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JP2019014229A - Piezoelectric device, liquid jet head and liquid jet device - Google Patents

Piezoelectric device, liquid jet head and liquid jet device Download PDF

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JP2019014229A
JP2019014229A JP2018078914A JP2018078914A JP2019014229A JP 2019014229 A JP2019014229 A JP 2019014229A JP 2018078914 A JP2018078914 A JP 2018078914A JP 2018078914 A JP2018078914 A JP 2018078914A JP 2019014229 A JP2019014229 A JP 2019014229A
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JP
Japan
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diaphragm
liquid
liquid supply
zirconium oxide
flow path
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Withdrawn
Application number
JP2018078914A
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Japanese (ja)
Inventor
雅夫 中山
Masao Nakayama
雅夫 中山
本規 ▲高▼部
本規 ▲高▼部
Honki Takabe
栄樹 平井
Eiki Hirai
栄樹 平井
矢崎 士郎
Shiro Yazaki
士郎 矢崎
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Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
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Publication date
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Priority to CN201810724152.4A priority patent/CN109203694A/en
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Abstract

【課題】圧電素子の変位を阻害することなく、液供給口の周囲の膜の破壊を抑制した圧電デバイス、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供する。
【解決手段】ノズルから液体を噴射する液体噴射ヘッドに用いられる圧電デバイスであって、前記ノズルに連通する個別液室12、14、15と、前記個別液室12、14、15に連通する液供給室13と、が形成された流路形成基板10と、前記流路形成基板10の前記個別液室12、14、15と前記液供給室13とに対応する位置に形成された振動板50と、前記液供給室13に形成された複数の液供給口16と、第1電極60と圧電体層70と第2電極80とを含み、前記振動板50の前記個別液室12、14、15に対応する位置に形成された圧電素子300と、を具備し、前記液供給口16は、前記振動板50を貫通して設けられており、前記振動板50は、酸化ジルコニウムを含む。
【選択図】図4
A piezoelectric device, a liquid ejecting head, and a liquid ejecting apparatus that suppress the destruction of a film around a liquid supply port without hindering displacement of a piezoelectric element.
A piezoelectric device used in a liquid ejecting head for ejecting liquid from a nozzle, wherein individual liquid chambers are connected to the nozzle, and liquids are connected to the individual liquid chambers. A flow path forming substrate 10 in which a supply chamber 13 is formed, and a diaphragm 50 formed at a position corresponding to the individual liquid chambers 12, 14, 15 of the flow path forming substrate 10 and the liquid supply chamber 13. A plurality of liquid supply ports 16 formed in the liquid supply chamber 13, a first electrode 60, a piezoelectric layer 70, and a second electrode 80, and the individual liquid chambers 12, 14 of the diaphragm 50, 15 and the piezoelectric element 300 formed at a position corresponding to 15, the liquid supply port 16 is provided through the diaphragm 50, and the diaphragm 50 contains zirconium oxide.
[Selection] Figure 4

Description

本発明は、圧電素子を有する圧電デバイス、圧電デバイスを有する液体噴射ヘッド及び液体噴射ヘッドを具備する液体噴射装置に関する。   The present invention relates to a piezoelectric device having a piezoelectric element, a liquid ejecting head having a piezoelectric device, and a liquid ejecting apparatus including the liquid ejecting head.

液体噴射ヘッドの代表的な例であるインクジェット式記録ヘッドに用いられる圧電デバイスとしては、ノズルに連通する個別流路と、個別流路に連通する液供給室とが設けられた流路形成基板と、流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられた圧電素子と、を具備するものがある。   As a piezoelectric device used in an ink jet recording head which is a typical example of a liquid ejecting head, a flow path forming substrate provided with an individual flow path communicating with a nozzle and a liquid supply chamber communicating with the individual flow path, And a piezoelectric element provided on one side of the flow path forming substrate via a vibration plate.

このような圧電デバイスを有するインクジェット式記録ヘッドには、振動板に液供給室に連通する複数の液供給口を設けることで、振動板をフィルター化した構成が開示されている(例えば、特許文献1参照)。   An ink jet recording head having such a piezoelectric device discloses a configuration in which a diaphragm is formed into a filter by providing the diaphragm with a plurality of liquid supply ports communicating with a liquid supply chamber (for example, Patent Documents). 1).

特開2013−993号公報JP2013-993A

しかしながら、振動板に液供給口を形成する場合、振動板にインクの供給圧が印加されるため破壊されやすいという問題がある。   However, when the liquid supply port is formed in the vibration plate, there is a problem that the ink supply pressure is applied to the vibration plate and thus the liquid supply port is easily broken.

このため、特許文献1では、液供給口を形成する振動板を、多数の層を積層して形成することで振動板の内部応力を調整して振動板の破壊を抑制している。しかしながら、多数の層が積層されて振動板が厚くなることで、圧電素子の変形を阻害してしまい変位特性が低下してしまうという問題がある。   For this reason, in patent document 1, the internal stress of a diaphragm is adjusted by forming the diaphragm which forms a liquid supply port by laminating | stacking many layers, and the destruction of a diaphragm is suppressed. However, since a large number of layers are stacked and the diaphragm is thickened, there is a problem that the deformation of the piezoelectric element is hindered and the displacement characteristics are deteriorated.

なお、このような問題はインクジェット式記録ヘッドだけではなく、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドに用いられる圧電デバイスにおいても同様に存在する。   Such a problem exists not only in an ink jet recording head but also in a piezoelectric device used in a liquid ejecting head that ejects liquid other than ink.

本発明はこのような事情に鑑み、圧電素子の変位を阻害することなく、液供給口の周囲の膜の破壊を抑制した圧電デバイス、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを目的とする。   In view of such circumstances, it is an object of the present invention to provide a piezoelectric device, a liquid ejecting head, and a liquid ejecting apparatus that suppress the destruction of a film around a liquid supply port without inhibiting displacement of the piezoelectric element. .

上記課題を解決する本発明の態様は、ノズルから液体を噴射する液体噴射ヘッドに用いられる圧電デバイスであって、前記ノズルに連通する個別液室と、前記個別液室に連通する液供給室と、が形成された流路形成基板と、前記流路形成基板の前記個別液室と前記液供給室とに対応する位置に形成された振動板と、前記液供給室に形成された複数の液供給口と、第1電極と圧電体層と第2電極とを含み、前記振動板の前記個別液室に対応する位置に形成された圧電素子と、を具備し、前記液供給口は、前記振動板を貫通して設けられており、前記振動板は、酸化ジルコニウムを含むことを特徴とする圧電デバイスにある。   An aspect of the present invention that solves the above problem is a piezoelectric device used in a liquid ejecting head that ejects liquid from a nozzle, and includes an individual liquid chamber that communicates with the nozzle, a liquid supply chamber that communicates with the individual liquid chamber, , A flow path forming substrate, a diaphragm formed at a position corresponding to the individual liquid chamber and the liquid supply chamber of the flow path forming substrate, and a plurality of liquids formed in the liquid supply chamber A supply port; and a piezoelectric element that includes a first electrode, a piezoelectric layer, and a second electrode, and is formed at a position corresponding to the individual liquid chamber of the diaphragm, and the liquid supply port includes The piezoelectric device is provided to penetrate through the diaphragm, and the diaphragm includes zirconium oxide.

また、本発明の他の態様は、上記態様の圧電デバイスを具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。   According to another aspect of the invention, there is provided a liquid ejecting head including the piezoelectric device according to the above aspect.

さらに、本発明の他の態様は、上記態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。   According to another aspect of the invention, there is provided a liquid ejecting apparatus including the liquid ejecting head according to the above aspect.

係る記録ヘッドの分解斜視図である。FIG. 3 is an exploded perspective view of the recording head. 記録ヘッドの平面図である。FIG. 2 is a plan view of a recording head. 記録ヘッドの断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a recording head. 記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a main part of the recording head. 記録装置の概略構成を示す図である。1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a recording apparatus.

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ただし、以下の説明は、本発明の一態様を示すものであって、本発明の範囲内で任意に変更可能である。各図において同じ符号を付したものは、同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。また、各図において、X、Y、Zは、互いに直交する3つの空間軸を表している。本明細書では、これらの軸に沿った方向を第1の方向X、第2の方向Y、及び第3の方向Zとして説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the following description shows one embodiment of the present invention, and can be arbitrarily changed within the scope of the present invention. In the drawings, the same reference numerals denote the same members, and descriptions thereof are omitted as appropriate. In each figure, X, Y, and Z represent three spatial axes that are orthogonal to each other. In the present specification, directions along these axes will be described as a first direction X, a second direction Y, and a third direction Z.

