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JP5458767B2 - Electromechanical conversion mechanism, inkjet head and ultrasonic probe - Google Patents
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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Description

本発明は、電気機械変換機構、インクジェットヘッドおよび超音波プローブに関し、特に高速で高解像度なアクチュエータあるいはセンサとして機能する電気機械変換機構、インクジェットヘッドおよび超音波プローブに関する。   The present invention relates to an electromechanical conversion mechanism, an inkjet head, and an ultrasonic probe, and particularly to an electromechanical conversion mechanism, an inkjet head, and an ultrasonic probe that function as a high-speed, high-resolution actuator or sensor.

従来から、圧電素子や形状記憶合金、バイメタル等を基板の上に薄い膜状に形成したカンチレバー構造(片もち梁)の素子が知られている。薄膜の面に沿う伸縮変形を、面に垂直な方向の変位に効率よく変換することができるため、感度の高い圧力センサやアクチュエータを構成することができる。一方で、カンチレバー構造は、梁の先端が拘束されていないために剛性が低く、外力による変形や捩れ等が生じやすいという課題があった。   2. Description of the Related Art Conventionally, an element having a cantilever structure (single cantilever) in which a piezoelectric element, a shape memory alloy, a bimetal, and the like are formed on a substrate in a thin film shape is known. Since expansion / contraction deformation along the surface of the thin film can be efficiently converted into displacement in a direction perpendicular to the surface, a highly sensitive pressure sensor or actuator can be configured. On the other hand, the cantilever structure has a problem in that the rigidity of the cantilever structure is low because the end of the beam is not constrained, and deformation or twist due to an external force is likely to occur.

この課題を解決するために、変位膜の両端を固定した両もち梁構造や、周縁を固定したダイヤフラム(横隔膜)構造にすることにより、変位膜の剛性を高める工夫が提案されている。この構造を用いることで変位膜の剛性が高くなるため、発生圧力を大きくできる、外部からの力に対して安定して変形できる、変位膜の中心部を基板に平行に移動できる、密閉構造により気体や液体を輸送するポンプに活用できる、等々の利点がある。   In order to solve this problem, there has been proposed a device for increasing the rigidity of the displacement film by using a double beam structure in which both ends of the displacement film are fixed or a diaphragm (diaphragm) structure in which the periphery is fixed. Using this structure increases the rigidity of the displacement film, so the generated pressure can be increased, it can be stably deformed against external forces, and the center of the displacement film can be moved parallel to the substrate. It can be used for pumps that transport gas and liquid.

これらの利点を活かして、ダイヤフラム構造の素子が、例えばインクジェットプリンタのインクジェットヘッドのアクチュエータに用いられている。   Taking advantage of these advantages, an element having a diaphragm structure is used for an actuator of an ink jet head of an ink jet printer, for example.

他方、インクジェットプリンタで、画像を高速に描画するには、チャネルを記録メディアの幅全体に並べて一方向に走査する、ラインヘッド方式が望ましい。このラインヘッド方式で、ヘッドの低コスト化、高解像度化を計るには、個々のチャネルをできるだけ小さくして、ヘッド上に小型のチャネルを2次元で高密度に配置することが望ましい。   On the other hand, in order to draw an image at a high speed with an ink jet printer, a line head system in which channels are arranged in the entire width of the recording medium and scanned in one direction is desirable. In order to reduce the cost and the resolution of the head with this line head system, it is desirable to make individual channels as small as possible and arrange small channels on the head in a two-dimensional and high-density manner.

このようにチャネルを小型化して密度を高める方法として、例えば特許文献1には、円形や正方形等の等方的な形状のチャネルを千鳥配列に配置する方法が提案されている。   As a method for reducing the size of the channel and increasing the density as described above, for example, Patent Document 1 proposes a method of arranging channels having an isotropic shape such as a circle or a square in a staggered arrangement.

一方で、インクを吐出するためのアクチュエータには、
(1)装置の解像度から求められるインクの吐出量を達成するための大きな変位量(変位体積)
(2)必要な粘度のインクを吐出するための大きな発生力
(3)高速な吐出動作に対応するための高い剛性
等の要件が求められる。
On the other hand, the actuator for ejecting ink includes
(1) Large displacement amount (displacement volume) for achieving the ink ejection amount required from the resolution of the apparatus
(2) Large generated force for ejecting ink having a necessary viscosity (3) Requirements such as high rigidity to cope with a high-speed ejection operation are required.

また、両もち梁構造やダイヤフラム構造のセンサへの応用として、例えば超音波診断装置に用いられる超音波プローブの2次元超音波センサとしても適用が可能である。例えば特許文献2には、医療診断用途の2次元超音波探触子の製造方法が提案されている。   Further, as an application to a sensor having a double beam structure or a diaphragm structure, for example, it can be applied as a two-dimensional ultrasonic sensor of an ultrasonic probe used in an ultrasonic diagnostic apparatus. For example, Patent Document 2 proposes a method for manufacturing a two-dimensional ultrasonic probe for medical diagnosis.

特許3168474号公報Japanese Patent No. 3168474 特開2002−262397JP 2002-262397

しかしながら、例えば特許文献1に示された円形のアクチュエータの場合、(1)の変位量を大きくするためには、面積を大きく、厚さを小さくする必要があり、(2)の発生力を大きくするためには、面積を大きく、厚さを大きくする必要があり、(3)の剛性を高めるためには、面積を小さく、厚さを大きくする必要があり、面積即ち直径と、厚さとが相反する関係にある。   However, for example, in the case of the circular actuator disclosed in Patent Document 1, in order to increase the displacement amount of (1), it is necessary to increase the area and the thickness, and to increase the generated force of (2). In order to achieve this, it is necessary to increase the area and the thickness, and in order to increase the rigidity of (3), it is necessary to reduce the area and increase the thickness. There are conflicting relationships.

圧電素子を用いた円形のアクチュエータで、印加する電界が一定の場合、その発生力は面積と厚さの一乗に比例し、剛性は厚さの三乗に比例し面積に反比例するため、変位は面積の二乗に比例し厚さの二乗に反比例する。このように、特許文献1に示された円形や正方形等の等方的な形状のアクチュエータで、上述した3要件を同時に満足することは難しい。   In the case of a circular actuator using a piezoelectric element, when the applied electric field is constant, the generated force is proportional to the square of the area and thickness, and the rigidity is proportional to the cube of the thickness and inversely proportional to the area. It is proportional to the square of the area and inversely proportional to the square of the thickness. As described above, it is difficult to satisfy the above-described three requirements at the same time with an actuator having an isotropic shape such as a circle or a square shown in Patent Document 1.

また、特許文献2では、超音波探触子、即ち超音波センサを、バルクで焼成したチタン酸ジルコン酸鉛(以下、PZTと言う)などの無機の圧電材料を縦横に切断加工して作製している。バルク材のため剛性、発生力は大きいが、変位量即ちセンサ感度が小さいという課題がある。また、センサを高密度化するために、配線を圧電材料と積層して取り出しているが、配線の層を積層することで、超音波振動を減衰、変調してしまうという課題もある。   In Patent Document 2, an ultrasonic probe, that is, an ultrasonic sensor, is manufactured by cutting an inorganic piezoelectric material such as lead zirconate titanate (hereinafter referred to as PZT) fired in bulk vertically and horizontally. ing. Although it is a bulk material, rigidity and generated force are large, but there is a problem that a displacement amount, that is, sensor sensitivity is small. Further, in order to increase the density of the sensor, the wiring is laminated and taken out with the piezoelectric material, but there is also a problem that the ultrasonic vibration is attenuated and modulated by laminating the wiring layer.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、大きな変位量と大きな発生力と高い剛性とを実現することができる電気機械変換機構を提供し、さらに、それを用いた高速、高解像度で低コストのインクジェットヘッド、および高感度、高解像度で低コストの超音波プローブを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides an electromechanical conversion mechanism capable of realizing a large displacement, a large generated force, and a high rigidity, and further, at high speed and high resolution using the same. An object of the present invention is to provide a low-cost inkjet head, and a high-sensitivity, high-resolution, low-cost ultrasonic probe.

本発明の目的は、下記構成により達成することができる。   The object of the present invention can be achieved by the following constitution.

1.平板状の基板と、
前記基板の両面を貫き、2次元マトリクス状に形成された複数の溝部と、
前記基板の一方の面の、複数の前記溝部の上に形成された変位層と、
複数の前記溝部の各々に対応して、前記変位層の上に形成された複数の電気機械変換素子とを備えた電気機械変換機構において、
前記溝部および前記電気機械変換素子は、所定の幅の短辺と、前記短辺よりも長い長辺とを有する細長い形状を、曲線または曲線と直線とを接合した形状に折り曲げた形状であることを特徴とする電気機械変換機構。
1. A flat substrate;
A plurality of grooves formed in a two-dimensional matrix through both sides of the substrate;
A displacement layer formed on a plurality of the groove portions on one surface of the substrate;
In an electromechanical conversion mechanism comprising a plurality of electromechanical conversion elements formed on the displacement layer, corresponding to each of the plurality of grooves.
The groove and the electromechanical conversion element have a shape in which an elongated shape having a short side having a predetermined width and a long side longer than the short side is bent into a shape in which a curve or a curve and a straight line are joined. An electromechanical conversion mechanism.

