JP2000062173A - Ink jet recording head, manufacture thereof and ink jet recorder - Google Patents
Ink jet recording head, manufacture thereof and ink jet recorderInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、インク滴を吐出す
るノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構
成し、この振動板を介して圧電素子を設け、この圧電素
子の変位によりインク滴を吐出させるインクジェット式
記録ヘッド及びその製造方法並びにインクジェット式記
録装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a structure in which a part of a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for ejecting ink droplets is composed of a vibrating plate, a piezoelectric element is provided through the vibrating plate, and the displacement of the piezoelectric element The present invention relates to an inkjet recording head that ejects ink droplets by a method, a manufacturing method thereof, and an inkjet recording device.
【0002】[0002]
【従来の技術】インク滴を吐出するノズル開口と連通す
る圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧
電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧して
ノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式
記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦
振動モードの圧電素子を使用したものと、撓み振動モー
ドの圧電素子を使用したものの2種類が実用化されてい
る。2. Description of the Related Art A part of a pressure generating chamber that communicates with a nozzle opening for ejecting ink droplets is composed of a vibrating plate, and the vibrating plate is deformed by a piezoelectric element to pressurize ink in the pressure generating chamber to eject it from the nozzle opening. Two types of inkjet recording heads for ejecting ink droplets have been put into practical use, one that uses a longitudinal vibration mode piezoelectric element that expands and contracts in the axial direction of the piezoelectric element, and one that uses a flexural vibration mode piezoelectric element. ing.
【0003】前者は圧電素子の端面を振動板に当接させ
ることにより圧力発生室の容積を変化させることができ
て、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反
面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛
歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた
圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必
要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。The former allows the volume of the pressure generating chamber to be changed by bringing the end face of the piezoelectric element into contact with the vibrating plate, and a head suitable for high-density printing can be manufactured. There is a problem in that the manufacturing process is complicated because a difficult process of matching the array pitch of the openings and cutting into comb teeth or a work of positioning and fixing the cut piezoelectric element in the pressure generating chamber are required.
【0004】これに対して後者は、圧電材料のグリーン
シートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼
成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作
り付けることができるものの、撓み振動を利用する関係
上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難で
あるという問題がある。On the other hand, in the latter, the piezoelectric element can be formed on the vibration plate by a relatively simple process of sticking a green sheet of a piezoelectric material in conformity with the shape of the pressure generating chamber and firing it. However, due to the use of flexural vibration, a certain area is required, and there is a problem that high-density arrangement is difficult.
【0005】一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消す
べく、特開平5−286131号公報に見られるよう
に、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧
電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法に
より圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生
室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案さ
れている。On the other hand, in order to eliminate the disadvantage of the latter recording head, a uniform piezoelectric material layer is formed over the entire surface of the diaphragm by a film forming technique as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-286131. It has been proposed that the piezoelectric material layer is cut into a shape corresponding to the pressure generating chamber by a lithographic method and a piezoelectric element is formed so as to be independent for each pressure generating chamber.
【0006】これによれば圧電素子を振動板に貼付ける
作業が不要となって、リソグラフィ法という精密で、か
つ簡便な手法で圧電素子を作り付けることができるばか
りでなく、圧電素子の厚みを薄くできて高速駆動が可能
になるという利点がある。なお、この場合、圧電材料層
は振動板の表面全体に設けたままで少なくとも上電極の
みを各圧力発生室毎に設けることにより、各圧力発生室
に対応する圧電素子を駆動することができる。According to this, the work of attaching the piezoelectric element to the diaphragm becomes unnecessary, and not only the piezoelectric element can be built by a precise and simple method such as a lithography method, but also the thickness of the piezoelectric element can be reduced. It has the advantage that it can be made thin and can be driven at high speed. In this case, it is possible to drive the piezoelectric element corresponding to each pressure generating chamber by providing at least only the upper electrode for each pressure generating chamber while leaving the piezoelectric material layer provided on the entire surface of the vibration plate.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た薄膜技術およびリソグラフィ法による製造方法では、
薄膜のパターニング後に圧力発生室を形成するが、その
際、圧電体層の内部応力が緩和され、また、下電極の内
部応力の影響により振動板が圧力発生室側に撓んでしま
い、この撓みが振動板の初期変形として残留してしま
う。したがって、圧電素子の駆動による振動板の変形量
が実質的に小さくなるという問題や、振動板の耐久性が
低下するという問題がある。However, in the above-mentioned thin film technology and the manufacturing method by the lithographic method,
Although the pressure generating chamber is formed after patterning the thin film, the internal stress of the piezoelectric layer is relaxed at that time, and the diaphragm is bent toward the pressure generating chamber due to the influence of the internal stress of the lower electrode. It remains as the initial deformation of the diaphragm. Therefore, there is a problem that the amount of deformation of the diaphragm due to the driving of the piezoelectric element is substantially reduced, and the durability of the diaphragm is reduced.
【0008】本発明はこのような事情に鑑み、振動板の
変形量及び耐久性の向上を図ったインクジェット式記録
ヘッド及びその製造方法並びにインクジェット式記録装
置を提供することを課題とする。In view of the above circumstances, it is an object of the present invention to provide an ink jet recording head, a method of manufacturing the same, and an ink jet recording apparatus, in which the deformation amount and durability of the diaphragm are improved.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の第1の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室の
一部を構成する振動板を介して前記圧力発生室に対応す
る領域に圧電素子を形成したインクジェット式記録ヘッ
ドにおいて、前記圧電素子を構成する下電極、圧電体層
及び上電極が前記圧力発生室に対向する領域に設けら
れ、前記下電極と、該下電極の少なくとも幅方向両側に
連続的に設けられて引張り応力を有する引張り膜とが前
記振動板の少なくとも上層部を構成していることを特徴
とするインクジェット式記録ヘッドにある。According to a first aspect of the present invention for solving the above-mentioned problems, a region corresponding to the pressure generating chamber is provided via a vibrating plate forming a part of the pressure generating chamber communicating with the nozzle opening. In an ink jet recording head having a piezoelectric element formed therein, a lower electrode, a piezoelectric layer and an upper electrode forming the piezoelectric element are provided in a region facing the pressure generating chamber, and at least the lower electrode and the lower electrode. An ink jet recording head is characterized in that a tension film having tensile stress continuously provided on both sides in the width direction constitutes at least an upper layer portion of the diaphragm.
【0010】かかる第1の態様では、下電極に引張り膜
の張力が作用し、圧力発生室形成時の振動板の応力緩和
が低減される。In the first aspect, the tension of the tensile film acts on the lower electrode, and the stress relaxation of the diaphragm at the time of forming the pressure generating chamber is reduced.
【0011】本発明の第2の態様は、第1の態様におい
て、前記引張り膜は前記下電極と異なる材料からなるこ
とを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。A second aspect of the present invention is the ink jet recording head according to the first aspect, characterized in that the tensile film is made of a material different from that of the lower electrode.
【0012】かかる第2の態様では、引張り膜の応力状
態を下電極と異なる応力状態とすることができる。In the second aspect, the stress state of the tensile film can be made different from that of the lower electrode.
【0013】本発明の第3の態様は、第1又は2の態様
において、前記引張り膜は、前記下電極よりもヤング率
が大きい材料からなることを特徴とするインクジェット
式記録ヘッドにある。A third aspect of the present invention is the ink jet recording head according to the first or second aspect, characterized in that the tensile film is made of a material having a Young's modulus larger than that of the lower electrode.
【0014】かかる第3の態様では、引張り膜の張力が
有効に下電極に作用する。In the third aspect, the tension of the pulling film effectively acts on the lower electrode.
【0015】本発明の第4の態様は、前記引張り膜は白
金、イリジウム、酸化イリジウム、酸化ジルコニウム、
酸化ルテニウム、タングステン、及びモリブデンの群か
ら選択される少なくとも一種からなることを特徴とする
インクジェット式記録ヘッドにある。In a fourth aspect of the present invention, the tensile film is platinum, iridium, iridium oxide, zirconium oxide,
The inkjet recording head is characterized by comprising at least one selected from the group consisting of ruthenium oxide, tungsten, and molybdenum.