(実施形態)
図1は、本発明の実施形態に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図2は、インクジェット式記録ヘッドの平面図であり、図3は、図2のA−A′線断面図であり、図4は、図3の要部を拡大した図である。
(Embodiment)
FIG. 1 is an exploded perspective view of an ink jet recording head which is an example of a liquid jet head according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a plan view of the ink jet recording head, and FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line AA ′, and FIG. 4 is an enlarged view of a main part of FIG. 3.

図示するように、インクジェット式記録ヘッド1(以下、単に記録ヘッド1とも言う)を構成する流路形成基板10は、ステンレス鋼やNiなどの金属、ZrOあるいはAlを代表とするセラミック材料、ガラスセラミック材料、SiO、MgO、LaAlOのような酸化物などを用いることができる。本実施形態では、流路形成基板10は、シリコン単結晶基板からなる。 As shown in the figure, the flow path forming substrate 10 constituting the ink jet recording head 1 (hereinafter also simply referred to as the recording head 1) is made of a metal such as stainless steel or Ni, a ceramic typified by ZrO 2 or Al 2 O 3. Materials, glass ceramic materials, oxides such as SiO 2 , MgO, and LaAlO 3 can be used. In the present embodiment, the flow path forming substrate 10 is made of a silicon single crystal substrate.

この流路形成基板10には、一方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁11によって区画された圧力発生室12がインクを吐出する複数のノズル21が並設される第1の方向Xに沿って並設されている。また、流路形成基板10には、第2の方向Yにおける圧力発生室12の一端側にインク供給路14と連通路15とが隔壁11によって区画されている。すなわち、本実施形態では、流路形成基板10には、各ノズル21に連通する個別流路として、圧力発生室12とインク供給路14と連通路15とが設けられている。   The flow path forming substrate 10 is provided with a plurality of nozzles 21 in which pressure generating chambers 12 partitioned by a plurality of partition walls 11 discharge ink by performing anisotropic etching from one surface side. They are arranged along the direction X. Further, in the flow path forming substrate 10, an ink supply path 14 and a communication path 15 are partitioned by a partition wall 11 at one end side of the pressure generating chamber 12 in the second direction Y. That is, in the present embodiment, the flow path forming substrate 10 is provided with the pressure generation chamber 12, the ink supply path 14, and the communication path 15 as individual flow paths communicating with the nozzles 21.

また、連通路15の第2の方向Yにおける一端には、各圧力発生室12の共通の液体室となる連通部13が形成されている。本実施形態では、連通部13が、個別流路にインクを供給する液供給室となっている。すなわち、流路形成基板10には、圧力発生室12、連通部13、インク供給路14及び連通路15からなる液体流路が設けられている。   In addition, a communication portion 13 serving as a common liquid chamber for the pressure generation chambers 12 is formed at one end of the communication passage 15 in the second direction Y. In the present embodiment, the communication portion 13 is a liquid supply chamber that supplies ink to the individual flow paths. That is, the flow path forming substrate 10 is provided with a liquid flow path including a pressure generation chamber 12, a communication portion 13, an ink supply path 14, and a communication path 15.

インク供給路14は、第1の方向Xにおいて圧力発生室12よりも狭い幅で形成されており、連通部13から圧力発生室12に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、インク供給路14は、幅を絞る構成に限定されず、第3の方向Zの高さを絞るようにしてもよい。   The ink supply path 14 is formed with a width narrower than that of the pressure generation chamber 12 in the first direction X, and maintains a constant flow path resistance of ink flowing into the pressure generation chamber 12 from the communication portion 13. Note that the ink supply path 14 is not limited to a configuration in which the width is reduced, and the height in the third direction Z may be reduced.

流路形成基板10の圧力発生室12の開口する面側には、各圧力発生室12のインク供給路14とは反対側の端部近傍に連通するノズル21が穿設されたノズルプレート20が、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート20は、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又はステンレス鋼などからなる。   On the surface of the flow path forming substrate 10 where the pressure generating chambers 12 are opened, there is a nozzle plate 20 in which nozzles 21 communicating with the vicinity of the end of each pressure generating chamber 12 on the side opposite to the ink supply path 14 are formed. It is fixed by an adhesive or a heat welding film. The nozzle plate 20 is made of glass ceramics, a silicon single crystal substrate, stainless steel, or the like.

一方、このような流路形成基板10のノズルプレート20とは反対側の面には、振動板50が形成されている。本実施形態の振動板50は、流路形成基板10側に設けられた酸化シリコンを含む弾性膜51と、弾性膜51上に設けられた酸化ジルコニウムを含む絶縁体膜52と、を具備する。なお、圧力発生室12等の液体流路は、流路形成基板10をノズルプレート20が接合された面側から異方性エッチングすることにより形成されており、圧力発生室12のノズルプレート20とは反対側の面は弾性膜51によって画成されている。   On the other hand, a diaphragm 50 is formed on the surface of the flow path forming substrate 10 opposite to the nozzle plate 20. The diaphragm 50 of this embodiment includes an elastic film 51 containing silicon oxide provided on the flow path forming substrate 10 side, and an insulator film 52 containing zirconium oxide provided on the elastic film 51. The liquid flow path such as the pressure generation chamber 12 is formed by anisotropically etching the flow path forming substrate 10 from the surface side where the nozzle plate 20 is joined. The opposite surface is defined by the elastic film 51.

なお、酸化シリコン(SiO)を含む弾性膜51は、例えば、シリコン単結晶基板からなる流路形成基板10を熱酸化することによって形成することができる。このように形成された酸化シリコンを含む弾性膜51は、内部応力が圧縮応力となっている。すなわち、本実施形態では、弾性膜51が内部応力が圧縮応力を有する圧縮応力膜となっている。また、圧縮応力膜である弾性膜51の材料は酸化シリコンに限定されず、例えば、窒化シリコン(SiN)、酸化チタン(TiO)などを用いてもよい。すなわち、弾性膜51は、酸化シリコン(SiO)、窒化シリコン(SiN)、酸化チタン(TiO)から選択される少なくとも1種の材料を単層又は積層したものを用いることができる。もちろん、弾性膜51の製造方法は、上述したものに限定されず、気相法や液相法で形成することもできる。また、弾性膜51は、内部応力が圧縮応力を有する膜に限定されず、内部応力が引っ張り応力を有する膜であってもよい。 The elastic film 51 containing silicon oxide (SiO 2 ) can be formed, for example, by thermally oxidizing the flow path forming substrate 10 made of a silicon single crystal substrate. In the elastic film 51 containing silicon oxide formed in this way, the internal stress is a compressive stress. That is, in this embodiment, the elastic film 51 is a compressive stress film in which the internal stress has a compressive stress. The material of the elastic film 51 that is a compressive stress film is not limited to silicon oxide, and for example, silicon nitride (SiN), titanium oxide (TiO x ), or the like may be used. That is, the elastic film 51 may be a single layer or a laminate of at least one material selected from silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN), and titanium oxide (TiO x ). Of course, the manufacturing method of the elastic film 51 is not limited to the above-described method, and can be formed by a gas phase method or a liquid phase method. The elastic film 51 is not limited to a film having internal stress having compressive stress, and may be a film having internal stress having tensile stress.

酸化ジルコニウムを含む絶縁体膜52は、スパッタリング法、CVD法(化学蒸着法)等の気相法やゾル−ゲル法、MOD(Metal-Organic Decomposition)法等の液相法によって形成することができる。   The insulator film 52 containing zirconium oxide can be formed by a vapor phase method such as a sputtering method or a CVD method (chemical vapor deposition method), a liquid phase method such as a sol-gel method, or a MOD (Metal-Organic Decomposition) method. .

例えば、絶縁体膜52を気相法によって形成することによって、柱状又は柱状に近い結晶(本件では、両者を合わせて柱状の結晶という)を有するジルコニウム層を形成することができる。具体的には、気相法によってジルコニウム(Zr)からなるジルコニウム層を形成後、このジルコニウム層を熱酸化することにより酸化ジルコニウム(ZrO)を形成することができる。このとき、ジルコニウム層を熱酸化する際の温度を調整することで、酸化ジルコニウムの応力を調整することができ、焼成温度を高温にするほど引っ張り応力が大きくなる。また、酸化ジルコニウムを反応性スパッタリング法により形成するようにしてもよい。この場合、圧縮応力の酸化ジルコニウムが形成される。酸化シリコンを含む弾性膜51は、内部応力が圧縮応力であるため、絶縁体膜52の内部応力を引っ張り応力とすると共に引っ張り応力を調整することで、詳しくは後述する液供給口16周りの振動板50の内部応力を中立にして、液供給口周りの振動板50の破壊を抑制し易い。 For example, by forming the insulator film 52 by a vapor phase method, a zirconium layer having a columnar shape or a crystal close to a column shape (in this case, the both are referred to as a columnar crystal) can be formed. Specifically, after forming a zirconium layer made of zirconium (Zr) by a vapor phase method, the zirconium layer can be thermally oxidized to form zirconium oxide (ZrO 2 ). At this time, the stress of zirconium oxide can be adjusted by adjusting the temperature at which the zirconium layer is thermally oxidized, and the tensile stress increases as the firing temperature is increased. Further, zirconium oxide may be formed by a reactive sputtering method. In this case, compressive stress zirconium oxide is formed. Since the internal stress of the elastic film 51 containing silicon oxide is a compressive stress, the internal stress of the insulator film 52 is set as a tensile stress and the tensile stress is adjusted, so that vibration around the liquid supply port 16 described later will be described in detail. It is easy to suppress the breakage of the diaphragm 50 around the liquid supply port by neutralizing the internal stress of the plate 50.

