JP3238069B2 - Ink jet head and method of manufacturing the same - Google Patents
Ink jet head and method of manufacturing the sameInfo
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、圧力室に満たされ
たインクに圧力を加えて、外部へインクを吐出させるイ
ンクジェットヘッド及びその製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ink jet head which applies pressure to ink filled in a pressure chamber to discharge ink to the outside, and a method of manufacturing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来より記録液を吐出、飛翔させて記録
を行うインクジェット記録方法が知られているが、この
方法は低騒音で比較的高速印字が可能であること、装置
の小型化やカラー記録が容易であること等数々の利点を
有している。このようなインクジェト記録方法で用いら
れるインクジェットヘッドの形式としては、従来より幾
つかの方式が用いられている。2. Description of the Related Art An ink jet recording method in which recording is performed by discharging and flying a recording liquid is conventionally known. However, this method is capable of performing relatively high-speed printing with low noise, reducing the size of the apparatus and reducing color. It has many advantages, such as easy recording. Several types of ink jet heads used in such an ink jet recording method have conventionally been used.
【０００３】例えば、図１０及び図１１に示すようにキ
ャビティ内部にヒータを設け、このヒータを急速に加熱
することによりインクを沸騰させて泡を形成し、この泡
の発生による圧力変化でインクをノズルから吐出させる
いわゆるバブルジェット方式がある。For example, as shown in FIGS. 10 and 11, a heater is provided inside a cavity, and the heater is rapidly heated to boil the ink to form bubbles. There is a so-called bubble jet method of discharging from a nozzle.
【０００４】しかしながら、このバブルジェット方式で
は、インクを沸騰させて泡を形成するにはヒータを瞬間
的に１０００℃の高温にする必要があり、このためヒー
タの劣化が避けられずヘッドの寿命が短い、という問題
点がある。However, in the bubble jet method, it is necessary to instantaneously raise the temperature of the heater to 1000 ° C. in order to boil ink to form bubbles, so that deterioration of the heater is inevitable and the life of the head is reduced. There is a problem that it is short.
【０００５】上記問題を解決するための方式として、図
１２に示すような、圧電素子の変位により圧力室に圧力
を発生させ、これによりノズルからインクを粒状にして
吐出させる方式が知られている（特開平４−３５５１４
７号公報）。また、図１３に示すように、互いに逆の特
性を有する圧電材料を２層構造にして変形させ圧力室に
圧力を発生させ、これによりノズルからインクを粒状に
して吐出させる方式が知られている。As a method for solving the above problem, a method is known in which pressure is generated in a pressure chamber by displacement of a piezoelectric element as shown in FIG. (JP-A-4-35514)
No. 7). Further, as shown in FIG. 13, a method is known in which a piezoelectric material having opposite characteristics is formed into a two-layer structure and deformed to generate a pressure in a pressure chamber, thereby ejecting ink from a nozzle in a granular form. .
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来技術には以下のような問題点がある。However, the above-mentioned prior art has the following problems.
【０００７】図１２に示すような方式では、バルク体の
圧電素子を用いているため機械加工と組み立て作業が必
要で高集積化が困難であり高速印字に適さない、という
問題点がある。The method shown in FIG. 12 has a problem that since a bulk piezoelectric element is used, machining and assembling work are required, high integration is difficult, and the method is not suitable for high-speed printing.
【０００８】また、図１３に示すような方式では、圧力
発生器が脆性材料である圧電材料だけの構造であるの
で、疲労破壊しやすくヘッドの寿命が短い、という問題
点がある。Further, in the system shown in FIG. 13, since the pressure generator has a structure made only of a piezoelectric material, which is a brittle material, there is a problem in that the head is short-lived due to easy fatigue breakdown.
【０００９】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであって、集積度が高く高速印字が可能で、か
つ、寿命の長いインクジェットヘッド及びその製造方法
を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and has as its object to provide an ink jet head having a high degree of integration, capable of high-speed printing, and having a long life, and a method of manufacturing the same. .
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】請求項１に記載のインク
ジェットヘッドは、インクの充填された圧力室と、圧力
室の壁面の一部を構成する部材であって圧電性部材の変
位により変形するダイヤフラムと、圧力室内からインク
を吐出させる吐出口を有し、ダイヤフラムの変形によ
り、吐出口からインクを吐出させるインクジェットヘッ
ドにおいて、ダイヤフラムは、圧電性部材と弾性部材が
積層されて形成されており、弾性部材のヤング率Ｙ1が
１５０ＧＰａ≦Ｙ1≦２５０ＧＰａ、圧電性部材のヤン
グ率Ｙ2が３０ＧＰａ≦Ｙ2≦１７０ＧＰａであり、ダイ
ヤフラムの半径をｒ（ｍ），弾性部材の厚さをｔ
1（ｍ），圧電性部材の厚さをｔ2（ｍ）としたときに、
ｔ1＝Ｄ・πｒ2（２０≦Ｄ≦２００）であり、かつ、
０．２≦ｔ1／ｔ2≦２．０であるものである。According to a first aspect of the present invention, there is provided an ink jet head which is a member which forms a pressure chamber filled with ink and a part of a wall surface of the pressure chamber, and is deformed by displacement of a piezoelectric member. A diaphragm, having an ejection port for ejecting ink from the pressure chamber, and an ink jet head for ejecting ink from the ejection port by deformation of the diaphragm, the diaphragm is formed by laminating a piezoelectric member and an elastic member, Young's modulus Y 1 is 150 GPa ≦ Y 1 ≦ 250 GPa of elastic member, the Young's modulus Y 2 of the piezoelectric member is 30 GPa ≦ Y 2 ≦ 170 GPa, the radius of the diaphragm r (m), the thickness of the elastic member t
1 (m) and the thickness of the piezoelectric member is t 2 (m),
t 1 = D · πr 2 (20 ≦ D ≦ 200), and
0.2 ≦ t 1 / t 2 ≦ 2.0.
【００１１】請求項２に記載のインクジェットヘッド
は、インクの充填された圧力室と、圧力室の壁面の一部
を構成する部材であって圧電性部材の変位により変形す
るダイヤフラムと、圧力室内からインクを吐出させる吐
出口を有し、ダイヤフラムの変形により、吐出口からイ
ンクを吐出させるインクジェットヘッドにおいて、ダイ
ヤフラムが、電圧の印加により厚さ方向に伸び長手方向
に縮むよう設定された第１の圧電性部材と、延性弾性部
材と、電圧の印加により厚さ方向に縮み長手方向に伸び
るよう設定された第２の圧電性部材とを延性弾性部材を
中心に対称な構造に積層したものである。According to a second aspect of the present invention, there is provided an ink jet head comprising: a pressure chamber filled with ink; and a part of a wall surface of the pressure chamber.
In the inkjet head which has a diaphragm which is deformed by the displacement of the piezoelectric member and has an ejection port for ejecting ink from the pressure chamber, and the diaphragm is deformed, an ink jet head ejects ink from the ejection port. A first piezoelectric member that is set to expand in the thickness direction by applying a voltage and contracts in the longitudinal direction, a ductile elastic member, and a second piezoelectric member that is set to contract in the thickness direction by applying a voltage and expand in the longitudinal direction. Combine the piezoelectric member with the ductile elastic member
They are stacked in a symmetrical structure at the center .
【００１２】請求項３に記載のインクジェットヘッド
は、請求項１また請求項２に記載のインクジェットヘッ
ドの製造方法であって、圧電性部材を水熱法により積層
形成するものである。According to a third aspect of the present invention, there is provided the ink jet head manufacturing method according to the first or second aspect, wherein the piezoelectric members are laminated by a hydrothermal method.
