JP3633811B2

JP3633811B2 - Inkjet recording head and inkjet recording apparatus

Info

Publication number: JP3633811B2
Application number: JP1415099A
Authority: JP
Inventors: 哲司高橋
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-01-23
Filing date: 1999-01-22
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2019-01-22
Also published as: JPH11268273A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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。
【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。
【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。なお、この場合、圧電材料層は振動板の表面全体に設けたままで少なくとも上電極のみを各圧力発生室毎に設けることにより、各圧力発生室に対応する圧電素子を駆動することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したようなインクジェット式記録ヘッドにおいては、圧電素子の駆動による振動板の変位効率を向上するために、圧電素子の両側に対応する部分の振動板を薄くする構造が提案されている。しかしながら、このように変位を大きくとるようにすると、特に、圧力発生室の長手方向両端部近傍において、圧電素子に割れが発生したり、または剥がれが発生したりするという問題がある。
【０００８】
また、圧電素子を各圧力発生室に対応して設けた場合、一般には、各圧力発生室に対応する圧電素子を絶縁体層で覆い、この絶縁体層に各圧電素子を駆動するための電圧を供給するリード電極との接続部を形成するための窓（以下、コンタクトホールという）を各圧力発生室に対応して設け、各圧電素子とリード電極との接続部がコンタクトホール内に形成するようにするが、この場合、コンタクトホール近傍に応力が集中して、破壊等が生じやすいという問題がある。
【０００９】
これらの問題は、特に、圧電材料層を薄膜技術で形成した場合に問題となる。すなわち、薄膜技術で形成した圧電材料層は非常に薄いため、圧電素子を貼付したものに比較して剛性が低いためである。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑み、圧電体能動部の端部の剥がれおよび割れ等、またコンタクト部近傍での割れ等を防止することができ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】
前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する振動板を介して下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子を備え且つ前記圧力発生室に対向する領域に前記圧電素子を構成する前記圧電体層の実質的な駆動部となる圧電体能動部を具備するインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧電体能動部の幅方向両側で前記圧力発生室の縁部に沿った腕部の一部に、前記腕部の膜厚が徐々に変化することにより前記振動板の振動を規制する振動規制部を有す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１の態様では、膜厚が漸大する振動規制部により、この振動規制部に近いほど腕部の変位が規制され、当該振動規制部近傍での破壊が防止される。
【００１３】
本発明の第２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する振動板を介して下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子を備え且つ前記圧力発生室に対向する領域に前記圧電素子を構成する前記圧電体層の実質的な駆動部となる圧電体能動部を具備するインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧電体能動部の幅方向両側で前記圧力発生室の縁部に沿った腕部の一部に、前記腕部の幅が徐々に変化することにより前記振動板の振動を規制する振動規制部を有す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。
【００１４】
かかる第２の態様では、幅が漸小する振動規制部により、この振動規制部に近いほど腕部の変位が規制され、当該振動規制部近傍での破壊が防止される。
【００１５】
本発明の第３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する振動板を介して下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子を備え且つ前記圧力発生室に対向する領域に前記圧電素子を構成する前記圧電体層の実質的な駆動部となる圧電体能動部を具備するインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧電体能動部の幅方向両側で前記圧力発生室の縁部に沿った腕部の一部に、前記腕部の膜厚が徐々に変化すると共に幅が徐々に変化することにより前記振動板の振動を規制する振動規制部を有す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。
【００１６】
かかる第３の態様では、膜厚が漸大すると共に幅が漸小する振動規制部により圧力発生室の端部ほど腕部の変位が規制され、当該圧力発生室の端部近傍での破壊が防止される。
【００１７】
本発明の第４の態様は、第２又は３の態様において、前記振動規制部の幅は、前記圧電体能動部の幅方向端部から、当該圧電体能動部に隣接する圧電体能動部の間に設けられ且つ当該腕部より膜厚が大きい厚膜部までの距離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。
【００１８】
かかる第４の態様では、圧電体能動部と厚膜部との幅を変化させることにより振動規制部の幅を変化させることができる。
【００１９】
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記圧電体能動部が前記圧力発生室に対向する領域と当該圧力発生室の周壁に対向する領域との境界を横切る連結部を有し、前記振動規制部は、前記圧力発生室の少なくとも前記連結部近傍の端部に設けられてい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。
【００２０】
かかる第５の態様では、振動規制部により、連結部近傍の変位が規制され、連結部近傍での破壊が防止される。
【００２１】
本発明の第６の態様は、第５の態様において、前記連結部が前記圧力発生室の長手方向端部に設けられてい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。
【００２２】
かかる第６の態様では、振動規制部により、圧力発生室の長手方向端部近傍の破壊が防止される。
【００２３】
本発明の第７の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記圧電体能動部が前記圧力発生室に対向する領域内に設けられ且つ当該前記圧力発生室に対向する領域内に当該圧電体能動部へ電圧を印加するための導電体膜と当該圧電体能動部との接続部となるコンタクト部を有し、前記振動規制部は、前記圧力発生室の少なくとも前記コンタクト部近傍に設けられてい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。
【００２４】
かかる第７の態様では、振動規制部により、コンタクト部近傍の破壊が防止される。
【００２５】
本発明の第８の態様は、第７の態様において、前記コンタクト部は、前記圧力発生室の長手方向端部近傍に設けられてい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。
【００２６】
かかる第８の態様では、振動規制部により、圧力発生室のコンタクト部近傍の端部の破壊が防止される。
【００２７】
本発明の第９の態様は、第７又は８の態様において、前記圧電体能動部の上面には絶縁体層が形成され、前記コンタクト部は当該絶縁体層に形成されたコンタクトホール内に形成されてい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。
【００２８】
かかる第９の態様では、振動規制部により、コンタクトホール近傍での破壊が防止される。
【００２９】
本発明の第１０の態様は、第１〜９の何れかの態様において、前記振動板が弾性膜及び当該弾性膜上に設けられた下電極からなり、前記腕部は、本質的に前記弾性膜及び前記下電極からなるが、前記振動規制部においての膜厚の変化は前記圧電体層の膜厚の変化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。
【００３０】
かかる第１０の態様では、圧電体膜の膜厚を漸大させることにより、端部ほど変位が規制される振動規制部が形成される。
【００３１】
本発明の第１１の態様は、第１〜９の何れかの態様において、前記振動板が弾性膜及び当該弾性膜上に設けられた下電極からなり、前記腕部は、本質的に当該弾性膜のみからなるが、前記振動規制部においてはさらに前記下電極を有し且つ当該振動規制部の膜厚の変化は前記下電極の膜厚の変化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。
【００３２】
かかる第１１の態様では、下電極の膜厚を漸大させることにより、端部ほど変位が規制される振動規制部が形成される。
【００３３】
本発明の第１２の態様は、第１〜１１の何れかの態様において、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インクジェット式記録ヘッドにある。
【００３４】
かかる第１２の態様では、高密度のノズル開口を有するインクジェット式記録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。
【００３５】
本発明の第１３の態様は、第１〜１２の何れかの態様のインクジェット式記録ヘッドを具備することを特徴とするインクジェット式記録装置にある。
【００３６】
かかる第１３の態様では、ヘッドの信頼性を向上したインクジェット式記録装置を実現することができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を一実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００３８】
（実施形態１）
図１は、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を示す組立斜視図であり、図２は、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。
【００３９】
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。
【００４０】
流路形成基板１０の一方の面は開口面となり、他方の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１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。
【００４１】
一方、流路形成基板１０の開口面には、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。
【００４２】
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）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。
【００４３】
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。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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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、図３（ａ），（ｂ）に示すように、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のスリット孔２１Ａでも、あるいは複数のスリット孔２１Ｂ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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
一方、流路形成基板１０の開口面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、圧電体膜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膜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膜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３２０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。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。なお、上述した例では、弾性膜５０及び下電極膜６０が振動板として作用するが、下電極膜が弾性膜を兼ねるようにしてもよい。
【００５１】
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。
【００５２】
そして、かかる各上電極膜８０の上面の少なくとも周縁、及び圧電体膜７０の側面を覆うように電気絶縁性を備えた絶縁体層９０が形成されている。絶縁体層９０は、成膜法による形成やまたエッチングによる整形が可能な材料、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、有機材料、好ましくは剛性が低く、且つ電気絶縁性に優れた感光性ポリイミドで形成するのが好ましい。
【００５３】
絶縁体層９０の各上電極膜８０の一端部に対応する部分の上面を覆う部分の一部には後述するリード電極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が形成されている。そして、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が形成されている。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されている。
【００５４】
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４を参照しながら説明する。
【００５５】
図４（ａ）に示すように、まず、流路形成基板１０となるシリコン単結晶基板のウェハを約１１００℃の拡散炉で熱酸化して二酸化シリコンからなる弾性膜５０を形成する。
【００５６】
次に、図４（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。
【００５７】
次に、図４（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。
【００５８】
次に、図４（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。
【００５９】
次に、図５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。
【００６０】
まず、図５（ａ）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。次に、図５（ｂ）に示すように、各圧力発生室１２（図５では圧力発生室１２は形成前であるが、破線で示す）の幅方向両側に対向した領域である圧電体能動部３２０の両側の腕に相当する部分の下電極膜６０を除去することにより、下電極膜除去部３５０を形成する。このように下電極膜除去部３５０を設けることにより、圧電体能動部３２０への電圧印加による変位量の向上を図ることができる。次いで、図５（ｃ）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。
【００６１】
以上説明したように、まず、下電極膜６０の全体のパターンを形成し、次いで、圧電体能動部３２０をパターニングし、最後に下電極膜除去部３５０をパターニングすることによりパターニングが完了する。
【００６２】
