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JP6900182B2 - Liquid discharge head and manufacturing method of liquid discharge head - Google Patents
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JP6900182B2 - Liquid discharge head and manufacturing method of liquid discharge head - Google Patents

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Description

本発明は、圧電素子を用いて液滴を吐出する液体吐出ヘッドとその製造方法に関する。 The present invention relates to a liquid discharge head that discharges droplets using a piezoelectric element and a method for manufacturing the same.

被記録体にインク等の液滴を吐出して記録を行う液体吐出ヘッドは、より高精細な記録を高速度で行うため、多数の液体吐出部が2次元に配列した液体吐出ヘッドを備えている。
各液体吐出部は吐出口に連通した液室と、吐出口に対向して設けられ、液室内の液体に吐出圧力を付与する圧力発生手段とを有している。圧力発生手段として圧電素子を用いたものが知られている。特に、薄膜圧電体を含む圧電素子と振動板が貼り合わせられた構造であるベンド型圧電アクチュエータが好ましく使用される。ベンド型圧電アクチュエータ(単にアクチュエータともいう)は、薄膜圧電体の両面に形成された電極間に電圧を印加することにより、圧電体が面方向に収縮しようとする一方、振動板は収縮しないため曲げ変形が発生するものである。この方式による液体吐出ヘッドは、吐出口と対向する圧力を発生させる液室(以下、圧力室という)の壁面をアクチュエータによって曲げ変形させ、圧力室の容積を増減させて液体を吐出させるものである。このような液体吐出ヘッドは、半導体プロセスを用いてアクチュエータを高密度に精度良く配列することが比較的容易であり、広く用いられている。吐出口が形成された吐出口プレートは、液体吐出の際に液体圧力を受けるために剛性を持たせることが望まれる。一方で吐出精度を高めるため吐出口の加工精度が必要である。
The liquid discharge head that discharges droplets of ink or the like onto the object to be recorded for recording is provided with a liquid discharge head in which a large number of liquid discharge parts are arranged two-dimensionally in order to perform higher-definition recording at a high speed. There is.
Each liquid discharge unit has a liquid chamber communicating with the discharge port and a pressure generating means provided facing the discharge port to apply a discharge pressure to the liquid in the liquid chamber. A piezoelectric element is known as a pressure generating means. In particular, a bend-type piezoelectric actuator having a structure in which a piezoelectric element including a thin film piezoelectric body and a diaphragm are bonded to each other is preferably used. In the bend type piezoelectric actuator (also simply called an actuator), the piezoelectric body tries to contract in the plane direction by applying a voltage between the electrodes formed on both sides of the thin film piezoelectric body, while the vibrating plate does not shrink and is bent. Deformation occurs. The liquid discharge head according to this method bends and deforms the wall surface of the liquid chamber (hereinafter referred to as the pressure chamber) that generates pressure facing the discharge port by an actuator, and increases or decreases the volume of the pressure chamber to discharge the liquid. .. Such a liquid discharge head is widely used because it is relatively easy to arrange actuators at high density and with high accuracy using a semiconductor process. It is desired that the discharge port plate on which the discharge port is formed has rigidity in order to receive liquid pressure during liquid discharge. On the other hand, in order to improve the discharge accuracy, the processing accuracy of the discharge port is required.

特許文献1には、吐出口プレートを形成する部材が2つの部材を貼り合わせた構造である液体吐出ヘッド(インクジェットヘッド)が開示されている。その吐出口プレートの構成は、一方が円形穴を有する板状部材であり、他方が前記円形穴より径の小さな穴を有する高分子樹脂フィルム状部材である。 Patent Document 1 discloses a liquid discharge head (inkjet head) having a structure in which two members are bonded together to form a discharge port plate. The structure of the discharge port plate is a plate-shaped member having a circular hole on one side and a polymer resin film-like member having a hole having a diameter smaller than that of the circular hole on the other side.

また、液体吐出ヘッドの個々の吐出部は、作動中にインク等の液体を吐出しない時間がある。また、被記録体の白地、余白等、被記録体のサイズ、印刷する描画パターンに応じて、連続して記録している際にも長時間液体を吐出しない吐出口がある。よって、液体を吐出しない間に吐出口内部の液体成分の一部が蒸発して増粘することが原因で吐出不良が発生する可能性がある。
この対策の一つとして、循環タンクを設け、吐出の有無にかかわらず吐出口に繋がるヘッド内の流路中に常に液体を循環させる方法が提案されている。これは、蒸発によって吐出口内部で増粘した液体の一部を循環する液体に拡散させることで、液体の増粘を抑制するものである。
Further, each discharge portion of the liquid discharge head has a time during operation in which a liquid such as ink is not discharged. Further, there is a discharge port that does not discharge the liquid for a long time even during continuous recording, depending on the size of the recorded body, the white background of the recorded body, the margins, etc., and the drawing pattern to be printed. Therefore, there is a possibility that a discharge failure may occur due to a part of the liquid component inside the discharge port evaporating and thickening while the liquid is not discharged.
As one of the countermeasures, a method has been proposed in which a circulation tank is provided and the liquid is always circulated in the flow path in the head connected to the discharge port regardless of the presence or absence of discharge. This is to suppress the thickening of the liquid by diffusing a part of the liquid thickened inside the discharge port to the circulating liquid by evaporation.

特開平3−239555号公報JP-A-3-239555

特許文献1に記載の液体吐出ヘッドは、吐出口プレートの1つの板状部材が剛性部材であるために吐出口プレートに剛性を持たせる効果はある。しかしながら、吐出口プレートが2つの部材を貼り合わせた構造であるために、構造が複雑になっていた。更に、液体流路中の液体循環に適用する場合には、吐出口プレートが2つの部材の貼り合わせ構造であるために吐出口が深くなってしまい、液体循環を行っても吐出口内部の液体の循環液体への拡散が不十分となるおそれがあった。そこで、吐出口プレートの厚さを薄くすることが望まれるが、薄くすると吐出口プレートの剛性確保が困難となる課題があった。 The liquid discharge head described in Patent Document 1 has an effect of imparting rigidity to the discharge port plate because one plate-shaped member of the discharge port plate is a rigid member. However, since the discharge port plate has a structure in which two members are bonded together, the structure is complicated. Further, when applied to liquid circulation in a liquid flow path, the discharge port plate has a structure in which two members are bonded together, so that the discharge port becomes deep, and even if liquid circulation is performed, the liquid inside the discharge port is used. May be insufficiently diffused into the circulating liquid. Therefore, it is desired to reduce the thickness of the discharge port plate, but there is a problem that it is difficult to secure the rigidity of the discharge port plate if the thickness is reduced.

そこで、本発明は、吐出口プレートの剛性を向上することが可能な液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a liquid discharge head capable of improving the rigidity of the discharge port plate.