なお、気相法によって成膜された絶縁体膜52は、柱状の粒子が密に集合した結晶構造となり、圧電体層70からの鉛(Pb)の拡散を良好に抑制することができる。   Note that the insulator film 52 formed by the vapor phase method has a crystal structure in which columnar particles are densely aggregated, and the diffusion of lead (Pb) from the piezoelectric layer 70 can be satisfactorily suppressed.

また、絶縁体膜52を液相法によって形成することで、粒状の結晶を有する酸化ジルコニウム層を形成することができる。このように液相法によって形成した酸化ジルコニウムの絶縁体膜52は、内部応力が引っ張り応力となる。また、液相法により形成された酸化ジルコニウム層は、小径の粒子が疎に集合した結晶構造となりヤング率が小さい柔軟な膜とすることができる。したがって、絶縁体膜52の変位量、すなわち、振動板50の変位量を増大させることができる。このため、粒状の結晶を有する酸化ジルコニウムを含むのが好ましい。   Further, by forming the insulator film 52 by a liquid phase method, a zirconium oxide layer having granular crystals can be formed. Thus, the zirconium oxide insulator film 52 formed by the liquid phase method has a tensile stress as an internal stress. In addition, the zirconium oxide layer formed by the liquid phase method has a crystal structure in which small-diameter particles are loosely assembled, and can be a flexible film having a small Young's modulus. Therefore, the displacement amount of the insulator film 52, that is, the displacement amount of the diaphragm 50 can be increased. For this reason, it is preferable that the zirconium oxide which has a granular crystal | crystallization is included.

また、気相法によって形成された酸化ジルコニウム層と、液相法によって形成された酸化ジルコニウム層とを組み合わせるようにしてもよい。これにより、絶縁体膜52の内部応力の調整が容易となる。つまり、気相法によって内部応力が引っ張りの酸化ジルコニウム層と、液相法によって内部応力が圧縮の酸化ジルコニウム層とを積層することによって、内部応力を打ち消し合うように調整することも可能である。これにより詳しくは後述する液供給口周りの振動板50の内部応力を中立にして、液供給口周りの振動板50の破壊を抑制し易い。   Further, a zirconium oxide layer formed by a vapor phase method and a zirconium oxide layer formed by a liquid phase method may be combined. Thereby, adjustment of the internal stress of the insulator film 52 is facilitated. That is, it is also possible to adjust the internal stresses to cancel each other by laminating a zirconium oxide layer whose internal stress is tensile by the vapor phase method and a zirconium oxide layer whose internal stress is compressed by the liquid phase method. As a result, the internal stress of the diaphragm 50 around the liquid supply port, which will be described in detail later, is neutralized, and the breakage of the diaphragm 50 around the liquid supply port can be easily suppressed.

なお、粒状の結晶を有する酸化ジルコニウム層の形成は、液相法に限定されるものではなく、気相法で形成してもよく、また、柱状の結晶を有する酸化ジルコニウム層の形成は、気相法に限定されるものではなく、液相法によって形成してもよい。   The formation of the zirconium oxide layer having granular crystals is not limited to the liquid phase method, and may be formed by a vapor phase method. The formation of the zirconium oxide layer having columnar crystals is It is not limited to the phase method, and may be formed by a liquid phase method.

また、酸化ジルコニウムを含む絶縁体膜52は、正方晶又は立方晶の結晶構造を有するのが好ましい。すなわち、酸化ジルコニウムに酸化イットリウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化ハフニウム等の希土類酸化物を添加した安定化(部分安定化)ジルコニアを用いることが好ましく、さらに好ましくはイットリア安定化ジルコニア(YSZ)、すなわち、酸化ジルコニウムを含む絶縁体膜52はイットリウムを含むことが好適である。このように安定化(部分安定化)ジルコニアを用いることで、常温中でも正方晶又は立方晶が安定化すると共に、絶縁体膜52の靱性をさらに高めることができ、振動板50の靱性を高めて、詳しくは後述する液供給口16の周囲の振動板50の破壊を抑制することができる。   The insulator film 52 containing zirconium oxide preferably has a tetragonal or cubic crystal structure. That is, it is preferable to use stabilized (partially stabilized) zirconia obtained by adding rare earth oxides such as yttrium oxide, calcium oxide, magnesium oxide and hafnium oxide to zirconium oxide, more preferably yttria stabilized zirconia (YSZ), The insulator film 52 containing zirconium oxide preferably contains yttrium. By using stabilized (partially stabilized) zirconia in this way, tetragonal crystals or cubic crystals can be stabilized even at room temperature, and the toughness of the insulator film 52 can be further increased, and the toughness of the diaphragm 50 can be increased. Specifically, it is possible to suppress the breakage of the diaphragm 50 around the liquid supply port 16 described later.

また、本実施形態では、振動板50として弾性膜51と絶縁体膜52とを設けるようにしたが、特にこれに限定されず、振動板50として絶縁体膜52のみを設けるようにしてもよい。また、振動板50として弾性膜51及び絶縁体膜52に加えてさらに別の膜を設けるようにしてもよい。   In this embodiment, the elastic film 51 and the insulator film 52 are provided as the diaphragm 50. However, the present invention is not limited to this, and only the insulator film 52 may be provided as the diaphragm 50. . In addition to the elastic film 51 and the insulator film 52, another film may be provided as the diaphragm 50.

また、流路形成基板10の振動板50上には、第1電極60と圧電体層70と第2電極80とが成膜及びリソグラフィー法によって積層されて圧電素子300を構成している。本実施形態では、圧電素子300が圧力発生室12内のインクに圧力変化を生じさせる圧力発生手段となっている。ここで、圧電素子300は、圧電アクチュエーターとも言い、第1電極60、圧電体層70及び第2電極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複数の圧電素子300に共通する共通電極とし、他方の電極を圧電素子300毎に独立する個別電極として構成する。本実施形態では、第1電極60を共通電極とし、第2電極80を個別電極としているが、これを逆にしてもよい。   In addition, the first electrode 60, the piezoelectric layer 70, and the second electrode 80 are laminated on the diaphragm 50 of the flow path forming substrate 10 by a film formation and lithography method to constitute the piezoelectric element 300. In the present embodiment, the piezoelectric element 300 is a pressure generating unit that causes a pressure change in the ink in the pressure generating chamber 12. Here, the piezoelectric element 300 is also referred to as a piezoelectric actuator, and refers to a portion including the first electrode 60, the piezoelectric layer 70, and the second electrode 80. In general, one of the electrodes of the piezoelectric element 300 is configured as a common electrode common to the plurality of piezoelectric elements 300, and the other electrode is configured as an individual electrode independent for each piezoelectric element 300. In the present embodiment, the first electrode 60 is a common electrode and the second electrode 80 is an individual electrode, but this may be reversed.

第1電極60は、圧電体層70を成膜する際に酸化せず、導電性を維持できる材料であり、例えば、白金(Pt)、イリジウム(Ir)等の貴金属、またはランタンニッケル酸化物(LNO)、酸化イリジウム(IrO)などに代表される導電性酸化物、さらに、これらの積層膜が好適に用いられる。 The first electrode 60 is a material that does not oxidize when the piezoelectric layer 70 is formed and can maintain conductivity. For example, a noble metal such as platinum (Pt) or iridium (Ir), or a lanthanum nickel oxide ( LNO), conductive oxides typified by iridium oxide (IrO 2 ), and the like, and laminated films of these are preferably used.

また、第1電極60として、前述の導電材料と、振動板50との間に、密着力を確保するための密着層を用いてもよい。本実施形態では、特に図示していないが密着層としてチタンを用いている。なお、密着層としては、ジルコニウム、チタン、酸化チタンなどを用いることができる。すなわち、本実施形態では、チタンからなる密着層と、上述した導電材料から選択される少なくとも一種の導電層とで第1電極60が形成されている。   Further, as the first electrode 60, an adhesion layer for securing an adhesion force may be used between the above-described conductive material and the diaphragm 50. In this embodiment, although not particularly shown, titanium is used as the adhesion layer. As the adhesion layer, zirconium, titanium, titanium oxide, or the like can be used. That is, in the present embodiment, the first electrode 60 is formed of an adhesion layer made of titanium and at least one type of conductive layer selected from the above-described conductive materials.