2.前記電気機械変換素子は、少なくとも2つの電極を有し、
前記基板の一方の面の、前記溝部で囲まれた領域に、前記電気機械変換素子の少なくとも1つの電極に接続された配線接続部が形成されていることを特徴とする前記1に記載の電気機械変換機構。
2. The electromechanical transducer has at least two electrodes,
The electrical connection according to 1 above, wherein a wiring connection portion connected to at least one electrode of the electromechanical transducer is formed in a region surrounded by the groove portion on one surface of the substrate. Mechanical conversion mechanism.

3.前記溝部は、C字状、U字状、O字状または渦巻き状の何れか1つの形状であることを特徴とする前記1または2に記載の電気機械変換機構。   3. 3. The electromechanical conversion mechanism according to 1 or 2, wherein the groove has one of a C shape, a U shape, an O shape, and a spiral shape.

4.複数の前記溝部は、千鳥配列されていることを特徴とする前記1から3の何れか1項に記載の電気機械変換機構。   4). The electromechanical conversion mechanism according to any one of 1 to 3, wherein the plurality of grooves are arranged in a staggered manner.

5.前記変位層は、前記溝部を覆うように形成されていることを特徴とする前記1から4の何れか1項に記載の電気機械変換機構。   5. 5. The electromechanical conversion mechanism according to any one of 1 to 4, wherein the displacement layer is formed so as to cover the groove portion.

6.前記電気機械変換素子は、前記溝部とほぼ同一の幅、長さおよび形状を有することを特徴とする前記5に記載の電気機械変換機構。   6). 6. The electromechanical conversion mechanism according to 5, wherein the electromechanical conversion element has substantially the same width, length, and shape as the groove.

7.前記変位層は、前記短辺の所定の幅よりも狭くかつ前記長辺の長さよりも長く、前記溝部の上に、前記溝部に沿って形成されていることを特徴とする前記1から4の何れか1項に記載の電気機械変換機構。   7). The displacement layer is narrower than a predetermined width of the short side and longer than a length of the long side, and is formed on the groove portion along the groove portion. The electromechanical conversion mechanism according to any one of the above.

8.前記電気機械変換素子は、前記変位層とほぼ同一の幅、長さおよび形状を有することを特徴とする前記7に記載の電気機械変換機構。   8). 8. The electromechanical conversion mechanism according to 7, wherein the electromechanical conversion element has substantially the same width, length, and shape as the displacement layer.

9.前記1から6の何れか1項に記載の電気機械変換機構と、
前記溝部にインクを供給するインク供給部と、
前記溝部に貯留されたインクを吐出させるノズルとを備えたことを特徴とするインクジェットヘッド。
9. The electromechanical conversion mechanism according to any one of 1 to 6,
An ink supply section for supplying ink to the groove section;
An ink jet head comprising: a nozzle that discharges ink stored in the groove.

10.被写体に向けて超音波を送出する超音波送出部と、
前記被写体で反射または透過された超音波を受信するための、前記1から8の何れか1項に記載の電気機械変換機構とを備えたことを特徴とする超音波プローブ。
10. An ultrasonic transmission unit that transmits ultrasonic waves toward the subject;
9. An ultrasonic probe comprising the electromechanical conversion mechanism according to any one of 1 to 8 for receiving an ultrasonic wave reflected or transmitted by the subject.

本発明によれば、平板状の基板と、基板に2次元マトリクス状に形成された溝部と、溝部の上に形成された変位層と、溝部に1対1に対応して、変位層の上に形成された電気機械変換素子とを備え、溝部および電気機械変換素子を、所定の幅の短辺と、短辺よりも長い長辺とを有する細長い形状を、曲線または曲線と直線とを接合した形状に折り曲げた形状とすることで、大きな変位量と大きな発生力と高い剛性とを実現することができる電気機械変換機構を提供することができる。さらに、高速、高解像度で低コストのインクジェットヘッド、および高感度、高解像度で低コストの超音波プローブを提供することができる。   According to the present invention, a flat substrate, grooves formed in a two-dimensional matrix on the substrate, a displacement layer formed on the groove, and a one-to-one correspondence with the groove, The groove portion and the electromechanical conversion element are joined to an elongated shape having a short side having a predetermined width and a long side longer than the short side, and a curve or a curve and a straight line are joined to each other. An electromechanical conversion mechanism capable of realizing a large displacement amount, a large generated force, and a high rigidity can be provided by forming the shape bent into the above-described shape. Furthermore, a high-speed, high-resolution, low-cost inkjet head and a high-sensitivity, high-resolution, low-cost ultrasonic probe can be provided.

本発明の第1の実施の形態であるインクジェットヘッドの1つのチャネルの構成の1例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of a structure of one channel of the inkjet head which is the 1st Embodiment of this invention. 第1の実施の形態のチャネルの配列の1例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of the arrangement | sequence of the channel of 1st Embodiment. 本発明の第1の実施の形態であるインクジェットヘッドの製造工程を示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing process of the inkjet head which is the 1st Embodiment of this invention. 図3の各工程を示す図1(a)のA−C−A’断面図(1/3)である。FIG. 4 is a cross-sectional view (1/3) taken along the line A-C-A ′ of FIG. 図3の各工程を示す図1(a)のA−C−A’断面図(2/3)である。FIG. 4 is a cross-sectional view (2/3) taken along the line A-C-A ′ of FIG. 図3の各工程を示す図1(a)のA−C−A’断面図(3/3)である。FIG. 4 is a cross-sectional view (3/3) taken along the line A-C-A ′ of FIG. 本発明の第2から第4の実施の形態を示す平面図である。It is a top view which shows the 2nd to 4th embodiment of this invention. 本発明の第5の実施の形態である超音波プローブの2次元超音波センサの1つのチャネルの構成の1例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one example of a structure of one channel of the two-dimensional ultrasonic sensor of the ultrasonic probe which is the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施の形態である超音波プローブの2次元超音波センサの1つのチャネルの構成の1例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one example of a structure of one channel of the two-dimensional ultrasonic sensor of the ultrasonic probe which is the 6th Embodiment of this invention. 従来のダイヤフラム構造の円形のアクチュエータを用いたインクジェットヘッドのチャネルの構成の1例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the structure of the channel of the inkjet head using the circular actuator of the conventional diaphragm structure. 従来のダイヤフラム構造の細長い矩形のアクチュエータを用いたインクジェットヘッドのチャネルの構成の1例を示す模式図である。It is a schematic diagram showing an example of the configuration of a channel of an ink jet head using an elongated rectangular actuator having a conventional diaphragm structure.

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限らない。なお、図中、同一あるいは同等の部分には同一の番号を付与し、重複する説明は省略する。   Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiment, but the present invention is not limited to the embodiment. In the drawings, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

最初に、上述した従来のダイヤフラム構造のアクチュエータを用いたインクジェットヘッドについて、図10を用いて説明する。図10は、従来のダイヤフラム構造の円形のアクチュエータを用いたインクジェットヘッドのチャネルの構成の1例を示す模式図で、図10(a)は、1つのチャネル90の概略の構成を示す模式図、図10(b)は複数のチャネル90が千鳥配列されたインクジェットヘッド9の概略の構成を示す模式図である。   First, an ink jet head using the above-described conventional diaphragm structure actuator will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a schematic diagram illustrating an example of a channel configuration of an inkjet head using a conventional circular actuator having a diaphragm structure, and FIG. 10A is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of one channel 90. FIG. 10B is a schematic diagram showing a schematic configuration of the inkjet head 9 in which a plurality of channels 90 are arranged in a staggered manner.

図10(a)において、チャネル90は、ノズル91、インク室93、圧電素子95、配線接続部97、振動膜99等で構成されている。圧電素子95と振動膜99とでアクチュエータを構成する。圧電素子95は、円形のインク室93の上に振動膜99を介して積層され、円形の圧電体951の両面に上面電極955と下面電極953とが設けられた構成である。下面電極953は、他のチャネルの下面電極953と接続され、共通電極となっている。配線接続部97は、圧電素子95と同じ構成で、最上層が圧電素子95の上面電極955に接続されている。   10A, the channel 90 includes a nozzle 91, an ink chamber 93, a piezoelectric element 95, a wiring connection portion 97, a vibration film 99, and the like. The piezoelectric element 95 and the vibration film 99 constitute an actuator. The piezoelectric element 95 is laminated on a circular ink chamber 93 with a vibration film 99 interposed therebetween, and an upper surface electrode 955 and a lower surface electrode 953 are provided on both surfaces of the circular piezoelectric body 951. The lower surface electrode 953 is connected to the lower surface electrode 953 of another channel and serves as a common electrode. The wiring connection portion 97 has the same configuration as that of the piezoelectric element 95, and the uppermost layer is connected to the upper surface electrode 955 of the piezoelectric element 95.