【００１３】請求項４に記載のインクジェットヘッドの
製造方法は、請求項１に記載のインクジェットヘッドの
製造方法であって、基板の表面上に、弾性部材を形成す
る工程と、弾性部材の上に所定のパターンを持つチタン
薄膜を成膜する工程と、水熱法によりチタン薄膜の上に
のみ圧電性部材を成膜する工程と、圧電性部材の上に第
１の絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜の上に所定のパタ
ーンを持つの電極層を形成する工程と、電極層上に第２
の絶縁膜を形成する工程と、基板の裏面をダイヤフラム
に対応する形状にエッチングする工程と、基板に、吐出
口を有し、圧力室を構成するノズルプレートを接合する
工程と、を有するものである。According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an ink jet head according to the first aspect, further comprising: forming an elastic member on a surface of the substrate; A step of forming a titanium thin film having a predetermined pattern, a step of forming a piezoelectric member only on the titanium thin film by a hydrothermal method, and a step of forming a first insulating film on the piezoelectric member. Forming an electrode layer having a predetermined pattern on the insulating film; and forming a second electrode layer on the electrode layer.
Forming an insulating film, a step of etching the back surface of the substrate into a shape corresponding to the diaphragm, and a step of joining a nozzle plate having a discharge port to the substrate and forming a pressure chamber. is there.
【００１４】請求項５に記載のインクジェットヘッドの
製造方法は、請求項２に記載のインクジェットヘッドの
製造方法であって、延性弾性部材からなる基板の表裏両
面上に所定のパターンを持つチタン薄膜を成膜する工程
と、水熱法により両面のチタン薄膜の上にのみ圧電性部
材を成膜する工程と、両面の圧電性部材の上に第１の絶
縁膜を形成する工程と、両面の第１の絶縁膜の上に所定
のパターンを持つ電極層を形成する工程と、両面の電極
層上に第２の絶縁膜を形成する工程と、基板に、吐出口
を有し、圧力室を構成するノズルプレートを接合する工
程と、を有するものである。請求項６に記載のインクジ
ェットヘッドの製造方法は、インクの充填された圧力室
と、圧力室の壁面の一部を構成する部材であって圧電性
部材の変位により変形するダイヤフラムと、圧力室内か
らインクを吐出させる吐出口を有し、ダイヤフラムの変
形により、吐出口からインクを吐出させるインクジェッ
トヘッドにおいて、ダイヤフラムは、電圧の印加により
厚さ方向に伸び長手方向に縮むよう設定された第１の圧
電性部材と、延性弾性部材と、電圧の印加により厚さ方
向に縮み長手方向に伸びるよう設定された第２の圧電性
部材と、が積層されたインクジェットヘッドの製造方法
であって、延性弾性部材からなる基板の表裏両面上に所
定のパターンを持つチタン薄膜を成膜する工程と、水熱
法により両面のチタン薄膜の上にのみ圧電性部材を成膜
する工程と、両面の圧電性部材の上に第１の絶縁膜を形
成する工程と、両面の第１の絶縁膜の上に所定のパター
ンを持つ電極層を形成する工程と、両面の電極層上に第
２の絶縁膜を形成する工程と、基板に、前記吐出口を有
し前記圧力室を構成するノズルプレートを接合する工程
と、を有するものである。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing an ink jet head according to the second aspect, wherein a titanium thin film having a predetermined pattern is formed on both front and back surfaces of a substrate made of a ductile elastic member. A step of forming a film, a step of forming a piezoelectric member only on the titanium thin film on both sides by a hydrothermal method, a step of forming a first insulating film on the piezoelectric member on both sides, A step of forming an electrode layer having a predetermined pattern on the first insulating film, a step of forming a second insulating film on the electrode layers on both surfaces, and forming a pressure chamber having a discharge port on the substrate. Bonding a nozzle plate to be formed. The ink jet according to claim 6.
The method of manufacturing a jet head is based on a pressure chamber filled with ink.
And a part of the wall of the pressure chamber
The diaphragm deformed by the displacement of the member and the pressure chamber
Has a discharge port for discharging ink from the
Depending on the shape, an ink jet that ejects ink from the ejection port
In the head, the diaphragm is
A first pressure set to extend in the thickness direction and contract in the longitudinal direction
The conductive member, the ductile elastic member, and the thickness
Second piezoelectricity set to shrink in the longitudinal direction and extend in the longitudinal direction
For manufacturing an ink jet head in which a member is laminated
On both the front and back surfaces of a substrate made of a ductile elastic member.
Process of forming a titanium thin film with a certain pattern and hydrothermal
Piezoelectric members are formed only on titanium thin films on both sides
And forming a first insulating film on the piezoelectric members on both sides.
Forming a predetermined pattern on both surfaces of the first insulating film.
Forming an electrode layer having electrodes, and forming a second electrode layer on both electrode layers.
Forming a second insulating film; and providing the discharge port in the substrate.
Joining a nozzle plate constituting the pressure chamber
And
【００１５】以下、本発明の作用を説明する。The operation of the present invention will be described below.
【００１６】請求項１に記載のインクジェットヘッドで
は、ダイヤフラムの半径と圧電性部材の厚さ及び弾性部
材の厚さが適当に設定されているため、インクの吐出速
度が速い。また、薄膜構造とすることにより、小型化を
図る事ができ、高集積化を実現できる。In the ink jet head according to the first aspect, since the radius of the diaphragm, the thickness of the piezoelectric member, and the thickness of the elastic member are appropriately set, the ink ejection speed is high. Further, by adopting a thin film structure, miniaturization can be achieved and high integration can be realized.
【００１７】請求項２に記載のインクジェットヘッドで
は、互いに逆の特性を有する２層の圧電性部材を有して
いるため、更にインク吐出速度を高速にすることができ
る。また、延性弾性部材を有しているため、疲労破壊に
強く、インクジェットヘッドの高寿命化を実現できる。Since the ink jet head according to the second aspect has two layers of piezoelectric members having characteristics opposite to each other, the ink ejection speed can be further increased. In addition, since it has a ductile elastic member, it is resistant to fatigue failure and can achieve a long life of the inkjet head.
【００１８】請求項３に記載の製造方法では、圧電性部
材を水熱法により成膜するため、製造工程を低温化する
ことができ、素子に与えるダメージを軽減できるととも
に、圧電素子のパターニンングと分極処理を省略できる
ため、工程数の削減とコストダウンを実現できる。In the manufacturing method according to the third aspect, since the piezoelectric member is formed by the hydrothermal method, the manufacturing process can be performed at a low temperature, damage to the element can be reduced, and the patterning of the piezoelectric element can be reduced. Since the polarization process can be omitted, the number of steps and the cost can be reduced.
【００１９】請求項４に記載の製造方法によれば、請求
項１に記載のインクジェットヘッドをほぼ半導体プロセ
スのみで製造できるため、集積度の高いインクジェット
ヘッドを高精度に製造することが可能となる。According to the manufacturing method of the fourth aspect, since the ink jet head of the first aspect can be manufactured substantially only by a semiconductor process, it is possible to manufacture an ink jet head having a high degree of integration with high precision. .
【００２０】請求項５に記載の製造方法によれば、請求
項２に記載のインクジェットヘッドをほぼ半導体プロセ
スのみで製造できるため、集積度の高いインクジェット
ヘッドを高精度に製造することが可能となる。請求項６
に記載の製造方法によれば、インクの充填された圧力室
と、圧力室の壁面の一部を構成する部材であって圧電性
部材の変位により変形するダイヤフラムと、圧力室内か
らインクを吐出させる吐出口を有し、ダイヤフラムの変
形により、吐出口からインクを吐出させるインクジェッ
トヘッドにおいて、ダイヤフラムは、電圧の印加により
厚さ方向に伸び長手方向に縮むよう設定された第１の圧
電性部材と、延性弾性部材と、電圧の印加により厚さ方
向に縮み長手方向に伸びるよう設定された第２の圧電性
部材と、が積層されたインクジェットヘッドをほぼ半導
体プロセスのみで製造できるため、集積度の高いインク
ジェットヘッドを高精度に製造することが可能となる。 According to the manufacturing method of the fifth aspect, since the ink jet head of the second aspect can be manufactured substantially only by a semiconductor process, it is possible to manufacture an ink jet head having a high degree of integration with high precision. . Claim 6
According to the manufacturing method described in the above, the pressure chamber filled with ink
And a part of the wall of the pressure chamber
The diaphragm deformed by the displacement of the member and the pressure chamber
Has a discharge port for discharging ink from the
Depending on the shape, an ink jet that ejects ink from the ejection port
In the head, the diaphragm is
A first pressure set to extend in the thickness direction and contract in the longitudinal direction
The conductive member, the ductile elastic member, and the thickness
Second piezoelectricity set to shrink in the longitudinal direction and extend in the longitudinal direction
Almost semi-guided inkjet head with components and
Ink with high integration because it can be manufactured only by body process
The jet head can be manufactured with high precision.