以上のように、下電極膜６０等をパターニングした後には、好ましくは、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を形成する（図１参照）。
【００６３】
このような絶縁体層の形成プロセスを図６に示す。
【００６４】
まず、図６（ａ）に示すように、上電極膜８０の周縁部、圧電体膜７０および下電極膜６０の側面を覆うように絶縁体層９０を形成する。この絶縁体層９０の好適な材料は上述した通りであるが、本実施形態ではネガ型の感光性ポリイミドを用いている。
【００６５】
次に、図６（ｂ）に示すように、絶縁体層９０をパターニングすることにより、各圧力発生室１２のインク供給側の端部近傍に対応する部分にコンタクトホール９０ａを形成する。なお、コンタクトホール９０ａは、圧力発生室１２の圧電体能動部３２０に対応する部分に設ければよく、例えば、中央部やノズル側端部に設けてもよい。
【００６６】
次に、例えば、Ｃｒ−Ａｕなどの導電体を全面に成膜した後、パターニングすることにより、リード電極１００を形成する。
【００６７】
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６（ｃ）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。なお、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。
【００６８】
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。
【００６９】
このように形成された圧電体能動部３２０および下電極膜除去部３５０との平面位置関係を図７に示す。
【００７０】
図７（ａ）に示すように、圧電体膜７０および上電極膜８０からなる圧電体能動部３２０は、圧力発生室１２に対向する領域内にその周壁から離れて設けられ、下電極膜除去部３５０は、圧電体能動部３２０の幅方向両側に隣接して設けられている。下電極膜除去部３５０が設けられた部分は、いわゆる腕部と呼ばれている部分であり、圧力発生室１２の幅方向両側に沿った縁部近傍に対向する部分であり、図７（ａ）のＢ−Ｂ’断面である図７（ｂ）に示すように、圧電体能動部３２０の両側の下電極膜６０が除去されている。従って、下電極膜除去部３５０の振動板は弾性膜５０のみからなり、他の領域より相対的に膜厚が薄くなっており、容易に変形するようになっている。勿論、下電極膜除去部３５０は、下電極膜６０の厚さ方向の一部のみをハーフエッチング等により除去してもよく、また、弾性膜５０の厚さ方向の一部まで除去してもよい。また、下電極膜除去部３５０は、必ずしも設ける必要はない。
【００７１】
また、本実施形態では、下電極膜除去部３５０は、図７（ａ）、並びにそのＣ−Ｃ’断面である図７（ｃ）及びＤ−Ｄ’断面である図７（ｄ）に示すように、コンタクトホール９０ａが形成される圧力発生室１２の端部近傍において、端部ほど徐々に幅狭で且つ端部ほど徐々に厚膜になる振動規制部３５５が形成されている。従って、この端部近傍の部分の振動板は、他の下電極膜除去部３５０より変形し難くなっている。
【００７２】
このような振動規制部３５５は、例えば、図８（ａ）に示すようなパターンを用いて、図５（ｂ）のステップで、下電極膜６０をパターニングすることにより形成することができる。このパターンには、各圧電体能動部３２０の間に対向する位置に開口４５０が形成され、一端部側には、圧力発生室１２に平行に延び、すなわち、圧電体能動部３２０の腕部に対応する位置に、両隅部に向かって漸小する幅狭部４５０ａが形成されており、幅狭の部分ほど厚膜のレジストが残留している開口となっている。これにより、上述のような端部ほど徐々に幅狭で且つ端部ほど徐々に厚膜になる振動規制部３５５が形成される。なお、振動規制部３５５の端部の厚膜部でも下電極膜６０が多少エッチングされていてもよく、何れにしても、徐々に膜厚変化が生じていればよい。
【００７３】
このように振動規制部３５５を有する構造とすることにより、圧電体能動部３２０の端部近傍のみにおいて、電圧印加による振動が規制されて変位量が相対的に小さくなり、全体としての変位量を大きく低下させることなく端部での変位量を抑えることができるので、圧電体能動部３２０の端部の剥がれおよび割れ等、また、コンタクトホール９０ａ近傍での割れ等を防止することができる。
【００７４】
なお、以上説明した実施形態では、図５（ａ）に示す圧電体能動部３２０のパターニングのステップと、図５（ｂ）に示す下電極膜除去部３５０のパターニングのステップとを別に行うように説明したが、同じレジスト膜を用いて連続的に行うこともできる。すなわち、例えば、図８（ｂ）に示すようなパターンを用いて圧電体能動部３２０をパターニングした後、同じパターンで下電極膜除去部３５０を形成することができる。
【００７５】
また、各圧電体能動部３２０の間は、すべて下電極膜除去部３５０である必要はなく、例えば、隣接する下電極膜除去部３５０の間に、圧電体能動部３２０と同様の膜構成を有する中間部が形成されいてもよい。この場合は、後述のように、振動規制部３５５が形成される。
【００７６】
まず、図９（ａ）に示すようなレジストパターンを用いて、図５（ａ）のステップで圧電体能動部３２０と共に中間部をパターニングする。ここで、レジストパターンは、各圧電体能動部３２０をパターニングするためのマスク部４２０の間に、中間部をパターニングするためのマスク部４２５を有し、マスク部４２５の一端部は、端部ほど圧電体能動部３２０のためのマスク部４２０に近接するように幅広な形状となっている。これにより、一端部で各圧電体能動部３２０に近接するパターンを有する中間部を形成することができる。一方、マスク部４２０の幅広部に隣接する開口４５１には、端部ほど幅狭になる幅狭部４５１ａが形成されており、幅狭の部分ほど厚膜のレジストが残留している。従って、圧電体能動部３２０のパターニングの際に圧電体膜７０が幅狭部４５１ａに残留するので、その後、上述したように、同じパターンを用いてさらにエッチングして下電極膜除去部３５０を形成することにより、上述したような端部ほど徐々に幅狭で且つ端部ほど徐々に厚膜になる振動規制部３５５を形成することができる。
【００７７】
なお、この下電極除去ステップは、図９（ｂ）に示すようなレジストパターンを用いて、下電極膜除去部３５０を形成するようにしてもよい。このレジストパターンは、一端部が、端部ほど幅狭になるような開口４５２を有する。この開口４５２は、一端部の幅狭部４５２ａにおいて、幅狭の部分ほど厚膜のレジストが残留している開口となっている。
【００７８】
なお、図９（ａ）に示すようなマスク部４２５に幅広部を形成しなくてもよい。
【００７９】
このように振動規制部３５５を有する構造としても、上述した場合と同様に、圧電体能動部３２０の端部近傍のみにおいて、電圧印加による振動が規制されて変位量が相対的に小さくなり、全体としての変位量を大きく低下させることなく端部での変位量を抑えることができるので、圧電体能動部３２０の端部の剥がれおよび割れ等、また、コンタクトホール９０ａ近傍での割れ等を防止することができる。
【００８０】
なお、何れの場合においても、下電極膜除去部３５０は、圧電体能動部３２０の幅方向両側のみではなく、端部に設けてもよい。
【００８１】
以上説明したように、本実施形態では、レジスト膜に幅狭部４５０ａ〜４５２ａを有する開口４５０〜４５２をパターニングする際に、幅狭部４５０ａ〜４５２ａに端部ほど厚膜のレジスト膜が残留し、これを利用して、振動規制部３５５を形成している。このように幅狭部４５０ａ〜４５２ａにレジストを残留させるのは、露光時にマスクと基板との間隔を拡げる等してパターニングの解像度を低下させる等することにより適宜調整するためであり、狭い領域ほどパターンが抜けにくいため、レジスト膜を残留させることができる。また、このように幅狭ほどレジストが厚膜に残留していると、このパターンを用いて、ドライエッチングする際に、レジストも、上電極膜８０、圧電体膜７０および下電極膜６０等と同様にエッチングされるので、結果的に、レジスト残留部の膜厚に比例して厚膜部が形成される。
【００８２】
（実施形態２）
図１０には、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の要部平面を示す。
【００８３】
本実施形態は、圧電体能動部３２０を構成する圧電体層７０および上電極層８０を圧力発生室１２の長手方向一端部から周壁上まで延設し、圧力発生室１２に対向する領域と周壁に対向する領域との境界を横切る連結部３２１を有するようにしたものであり、連結部３２１の近傍に下電極膜除去部３５０Ａの振動規制部３５５Ａを形成している。振動規制部３５５Ａは、実施形態１と同様に、幅が徐々に狭くなると共に膜厚が徐々に厚くなっている振動規制部となっている。
【００８４】
従って、このような構造とすることにより、実施形態１と同様に、連結部３２１近傍での変位が規制され、連結部３２１近傍での破壊が防止される。
【００８５】
（実施形態３）
図１１には、本発明の実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドの要部平面及びそのＥ−Ｅ’断面を示す。
【００８６】
本実施形態では、下電極膜除去部３５０Ｂの一端部にある振動規制部３５５Ｂは、幅が端部ほど徐々に狭くなっているが、膜厚の変化はないものとなっている。かかる構造は、図８の開口４５０の幅狭部４５０ａのレジストを完全に除去して開口とすることにより形成することができる。
【００８７】
この場合にも、実施形態１と同様に振動規制部３５５Ｂでの振動が規制され、この振動規制部３５５Ｂ近傍での破壊等が防止される。
【００８８】
（実施形態４）
図１２には、本発明の実施形態４に係るインクジェット式記録ヘッドの要部平面及びそのＦ−Ｆ’断面を示す。
【００８９】
本実施形態では、下電極膜除去部３５０Ｃの一端部にある振動規制部３５５Ｃは、膜厚が端部ほど徐々に厚くなっているが、振動の規制に直接関係がある圧力発生室１２に対向する領域の部分では幅の変化がないものとなっている。かかる構造も上述したように端部ほど幅狭の開口を有するレジストパターンを用いて同様に形成することができる。なお、この場合には、最端部の幅が、圧電体能動部３２０の幅方向端部から圧力発生室１２の縁部までの幅と同程度または大きくなる。
【００９０】
この場合にも、実施形態１と同様に振動規制部３５５Ｃでの振動が規制され、この振動規制部３５５Ｃ近傍での破壊等が防止される。
【００９１】
なお、かかる構造は、振動規制部３５５Ｃに対応する部分に、開口幅は変化しないが、端部ほど徐々にレジスト膜が厚く存在するような開口を有するマスクを、例えば、薄いレジスト層を徐々に多層とすることによっても形成することができる。
【００９２】
（実施形態５）
図１３には、本発明の実施形態５に係るインクジェット式記録ヘッドの要部平面図を示す。
【００９３】
本実施形態は、振動規制部３５５Ｄを圧電体能動部３２０の略中央部に設けた例である。例えば、図１３（ａ）に示すように、圧電体能動部３２０の略中央部に連結部３２１Ａを設けた場合、連結部３２１Ａの近傍に振動規制部３５５Ｄを設けるようにしてもよい。振動規制部３５５Ｄは、連結部３２１Ａ近傍の圧電体能動部３２０の幅方向両側及び連結部３２１Ａの両側に形成されている。
【００９４】
また、図１３（ｂ）に示すように、コンタクトホール９０ａを圧電体能動部３２０の略中央部に設けた場合、コンタクトホール９０ａ近傍、すなわち、圧電体能動部３２０の中央部の両側及びリード電極１００の両側に振動規制部３５５Ｄを設けるようにしてもよい。
【００９５】
本実施形態では、実施形態１と同様に、圧電体能動部３２０の両側に下電極膜除去部３５０Ｄを設け、振動規制部３５５Ｄは下電極膜６０の幅及び膜厚を変化させることにより形成されており、圧電体能動部３２０の略中央部に向かって徐々に幅を狭く且つ膜厚を厚く変化し、中央部ほど振動板の振動が規制されるようになっている。
【００９６】
したがって、この場合にも、実施形態１と同様に振動規制部３５５Ｄでの振動が規制され、この振動規制部３５５Ｄ近傍での破壊等が防止される。
【００９７】
（他の実施形態）
以上説明した各実施形態では、少なくとも圧電体能動部３２０の両側の腕部の下電極膜６０を除去して下電極膜除去部３５０を形成したが、下電極膜除去部３５０は必ずしも設ける必要はない。この場合、振動規制部は、例えば、圧電体能動部３２０の端部両側に圧電体膜７０を残し、例えば、端部ほど徐々に厚膜に形成するようにすればよい。
【００９８】
また、逆に、振動規制部は、下電極膜６０が残っていなくても形成することができる。すなわち、圧電体能動部３２０の両側の腕部を弾性膜５０のハーフエッチングしたものとし、振動規制部は、その膜厚が徐々に大きくなったものとすることもできる。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
このように構成した実施形態の分解斜視図を図１４、その流路の断面を図１５にぞれぞれ示す。この実施形態では、ノズル開口１１が圧電素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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
ここで、この実施形態においても、実施形態１〜５と同様に、振動規制部を設けて、圧電体能動部の振動を部分的に規制して圧電体膜の端部又は連結部の剥がれおよび割れを防止することができる。
【０１０５】
勿論、以上説明した各実施形態は、適宜組み合わせて実施することにより、より一層の効果を奏するものであることは言うまでもない。
【０１０６】
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。
【０１０７】
また、圧電素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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
また、このような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１６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。
【０１１０】
図１６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、前述のように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。
【０１１１】
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６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。
【０１１２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、圧力発生室に対向する前記圧電体能動部の一部の振動を規制する振動規制部を設けることにより、部分的に振動が規制されて全体の変位量を大幅に低下させることなく、圧電体能動部のコンタクト部又は連結部の割れ又は剥がれを防止することができる。
【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】図１の封止板の変形例を示す斜視図である。
【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１の薄膜製造工程を示す断面図である。
【図７】本発明の実施形態１の要部を示す平面図及び断面図である。
【図８】本発明の実施形態１の薄膜製造パターンを説明する要部平面図である。
【図９】本発明の他の薄膜製造パターンを説明する要部平面図である。
【図１０】本発明の実施形態２を説明する要部平面図である。
【図１１】本発明の実施形態３を説明する要部平面図及び断面図である。
【図１２】本発明の実施形態４を説明する要部平面図及び断面図である。
【図１３】本発明の実施形態５を説明する要部平面図及び断面図である。
【図１４】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１５】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１６】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
１２ｂ幅狭部
５０弾性膜
６０下電極膜
７０圧電体膜
８０上電極膜
９０絶縁体層
９５厚膜絶縁体層
１００リード電極
３２０圧電体能動部
３５０，３５０Ａ〜３５０Ｄ下電極膜除去部
３５５，３５５Ａ〜３５５Ｄ振動規制部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
According to the present invention, a part of a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for ejecting ink droplets is constituted by a diaphragm, and a piezoelectric element is formed on the surface of the diaphragm, and ink droplets are ejected by displacement of the piezoelectric element. The present invention relates to an ink jet recording head and an ink jet recording apparatus.