【0016】かかる第4の態様では、引張り応力を有し
且つ下電極に有効に張力を与える引張り膜を形成でき
る。In the fourth aspect, it is possible to form a tensile film having a tensile stress and effectively applying a tension to the lower electrode.
【0017】本発明の第5の態様は、第1〜4の何れか
の態様において、前記下電極及び前記引張り膜の下には
弾性膜が形成されていることを特徴とするインクジェッ
ト式記録ヘッドにある。A fifth aspect of the present invention is the ink jet recording head according to any one of the first to fourth aspects, characterized in that an elastic film is formed under the lower electrode and the tension film. It is in.
【0018】かかる第5の態様では、弾性膜及び引張り
膜が振動板として作用する。In the fifth aspect, the elastic film and the tension film act as a diaphragm.
【0019】本発明の第6の態様は、第5の態様におい
て、前記弾性膜の前記下電極に対向する部分は他の部分
より膜厚が大きいことを特徴とするインクジェット式記
録ヘッドにある。A sixth aspect of the present invention is the ink jet recording head according to the fifth aspect, characterized in that the portion of the elastic film facing the lower electrode is thicker than other portions.
【0020】かかる第6の態様では、弾性膜の下電極に
対向する部分に引張り膜の張力が作用し、初期撓みが低
減される。In the sixth aspect, the tension of the tension film acts on the portion of the elastic film facing the lower electrode, and the initial deflection is reduced.
【0021】本発明の第7の態様は、第5又は6の態様
において、前記弾性膜が二酸化シリコンからなることを
特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。A seventh aspect of the present invention is the ink jet recording head according to the fifth or sixth aspect, characterized in that the elastic film is made of silicon dioxide.
【0022】かかる第7の態様では、二酸化シリコン膜
からなる弾性膜及び引張り膜が振動板として作用する。In the seventh aspect, the elastic film and the tension film made of a silicon dioxide film act as a diaphragm.
【0023】本発明の第8の態様は、第1〜7の何れか
の態様において、前記圧電素子の上面には絶縁体層が形
成され、前記圧電素子に電圧を印加するためのリード電
極と当該圧電素子との接続部となるコンタクト部が、前
記絶縁体層に形成されたコンタクトホール内に形成され
ていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドに
ある。According to an eighth aspect of the present invention, in any one of the first to seventh aspects, an insulating layer is formed on the upper surface of the piezoelectric element, and a lead electrode for applying a voltage to the piezoelectric element is provided. The inkjet recording head is characterized in that a contact portion serving as a connection portion with the piezoelectric element is formed in a contact hole formed in the insulator layer.
【0024】かかる第8の態様では、圧電素子とリード
電極とが圧力発生室に対向する領域のコンタクトホール
内で接続される。In the eighth aspect, the piezoelectric element and the lead electrode are connected in the contact hole in the region facing the pressure generating chamber.
【0025】本発明の第9の態様は、第1〜8の何れか
の態様において、少なくとも前記圧電素子の長手方向一
端部が前記圧力発生室の側壁に対向する部分まで延設さ
れ、前記コンタクト部は当該側壁に対向する領域に形成
されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッ
ドにある。In a ninth aspect of the present invention according to any one of the first to eighth aspects, at least one longitudinal end of the piezoelectric element is extended to a portion facing a side wall of the pressure generating chamber, and the contact is provided. In the ink jet recording head, the portion is formed in a region facing the side wall.
【0026】かかる第9の態様では、圧電素子とリード
電極とを接続するコンタクトホールが圧力発生室の周壁
に対向する領域に設けられ、変位への影響が低減され
る。In the ninth aspect, the contact hole for connecting the piezoelectric element and the lead electrode is provided in the region facing the peripheral wall of the pressure generating chamber, and the influence on the displacement is reduced.
【0027】本発明の第10の態様は、第1〜9の何れ
かの態様において、前記圧力発生室がシリコン単結晶基
板に異方性エッチングにより形成され、前記圧電素子の
各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されたもので
あることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにあ
る。In a tenth aspect of the present invention according to any one of the first to ninth aspects, the pressure generating chamber is formed in a silicon single crystal substrate by anisotropic etching, and each layer of the piezoelectric element is formed and formed. The inkjet recording head is characterized by being formed by a lithography method.
【0028】かかる第10の態様では、高密度のノズル
開口を有するインクジェット式記録ヘッドを大量に且つ
比較的容易に製造することができる。In the tenth aspect, it is possible to manufacture a large number of ink jet recording heads having high density nozzle openings and relatively easily.
【0029】本発明の第11の態様は、第1〜10の何
れか態様のインクジェット式記録ヘッドを具備すること
を特徴とするインクジェット式記録装置にある。An eleventh aspect of the present invention is an ink jet recording apparatus including the ink jet recording head according to any one of the first to tenth aspects.
【0030】かかる第11の態様では、ヘッドの耐久性
を向上したインクジェット式記録装置を実現することが
できる。According to the eleventh aspect, it is possible to realize an ink jet recording apparatus having improved head durability.
【0031】本発明の第12の態様は、圧力発生室を形
成するシリコン単結晶基板の一方面に設けられた弾性膜
上に下電極層、圧電体層及び上電極層を順次積層して各
層をパターニングすることにより前記圧力発生室に対応
する領域に前記下電極、前記圧電体層及び前記上電極か
らなる圧電体能動部を形成するインクジェット式記録ヘ
ッドの製造方法において、前記弾性膜上に前記下電極層
を成膜した後、前記下電極を前記圧力発生室に対向する
領域内にパターニングする工程と、前記弾性膜上の前記
下電極が形成されていない領域に引張り応力を有する引
張り膜をマスクを用いて形成する工程と、前記下電極上
に前記圧電体層、及び前記上電極層を順次積層した後、
前記上電極層及び前記圧電体層をパターニングして前記
圧電体能動部を形成する工程とを有することを特徴とす
るインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。In a twelfth aspect of the present invention, a lower electrode layer, a piezoelectric layer and an upper electrode layer are sequentially laminated on an elastic film provided on one surface of a silicon single crystal substrate forming a pressure generating chamber, and each layer is formed. In the method for manufacturing an ink jet recording head, in which the piezoelectric active part including the lower electrode, the piezoelectric layer and the upper electrode is formed in a region corresponding to the pressure generating chamber by patterning After forming the lower electrode layer, a step of patterning the lower electrode in a region facing the pressure generating chamber, and a tensile film having a tensile stress in a region of the elastic film where the lower electrode is not formed, A step of forming using a mask, and after sequentially stacking the piezoelectric layer and the upper electrode layer on the lower electrode,
And a step of forming the piezoelectric active portion by patterning the upper electrode layer and the piezoelectric layer.
【0032】かかる第12の態様では、弾性膜と、この
弾性膜上の上の引張り膜から振動板が構成される。In the twelfth aspect, the diaphragm is composed of the elastic film and the tension film on the elastic film.
【0033】本発明の第13の態様は、第12の態様に
おいて、成膜時に前記引張り膜が引張り応力を有するよ
うに成膜条件を制御することを特徴とするインクジェッ
ト式記録ヘッドの製造方法にある。A thirteenth aspect of the present invention is the method for producing an ink jet recording head according to the twelfth aspect, characterized in that the film forming conditions are controlled so that the tensile film has a tensile stress during film formation. is there.
【0034】かかる第13の態様では、下電極膜に引張
り膜の張力が作用し、圧力発生室形成時の振動板の応力
緩和が低減される。In the thirteenth aspect, the tension of the tension film acts on the lower electrode film, and the stress relaxation of the diaphragm at the time of forming the pressure generating chamber is reduced.
【0035】本発明の第14の態様は、第12又は13
の態様において、前記下電極層は、前記圧力発生室に対
向する領域の長手方向の少なくとも一端部からその外側
へ延設されて共通電極とされていることを特徴とするイ
ンクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。The fourteenth aspect of the present invention is the twelfth or thirteenth aspect.
In one aspect, the lower electrode layer is extended from at least one end portion in the longitudinal direction of a region facing the pressure generating chamber to the outside thereof to form a common electrode, which is a common electrode. On the way.
【0036】かかる第14の態様では、層間絶縁膜を必
要とせず、比較的容易にヘッドの配線を形成することが
できる。In the fourteenth aspect, the wiring of the head can be formed relatively easily without the need for the interlayer insulating film.