圧電体層70は、第1電極60上に形成される分極構造を有する酸化物の圧電材料からなり、例えば、一般式ABOで示されるペロブスカイト型酸化物からなることができ、鉛を含む鉛系圧電材料や鉛を含まない非鉛系圧電材料などを用いることができる。圧電体層70は、例えば、ゾル−ゲル法、MOD(Metal-Organic Decomposition)法などの液相法や、スパッタリング法、レーザーアブレーション法等などのPVD(Physical Vapor Deposition)法(気相法)などで形成することができる。 The piezoelectric layer 70 is made of a piezoelectric material of the oxide having a polarization structure formed on the first electrode 60, for example, it may consist of a perovskite oxide represented by the general formula ABO 3, lead containing lead For example, a lead-based piezoelectric material or a lead-free piezoelectric material containing no lead can be used. The piezoelectric layer 70 is, for example, a liquid phase method such as a sol-gel method or a MOD (Metal-Organic Decomposition) method, or a PVD (Physical Vapor Deposition) method (gas phase method) such as a sputtering method or a laser ablation method. Can be formed.

第2電極80は、圧電体層70との界面を良好に形成できること、導電性及び圧電特性を発揮できる材料が望ましく、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、金(Au)等の貴金属材料、及びランタンニッケル酸化物(LNO)に代表される導電性酸化物が好適に用いられる。また、第2電極80は、複数材料の積層であってもよい。本実施形態では、イリジウムとチタンとの積層電極(イリジウムが圧電体層70と接する)を使用している。そして、第2電極80は、スパッタリング法、レーザーアブレーション法などのPVD(Physical Vapor Deposition)法(気相法)、ゾル−ゲル法、MOD(Metal-Organic Decomposition)法、メッキ法などの液相法により形成することができる。また、第2電極80の形成後に、加熱処理を行うことにより、圧電体層70の特性改善を行うことができる。   The second electrode 80 is preferably made of a material that can satisfactorily form an interface with the piezoelectric layer 70, and that can exhibit electrical conductivity and piezoelectric characteristics. Iridium (Ir), platinum (Pt), palladium (Pd), gold (Au) A conductive oxide represented by noble metal materials such as lanthanum nickel oxide (LNO) is preferably used. The second electrode 80 may be a stacked layer of a plurality of materials. In this embodiment, a laminated electrode of iridium and titanium (iridium is in contact with the piezoelectric layer 70) is used. The second electrode 80 is formed by a liquid phase method such as a PVD (Physical Vapor Deposition) method (gas phase method) such as a sputtering method or a laser ablation method, a sol-gel method, a MOD (Metal-Organic Decomposition) method, or a plating method. Can be formed. In addition, the characteristics of the piezoelectric layer 70 can be improved by performing a heat treatment after the formation of the second electrode 80.

このような第2電極80は、圧電体層70上のみ、すなわち、圧電体層70の流路形成基板10とは反対側の表面上のみに形成されている。   Such a second electrode 80 is formed only on the piezoelectric layer 70, that is, only on the surface of the piezoelectric layer 70 opposite to the flow path forming substrate 10.

また、圧電素子300は、保護膜200によって覆われている。保護膜200としては、耐湿性を有する絶縁材料を用いることができる。本実施形態では、保護膜200は、圧電体層70の側面と第2電極80の側面及び上面の周縁部を覆うように設けられている。すなわち、第2電極80の上面の略中心領域である主要部は、保護膜200が設けられておらず、第2電極80の主要部を開口する開口部201が設けられている。   The piezoelectric element 300 is covered with a protective film 200. As the protective film 200, an insulating material having moisture resistance can be used. In the present embodiment, the protective film 200 is provided so as to cover the side surface of the piezoelectric layer 70, the side surface of the second electrode 80, and the peripheral edge of the upper surface. That is, the main part, which is a substantially central region on the upper surface of the second electrode 80, is not provided with the protective film 200, but is provided with an opening 201 that opens the main part of the second electrode 80.

開口部201は、保護膜200を厚さ方向である第3の方向Zに貫通して圧電素子300の第2の方向Yに沿って矩形状に開口するものであり、例えば、流路形成基板10上の全面に亘って保護膜200を形成した後、パターニングすることで形成することができる。   The opening 201 penetrates the protective film 200 in the third direction Z, which is the thickness direction, and opens in a rectangular shape along the second direction Y of the piezoelectric element 300. For example, the flow path forming substrate 10 can be formed by patterning after forming the protective film 200 over the entire surface.

このように圧電素子300の圧電体層70の側面を保護膜200で覆うことにより、第1電極60と第2電極80との間で電流がリークするのを抑制して、圧電素子300の破壊を抑制することができる。また、開口部201を設けることで、保護膜200によって圧電素子300の変位が著しく低下するのを抑制することができる。このような保護膜200の材料としては、耐湿性を有する材料であればよく、無機絶縁材料や有機絶縁材料などを用いることができる。   Thus, by covering the side surface of the piezoelectric layer 70 of the piezoelectric element 300 with the protective film 200, current leakage between the first electrode 60 and the second electrode 80 is suppressed, and the piezoelectric element 300 is destroyed. Can be suppressed. Further, by providing the opening 201, it is possible to suppress the displacement of the piezoelectric element 300 from being significantly reduced by the protective film 200. As a material of such a protective film 200, any material having moisture resistance may be used, and an inorganic insulating material, an organic insulating material, or the like can be used.

保護膜200として利用できる無機絶縁材料としては、例えば、酸化シリコン(SiO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化タンタル(TaO)、酸化アルミニウム(AlO)及び酸化チタン(TiO)から選択される少なくとも一種が挙げられる。保護膜の無機絶縁材料としては、特に、無機アモルファス材料である酸化アルミニウム(AlO)、例えば、アルミナ(Al)を用いるのが好ましい。なお、無機絶縁材料からなる保護膜200は、例えば、MOD法、ゾル−ゲル法、スパッタリング法、CVD法等により形成することができる。 Examples of the inorganic insulating material that can be used as the protective film 200 include silicon oxide (SiO X ), zirconium oxide (ZrO X ), tantalum oxide (TaO X ), aluminum oxide (AlO X ), and titanium oxide (TiO X ). At least one kind. As the inorganic insulating material for the protective film, it is particularly preferable to use aluminum oxide (AlO x ), for example, alumina (Al 2 O 3 ), which is an inorganic amorphous material. The protective film 200 made of an inorganic insulating material can be formed by, for example, a MOD method, a sol-gel method, a sputtering method, a CVD method, or the like.

また、保護膜200として利用できる有機絶縁材料としては、例えば、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、珪素系樹脂及びフッ素系樹脂から選択される少なくとも一種が挙げられる。なお、有機絶縁材料からなる保護膜200は、例えば、スピンコーティング法、スプレー法等により形成することができる。   Examples of the organic insulating material that can be used as the protective film 200 include at least one selected from an epoxy resin, a polyimide resin, a silicon resin, and a fluorine resin. The protective film 200 made of an organic insulating material can be formed by, for example, a spin coating method or a spray method.

この保護膜200上には、例えば、金(Au)等からなるリード電極90が設けられている。リード電極90は、保護膜200に設けられた連通孔202を介して一端部が第2電極80に接続されると共に、他端部が流路形成基板10のインク供給路14とは反対側の端部まで延設され、延設された先端部は、後述する圧電素子300を駆動する駆動回路120と接続配線121を介して接続されている。   On the protective film 200, for example, a lead electrode 90 made of gold (Au) or the like is provided. The lead electrode 90 has one end connected to the second electrode 80 through a communication hole 202 provided in the protective film 200 and the other end opposite to the ink supply path 14 of the flow path forming substrate 10. The extended tip portion extends to the end portion, and is connected to a drive circuit 120 that drives a piezoelectric element 300 described later via a connection wiring 121.

さらに、流路形成基板10の圧電素子300側の面には、連通部13にインクを供給するマニホールド部31を有する保護基板30が接合されている。本実施形態では、流路形成基板10と保護基板30とを接着剤35を用いて接合した。保護基板30のマニホールド部31は、複数の液供給口16を介して連通部13と連通され、マニホールド部31からのインクは複数の液供給口16を介して連通部13に供給される。   Further, a protective substrate 30 having a manifold portion 31 for supplying ink to the communication portion 13 is joined to the surface of the flow path forming substrate 10 on the piezoelectric element 300 side. In the present embodiment, the flow path forming substrate 10 and the protective substrate 30 are bonded using the adhesive 35. The manifold portion 31 of the protective substrate 30 is communicated with the communication portion 13 via a plurality of liquid supply ports 16, and ink from the manifold portion 31 is supplied to the communication portion 13 via the plurality of liquid supply ports 16.