【００２１】[0021]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態に係る
インクジェットヘッドおよびその製造方法を実施例によ
り詳細に説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an ink jet head and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to examples.
【００２２】（第１の実施の形態）図１および図２は、
本発明の第１の実施の形態のインクジェットヘッドの構
成を示す主要断面図であり、図１は待機状態にある場合
のインクジェットヘッドの状態を示し、図２は記録状態
にあるインクジェットヘッドの状態を示している。ま
た、図３は図１の平面図である。(First Embodiment) FIG. 1 and FIG.
FIG. 1 is a main cross-sectional view illustrating a configuration of an inkjet head according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 illustrates a state of the inkjet head in a standby state, and FIG. 2 illustrates a state of the inkjet head in a recording state. Is shown. FIG. 3 is a plan view of FIG.
【００２３】本実施の形態のインクジェットヘッド１
は、圧力発生部材であるダイヤフラム２、基板３、ダイ
ヤフラム２を構成する弾性部材４，チタン薄膜５，圧電
性部材６，第１の絶縁膜７，上部電極膜８，第２の絶縁
膜９、及び、ノズルプレート１０、ノズル１１、インク
供給口１２、圧電素子駆動電極１３ａ，１３ｂ、圧電素
子駆動電源１４より構成される。The ink jet head 1 according to the present embodiment
Are a diaphragm 2, a pressure generating member, a substrate 3, an elastic member 4, a titanium thin film 5, a piezoelectric member 6, a first insulating film 7, an upper electrode film 8, a second insulating film 9, which constitute the diaphragm 2, And a nozzle plate 10, nozzles 11, ink supply ports 12, piezoelectric element drive electrodes 13a and 13b, and a piezoelectric element drive power supply 14.
【００２４】ダイヤフラム２は、周囲を基板３により固
定されている。さらに、基板３には、インクを供給する
ためのインク供給口１２が形成されている。圧力室１５
は、ダイヤフラム２とノズルプレート１０で形成されて
おり、その圧力室１５はインク１６で満たされている。The periphery of the diaphragm 2 is fixed by a substrate 3. Further, an ink supply port 12 for supplying ink is formed in the substrate 3. Pressure chamber 15
Is formed by the diaphragm 2 and the nozzle plate 10, and the pressure chamber 15 is filled with the ink 16.
【００２５】圧電性部材６の表裏両面には第１の絶縁膜
７を介して上部電極８、下部電極を兼ねるチタン薄膜５
が形成されており、上部電極８の一端は圧電素子駆動電
極１３ａと接続され、チタン薄膜５と導通がある弾性部
材４の一端は圧電素子駆動電極１３ｂと接続されてい
る。電極１３ａには電源１４により電圧が印加可能であ
る。電極１３ｂは接地状態とされている。On both front and back surfaces of the piezoelectric member 6, a titanium thin film 5 serving also as an upper electrode 8 and a lower electrode is provided via a first insulating film 7.
Is formed, one end of the upper electrode 8 is connected to the piezoelectric element drive electrode 13a, and one end of the elastic member 4 having conduction with the titanium thin film 5 is connected to the piezoelectric element drive electrode 13b. A voltage can be applied to the electrode 13a by the power supply 14. The electrode 13b is grounded.
【００２６】これらのインクジェットヘッド１は図３に
示すように、平面上に複数配置されている。A plurality of these ink jet heads 1 are arranged on a plane as shown in FIG.
【００２７】なお、図１において、ｔ1は弾性部材４の
厚さを、ｔ2は圧電性部材６の厚さを、ｒはダイヤフラ
ム２の半径をそれぞれ示している。In FIG. 1, t 1 indicates the thickness of the elastic member 4, t 2 indicates the thickness of the piezoelectric member 6, and r indicates the radius of the diaphragm 2.
【００２８】次に、図１および図２を用いて本発明のイ
ンクジェットヘッドの動作について説明する。まず、図
１のごとくインクの供給口１２を通じてインク１６が供
給され、圧力室１５はインク１６に浸された状態とな
る。また、圧電性部材６は予め矢印方向に分極されてい
る。Next, the operation of the ink jet head of the present invention will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 1, the ink 16 is supplied through the ink supply port 12, and the pressure chamber 15 is immersed in the ink 16. The piezoelectric member 6 is polarized in the direction of the arrow in advance.
【００２９】この後、図２に示すように電極１３ａに電
源１４により電圧を印加する。圧電性部材６の分極方向
と電界方向が同じなので、圧電性部材６は厚さ方向に伸
び、長手方向（半径方向）に縮もうとする。このときダ
イヤフラム２は主に弾性部材４と圧電性部材６の２層構
造なので、ダイヤフラム２は図２における点線で示すよ
うにノズルプレート１０の方向へ変形をする。このた
め、圧力室１５のインク１６の圧力が上昇し、インク１
６がノズル１１を通じて外部へ押し出され、インクジェ
ットヘッド１の外部にインク滴が形成され吐出する。こ
のインク滴の吐出によりプリント面への印字が行われ
る。Thereafter, as shown in FIG. 2, a voltage is applied to the electrode 13a by the power supply 14. Since the polarization direction of the piezoelectric member 6 is the same as the electric field direction, the piezoelectric member 6 extends in the thickness direction and tends to contract in the longitudinal direction (radial direction). At this time, since the diaphragm 2 mainly has a two-layer structure of the elastic member 4 and the piezoelectric member 6, the diaphragm 2 deforms in the direction of the nozzle plate 10 as shown by a dotted line in FIG. Therefore, the pressure of the ink 16 in the pressure chamber 15 increases, and the ink 1
6 is pushed out through the nozzle 11 to form an ink droplet outside the ink jet head 1 and eject it. The printing on the print surface is performed by the ejection of the ink droplets.
【００３０】次に、電極１３ａ，１３ｂの電圧印加を断
つと、ダイヤフラム２は図１の待機状態に戻る。Next, when the voltage application to the electrodes 13a and 13b is stopped, the diaphragm 2 returns to the standby state of FIG.
【００３１】図４及び図５は、このインクジェットヘッ
ドのインク滴の吐出速度を、吐出速度計算プログラムで
計算した結果を示す図である。ここで、弾性部材４はニ
ッケル（ヤング率：２１０ＧＰａ）とし、圧電性部材６
はＰＺＴ（ヤング率：５０ＧＰａ）とした。図４はダイ
ヤフラム２の半径ｒが２５０μｍ、圧電性部材６の厚さ
ｔ2が１０〜４０μｍの場合の弾性部材４の厚さｔ1と圧
電性部材６の厚さｔ2の比ｔ1／ｔ2に対する吐出速度の
変化を示したものである。同様に図５はｒ＝２００μ
ｍ、ｔ2＝１０〜３０μｍの場合である。尚、ここでは
電界強度（圧電性部材の単位厚さ当たりの電圧）を３Ｖ
／μｍで行ったが、電界強度はこれに限定されるもので
はない。また、吐出速度と電界強度はほぼ比例の関係に
ある。FIGS. 4 and 5 are diagrams showing the results of calculating the ejection speed of ink droplets of the ink-jet head by using an ejection speed calculation program. Here, the elastic member 4 is made of nickel (Young's modulus: 210 GPa).
Is PZT (Young's modulus: 50 GPa). Figure 4 is the radius r is 250μm diaphragm 2, the piezoelectric element thickness t 2 of 6 of the elastic member 4 in the case of 10~40μm thickness t 1 and the piezoelectric member 6 thickness t 2 ratio t 1 / shows the change in ejection speed relative to t 2. Similarly, FIG.
This is the case where m and t 2 = 10 to 30 μm. Here, the electric field strength (voltage per unit thickness of the piezoelectric member) is 3 V
/ Μm, but the electric field strength is not limited to this. Further, the ejection speed and the electric field strength are in a substantially proportional relationship.