配線接続部97と共通電極、即ち圧電素子95の上面電極955と下面電極953との間に電圧が印加されることで、圧電素子95が振動膜99を介してインク室93に圧力を加え、この圧力でインク室93の圧電素子95とは反対の面に設けられたノズル91からインク滴が吐出される。   When a voltage is applied between the wiring connection portion 97 and the common electrode, that is, the upper electrode 955 and the lower electrode 953 of the piezoelectric element 95, the piezoelectric element 95 applies pressure to the ink chamber 93 through the vibration film 99, With this pressure, ink droplets are ejected from the nozzle 91 provided on the surface of the ink chamber 93 opposite to the piezoelectric element 95.

図10(b)において、インク室93および圧電素子95の半径をr、クロストーク防止に必要なチャネル90間の間隔をr、配線接続部97の直径および配線接続部97と圧電体95との絶縁間隔を0.5rとすると、インク室93および圧電素子95の面積Sa=πrであり、1つのチャネル90を配置するために必要な面積Sは、図中に破線の平行四辺形で示したように、概略、 In FIG. 10B, the radius of the ink chamber 93 and the piezoelectric element 95 is r, the distance between the channels 90 necessary for preventing crosstalk is r, the diameter of the wiring connecting portion 97, and the wiring connecting portion 97 and the piezoelectric body 95. When the insulation interval is 0.5r, the area Sa of the ink chamber 93 and the piezoelectric element 95 is Sa = πr 2 , and the area S necessary for arranging one channel 90 is indicated by a broken parallelogram in the drawing. As you can see,

Figure 0005458767
Figure 0005458767

となる。よって、チャネル90の占有率(=Sa/S)は約40%となる。 It becomes. Therefore, the occupation ratio (= Sa / S) of the channel 90 is about 40%.

一方、ダイアフラム構造の大面積のチャネルで、剛性を高めるために、アクチュエータを細長い形状とする方法が考えられる。アクチュエータの短辺(短径)が小さいため、剛性を高めることができ、長辺(長径)が大きいため、変位量と発生力を大きくすることができる利点がある。   On the other hand, in order to increase rigidity in a large-area channel having a diaphragm structure, a method in which the actuator has an elongated shape is conceivable. Since the short side (short diameter) of the actuator is small, the rigidity can be increased, and since the long side (long diameter) is large, there is an advantage that the displacement amount and the generated force can be increased.

図11は、ダイヤフラム構造の細長い矩形のチャネルを用いたインクジェットヘッドのチャネルの構成の1例を示す模式図である。   FIG. 11 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a channel of an inkjet head using an elongated rectangular channel having a diaphragm structure.

図11において、チャネル90のインク室93および圧電素子95は、所定の幅の短辺と、短辺よりも長い長辺とを有する細長い矩形の形状をしている。ただし、矩形は必須ではなく、例えば両端部が丸くなっていても差し支えない。インク室93および圧電素子95の面積Saを図10の例(Sa=πr)と揃えるため、幅を0.5r、長さを6.3rとする、その他の間隔も図10の例と等しくする。これによって、図の左右方向のノズル91の間隔は、図10の例の3rに対して、1.5rと半分に縮まる。この場合、1つのチャネル90を配置するために必要な面積Sは、図中に破線の平行四辺形で示したように、概略、 In FIG. 11, the ink chamber 93 and the piezoelectric element 95 of the channel 90 have an elongated rectangular shape having a short side with a predetermined width and a long side longer than the short side. However, the rectangle is not essential, and for example, both ends may be rounded. In order to align the area Sa of the ink chamber 93 and the piezoelectric element 95 with the example of FIG. 10 (Sa = πr 2 ), the width is set to 0.5r, the length is set to 6.3r, and other intervals are also equal to the example of FIG. To do. As a result, the interval between the nozzles 91 in the left-right direction in the figure is reduced by half to 1.5r compared to 3r in the example of FIG. In this case, the area S required to arrange one channel 90 is roughly as shown by the broken parallelogram in the figure,

Figure 0005458767
Figure 0005458767

となり、チャネル90の占有率(=Sa/S)は約27%と低下する。 Thus, the occupation ratio (= Sa / S) of the channel 90 is reduced to about 27%.

このように、細長い形状のアクチュエータを2次元に配置すると、短辺方向のピッチは狭くできるが、長辺方向のピッチは広くなり、チャネル90の占有率も低くなる。また、アクチュエータ部分は肉厚が薄く、それ以外の基板部分との厚みに差があるため、ヘッドの強度に分布ができ、ヘッドに歪が生じる。さらに、アクチュエータ部分には加工時の熱膨張や接着剤の収縮等による残留応力が存在し、これによってもヘッドの歪が生じる。このようなヘッドの歪みは、記録メディアとの距離や傾きのズレを引き起こし、画像のムラを発生させる。   As described above, when the elongated actuators are two-dimensionally arranged, the pitch in the short side direction can be narrowed, but the pitch in the long side direction is widened and the occupation ratio of the channel 90 is also low. Further, since the actuator portion is thin and has a difference in thickness with other substrate portions, the head strength can be distributed and the head is distorted. Furthermore, the actuator portion has residual stress due to thermal expansion during processing, shrinkage of the adhesive, and the like, which also causes head distortion. Such distortion of the head causes a shift in distance and tilt with respect to the recording medium, and causes unevenness in the image.

チャネルを2次元、高密度に配置するインクジェットヘッドでは、図10の例のように、等方性の高いアクチュエータを、縦横のピッチが均等になるように配置することが望ましいが、図11に示したような細長い形状のアクチュエータでは、このような要件を満たすことができない。   In an inkjet head in which channels are two-dimensionally arranged at high density, it is desirable to arrange highly isotropic actuators so that the vertical and horizontal pitches are uniform as shown in the example of FIG. Such an elongated actuator cannot satisfy such a requirement.

このように、図10の円形のチャネル90は、占有率は高いが、変位量(変位体積)、発生力および剛性を同時に満足することはできない。逆に、図11の細長い矩形のチャネルは、変位量(変位体積)、発生力および剛性を同時に満足することはできるが、円形に比べて占有率およびチャネル間の間隔の等方性が低い。   As described above, the circular channel 90 in FIG. 10 has a high occupation ratio, but cannot satisfy the displacement (displacement volume), the generated force, and the rigidity at the same time. In contrast, the elongated rectangular channel of FIG. 11 can simultaneously satisfy the displacement (displacement volume), the generated force, and the rigidity, but is less isotropic in the occupation ratio and the spacing between the channels than in the circular shape.

次に、本発明の第1の実施の形態について、図1および図2を用いて説明する。図1は、本発明の第1の実施の形態であるインクジェットヘッドの1つのチャネルの構成の1例を示す模式図で、図1(a)は、1つのチャネルの概略の構成を示す平面図、図1(b)は図1(a)のA−C−A’断面図である。   Next, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 and FIG. FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the configuration of one channel of the ink jet head according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1A is a plan view showing the schematic configuration of one channel. FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line A-C-A ′ of FIG.

図1(a)において、インクジェットヘッド1の1つのチャネル10は、ノズル11、インク室13、圧電素子15、配線接続部17、振動膜19、インレット23および図示しないインク供給路21等で構成されている。圧電素子15と振動膜19とでアクチュエータを構成する。インク室13の一端の圧電素子15と反対側には、インクを吐出させるためのノズル11が、他端にはインク室にインクを供給するためのインレット23が形成されている。インクジェットヘッド1では、図2で後述するように、チャネル10を2次元マトリクス状に千鳥配列する。   In FIG. 1A, one channel 10 of the ink jet head 1 includes a nozzle 11, an ink chamber 13, a piezoelectric element 15, a wiring connection portion 17, a vibration film 19, an inlet 23, an ink supply path 21 (not shown), and the like. ing. The piezoelectric element 15 and the vibration film 19 constitute an actuator. A nozzle 11 for ejecting ink is formed on the side opposite to the piezoelectric element 15 at one end of the ink chamber 13, and an inlet 23 for supplying ink to the ink chamber is formed on the other end. In the inkjet head 1, as will be described later with reference to FIG. 2, the channels 10 are staggered in a two-dimensional matrix.

インク室13および圧電素子15は、図11に示した、所定の幅の短辺と、短辺よりも長い長辺とを有する細長い矩形の形状のインク室93および圧電素子95を丸く折り曲げて、円環形状の一部が欠けたC型形状としたもので、これによって、細長いチャネルの変位量(変位体積)、発生力および剛性を同時に満足する特性と、円形のチャネルの占有率の高さとを両立させる。ただし、矩形は必須ではなく、例えば両端部が丸くなっていても差し支えない。   The ink chamber 13 and the piezoelectric element 15 are formed by bending the ink chamber 93 and the piezoelectric element 95 having a short side with a predetermined width and a long side longer than the short side as shown in FIG. This is a C-shape with a part of an annular shape lacking. By this, the characteristics satisfying the displacement amount (displacement volume), generated force and rigidity of the elongated channel at the same time, and the high occupation ratio of the circular channel Make both. However, the rectangle is not essential, and for example, both ends may be rounded.