本発明の一態様によれば、振動板と、吐出口プレートに囲まれた圧力室を有し、前記振動板の前記圧力室と対向する面上に形成された圧電体を含む圧電素子による前記振動板の撓みを利用して前記圧力室内の液体を前記吐出口プレートの吐出口から吐出する液体吐出ヘッドであって、前記圧力室の短手方向の内壁と前記振動板との接触部での前記内壁と前記短手方向とのなす内角が鈍角であり、前記圧力室の短手方向の内壁と前記吐出口プレートとの接触部での前記内壁と前記短手方向とのなす内角が鈍角であり、前記振動板側の圧力室の短手方向の幅をW、前記吐出口プレート側の圧力室の短手方向の幅Wとするとき、下記式(1)を満た
>W ・・・(1)
前記吐出口プレートの厚さをT (μm)、吐出口の半径をr(μm)、前記吐出口プレート側の圧力室の短手方向の幅をW (μm)とするとき、下記式(3)〜(5)を満たすことを特徴とする液体吐出ヘッドが提供される:
≦(5.5T +10μm) ・・・(3)、
r≧T ・・・(4)、
4μm≦T ≦20μm ・・・(5)。
According to one aspect of the present invention, the said by a piezoelectric element having a diaphragm and a pressure chamber surrounded by a discharge port plate and including a piezoelectric body formed on a surface of the diaphragm facing the pressure chamber. A liquid discharge head that discharges liquid in the pressure chamber from the discharge port of the discharge port plate by utilizing the deflection of the diaphragm, and at a contact portion between the inner wall of the pressure chamber in the lateral direction and the vibration plate. The inner angle formed by the inner wall and the lateral direction is an blunt angle, and the inner angle formed by the inner wall and the lateral direction at the contact portion between the inner wall in the lateral direction of the pressure chamber and the discharge port plate is an blunt angle. There, the transverse direction of width of the pressure chamber of the diaphragm-side when the W d, the width W s of the transverse direction of the pressure chamber of the discharge port plate side, meets the following formula (1):
W d > W s ... (1) ,
The thickness T n of the discharge port plate ([mu] m), the radius of the discharge port r (μm), the lateral direction of the width of the pressure chamber of the discharge port plate side when the W s (μm), the following formula A liquid discharge head characterized by satisfying (3) to (5) is provided:
W s ≤ (5.5T n + 10 μm) ・ ・ ・ (3),
r ≧ T n ... (4),
4 μm ≤ T n ≤ 20 μm ... (5).

また、本発明の別の態様によれば、振動板と、吐出口プレートに囲まれた圧力室を有し、前記振動板の前記圧力室と対向する面上に形成された圧電体による前記振動板の撓みを利用して前記圧力室内の液体を前記吐出口プレートの吐出口から吐出する液体吐出ヘッドであって、前記圧力室は、前記圧力室の側壁を構成する基板に貫通孔として形成されており、前記振動板側の圧力室の短手方向の幅をW、前記吐出口プレート側の圧力室の短手方向の幅をWし、前記基板の厚さをTとし、前記短手方向と前記圧力室の側壁面のなす外角の角度をθとするとき、下記式(1)及び(2)を満た
>W ・・・(1)
≧(1/2)・(W−W)・tanθ ・・・(2)
前記吐出口プレートの厚さをT (μm)、吐出口の半径をr(μm)、前記吐出口プレート側の圧力室の短手方向の幅をW (μm)とするとき、下記式(3)〜(5)を満たすことを特徴とする液体吐出ヘッドが提供される:
≦(5.5T +10μm) ・・・(3)、
r≧T ・・・(4)、
4μm≦T ≦20μm ・・・(5)。
Further, according to another aspect of the present invention, the vibration due to a piezoelectric body having a vibrating plate and a pressure chamber surrounded by a discharge port plate and formed on a surface of the vibrating plate facing the pressure chamber. A liquid discharge head that discharges a liquid in the pressure chamber from the discharge port of the discharge port plate by utilizing the bending of the plate, and the pressure chamber is formed as a through hole in a substrate forming a side wall of the pressure chamber. The width of the pressure chamber on the vibrating plate side in the lateral direction is W d , the width of the pressure chamber on the discharge port plate side in the lateral direction is W s, and the thickness of the substrate is T w. when the angle of the formed exterior angle side wall surface in the transverse direction as the pressure chamber and theta, meets the following formula (1) and (2):
W d > W s ... (1)
T w ≧ (1/2) ・ (W d −W s ) ・ tan θ ・ ・ ・ (2) ,
The thickness T n of the discharge port plate ([mu] m), the radius of the discharge port r (μm), the lateral direction of the width of the pressure chamber of the discharge port plate side when the W s (μm), the following formula A liquid discharge head characterized by satisfying (3) to (5) is provided:
W s ≤ (5.5T n + 10 μm) ・ ・ ・ (3),
r ≧ T n ... (4),
4 μm ≤ T n ≤ 20 μm ... (5).

本発明のさらに別の態様によれば、振動板と、吐出口プレートに囲まれた圧力室を有し、前記振動板の前記圧力室と対向する面上に形成された圧電体による前記振動板の撓みを利用して前記圧力室内の液体を前記吐出口プレートの吐出口から吐出する液体吐出ヘッドの製造であって、前記圧力室が、前記振動板を第一の面に、前記吐出口プレートを前記第一の面と対向する第二の面に有する基板に形成した、前記基板の平面方向の断面が矩形の貫通孔であって、前記貫通孔の、前記第一の面側の短手方向の開口幅をW、前記第二の面側の短手方向の開口幅をWとするとき、W>Wとなるように前記基板に前記貫通孔を形成する工程を有し、
前記基板は、(100)面に面方位を有するSi基板であって、前記Si基板の第一の面に、短辺と長辺を有する矩形パターンであって、前記Si基板の<110>軸に前記短辺が平行となる犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層の上を含む前記Si基板の上に振動板を成膜する工程と、前記振動板の前記Si基板の第一の面と対向する面上に圧電体を含む圧電素子を形成する工程と、前記Si基板の前記第一の面と対向する第二の面に保護膜を成膜し、前記犠牲層の長手方向の中心軸と一致する中心軸を有し、前記犠牲層の短手方向の幅よりも狭い短手方向を有する溝パターンを前記保護膜に形成する工程と、前記第二の面から、前記保護膜の溝パターンの内側に前記犠牲層に向かう基板穿孔を形成する工程と、前記基板穿孔から前記犠牲層を除去して、前記Si基板の第一の面に空間を形成する工程と、前記基板穿孔及び前記空間にエッチャントを導入し、前記振動板と前記保護膜をマスクに結晶異方性エッチングによって前記Si基板に短手方向の側壁が{111}面からなる前記貫通孔を形成する工程と、前記Si基板の第二の面に吐出口プレートを形成する工程と、を含むことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法が提供される。
According to still another aspect of the present invention, the diaphragm made of a piezoelectric material having a diaphragm and a pressure chamber surrounded by a discharge port plate and formed on a surface of the diaphragm facing the pressure chamber. In the manufacture of a liquid discharge head that discharges the liquid in the pressure chamber from the discharge port of the discharge port plate by utilizing the deflection of the pressure chamber, the pressure chamber has the diaphragm on the first surface and the discharge port plate. Is a through hole having a rectangular cross section in the plane direction of the substrate formed on a substrate having a second surface facing the first surface, and the short side of the through hole on the first surface side. when the direction of the opening width W d, the second lateral direction of the opening width of the side and W s, have a step of forming the through hole in the substrate such that W d> W s ,
The substrate is a Si substrate having a plane orientation on the (100) plane, and has a rectangular pattern having a short side and a long side on the first surface of the Si substrate, and has a <110> axis of the Si substrate. A step of forming a sacrificial layer in which the short sides are parallel to each other, a step of forming a vibrating plate on the Si substrate including the sacrificial layer, and a first surface of the Si substrate of the vibrating plate. A step of forming a piezoelectric element containing a piezoelectric body on a surface facing the surface of the Si substrate, and forming a protective film on the second surface of the Si substrate facing the first surface to form a protective film at the center in the longitudinal direction of the sacrificial layer. From the step of forming a groove pattern on the protective film having a central axis that coincides with the axis and having a lateral direction narrower than the lateral width of the sacrificial layer, and from the second surface, the protective film A step of forming a substrate perforation toward the sacrificial layer inside the groove pattern, a step of removing the sacrificial layer from the substrate perforation to form a space on the first surface of the Si substrate, and the substrate perforation and A step of introducing an etchant into the space and forming the through hole having a side wall in the lateral direction formed of a {111} surface on the Si substrate by crystal anisotropic etching using the vibrating plate and the protective film as a mask, and the above. Provided is a method for manufacturing a liquid discharge head, which comprises a step of forming a discharge port plate on a second surface of a Si substrate.