【００３２】図４，図５に示したように、ダイヤフラム
２の半径ｒ（ｍ）と弾性部材４の厚さｔ1（ｍ）の関係
が、ｔ1＝Ｄ・πｒ2（２０≦Ｄ≦２００）であり、圧電
性部材６の厚さｔ2（ｍ）と弾性部材４の厚さｔ1（ｍ）
の関係が、０．２≦ｔ1／ｔ2≦２．０の場合に、吐出速
度は１ｍ／ｓ以上であり、良好な吐出特性が得られた。As shown in FIGS. 4 and 5, the relationship between the radius r (m) of the diaphragm 2 and the thickness t 1 (m) of the elastic member 4 is expressed as t 1 = D · πr 2 (20 ≦ D ≦ is 200), the thickness t 2 of the piezoelectric member 6 (m) and the thickness t 1 of the elastic member 4 (m)
Is 0.2 ≦ t 1 / t 2 ≦ 2.0, the discharge speed is 1 m / s or more, and good discharge characteristics are obtained.
【００３３】特に、ダイヤフラム２の半径がｒ＝２５０
μｍの場合、弾性部材４の厚さｔ1が１５μｍ（Ｄ＝８
０），圧電性部材６の厚さｔ2＝３０μｍ（ｔ1／ｔ2＝
０．５）の構造において、８．５ｍ／ｓの吐出速度が得
られた。In particular, when the radius of the diaphragm 2 is r = 250
μm, the thickness t 1 of the elastic member 4 is 15 μm (D = 8
0), the thickness t 2 of the piezoelectric member 6 = 30 μm (t 1 / t 2 =
In the structure of 0.5), a discharge speed of 8.5 m / s was obtained.
【００３４】また、ダイヤフラム２の半径がｒ＝２００
μｍの場合、弾性部材４の厚さｔ1が１０μｍ（Ｄ＝８
０），圧電性部材６の厚さｔ2＝２０μｍ（ｔ1／ｔ2＝
０．５）の構造において、５．３ｍ／ｓの吐出速度が得
られた。この吐出速度は、ｒ＝２５０μｍの場合より小
さいが、その場合より集積度が向上する。The radius of the diaphragm 2 is r = 200
μm, the thickness t 1 of the elastic member 4 is 10 μm (D = 8
0), the thickness t 2 of the piezoelectric member 6 = 20 μm (t 1 / t 2 =
In the structure of 0.5), a discharge speed of 5.3 m / s was obtained. Although this ejection speed is smaller than when r = 250 μm, the degree of integration is higher than in this case.
【００３５】尚、上記結果は、弾性部材４のヤング率Ｙ
1が１５０ＧＰａ≦Ｙ1≦２５０ＧＰａ、圧電性部材６の
ヤング率Ｙ2が３０ＧＰａ≦Ｙ2≦１７０ＧＰａ範囲内で
あれば、略々同様の傾向を示した。The above result indicates that the Young's modulus Y of the elastic member 4 is
When 1 is in the range of 150 GPa ≦ Y 1 ≦ 250 GPa and the Young's modulus Y 2 of the piezoelectric member 6 is in the range of 30 GPa ≦ Y 2 ≦ 170 GPa, substantially the same tendency was exhibited.
【００３６】圧電性部材６は、圧電定数の大きな材料で
あればどんな材料で構成しても構わないが、特にＰＺＴ
（チタン酸ジルコン酸鉛）の場合は、圧電定数が大きく
良好なインクの吐出特性を示す。圧電性部材６の成膜方
法としては、例えば、基板３にチタン薄膜５を成膜し、
これをＴｉ4+，Ｐｂ2+，Ｚｒ4+イオンの入った水酸化カ
リウム溶液中に浸漬し、温度１５０℃の飽和蒸気圧に設
定したオートクレーブの中に放置すると、チタン薄膜５
の表面にＰＺＴが析出し成長する、いわゆる水熱法によ
り成膜することができる。このときＰＺＴは、予め圧電
性部材の形状にパターニングしたチタン薄膜５の上のみ
に成長するので、ＰＺＴの成膜後のパターニングは不要
である。また、結晶方向は厚さ方向に揃い、さらに基板
方向に分極されるので、結晶化のための熱処理および分
極処理は不要である。このため、素子へのダメージを軽
減できるとともに、むだを省けてコスト低減に貢献でき
る。The piezoelectric member 6 may be made of any material having a large piezoelectric constant.
In the case of (lead zirconate titanate), the piezoelectric constant is large and good ink ejection characteristics are exhibited. As a method of forming the piezoelectric member 6, for example, a titanium thin film 5 is formed on the substrate 3;
This is immersed in a potassium hydroxide solution containing Ti 4+ , Pb 2+ , and Zr 4+ ions and left in an autoclave set at a saturated vapor pressure of 150 ° C. to obtain a titanium thin film 5.
Can be formed by a so-called hydrothermal method in which PZT is deposited and grown on the surface of the substrate. At this time, since the PZT grows only on the titanium thin film 5 which has been previously patterned into the shape of the piezoelectric member, patterning after the PZT is formed is unnecessary. In addition, since the crystal direction is uniform in the thickness direction and is further polarized in the substrate direction, heat treatment and polarization treatment for crystallization are unnecessary. Therefore, damage to the element can be reduced, and waste can be eliminated to contribute to cost reduction.
【００３７】また、圧電性部材６はスパッター法、ゾル
ゲル法、ＣＶＤ法等の簡便な方法で成膜することもでき
る。The piezoelectric member 6 can be formed by a simple method such as a sputtering method, a sol-gel method, and a CVD method.
【００３８】弾性部材４はチタン薄膜５と導通が取れ、
かつ、弾性率が高いニッケル等の金属材料で構成する。
弾性部材４の成膜方法としては、例えば、スルファミン
酸ニッケル浴によるニッケルの電界メッキを用いること
ができる。The elastic member 4 is electrically connected to the titanium thin film 5,
Further, it is made of a metal material such as nickel having a high elastic modulus.
As a method of forming the elastic member 4, for example, nickel electroplating in a nickel sulfamate bath can be used.
【００３９】ノズルプレート１０は、厚さ０．２ｍｍあ
るいはそれ以下のガラス、プラスチックシート、あるい
はニッケル等の金属材料により構成されている。ノズル
プレート１０にはノズルプレート１０を貫通し、かつ、
一定方向に配列された複数個のノズル１１が円錐状また
は漏斗状に形成されている。あるいはノズルプレート１
０には圧力室１５あるいはインクの供給口１２を形成し
ている。The nozzle plate 10 is made of a glass, plastic sheet, or a metal material such as nickel having a thickness of 0.2 mm or less. The nozzle plate 10 penetrates the nozzle plate 10, and
A plurality of nozzles 11 arranged in a certain direction are formed in a conical shape or a funnel shape. Or nozzle plate 1
At 0, a pressure chamber 15 or an ink supply port 12 is formed.
【００４０】次に、このインクジェットヘッドの製造方
法の一例について、図８を用いて、工程順に説明する。Next, an example of a method for manufacturing the ink jet head will be described in the order of steps with reference to FIG.
【００４１】まず、図８（ａ）に示すように、厚さ２０
０μｍのポリイミド基板１００の表面に、厚さ０．０１
μｍのタンタル及び厚さ０．１μｍのニッケルをスパッ
ター法で成膜し（図示しない）、これを電極にして電解
メッキ法により所定の厚さ（例えば１５μｍ）のニッケ
ルメッキ１１０を行う。電解メッキには、例えば、スル
ファミン酸ニッケル浴によるニッケルメッキを用いるこ
とができる。タンタルは、ポリイミド基板１００とニッ
ケルの密着力を上げるために成膜する。First, as shown in FIG.
On the surface of the polyimide substrate 100 having a thickness of 0.01 μm,
A μm tantalum film and a 0.1 μm thick nickel film are formed by sputtering (not shown), and this is used as an electrode to perform nickel plating 110 of a predetermined thickness (for example, 15 μm) by electrolytic plating. For the electrolytic plating, for example, nickel plating using a nickel sulfamate bath can be used. Tantalum is deposited to increase the adhesion between the polyimide substrate 100 and nickel.