圧電素子15は、インクを吐出させるための駆動源であり、インク室13の上に、振動膜19を介して積層され、圧電体151の両面に上面電極155と下面電極153とが設けられた構成である。下面電極153は、他のチャネルの下面電極153と接続され、共通電極となっている。   The piezoelectric element 15 is a drive source for ejecting ink. The piezoelectric element 15 is stacked on the ink chamber 13 via the vibration film 19, and the upper surface electrode 155 and the lower surface electrode 153 are provided on both surfaces of the piezoelectric body 151. It is a configuration. The lower surface electrode 153 is connected to the lower surface electrode 153 of another channel and serves as a common electrode.

C型形状の圧電素子15の内側中央には、配線接続部17が設けられている。配線接続部17は、圧電素子15と同じ構成で、最上層が圧電素子15の上面電極155に接続されている。配線接続部17の下部には基板101があるため、圧電素子15が駆動されて振動しても、配線接続部17には影響がない。   A wiring connection portion 17 is provided at the center inside the C-shaped piezoelectric element 15. The wiring connection portion 17 has the same configuration as that of the piezoelectric element 15, and the uppermost layer is connected to the upper surface electrode 155 of the piezoelectric element 15. Since the substrate 101 is located below the wiring connection portion 17, the wiring connection portion 17 is not affected even if the piezoelectric element 15 is driven to vibrate.

インク室13および圧電素子15は、幅が0.5rで、C型の外径が2.5r、内径が1.5rである。配線接続部17の直径は0.5rである。圧電素子15と配線接続部17との距離は0.5rである。   The ink chamber 13 and the piezoelectric element 15 have a width of 0.5r, a C-shaped outer diameter of 2.5r, and an inner diameter of 1.5r. The diameter of the wiring connection portion 17 is 0.5r. The distance between the piezoelectric element 15 and the wiring connection portion 17 is 0.5r.

図1(b)において、チャネル10は、上部ボディ100と下部ボディ200とで構成される。   In FIG. 1B, the channel 10 is composed of an upper body 100 and a lower body 200.

上部ボディ100は、基板101、変位層111、圧電素子15および配線接続部17等で構成されている。基板101は、例えば結晶シリコンでできており、基板101には、基板101の両面を貫いてインク室13が形成されている。変位層111は、例えば基板101の表面を酸化して得られる酸化膜で、変位層111のインク室13に接する部分が振動膜19である。ここに、インク室13は本発明における溝部として、圧電素子15は本発明における電気機械変換素子として、上部ボディ100は本発明における電気機械変換機構として機能する。   The upper body 100 includes a substrate 101, a displacement layer 111, a piezoelectric element 15, a wiring connection portion 17, and the like. The substrate 101 is made of, for example, crystalline silicon, and an ink chamber 13 is formed in the substrate 101 through both surfaces of the substrate 101. The displacement layer 111 is an oxide film obtained, for example, by oxidizing the surface of the substrate 101, and the portion of the displacement layer 111 that contacts the ink chamber 13 is the vibration film 19. Here, the ink chamber 13 functions as a groove in the present invention, the piezoelectric element 15 functions as an electromechanical conversion element in the present invention, and the upper body 100 functions as an electromechanical conversion mechanism in the present invention.

下部ボディ200は、例えば感光性の樹脂により形成され、ノズルプレート231、インク供給プレート251およびインレットプレート271の3層が、この順に積層されて構成されている。ノズルプレート231には、インクを吐出させるためのノズル11が形成されている。インク供給プレート251には、外部のインクタンクと連通して、インク室13にインクを供給するインク供給路21と、上部ボディ100のインク室13に連通するインク室13とが形成されている。上部ボディ100および下部ボディ200の製造工程については、図3以降で詳述する。   The lower body 200 is formed of, for example, photosensitive resin, and is configured by stacking three layers of a nozzle plate 231, an ink supply plate 251 and an inlet plate 271 in this order. The nozzle plate 231 has nozzles 11 for discharging ink. The ink supply plate 251 is formed with an ink supply path 21 that communicates with an external ink tank and supplies ink to the ink chamber 13, and an ink chamber 13 that communicates with the ink chamber 13 of the upper body 100. The manufacturing process of the upper body 100 and the lower body 200 will be described in detail with reference to FIG.

インレットプレート271には、インク供給プレート251のインク供給路21と上部ボディ100のインク室13とを連通させ、インク室13にインクを供給するインレット23と、上部ボディ100のインク室13とインク供給プレート251に形成されたインク室13とを連通させるためのインク室13とが形成されている。   The inlet plate 271 communicates with the ink supply path 21 of the ink supply plate 251 and the ink chamber 13 of the upper body 100, the inlet 23 that supplies ink to the ink chamber 13, and the ink chamber 13 of the upper body 100 and the ink supply An ink chamber 13 for communicating with the ink chamber 13 formed on the plate 251 is formed.

上部ボディ100の上には回路基板401が設けられ、回路基板401上の配線パターン403と配線接続部17、即ち圧電素子15の上面電極155との間は、例えば導電性の接着剤や半田ボール等の接続部材405で接続されている。回路基板401上の配線パターンと圧電素子15の下面電極153が束ねられた共通電極とは、チャネル10に影響のない部分、例えばインクジェットヘッド1の端部等で接続されている。   A circuit board 401 is provided on the upper body 100, and a conductive adhesive or solder ball is provided between the wiring pattern 403 on the circuit board 401 and the wiring connection portion 17, that is, the upper surface electrode 155 of the piezoelectric element 15. The connection members 405 such as are connected. The wiring pattern on the circuit board 401 and the common electrode in which the lower surface electrodes 153 of the piezoelectric elements 15 are bundled are connected at a portion that does not affect the channel 10, for example, the end of the inkjet head 1.

配線接続部17と共通電極との間、即ち圧電素子15の上面電極155と下面電極153との間に電圧が印加されることで、圧電素子15が振動膜19を介してインク室13に圧力を加え、この圧力でインク室13の圧電素子15とは反対の面に設けられたノズル11からインク滴が吐出される。   When a voltage is applied between the wiring connection portion 17 and the common electrode, that is, between the upper surface electrode 155 and the lower surface electrode 153 of the piezoelectric element 15, the piezoelectric element 15 pressurizes the ink chamber 13 via the vibration film 19. The ink droplet is ejected from the nozzle 11 provided on the surface of the ink chamber 13 opposite to the piezoelectric element 15 by this pressure.

なお、第1の実施の形態では、圧電素子15をインクを吐出させるための駆動源としたが、これに限るものではなく、例えば形状記憶合金の膜やバイメタル等を駆動源としてもよい。この場合、電極形状および電極の取り出し方は、使用する駆動源にふさわしいものを用いればよい。   In the first embodiment, the piezoelectric element 15 is a drive source for ejecting ink. However, the present invention is not limited to this, and for example, a shape memory alloy film or bimetal may be used as the drive source. In this case, the electrode shape and the method of taking out the electrode may be those suitable for the driving source to be used.

図2は、第1の実施の形態のチャネル10の配列の1例を示す平面図である。   FIG. 2 is a plan view illustrating an example of the arrangement of the channels 10 according to the first embodiment.

図2において、チャネル10は、2次元マトリクス状に、千鳥配列されている。チャネル10のインク室13および圧電素子15の面積Saは、円環形状の欠けた部分を無視すると、Sa=πrである。クロストーク防止に必要なチャネル10間の間隔を、図10と同様にrとすると、一つのアクチュエータを配置するために必要な面積Sは、 In FIG. 2, the channels 10 are staggered in a two-dimensional matrix. The area Sa of the ink chamber 13 and the piezoelectric element 15 in the channel 10 is Sa = πr 2 ignoring the portion lacking the annular shape. Assuming that the spacing between the channels 10 necessary for preventing crosstalk is r as in FIG. 10, the area S required for arranging one actuator is:

Figure 0005458767
Figure 0005458767

となり、チャネル10の占有率(=Sa/S)は約30%となる。 Thus, the occupation ratio (= Sa / S) of the channel 10 is about 30%.

インク室13および圧電素子15の幅は0.5r、面積Sa=πrであるため、変位、力、剛性の三要件は、図11に示した細長い矩形のチャネルと同じであり、占有率は、図10の円形のチャネルと図11の細長い矩形のチャネルとの中間である。 Since the width of the ink chamber 13 and the piezoelectric element 15 is 0.5 r and the area Sa = πr 2 , the three requirements of displacement, force, and rigidity are the same as those of the elongated rectangular channel shown in FIG. , Intermediate between the circular channel of FIG. 10 and the elongated rectangular channel of FIG.

次に、本発明の第1の実施の形態の製造工程を、図3から図6を用いて説明する。図3は、本発明の第1の実施の形態であるインクジェットヘッドの製造工程を示す工程図である。図4から図6は、図3の各工程を示す図1(a)のA−C−A’断面図である。図4から図6では1つのチャネル10の製造工程のみを図示しているが、実際にはチャネル10が2次元マトリクス状に千鳥配列されて製造される。なお、図4から図6においては、図を見やすくするために、A、C、A’の記載を適宜省略する。   Next, the manufacturing process of the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a process diagram showing a manufacturing process of the ink jet head according to the first embodiment of the present invention. 4 to 6 are cross-sectional views taken along the line A-C-A 'of FIG. 4 to 6 show only the manufacturing process of one channel 10, the channels 10 are actually manufactured in a staggered arrangement in a two-dimensional matrix. In FIGS. 4 to 6, description of A, C, and A ′ is omitted as appropriate in order to make the drawings easy to see.