[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: 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.
[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 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 element is formed so that a layer is cut into a shape corresponding to a pressure generation chamber by a lithography method and is independent for each pressure generation chamber.
[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. In this case, the piezoelectric material layer is provided on the entire surface of the diaphragm, and at least only the upper electrode is provided for each pressure generating chamber, so that the piezoelectric element corresponding to each pressure generating chamber can be driven.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the ink jet recording head as described above, in order to improve the displacement efficiency of the diaphragm by driving the piezoelectric element, a structure in which the diaphragms corresponding to both sides of the piezoelectric element are made thin is proposed. However, when the displacement is made large in this way, there is a problem that the piezoelectric element is cracked or peeled off, particularly in the vicinity of both ends in the longitudinal direction of the pressure generating chamber.
[0008]
In addition, when a piezoelectric element is provided corresponding to each pressure generating chamber, in general, the piezoelectric element corresponding to each pressure generating chamber is covered with an insulator layer, and a voltage for driving each piezoelectric element on this insulator layer A window (hereinafter referred to as a contact hole) for forming a connection portion with a lead electrode for supplying the electrode is provided corresponding to each pressure generating chamber, and a connection portion between each piezoelectric element and the lead electrode is formed in the contact hole. However, in this case, there is a problem that stress concentrates in the vicinity of the contact hole and breakage is likely to occur.
[0009]
These problems are particularly problematic when the piezoelectric material layer is formed by thin film technology. That is, the piezoelectric material layer formed by the thin film technology is very thin and has a lower rigidity than that of a piezoelectric element attached.
[0010]
In view of such circumstances, the present invention provides an ink jet recording head and an ink jet recording apparatus capable of preventing peeling and cracking of an end of a piezoelectric active part and cracking in the vicinity of a contact part. Is an issue.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
A first aspect of the present invention that solves the above-described problem includes a piezoelectric element that includes a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode through a diaphragm that forms part of a pressure generating chamber that communicates with a nozzle opening, and In an ink jet recording head having a piezoelectric active portion that is a substantial driving portion of the piezoelectric layer constituting the piezoelectric element in a region facing the pressure generation chamber, the piezoelectric recording head is provided on both sides in the width direction of the piezoelectric active portion. An ink jet recording characterized by having a vibration restricting portion for restricting vibration of the diaphragm by gradually changing the film thickness of the arm portion at a part of the arm portion along the edge of the pressure generating chamber. In the head.
[0012]
In the first aspect, the vibration restricting portion having a gradually increasing film thickness restricts the displacement of the arm portion as it is closer to the vibration restricting portion, thereby preventing breakage in the vicinity of the vibration restricting portion.
[0013]
According to a second aspect of the present invention, a piezoelectric element including a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode is provided and opposed to the pressure generating chamber via a vibration plate constituting a part of the pressure generating chamber communicating with the nozzle opening. In the ink jet recording head having a piezoelectric active part that is a substantial driving part of the piezoelectric layer constituting the piezoelectric element in a region to be operated, an edge of the pressure generating chamber on both sides in the width direction of the piezoelectric active part An ink jet recording head having a vibration restricting portion for restricting vibration of the diaphragm by gradually changing the width of the arm portion at a part of the arm portion along the portion.
[0014]
In the second aspect, the vibration restricting portion having a gradually decreasing width restricts the displacement of the arm portion as it is closer to the vibration restricting portion, thereby preventing breakage in the vicinity of the vibration restricting portion.
[0015]
According to a third aspect of the present invention, a piezoelectric element including a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode is provided and opposed to the pressure generating chamber via a vibration plate constituting a part of the pressure generating chamber communicating with the nozzle opening. In the ink jet recording head having a piezoelectric active part that is a substantial driving part of the piezoelectric layer constituting the piezoelectric element in a region to be operated, an edge of the pressure generating chamber on both sides in the width direction of the piezoelectric active part An ink jet having a vibration regulating part for regulating vibration of the diaphragm by gradually changing the film thickness of the arm part and gradually changing the width of the arm part along a part of the arm part. In the recording head.
[0016]
In the third aspect, the displacement of the arm portion is restricted toward the end of the pressure generating chamber by the vibration restricting portion whose thickness is gradually increased and the width is gradually decreased, and the destruction in the vicinity of the end of the pressure generating chamber is prevented. Is prevented.
[0017]
According to a fourth aspect of the present invention, in the second or third aspect, the width of the vibration restricting portion is the width of the piezoelectric active portion adjacent to the piezoelectric active portion from the width direction end portion of the piezoelectric active portion. In the ink jet recording head, the distance between the arm portion and the thick film portion having a larger film thickness than the arm portion is provided.
[0018]
In the fourth aspect, the width of the vibration restricting portion can be changed by changing the width of the piezoelectric active portion and the thick film portion.
[0019]
According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, the piezoelectric active portion crosses a boundary between a region facing the pressure generation chamber and a region facing the peripheral wall of the pressure generation chamber. The ink jet recording head has a connecting portion, and the vibration restricting portion is provided at least at an end of the pressure generating chamber near the connecting portion.
[0020]
In the fifth aspect, the displacement in the vicinity of the connecting portion is restricted by the vibration restricting portion, and destruction in the vicinity of the connecting portion is prevented.
[0021]
A sixth aspect of the present invention is the ink jet recording head according to the fifth aspect, wherein the connecting portion is provided at a longitudinal end of the pressure generating chamber.