【００４２】次に、図８（ｂ）に示すように、表面に厚
さ１μｍのチタン１２０をスパッタ法で成膜し、この上
にフォトレジストを塗布し（図示しない）、形成すべき
圧電性部材の形状に対応したパターニングをイオンミリ
ング等の方法で行う。この状態のシリコン基板１００
を、Ｔｉ4+，Ｐｂ2+，Ｚｒ4+イオンの入った水酸化カリ
ウム溶液中に浸漬し、温度１５０℃の飽和蒸気圧に設定
したオートクレーブの中に放置する。このいわゆる水熱
法により、チタン１２０の表面にＰＺＴ１３０が析出し
所定の厚さ（例えば３０μｍ）に成長する。ＰＺＴ１３
０は、予め圧電素子の形状にパターニングしたチタン１
２０の上のみに成長するので、ＰＺＴ１３０の成膜後の
パターニングは不要である。またＰＺＴの厚さは浸漬時
間で制御することができる。Next, as shown in FIG. 8 (b), a titanium 120 having a thickness of 1 μm is formed on the surface by sputtering, and a photoresist is applied thereon (not shown), and the piezoelectric material to be formed is formed. Patterning corresponding to the shape of the member is performed by a method such as ion milling. The silicon substrate 100 in this state
Is immersed in a potassium hydroxide solution containing Ti 4+ , Pb 2+ , and Zr 4+ ions, and left in an autoclave set to a saturated vapor pressure of 150 ° C. By this so-called hydrothermal method, PZT 130 precipitates on the surface of titanium 120 and grows to a predetermined thickness (for example, 30 μm). PZT13
0 is titanium 1 previously patterned into the shape of a piezoelectric element
Since the PZT is grown only on the substrate 20, patterning after forming the PZT 130 is unnecessary. The thickness of PZT can be controlled by the immersion time.
【００４３】次に、図８（ｃ）に示すように、表面に例
えば厚さ０．５μｍの二酸化シリコン１４０をスパッタ
法で成膜し、この上にフォトレジストを塗布し（図示し
ない）、形成すべき圧電素子駆動電極１３ｂ（図１参
照）の形状に対応したパターニングをＲＩＥ（反応性イ
オンエッチング）等の方法で行う。Next, as shown in FIG. 8C, a silicon dioxide 140 having a thickness of, for example, 0.5 μm is formed on the surface by sputtering, and a photoresist is applied thereon (not shown) to form a film. Patterning corresponding to the shape of the piezoelectric element drive electrode 13b (see FIG. 1) to be performed is performed by a method such as RIE (reactive ion etching).
【００４４】次に、図８（ｄ）に示すように、表面に例
えば厚さ０．２μｍのニッケル１５０をスパッタ法で成
膜し、この上にフォトレジストを塗布し（図示しな
い）、形成すべき上部電極膜８（図１参照）の形状に対
応したパターニングをイオンミリング等の方法で行う。
次に、表面に例えば厚さ０．５μｍの二酸化シリコン１
６０をスパッタ法で成膜し、この上にフォトレジストを
塗布し（図示しない）、形成すべき圧電素子駆動電極１
３ａ（図１参照）の形状に対応したパターニングをＲＩ
Ｅ（反応性イオンエッチング）等の方法で行う。Next, as shown in FIG. 8D, a film of nickel 150 having a thickness of, for example, 0.2 μm is formed on the surface by a sputtering method, and a photoresist is applied thereon (not shown) to form a film. Patterning corresponding to the shape of the upper electrode film 8 to be formed (see FIG. 1) is performed by a method such as ion milling.
Next, for example, silicon dioxide 1 having a thickness of 0.5 μm
60 is formed by sputtering, and a photoresist is applied thereon (not shown), and the piezoelectric element driving electrode 1 to be formed is formed.
Patterning corresponding to the shape of 3a (see FIG. 1) is performed by RI
This is performed by a method such as E (reactive ion etching).
【００４５】次に、図８（ｅ）に示すように、この状態
のポリイミド基板１００の裏面をダイヤフラム１（図１
参照）の形状に対応したメタルマスクあるいはフォトレ
ジストでマスクし、エキシマレーザーでエッチングす
る。エッチングは、ニッケルとポリイミドのエッチング
の選択性によりニッケルでストップする。これで圧力発
生器が完成する。Next, as shown in FIG. 8E, the back surface of the polyimide substrate 100 in this state is placed on the diaphragm 1 (FIG. 1).
Mask) with a metal mask or a photoresist corresponding to the shape described in (1) and etching with an excimer laser. Etching stops at nickel due to the selectivity of nickel and polyimide etching. This completes the pressure generator.
【００４６】最後に、図８（ｆ）に示すように、ノズ
ル、圧力室及びインク供給口を形成したノズルプレート
１７０を接合してインクジェットヘッドが完成する。Finally, as shown in FIG. 8F, the nozzle plate 170 in which the nozzles, the pressure chambers, and the ink supply ports are formed is joined to complete the ink jet head.
【００４７】このようなインクジェットヘッドの製造方
法では、ほぼ薄膜形成法のみでインクジェットヘッドを
製造できるため、機械加工や組み立て作業が必要なく、
集積度の高いインクジェットヘッドを高精度に製造する
ことが可能となる。In such a method of manufacturing an ink-jet head, an ink-jet head can be manufactured almost only by a thin film forming method.
It is possible to manufacture an inkjet head with a high degree of integration with high accuracy.
【００４８】（第２の実施の形態）図６および図７は、
本発明の第２の実施の形態のインクジェットヘッドの構
成を示す主要断面図である。図６は、待機状態にある場
合のインクジェットヘッドの状態を示し、図７は、記録
状態にあるインクジェットヘッドの状態を示している。
ここで、図１，図２と同一部分には同一符号を付してい
る。(Second Embodiment) FIG. 6 and FIG.
It is a principal sectional view showing the composition of the ink jet head of a 2nd embodiment of the present invention. FIG. 6 shows a state of the inkjet head in a standby state, and FIG. 7 shows a state of the inkjet head in a recording state.
Here, the same parts as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.
【００４９】本実施の形態のインクジェットヘッド１
は、圧力発生部材であるダイヤフラム２、及び、ノズル
プレート１０，ノズル１１，インク供給口１２，圧電素
子駆動電極１３ａ，１３ｂ，圧電素子駆動電源１４によ
り構成される。The ink jet head 1 of the present embodiment
Is composed of a diaphragm 2 as a pressure generating member, a nozzle plate 10, a nozzle 11, an ink supply port 12, piezoelectric element drive electrodes 13a and 13b, and a piezoelectric element drive power supply 14.
【００５０】ダイヤフラム２は、延性弾性部材１８を中
心に対称の構造になっており、その両面にチタン薄膜
５，圧電性部材６，下部圧電性部材１７，第１の絶縁膜
７，上部電極膜８，第２の絶縁膜９が形成された構成と
なっている。圧電性部材６，下部圧電性部材１７は予め
矢印方向に分極されている。このダイヤフラム２の構造
以外は第１の実施の形態と同じである。The diaphragm 2 has a symmetric structure with the ductile elastic member 18 as a center, and has titanium thin films 5, piezoelectric members 6, lower piezoelectric members 17, first insulating films 7, and upper electrode films on both surfaces. 8, the second insulating film 9 is formed. The piezoelectric member 6 and the lower piezoelectric member 17 are preliminarily polarized in the direction of the arrow. The structure other than the diaphragm 2 is the same as that of the first embodiment.
【００５１】ただし、両方の圧電素子駆動電極１３ａは
いずれも電源１４により電圧が印加可能である。電極１
３ｂは接地状態とされている。However, a voltage can be applied to both the piezoelectric element drive electrodes 13a by the power supply 14. Electrode 1
3b is grounded.