図3において、インクジェットヘッド1は、上部ボディ100と下部ボディ200とを別に形成してから結合することで製造される。   In FIG. 3, the inkjet head 1 is manufactured by separately forming an upper body 100 and a lower body 200 and then connecting them.

(上部ボディ形成工程)
上述したように、上部ボディ100の基板101は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)等の微細加工技術によく利用される結晶シリコン(Si)製の基板である。基板101の厚さは、例えば300μm程度である。この状態を図4(a)に示す。
(Upper body forming process)
As described above, the substrate 101 of the upper body 100 is a substrate made of crystalline silicon (Si) that is often used in a microfabrication technique such as MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). The thickness of the substrate 101 is, for example, about 300 μm. This state is shown in FIG.

変位層形成工程(工程S11)
基板101を加熱炉に入れ、1500℃程度の温度で所定時間保持して、基板101の表面に変位層111となる熱酸化膜(石英:SiO)を形成する。変位層111の厚さは、例えば2μm程度である。この状態を図4(b)に示す。
Displacement layer forming step (step S11)
The substrate 101 is put into a heating furnace and held at a temperature of about 1500 ° C. for a predetermined time to form a thermal oxide film (quartz: SiO 2 ) that becomes the displacement layer 111 on the surface of the substrate 101. The thickness of the displacement layer 111 is, for example, about 2 μm. This state is shown in FIG.

圧電素子層形成工程(工程S13)
表面に変位層111が形成された基板101を常温まで冷却し、チタン、白金等をスパッタ法で成膜して、下面電極153を形成する。下面電極153が形成された基板101を600℃程度に再加熱し、PZTを成膜して、圧電体151の層を形成する。圧電体151の層が形成された基板101を常温まで冷却し、クロム、金等をスパッタ法で成膜して、上面電極155を形成する。圧電体151の厚さは例えば5μm程度、下面電極153および上面電極155の厚さは例えば100nm程度である。この状態を図4(c)に示す。
Piezoelectric element layer forming step (step S13)
The substrate 101 with the displacement layer 111 formed on the surface is cooled to room temperature, and titanium, platinum, or the like is deposited by sputtering to form the lower electrode 153. The substrate 101 on which the lower surface electrode 153 is formed is reheated to about 600 ° C., PZT is formed, and a layer of the piezoelectric body 151 is formed. The substrate 101 on which the layer of the piezoelectric body 151 is formed is cooled to room temperature, and chromium, gold, or the like is formed by a sputtering method to form the upper surface electrode 155. The thickness of the piezoelectric body 151 is, for example, about 5 μm, and the thicknesses of the lower surface electrode 153 and the upper surface electrode 155 are, for example, about 100 nm. This state is shown in FIG.

パターニング工程(工程S15)
圧電素子15の各層が形成された基板101の上に、感光性樹脂材料をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光することで圧電素子15、配線接続部17および両者の連結部の形状を転写し、PZTと電極とを反応性イオンエッチング法で除去することにより、圧電素子15、配線接続部17および両者の連結部を形成する。この状態を図4(d)に示す。
Patterning step (step S15)
A photosensitive resin material is applied onto the substrate 101 on which each layer of the piezoelectric element 15 is formed by a spin coat method, and exposed through a mask, whereby the shape of the piezoelectric element 15, the wiring connection portion 17, and a connection portion between them is formed. And the PZT and the electrode are removed by a reactive ion etching method, thereby forming the piezoelectric element 15, the wiring connection portion 17, and the connection portion between them. This state is shown in FIG.

インク室形成工程(工程S17)
基板101の圧電素子15、配線接続部17および両者の連結部が形成された面と反対面に、感光性樹脂材料をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光することでインク室13の形状を転写する。感光性樹脂材料をレジストとして、反応性イオンエッチング法を用いて基板101のSiを除去し、インク室13を形成する。インク室13が形成されることで、変位層111のインク室13に接する部分が振動膜19となる。この状態を図4(e)に示す。以上で上部ボディ100が形成されたことになる。
Ink chamber forming step (step S17)
A photosensitive resin material is applied by spin coating on the surface of the substrate 101 opposite to the surface on which the piezoelectric element 15, the wiring connection portion 17, and the connecting portion of both are formed, and is exposed through a mask, thereby exposing the ink chamber 13. Transfer the shape. Using the photosensitive resin material as a resist, Si of the substrate 101 is removed using a reactive ion etching method, and the ink chamber 13 is formed. By forming the ink chamber 13, the portion of the displacement layer 111 that contacts the ink chamber 13 becomes the vibration film 19. This state is shown in FIG. Thus, the upper body 100 is formed.

(下部ボディ形成工程)
下部ボディ200は、感光性の樹脂フィルムをダミー基板201の上で積層、加工して形成される。ダミー基板201は、上部ボディ100の基板101と同様に、結晶シリコン(Si)を用いる。ダミー基板201の厚さは、例えば400〜500μm程度である。この状態を図5(a)に示す。
(Lower body formation process)
The lower body 200 is formed by laminating and processing a photosensitive resin film on the dummy substrate 201. As with the substrate 101 of the upper body 100, the dummy substrate 201 uses crystalline silicon (Si). The thickness of the dummy substrate 201 is, for example, about 400 to 500 μm. This state is shown in FIG.

犠牲層形成工程(工程S21)
ダミー基板201上に樹脂製のレジスト等をスピンコート法等で塗布し、犠牲層211を形成する。犠牲層211の厚さは、例えば100nm程度である。この状態を図5(b)に示す。
Sacrificial layer forming step (step S21)
A sacrificial layer 211 is formed by applying a resin resist or the like on the dummy substrate 201 by a spin coating method or the like. The thickness of the sacrificial layer 211 is, for example, about 100 nm. This state is shown in FIG.

ノズルプレート形成工程(工程S23)
犠牲層211の上に感光性樹脂フィルムを貼り付け、ノズルプレート231を形成する。ノズルプレート231にマスクを介して露光して感光させ、エッチング溶液に浸けることでノズル11を形成する。ノズルプレート231の厚さは、例えば20μm程度である。この状態を図5(c)に示す。
Nozzle plate forming step (step S23)
A photosensitive resin film is attached on the sacrificial layer 211 to form a nozzle plate 231. The nozzle 11 is formed by exposing and exposing the nozzle plate 231 through a mask and immersing it in an etching solution. The thickness of the nozzle plate 231 is, for example, about 20 μm. This state is shown in FIG.

インク供給プレート形成工程(工程S25)
ノズルプレート231の上に感光性樹脂フィルムを貼り付け、インク供給プレート251を形成する。インク供給プレート251にマスクを介して露光して感光させ、エッチング溶液に浸けることで、インク供給路21と、ノズル11に連通するインク室13とを形成する。インク供給プレート251の厚さは、例えば100μm程度である。この状態を図5(d)に示す。
Ink supply plate forming step (step S25)
A photosensitive resin film is attached on the nozzle plate 231 to form the ink supply plate 251. The ink supply plate 251 is exposed to light through a mask to be exposed and immersed in an etching solution, whereby the ink supply path 21 and the ink chamber 13 communicating with the nozzle 11 are formed. The thickness of the ink supply plate 251 is, for example, about 100 μm. This state is shown in FIG.

インレットプレート形成工程(工程S27)
インク供給プレート251の上に感光性樹脂フィルムを貼り付け、インレットプレート271を形成する。インレットプレート271にマスクを介して露光して感光させ、エッチング溶液に浸けることで、インレット15と、インク供給プレート251のインク室13と上部ボディ100のインク室13との両方に連通するインク室13とを形成する。インレットプレート271の厚さは、例えば20μm程度である。この状態を図5(e)に示す。以上で下部ボディ200が形成されたことになる。
Inlet plate forming step (step S27)
A photosensitive resin film is attached on the ink supply plate 251 to form an inlet plate 271. The inlet plate 271 is exposed to light through a mask to be exposed and immersed in an etching solution, so that the ink chamber 13 communicates with both the inlet 15 and the ink chamber 13 of the ink supply plate 251 and the ink chamber 13 of the upper body 100. And form. The thickness of the inlet plate 271 is, for example, about 20 μm. This state is shown in FIG. Thus, the lower body 200 is formed.

続いて、上部ボディ100と下部ボディ200とを結合して、インクジェットヘッド1を完成させる。   Subsequently, the upper body 100 and the lower body 200 are joined to complete the inkjet head 1.

ボディ結合工程(工程S31)
上部ボディ100の基板101のインク室13が形成された側の端面に接着剤121を塗布し、上部ボディ100のインク室13と下部ボディ200のインク室13とが連通するように位置あわせして接合する。この状態を図6(a)および図6(b)に示す。
Body coupling step (step S31)
Adhesive 121 is applied to the end surface of the upper body 100 on which the ink chamber 13 is formed, and the upper body 100 is aligned so that the ink chamber 13 of the upper body 100 and the ink chamber 13 of the lower body 200 communicate with each other. Join. This state is shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b).