このような振動板50には、マニホールド部31からのインクを連通部13に供給するための複数の液供給口16が設けられている。   Such a diaphragm 50 is provided with a plurality of liquid supply ports 16 for supplying ink from the manifold portion 31 to the communication portion 13.

液供給口16は、マニホールド部31の連通部13側の開口よりも小さい開口を有し、少なくとも2つ以上の複数の液供給口16が設けられている。ここで、複数の液供給口16が設けられているとは、1つの連通部13に対して2以上の液供給口16が設けられていることを言う。例えば、流路形成基板10に2以上の複数の連通部13が設けられている場合、連通部13の各々に対して複数の液供給口16が設けられていればよい。つまり、振動板50に複数の液供給口16が設けられているものの、1つの連通部13に対して1つの液供給口16が設けられたものは、本発明の「複数の供給口」には含まれない。そして、1つの連通部13に対して2以上の複数の液供給口16を設けることによって、連通部13の保護基板30側の開口には、振動板50が庇状に設けられていることになる。   The liquid supply port 16 has an opening smaller than the opening of the manifold portion 31 on the communication portion 13 side, and at least two or more liquid supply ports 16 are provided. Here, “provided with a plurality of liquid supply ports 16” means that two or more liquid supply ports 16 are provided for one communication portion 13. For example, when two or more communication portions 13 are provided on the flow path forming substrate 10, a plurality of liquid supply ports 16 may be provided for each of the communication portions 13. In other words, although the diaphragm 50 is provided with a plurality of liquid supply ports 16, the one provided with one liquid supply port 16 for one communicating portion 13 is the “multiple supply ports” of the present invention. Is not included. Further, by providing two or more liquid supply ports 16 for one communication portion 13, the diaphragm 50 is provided in a bowl shape in the opening on the protective substrate 30 side of the communication portion 13. Become.

このような液供給口16は、振動板50を貫通して設けられている。ここで、液供給口16が振動板50を貫通して設けられているとは、振動板50を構成する酸化ジルコニウムを含む絶縁体膜52が、液供給口16の周囲の少なくとも一部に設けられていることを言う。つまり、振動板50を構成する酸化ジルコニウムを含む絶縁体膜52が、液供給口16の周囲の少なくとも一部に設けられているとは、振動板50を構成する絶縁体膜52が、1つの液供給口16の周方向に亘って不連続に設けられている構成も、振動板50を構成する絶縁体膜52が1つの液供給口16の周方向に亘って連続して設けられている構成も含むものである。また、絶縁体膜52が液供給口16の周囲の少なくとも一部に設けられているとは、絶縁体膜52が液供給口16の開口縁部の一部を形成している構成、絶縁体膜52が互いに隣り合う液供給口16の間の一部に形成されている構成、および、絶縁体膜52が液供給口16と流路壁との間の一部に形成されている構成を含む。本実施形態では、弾性膜51と絶縁体膜52とは、液供給口16の開口縁部に周方向に亘って連続して形成されている。   Such a liquid supply port 16 is provided through the diaphragm 50. Here, the liquid supply port 16 is provided so as to penetrate the diaphragm 50. The insulator film 52 containing zirconium oxide constituting the diaphragm 50 is provided on at least a part of the periphery of the liquid supply port 16. Say that it is. In other words, the fact that the insulator film 52 containing zirconium oxide that forms the diaphragm 50 is provided on at least a part of the periphery of the liquid supply port 16 means that the insulator film 52 that forms the diaphragm 50 has one insulator film 52. Even in the configuration in which the liquid supply port 16 is discontinuously provided in the circumferential direction, the insulating film 52 constituting the diaphragm 50 is continuously provided in the circumferential direction of one liquid supply port 16. The configuration is also included. Further, the fact that the insulator film 52 is provided on at least a part of the periphery of the liquid supply port 16 means that the insulator film 52 forms a part of the opening edge of the liquid supply port 16, the insulator A configuration in which the film 52 is formed in a part between the liquid supply ports 16 adjacent to each other, and a configuration in which the insulator film 52 is formed in a part between the liquid supply port 16 and the flow path wall. Including. In the present embodiment, the elastic film 51 and the insulator film 52 are continuously formed on the opening edge of the liquid supply port 16 in the circumferential direction.

このように複数の液供給口16が設けられた振動板50は、マニホールド部31から連通部13にインクを供給する際に、インクに含まれる気泡やゴミなどの異物を捕捉するフィルターとして機能する。このようにフィルターとして機能する複数の液供給口16が設けられた振動板50は、連通部13の保護基板30側の開口に庇状に設けられているため、マニホールド部31から連通部13に供給されるインクによって圧力が印加される際に流路形成基板10に支持されない。しかしながら、振動板50として靱性の高い酸化ジルコニウムを含む絶縁体膜52を用いることで、連通部13の開口に設けられた振動板50が撓み変形しても、振動板50にクラック等の破壊が発生するのを抑制することができる。特に、本実施形態では、振動板50を構成する酸化ジルコニウムを含む絶縁体膜52は、液供給口16の周方向に亘って連続して形成されている。このように、絶縁体膜52を液供給口16の周方向に亘って連続して設けることで、液供給口16の周方向の全周に亘って振動板50のクラックをさらに抑制することができる。ちなみに、連通部13とマニホールド部31とが連通する領域に靱性の低い振動板を設け、振動板50に液供給口16を設けた場合、振動板50の内部応力及びインクの圧力によって振動板50にクラック等の破壊が発生してしまう。本実施形態では、連通部13とマニホールド部31とが連通する領域に設けられた振動板50に靱性の高い酸化ジルコニウムを含む絶縁体膜52を用いることで、振動板50の内部応力及びインクの圧力によって振動板50にクラック等の破壊が発生するのを抑制することができる。したがって、信頼性の高い記録ヘッド1を実現することができる。   Thus, the diaphragm 50 provided with the plurality of liquid supply ports 16 functions as a filter that captures foreign matters such as bubbles and dust contained in the ink when supplying ink from the manifold portion 31 to the communication portion 13. . Since the diaphragm 50 provided with the plurality of liquid supply ports 16 functioning as a filter is provided in a bowl shape in the opening on the protective substrate 30 side of the communication portion 13, the manifold portion 31 moves to the communication portion 13. When pressure is applied by the supplied ink, it is not supported by the flow path forming substrate 10. However, by using the insulator film 52 containing zirconium oxide having high toughness as the diaphragm 50, even if the diaphragm 50 provided at the opening of the communication portion 13 is bent and deformed, the diaphragm 50 is broken such as cracks. Generation | occurrence | production can be suppressed. In particular, in this embodiment, the insulator film 52 containing zirconium oxide constituting the diaphragm 50 is formed continuously over the circumferential direction of the liquid supply port 16. Thus, by providing the insulator film 52 continuously over the circumferential direction of the liquid supply port 16, it is possible to further suppress cracks in the diaphragm 50 over the entire circumference of the liquid supply port 16. it can. Incidentally, when a vibration plate having low toughness is provided in a region where the communication portion 13 and the manifold portion 31 communicate with each other and the liquid supply port 16 is provided in the vibration plate 50, the vibration plate 50 is caused by the internal stress of the vibration plate 50 and the ink pressure. Breakage such as cracks occurs. In this embodiment, by using the insulator film 52 containing zirconium oxide having high toughness for the diaphragm 50 provided in the region where the communication portion 13 and the manifold portion 31 communicate with each other, the internal stress of the diaphragm 50 and the ink The occurrence of breakage such as cracks in the diaphragm 50 due to the pressure can be suppressed. Therefore, the recording head 1 with high reliability can be realized.

ここで、酸化ジルコニウム、窒化シリコン、酸化シリコンの破壊靱性値を下記表1に示す。

Figure 2019014229
Here, the fracture toughness values of zirconium oxide, silicon nitride, and silicon oxide are shown in Table 1 below.
Figure 2019014229

表1に示すように、酸化ジルコニウムの靱性は、窒化シリコンや酸化シリコンに比べて大きい。したがって、連通部13とマニホールド部31とが連通する領域に設けられた振動板50に靱性の高い酸化ジルコニウムを含む絶縁体膜52を用いることで、振動板50の内部応力及びインクの圧力によって振動板50にクラック等の破壊が発生するのを抑制することができる。   As shown in Table 1, the toughness of zirconium oxide is greater than that of silicon nitride or silicon oxide. Therefore, by using the insulator film 52 containing zirconium oxide having high toughness for the diaphragm 50 provided in the region where the communication portion 13 and the manifold portion 31 communicate with each other, vibration is caused by internal stress of the diaphragm 50 and ink pressure. The occurrence of breakage such as cracks in the plate 50 can be suppressed.