【0037】[0037]
【発明の実施の形態】以下に本発明を実施形態に基づい
て詳細に説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described in detail below based on embodiments.
【0038】(実施形態1)図1は、本発明の実施形態
1に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図
であり、図2は、平面図及びその1つの圧力発生室の長
手方向における断面構造を示す図である。(Embodiment 1) FIG. 1 is an exploded perspective view showing an ink jet recording head according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a plan view and a cross section of one of the pressure generating chambers in the longitudinal direction. It is a figure which shows a structure.
【0039】図示するように、流路形成基板10は、本
実施形態では面方位(110)のシリコン単結晶基板か
らなる。流路形成基板10としては、通常、150〜3
00μm程度の厚さのものが用いられ、望ましくは18
0〜280μm程度、より望ましくは220μm程度の
厚さのものが好適である。これは、隣接する圧力発生室
間の隔壁の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるから
である。As shown in the figure, the flow path forming substrate 10 is a silicon single crystal substrate having a plane orientation (110) in this embodiment. The flow path forming substrate 10 is usually 150 to 3
A thickness of about 00 μm is used, preferably 18
The thickness is preferably about 0 to 280 μm, more preferably about 220 μm. This is because the array density can be increased while maintaining the rigidity of the partition wall between the adjacent pressure generating chambers.
【0040】流路形成基板10の一方の面は開口面とな
り、他方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリ
コンからなる、厚さ0.1〜2μmの弾性膜50が形成
されている。One surface of the flow path forming substrate 10 serves as an opening surface, and the other surface is provided with an elastic film 50 of 0.1 to 2 μm in thickness made of silicon dioxide formed by thermal oxidation in advance.
【0041】一方、流路形成基板10の開口面には、シ
リコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより、
ノズル開口11、圧力発生室12が形成されている。On the other hand, the opening surface of the flow path forming substrate 10 is anisotropically etched to form a silicon single crystal substrate.
A nozzle opening 11 and a pressure generating chamber 12 are formed.
【0042】ここで、異方性エッチングは、シリコン単
結晶基板をKOH等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々
に侵食されて(110)面に垂直な第1の(111)面
と、この第1の(111)面と約70度の角度をなし且
つ上記(110)面と約35度の角度をなす第2の(1
11)面とが出現し、(110)面のエッチングレート
と比較して(111)面のエッチングレートが約1/1
80であるという性質を利用して行われるものである。
かかる異方性エッチングにより、二つの第1の(11
1)面と斜めの二つの第2の(111)面とで形成され
る平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行う
ことができ、圧力発生室12を高密度に配列することが
できる。In the anisotropic etching, when a silicon single crystal substrate is dipped in an alkaline solution such as KOH, it is gradually eroded to form a first (111) plane perpendicular to the (110) plane and the first (111) plane. Of the second (1) which makes an angle of about 70 degrees with the (111) plane of
The (11) plane appears, and the etching rate of the (111) plane is about 1/1 compared to the etching rate of the (110) plane.
It is performed by utilizing the property of being 80.
By such anisotropic etching, two first (11
Precision machining can be performed on the basis of the depth machining of the parallelogram shape formed by the 1) plane and the two diagonal second (111) planes, and the pressure generating chambers 12 can be arranged at high density. it can.
【0043】本実施形態では、各圧力発生室12の長辺
を第1の(111)面で、短辺を第2の(111)面で
形成している。この圧力発生室12は、流路形成基板1
0をほぼ貫通して弾性膜50に達するまでエッチングす
ることにより形成されている。なお、弾性膜50は、シ
リコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵さ
れる量がきわめて小さい。In the present embodiment, the long side of each pressure generating chamber 12 is formed by the first (111) plane and the short side is formed by the second (111) plane. The pressure generating chamber 12 is provided in the flow path forming substrate 1
It is formed by etching through almost 0 to reach the elastic film 50. Note that the elastic film 50 has a very small amount of being attacked by the alkaline solution that etches the silicon single crystal substrate.
【0044】一方、各圧力発生室12の一端に連通する
各ノズル開口11は、圧力発生室12より幅狭で且つ浅
く形成されている。すなわち、ノズル開口11は、シリ
コン単結晶基板を厚さ方向に途中までエッチング(ハー
フエッチング)することにより形成されている。なお、
ハーフエッチングは、エッチング時間の調整により行わ
れる。On the other hand, each nozzle opening 11 communicating with one end of each pressure generating chamber 12 is formed narrower and shallower than the pressure generating chamber 12. That is, the nozzle opening 11 is formed by halfway etching the silicon single crystal substrate in the thickness direction. In addition,
Half etching is performed by adjusting the etching time.
【0045】ここで、インク滴吐出圧力をインクに与え
る圧力発生室12の大きさと、インク滴を吐出するノズ
ル開口11の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出
スピード、吐出周波数に応じて最適化される。例えば、
1インチ当たり360個のインク滴を記録する場合、ノ
ズル開口11は数十μmの溝幅で精度よく形成する必要
がある。Here, the size of the pressure generating chamber 12 that applies the ink droplet ejection pressure to the ink and the size of the nozzle opening 11 that ejects the ink droplet depend on the amount of the ejected ink droplet, the ejection speed, and the ejection frequency. Optimized. For example,
When recording 360 ink droplets per inch, it is necessary to accurately form the nozzle openings 11 with a groove width of several tens of μm.
【0046】また、各圧力発生室12と後述する共通イ
ンク室31とは、後述する封止板20の各圧力発生室1
2の一端部に対応する位置にそれぞれ形成されたインク
供給連通口21を介して連通されており、インクはこの
インク供給連通口21を介して共通インク室31から供
給され、各圧力発生室12に分配される。The pressure generating chambers 12 and the common ink chamber 31 to be described later correspond to the pressure generating chambers 1 of the sealing plate 20 to be described later.
The ink is communicated through an ink supply communication port 21 formed at a position corresponding to one end of each of the two, and the ink is supplied from the common ink chamber 31 through the ink supply communication port 21 and each pressure generation chamber 12 Will be distributed to.
【0047】封止板20は、前述の各圧力発生室12に
対応したインク供給連通口21が穿設された、厚さが例
えば、0.1〜1mmで、線膨張係数が300℃以下
で、例えば2.5〜4.5[×10-6/℃]であるガラ
スセラミックスからなる。なお、インク供給連通口21
は、図3(a),(b)に示すように、各圧力発生室1
2のインク供給側端部の近傍を横断する一つのスリット
孔21Aでも、あるいは複数のスリット孔21Bであっ
てもよい。封止板20は、一方の面で流路形成基板10
の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外
力から保護する補強板の役目も果たす。また、封止板2
0は、他面で共通インク室31の一壁面を構成する。The sealing plate 20 is provided with the ink supply communication port 21 corresponding to each of the pressure generating chambers 12 and has a thickness of, for example, 0.1 to 1 mm and a linear expansion coefficient of 300 ° C. or less. , 2.5-4.5 [× 10 −6 / ° C.], for example. The ink supply communication port 21
As shown in FIGS. 3A and 3B, each pressure generation chamber 1
There may be one slit hole 21A crossing the vicinity of the two ink supply side ends, or a plurality of slit holes 21B. The sealing plate 20 has the flow passage forming substrate 10 on one surface.
It also serves as a reinforcing plate that completely covers one surface and protects the silicon single crystal substrate from impact and external force. Also, the sealing plate 2
The other surface 0 forms one wall surface of the common ink chamber 31.
【0048】共通インク室形成基板30は、共通インク
室31の周壁を形成するものであり、ノズル開口数、イ
ンク滴吐出周波数に応じた適正な厚みのステンレス板を
打ち抜いて作製されたものである。本実施形態では、共
通インク室形成基板30の厚さは、0.2mmとしてい
る。The common ink chamber forming substrate 30 forms the peripheral wall of the common ink chamber 31, and is made by punching out a stainless plate having an appropriate thickness according to the number of nozzle openings and the ink droplet ejection frequency. . In this embodiment, the common ink chamber forming substrate 30 has a thickness of 0.2 mm.