本発明によれば、吐出口プレートの剛性を向上できる液体吐出ヘッドを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a liquid discharge head capable of improving the rigidity of the discharge port plate.

本発明の一実施形態例に係る液体吐出ヘッドの主要部を示す模式的断面図である。It is a schematic cross-sectional view which shows the main part of the liquid discharge head which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態例に係る液体吐出ヘッドの全体を示す模式図であり、(a)は(b)のB−B断面、(b)は(a)のA−A断面、(c)は(b)のC−C断面を示す。It is a schematic diagram which shows the whole of the liquid discharge head which concerns on one Embodiment of this invention, (a) is the BB cross section of (b), (b) is the AA cross section of (a), (c). Shows the CC cross section of (b). 本発明の一実施形態例に係る液体吐出ヘッドの製造方法を示す工程図である。It is a process drawing which shows the manufacturing method of the liquid discharge head which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態例に係る液体吐出ヘッドを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the liquid discharge head which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の一実施形態例に係る液体吐出ヘッドの一部を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a part of the liquid discharge head which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態例に係る液体吐出ヘッドの他の製造方法例を示す工程図である。It is a process drawing which shows the example of another manufacturing method of the liquid discharge head which concerns on one Embodiment of this invention.

本発明に係る液体吐出ヘッド及びその製法について、図を用いて好ましい実施形態例を挙げて、本発明の構成と作用及び効果を説明する。 Regarding the liquid discharge head and the manufacturing method thereof according to the present invention, the configuration, operation and effect of the present invention will be described with reference to preferred embodiments.

[実施形態例1]
図1は、本発明の一実施形態例に係る液体吐出ヘッドの主要部の構成を示す図であり、液体吐出ヘッド10の圧力室16の短手方向において、吐出口プレートの吐出口付近の模式的断面図である。圧力室16は、基板15に形成された貫通孔であり、基板15の一つの面(第一の面)に形成された振動板11と他方の面(第二の面)に形成された吐出口プレート13に囲まれて構成される。振動板11は、圧力室16と対向する面に圧電素子12を有し、圧電素子12の圧電体の面方向の伸縮により振動板11が撓むことにより、圧力室16内の液体に吐出圧力を付与する。吐出口プレート13には、吐出口14が設けられており、圧力室16内の液体は、吐出圧力によって吐出口14から液滴として吐出される。図1では、簡略化のために2つの圧力室16を並べたものを示しているが、圧力室は、液体吐出ヘッドの吐出口配列方向に図示する短手方向で所定数配置される。圧力室16の配置は、解像度や圧力室の形状等によって様々に設計できる。例えば、1行あたり150npi(nozzle per inch)のノズル(吐出口)が配列されている場合、圧力室16は、吐出口14のピッチが169μmとなるように配置される。
[Example 1]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a main part of a liquid discharge head according to an embodiment of the present invention, which is a schematic view of the vicinity of a discharge port of a discharge port plate in the lateral direction of the pressure chamber 16 of the liquid discharge head 10. It is a cross-sectional view. The pressure chamber 16 is a through hole formed in the substrate 15, and the diaphragm 11 formed on one surface (first surface) of the substrate 15 and the discharge plate formed on the other surface (second surface). It is surrounded by an outlet plate 13. The diaphragm 11 has a piezoelectric element 12 on a surface facing the pressure chamber 16, and the diaphragm 11 bends due to expansion and contraction of the piezoelectric element 12 in the surface direction, so that the discharge pressure is applied to the liquid in the pressure chamber 16. Is given. The discharge port plate 13 is provided with a discharge port 14, and the liquid in the pressure chamber 16 is discharged as droplets from the discharge port 14 by the discharge pressure. In FIG. 1, two pressure chambers 16 are arranged side by side for simplification, but a predetermined number of pressure chambers are arranged in the short direction shown in the discharge port arrangement direction of the liquid discharge head. The arrangement of the pressure chamber 16 can be variously designed depending on the resolution, the shape of the pressure chamber, and the like. For example, when the nozzles (discharge ports) of 150 npi (nozzle per inch) are arranged per row, the pressure chamber 16 is arranged so that the pitch of the discharge ports 14 is 169 μm.

図2は、本実施形態例に係る液体吐出ヘッドの全体構成を示す図であり、図2(a)は、図1と同様に圧力室16の短手方向の模式的断面図である。図2(b)は、図2(a)のA−A断面を示し、図2(b)のB−B断面は、図2(a)に対応している。図2(c)は圧力室16の長手方向の模式的断面図であり、図2(b)のC−C断面に対応している。ここで、図2(b)をX−Y方向とすると、図2(a)はX−Z方向、図2(c)はY−Z方向を示す。圧力室16は図2(b)に示すように2次元的(X−Y方向)に短辺と長辺を有する矩形形状を有している。圧力室16の短手方向とは、この矩形形状の短辺(X方向)と平行な方向を意味する。 FIG. 2 is a diagram showing the overall configuration of the liquid discharge head according to the present embodiment, and FIG. 2A is a schematic cross-sectional view of the pressure chamber 16 in the lateral direction as in FIG. 2 (b) shows the AA cross section of FIG. 2 (a), and the BB cross section of FIG. 2 (b) corresponds to FIG. 2 (a). FIG. 2C is a schematic cross-sectional view of the pressure chamber 16 in the longitudinal direction, and corresponds to the cross section CC of FIG. 2B. Here, assuming that FIG. 2 (b) is the XY direction, FIG. 2 (a) shows the XY direction and FIG. 2 (c) shows the YY direction. As shown in FIG. 2B, the pressure chamber 16 has a rectangular shape having a short side and a long side in two dimensions (XY directions). The lateral direction of the pressure chamber 16 means a direction parallel to the short side (X direction) of this rectangular shape.