また、本実施形態では、振動板50として酸化ジルコニウムを含む絶縁体膜52を用いるようにしただけであるため、振動板50を3層から10層の多層構造で比較的厚く形成する必要がなく、振動板50が圧電素子300の変異を阻害するのを抑制することができる。   In this embodiment, since the insulator film 52 containing zirconium oxide is only used as the diaphragm 50, the diaphragm 50 does not need to be formed relatively thick with a multilayer structure of three to ten layers. In addition, it is possible to suppress the diaphragm 50 from inhibiting the variation of the piezoelectric element 300.

ちなみに、圧電素子300の下の振動板50と、液供給口16を形成する振動板50とを異なる材料や異なる積層構造とすることで、液供給口16の形成された部分の振動板50の破壊を抑制することができるものの、製造工程が増大し、コストが増加してしまう。本実施形態では、第3の方向Zから平面視した際に振動板50の圧電素子300に重なる部分と液供給口16が形成された部分とを同一層で且つ連続して設けることで、製造工程が増加するのを抑制して、コストを低減することができる。   Incidentally, the diaphragm 50 under the piezoelectric element 300 and the diaphragm 50 forming the liquid supply port 16 are made of different materials and different laminated structures, so that the diaphragm 50 of the portion where the liquid supply port 16 is formed is formed. Although destruction can be suppressed, a manufacturing process increases and cost will increase. In the present embodiment, the portion of the diaphragm 50 that overlaps the piezoelectric element 300 when viewed in plan from the third direction Z and the portion where the liquid supply port 16 is formed are provided in the same layer and continuously. Costs can be reduced by suppressing an increase in the number of steps.

また、振動板50は、酸化ジルコニウムを含む絶縁体膜52を用いることで高い靱性となるため、液供給口16周りの振動板50は、連通部13内の圧力変動によって変形してもクラックが生じ難い。したがって、液供給口16周りの振動板50を連通部13内の圧力変化によって変形させて、連通部13内の圧力変動を吸収することができる。このため、詳しくは後述するコンプライアンス部を減少又は不要とすることも可能である。   Further, since the diaphragm 50 has high toughness by using the insulator film 52 containing zirconium oxide, the diaphragm 50 around the liquid supply port 16 is cracked even if it is deformed by pressure fluctuation in the communication portion 13. Not likely to occur. Therefore, the diaphragm 50 around the liquid supply port 16 can be deformed by the pressure change in the communication portion 13 to absorb the pressure fluctuation in the communication portion 13. For this reason, it is possible to reduce or eliminate the compliance section described later in detail.

なお、本実施形態では、圧力発生室12等が設けられた流路形成基板10と振動板50と圧電素子300とを合わせて圧電デバイスと称する。   In the present embodiment, the flow path forming substrate 10 provided with the pressure generation chamber 12 and the like, the diaphragm 50, and the piezoelectric element 300 are collectively referred to as a piezoelectric device.

一方、保護基板30の圧電素子300に対向する領域には、圧電素子保持部32が設けられている。圧電素子300は、この圧電素子保持部32内に形成されているため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護されている。なお、圧電素子保持部32は、密封されていてもよいし密封されていなくてもよい。   On the other hand, a piezoelectric element holding portion 32 is provided in a region of the protective substrate 30 facing the piezoelectric element 300. Since the piezoelectric element 300 is formed in the piezoelectric element holding portion 32, the piezoelectric element 300 is protected in a state hardly affected by the external environment. In addition, the piezoelectric element holding | maintenance part 32 may be sealed and does not need to be sealed.

このような保護基板30の材料としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等が挙げられるが、流路形成基板10の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板10と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。   Examples of the material of the protective substrate 30 include glass, ceramic material, metal, resin, and the like, but it is preferable that the protective substrate 30 is formed of a material substantially the same as the coefficient of thermal expansion of the flow path forming substrate 10. In this embodiment, the silicon single crystal substrate made of the same material as the flow path forming substrate 10 is used.

また、保護基板30上には、圧電素子300を駆動するための駆動回路120が設けられている。駆動回路120としては、例えば、回路基板や半導体集積回路(IC)等を用いることができる。そして、駆動回路120とリード電極90とは、ボンディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線121を介して電気的に接続されている。   In addition, a drive circuit 120 for driving the piezoelectric element 300 is provided on the protective substrate 30. As the drive circuit 120, for example, a circuit board, a semiconductor integrated circuit (IC), or the like can be used. The drive circuit 120 and the lead electrode 90 are electrically connected via a connection wiring 121 made of a conductive wire such as a bonding wire.

さらに、保護基板30のマニホールド部31に対応する領域上には、封止膜41及び固定板42とからなるコンプライアンス基板40が接合されている。封止膜41は、剛性が低く可撓性を有する材料(例えば、厚さが6μmのポリフェニレンサルファイド(PPS)フィルム)からなり、この封止膜41によってマニホールド部31の一方面が封止されている。また、固定板42は、金属等の硬質の材料(例えば、厚さが30μmのステンレス鋼(SUS)等)で形成される。この固定板42のマニホールド部31に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部43となっているため、マニホールド部31の一方面は可撓性を有する封止膜41のみで封止されたコンプライアンス部となっている。   Further, a compliance substrate 40 composed of a sealing film 41 and a fixing plate 42 is bonded on a region corresponding to the manifold portion 31 of the protective substrate 30. The sealing film 41 is made of a material having low rigidity and flexibility (for example, a polyphenylene sulfide (PPS) film having a thickness of 6 μm). One surface of the manifold portion 31 is sealed by the sealing film 41. Yes. The fixing plate 42 is made of a hard material such as metal (for example, stainless steel (SUS) having a thickness of 30 μm). Since the region of the fixing plate 42 that faces the manifold portion 31 is an opening 43 that is completely removed in the thickness direction, one surface of the manifold portion 31 is formed of only a flexible sealing film 41. It is a sealed compliance section.

このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッド1では、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、マニホールド部31からノズル21に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路120からの記録信号に従い、圧力発生室12に対応するそれぞれの第1電極60と第2電極80との間に電圧を印加し、圧電素子300及び振動板50をたわみ変形させることにより、各圧力発生室12内の圧力が高まりノズル21からインクが吐出する。   In such an ink jet recording head 1 of this embodiment, ink is taken in from an external ink supply unit (not shown), filled with ink from the manifold portion 31 to the nozzle 21, and then in accordance with a recording signal from the drive circuit 120. By applying a voltage between each of the first electrode 60 and the second electrode 80 corresponding to the pressure generation chambers 12 to bend and deform the piezoelectric element 300 and the diaphragm 50, the pressure in each pressure generation chamber 12 is changed. Increases and ink is ejected from the nozzle 21.

以上説明したように、本実施形態では、ノズル21から液体であるインクを噴射する液体噴射ヘッドの一例である記録ヘッド1に用いられる圧電デバイスであって、ノズル21に連通する圧力発生室12を含む個別液室と、個別流路に連通する液供給室である連通部13と、が形成された流路形成基板10と、流路形成基板10の圧力発生室12を含む個別液室と連通部13とに対応する位置に形成された振動板50と、連通部13に形成された複数の液供給口16と、第1電極60と圧電体層70と第2電極80とを含み、振動板50の圧力発生室12を含む個別液室に対応する位置に形成された圧電素子300と、を具備し、液供給口16は、振動板50を貫通して設けられており、振動板50は、酸化ジルコニウムを含む。   As described above, in the present embodiment, the piezoelectric device used in the recording head 1, which is an example of a liquid ejecting head that ejects liquid ink from the nozzle 21, includes the pressure generating chamber 12 that communicates with the nozzle 21. The flow path forming substrate 10 formed with the individual liquid chamber including the communication section 13 which is a liquid supply chamber communicating with the individual flow path, and the individual liquid chamber including the pressure generating chamber 12 of the flow path forming substrate 10 are communicated. Including a diaphragm 50 formed at a position corresponding to the portion 13, a plurality of liquid supply ports 16 formed in the communication portion 13, a first electrode 60, a piezoelectric layer 70, and a second electrode 80, A piezoelectric element 300 formed at a position corresponding to the individual liquid chamber including the pressure generating chamber 12 of the plate 50, and the liquid supply port 16 is provided through the vibration plate 50. Contains zirconium oxide.