【0049】インク室側板40は、ステンレス基板から
なり、一方の面で共通インク室31の一壁面を構成する
ものである。また、インク室側板40には、他方の面の
一部にハーフエッチングにより凹部40aを形成するこ
とにより薄肉壁41が形成され、さらに、外部からのイ
ンク供給を受けるインク導入口42が打抜き形成されて
いる。なお、薄肉壁41は、インク滴吐出の際に発生す
るノズル開口11と反対側へ向かう圧力を吸収するため
のもので、他の圧力発生室12に、共通インク室31を
経由して不要な正又は負の圧力が加わるのを防止する。
本実施形態では、インク導入口42と外部のインク供給
手段との接続時等に必要な剛性を考慮して、インク室側
板40を0.2mmとし、その一部を厚さ0.02mm
の薄肉壁41としているが、ハーフエッチングによる薄
肉壁41の形成を省略するために、インク室側板40の
厚さを初めから0.02mmとしてもよい。The ink chamber side plate 40 is made of a stainless steel substrate, and one surface thereof constitutes one wall surface of the common ink chamber 31. Further, the ink chamber side plate 40 is formed with a thin wall 41 by forming a recess 40a in a part of the other surface by half etching, and further, an ink introduction port 42 for receiving an ink supply from the outside is formed by punching. ing. It should be noted that the thin wall 41 is for absorbing a pressure generated when ink droplets are ejected and directed to the side opposite to the nozzle opening 11, and is unnecessary for another pressure generating chamber 12 via the common ink chamber 31. Prevents the application of positive or negative pressure.
In the present embodiment, the ink chamber side plate 40 has a thickness of 0.2 mm, and a part of the ink chamber side plate 40 has a thickness of 0.02 mm in consideration of the rigidity required when connecting the ink introduction port 42 and an external ink supply means.
However, the thickness of the ink chamber side plate 40 may be 0.02 mm from the beginning in order to omit the formation of the thin wall 41 by half etching.
【0050】一方、流路形成基板10の開口面とは反対
側の弾性膜50の上には、厚さが例えば、約0.5μm
の下電極膜60と、厚さが例えば、約1μmの圧電体膜
70と、厚さが例えば、約0.1μmの上電極膜80と
が、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子30
0を構成している。ここで、圧電素子300は、下電極
膜60、圧電体膜70、及び上電極膜80を含む部分を
いう。一般的には、圧電素子300の何れか一方の電極
を共通電極とし、他方の電極及び圧電体膜70を各圧力
発生室12毎にパターニングして構成する。そして、こ
こではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体
膜70から構成され、両電極への電圧の印加により圧電
歪みが生じる部分を圧電体能動部320という。本実施
形態では、下電極膜60は圧電素子300の共通電極と
し、上電極膜80を圧電素子300の個別電極としてい
るが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障は
ない。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体
能動部が形成されていることになる。また、ここでは、
圧電素子300と当該圧電素子300の駆動により変位
が生じる振動板と合わせて圧電アクチュエータと称す
る。なお、本実施形態では、後述するように、下電極膜
60がパターニングされているため、弾性膜50が振動
板として作用する。On the other hand, a thickness of, for example, about 0.5 μm is formed on the elastic film 50 on the side opposite to the opening surface of the flow path forming substrate 10.
The lower electrode film 60, the piezoelectric film 70 having a thickness of, for example, about 1 μm, and the upper electrode film 80 having a thickness of, for example, about 0.1 μm are laminated and formed in a process described later to form the piezoelectric element 30.
Configures 0. Here, the piezoelectric element 300 refers to a portion including the lower electrode film 60, the piezoelectric film 70, and the upper electrode film 80. In general, one of the electrodes of the piezoelectric element 300 is used as a common electrode, and the other electrode and the piezoelectric film 70 are patterned for each pressure generating chamber 12. Further, here, a portion which is composed of one of the patterned electrodes and the piezoelectric film 70 and in which piezoelectric strain is generated by applying a voltage to both electrodes is referred to as a piezoelectric active portion 320. In the present embodiment, the lower electrode film 60 is the common electrode of the piezoelectric element 300 and the upper electrode film 80 is the individual electrode of the piezoelectric element 300. However, there is no problem even if this is reversed due to the drive circuit and wiring. In any case, the piezoelectric active portion is formed for each pressure generating chamber. Also here
The piezoelectric element 300 and the vibration plate that is displaced by the driving of the piezoelectric element 300 are collectively referred to as a piezoelectric actuator. In this embodiment, since the lower electrode film 60 is patterned as will be described later, the elastic film 50 acts as a diaphragm.
【0051】ここで、シリコン単結晶基板からなる流路
形成基板10上に、圧電体膜70等を形成するプロセス
を図4を参照しながら説明する。Now, a process of forming the piezoelectric film 70 and the like on the flow path forming substrate 10 made of a silicon single crystal substrate will be described with reference to FIG.
【0052】図4(a)に示すように、まず、流路形成
基板10となるシリコン単結晶基板のウェハを約110
0℃の拡散炉で熱酸化して二酸化シリコンからなる弾性
膜50を形成する。As shown in FIG. 4A, first, a wafer of a silicon single crystal substrate to be the flow path forming substrate 10 is about 110.
An elastic film 50 made of silicon dioxide is formed by thermal oxidation in a 0 ° C. diffusion furnace.
【0053】次に、図4(b)に示すように、スパッタ
リングで下電極膜60を形成する。この下電極膜60の
材料としては、白金等が好適である。これは、スパッタ
リングやゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体膜70
は、成膜後に大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で600〜
1000℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があ
るからである。すなわち、下電極膜60の材料は、この
ような高温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければ
ならず、殊に、圧電体膜70としてチタン酸ジルコン酸
鉛を用いた場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化
が少ないことが望ましく、これらの理由から白金が好適
である。Next, as shown in FIG. 4B, the lower electrode film 60 is formed by sputtering. Platinum or the like is suitable as a material for the lower electrode film 60. This is a piezoelectric film 70 described later, which is formed by sputtering or a sol-gel method.
Is 600 to 600 in an air atmosphere or an oxygen atmosphere after film formation.
This is because it is necessary to fire and crystallize at a temperature of about 1000 ° C. That is, the material of the lower electrode film 60 must be able to maintain conductivity under such a high temperature and oxidizing atmosphere. In particular, when lead zirconate titanate is used as the piezoelectric film 70, the lower electrode film 60 is oxidized. It is desirable that the change in conductivity due to the diffusion of lead is small, and for these reasons platinum is preferred.
【0054】次に、図4(c)に示すように、下電極膜
60をエッチングして圧力発生室12に対応する領域
に、少なくとも幅方向両側の端部が圧力発生室12に対
向する領域内に位置するようにパターニングする。Next, as shown in FIG. 4C, the lower electrode film 60 is etched to a region corresponding to the pressure generating chamber 12, and at least both ends in the width direction are opposed to the pressure generating chamber 12. Pattern so that it is located inside.
【0055】次に、図5(a)に示すように、前記弾性
膜上の前記下電極が形成されていない領域に引張り膜6
1をマスクを用いて成膜する。この部分は後述する理由
により、ヤング率が大きい材料、白金、イリジウム、酸
化イリジウム、酸化ジルコニウム、酸化ルテニウム、タ
ングステン、又はモリブデンの何れかの材料が好適であ
る。Next, as shown in FIG. 5A, the tension film 6 is formed on the elastic film in a region where the lower electrode is not formed.
1 is deposited using a mask. For this reason, a material having a large Young's modulus, a material of platinum, iridium, iridium oxide, zirconium oxide, ruthenium oxide, tungsten, or molybdenum is preferable for this portion.
【0056】また、本実施例では引張り膜61をスパッ
タリングで形成するが、引張り膜61が引張り応力を有
するように成膜条件を制御することが必要であり、例え
ば、スパッタリングのアルゴン圧力は3Pa以上として
成膜する。Further, although the tensile film 61 is formed by sputtering in this embodiment, it is necessary to control the film forming conditions so that the tensile film 61 has tensile stress. For example, the argon pressure for sputtering is 3 Pa or more. As a film.