図2では、図1に示す構成に加えて、振動板11側に接着層21を介して基板22が貼り合わされている。振動板11と基板22の間には、圧力室ごとに区画された空間を有し、圧電素子12による振動板11の撓みを許容している。また、図2(c)に示すように、基板22には圧力室16に連通し、圧力室16に液体を供給する供給路23と、圧力室16から液体を回収する回収路24が設けられている。供給路23から回収路24への液体の循環経路により吐出口14での液体の増粘が抑制される。供給路23と回収路24は図示しない共通液室(循環タンク)に連通しており、複数の圧力室(個別液室ともいう)からの液体が共通液室内で平均化されることで、複数の個別液室には同じ状態の液体が循環される。なお、回収路24は必須ではなく、液体循環を行わない液体吐出ヘッドの場合は形成されない。吐出口14については、供給路23と回収路24から最も遠い位置となるように、圧力室16の長手方向(Y方向)のほぼ中央に形成している。回収路24を設けない場合は、圧力室16の長手方向の供給路23とは反対の端部に設けることができる。 In FIG. 2, in addition to the configuration shown in FIG. 1, the substrate 22 is bonded to the diaphragm 11 side via the adhesive layer 21. A space is provided between the diaphragm 11 and the substrate 22 for each pressure chamber, and the diaphragm 11 is allowed to bend due to the piezoelectric element 12. Further, as shown in FIG. 2C, the substrate 22 is provided with a supply path 23 that communicates with the pressure chamber 16 and supplies the liquid to the pressure chamber 16 and a recovery path 24 that recovers the liquid from the pressure chamber 16. ing. The liquid circulation path from the supply path 23 to the recovery path 24 suppresses the thickening of the liquid at the discharge port 14. The supply path 23 and the recovery path 24 communicate with a common liquid chamber (circulation tank) (not shown), and the liquids from a plurality of pressure chambers (also referred to as individual liquid chambers) are averaged in the common liquid chamber to form a plurality of liquid chambers. Liquids in the same state are circulated in the individual liquid chambers. The recovery path 24 is not essential, and is not formed in the case of a liquid discharge head that does not circulate the liquid. The discharge port 14 is formed substantially in the center of the pressure chamber 16 in the longitudinal direction (Y direction) so as to be located farthest from the supply path 23 and the recovery path 24. When the recovery path 24 is not provided, it can be provided at the end of the pressure chamber 16 opposite to the supply path 23 in the longitudinal direction.

圧力室16の短手方向の断面形状は、内壁17と振動板11との接触部での内壁17と短手方向とのなす内角θが鈍角であり、圧力室の短手方向の内壁17と吐出口プレート13との接触部での内壁17と短手方向とのなす内角θが鈍角となっている。よって圧力室16の短手方向の断面形状は、例えば、図1に示すような6角形であり、また8角形であっても良い。図1では、圧力室16の短手方向の断面における内壁17はほぼ直線の組み合わせであるが、一部に曲線を有するものでも良い。このため、圧力室16の短手方向の断面形状が例えば矩形の場合と比較して断面積を大きくすることが可能になり、循環液体の流路抵抗を減らすことができる。また、圧力室16の短手方向の断面形状が、内角の全てが鋭角や直角部を有さない形状であれば、圧力室16内への泡溜まりの発生を抑制して、吐出を安定化させることができる。 The cross-sectional shape of the pressure chamber 16 in the lateral direction is such that the internal angle θ d formed by the inner wall 17 and the lateral direction at the contact portion between the inner wall 17 and the vibrating plate 11 is an obtuse angle, and the inner wall 17 in the lateral direction of the pressure chamber 17 The internal angle θ n formed by the inner wall 17 and the lateral direction at the contact portion between the surface and the discharge port plate 13 is an obtuse angle. Therefore, the cross-sectional shape of the pressure chamber 16 in the lateral direction may be, for example, a hexagon as shown in FIG. 1 or an octagon. In FIG. 1, the inner wall 17 in the cross section of the pressure chamber 16 in the lateral direction is a combination of substantially straight lines, but a part having a curved line may be used. Therefore, it is possible to increase the cross-sectional area of the pressure chamber 16 as compared with the case where the cross-sectional shape of the pressure chamber 16 in the lateral direction is, for example, rectangular, and it is possible to reduce the flow path resistance of the circulating liquid. Further, if the cross-sectional shape of the pressure chamber 16 in the lateral direction is such that all the internal angles do not have acute angles or right-angled portions, the generation of foam accumulation in the pressure chamber 16 is suppressed and the discharge is stabilized. Can be made to.

また、圧力室16の短手方向の断面形状は、振動板11側の圧力室16の短手方向の幅をW、吐出口プレート13側の圧力室16の短手方向の幅をWとするとき、W>Wを満たす構成である。このため、圧力室16に面する吐出口プレート13の短手方向の梁幅、すなわちWは、圧力室の短手方向の断面形状が矩形の場合と比較して狭くすることができる。なお、圧力室16の長手方向の断面形状の壁面は、圧力室16の短手方向の断面形状の壁面と同じ形状を有することができる。このため、圧力室16の吐出口プレート13の長手方向の梁幅は短手方向の梁幅よりも広くなる。しかしながら、吐出口プレート13で補強が必要なのは、剛性を決める支配要因である短手方向の梁幅であるため、短手方向の梁幅を狭くすることで吐出口プレート13の剛性を向上することができる。 As for the cross-sectional shape of the pressure chamber 16 in the lateral direction, the width of the pressure chamber 16 on the diaphragm 11 side in the lateral direction is W d , and the width of the pressure chamber 16 on the discharge port plate 13 side in the lateral direction is W s. Then, the configuration satisfies W d > W s. Therefore, the lateral direction of the beam width of the discharge port plate 13 facing the pressure chamber 16, i.e. W s may be the lateral direction of the cross-sectional shape of the pressure chamber is narrower than the case of a rectangular. The wall surface having a cross-sectional shape in the longitudinal direction of the pressure chamber 16 can have the same shape as the wall surface having a cross-sectional shape in the lateral direction of the pressure chamber 16. Therefore, the beam width in the longitudinal direction of the discharge port plate 13 of the pressure chamber 16 is wider than the beam width in the lateral direction. However, since it is the beam width in the lateral direction that is a controlling factor that determines the rigidity of the discharge port plate 13, it is necessary to improve the rigidity of the discharge port plate 13 by narrowing the beam width in the lateral direction. Can be done.

なお、Wの下限は、図2(b)から明らかなとおり、吐出口の孔径(直径)である。また、Wの上限が、吐出口のピッチにより自ずと制限されることから、Wの上限もそれによって制約を受けることとなる。実用上は、吐出口プレートの材料や厚みに応じて、十分な剛性を確保できる幅以内にWを設定すれば良い。 As is clear from FIG. 2B, the lower limit of W s is the hole diameter (diameter) of the discharge port. Further, since the upper limit of W d is naturally limited by the pitch of the discharge port, the upper limit of W s is also restricted accordingly. Practically, W s may be set within a width that can secure sufficient rigidity according to the material and thickness of the discharge port plate.