ダミー基板剥離工程(工程S33)
溶剤で犠牲層211を除去することで、ダミー基板201をインクジェットヘッド1から剥離して、インクジェットヘッド1を完成させる。この状態を図6(c)に示す。
Dummy substrate peeling process (process S33)
By removing the sacrificial layer 211 with a solvent, the dummy substrate 201 is peeled from the inkjet head 1 to complete the inkjet head 1. This state is shown in FIG.

上述したように、第1の実施の形態によれば、平板状の基板の上に、円環形状の一部が欠けたC型形状のインク室および圧電素子を2次元マトリクス状に形成した上部ボディを備え、インク室、ノズル、インレットおよびインク供給路が形成された下部ボディと上述した上部ボディとを結合することで、高速、高解像度で低コストのインクジェットヘッドを提供することができる。   As described above, according to the first embodiment, an upper portion in which a C-shaped ink chamber and piezoelectric elements lacking a part of an annular shape are formed in a two-dimensional matrix on a flat substrate. A high-speed, high-resolution, low-cost inkjet head can be provided by combining the lower body including the body and having the ink chamber, the nozzle, the inlet, and the ink supply path and the above-described upper body.

次に、本発明の第2から第4の実施の形態を、図7を用いて説明する。図7は、本発明の第2から第4の実施の形態を示す平面図である。第2から第4の実施の形態は、第1の実施の形態の変形例で、製造工程は第1の実施の形態と同じである。第1の実施の形態では、インク室13および圧電素子15の形状を、所定の幅の短辺と、短辺よりも長い長辺とを有する細長い矩形の形状を丸く折り曲げて、円環形状の一部が欠けたC型形状としたが、それに限るものではなく、その他の形状も考えられる。ただし、矩形は必須ではなく、例えば両端部が丸くなっていても差し支えない。   Next, second to fourth embodiments of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a plan view showing the second to fourth embodiments of the present invention. The second to fourth embodiments are modifications of the first embodiment, and the manufacturing process is the same as that of the first embodiment. In the first embodiment, the shape of the ink chamber 13 and the piezoelectric element 15 is formed by bending a long and narrow rectangular shape having a short side having a predetermined width and a long side longer than the short side into a circular shape. Although a C-shaped shape with a part missing is used, the shape is not limited to this, and other shapes are also conceivable. However, the rectangle is not essential, and for example, both ends may be rounded.

図7(a)において、第2の実施の形態のインク室13および圧電素子15はU字型である。U字型の中央には、第1の実施の形態と同様に、圧電素子15の延長である配線接続部17が配置される。インク室13および圧電素子15の幅(=0.5r)、長さ(=6.3r)、配線接続部17の直径(=0.5r)および絶縁距離(=1.5r)を第1の実施の形態と同じとすると、U字型の直線部の長さは約1.57rとなる。ノズル11とインレット23とは、U字型の両端に配置されるのが好ましい。   In FIG. 7A, the ink chamber 13 and the piezoelectric element 15 of the second embodiment are U-shaped. In the center of the U-shape, a wiring connection portion 17 that is an extension of the piezoelectric element 15 is arranged as in the first embodiment. The width (= 0.5r), length (= 6.3r) of the ink chamber 13 and the piezoelectric element 15, the diameter (= 0.5r) and the insulation distance (= 1.5r) of the wiring connection part 17 are set to the first value. If it is the same as embodiment, the length of a U-shaped linear part will be about 1.57r. The nozzle 11 and the inlet 23 are preferably disposed at both ends of the U-shape.

図7(b)において、第3の実施の形態のインク室13および圧電素子15は円環形状である。円環形状の中央には、第1の実施の形態と同様に、圧電素子15の延長である配線接続部17が配置される。この例の場合は、各部の寸法は、第1の実施の形態とほぼ同じである。ノズル11とインレット23とは、円環形状の対角位置に配置されるのが好ましい。   In FIG. 7B, the ink chamber 13 and the piezoelectric element 15 of the third embodiment have an annular shape. In the center of the annular shape, a wiring connection portion 17 that is an extension of the piezoelectric element 15 is disposed as in the first embodiment. In the case of this example, the dimensions of each part are substantially the same as in the first embodiment. The nozzle 11 and the inlet 23 are preferably arranged at diagonal positions in an annular shape.

図7(c)において、第4の実施の形態のインク室13および圧電素子15は渦巻き状である。渦巻き状の中央には、第1の実施の形態と同様に、圧電素子15の延長である配線接続部17が配置される。渦巻き状の形状とするために、例えば、インク室13および圧電素子15の幅を第1の実施の形態の半分(=0.25r)とし、長さを2倍(=12.6r)とする。ノズル11とインレット23とは、渦巻き状の両端に配置されるのが好ましい。   In FIG. 7C, the ink chamber 13 and the piezoelectric element 15 of the fourth embodiment are spiral. As in the first embodiment, a wiring connection portion 17 that is an extension of the piezoelectric element 15 is disposed in the spiral center. In order to obtain a spiral shape, for example, the width of the ink chamber 13 and the piezoelectric element 15 is made half (= 0.25r) of the first embodiment, and the length is doubled (= 12.6r). . The nozzle 11 and the inlet 23 are preferably disposed at both ends of a spiral shape.

第4の実施の形態のように、インク室13および圧電素子15の幅を狭くして渦巻き状にすることで、第1の実施の形態よりも細長い形状とすることができるので、第1の実施の形態の効果に加えて、変位量(変位体積)の増大を実現できる。   As in the fourth embodiment, the width of the ink chamber 13 and the piezoelectric element 15 is narrowed to be spiral, so that the shape can be made to be longer than that in the first embodiment. In addition to the effects of the embodiment, an increase in displacement (displacement volume) can be realized.

次に、本発明の第5の実施の形態について、図8を用いて説明する。図8は、本発明の第5の実施の形態である超音波プローブの2次元超音波センサの1つのチャネルの構成の1例を示す模式図で、図8(a)は、1つのチャネルの概略の構成を示す平面図、図8(b)は図8(a)のD−D’断面図である。   Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of the configuration of one channel of the two-dimensional ultrasonic sensor of the ultrasonic probe according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. FIG. 8B is a cross-sectional view taken along the line DD ′ of FIG. 8A.

図8の例では、第1の実施の形態に示したインクジェットヘッド1の上部ボディ100を、2次元超音波センサ5として用いる。2次元超音波センサ5の製造工程は、第1の実施の形態の上部ボディ100の製造工程と同じである。ここに、2次元超音波センサ5は、本発明における電気機械変換機構として機能する。   In the example of FIG. 8, the upper body 100 of the inkjet head 1 shown in the first embodiment is used as the two-dimensional ultrasonic sensor 5. The manufacturing process of the two-dimensional ultrasonic sensor 5 is the same as the manufacturing process of the upper body 100 of the first embodiment. Here, the two-dimensional ultrasonic sensor 5 functions as an electromechanical conversion mechanism in the present invention.

図8(a)において、チャネル50は、超音波導入部53、圧電素子15、配線接続部17および振動膜19等で構成されている。2次元超音波センサ5では、図2に示したと同様に、チャネル50を2次元マトリクス状に千鳥配列する。   In FIG. 8A, the channel 50 includes an ultrasonic wave introduction part 53, a piezoelectric element 15, a wiring connection part 17, a vibration film 19, and the like. In the two-dimensional ultrasonic sensor 5, as shown in FIG. 2, the channels 50 are staggered in a two-dimensional matrix.

超音波導入部53および圧電素子15は、図11に示した、所定の幅の短辺と、短辺よりも長い長辺とを有する細長い矩形の形状のインク室93および圧電素子95を丸く折り曲げて、円環形状の一部が欠けたC型形状としたもので、これによって、細長いチャネルの変位量(センサ感度)、発生力および剛性を同時に満足する特性と、円形のチャネルの占有率の高さとを両立させる。ただし、矩形は必須ではなく、例えば両端部が丸くなっていても差し支えない。   The ultrasonic wave introduction unit 53 and the piezoelectric element 15 are formed by bending the ink chamber 93 and the piezoelectric element 95 in the shape of an elongated rectangle having a short side with a predetermined width and a long side longer than the short side shown in FIG. Thus, the C-shaped shape with a part of the annular shape lacking is obtained. By this, the characteristics satisfying the displacement amount (sensor sensitivity), generated force and rigidity of the elongated channel at the same time, and the occupation ratio of the circular channel Balance height. However, the rectangle is not essential, and for example, both ends may be rounded.

圧電素子15は、超音波USを電気信号に変換するセンサであり、超音波導入部53の上に、振動膜19を介して積層され、圧電体151の両面に上面電極155と下面電極153とが設けられた構成である。下面電極153は、他のチャネルの下面電極153と接続され、共通電極となっている。C型形状の圧電素子15の内側中央には、配線接続部17が設けられている。配線接続部17は、圧電素子15と同じ構成で、最上層が圧電素子15の上面電極155に接続されている。   The piezoelectric element 15 is a sensor that converts the ultrasonic wave US into an electrical signal. The piezoelectric element 15 is laminated on the ultrasonic wave introduction unit 53 via the vibration film 19, and has an upper surface electrode 155 and a lower surface electrode 153 on both surfaces of the piezoelectric body 151. Is provided. The lower surface electrode 153 is connected to the lower surface electrode 153 of another channel and serves as a common electrode. A wiring connection portion 17 is provided at the center inside the C-shaped piezoelectric element 15. The wiring connection portion 17 has the same configuration as that of the piezoelectric element 15, and the uppermost layer is connected to the upper surface electrode 155 of the piezoelectric element 15.