【0057】次に、図5(b)に示すように、圧電体膜
70及び上電極膜80を成膜する。この圧電体膜70の
成膜にはスパッタリングを用いることもできるが、本実
施形態では、金属有機物を溶媒に溶解・分散したいわゆ
るゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成する
ことで金属酸化物からなる圧電体膜70を得る、いわゆ
るゾル−ゲル法を用いている。圧電体膜70の材料とし
ては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系の材料がイン
クジェット式記録ヘッドに使用する場合には好適であ
る。Next, as shown in FIG. 5B, the piezoelectric film 70 and the upper electrode film 80 are formed. Although sputtering can be used to form the piezoelectric film 70, in the present embodiment, a so-called sol in which a metal organic material is dissolved / dispersed in a solvent is applied, dried, gelled, and fired at a higher temperature to form a metal. A so-called sol-gel method for obtaining the piezoelectric film 70 made of an oxide is used. As a material for the piezoelectric film 70, a lead zirconate titanate (PZT) -based material is suitable for use in an inkjet recording head.
【0058】上電極膜80は、導電性の高い材料であれ
ばよく、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの
金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態で
は、白金をスパッタリングにより成膜している。The upper electrode film 80 may be made of any material having high conductivity, and many metals such as aluminum, gold, nickel, platinum, and conductive oxides can be used. In this embodiment, platinum is deposited by sputtering.
【0059】次に、図5(c)に示すように、圧電体膜
70及び上電極膜80をエッチングして圧電体能動部3
20のパターニングを行う。Next, as shown in FIG. 5C, the piezoelectric film 70 and the upper electrode film 80 are etched to etch the piezoelectric active portion 3
20 patterning is performed.
【0060】以上のように、圧電体膜70及び上電極膜
80をパターニングした後には、好ましくは、各上電極
膜80の上面、圧電体膜70及び引張り膜61の上面を
覆うように電気絶縁性を備えた絶縁体層90を形成する
(図1参照)。After patterning the piezoelectric film 70 and the upper electrode film 80 as described above, it is preferable to electrically insulate the upper surface of each upper electrode film 80, the piezoelectric film 70 and the tensile film 61. The insulating layer 90 having the property is formed (see FIG. 1).
【0061】そして、絶縁体層90の各圧電体能動部3
20の一端部に対応する部分の上面を覆う部分の一部に
は後述するリード電極100と接続するために上電極膜
80の一部を露出させるコンタクトホール90aが形成
されている。そして、このコンタクトホール90aを介
して各上電極膜80に一端が接続し、また他端が接続端
子部に延びるリード電極100が形成されている。リー
ド電極100は、駆動信号を上電極膜80に確実に供給
できる程度に可及的に狭い幅となるように形成されてい
る。Then, each piezoelectric active portion 3 of the insulating layer 90.
A contact hole 90a exposing a part of the upper electrode film 80 for connecting to a lead electrode 100 described later is formed in a part of a portion covering an upper surface of a portion corresponding to one end of 20. A lead electrode 100 is formed, one end of which is connected to each upper electrode film 80 through the contact hole 90a and the other end of which extends to the connection terminal portion. The lead electrode 100 is formed to have a width as narrow as possible so that a drive signal can be reliably supplied to the upper electrode film 80.
【0062】このような絶縁体層の形成プロセスを図6
に示す。The process of forming such an insulator layer is shown in FIG.
Shown in.
【0063】まず、図6(a)に示すように、上電極膜
80の周縁部、圧電体膜70及び引張り膜61の上面を
覆うように絶縁体層90を形成する。この絶縁体層90
の材料は、本実施形態ではネガ型の感光性ポリイミドを
用いている。First, as shown in FIG. 6A, an insulating layer 90 is formed so as to cover the peripheral portion of the upper electrode film 80, the piezoelectric film 70 and the upper surfaces of the tension films 61. This insulator layer 90
In this embodiment, a negative photosensitive polyimide is used as the material.
【0064】次に、図6(b)に示すように、絶縁体層
90をパターニングすることにより、各圧力発生室12
のインク供給側の端部近傍に対応する部分にコンタクト
ホール90aを形成する。このコンタクトホール90a
は、リード電極100と上電極膜80との接続をするた
めのものである。Next, as shown in FIG. 6B, by patterning the insulating layer 90, each pressure generating chamber 12 is formed.
A contact hole 90a is formed in a portion corresponding to the vicinity of the end portion on the ink supply side. This contact hole 90a
Is for connecting the lead electrode 100 and the upper electrode film 80.
【0065】以上が膜形成プロセスである。このように
して膜形成を行った後、図6(c)に示すように、前述
したアルカリ溶液によるシリコン単結晶基板の異方性エ
ッチングを行い、圧力発生室12等を形成する。このと
きの圧電体能動部320が受ける力の状態を以下に説明
する。なお、図7は、圧力発生室12をエッチングによ
り形成前後の各層に発生する応力の状態を模式的に示し
た図である。The above is the film forming process. After the film formation is performed in this manner, as shown in FIG. 6C, the pressure generation chamber 12 and the like are formed by anisotropically etching the silicon single crystal substrate with the above-described alkaline solution. The state of the force received by the piezoelectric active part 320 at this time will be described below. FIG. 7 is a diagram schematically showing a state of stress generated in each layer before and after formation of the pressure generating chamber 12 by etching.
【0066】図7(a)に示すように、引張り膜61、
下電極膜60、圧電体膜70及び上電極膜80はそれぞ
れ引張り応力σ4,σ3,σ2,σ1を有し、弾性膜50は
圧縮応力σ5を有している。そのため、図7(b)に示
すように、圧電体能動部320をパターニングし、さら
に圧電体能動部320の下方に圧力発生室12を形成す
ると、圧電体膜70及び上電極膜80の引張り応力
σ2,σ1が開放されて振動板を圧縮しようとする力
F2,F1となり、弾性膜50の圧縮応力σ5は開放され
て振動板を引張る力F5となる。また、本実施形態では
下電極膜60には引張り膜61の存在によって引張り力
F4が作用している。したがって、圧縮力F2,F1と引
張り力F5,F4とがつり合うようになり、振動板の初期
撓みはほとんど発生しない。As shown in FIG. 7A, the tension film 61,
The lower electrode film 60, the piezoelectric film 70, and the upper electrode film 80 have tensile stresses σ 4 , σ 3 , σ 2 , and σ 1 , respectively, and the elastic film 50 has a compressive stress σ 5 . Therefore, as shown in FIG. 7B, when the piezoelectric active part 320 is patterned and the pressure generating chamber 12 is formed below the piezoelectric active part 320, the tensile stress of the piezoelectric film 70 and the upper electrode film 80 is reduced. σ 2 and σ 1 are released to become forces F 2 and F 1 for compressing the diaphragm, and the compressive stress σ 5 of the elastic film 50 is released to become force F 5 to pull the diaphragm. Further, in this embodiment, the tensile force F 4 acts on the lower electrode film 60 due to the existence of the tensile film 61. Therefore, the compressive forces F 2 and F 1 and the tensile forces F 5 and F 4 are balanced, and the initial deflection of the diaphragm hardly occurs.
【0067】なお、引張り膜61が形成されていない場
合には、図8(a)に示すように、圧力発生室12の形
成前に、下電極膜60、圧電体膜70及び上電極膜80
はそれぞれ引張り応力σ31,σ21,σ11を有しているの
で、圧力発生室12を形成すると、引張り応力σ31,σ
21,σ11は開放されて圧縮力F31,F21,F11となり、
結果的に、弾性膜50は、下に凸に変形され、これが初
期変形として残留する。When the tension film 61 is not formed, the lower electrode film 60, the piezoelectric film 70 and the upper electrode film 80 are formed before the pressure generating chamber 12 is formed, as shown in FIG. 8A.
Have tensile stresses σ 31 , σ 21 and σ 11 , respectively, so that when the pressure generating chamber 12 is formed, the tensile stresses σ 31 and σ
21 and σ 11 are released to compressive forces F 31 , F 21 , and F 11 ,
As a result, the elastic film 50 is deformed to be convex downward, and this remains as the initial deformation.
【0068】本実施形態では、引張り膜61を下電極膜
60よりもヤング率の大きい材料で形成し且つ引張り応
力を有するように形成した。これにより、下電極膜60
は隣接する両側の引張り膜61から強い引張り力F4を
受ける。したがって、引張り力F4により圧電体膜70
及び上電極膜80からの圧縮力F2,F1が相殺され、圧
力発生室12の形成による弾性膜50の変形を低減また
は無くすことができる。また、圧電体膜70の変形も防
止できるため、圧電体膜70の圧力発生室12形成前の
圧電特性を維持することができる。したがって、ヘッド
の変位効率を向上することができる。In this embodiment, the tensile film 61 is made of a material having a Young's modulus larger than that of the lower electrode film 60 and is formed so as to have a tensile stress. Thereby, the lower electrode film 60
Receives a strong tensile force F 4 from the tensile films 61 on both sides adjacent to each other. Therefore, the tensile force F 4 causes the piezoelectric film 70 to move.