次に各部材について説明する。
振動板11は、例えば窒化シリコン(SiN)からなり、厚さは、例えば、500nm〜2000nm程度とすることができる。成膜方法として、例えば、LPCVD(low pressure chemical vapor deposition)を用いることで、低応力で高密度な、より振動板に適した膜が得られる。振動板11のその他の材料として酸化シリコン(SiO)を使用することができる。この場合の成膜方法はPE(plasma enhanced)CVDが好ましい。また単結晶シリコン(Si)も振動板11として使用することができる。また、振動板11は、単一膜ではなく複数の材料からなる膜を用いても良い。例えば、第1層をSiN、第2層をSiOとする2層構造としても良い。振動板11の材料の選択は、内部応力、密着性、エッチング選択比など、他のプロセスとの整合性から判断すれば良い。
Next, each member will be described.
The diaphragm 11 is made of, for example, silicon nitride (SiN), and its thickness can be, for example, about 500 nm to 2000 nm. By using, for example, LPCVD (low pressure chemical vapor deposition) as a film forming method, a film having low stress and high density and more suitable for a diaphragm can be obtained. Silicon oxide (SiO 2 ) can be used as another material for the diaphragm 11. In this case, PE (plasma enhanced) CVD is preferable as the film forming method. In addition, single crystal silicon (Si) can also be used as the diaphragm 11. Further, the diaphragm 11 may use a film made of a plurality of materials instead of a single film. For example, a two-layer structure may be formed in which the first layer is SiN and the second layer is SiO 2. The selection of the material of the diaphragm 11 may be judged from the consistency with other processes such as internal stress, adhesion, and etching selection ratio.

圧電素子12には、圧電体としてPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)や更にNbなどをドーピングしたもの等が用いられる。圧電体の厚さは、例えば、500nm〜3000nmとすることができる。圧電体の成膜方法は、例えば、スパッタ法を用いることで、結晶性が高く、また絶縁耐圧が高い液体吐出ヘッドに適した圧電体を得ることができる。圧電素子12は、圧電体を下部電極と上部電極で挟んだ積層構造を有する。下部電極にはPt等を用いることができ、その成膜方法は例えばスパッタ法であり、厚さは50〜150nm程度とすることができる。上部電極には、Pt、IrO、RuO、TiW等が使用でき、その成膜方法はスパッタ法が好ましく、厚さは50〜150nm程度とすることができる。また、振動板11との密着性、あるいは、圧電体と下部電極との密着性、圧電体と上部電極との密着性を高めるため、各層間に密着層を挿入しても良い。密着層は、例えば、Ti等であり、1〜5nm程度の膜厚に成膜して使用することができる。圧電体を成膜する面の密着層は、圧電体の結晶配向を制御する層として機能することがある。また、密着層とは別に圧電体の結晶配向を制御する層を設けても良い。なお、上部電極、圧電体、下部電極、及び、各その他の層は、フォトリソグラフィによってパターニングされ、所定の形状(例えば、平面形状として長方形)に形成される。 As the piezoelectric element 12, a piezoelectric body doped with PZT (lead zirconate titanate), Nb, or the like is used. The thickness of the piezoelectric material can be, for example, 500 nm to 3000 nm. As a method for forming a piezoelectric material, for example, by using a sputtering method, it is possible to obtain a piezoelectric material suitable for a liquid discharge head having high crystallinity and high dielectric strength. The piezoelectric element 12 has a laminated structure in which a piezoelectric body is sandwiched between a lower electrode and an upper electrode. Pt or the like can be used for the lower electrode, and the film forming method thereof is, for example, a sputtering method, and the thickness can be about 50 to 150 nm. Pt, IrO, RuO, TiW and the like can be used for the upper electrode, and the film forming method thereof is preferably a sputtering method, and the thickness can be about 50 to 150 nm. Further, in order to improve the adhesion to the diaphragm 11, the adhesion between the piezoelectric body and the lower electrode, and the adhesion between the piezoelectric body and the upper electrode, an adhesion layer may be inserted between the layers. The adhesion layer is, for example, Ti or the like, and can be used by forming a film having a film thickness of about 1 to 5 nm. The adhesion layer on the surface on which the piezoelectric material is formed may function as a layer for controlling the crystal orientation of the piezoelectric material. Further, a layer for controlling the crystal orientation of the piezoelectric material may be provided separately from the adhesion layer. The upper electrode, the piezoelectric body, the lower electrode, and each of the other layers are patterned by photolithography to form a predetermined shape (for example, a rectangle as a planar shape).

吐出口プレート13は、公知の種々の材料で構成することができる。吐出口プレートは、各種樹脂材料や、無機材料から選択することができ、フォトリソグラフィにより位置精度良く吐出口を形成できる感光性の樹脂材料を用いることが好ましい。吐出口プレートの厚さは、蒸発によって吐出口内部で増粘した液体の一部を、圧力室内を循環する液体に拡散させる観点から、吐出口の大きさに合わせて適宜最適な厚さとなるように設定される。吐出口プレート13はその剛性を確保できる範囲で、吐出口の半径以下の厚さに形成することが好ましい。例えば吐出口プレート13は、感光性のドライフィルムからなり、厚さが例えば10μmである。なお、吐出口プレート13は、Si単結晶であっても良い。 The discharge port plate 13 can be made of various known materials. The discharge port plate can be selected from various resin materials and inorganic materials, and it is preferable to use a photosensitive resin material capable of forming a discharge port with high positional accuracy by photolithography. The thickness of the discharge port plate should be appropriately optimized according to the size of the discharge port from the viewpoint of diffusing a part of the liquid thickened inside the discharge port by evaporation to the liquid circulating in the pressure chamber. Is set to. The discharge port plate 13 is preferably formed to have a thickness equal to or less than the radius of the discharge port within a range in which the rigidity can be ensured. For example, the discharge port plate 13 is made of a photosensitive dry film and has a thickness of, for example, 10 μm. The discharge port plate 13 may be a Si single crystal.

圧力室16の壁部を構成する基板15は、本実施形態例に係る圧力室形状を形成でき、圧力室内の液体に耐性を有するものであれば、いずれも使用できる。例えば、Si基板などの無機材料、感光性ドライフィルムなどの有機材料のいずれも使用できる。また、貫通孔を形成した2枚の基材を貼り合わせた構造であっても良い。 Any substrate 15 that constitutes the wall portion of the pressure chamber 16 can be used as long as it can form the pressure chamber shape according to the present embodiment and has resistance to the liquid in the pressure chamber. For example, any of an inorganic material such as a Si substrate and an organic material such as a photosensitive dry film can be used. Further, the structure may be such that two base materials having through holes are bonded together.

(製造例1)
次に、本実施形態例に係る液体吐出ヘッドの製造方法について説明する。なお、以下の説明では、基板15としてSi基板、特に面方位が(100)面となるSi基板を用いる場合について説明する。
図3は、本実施形態例に係る液体吐出ヘッド100の製造方法の一例を示す模式図であり、図3(a)〜(i)は、それぞれの工程における圧力室の短手方向の断面を示している。
(Manufacturing Example 1)
Next, a method of manufacturing the liquid discharge head according to the present embodiment will be described. In the following description, a case where a Si substrate, particularly a Si substrate having a plane orientation of (100) is used as the substrate 15, will be described.
FIG. 3 is a schematic view showing an example of a method for manufacturing the liquid discharge head 100 according to the present embodiment, and FIGS. 3 (a) to 3 (i) show cross sections of the pressure chamber in each step in the lateral direction. Shown.