[0022]
In the sixth aspect, the vibration restricting portion prevents the vicinity of the longitudinal end portion of the pressure generating chamber from being destroyed.
[0023]
According to a seventh aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, the piezoelectric active portion is provided in a region facing the pressure generation chamber and in the region facing the pressure generation chamber. A conductive film for applying a voltage to the piezoelectric active portion and a contact portion that is a connecting portion between the piezoelectric active portion, and the vibration restricting portion is at least near the contact portion of the pressure generating chamber. An ink jet recording head is provided.
[0024]
In the seventh aspect, the vibration restricting portion prevents the vicinity of the contact portion from being destroyed.
[0025]
An eighth aspect of the present invention is the ink jet recording head according to the seventh aspect, wherein the contact portion is provided in the vicinity of an end portion in the longitudinal direction of the pressure generating chamber.
[0026]
In the eighth aspect, the vibration restricting portion prevents the end portion near the contact portion of the pressure generating chamber from being broken.
[0027]
According to a ninth aspect of the present invention, in the seventh or eighth aspect, an insulator layer is formed on an upper surface of the piezoelectric active portion, and the contact portion is formed in a contact hole formed in the insulator layer. An ink jet recording head is provided.
[0028]
In the ninth aspect, the vibration restricting portion prevents destruction near the contact hole.
[0029]
Tenth aspect of the present invention Is In any one of the first to ninth aspects, the diaphragm includes an elastic film and a lower electrode provided on the elastic film, and the arm portion Is Essentially the elastic membrane and the lower electrode Consists of The vibration regulating part In The change in the film thickness is a change in the film thickness of the piezoelectric layer.
[0030]
In the tenth aspect, by increasing the film thickness of the piezoelectric film, a vibration restricting portion whose displacement is restricted toward the end portion is formed.
[0031]
According to an eleventh aspect of the present invention, in any one of the first to ninth aspects, the diaphragm includes an elastic film and a lower electrode provided on the elastic film, Is Essentially only the elastic membrane Consists of The vibration regulating part In Furthermore, it has the lower electrode and The change in the film thickness of the vibration restricting portion is a change in the film thickness of the lower electrode.
[0032]
In the eleventh aspect, by gradually increasing the film thickness of the lower electrode, a vibration restricting portion whose displacement is restricted toward the end portion is formed.
[0033]
According to a twelfth aspect of the present invention, in any one of the first to eleventh aspects, the pressure generating 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. An ink jet recording head characterized by being formed.
[0034]
In the twelfth aspect, an ink jet recording head having high-density nozzle openings can be manufactured in a large amount and relatively easily.
[0035]
A thirteenth aspect of the present invention is an ink jet recording apparatus comprising the ink jet recording head according to any one of the first to twelfth aspects.
[0036]
In the thirteenth aspect, an ink jet recording apparatus with improved head reliability can be realized.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on an embodiment.
[0038]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an assembled perspective view showing an ink jet recording head according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a view showing a cross-sectional structure in the longitudinal direction of one pressure generating chamber.
[0039]
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.
[0040]
One surface of the flow path forming substrate 10 is an opening surface, and an elastic film 50 having a thickness of 1 to 2 μm made of silicon dioxide previously formed by thermal oxidation is formed on the other surface.
[0041]
On the other hand, a nozzle opening 11 and a pressure generating chamber 12 are formed on the opening surface of the flow path forming substrate 10 by anisotropically etching the silicon single crystal substrate.
[0042]
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) The second (111) plane that forms an angle of about 70 degrees with the (110) plane and the angle of about 35 degrees with the (110) plane appears, and is compared with the etching rate of the (110) plane (111) This is performed by utilizing the property that the etching rate of the surface 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.
[0043]
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. 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.
[0044]
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.
[0045]
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.
[0046]
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.
[0047]
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]. As shown in FIGS. 3A and 3B, the ink supply communication port 21 may be one slit hole 21A that crosses the vicinity of the ink supply side end of each pressure generating chamber 12 or a plurality of slits. It may be a hole 21B. 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.
[0048]
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.
[0049]
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.
[0050]
On the other hand, on the elastic film 50 opposite to the opening surface 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. 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 the piezoelectric element 300. Here, the piezoelectric element 300 refers to a portion including the lower electrode film 60, the piezoelectric film 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 film 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 film 70 and in which piezoelectric distortion is generated by applying a voltage to both electrodes is referred to as a piezoelectric active portion 320. 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. Further, here, the piezoelectric element 300 and a vibration plate that is displaced by driving the piezoelectric element 300 are collectively referred to as a piezoelectric actuator. In the example described above, the elastic film 50 and the lower electrode film 60 act as a diaphragm, but the lower electrode film may also serve as the elastic film.
[0051]
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.
[0052]
An insulating layer 90 having electrical insulation is formed so as to cover at least the periphery of the upper surface of each upper electrode film 80 and the side surface of the piezoelectric film 70. The insulator layer 90 is formed of a material that can be formed by a film forming method or shaped by etching, for example, silicon oxide, silicon nitride, an organic material, preferably photosensitive polyimide having low rigidity and excellent electrical insulation. Is preferred.
[0053]
A contact hole 90a that exposes a part of the upper electrode film 80 to be connected to a lead electrode 100 described later in a part of the part of the insulator layer 90 that covers the upper surface of the part corresponding to one end of each upper electrode film 80. Is formed. A lead electrode 100 is formed with one end connected to each upper electrode film 80 through the contact hole 90a and the other end extending to the connection terminal portion. The lead electrode 100 is formed to be as narrow as possible so that a drive signal can be reliably supplied to the upper electrode film 80.