Also, the compressive forces F 2 and F 1 from the upper electrode film 80 are canceled out, so that the deformation of the elastic film 50 due to the formation of the pressure generating chamber 12 can be reduced or eliminated. Further, since the deformation of the piezoelectric film 70 can be prevented, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric film 70 before the pressure generating chamber 12 is formed can be maintained. Therefore, the displacement efficiency of the head can be improved.
【0069】本実施形態では、圧電体層70および上電
極80からなる圧電体能動部320は、圧力発生室12
に対向する領域に設けられている。また、圧電体能動部
320の長手方向端部近傍には、圧電体能動部320上
に設けられている絶縁体層90のコンタクトホール90
aを介して上電極80とリード電極100とが接続され
ている。なお、本実施形態では、コンタクトホール90
aは、図2に示すように、圧力発生室12に対向する位
置に設けられているが、圧電体層70及び上電極80を
圧力発生室12の周壁上まで延設して、この周壁に対向
する位置にコンタクトホール90aを設けてもよい。In this embodiment, the piezoelectric active portion 320 composed of the piezoelectric layer 70 and the upper electrode 80 has the pressure generating chamber 12
Is provided in a region facing. Further, in the vicinity of the longitudinal end portion of the piezoelectric active portion 320, the contact hole 90 of the insulating layer 90 provided on the piezoelectric active portion 320.
The upper electrode 80 and the lead electrode 100 are connected via a. In the present embodiment, the contact hole 90
As shown in FIG. 2, a is provided at a position facing the pressure generating chamber 12, but the piezoelectric layer 70 and the upper electrode 80 are extended to the peripheral wall of the pressure generating chamber 12 and are provided on this peripheral wall. You may provide the contact hole 90a in the position which opposes.
【0070】以上説明した一連の膜形成及び異方性エッ
チングは、一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成
し、プロセス終了後、図1に示すような一つのチップサ
イズの流路形成基板10毎に分割する。また、分割した
流路形成基板10を、封止板20、共通インク室形成基
板30、及びインク室側板40と順次接着して一体化
し、インクジェット式記録ヘッドとする。In the series of film formation and anisotropic etching described above, a large number of chips are simultaneously formed on one wafer, and after the process is completed, a flow path forming substrate of one chip size as shown in FIG. Divide every ten. In addition, the divided flow path forming substrate 10 is sequentially bonded and integrated with the sealing plate 20, the common ink chamber forming substrate 30, and the ink chamber side plate 40 to form an ink jet recording head.
【0071】このように構成したインクジェットヘッド
は、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導
入口42からインクを取り込み、共通インク室31から
ノズル開口11に至るまで内部をインクで満たした後、
図示しない外部の駆動回路からの記録信号に従い、リー
ド電極100を介して下電極60と上電極80との間に
電圧を印加し、弾性膜50、下電極60及び圧電体層7
0を撓み変形させることにより、圧力発生室12内の圧
力が高まりノズル開口11からインク滴が吐出する。The ink jet head thus constructed takes in ink from the ink introduction port 42 connected to an external ink supply means (not shown) and fills the inside from the common ink chamber 31 to the nozzle opening 11 with ink.
According to a recording signal from an external drive circuit (not shown), a voltage is applied between the lower electrode 60 and the upper electrode 80 via the lead electrode 100, and the elastic film 50, the lower electrode 60 and the piezoelectric layer 7 are formed.
By flexing and deforming 0, the pressure in the pressure generating chamber 12 increases, and ink droplets are ejected from the nozzle openings 11.
【0072】(実施形態2)図9は、本発明の実施形態
2の圧電体能動部が圧力発生室形成時に受ける力の状態
を示す断面図である。(Embodiment 2) FIG. 9 is a sectional view showing a state of a force applied to a piezoelectric active portion according to Embodiment 2 of the present invention when forming a pressure generating chamber.
【0073】本実施例は、下電極膜60をエッチングし
てパターニングする際に、弾性膜50を厚さ方向の一部
までオーバーエッチングして、弾性膜除去部350を形
成し、以下は実施形態1と同様に膜形成プロセスを行っ
たものである。In this embodiment, when the lower electrode film 60 is etched and patterned, the elastic film 50 is over-etched to a part in the thickness direction to form the elastic film removing portion 350. The film forming process was performed in the same manner as 1.
【0074】このため、図9(a)に示すように、弾性
膜50の一部が除去されていることにより、弾性膜50
の圧縮応力σ5の一部が開放されてσ52となっている。Therefore, as shown in FIG. 9A, since the elastic film 50 is partially removed, the elastic film 50 is removed.
A part of the compressive stress σ 5 of is released to σ 52 .
【0075】次に、図9(b)に示すように、圧電体能
動部320をパターニングし、さらに圧電体能動部32
0の下方に圧力発生室12を形成すると、圧電体膜70
及び上電極膜80の引張り応力σ22,σ12が開放されて
振動板を圧縮しようとする力F22,F12となり、弾性膜
50の圧縮応力σ52はさらに開放されて振動板を引張る
力F52となる。また、下電極膜60には引張り膜61の
存在によって引張り力F42が作用している。Next, as shown in FIG. 9B, the piezoelectric active portion 320 is patterned, and the piezoelectric active portion 32 is further patterned.
When the pressure generating chamber 12 is formed below 0, the piezoelectric film 70
And the tensile stresses σ 22 and σ 12 of the upper electrode film 80 are released to force F 22 and F 12 that try to compress the diaphragm, and the compressive stress σ 52 of the elastic film 50 is further released to pull the diaphragm. It becomes F 52 . Further, the tensile force F 42 acts on the lower electrode film 60 due to the existence of the tensile film 61.
【0076】このような構成においても、圧力発生室1
2を形成するときに弾性膜50の圧縮応力σ52が開放さ
れて振動板を引張る 力F52は小さくなるが、一方、引張
り膜61は厚く形成されるので、引張り膜61によって
下電極膜60に作用する引張り力F42は大きくなる。し
たがって、本実施形態でも実施形態1と同様に、圧縮力
F2,F1と引張り力F5,F4とがつり合うようになり、
振動板の初期撓みはほとんど発生しない。Even in such a structure, the pressure generating chamber 1
2. When forming 2, the compressive stress σ of the elastic film 5052Is open
Pull the diaphragm Force F52Becomes smaller, but on the other hand, tension
Since the tension film 61 is formed thick, the tension film 61
Tensile force F acting on the lower electrode film 6042Grows. Shi
Therefore, also in the present embodiment, the compression force is the same as in the first embodiment.
F2, F1And tensile force FFive, FFourAnd become balanced,
The initial deflection of the diaphragm hardly occurs.
【0077】(他の実施形態)以上、本発明の各実施形
態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的
構成は上述したものに限定されるものではない。(Other Embodiments) Although the respective embodiments of the present invention have been described above, the basic structure of the ink jet recording head is not limited to the above.
【0078】例えば、上述した封止板20の他、共通イ
ンク室形成板30をガラスセラミックス製としてもよ
く、さらには、薄肉膜41を別部材としてガラスセラミ
ックス製としてもよく、材料、構造等の変更は自由であ
る。For example, in addition to the sealing plate 20 described above, the common ink chamber forming plate 30 may be made of glass ceramics, and the thin film 41 may be made of glass ceramics as a separate member. Change is free.
【0079】また、上述した実施形態では、ノズル開口
を流路形成基板10の端面に形成しているが、面に垂直
な方向に突出するノズル開口を形成してもよい。Further, in the above embodiment, the nozzle opening is formed on the end surface of the flow path forming substrate 10, but the nozzle opening may be formed so as to project in the direction perpendicular to the surface.