まず、図3(a)に示すようにSi基板15Aの一つの面上に、犠牲層31をフォトリソグラフィとエッチングを用いて形成する。犠牲層31は、圧力室の振動板側の壁面を規定するものであり、通常、短辺と長辺を有する矩形パターンに形成される。このSi基板15Aの面方位は(100)である。このとき、犠牲層31の矩形パターンの短辺が<110>軸に平行になるように位置合わせして配置する。なお、犠牲層31の矩形パターンの長辺が<110>軸に平行になるように位置合わせして配置しても良い。犠牲層31の膜厚は、例えば、500nm以上2000nmの範囲とすることができる。犠牲層31は、後の犠牲層除去工程で除去されるため、周囲の部材とエッチング選択比が高く、また、エッチング速度が速いものが好ましい。このような犠牲層、周囲の部材、エッチャントの組み合わせには以下のようなものがある。第1の例として、犠牲層をシリコン酸化膜(SiO)、周囲の部材(振動板)をSiN、エッチャントをHFとする組み合わせがある。犠牲層と同じ材料が他の部材として用いられている場合には、予めこの部材を保護しておけば良い。また第2の例として、犠牲層を多結晶Si、周囲の部材をSiN、エッチャントをKOH溶液とする組み合わせがある。また第3の例として、犠牲層をAl、周囲の部材をSiN、エッチャントをAlウェットエッチャントとする組み合わせがある。その他にもエッチング選択性が確保できれば、別の組み合わせを用いてもよい。本例では、犠牲層31として、熱酸化法を用いて、例えばシリコン酸化膜を成膜する。なお、犠牲層31のシリコン酸化膜の成膜は、熱酸化法以外にPECVDを用いても良く、その他の方法を適宜選択して用いても良い。また、犠牲層31のパターン形状は、側面が振動板11に向かって広がるように傾斜した形状に形成することが好ましい。犠牲層31をこのように形成することで、犠牲層を除去して形成される圧力室の内角の全てを鈍角にすることができる。 First, as shown in FIG. 3A, a sacrificial layer 31 is formed on one surface of the Si substrate 15A by using photolithography and etching. The sacrificial layer 31 defines the wall surface of the pressure chamber on the diaphragm side, and is usually formed in a rectangular pattern having a short side and a long side. The plane orientation of the Si substrate 15A is (100). At this time, the short sides of the rectangular pattern of the sacrificial layer 31 are aligned and arranged so as to be parallel to the <110> axis. The long side of the rectangular pattern of the sacrificial layer 31 may be aligned and arranged so as to be parallel to the <110> axis. The film thickness of the sacrificial layer 31 can be, for example, in the range of 500 nm or more and 2000 nm. Since the sacrificial layer 31 is removed in a later sacrificial layer removing step, it is preferable that the sacrificial layer 31 has a high etching selectivity with the surrounding members and a high etching rate. The combinations of such sacrificial layers, surrounding members, and etchants are as follows. As a first example, there is a combination in which the sacrificial layer is a silicon oxide film (SiO 2 ), the surrounding member (diaphragm) is SiN, and the etchant is HF. When the same material as the sacrificial layer is used as another member, this member may be protected in advance. As a second example, there is a combination in which the sacrificial layer is polycrystalline Si, the surrounding members are SiN, and the etchant is a KOH solution. As a third example, there is a combination in which the sacrificial layer is Al, the surrounding members are SiN, and the etchant is Al wet etchant. In addition, another combination may be used as long as the etching selectivity can be ensured. In this example, as the sacrificial layer 31, for example, a silicon oxide film is formed by using a thermal oxidation method. In addition to the thermal oxidation method, PECVD may be used to form the silicon oxide film of the sacrificial layer 31, and other methods may be appropriately selected and used. Further, the pattern shape of the sacrificial layer 31 is preferably formed so that the side surface is inclined so as to spread toward the diaphragm 11. By forming the sacrificial layer 31 in this way, all the internal angles of the pressure chamber formed by removing the sacrificial layer can be obtuse.

次に、図3(b)に示すように、犠牲層31の上を含むSi基板15Aの上に振動板11を成膜する。振動板11は、例えばSiNからなり、厚さは、例えば、500nm〜2000nm程度とすることができる。成膜方法は、例えば、LPCVD、PECVD等を用いることができる。SiNの場合、LPCVDを用いた方が、低応力で高密度な、より振動板に適した膜が得られる。なお、前後の製造工程の制約で成膜温度を下げたい場合には、PECVDを用いるのが好ましい。その他の膜としてはSiOを使用することができ、成膜方法はPECVDが好ましい。 Next, as shown in FIG. 3B, the diaphragm 11 is formed on the Si substrate 15A including the sacrificial layer 31. The diaphragm 11 is made of, for example, SiN, and its thickness can be, for example, about 500 nm to 2000 nm. As the film forming method, for example, LPCVD, PECVD and the like can be used. In the case of SiN, LPCVD can obtain a film with low stress and high density, which is more suitable for a diaphragm. When it is desired to lower the film formation temperature due to the restrictions of the manufacturing process before and after, it is preferable to use PECVD. SiO 2 can be used as the other film, and PECVD is preferable as the film forming method.

次に、図3(c)に示すように、振動板11上に、圧電素子12を形成する。圧電素子12は、上述した各層の積層を基板全面に形成した後、フォトリソグラフィによって各素子形状にパターニングされる。フォトリソグラフィ工程では、圧電素子12のパターンが犠牲層31の相似形状であり、且つ、圧電素子12の平面中心が犠牲層31の平面中心と合うように形成する。エッチングにはウェットエッチング、ドライエッチングのいずれも使用することができるが、ドライエッチングを用いた方が圧電素子12へのプロセスダメージが少なく、またサイドエッチング量を低減することができる。また、圧電素子12の各層のエッチングには上部にパターニングされた層をハードマスクとしても良い。 Next, as shown in FIG. 3C, the piezoelectric element 12 is formed on the diaphragm 11. The piezoelectric element 12 is patterned into each element shape by photolithography after the above-mentioned lamination of each layer is formed on the entire surface of the substrate. In the photolithography step, the pattern of the piezoelectric element 12 is formed so as to have a similar shape to the sacrificial layer 31, and the plane center of the piezoelectric element 12 is aligned with the plane center of the sacrificial layer 31. Both wet etching and dry etching can be used for etching, but using dry etching causes less process damage to the piezoelectric element 12 and can reduce the amount of side etching. Further, for etching each layer of the piezoelectric element 12, the layer patterned on the upper portion may be used as a hard mask.