【００５２】次に、図６および図７を用いて本発明のイ
ンクジェットヘッドの動作について説明する。図７に示
すように電極１３ａに電源１４により電圧を印加する
と、圧電性部材６の分極方向と電界方向が同じなので、
圧電性部材６は厚さ方向に伸び、長手方向（半径方向）
に縮もうとする。また、下部圧電性部材１７の分極方向
と電界方向は異なるので、下部圧電性部材１７は厚さ方
向に縮み、長手方向（半径方向）に伸びようとする。し
たがって、ダイヤフラム２は図５における点線で示すよ
うに、ノズルプレート１０の方向へ変形をする。このた
め、圧力室のインク１６の圧力が上昇し、インク１６が
ノズル１１を通じて外部へ押し出され、インクジェット
ヘッド１の外部にインク滴が形成され吐出する。このイ
ンク滴の吐出によりプリント面への印字が行われる。Next, the operation of the ink jet head of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 7, when a voltage is applied to the electrode 13a by the power supply 14, the polarization direction of the piezoelectric member 6 is the same as the electric field direction.
The piezoelectric member 6 extends in the thickness direction and extends in the longitudinal direction (radial direction).
Try to shrink to Further, since the polarization direction of the lower piezoelectric member 17 is different from the electric field direction, the lower piezoelectric member 17 tends to contract in the thickness direction and expand in the longitudinal direction (radial direction). Therefore, the diaphragm 2 deforms in the direction of the nozzle plate 10 as shown by the dotted line in FIG. Therefore, the pressure of the ink 16 in the pressure chamber increases, and the ink 16 is pushed to the outside through the nozzle 11, and an ink droplet is formed and ejected outside the ink jet head 1. The printing on the print surface is performed by the ejection of the ink droplets.
【００５３】次に、電極１３ａ，１３ｂの電圧印可を断
つと、ダイヤフラム２は図６の待機状態に戻る。Next, when the application of the voltage to the electrodes 13a and 13b is stopped, the diaphragm 2 returns to the standby state shown in FIG.
【００５４】第１の実施の形態と比較すると、下部圧電
性部材１７も伸縮に寄与するため、同じ電界強度の場
合、第２の実施の形態のほうが吐出速度が速くなり、同
じ吐出速度の場合、高集積化が可能である。As compared with the first embodiment, the lower piezoelectric member 17 also contributes to expansion and contraction. Therefore, in the case of the same electric field strength, the discharge speed of the second embodiment is higher and in the case of the same discharge speed. , High integration is possible.
【００５５】圧電性部材６，下部圧電性部材１７は、水
熱法で成膜することができる。このとき、延性弾性部材
１８の両面に、チタン薄膜５を成膜しているので、チタ
ン薄膜５の両面に一括して、圧電性部材６及び下部圧電
性部材１７を成膜することができる。圧電性部材６及び
下部圧電性部材１７は、いずれも延性弾性部材１８の方
向に分極しているので、下部圧電性部材１７のみ成膜後
に分極方向を反転する処理が必要である。The piezoelectric member 6 and the lower piezoelectric member 17 can be formed by a hydrothermal method. At this time, since the titanium thin film 5 is formed on both surfaces of the ductile elastic member 18, the piezoelectric member 6 and the lower piezoelectric member 17 can be formed simultaneously on both surfaces of the titanium thin film 5. Since both the piezoelectric member 6 and the lower piezoelectric member 17 are polarized in the direction of the ductile elastic member 18, it is necessary to perform a process of inverting the polarization direction after forming the lower piezoelectric member 17 only.
【００５６】延性弾性部材１８は、チタン薄膜５と導通
が取れ、かつ、弾性率が高いニッケル等の金属材料で構
成する。The ductile elastic member 18 is made of a metal material such as nickel or the like, which has electrical conductivity with the titanium thin film 5 and has a high elastic modulus.
【００５７】また、ダイヤフラム２は、脆性材料である
ＰＺＴだけでなくニッケル等の延性材料を挟んだ積層構
造になっているので、疲労破壊に強くヘッドの寿命が長
くなる。Further, since the diaphragm 2 has a laminated structure sandwiching not only PZT, which is a brittle material, but also a ductile material such as nickel, it is resistant to fatigue failure and the life of the head is extended.
【００５８】次に、このインクジェットヘッドの製造方
法の一例について、図９を用いて工程順に説明する。こ
こで、図８と同一部分については同一符号を付してい
る。Next, an example of a method for manufacturing this ink jet head will be described in the order of steps with reference to FIG. Here, the same portions as those in FIG. 8 are denoted by the same reference numerals.
【００５９】まず、図９（ａ）に示すように、厚さ２０
μｍのニッケル基板２００の表裏両面に、厚さ１μｍの
チタン１２０をスパッタ法で成膜し、この上にフォトレ
ジストを塗布し（図示しない）、形成すべき圧電性部材
の形状に対応したパターニングをイオンミリング等の方
法で行う。First, as shown in FIG.
A titanium 120 having a thickness of 1 μm is formed on both sides of a nickel substrate 200 having a thickness of 1 μm by sputtering, and a photoresist is applied thereon (not shown), and patterning corresponding to the shape of the piezoelectric member to be formed is performed. This is performed by a method such as ion milling.
【００６０】次に、図９（ｂ）に示すように、この状態
のニッケル基板２００を、前記の水熱処理をし、両面の
チタン１２０の表面に所定の厚さ（例えば３０μｍ）の
ＰＺＴを成膜する。ＰＺＴ１３０は、予め圧電素子の形
状にパターニングしたチタン１２０の上のみに成長する
ので、ＰＺＴ１３０の成膜後のパターニングは不要であ
る。Next, as shown in FIG. 9B, the nickel substrate 200 in this state is subjected to the above-mentioned hydrothermal treatment to form PZT of a predetermined thickness (for example, 30 μm) on the surfaces of the titanium 120 on both sides. Film. Since the PZT 130 grows only on the titanium 120 previously patterned into the shape of the piezoelectric element, patterning after the PZT 130 is formed is unnecessary.
【００６１】次に、図９（ｃ）に示すように、両面の表
面に例えば厚さ０．５μｍの二酸化シリコン１４０をス
パッタ法で成膜し、この上にフォトレジストを塗布し
（図示しない）、形成すべき圧電素子駆動電極１３ｂ
（図６参照）の形状に対応したパターニングをＲＩＥ
（反応性イオンエッチング）等の方法で行う。Next, as shown in FIG. 9C, a silicon dioxide 140 having a thickness of, for example, 0.5 μm is formed on both surfaces by sputtering, and a photoresist is applied thereon (not shown). The piezoelectric element drive electrode 13b to be formed
RIE for patterning corresponding to the shape (see FIG. 6)
(Reactive ion etching).
【００６２】次に図９（ｄ）に示すように、両面の表面
に例えば厚さ０．２μｍのニッケル１５０をスパッタ法
で成膜し、この上にフォトレジストを塗布し（図示しな
い）、形成すべき上部電極膜８（図６参照）の形状に対
応したパターニングをイオンミリング等の方法で行う。Next, as shown in FIG. 9D, nickel 150 having a thickness of, for example, 0.2 μm is formed on both surfaces by sputtering, and a photoresist is applied thereon (not shown) to form a film. Patterning corresponding to the shape of the upper electrode film 8 (see FIG. 6) to be performed is performed by a method such as ion milling.
【００６３】次に、図９（ｅ）に示すように、両面の表
面に例えば厚さ０．５μｍの二酸化シリコン１６０をス
パッタ法で成膜し、この上にフォトレジストを塗布し
（図示しない）、形成すべき圧電素子駆動電極１３ａ
（図６参照）の形状に対応したパターニングをＲＩＥ
（反応性イオンエッチング）等の方法で行う。これで圧
力発生器が完成する。Next, as shown in FIG. 9E, a silicon dioxide 160 having a thickness of, for example, 0.5 μm is formed on both surfaces by sputtering, and a photoresist is applied thereon (not shown). , Piezoelectric element drive electrode 13a to be formed
RIE for patterning corresponding to the shape (see FIG. 6)
(Reactive ion etching). This completes the pressure generator.
【００６４】最後に、図９（ｆ）に示すように、ノズ
ル、圧力室及びインク供給口を形成したノズルプレート
１７０を接合してインクジェットヘッドが完成する。Finally, as shown in FIG. 9F, the ink jet head is completed by joining the nozzle plate 170 in which the nozzles, the pressure chambers, and the ink supply ports are formed.