超音波導入部53および圧電素子15は、幅が0.5rで、C型の外径が2.5r、内径が1.5rである。配線接続部17の直径は0.5rである。圧電素子15と配線接続部17との距離は0.5rである。   The ultrasonic introduction part 53 and the piezoelectric element 15 have a width of 0.5r, a C-shaped outer diameter of 2.5r, and an inner diameter of 1.5r. The diameter of the wiring connection portion 17 is 0.5r. The distance between the piezoelectric element 15 and the wiring connection portion 17 is 0.5r.

図8(b)において、上部ボディ100は、基板101、変位層111、圧電素子15および配線接続部17等で構成されている。基板101は、例えば結晶シリコンでできており、基板101には、基板101の両面を貫いて超音波導入部53が形成されている。変位層111は、例えば基板101の表面を酸化して得られる酸化膜で、変位層111の超音波導入部53に接する部分が振動膜19である。ここに、超音波導入部53は本発明における溝部として、圧電素子15は本発明における電気機械変換素子として、上部ボディ100は本発明における電気機械変換機構として機能する。   In FIG. 8B, the upper body 100 includes a substrate 101, a displacement layer 111, a piezoelectric element 15, a wiring connection portion 17, and the like. The substrate 101 is made of, for example, crystalline silicon, and an ultrasonic wave introduction portion 53 is formed on the substrate 101 so as to penetrate both surfaces of the substrate 101. The displacement layer 111 is an oxide film obtained, for example, by oxidizing the surface of the substrate 101, and the portion of the displacement layer 111 that contacts the ultrasonic wave introduction portion 53 is the vibration film 19. Here, the ultrasonic wave introduction part 53 functions as a groove part in the present invention, the piezoelectric element 15 functions as an electromechanical conversion element in the present invention, and the upper body 100 functions as an electromechanical conversion mechanism in the present invention.

上部ボディ100の上には回路基板401が設けられ、回路基板401上の配線パターン403と配線接続部17、即ち圧電素子15の上面電極155との間は、例えば導電性の接着剤や半田ボール等の接続部材405で接続されている。回路基板401上の配線パターンと圧電素子15の下面電極153が束ねられた共通電極とは、チャネル10に影響のない部分、例えば2次元超音波センサ5の端部等で接続されている。   A circuit board 401 is provided on the upper body 100, and a conductive adhesive or solder ball is provided between the wiring pattern 403 on the circuit board 401 and the wiring connection portion 17, that is, the upper surface electrode 155 of the piezoelectric element 15. The connection members 405 such as are connected. The wiring pattern on the circuit board 401 and the common electrode in which the lower surface electrodes 153 of the piezoelectric elements 15 are bundled are connected at a portion that does not affect the channel 10, for example, an end portion of the two-dimensional ultrasonic sensor 5.

圧電素子15は、超音波USが超音波導入部53に入射すると、振動膜19を介して超音波USの振動によって圧電素子15が振動する。圧電素子15が振動することによって、圧電素子15の上面電極155と下面電極153との間に電圧が生じ、超音波USが電気信号に変換される。変換された電気信号は、配線接続部17から接続部材405を介して回路基板401上の配線パターン403に伝達され、図示しない超音波検出回路で検出される。   When the ultrasonic wave US is incident on the ultrasonic wave introduction unit 53, the piezoelectric element 15 vibrates due to the vibration of the ultrasonic wave US via the vibration film 19. When the piezoelectric element 15 vibrates, a voltage is generated between the upper surface electrode 155 and the lower surface electrode 153 of the piezoelectric element 15, and the ultrasonic wave US is converted into an electric signal. The converted electrical signal is transmitted from the wiring connection portion 17 to the wiring pattern 403 on the circuit board 401 via the connection member 405, and is detected by an ultrasonic detection circuit (not shown).

上述したように、第5の実施の形態によれば、平板状の基板の上に、円環形状の一部が欠けたC型形状の超音波導入部および圧電素子を2次元マトリクス状に形成することで、変位量(センサ感度)、発生力および剛性を同時に満足でき、高解像度で低コストの2次元超音波センサを提供することができる。また、配線接続部をC型形状の圧電素子の内側に設けることで、超音波の受信による振動に影響を与えることなく、チャネルを高密度に配置した2次元超音波センサを提供することができる。   As described above, according to the fifth embodiment, the C-shaped ultrasonic wave introduction portion and the piezoelectric elements, each lacking a ring shape, are formed in a two-dimensional matrix form on a flat substrate. By doing so, a displacement amount (sensor sensitivity), generated force, and rigidity can be satisfied at the same time, and a high-resolution and low-cost two-dimensional ultrasonic sensor can be provided. Further, by providing the wiring connection portion inside the C-shaped piezoelectric element, it is possible to provide a two-dimensional ultrasonic sensor in which channels are arranged at high density without affecting the vibration caused by reception of ultrasonic waves. .

次に、本発明の第6の実施の形態について、図9を用いて説明する。図9は、本発明の第6の実施の形態である超音波プローブの2次元超音波センサの1つのチャネルの構成の1例を示す模式図で、図9(a)は、1つのチャネルの概略の構成を示す平面図、図9(b)は図9(a)のE−E’断面図である。   Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a schematic diagram showing an example of the configuration of one channel of the two-dimensional ultrasonic sensor of the ultrasonic probe according to the sixth embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the line EE ′ of FIG. 9A.

図8の例では図1に示したインクジェットヘッド1の上部ボディ100を、そのまま2次元超音波センサ5のチャネル50として用いたが、2次元超音波センサではインクジェットヘッドのように液体を加圧する必要がないため、センサの周縁を保持する必要はなく、両端を保持するだけでもよい。製造工程は、第5の実施の形態と同じである。   In the example of FIG. 8, the upper body 100 of the inkjet head 1 shown in FIG. 1 is used as it is as the channel 50 of the two-dimensional ultrasonic sensor 5, but the two-dimensional ultrasonic sensor needs to pressurize the liquid like an inkjet head. Therefore, it is not necessary to hold the periphery of the sensor, and it is only necessary to hold both ends. The manufacturing process is the same as in the fifth embodiment.

図9(a)において、チャネル50は、第5の実施の形態と同様に、超音波導入部53、圧電素子15、配線接続部17および振動膜19等で構成されている。圧電素子15と振動膜19とは同一の幅の円環形状をしており、超音波導入部53は、圧電素子15および振動膜19よりも幅広の円環形状の一部が欠けたC型形状をしている。   In FIG. 9A, the channel 50 includes an ultrasonic wave introduction part 53, a piezoelectric element 15, a wiring connection part 17, a vibration film 19 and the like, as in the fifth embodiment. The piezoelectric element 15 and the vibration film 19 have an annular shape with the same width, and the ultrasonic wave introduction portion 53 has a C-shape lacking a part of an annular shape wider than the piezoelectric element 15 and the vibration film 19. It has a shape.

つまり、圧電素子15と振動膜19とは、基板101の超音波導入部53が形成されていない部分101aで支持されており、超音波導入部53の上に形成された部分は宙に浮いている。これによって、超音波USが超音波導入部53に入射した時に、第5の実施の形態よりもさらに大きな変位量が得られ、高いセンサ感度を実現することができる。その他は第5の実施の形態と同じであるので、説明は省略する。   That is, the piezoelectric element 15 and the vibration film 19 are supported by the portion 101a of the substrate 101 where the ultrasonic introduction portion 53 is not formed, and the portion formed on the ultrasonic introduction portion 53 is suspended in the air. Yes. Thereby, when the ultrasonic wave US is incident on the ultrasonic wave introduction section 53, a displacement amount larger than that of the fifth embodiment can be obtained, and high sensor sensitivity can be realized. Others are the same as those of the fifth embodiment, and thus description thereof is omitted.

上述したように、第6の実施の形態によれば、平板状の基板の上に、円環形状の圧電素子および振動膜と、それよりも幅広で円環形状の一部が欠けたC型形状の超音波導入部を2次元マトリクス状に形成することで、第5の実施の形態よりもさらに高いセンサ感度を有する2次元超音波センサを提供することができる。また、配線接続部をC型形状の超音波導入部の内側に設けることで、超音波の受信による振動に影響を与えることなく、チャネルを高密度に配置した2次元超音波センサを提供することができる。   As described above, according to the sixth embodiment, an annular piezoelectric element and a vibration film on a flat substrate, and a C type wider than that and lacking a part of the annular shape. By forming the shaped ultrasonic wave introduction portions in a two-dimensional matrix, it is possible to provide a two-dimensional ultrasonic sensor having higher sensor sensitivity than that of the fifth embodiment. Also, by providing the wiring connection portion inside the C-shaped ultrasonic wave introduction portion, it is possible to provide a two-dimensional ultrasonic sensor in which channels are arranged at high density without affecting the vibration due to reception of ultrasonic waves. Can do.

