned for each piezoelectric element 300.
[0066]
The above is the film forming process. After forming the film in this manner, the anisotropic etching of the silicon single crystal substrate with the alkali solution described above is performed, and as shown in FIG. 5D, the pressure generating chamber 12, the communication portion 13, and the ink supply path 14 etc. are formed.
[0067]
In practice, a large number of chips are simultaneously formed on a single wafer by the above-described series of film formation and anisotropic etching, and after the process is completed, a single chip-sized flow path is formed as shown in FIG. Divide each substrate 10. Then, the reservoir forming substrate 30 and the compliance substrate 40 are sequentially bonded and integrated with the divided flow path forming substrate 10 to form an ink jet recording head.
[0068]
(Embodiment 2)
FIG. 6 is a cross-sectional view of a main part of the ink jet recording head according to the second embodiment.
[0069]
In the present embodiment, as shown in FIG. 6, after the pressure generation chamber 12 is formed, the protective film 110 is formed on the inner surface of the pressure generation chamber 12 including the lower surface side formed by the elastic film 50, and the elastic film 50 is insulated. This embodiment is the same as the first embodiment except that the diaphragm is constituted by the protective film 110 in addition to the film 55 and the lower electrode film 60.
[0070]
This protective film 110 is for preventing corrosion by the ink in the pressure generating chamber 12 and suppressing the generation of bubbles. For example, in the present embodiment, the protective film 110 is formed of silicon dioxide like the elastic film 50. Therefore, the protective film 110 has a compressive stress like the elastic film 50. In this embodiment, by adjusting the film thickness of the elastic film 50 and the protective film 110, the sum of the tensions of the elastic film 50 and the protective film 110 and the sum of the tensions of the insulating film 55 and the lower electrode film 60 are obtained. Of the elastic film 50 and the protective film 110 is set to be 20% or less of the total tension.
[0071]
The protective film 110 may be formed by any method that can be formed at a relatively low temperature that does not adversely affect the piezoelectric element 300 and the like. For example, a CVD method using TEOS (tetraethyl orthosilicate) is used. be able to.
[0072]
Even in such a configuration, of course, as in the first embodiment, it is possible to prevent crosstalk due to the tension of the diaphragm, and the ink ejection characteristics are always uniform regardless of the number of piezoelectric elements 300 to be driven. Obtainable.
[0073]
In the present embodiment, the protective film 110 has a compressive stress, but may of course have a tensile stress. In this case, the film thicknesses of the insulating film 55 and the lower electrode film 60 that are tensile films may be adjusted. In any case, if the respective film thicknesses are appropriately determined so that the difference between the tension of the compression film and the tension of the tension film is 20% or less of the larger of the tension of the compression film or the tension film. Good.
[0074]
(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.
[0075]
For example, in the above-described embodiment, the lower electrode film 60 constitutes a part of the diaphragm. However, the present invention is not limited to this, and the lower electrode film 60 may be patterned for each piezoelectric element 300. In this case, the elastic film 50 and the insulating film 55 or the elastic film 50, the insulating film 55, and the protective film 110 act as a vibration plate.
[0076]
Further, in the above-described embodiment, the thin film type ink jet recording head that can be manufactured by applying the film forming and lithography processes is exemplified. However, the present invention is not limited to this. For example, the substrate is laminated. The present invention can be applied to ink jet recording heads of various structures, such as those that form a pressure generating chamber, or those that form a piezoelectric layer by attaching a green sheet or screen printing.
[0077]
As described above, the present invention can be applied to ink jet recording heads having various structures as long as the gist of the invention is not contradicted.
[0078]
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. 7 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.
[0079]
As shown in FIG. 7, 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, are configured to eject a black ink composition and a color ink composition, respectively.
[0080]
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 shaft 5, and a recording sheet S, which is a recording medium such as paper fed by a paper feed roller (not shown), is conveyed on the platen 8. It is like that.
[0081]
In the above-described embodiment, an example of an ink jet recording head that prints a predetermined image or character on a print medium has been described as an example of a liquid ejecting head. However, the present invention is not limited to this, For example, color material ejection heads used in the production of color filters such as liquid crystal displays, organic EL displays, electrode material ejection heads used in forming electrodes such as FEDs (surface emitting displays), and bio-organic matter ejections used in the production of biochips The present invention can also be applied to other liquid jet heads such as a head. In the color material ejecting head, a liquid in which RGB (Red, Green, Blue) color materials are dissolved, in an electrode material ejecting head, a liquid in which an electrode material is dissolved, and in a biological organic matter ejecting head, a liquid in which an organic substance is dissolved is used. Use each instead.
[0082]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the diaphragm has a compression film having a compressive stress and a tensile film having a tensile stress, and the difference between the tension of the compression film and the tension of the tension film is the compression film or the tension film. Therefore, even if a large number of piezoelectric elements are driven simultaneously, the occurrence of crosstalk due to the tension of the diaphragm can be prevented. Therefore, regardless of the number of piezoelectric elements to be driven, the amount of displacement of the diaphragm due to the driving of the piezoelectric elements is substantially constant, and there is an effect that liquid can be ejected with uniform characteristics at all times.
[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 cross-sectional view showing a stress state of a diaphragm constituting the ink jet recording head according to the first embodiment of the invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a thin film manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a thin film manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a stress state of a diaphragm included in an ink jet recording head according to a second embodiment of the invention.
FIG. 7 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 Partition 12 Pressure generating chamber 50 Elastic film 55 Insulating film 60 Lower electrode film 70 Piezoelectric layer 80 Upper electrode film 90 Lead electrode 100 Reservoir 110 Protective film 300 Piezoelectric element

Claims

A flow path forming substrate in which a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening is defined, and a piezoelectric element that is provided on one surface of the flow path forming substrate via a vibration plate and has at least a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode In a liquid jet head comprising:
The diaphragm includes an elastic film provided on the flow path forming substrate and having a compressive stress; and an insulating film provided on the elastic film and having a tensile stress;
The lower electrode is provided so as to cover a region facing the plurality of pressure generating chambers, and the lower electrode has a tensile stress and constitutes a part of the diaphragm,
A protective film for protecting the inner surface of the pressure generating chamber is provided on the inner surface of the pressure generating chamber, and the protective film has a compressive stress and constitutes a part of the diaphragm,
The difference between the sum of tensions of the elastic film and the protective film and the sum of tensions of the insulating film and the lower electrode is 20% or less of the sum of tensions of the elastic film and the protective film. Liquid jet head.

The liquid ejecting head according to claim 1, wherein the elastic film is made of silicon dioxide.

The liquid ejecting head according to claim 1, wherein the insulating film is made of zirconium dioxide.

The pressure generation chamber is formed on a silicon single crystal substrate by anisotropic etching, and each layer of the piezoelectric element is formed by film formation and lithography. The liquid ejecting head described.

A liquid ejecting apparatus comprising the liquid ejecting head according to claim 1.