【0080】このように構成した実施形態の分解斜視図
を図10、その流路の断面を図11にぞれぞれ示す。こ
の実施形態では、ノズル開口11が圧電素子とは反対の
ノズル基板120に穿設され、これらノズル開口11と
圧力発生室12とを連通するノズル連通口22が、封止
板20,共通インク室形成板30及び薄肉板41A及び
インク室側板40Aを貫通するように配されている。FIG. 10 is an exploded perspective view of the embodiment configured as described above, and FIG. 11 is a cross section of the flow path. In this embodiment, the nozzle openings 11 are formed in the nozzle substrate 120 opposite to the piezoelectric element, and the nozzle communication openings 22 that connect the nozzle openings 11 and the pressure generating chambers 12 are the sealing plate 20 and the common ink chamber. It is arranged so as to penetrate the forming plate 30, the thin plate 41A, and the ink chamber side plate 40A.
【0081】なお、本実施形態は、その他、薄肉板41
Aとインク室側板40Aとを別部材とし、インク室側板
40に開口40bを形成した以外は、基本的に上述した
実施形態と同様であり、同一部材には同一符号を付して
重複する説明は省略する。In this embodiment, the thin plate 41 is also used.
A and the ink chamber side plate 40A are separate members, and basically the same as the above-described embodiment except that the opening 40b is formed in the ink chamber side plate 40. Is omitted.
【0082】この実施形態においても、上述した実施形
態と同様に、振動板に下電極60と引張り膜61を設け
ることにより振動板の撓みを抑え、振動板の変形量及び
耐久性を向上することができる。Also in this embodiment, similarly to the above-described embodiment, the lower electrode 60 and the tension film 61 are provided on the diaphragm to suppress the deflection of the diaphragm and improve the deformation amount and durability of the diaphragm. You can
【0083】また、勿論、共通インク室を流路形成基板
内に形成したタイプのインクジェット式記録ヘッドにも
同様に応用できる。Of course, the invention can be similarly applied to an ink jet recording head of the type in which the common ink chamber is formed in the flow path forming substrate.
【0084】また、以上説明した各実施形態は、成膜及
びリソグラフィプロセスを応用することにより製造でき
る薄膜型のインクジェット式記録ヘッドを例にしたが、
勿論これに限定されるものではなく、例えば、基板を積
層して圧力発生室を形成するもの、あるいはグリーンシ
ートを貼付もしくはスクリーン印刷等により圧電体膜を
形成するもの、又は結晶成長により圧電体膜を形成する
もの等、各種の構造のインクジェット式記録ヘッドに本
発明を採用することができる。Further, in each of the embodiments described above, the thin film type ink jet recording head which can be manufactured by applying the film formation and the lithography process is taken as an example.
Of course, the present invention is not limited to this. For example, one in which substrates are laminated to form a pressure generating chamber, one in which a piezoelectric film is formed by attaching a green sheet or screen printing, or a piezoelectric film by crystal growth. The present invention can be applied to ink jet type recording heads having various structures such as those for forming ink.
【0085】さらに、圧電素子とリード電極との間に絶
縁体層を設けた例を説明したが、これに限定されず、例
えば、絶縁体層を設けないで、各上電極に異方性導電膜
を熱溶着し、この異方性導電膜をリード電極と接続した
り、その他、ワイヤボンディング等の各種ボンディング
技術を用いて接続したりする構成としてもよい。Further, although the example in which the insulating layer is provided between the piezoelectric element and the lead electrode has been described, the present invention is not limited to this. For example, without providing the insulating layer, anisotropic conductivity is provided to each upper electrode. The film may be heat-welded, and the anisotropic conductive film may be connected to the lead electrode, or may be connected using various bonding techniques such as wire bonding.
【0086】このように、本発明は、その趣旨に反しな
い限り、種々の構造のインクジェット式記録ヘッドに応
用することができる。As described above, the present invention can be applied to ink jet type recording heads having various structures as long as it does not violate the gist thereof.
【0087】また、これら各実施形態のインクジェット
式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するイン
ク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成し
て、インクジェット式記録装置に搭載される。図12
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 of each of these embodiments constitutes a part of a recording head unit having an ink flow path communicating with an ink cartridge or the like, and is mounted on an ink jet recording apparatus. 12
FIG. 3 is a schematic view showing an example of the inkjet recording apparatus.
【0088】図12に示すように、インクジェット式記
録ヘッドを有する記録ヘッドユニット1A及び1Bは、
インク供給手段を構成するカートリッジ2A及び2Bが
着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット1A及び
1Bを搭載したキャリッジ3は、装置本体4に取り付け
られたキャリッジ軸5に軸方向移動自在に設けられてい
る。この記録ヘッドユニット1A及び1Bは、例えば、
それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物
を吐出するものとしている。As shown in FIG. 12, the recording head units 1A and 1B having the ink jet recording head are
Cartridges 2A and 2B forming an ink supply unit are detachably provided, and a carriage 3 having the recording head units 1A and 1B mounted thereon is provided on a carriage shaft 5 attached to an apparatus main body 4 so as to be axially movable. There is. The recording head units 1A and 1B are, for example,
The black ink composition and the color ink composition are respectively discharged.
【0089】そして、駆動モータ6の駆動力が図示しな
い複数の歯車およびタイミングベルト7を介してキャリ
ッジ3に伝達されることで、記録ヘッドユニット1A及
び1Bを搭載したキャリッジ3はキャリッジ軸5に沿っ
て移動される。一方、装置本体4にはキャリッジ3に沿
ってプラテン8が設けられている。このプラテン8は図
示しない紙送りモータの駆動力により回転できるように
なっており、給紙ローラなどにより給紙された紙等の記
録媒体である記録シートSがプラテン8に巻き掛けられ
て搬送されるようになっている。The driving force of the drive motor 6 is transmitted to the carriage 3 via a plurality of gears (not shown) and the timing belt 7, so that the carriage 3 having the recording head units 1A and 1B mounted thereon extends along the carriage shaft 5. Be moved. On the other hand, a platen 8 is provided on the apparatus body 4 along the carriage 3. The platen 8 can be rotated by the driving force of a paper feed motor (not shown), and a recording sheet S, which is a recording medium such as paper fed by a paper feed roller or the like, is wound around the platen 8 and conveyed. It has become so.
【0090】[0090]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
圧力発生室を形成する際の圧電体膜の内部応力の緩和量
が低減され、それに伴い振動板の初期変形が抑えられ、
圧電体能動部の駆動による振動板の変形量を実質的に向
上することができる。As described above, according to the present invention,
The amount of relaxation of the internal stress of the piezoelectric film when forming the pressure generating chamber is reduced, and the initial deformation of the diaphragm is suppressed accordingly,
It is possible to substantially improve the amount of deformation of the diaphragm caused by driving the piezoelectric active portion.
【図1】本発明の実施形態1に係るインクジェット式記
録ヘッドの分解斜視図である。FIG. 1 is an exploded perspective view of an ink jet recording head according to a first embodiment of the invention.
【図2】本発明の実施形態1に係るインクジェット式記
録ヘッドを示す図であり、図1の平面図及び断面図であ
る。FIG. 2 is a diagram showing an ink jet recording head according to a first embodiment of the invention, and is a plan view and a sectional view of FIG.
【図3】図1の封止板の変形例を示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing a modified example of the sealing plate of FIG.
【図4】本発明の実施形態1の薄膜製造工程を示す断面
図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing the thin film manufacturing process of Embodiment 1 of the present invention.
【図5】本発明の実施形態1の薄膜製造工程を示す断面
図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing the thin film manufacturing process of Embodiment 1 of the present invention.
【図6】本発明の実施形態1の薄膜製造工程を示す断面
図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing the thin film manufacturing process of Embodiment 1 of the present invention.
【図7】本発明の実施形態1の圧電体能動部が圧力発生
室形成時に受ける力の状態を示す断面図である。FIG. 7 is a sectional view showing a state of a force applied to the piezoelectric active portion according to the first embodiment of the present invention when the pressure generating chamber is formed.
【図8】従来の圧電体能動部が圧力発生室形成時に受け
る力の状態を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a state of a force applied to a conventional piezoelectric active portion when forming a pressure generating chamber.
【図9】本発明の実施形態2の圧電体能動部が圧力発生
室形成時に受ける力の状態を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing a state of a force applied to the piezoelectric active portion according to the second embodiment of the present invention when the pressure generating chamber is formed.