[0054]
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.
[0055]
As shown in FIG. 4A, 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. to form an elastic film 50 made of silicon dioxide.
[0056]
Next, as shown in FIG. 4B, 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 60 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.
[0057]
Next, as shown in FIG. 4C, a piezoelectric film 70 is formed. Sputtering can also be used to form the piezoelectric film 70. In this embodiment, a so-called sol in which a metal organic substance 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.
[0058]
Next, as shown in FIG. 4D, 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.
[0059]
Next, as shown in FIG. 5, the lower electrode film 60, the piezoelectric film 70, and the upper electrode film 80 are patterned.
[0060]
First, as shown in FIG. 5A, only the piezoelectric film 70 and the upper electrode film 80 are etched to pattern the piezoelectric active portion 320. Next, as shown in FIG. 5 (b), each of the pressure generating chambers 12 (in FIG. 5, the pressure generating chamber 12 is not formed but is indicated by a broken line) is an active region of the piezoelectric body that is opposed to both sides in the width direction. The lower electrode film removal portion 350 is formed by removing the lower electrode film 60 corresponding to the arms on both sides of the portion 320. By providing the lower electrode film removing unit 350 in this way, it is possible to improve the amount of displacement due to voltage application to the piezoelectric body active unit 320. Next, as shown in FIG. 5C, 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.
[0061]
As described above, first, the entire pattern of the lower electrode film 60 is formed, then the piezoelectric active part 320 is patterned, and finally the lower electrode film removing part 350 is patterned, thereby completing the patterning.
[0062]
As described above, after patterning the lower electrode film 60 and the like, it is preferable to electrically insulate so as to cover at least the peripheral edge of the upper surface of each upper electrode film 80 and the side surfaces of the piezoelectric film 70 and the lower electrode film 60. The provided insulator layer 90 is formed (see FIG. 1).
[0063]
FIG. 6 shows a process for forming such an insulator layer.
[0064]
First, as shown in FIG. 6A, the insulator layer 90 is formed so as to cover the peripheral portion of the upper electrode film 80, the side surfaces of the piezoelectric film 70 and the lower electrode film 60. A suitable material for the insulator layer 90 is as described above, but in this embodiment, a negative photosensitive polyimide is used.
[0065]
Next, as shown in FIG. 6B, by patterning the insulator layer 90, contact holes 90a are formed in portions corresponding to the vicinity of the end portions on the ink supply side of the respective pressure generation chambers 12. The contact hole 90a may be provided in a portion corresponding to the piezoelectric active portion 320 of the pressure generating chamber 12, and may be provided, for example, in the center portion or the nozzle side end portion.
[0066]
Next, for example, a lead electrode 100 is formed by forming a conductor such as Cr—Au on the entire surface and then patterning it.
[0067]
The above is the film forming process. After film formation in this way, as shown in FIG. 6C, anisotropic etching of the silicon single crystal substrate with the alkali solution described above is performed to form the pressure generating chamber 12 and the like. 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, one channel-sized flow path forming substrate 10 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.
[0068]
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.
[0069]
FIG. 7 shows a planar positional relationship between the piezoelectric active part 320 and the lower electrode film removing part 350 formed as described above.
[0070]
As shown in FIG. 7A, the piezoelectric active portion 320 including the piezoelectric film 70 and the upper electrode film 80 is provided in a region facing the pressure generating chamber 12 away from the peripheral wall, and the lower electrode film is removed. The part 350 is provided adjacent to both sides in the width direction of the piezoelectric active part 320. The portion provided with the lower electrode film removal portion 350 is a portion called a so-called arm portion, and is a portion facing the vicinity of the edge portion along both sides in the width direction of the pressure generating chamber 12. As shown in FIG. 7B, which is a cross section taken along the line BB ′ of FIG. Therefore, the diaphragm of the lower electrode film removing unit 350 is composed only of the elastic film 50, and the film thickness thereof is relatively thinner than other regions, so that it can be easily deformed. Of course, the lower electrode film removing unit 350 may remove only a part of the lower electrode film 60 in the thickness direction by half-etching or the like, or remove a part of the elastic film 50 in the thickness direction. Good. Further, the lower electrode film removal unit 350 is not necessarily provided.
[0071]
In this embodiment, the lower electrode film removing unit 350 is shown in FIG. 7A, FIG. 7C which is a CC ′ section thereof, and FIG. 7D which is a DD ′ section. As described above, in the vicinity of the end of the pressure generating chamber 12 where the contact hole 90a is formed, the vibration restricting portion 355 that is gradually narrower toward the end and gradually thicker toward the end is formed. Therefore, the diaphragm in the vicinity of the end portion is less likely to be deformed than the other lower electrode film removal unit 350.
[0072]
Such a vibration restricting portion 355 can be formed, for example, by patterning the lower electrode film 60 in the step of FIG. 5B using a pattern as shown in FIG. In this pattern, an opening 450 is formed at a position facing each other between the piezoelectric active portions 320, and extends in parallel to the pressure generation chamber 12 on one end side, that is, on the arm portion of the piezoelectric active portion 320. A narrow portion 450a that gradually decreases toward both corners is formed at a corresponding position, and the narrower portion is an opening in which a thick film resist remains. As a result, the vibration restricting portion 355 that is gradually narrower toward the end and gradually becomes thicker toward the end is formed. Note that the lower electrode film 60 may be slightly etched even in the thick film portion at the end of the vibration restricting portion 355, and in any case, it is sufficient that the film thickness changes gradually.
[0073]
By adopting the structure having the vibration restricting portion 355 in this way, the vibration due to voltage application is restricted only in the vicinity of the end of the piezoelectric active portion 320, and the displacement amount becomes relatively small. Since the amount of displacement at the end can be suppressed without greatly reducing, it is possible to prevent peeling and cracking of the end of the piezoelectric active part 320 and cracking in the vicinity of the contact hole 90a.
[0074]
In the embodiment described above, the patterning step of the piezoelectric active part 320 shown in FIG. 5A and the patterning step of the lower electrode film removing part 350 shown in FIG. 5B are performed separately. Although described, it can also be performed continuously using the same resist film. That is, for example, after patterning the piezoelectric active portion 320 using a pattern as shown in FIG. 8B, the lower electrode film removal portion 350 can be formed with the same pattern.