このように、複数の液供給口16が設けられた振動板50として、酸化ジルコニウムを含む振動板50を設けることで、振動板50の靱性を向上して、複数の液供給口16の周囲の振動板50にクラック等の破壊が生じるのを抑制することができる。また、振動板50を3層〜10層などの多層に積層するのに比べて振動板50を薄くすることができるため、振動板50が圧電素子300の変形を阻害するのを抑制して、圧電素子300の変位低下を抑制することができる。   Thus, by providing the diaphragm 50 including zirconium oxide as the diaphragm 50 provided with the plurality of liquid supply ports 16, the toughness of the diaphragm 50 is improved, and the periphery of the plurality of liquid supply ports 16 is improved. The occurrence of breakage such as cracks in the diaphragm 50 can be suppressed. In addition, since the diaphragm 50 can be made thinner than when the diaphragm 50 is laminated in multiple layers such as three to ten layers, the diaphragm 50 is prevented from inhibiting the deformation of the piezoelectric element 300, A decrease in displacement of the piezoelectric element 300 can be suppressed.

また、本実施形態では、振動板50の連通部13に対応する位置において、酸化ジルコニウムの結晶構造は正方晶または立方晶を含むことが好ましい。特に、振動板50の連通部13に対応する位置において、振動板50は、さらにイットリウムを含むことが好ましい。すなわち、振動板50として、安定化(部分安定化)ジルコニアを用いることで、常温中でも正方晶又は立方晶が安定化すると共に、振動板50の靱性をさらに高めることができ、液供給口16の周囲の振動板50の破壊を抑制することができる。   In the present embodiment, it is preferable that the crystal structure of zirconium oxide includes a tetragonal crystal or a cubic crystal at a position corresponding to the communication portion 13 of the diaphragm 50. In particular, it is preferable that the diaphragm 50 further contains yttrium at a position corresponding to the communication portion 13 of the diaphragm 50. That is, by using stabilized (partially stabilized) zirconia as the diaphragm 50, tetragonal crystals or cubic crystals can be stabilized even at room temperature, and the toughness of the diaphragm 50 can be further enhanced. The destruction of the surrounding diaphragm 50 can be suppressed.

また、振動板50は、連通部13に対応する位置には、内部応力が圧縮応力の圧縮応力膜である弾性膜51を有し、液供給口16は、弾性膜51を有する振動板50を貫通して設けられていることが好ましい。これによれば、振動板50に内部応力が圧縮応力の弾性膜51を設けることで、液供給口16の周囲の振動板50の内部応力を調整することができ、振動板50のクラック等の破壊をさらに抑制することができる。   Further, the diaphragm 50 has an elastic film 51 that is a compressive stress film whose internal stress is a compressive stress at a position corresponding to the communication portion 13, and the liquid supply port 16 includes the diaphragm 50 having the elastic film 51. It is preferable to be provided through. According to this, by providing the diaphragm 50 with the elastic film 51 whose internal stress is compressive stress, it is possible to adjust the internal stress of the diaphragm 50 around the liquid supply port 16, such as cracks in the diaphragm 50. Destruction can be further suppressed.

また、酸化ジルコニウムは、粒状の結晶を含むことが好ましい。これによれば、酸化ジルコニウムをヤング率が小さい柔軟な膜とすることができ、振動板50の変位量を増大させることができる。   Moreover, it is preferable that a zirconium oxide contains a granular crystal. According to this, zirconium oxide can be made into a flexible film having a small Young's modulus, and the displacement amount of the diaphragm 50 can be increased.

また、振動板50は、酸化ジルコニウムを含む酸化ジルコニウムの膜である弾性膜51を有し、弾性膜51は液供給口16の周方向に亘って連続して形成されていることが好ましい。すなわち、振動板50を構成する酸化ジルコニウムを含む弾性膜51は、液供給口16の周方向に亘って連続して形成されていることが好ましい。これによれば、振動板50、特に絶縁体膜52を液供給口16の周囲に亘って連続して設けることで、液供給口16の周囲の振動板50のクラックをさらに抑制することができる。   The diaphragm 50 includes an elastic film 51 that is a zirconium oxide film containing zirconium oxide, and the elastic film 51 is preferably formed continuously in the circumferential direction of the liquid supply port 16. That is, it is preferable that the elastic film 51 containing zirconium oxide constituting the diaphragm 50 is formed continuously over the circumferential direction of the liquid supply port 16. According to this, by providing the diaphragm 50, particularly the insulating film 52 continuously over the periphery of the liquid supply port 16, cracks in the diaphragm 50 around the liquid supply port 16 can be further suppressed. .

(他の実施形態)
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の基本的な構成は上述したものに限定されるものではない。
(Other embodiments)
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, the basic composition of this invention is not limited to what was mentioned above.

また、例えば、上述した実施形態では、圧電素子300を覆う保護膜200は、液供給口16の形成された領域に設けられていない構成を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、保護膜200を液供給口16が設けられた領域に設けるようにしてもよい。すなわち、マニホールド部31と連通部13との間の領域には、振動板50と保護膜200とが積層され、これらを貫通して液供給口16が設けられていてもよい。   Further, for example, in the above-described embodiment, the protective film 200 that covers the piezoelectric element 300 is exemplified as a configuration that is not provided in the region where the liquid supply port 16 is formed. However, the configuration is not particularly limited thereto. The film 200 may be provided in a region where the liquid supply port 16 is provided. That is, the diaphragm 50 and the protective film 200 may be laminated in the region between the manifold portion 31 and the communication portion 13, and the liquid supply port 16 may be provided through these.

また、上述した実施形態では、液供給室である連通部13は、全ての個別流路に共通して連通するように設けたが、特にこれに限定されず、連通部13は、個別流路毎に独立して設けられていてもよく、2以上の複数の個別流路で構成された群毎に連通するように設けられていてもよい。ただし、連通部13を個別流路毎に設けた場合であっても、1つの連通部13に対して2以上の液供給口16が設けられていればよい。また、連通部13を個別流路毎又は2以上の個別流路で構成される群毎に連通する場合には、液供給口16によって流路抵抗が付与されるため、例えば、流路形成基板10にインク供給路14や連通路15を設けないようにしてもよい。もちろん、上述した各実施形態においても、インク供給路14及び連通路15の少なくとも一方を設けないようにしてもよい。   In the above-described embodiment, the communication portion 13 that is a liquid supply chamber is provided so as to communicate in common with all the individual flow paths, but is not particularly limited thereto, and the communication section 13 is not limited to this. It may be provided independently every time, and may be provided so that it may communicate for every group constituted by two or more individual flow paths. However, even if the communication portion 13 is provided for each individual flow path, it is sufficient that two or more liquid supply ports 16 are provided for one communication portion 13. In addition, when the communication portion 13 is communicated for each individual flow path or for each group composed of two or more individual flow paths, a flow path resistance is provided by the liquid supply port 16. 10 may not be provided with the ink supply path 14 or the communication path 15. Of course, in each of the above-described embodiments, at least one of the ink supply path 14 and the communication path 15 may not be provided.

さらに、上述した実施形態では、流路形成基板10に振動板50を成膜した構成を例示したが、特にこれに限定されず、流路形成基板10に振動板50を貼り合わせるようにしてもよい。   Furthermore, in the above-described embodiment, the configuration in which the diaphragm 50 is formed on the flow path forming substrate 10 is exemplified, but the present invention is not particularly limited thereto, and the diaphragm 50 may be bonded to the flow path forming substrate 10. Good.

また、上述した実施形態では、圧力発生室12に圧力変化を生じさせる圧力発生手段として、薄膜型の圧電素子300を用いて説明したが、特にこれに限定されず、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型の圧電素子や、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型の圧電素子などを使用することができる。   In the above-described embodiment, the pressure generation means for causing the pressure change in the pressure generation chamber 12 has been described using the thin film type piezoelectric element 300. However, the present invention is not particularly limited thereto, and, for example, a green sheet is pasted. It is possible to use a thick film type piezoelectric element formed by a method such as the above, a longitudinal vibration type piezoelectric element in which piezoelectric materials and electrode forming materials are alternately stacked and expanded and contracted in the axial direction.

また、上述したインクジェット式記録ヘッド1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インクジェット式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5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。   The ink jet recording head 1 described above constitutes a part of an ink jet recording head unit having an ink flow path communicating with an ink cartridge or the like, and is mounted on an ink jet recording apparatus. FIG. 5 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.

図5に示すインクジェット式記録装置Iにおいて、複数の記録ヘッド1は、インク供給手段を構成するインクカートリッジ2が着脱可能に設けられ、この記録ヘッド1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。   In the ink jet recording apparatus I shown in FIG. 5, a plurality of recording heads 1 are detachably provided with ink cartridges 2 constituting ink supply means, and a carriage 3 on which the recording heads 1 are mounted is attached to the apparatus main body 4. The carriage shaft 5 is provided so as to be movable in the axial direction.