【００６５】このような製造方法によれば、機械加工や
精密な組み立て作業が必要なく、ほぼ薄膜形成法のみで
インクジェットヘッドの製造が行えるため、高集積度の
インクジェットヘッドを高精度に製造することが可能と
なる。According to such a manufacturing method, it is possible to manufacture an inkjet head with a high degree of integration with a high degree of accuracy because the inkjet head can be manufactured by almost only the thin film forming method without the need for machining and precise assembly work. Becomes possible.
【００６６】[0066]
【発明の効果】本発明のインクジェットヘッドは、薄膜
型の圧電性部材と弾性部材とを用いているため、厚み寸
法や外形寸法において大幅な小型化が可能となる。これ
により、インクジェットヘッドの高密度化が可能とな
り、繊細かつ高速の印字が可能となる。しかも、従来の
バブルジェットに比べて長寿命となる。The ink jet head of the present invention uses a thin film type piezoelectric member and an elastic member, so that the size and thickness can be significantly reduced. As a result, the density of the inkjet head can be increased, and delicate and high-speed printing can be performed. Moreover, the service life is longer than that of the conventional bubble jet.
【００６７】特に、ダイヤフラムの半径、弾性部材、圧
電性部材の寸法を最適化することにより、さらに高密度
化が可能となり、繊細かつ高速の印字が可能となる。In particular, by optimizing the radius of the diaphragm, the size of the elastic member and the size of the piezoelectric member, it is possible to further increase the density and to perform delicate and high-speed printing.
【００６８】また、薄膜型の圧電性部材、延性弾性部
材、薄膜型の圧電性部材の３層構造とすることにより、
インクの吐出速度を大きくし、さらに高密度化が可能と
なり、繊細かつ高速の印字が可能となる。また、圧電性
部材だけでなくニッケル等の延性材料を挟んだ積層構造
になっているので、疲労破壊に強くヘッドの寿命が長く
なる。Further, by adopting a three-layer structure of a thin film type piezoelectric member, a ductile elastic member, and a thin film type piezoelectric member,
It is possible to increase the ink ejection speed and further increase the density, thereby enabling delicate and high-speed printing. Further, since the laminated structure sandwiches not only the piezoelectric member but also a ductile material such as nickel, the head is resistant to fatigue failure and the life of the head is extended.
【００６９】また、本発明の製造方法では、半導体プロ
セスにより製造するので、従来のような煩雑な機械加工
と組み立て作業を省略できるようになり、低コスト化が
可能となる。しかも、圧電性部材を水熱法により成膜し
ているので、圧電性部材の成膜温度が低く、素子へのダ
メージを軽減できるとともに、圧電素子のパターニング
と分極処理を省略できるようになる等、むだを省けてコ
スト低減に貢献できる。Further, according to the manufacturing method of the present invention, since the semiconductor device is manufactured by a semiconductor process, complicated machining and assembling work as in the prior art can be omitted, and the cost can be reduced. In addition, since the piezoelectric member is formed by a hydrothermal method, the film forming temperature of the piezoelectric member is low, damage to the element can be reduced, and patterning and polarization of the piezoelectric element can be omitted. This can contribute to cost reduction by eliminating waste.
【図１】第１の実施の形態のインクジェットヘッドの待
機中の状態を示す主要断面図である。FIG. 1 is a main cross-sectional view illustrating a state of a standby state of an inkjet head according to a first embodiment.
【図２】第１の実施の形態のインクジェットヘッドの記
録時の状態を示す主要断面図である。FIG. 2 is a main cross-sectional view illustrating a state of the inkjet head according to the first embodiment during recording.
【図３】第１の実施の形態のインクジェットヘッドの平
面図である。FIG. 3 is a plan view of the inkjet head according to the first embodiment.
【図４】第１の実施の形態のインクジェットヘッドのイ
ンク滴の吐出速度の計算結果（ｒ＝２５０μｍ）を示す
図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a calculation result (r = 250 μm) of an ejection speed of an ink droplet of the inkjet head according to the first embodiment.
【図５】第１の実施の形態のインクジェットヘッドのイ
ンク滴の吐出速度の計算結果（ｒ＝２００μｍ）を示す
図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a calculation result (r = 200 μm) of an ejection speed of ink droplets of the inkjet head according to the first embodiment.
【図６】第２の実施の形態のインクジェットヘッドの待
機中の状態を示す主要断面図である。FIG. 6 is a main cross-sectional view illustrating a state in which an inkjet head according to a second embodiment is on standby.
【図７】第２の実施の形態２のインクジェットヘッドの
記録時の状態を示す主要断面図である。FIG. 7 is a main cross-sectional view illustrating a state during recording of an inkjet head according to a second embodiment.
【図８】図１のインクジェットヘッドの製造方法の一例
を説明する工程図である。8 is a process chart illustrating an example of a method for manufacturing the ink jet head of FIG.
【図９】図２のインクジェットヘッドの製造方法の一例
を説明する工程図である。9 is a process chart illustrating an example of a method for manufacturing the ink jet head of FIG.
【図１０】従来のインクジェットヘッドの構造を表す図
である。FIG. 10 is a diagram illustrating a structure of a conventional inkjet head.
【図１１】従来のインクジェットヘッドの記録原理を説
明する図である。FIG. 11 is a diagram illustrating a recording principle of a conventional inkjet head.
【図１２】従来の他のインクジェットヘッドの構造を表
す図である。FIG. 12 is a diagram illustrating a structure of another conventional inkjet head.
【図１３】従来の更に他のインクジェットヘッドの構造
を表す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating a structure of still another conventional inkjet head.
１ インクジェットヘッド ２ ダイヤフラム ３ 基板 ４ 弾性部材 ５ チタン薄膜 ６ 圧電性部材 ７ 第１の絶縁膜 ８ 上部電極膜 ９ 第２の絶縁膜 １０ ノズルプレート １１ ノズル１１ １２ インク供給口 １３ａ，１３ｂ 圧電素子駆動電極 １４ 圧電素子駆動電源 １５ 圧力室 １６ インク １７ 下部圧電性部材 １８ 延性弾性部材 REFERENCE SIGNS LIST 1 inkjet head 2 diaphragm 3 substrate 4 elastic member 5 titanium thin film 6 piezoelectric member 7 first insulating film 8 upper electrode film 9 second insulating film 10 nozzle plate 11 nozzle 11 12 ink supply port 13a, 13b piezoelectric element drive electrode 14 piezoelectric element drive power supply 15 pressure chamber 16 ink 17 lower piezoelectric member 18 ductile elastic member
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿部 新吾 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 乾 哲也 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭50−140227（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−5269（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−203655（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−69178（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−371845（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−112543（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−104004（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B41J 2/045 B41J 2/16 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Shingo Abe 22-22, Nagaikecho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka Inside Sharp Corporation (72) Inventor Tetsuya Inui 22-22, Nagaikecho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka Sharp Corporation (56) References JP-A-50-140227 (JP, A) JP-A-58-5269 (JP, A) JP-A-3-203655 (JP, A) JP-A-56-69178 (JP, A) JP-A-4-371845 (JP, A) JP-A-6-112543 (JP, A) JP-A-8-104004 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) B41J 2/045 B41J 2/16
Claims (6)
の壁面の一部を構成する部材であって圧電性部材の変位
により変形するダイヤフラムと、前記圧力室内からイン
クを吐出させる吐出口を有し、前記ダイヤフラムの変形
により、前記吐出口からインクを吐出させるインクジェ
ットヘッドにおいて、 前記ダイヤフラムは、前記圧電性部材と弾性部材が積層
されて形成されており、 前記弾性部材のヤング率Ｙ1が１５０ＧＰａ≦Ｙ1≦２５
０ＧＰａ、前記圧電性部材のヤング率Ｙ2が３０ＧＰａ
≦Ｙ2≦１７０ＧＰａであり、 前記ダイヤフラムの半径をｒ（ｍ），前記弾性部材の厚
さをｔ1（ｍ），前記圧電性部材の厚さをｔ2（ｍ）とし
たときに、ｔ1＝Ｄ・πｒ2（２０≦Ｄ≦２００）であ
り、かつ、０．２≦ｔ1／ｔ2≦２．０であることを特徴
とするインクジェットヘッド。A pressure chamber filled with ink; and a pressure chamber filled with ink.