[0075]
In addition, it is not necessary that all the piezoelectric active portions 320 are the lower electrode film removing portions 350. For example, a film configuration similar to that of the piezoelectric active portion 320 is formed between the adjacent lower electrode film removing portions 350. An intermediate portion may be formed. In this case, as described later, a vibration restricting portion 355 is formed.
[0076]
First, using a resist pattern as shown in FIG. 9A, the intermediate portion is patterned together with the piezoelectric active portion 320 in the step of FIG. Here, the resist pattern has a mask portion 425 for patterning an intermediate portion between mask portions 420 for patterning each piezoelectric active portion 320, and one end portion of the mask portion 425 is as far as the end portion. The shape is wide so as to be close to the mask portion 420 for the piezoelectric active portion 320. Thereby, the intermediate part which has a pattern which adjoins each piezoelectric material active part 320 in one end part can be formed. On the other hand, in the opening 451 adjacent to the wide part of the mask part 420, a narrow part 451a that is narrower toward the end part is formed, and a thicker resist remains in the narrow part. Therefore, since the piezoelectric film 70 remains in the narrow portion 451a when patterning the piezoelectric active portion 320, the lower electrode film removing portion 350 is formed by further etching using the same pattern as described above. By doing so, it is possible to form the vibration restricting portion 355 that becomes gradually narrower toward the end portion and gradually becomes thicker toward the end portion as described above.
[0077]
In this lower electrode removal step, the lower electrode film removal portion 350 may be formed using a resist pattern as shown in FIG. This resist pattern has an opening 452 whose one end is narrower toward the end. This opening 452 is an opening in which a thicker film resist remains in a narrower portion 452a at one end.
[0078]
Note that the wide portion need not be formed in the mask portion 425 as shown in FIG.
[0079]
Even in the structure having the vibration restricting portion 355 as described above, as in the case described above, only the vicinity of the end of the piezoelectric active portion 320 restricts vibration due to voltage application, and the displacement amount becomes relatively small. Since the displacement amount at the end can be suppressed without greatly reducing the displacement amount as described above, peeling and cracking of the end portion of the piezoelectric active portion 320, and cracking in the vicinity of the contact hole 90a are prevented. be able to.
[0080]
In any case, the lower electrode film removing unit 350 may be provided not only on both sides of the piezoelectric active unit 320 in the width direction but also on the end.
[0081]
As described above, in this embodiment, when the openings 450 to 452 having the narrow portions 450a to 452a are patterned in the resist film, the thick resist film remains at the narrow portions 450a to 452a toward the ends. By using this, the vibration restricting portion 355 is formed. The reason why the resist remains in the narrow portions 450a to 452a in this way is to adjust appropriately by reducing the resolution of patterning by increasing the distance between the mask and the substrate at the time of exposure. Since the pattern is not easily removed, the resist film can be left. Also, if the resist remains in the thick film as the width becomes narrower in this way, when dry etching is performed using this pattern, the resist also becomes the upper electrode film 80, the piezoelectric film 70, the lower electrode film 60, and the like. Since the etching is performed in the same manner, as a result, a thick film portion is formed in proportion to the film thickness of the resist remaining portion.
[0082]
(Embodiment 2)
FIG. 10 shows a principal plane of an ink jet recording head according to Embodiment 2 of the present invention.
[0083]
In the present embodiment, the piezoelectric layer 70 and the upper electrode layer 80 constituting the piezoelectric active portion 320 are extended from one end in the longitudinal direction of the pressure generating chamber 12 to the peripheral wall, and the region and the peripheral wall facing the pressure generating chamber 12 are provided. A connecting portion 321 that crosses the boundary with the region opposite to the connecting portion 321 is provided, and a vibration restricting portion 355A of the lower electrode film removing portion 350A is formed in the vicinity of the connecting portion 321. As in the first embodiment, the vibration restricting portion 355A is a vibration restricting portion having a width that gradually decreases and a film thickness that gradually increases.
[0084]
Therefore, by adopting such a structure, similarly to the first embodiment, the displacement in the vicinity of the connecting portion 321 is restricted, and the breakage in the vicinity of the connecting portion 321 is prevented.
[0085]
(Embodiment 3)
FIG. 11 shows a principal plane of an ink jet recording head according to Embodiment 3 of the present invention and a cross section taken along the line EE ′.
[0086]
In the present embodiment, the vibration restricting portion 355B at one end of the lower electrode film removing portion 350B is gradually narrowed toward the end, but the film thickness does not change. Such a structure can be formed by completely removing the resist in the narrow portion 450a of the opening 450 in FIG.
[0087]
Also in this case, the vibration in the vibration restricting portion 355B is restricted in the same manner as in the first embodiment, and the destruction in the vicinity of the vibration restricting portion 355B is prevented.
[0088]
(Embodiment 4)
FIG. 12 shows a principal plane of an ink jet recording head according to Embodiment 4 of the present invention and its FF ′ cross section.
[0089]
In the present embodiment, the vibration restricting portion 355C at one end of the lower electrode film removing portion 350C gradually increases in thickness toward the end, but faces the pressure generating chamber 12 that is directly related to vibration restriction. There is no change in the width of the area to be processed. Such a structure can be similarly formed using a resist pattern having an opening that is narrower toward the end as described above. In this case, the width of the endmost part is approximately the same as or larger than the width from the end of the piezoelectric active part 320 in the width direction to the edge of the pressure generating chamber 12.
[0090]
Also in this case, the vibration in the vibration restricting portion 355C is restricted as in the first embodiment, and the destruction in the vicinity of the vibration restricting portion 355C is prevented.
[0091]
In this structure, the opening width does not change in the portion corresponding to the vibration restricting portion 355C, but a mask having an opening in which the resist film gradually increases toward the end portion, for example, a thin resist layer is gradually formed. It can also be formed by using multiple layers.
[0092]
(Embodiment 5)
FIG. 13 is a plan view of the main part of an ink jet recording head according to Embodiment 5 of the present invention.
[0093]