図3(d)に示すように、Si基板15Aを薄化して、所望の高さの圧力室16を形成できる基板15に加工する。このとき、基板15の支持基板で液体吐出ヘッドの構成部材となる基板22と基板15との接着層21を用いる貼り合わせと、Si基板15Aの薄化を行うことができる。Si基板15Aの薄化は、例えば、グラインダによる研磨とCMP(chemical mechanical polishing)によって行うことができる。ここでは、Si基板15Aを、圧力室16の高さとなる例えば60μmまで薄化しているが、本発明はこれに限定されない。なお、基板15は、厚いSi基板15Aを薄化する代わりに、SOI(silicon on insulator)基板を用いた方法にて得ることができる。この場合には、例えば圧力室16の所望の高さと同じ厚さの(100)Si層をデバイス層として有するSOI基板を準備する。次に、デバイス層上に図3(a)〜(c)と同様の工程を行う。次に、基板22との接着層21を用いる貼り合わせと、SOI基板のハンドル層とBOx(buried oxide)層の除去を行うことでも、図3(d)の構造を得ることができる。 As shown in FIG. 3D, the Si substrate 15A is thinned and processed into a substrate 15 capable of forming a pressure chamber 16 having a desired height. At this time, the support substrate of the substrate 15 can be bonded using the adhesive layer 21 between the substrate 22 and the substrate 15 which are the constituent members of the liquid discharge head, and the Si substrate 15A can be thinned. The thinning of the Si substrate 15A can be performed by, for example, polishing with a grinder and CMP (chemical mechanical polishing). Here, the Si substrate 15A is thinned to, for example, 60 μm, which is the height of the pressure chamber 16, but the present invention is not limited to this. The substrate 15 can be obtained by a method using an SOI (silicon on insulator) substrate instead of thinning the thick Si substrate 15A. In this case, for example, an SOI substrate having a (100) Si layer having the same thickness as the desired height of the pressure chamber 16 as a device layer is prepared. Next, the same steps as in FIGS. 3A to 3C are performed on the device layer. Next, the structure shown in FIG. 3 (d) can also be obtained by bonding the substrate 22 with the adhesive layer 21 and removing the handle layer and the BOX (burried oxide) layer of the SOI substrate.

次に、図3(e)に示すように、基板15の振動板11が形成された面と反対の面に、保護膜32を成膜した後に、保護膜32に溝パターンを形成する。この溝パターンは、犠牲層31のパターンの長手方向の中心軸と溝パターンの長手方向の中心軸が一致するように形成する。保護膜32の材料は、例えば、SiOである。成膜方法には、例えば、PECVDを用いても良く、他の成膜方法を用いても良い。保護膜32の膜厚は、例えば、1000nm〜2000nmの範囲とすることができる。この保護膜32は、後の工程の圧力室形成時のエッチングマスクとなる。なお、上述のようにSOI基板を用いる場合には、ハンドル層の除去後にBOx層を残して保護膜32としても良い。次に、保護膜32上にレジスト膜33を形成して、フォトリソグラフィによって溝パターン34を形成する。この溝パターン34は、レジスト膜33が保護膜32を全て覆うように保護膜32の溝パターンの内側に形成する。また、犠牲層31のパターンの長手方向の中心軸と溝パターン34の長手方向の中心軸が一致するように形成する。 Next, as shown in FIG. 3 (e), a protective film 32 is formed on the surface of the substrate 15 opposite to the surface on which the diaphragm 11 is formed, and then a groove pattern is formed on the protective film 32. This groove pattern is formed so that the central axis in the longitudinal direction of the pattern of the sacrificial layer 31 and the central axis in the longitudinal direction of the groove pattern coincide with each other. The material of the protective film 32 is, for example, SiO 2 . As the film forming method, for example, PECVD may be used, or another film forming method may be used. The film thickness of the protective film 32 can be, for example, in the range of 1000 nm to 2000 nm. The protective film 32 serves as an etching mask when forming a pressure chamber in a later step. When the SOI substrate is used as described above, the protective film 32 may be used by leaving the BOX layer after removing the handle layer. Next, the resist film 33 is formed on the protective film 32, and the groove pattern 34 is formed by photolithography. The groove pattern 34 is formed inside the groove pattern of the protective film 32 so that the resist film 33 covers the entire protective film 32. Further, the sacrificial layer 31 is formed so that the central axis in the longitudinal direction of the pattern and the central axis in the longitudinal direction of the groove pattern 34 coincide with each other.

次に、図3(f)では、レジスト膜33の溝パターン34をエッチングマスクとして、例えばシリコンDRIE(deep reactive ion etching)によって基板15に基板穿孔35を形成する。このとき、犠牲層31をエッチングストップ層として利用することによって、シリコンDRIE時の振動板11へのエッチングダメージを防止することができる。ここで、図4(a)の犠牲層形成工程で述べた犠牲層31の材料に応じて、基板穿孔35の深さを変えても良い。例えば、犠牲層31がSiOやAlの場合は、犠牲層31のエッチャントによってSi基板15がエッチングされないため、基板穿孔35は犠牲層31に到達している必要がある。一方、犠牲層31が多結晶Siの場合は、基板穿孔35は犠牲層31に到達していなくても貫通する手前の深さであれば良い。この理由は、犠牲層31が多結晶Siの時のエッチャント、例えばKOH溶液によって基板穿孔35の基板未貫通の部分のSiがエッチングされて犠牲層31の多結晶Siに到達して除去することができるからである。 Next, in FIG. 3 (f), the substrate perforation 35 is formed in the substrate 15 by, for example, silicon DRIE (deep reactive ion etching) using the groove pattern 34 of the resist film 33 as an etching mask. At this time, by using the sacrificial layer 31 as an etching stop layer, it is possible to prevent etching damage to the diaphragm 11 during silicon DRIE. Here, the depth of the substrate perforation 35 may be changed according to the material of the sacrificial layer 31 described in the sacrificial layer forming step of FIG. 4A. For example, when the sacrificial layer 31 is SiO 2 or Al, the substrate perforation 35 needs to reach the sacrificial layer 31 because the Si substrate 15 is not etched by the etchant of the sacrificial layer 31. On the other hand, when the sacrificial layer 31 is polycrystalline Si, the substrate perforation 35 may have a depth before penetrating the sacrificial layer 31 even if it does not reach the sacrificial layer 31. The reason for this is that when the sacrificial layer 31 is polycrystalline Si, the Si of the non-penetrating portion of the substrate perforation 35 is etched by an etchant, for example, a KOH solution, to reach the polycrystalline Si of the sacrificial layer 31 and be removed. Because it can be done.