A diaphragm forming a part of the wall surface of the piezoelectric member, the diaphragm being deformed by displacement of a piezoelectric member, and a discharge port discharging ink from the pressure chamber, and discharging the ink from the discharge port by the deformation of the diaphragm. In the inkjet head, the diaphragm is formed by laminating the piezoelectric member and the elastic member, and the elastic member has a Young's modulus Y 1 of 150 GPa ≦ Y 1 ≦ 25.
0 GPa, the Young's modulus Y 2 of the piezoelectric member is 30 GPa
≦ Y 2 ≦ 170 GPa, and when the radius of the diaphragm is r (m), the thickness of the elastic member is t 1 (m), and the thickness of the piezoelectric member is t 2 (m), t An ink jet head, wherein 1 = D · πr 2 (20 ≦ D ≦ 200) and 0.2 ≦ t 1 / t 2 ≦ 2.0.
の壁面の一部を構成する部材であって圧電性部材の変位
により変形するダイヤフラムと、前記圧力室内からイン
クを吐出させる吐出口を有し、前記ダイヤフラムの変形
により、前記吐出口からインクを吐出させるインクジェ
ットヘッドにおいて、 前記ダイヤフラムは、電圧の印加により厚さ方向に伸び
長手方向に縮むよう設定された第１の圧電性部材と、延
性弾性部材と、電圧の印加により厚さ方向に縮み長手方
向に伸びるよう設定された第２の圧電性部材とを前記延
性弾性部材を中心に対称な構造に積層したことを特徴と
するインクジェットヘッド。2. A pressure chamber filled with ink, and said pressure chamber.
A diaphragm forming a part of the wall surface of the piezoelectric member, the diaphragm being deformed by displacement of a piezoelectric member, and a discharge port discharging ink from the pressure chamber, and discharging the ink from the discharge port by the deformation of the diaphragm. In the inkjet head, the diaphragm is configured to extend in the thickness direction by applying a voltage, and to be expanded and contracted in the longitudinal direction; a ductile elastic member; And a second piezoelectric member set to extend
An ink-jet head characterized in that it is laminated in a symmetrical structure around a flexible elastic member .
ェットヘッドの製造方法であって、 前記圧電性部材を水熱法により積層形成することを特徴
とするインクジェットヘッドの製造方法。3. The method for manufacturing an ink jet head according to claim 1, wherein the piezoelectric members are formed by lamination using a hydrothermal method.
の製造方法であって、 基板の表面上に、前記弾性部材を形成する工程と、 前記弾性部材の上に所定のパターンを持つチタン薄膜を
成膜する工程と、 水熱法により前記チタン薄膜の上にのみ前記圧電性部材
を成膜する工程と、 前記圧電性部材の上に第１の絶縁膜を形成する工程と、 前記絶縁膜の上に所定のパターンを持つの電極層を形成
する工程と、 前記電極層上に第２の絶縁膜を形成する工程と、 前記基板の裏面を前記ダイヤフラムに対応する形状にエ
ッチングする工程と、 前記基板に、前記吐出口を有し前記圧力室を構成するノ
ズルプレートを接合する工程と、を有することを特徴と
するインクジェットヘッドの製造方法。4. The method for manufacturing an ink jet head according to claim 1, wherein the step of forming the elastic member is performed on a surface of a substrate, and the step of forming a titanium thin film having a predetermined pattern on the elastic member. Forming a film, forming the piezoelectric member only on the titanium thin film by a hydrothermal method, forming a first insulating film on the piezoelectric member, Forming an electrode layer having a predetermined pattern on the electrode layer; forming a second insulating film on the electrode layer; etching a back surface of the substrate into a shape corresponding to the diaphragm; And a step of joining a nozzle plate having the discharge port and constituting the pressure chamber.
の製造方法であって、 延性弾性部材からなる基板の表裏両面上に所定のパター
ンを持つチタン薄膜を成膜する工程と、 水熱法により前記両面のチタン薄膜の上にのみ圧電性部
材を成膜する工程と、 前記両面の圧電性部材の上に第１の絶縁膜を形成する工
程と、 前記両面の第１の絶縁膜の上に所定のパターンを持つ電
極層を形成する工程と、 前記両面の電極層上に第２の絶縁膜を形成する工程と、 前記基板に、前記吐出口を有し前記圧力室を構成するノ
ズルプレートを接合する工程と、を有することを特徴と
するインクジェットヘッドの製造方法。5. The method for manufacturing an ink jet head according to claim 2, wherein a titanium thin film having a predetermined pattern is formed on both front and back surfaces of a substrate made of a ductile elastic member, and said method is performed by a hydrothermal method. Forming a piezoelectric member only on the titanium thin film on both surfaces; forming a first insulating film on the piezoelectric member on both surfaces; and forming a first insulating film on the first insulating film on both surfaces. Forming an electrode layer having the following pattern; forming a second insulating film on the electrode layers on both surfaces; bonding a nozzle plate having the discharge port and forming the pressure chamber to the substrate; And a method for manufacturing an ink jet head.
の壁面の一部を構成する部材であって圧電性部材の変位
により変形するダイヤフラムと、前記圧力室内からイン
クを吐出させる吐出口を有し、前記ダイヤフラムの変形
により、 前記吐出口からインクを吐出させるインクジェットヘッ
ドにおいて、 前記ダイヤフラムは、電圧の印加により厚さ方向に伸び
長手方向に縮むよう設定された第１の圧電性部材と、延
性弾性部材と、電圧の印加により厚さ方向に縮み長手方
向に伸びるよう設定された第２の圧電性部材と、が積層
されたインクジェットヘッドの製造方法であって、 延性弾性部材からなる基板の表裏両面上に所定のパター
ンを持つチタン薄膜を成膜する工程と、 水熱法により前記両面のチタン薄膜の上にのみ圧電性部
材を成膜する工程と、 前記両面の圧電性部材の上に第１の絶縁膜を形成する工
程と、 前記両面の第１の絶縁膜の上に所定のパターンを持つ電
極層を形成する工程と、 前記両面の電極層上に第２の絶縁膜を形成する工程と、 前記基板に、前記吐出口を有し前記圧力室を構成するノ
ズルプレートを接合する工程と、を有することを特徴と
するインクジェットヘッドの製造方法。 6. A pressure chamber filled with ink, and said pressure chamber.
Displacement of the piezoelectric member
Diaphragm from the pressure chamber.
The diaphragm has a discharge port for discharging
The ink-jet heads to eject ink from said discharge port
The diaphragm extends in the thickness direction by applying a voltage.
A first piezoelectric member set to shrink in the longitudinal direction;
Elastic member and shrink in thickness direction by applying voltage
And a second piezoelectric member set to extend in the direction
A method for manufacturing an inkjet head, comprising: forming a predetermined pattern on both front and back surfaces of a substrate made of a ductile elastic member.
Forming a titanium thin film having a piezoelectric element, and a piezoelectric portion only on the titanium thin film on both sides by a hydrothermal method.
Forming a first insulating film on the piezoelectric members on the both surfaces.
And an electrode having a predetermined pattern on the first insulating film on both surfaces.
Forming a pole layer; forming a second insulating film on the electrode layers on both sides; forming a pressure chamber having the discharge port on the substrate.
Joining a skewer plate,
Of manufacturing an inkjet head.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10282196A JP3238069B2 (en) | 1996-04-24 | 1996-04-24 | Ink jet head and method of manufacturing the same |
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| JPH09286102A JPH09286102A (en) | 1997-11-04 |
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| JP (1) | JP3238069B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2974867A4 (en) * | 2013-03-15 | 2017-08-02 | Konica Minolta, Inc. | Inkjet head, method for manufacturing same, and inkjet printer |
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| JP5288530B2 (en) * | 2007-03-30 | 2013-09-11 | 富士フイルム株式会社 | Piezoelectric element manufacturing method and liquid discharge head manufacturing method |
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- 1996-04-24 JP JP10282196A patent/JP3238069B2/en not_active Expired - Fee Related
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