The present embodiment is an example in which the vibration restricting portion 355D is provided at a substantially central portion of the piezoelectric active portion 320. For example, as shown in FIG. 13A, when the connecting portion 321A is provided in the substantially central portion of the piezoelectric body active portion 320, the vibration restricting portion 355D may be provided in the vicinity of the connecting portion 321A. The vibration restricting portions 355D are formed on both sides in the width direction of the piezoelectric active portion 320 in the vicinity of the connecting portion 321A and on both sides of the connecting portion 321A.
[0094]
Further, as shown in FIG. 13B, when the contact hole 90a is provided in the substantially central part of the piezoelectric active part 320, both the vicinity of the contact hole 90a, that is, both sides of the central part of the piezoelectric active part 320 and the lead electrode The vibration regulating portions 355D may be provided on both sides of the 100.
[0095]
In the present embodiment, similarly to the first embodiment, the lower electrode film removing unit 350D is provided on both sides of the piezoelectric active unit 320, and the vibration regulating unit 355D is formed by changing the width and film thickness of the lower electrode film 60. Thus, the width gradually decreases and the film thickness gradually increases toward the substantially central portion of the piezoelectric active portion 320, and the vibration of the diaphragm is regulated toward the central portion.
[0096]
Therefore, also in this case, the vibration in the vibration restricting portion 355D is restricted as in the first embodiment, and the breakage in the vicinity of the vibration restricting portion 355D is prevented.
[0097]
(Other embodiments)
In each of the embodiments described above, the lower electrode film removal unit 350 is formed by removing the lower electrode film 60 on at least the arms on both sides of the piezoelectric active unit 320. However, the lower electrode film removal unit 350 is not necessarily provided. Absent. In this case, for example, the vibration restricting portion may be formed such that the piezoelectric film 70 is left on both sides of the end portion of the piezoelectric active portion 320, and the end portion is gradually formed thicker.
[0098]
Conversely, the vibration restricting portion can be formed even if the lower electrode film 60 does not remain. That is, the arm portions on both sides of the piezoelectric active portion 320 may be half-etched with the elastic film 50, and the vibration restricting portion may have a gradually increased film thickness.
[0099]
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.
[0100]
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.
[0101]
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.
[0102]
FIG. 14 is an exploded perspective view of the embodiment configured as described above, and FIG. 15 is a sectional view of the flow path. In this embodiment, the nozzle openings 11 are formed in the nozzle substrate 120 opposite to the piezoelectric elements, 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 chamber. The forming plate 30, the thin plate 41 </ b> A, and the ink chamber side plate 40 </ b> A are disposed so as to penetrate.
[0103]
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.
[0104]
Here, also in this embodiment, as in the first to fifth embodiments, the vibration restricting portion is provided, and the vibration of the piezoelectric active portion is partially restricted to peel off the end of the piezoelectric film or the connecting portion. Cracking can be prevented.
[0105]
Of course, it is needless to say that the embodiments described above can achieve further effects by being appropriately combined.
[0106]
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.
[0107]
Further, the example in which the insulator layer is provided between the piezoelectric element and the lead electrode has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, an anisotropic conductive film is thermally applied to each upper electrode without providing the insulator layer. It is good also as a structure which welds and connects this anisotropic conductive film with a lead electrode, or connects using various bonding techniques, such as wire bonding.
[0108]
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.
[0109]
In addition, the ink jet recording head of such an embodiment constitutes a part of a recording head unit having an ink flow path communicating with an ink cartridge or the like, and is mounted on the ink jet recording apparatus. FIG. 16 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.
[0110]
As shown in FIG. 16, in the recording head units 1A and 1B having the ink jet recording head, the cartridges 2A and 2B constituting the ink supply means are detachably provided as described above, and the recording head units 1A and 1B are provided. The mounted carriage 3 is provided on a carriage shaft 5 attached to the apparatus main 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.
[0111]
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 main body 6 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 that 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.
[0112]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, by providing a vibration restricting portion that restricts a part of the vibration of the piezoelectric active portion facing the pressure generating chamber, the vibration is partially restricted so that the entire displacement amount is reduced. It is possible to prevent the contact portion or the connecting portion of the piezoelectric active portion from cracking or peeling without significantly reducing.
[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 Embodiment 1 of the invention, and are a plan view and a cross-sectional view of FIG.
FIG. 3 is a perspective view showing a modification of the sealing plate of FIG.
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 showing a thin film manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.
7A and 7B are a plan view and a cross-sectional view showing a main part of the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a plan view of relevant parts for explaining a thin film manufacturing pattern according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a plan view of an essential part for explaining another thin film manufacturing pattern of the present invention.
FIG. 10 is a plan view of an essential part for explaining Embodiment 2 of the present invention.
FIGS. 11A and 11B are a plan view and a cross-sectional view of relevant parts for explaining Embodiment 3 of the present invention. FIGS.
FIGS. 12A and 12B are a plan view and a cross-sectional view of relevant parts for explaining Embodiment 4 of the present invention. FIGS.
FIGS. 13A and 13B are a plan view and a cross-sectional view of relevant parts for explaining Embodiment 5 of the present invention. FIGS.
FIG. 14 is an exploded perspective view of an ink jet recording head according to another embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a cross-sectional view showing an ink jet recording head according to another embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a schematic view of an ink jet recording apparatus according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Channel formation substrate
11 Nozzle opening
12 Pressure generation chamber
12b Narrow part
50 Elastic membrane
60 Lower electrode membrane
70 Piezoelectric film
80 Upper electrode membrane
90 Insulator layer
95 Thick film insulator layer
100 Lead electrode
320 Piezoelectric active part
350, 350A-350D Lower electrode film removal part
355, 355A to 355D Vibration restriction part