【図10】本発明の他の実施形態に係るインクジェット
式記録ヘッドの分解斜視図である。FIG. 10 is an exploded perspective view of an ink jet recording head according to another embodiment of the present invention.
【図11】本発明の他の実施形態に係るインクジェット
式記録ヘッドを示す断面図である。FIG. 11 is a sectional view showing an ink jet recording head according to another embodiment of the present invention.
【図12】本発明の一実施形態に係るインクジェット式
記録装置の概略図である。FIG. 12 is a schematic diagram of an inkjet recording apparatus according to an embodiment of the present invention.
10 流路形成基板 11 ノズル開口 12 圧力発生室 50 弾性膜 60 下電極膜 61 引張り膜 70 圧電体膜 80 上電極膜 90 絶縁体層 100 リード電極 320 圧電体能動部 10 Flow path forming substrate 11 nozzle opening 12 Pressure generation chamber 50 elastic membrane 60 Lower electrode film 61 Tensile film 70 Piezoelectric film 80 Upper electrode film 90 Insulator layer 100 lead electrode 320 Piezoelectric active part
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 酒井 真理 長野県諏訪市大和3丁目3番5号 セイコ ーエプソン株式会社内 Fターム(参考) 2C057 AF52 AF65 AF93 AG12 AG44 AG90 AG92 AG93 AP02 AP31 AQ02 BA03 BA14 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Mari Sakai Seiko, 3-3-3 Yamato, Suwa City, Nagano Prefecture -In Epson Corporation F-term (reference) 2C057 AF52 AF65 AF93 AG12 AG44 AG90 AG92 AG93 AP02 AP31 AQ02 BA03 BA14
Claims (14)
を構成する振動板を介して前記圧力発生室に対応する領
域に圧電素子を形成したインクジェット式記録ヘッドに
おいて、 前記圧電素子を構成する下電極、圧電体層及び上電極が
前記圧力発生室に対向する領域に設けられ、前記下電極
と、該下電極の少なくとも幅方向両側に連続的に設けら
れて引張り応力を有する引張り膜とが前記振動板の少な
くとも上層部を構成していることを特徴とするインクジ
ェット式記録ヘッド。1. An ink jet recording head in which a piezoelectric element is formed in a region corresponding to the pressure generating chamber via a vibration plate forming a part of the pressure generating chamber communicating with the nozzle opening, and the piezoelectric element is constituted. The lower electrode, the piezoelectric layer and the upper electrode are provided in a region facing the pressure generating chamber, and the lower electrode and a tensile film continuously provided on both sides in at least the width direction of the lower electrode and having a tensile stress. An ink jet recording head comprising at least an upper layer portion of the diaphragm.
下電極と異なる材料からなることを特徴とするインクジ
ェット式記録ヘッド。2. The ink jet recording head according to claim 1, wherein the tensile film is made of a material different from that of the lower electrode.
は、前記下電極よりもヤング率が大きい材料からなるこ
とを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。3. The ink jet recording head according to claim 1, wherein the tensile film is made of a material having a Young's modulus larger than that of the lower electrode.
張り膜は白金、イリジウム、酸化イリジウム、酸化ジル
コニウム、酸化ルテニウム、タングステン、及びモリブ
デンの群から選択される少なくとも一種からなることを
特徴とするインクジェット式記録ヘッド。4. The tensile film according to claim 1, wherein the tensile film is made of at least one selected from the group consisting of platinum, iridium, iridium oxide, zirconium oxide, ruthenium oxide, tungsten, and molybdenum. Inkjet recording head.
電極及び前記引張り膜の下側には弾性膜が形成されてい
ることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。5. The ink jet recording head according to claim 1, wherein an elastic film is formed below the lower electrode and the tension film.
電極に対向する部分は他の部分より膜厚が大きいことを
特徴とするインクジェット式記録ヘッド。6. The ink jet recording head according to claim 5, wherein a portion of the elastic film facing the lower electrode has a larger film thickness than other portions.
二酸化シリコンからなることを特徴とするインクジェッ
ト式記録ヘッド。7. The ink jet recording head according to claim 5, wherein the elastic film is made of silicon dioxide.
電素子の上面には絶縁体層が形成され、前記圧電素子に
電圧を印加するためのリード電極と当該圧電素子との接
続部となるコンタクト部が、前記絶縁体層に形成された
コンタクトホール内に形成されていることを特徴とする
インクジェット式記録ヘッド。8. The insulating layer according to claim 1, wherein an insulating layer is formed on an upper surface of the piezoelectric element, and a lead electrode for applying a voltage to the piezoelectric element and a connecting portion with the piezoelectric element. An ink jet recording head, wherein the contact portion is formed in a contact hole formed in the insulating layer.
とも前記圧電素子の長手方向一端部が前記圧力発生室の
側壁に対向する部分まで延設され、前記コンタクト部は
当該側壁に対向する領域に形成されていることを特徴と
するインクジェット式記録ヘッド。9. The region according to claim 1, wherein at least one longitudinal end of the piezoelectric element is extended to a portion facing a side wall of the pressure generating chamber, and the contact portion is a region facing the side wall. An ink jet recording head characterized in that it is formed on the.
圧力発生室がシリコン単結晶基板に異方性エッチングに
より形成され、前記圧電素子の各層が成膜及びリソグラ
フィ法により形成されたものであることを特徴とするイ
ンクジェット式記録ヘッド。10. The pressure generating chamber according to claim 1, wherein the pressure generating chamber is formed in a silicon single crystal substrate by anisotropic etching, and each layer of the piezoelectric element is formed by film formation and a lithography method. An ink jet recording head characterized by being present.
ット式記録ヘッドを具備することを特徴とするインクジ
ェット式記録装置。11. An ink jet recording apparatus comprising the ink jet recording head according to claim 1.
基板の一方面に設けられた弾性膜上に下電極層、圧電体
層及び上電極層を順次積層して各層をパターニングする
ことにより前記圧力発生室に対応する領域に前記下電極
層、前記圧電体層及び前記上電極層からなる圧電体能動
部を形成するインクジェット式記録ヘッドの製造方法に
おいて、前記弾性膜上に前記下電極層を成膜した後、前
記下電極を前記圧力発生室に対向する領域内にパターニ
ングする工程と、前記弾性膜上の前記下電極が形成され
ていない領域に引張り応力を有する引張り膜をマスクを
用いて形成する工程と、前記下電極層上に前記圧電体
層、及び前記上電極を順次積層した後、前記上電極及び
前記圧電体層をパターニングして前記圧電体能動部を形
成する工程とを有することを特徴とするインクジェット
式記録ヘッドの製造方法。12. The pressure is obtained by sequentially laminating a lower electrode layer, a piezoelectric layer and an upper electrode layer on an elastic film provided on one surface of a silicon single crystal substrate forming a pressure generating chamber and patterning each layer. In a method of manufacturing an ink jet recording head, wherein a piezoelectric active portion including the lower electrode layer, the piezoelectric layer, and the upper electrode layer is formed in a region corresponding to the generation chamber, the lower electrode layer is formed on the elastic film. After forming the film, patterning the lower electrode in a region facing the pressure generating chamber, and forming a tensile film having a tensile stress in a region of the elastic film where the lower electrode is not formed using a mask And a step of sequentially stacking the piezoelectric layer and the upper electrode on the lower electrode layer, and then patterning the upper electrode and the piezoelectric layer to form the piezoelectric active portion. A method for manufacturing an ink jet recording head, comprising:
張り膜が引張り応力を有するように成膜条件を制御する
ことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方
法。13. The method for manufacturing an ink jet recording head according to claim 12, wherein the film forming conditions are controlled so that the tensile film has a tensile stress during film formation.
電極層は、前記圧力発生室に対向する領域の長手方向の
少なくとも一端部からその外側へ延設されて共通電極と
されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッ
ドの製造方法。14. The common electrode according to claim 12, wherein the lower electrode layer extends from at least one longitudinal end of a region facing the pressure generating chamber to the outside thereof. And a method for manufacturing an ink jet recording head.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP23983498A JP2000062173A (en) | 1998-08-26 | 1998-08-26 | Ink jet recording head, manufacture thereof and ink jet recorder |
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- 1998-08-26 JP JP23983498A patent/JP2000062173A/en active Pending
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