そして、被写体に向けて超音波を送出する超音波送出部と、第5および第6の実施の形態に示した2次元超音波センサとを備えることで、高感度、高解像度で低コストの超音波プローブを提供することができる。   By providing an ultrasonic transmission unit that transmits ultrasonic waves toward the subject and the two-dimensional ultrasonic sensor described in the fifth and sixth embodiments, high sensitivity, high resolution, and low cost can be achieved. An acoustic probe can be provided.

以上に述べたように、本発明によれば、平板状の基板と、基板に2次元マトリクス状に形成された溝部と、溝部の上に形成された変位層と、溝部に1対1に対応して、変位層の上に形成された電気機械変換素子とを備え、溝部および電気機械変換素子を、所定の幅の短辺と、短辺よりも長い長辺とを有する細長い形状を、曲線または曲線と直線とを接合した形状に折り曲げた形状とすることで、大きな変位量と大きな発生力と高い剛性とを実現することができる電気機械変換機構を提供することができる。さらに、高速、高解像度で低コストのインクジェットヘッド、および高感度、高解像度で低コストの超音波プローブを提供することができる。   As described above, according to the present invention, a flat substrate, grooves formed in a two-dimensional matrix on the substrate, a displacement layer formed on the grooves, and a one-to-one correspondence with the grooves are provided. And an electromechanical conversion element formed on the displacement layer, and the groove portion and the electromechanical conversion element have a long and narrow shape having a short side having a predetermined width and a long side longer than the short side. Alternatively, it is possible to provide an electromechanical conversion mechanism that can realize a large displacement, a large generated force, and a high rigidity by bending the curved and straight lines into a shape that is joined. Furthermore, a high-speed, high-resolution, low-cost inkjet head and a high-sensitivity, high-resolution, low-cost ultrasonic probe can be provided.

なお、本発明に係る電気機械変換機構、インクジェットヘッドおよび超音波プローブを構成する各構成の細部構成および細部動作に関しては、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。   It should be noted that the detailed configuration and detailed operation of each component constituting the electromechanical conversion mechanism, the inkjet head, and the ultrasonic probe according to the present invention can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.

1 インクジェットヘッド
10 (インクジェットヘッドの)チャネル
11 ノズル
13 インク室
15 圧電素子
151 圧電体
153 下面電極
155 上面電極
17 配線接続部
19 振動膜
21 インク供給路
23 インレット
100 上部ボディ
101 基板
111 変位層
200 下部ボディ
201 ダミー基板
211 犠牲層
231 ノズルプレート
251 インク供給プレート
271 インレットプレート
401 回路基板
403 (回路基板上の)配線パターン
405 接続部材
5 2次元超音波センサ
50 (2次元超音波センサの)チャネル
53 超音波導入部
US 超音波
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Inkjet head 10 Channel (of inkjet head) 11 Nozzle 13 Ink chamber 15 Piezoelectric element 151 Piezoelectric body 153 Lower surface electrode 155 Upper surface electrode 17 Wiring connection part 19 Vibration film 21 Ink supply path 23 Inlet 100 Upper body 101 Substrate 111 Displacement layer 200 Lower part Body 201 Dummy substrate 211 Sacrificial layer 231 Nozzle plate 251 Ink supply plate 271 Inlet plate 401 Circuit board 403 Wiring pattern (on circuit board) 405 Connection member 5 Two-dimensional ultrasonic sensor 50 Channel of two-dimensional ultrasonic sensor 53 Super Sound wave introduction unit US Ultrasound

Claims (10)

平板状の基板と、
前記基板の両面を貫き、2次元マトリクス状に形成された複数の溝部と、
前記基板の一方の面の、複数の前記溝部の上に形成された変位層と、
複数の前記溝部の各々に対応して、前記変位層の上に形成された複数の電気機械変換素子とを備えた電気機械変換機構において、
前記溝部および前記電気機械変換素子は、所定の幅の短辺と、前記短辺よりも長い長辺とを有する細長い形状を、曲線または曲線と直線とを接合した形状に折り曲げた形状であり、
前記電気機械変換素子は、少なくとも2つの電極を有し、
個々の前記溝部が所定領域を囲む形状を成し、
前記基板の一方の面の、前記所定領域に、前記電気機械変換素子の少なくとも1つの電極に接続された配線接続部が形成されていることを特徴とする電気機械変換機構。
A flat substrate;
A plurality of grooves formed in a two-dimensional matrix through both sides of the substrate;
A displacement layer formed on a plurality of the groove portions on one surface of the substrate;
In an electromechanical conversion mechanism comprising a plurality of electromechanical conversion elements formed on the displacement layer, corresponding to each of the plurality of grooves.
The groove and the electromechanical conversion element, the short sides of the predetermined width, said elongated shape with a longer long side than the short side, Ri shape der by bending into a shape joining the lines and curves or curves ,
The electromechanical transducer has at least two electrodes,
Each of the groove portions has a shape surrounding a predetermined region,
Wherein the one surface of the substrate, in the predetermined region, the electro-mechanical conversion electromechanical conversion mechanism, wherein Rukoto wiring connected connecting section to at least one of the electrodes is formed of elements.
平板状の基板と、
前記基板の両面を貫き、2次元マトリクス状に形成された複数の溝部と、
前記基板の一方の面の、複数の前記溝部の上に形成された変位層と、
複数の前記溝部の各々に対応して、前記変位層の上に形成された複数の電気機械変換素子とを備えた電気機械変換機構において、
前記溝部および前記電気機械変換素子は、所定の幅の短辺と、前記短辺よりも長い長辺とを有する細長い形状を、曲線または曲線と直線とを接合した形状に折り曲げた形状であり、
前記溝部は、C字状、U字状、O字状または渦巻き状の何れか1つの形状であることを特徴とする電気機械変換機構。
A flat substrate;
A plurality of grooves formed in a two-dimensional matrix through both sides of the substrate;
A displacement layer formed on a plurality of the groove portions on one surface of the substrate;
In an electromechanical conversion mechanism comprising a plurality of electromechanical conversion elements formed on the displacement layer, corresponding to each of the plurality of grooves.
The groove and the electromechanical conversion element, the short sides of the predetermined width, said elongated shape with a longer long side than the short side, Ri shape der by bending into a shape joining the lines and curves or curves ,
The groove, C-shaped, U-shaped, O-shaped or spiral any one electromechanical conversion mechanism, wherein the shape der Rukoto.
前記電気機械変換素子は、少なくとも2つの電極を有し、The electromechanical transducer has at least two electrodes,
個々の前記溝部が所定領域を囲む形状を成し、Each of the groove portions has a shape surrounding a predetermined region,
前記基板の一方の面の、前記所定領域に、前記電気機械変換素子の少なくとも1つの電極に接続された配線接続部が形成されていることを特徴とする請求項2に記載の電気機械変換機構。The electromechanical conversion mechanism according to claim 2, wherein a wiring connection portion connected to at least one electrode of the electromechanical conversion element is formed in the predetermined region on one surface of the substrate. .
複数の前記溝部は、千鳥配列されていることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の電気機械変換機構。   The electromechanical conversion mechanism according to any one of claims 1 to 3, wherein the plurality of grooves are arranged in a staggered manner. 前記変位層は、前記溝部を覆うように形成されていることを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載の電気機械変換機構。   The electromechanical conversion mechanism according to claim 1, wherein the displacement layer is formed so as to cover the groove portion. 前記電気機械変換素子は、前記溝部とほぼ同一の幅、長さおよび形状を有することを特徴とする請求項5に記載の電気機械変換機構。   The electromechanical conversion mechanism according to claim 5, wherein the electromechanical conversion element has substantially the same width, length, and shape as the groove. 前記変位層は、前記短辺の所定の幅よりも狭くかつ前記長辺の長さよりも長く、前記溝部の上に、前記溝部に沿って形成されていることを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載の電気機械変換機構。   The displacement layer is narrower than a predetermined width of the short side and longer than a length of the long side, and is formed on the groove along the groove. The electromechanical conversion mechanism according to any one of the above. 前記電気機械変換素子は、前記変位層とほぼ同一の幅、長さおよび形状を有することを特徴とする請求項7に記載の電気機械変換機構。   The electromechanical conversion mechanism according to claim 7, wherein the electromechanical conversion element has substantially the same width, length, and shape as the displacement layer. 請求項1から6の何れか1項に記載の電気機械変換機構と、
前記溝部にインクを供給するインク供給部と、
前記溝部に貯留されたインクを吐出させるノズルとを備えたことを特徴とするインクジェットヘッド。
The electromechanical conversion mechanism according to any one of claims 1 to 6,
An ink supply section for supplying ink to the groove section;
An ink jet head comprising: a nozzle that discharges ink stored in the groove.
被写体に向けて超音波を送出する超音波送出部と、
前記被写体で反射または透過された超音波を受信するための、請求項1から8の何れか1項に記載の電気機械変換機構とを備えたことを特徴とする超音波プローブ。
An ultrasonic transmission unit that transmits ultrasonic waves toward the subject;
An ultrasonic probe comprising: the electromechanical conversion mechanism according to any one of claims 1 to 8 for receiving ultrasonic waves reflected or transmitted by the subject.
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