Claims

A piezoelectric element including a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode is provided via a vibration plate constituting a part of a pressure generating chamber communicating with the nozzle opening, and the piezoelectric element is configured in a region facing the pressure generating chamber. In an ink jet recording head having a piezoelectric active part that is a substantial driving part of the piezoelectric layer,
Vibration regulation that regulates vibration of the diaphragm by gradually changing the film thickness of the arm part on a part of the arm part along the edge of the pressure generating chamber on both sides in the width direction of the piezoelectric active part An ink jet recording head having a portion.

A piezoelectric element including a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode is provided via a vibration plate constituting a part of a pressure generating chamber communicating with the nozzle opening, and the piezoelectric element is configured in a region facing the pressure generating chamber. In an ink jet recording head having a piezoelectric active part that is a substantial driving part of the piezoelectric layer,
A vibration restricting portion that restricts vibration of the diaphragm by gradually changing the width of the arm portion on a part of the arm portion along the edge of the pressure generating chamber on both sides in the width direction of the piezoelectric active portion. An ink jet recording head comprising:

A piezoelectric element including a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode is provided via a vibration plate constituting a part of a pressure generating chamber communicating with the nozzle opening, and the piezoelectric element is configured in a region facing the pressure generating chamber. In an ink jet recording head having a piezoelectric active part that is a substantial driving part of the piezoelectric layer,
On the both sides of the piezoelectric active part in the width direction, the diaphragm is formed on a part of the arm part along the edge of the pressure generating chamber by gradually changing the film thickness and the width of the arm part. An ink jet recording head having a vibration restricting portion for restricting vibration of the ink.

4. The width of the vibration restricting portion according to claim 2 or 3, wherein the width of the vibration restricting portion is provided between a width direction end portion of the piezoelectric active portion and a piezoelectric active portion adjacent to the piezoelectric active portion and from the arm portion. An ink jet recording head characterized by a distance to a thick film portion having a large thickness.

5. The vibration regulating portion according to claim 1, further comprising a connecting portion that crosses a boundary between a region where the piezoelectric active portion faces the pressure generating chamber and a region facing the peripheral wall of the pressure generating chamber. Is an ink jet recording head provided at least at an end portion of the pressure generating chamber in the vicinity of the connecting portion.

6. The ink jet recording head according to claim 5, wherein the connecting portion is provided at an end portion in the longitudinal direction of the pressure generating chamber.

5. The piezoelectric active portion according to claim 1, wherein the piezoelectric active portion is provided in a region facing the pressure generating chamber and a voltage is applied to the piezoelectric active portion in a region facing the pressure generating chamber. An ink jet comprising: a contact portion serving as a connection portion between the conductive film for connecting the piezoelectric film and the piezoelectric active portion, wherein the vibration restricting portion is provided at least in the vicinity of the contact portion of the pressure generating chamber. Recording head.

8. The ink jet recording head according to claim 7, wherein the contact portion is provided in the vicinity of a longitudinal end portion of the pressure generating chamber.

9. The ink jet type according to claim 7, wherein an insulator layer is formed on an upper surface of the piezoelectric active portion, and the contact portion is formed in a contact hole formed in the insulator layer. Recording head.

In any one of claims 1 to 9, wherein the diaphragm is made from the lower electrode provided on the elastic film and the elastic film, said arm section, consists essentially of the said elastic membrane and the lower electrode, wherein An ink jet recording head characterized in that a change in film thickness at the vibration regulating portion is a change in film thickness of the piezoelectric layer.

In any one of claims 1 to 9, consists of the lower electrode to which the vibrating plate is provided on the elastic film and the elastic film, said arm portion is comprised of essentially of the elastic membrane, said vibration regulating The ink jet recording head according to claim 1, further comprising the lower electrode in a portion , and a change in film thickness of the vibration restricting portion being a change in film thickness of the lower electrode.

The pressure generation chamber according to any one of claims 1 to 11, wherein 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. Inkjet recording head.

An ink jet recording apparatus comprising the ink jet recording head according to claim 1.