そして、駆動モーター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1を搭載したキャリッジ3はキャリッジ軸5に沿って移動される。一方、装置本体4には搬送手段としての搬送ローラー8が設けられており、紙等の記録媒体である記録シートSが搬送ローラー8により搬送されるようになっている。なお、記録シートSを搬送する搬送手段は、搬送ローラーに限られずベルトやドラム等であってもよい。   Then, the driving force of the driving motor 6 is transmitted to the carriage 3 via a plurality of gears and a timing belt 7 (not shown), so that the carriage 3 on which the recording head 1 is mounted is moved along the carriage shaft 5. On the other hand, the apparatus main body 4 is provided with a conveyance roller 8 as a conveyance means, and a recording sheet S which is a recording medium such as paper is conveyed by the conveyance roller 8. Note that the conveyance means for conveying the recording sheet S is not limited to the conveyance roller, and may be a belt, a drum, or the like.

なお、上述したインクジェット式記録装置Iでは、インク供給手段であるインクカートリッジ2がキャリッジ3に搭載された構成であるが、特にこれに限定されず、例えば、インクタンク等のインク供給手段を装置本体4に固定して、インク供給手段と記録ヘッド1とをチューブ等の供給管を介して接続してもよい。また、インク供給手段がインクジェット式記録装置に搭載されていなくてもよい。   Note that the ink jet recording apparatus I described above has a configuration in which the ink cartridge 2 as the ink supply means is mounted on the carriage 3. However, the present invention is not particularly limited thereto, and for example, the ink supply means such as an ink tank is connected to the apparatus main body. The ink supply unit and the recording head 1 may be connected to each other via a supply pipe such as a tube. Further, the ink supply unit may not be mounted on the ink jet recording apparatus.

また、上述したインクジェット式記録装置Iでは、記録ヘッド1がキャリッジ3に搭載されて主走査方向に移動するものを例示したが、特にこれに限定されず、例えば、記録ヘッド1が固定されて、紙等の記録シートSを副走査方向に移動させるだけで印刷を行う、所謂ライン式記録装置にも本発明を適用することができる。   In the ink jet recording apparatus I described above, the recording head 1 is mounted on the carriage 3 and moves in the main scanning direction. However, the present invention is not limited to this. For example, the recording head 1 is fixed, The present invention can also be applied to a so-called line type recording apparatus that performs printing only by moving a recording sheet S such as paper in the sub-scanning direction.

さらに、本発明は、広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種のインクジェット式記録ヘッド等の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレイ、FED(電界放出ディスプレイ)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオchip製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等にも適用することができる。また、液体噴射装置の一例としてインクジェット式記録装置Iを挙げて説明したが、上述した他の液体噴射ヘッドを用いた液体噴射装置にも用いることが可能である。   Furthermore, the present invention is intended for a wide range of liquid jet heads in general, for example, for manufacturing recording heads such as various ink jet recording heads used in image recording apparatuses such as printers, and color filters such as liquid crystal displays. The present invention can also be applied to a coloring material ejecting head, an organic EL display, an electrode material ejecting head used for forming electrodes such as an FED (field emission display), a bioorganic matter ejecting head used for biochip manufacturing, and the like. Further, although the ink jet recording apparatus I has been described as an example of the liquid ejecting apparatus, the liquid ejecting apparatus using the other liquid ejecting heads described above can also be used.

I…インクジェット式記録装置(液体噴射装置)、1…インクジェット式記録ヘッド(
液体噴射ヘッド)、2…インクカートリッジ、3…キャリッジ、4…装置本体、5…キャ
リッジ軸、6…駆動モーター、7…タイミングベルト、8…搬送ローラー、10…流路形
成基板、11…隔壁、12…圧力発生室(個別流路)、13…連通部(液供給室)、14
…インク供給路(個別流路)、15…連通路(個別流路)、16…液供給口、20…ノズ
ルプレート、21…ノズル、30…保護基板、31…マニホールド部、32…圧電素子保
持部、35…接着剤、40…コンプライアンス基板、41…封止膜、42…固定板、43
…開口部、50…振動板、51…弾性膜、52…絶縁体膜、60…第1電極、70…圧電
体層、80…第2電極、90…リード電極、120…駆動回路、121…接続配線、20
0…保護膜、201…開口部、202…連通孔、300…圧電素子、S…記録シート、X
…第1の方向、Y…第2の方向、Z…第3の方向
I: Inkjet recording apparatus (liquid ejecting apparatus), 1 ... Inkjet recording head (
(Liquid ejecting head), 2 ... ink cartridge, 3 ... carriage, 4 ... main body, 5 ... carriage shaft, 6 ... drive motor, 7 ... timing belt, 8 ... transport roller, 10 ... flow path forming substrate, 11 ... partition wall, 12 ... Pressure generation chamber (individual flow path), 13 ... Communication part (liquid supply chamber), 14
... ink supply path (individual flow path), 15 ... communication path (individual flow path), 16 ... liquid supply port, 20 ... nozzle plate, 21 ... nozzle, 30 ... protective substrate, 31 ... manifold section, 32 ... piezoelectric element holding 35, adhesive, 40, compliance substrate, 41, sealing film, 42, fixing plate, 43
DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Opening part, 50 ... Diaphragm, 51 ... Elastic film, 52 ... Insulator film, 60 ... 1st electrode, 70 ... Piezoelectric layer, 80 ... 2nd electrode, 90 ... Lead electrode, 120 ... Drive circuit, 121 ... Connection wiring, 20
DESCRIPTION OF SYMBOLS 0 ... Protective film, 201 ... Opening part, 202 ... Communication hole, 300 ... Piezoelectric element, S ... Recording sheet, X
... 1st direction, Y ... 2nd direction, Z ... 3rd direction

Claims (8)

ノズルから液体を噴射する液体噴射ヘッドに用いられる圧電デバイスであって、
前記ノズルに連通する個別液室と、前記個別液室に連通する液供給室と、が形成された流路形成基板と、
前記流路形成基板の前記個別液室と前記液供給室とに対応する位置に形成された振動板と、
前記液供給室に形成された複数の液供給口と、
第1電極と圧電体層と第2電極とを含み、前記振動板の前記個別液室に対応する位置に形成された圧電素子と、
を具備し、
前記液供給口は、前記振動板を貫通して設けられており、
前記振動板は、酸化ジルコニウムを含むことを特徴とする圧電デバイス。
A piezoelectric device used in a liquid ejecting head that ejects liquid from a nozzle,
A flow path forming substrate in which an individual liquid chamber communicating with the nozzle and a liquid supply chamber communicating with the individual liquid chamber are formed;
A diaphragm formed at a position corresponding to the individual liquid chamber and the liquid supply chamber of the flow path forming substrate;
A plurality of liquid supply ports formed in the liquid supply chamber;
A piezoelectric element including a first electrode, a piezoelectric layer, and a second electrode, and formed at a position corresponding to the individual liquid chamber of the diaphragm;
Comprising
The liquid supply port is provided through the diaphragm,
The diaphragm includes the zirconium oxide.
前記酸化ジルコニウムの結晶構造は正方晶または立方晶を含むことを特徴とする請求項1記載の圧電デバイス。   The piezoelectric device according to claim 1, wherein the crystal structure of the zirconium oxide includes a tetragonal crystal or a cubic crystal. 前記振動板は、さらにイットリウムを含むことを特徴とする請求項2記載の圧電デバイス。   The piezoelectric device according to claim 2, wherein the diaphragm further includes yttrium. 前記振動板は、前記液供給室に対応する位置には、内部応力が圧縮応力の圧縮応力膜を有し、
前記液供給口は、前記圧縮応力膜を有する前記振動板を貫通して設けられていることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の圧電デバイス。
The diaphragm has a compressive stress film whose internal stress is compressive stress at a position corresponding to the liquid supply chamber,
The piezoelectric device according to claim 1, wherein the liquid supply port is provided so as to penetrate the diaphragm having the compressive stress film.
前記酸化ジルコニウムは、粒状の結晶を含むことを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の圧電デバイス。   The piezoelectric device according to claim 1, wherein the zirconium oxide includes granular crystals. 前記振動板は、前記酸化ジルコニウムを含む酸化ジルコニウムの膜を有し、前記酸化ジルコニウムの膜は、前記液供給口の周方向に亘って連続して形成されていることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の圧電デバイス。   2. The diaphragm includes a zirconium oxide film containing the zirconium oxide, and the zirconium oxide film is continuously formed in a circumferential direction of the liquid supply port. The piezoelectric device as described in any one of -5. 請求項1〜6の何れか一項に記載の圧電デバイスを具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。   A liquid ejecting head comprising the piezoelectric device according to claim 1. 請求項7記載の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。   A liquid ejecting apparatus comprising the liquid ejecting head according to claim 7.
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