次に、図3(g)に示すように、基板穿孔35に犠牲層31のエッチャントを導入して犠牲層31を除去する。図3(a)の犠牲層形成工程で述べた犠牲層31の材料に応じて、エッチャントを選択する。図3(a)では、犠牲層31としてSiOを用いていたため、エッチャントとしてVapor−HFを用いた。Vapor−HFは、狭い基板穿孔35を通じて犠牲層31を効率良くエッチングすることができる。このとき、レジスト膜33によってSiOを用いた保護膜32が保護されているため、犠牲層31のみを選択的に除去することができる。犠牲層31の除去後には、空間36が形成される。その後、レジスト膜33を除去する。レジスト膜33の除去は、例えば、酸素プラズマを用いたアッシングで行う。なお、犠牲層31がAlや多結晶Siなど、保護膜32とエッチング選択比のとれる材料の場合には、基板穿孔35の形成後で犠牲層31の除去前にレジスト膜33を除去しておいても良い。 Next, as shown in FIG. 3 (g), an etchant of the sacrificial layer 31 is introduced into the substrate perforation 35 to remove the sacrificial layer 31. The etchant is selected according to the material of the sacrificial layer 31 described in the sacrificial layer forming step of FIG. 3 (a). In FIG. 3A, since SiO 2 was used as the sacrificial layer 31, Vapor-HF was used as the etchant. Vapor-HF can efficiently etch the sacrificial layer 31 through the narrow substrate perforations 35. At this time, since the protective film 32 using SiO 2 is protected by the resist film 33, only the sacrificial layer 31 can be selectively removed. After removal of the sacrificial layer 31, space 36 is formed. After that, the resist film 33 is removed. The resist film 33 is removed by, for example, ashing using oxygen plasma. When the sacrificial layer 31 is a material such as Al or polycrystalline Si that has an etching selectivity with that of the protective film 32, the resist film 33 is removed after the substrate perforation 35 is formed and before the sacrificial layer 31 is removed. You can stay.

次に、図3(h)に示すように、基板15を振動板11と保護膜32をエッチングマスクとして、エッチャントとして例えばKOH溶液を用いて結晶異方性エッチングを行う。エッチングは、基板穿孔35と、犠牲層31を除去してできた空間36にエッチャントが導入されて行われる。保護膜32の溝パターンは、犠牲層31のパターンの長手方向の中心軸と溝パターンの長手方向の中心軸が一致するように形成していた。このため、(100)Siである基板15のエッチングは、結晶異方性エッチングによって{111}面が壁面となるように進行する。また、空間36の短手方向の幅が保護膜32の溝パターンの短手方向の幅よりも広くなっているため、振動板11側に広くエッチングされる。このエッチングにより形成される圧力室16の短手方向の断面は、断面形状が略6角形に形成される。 Next, as shown in FIG. 3H, crystal anisotropic etching is performed using the substrate 15 as the diaphragm 11 and the protective film 32 as the etching mask, and using, for example, a KOH solution as the etchant. Etching is performed by introducing the etchant into the substrate perforation 35 and the space 36 created by removing the sacrificial layer 31. The groove pattern of the protective film 32 was formed so that the central axis in the longitudinal direction of the pattern of the sacrificial layer 31 and the central axis in the longitudinal direction of the groove pattern coincide with each other. Therefore, the etching of the substrate 15 which is (100) Si proceeds so that the {111} plane becomes the wall surface by the crystal anisotropic etching. Further, since the width of the space 36 in the lateral direction is wider than the width of the groove pattern of the protective film 32 in the lateral direction, the space 36 is widely etched on the diaphragm 11 side. The cross section of the pressure chamber 16 formed by this etching in the lateral direction has a substantially hexagonal cross section.

すなわち、本実施形態例の製法によると圧力室16の形状は、基板15の厚さとエッチングマスクと、基板15の結晶面によって高精度に規定できる。なお、このエッチャントとしては、KOH溶液に限定されず、結晶異方性エッチングが可能な薬液、例えばTMAH(tetramethylammonium hydroxide)溶液を用いても良い。また、圧力室16の長手方向の壁面形状は、短手方向の壁面形状と同じく{111}面が壁面となる形状を有することができる。基板22を貼り合わせてからエッチングする場合、エッチャントが回り込んで基板22がエッチングされないようにする。例えば、基板22を保護して基板15のみにエッチャントが接触する構造のエッチング治具(不図示)を用いてエッチングを行うことができる。また、保護膜(不図示)を基板22に形成しておいても良い。
次に、基板15の保護膜32を除去する。保護膜32がSiOの場合には、例えば、HF溶液やBHF(buffered hydrogen fluoride)溶液やVapor−HFを用いることができる。保護膜32の除去工程では、保護膜32以外の材料がこれらのエッチャントに対して高いエッチング選択比を有しているために、保護膜32を選択的に除去することができる。なお、保護膜32と同じ材料で構成される部分でエッチャントにさらされる部分がある場合は、保護したい部分に予め別の材料で保護膜を形成しておけば良い。
That is, according to the manufacturing method of the present embodiment, the shape of the pressure chamber 16 can be defined with high accuracy by the thickness of the substrate 15, the etching mask, and the crystal plane of the substrate 15. The etchant is not limited to the KOH solution, and a chemical solution capable of crystalline anisotropic etching, for example, a TMAH (tetramethylammonium hydroxide) solution may be used. Further, the wall surface shape of the pressure chamber 16 in the longitudinal direction can have a shape in which the {111} surface is the wall surface, which is the same as the wall surface shape in the lateral direction. When etching is performed after the substrates 22 are bonded together, the etchant is prevented from wrapping around and etching the substrate 22. For example, etching can be performed using an etching jig (not shown) having a structure in which the substrate 22 is protected and the etchant contacts only the substrate 15. Further, a protective film (not shown) may be formed on the substrate 22.
Next, the protective film 32 of the substrate 15 is removed. When the protective film 32 is SiO 2 , for example, an HF solution, a BHF (buffered hydrogen fluoride) solution, or Vapor-HF can be used. In the step of removing the protective film 32, the protective film 32 can be selectively removed because the materials other than the protective film 32 have a high etching selectivity with respect to these etchants. If there is a portion made of the same material as the protective film 32 that is exposed to the etchant, a protective film may be formed in advance on the portion to be protected with another material.

次に、図3(i)に示すように、圧力室16を挟んで振動板11と対向する面、すなわち、圧力室16の短手方向の幅が狭い下側に、吐出口14を有する吐出口プレート13を形成する。ここで、吐出口プレート13は、例えば、感光性のドライフィルムを用いて形成することができる。吐出口14の形成は、感光性のドライフィルムの貼り付け後に、吐出口14のパターンを有するフォトマスク(不図示)を圧力室16の開口位置に位置合わせして、吐出口14のパターンを露光・現像することで高精度に形成することができる。また、吐出口プレート13の形成は、予め吐出口14を形成しておき、圧力室16の開口位置に位置合わせして、基板15にテンティング法で貼り付けることで行っても良い。吐出口14の形成は、露光・現像以外に、例えば、レーザー加工を用いて行うことができ、また、その他の方法で形成しても良い。吐出口プレート13の厚さは、例えば10μmであり、吐出口14の半径は、例えば10μmである。なお、本発明は、これらの材料や寸法に限定されるものではない。
なお、本実施形態例では製造例1に示すように、振動板11側に犠牲層31を形成し、これを除去した空間36から(100)Si基板15に圧力室16となる貫通孔を形成している。このため、振動板11は、圧力室16において、(100)Si基板の一つの面(第一の面)の延長線から離れた内壁面を有している。しかしながら、振動板の圧力室における内壁面は基板の延長線上とすることもできる。
Next, as shown in FIG. 3 (i), the discharge port 14 has a discharge port 14 on the surface facing the diaphragm 11 with the pressure chamber 16 interposed therebetween, that is, on the lower side of the pressure chamber 16 having a narrow width in the lateral direction. The outlet plate 13 is formed. Here, the discharge port plate 13 can be formed by using, for example, a photosensitive dry film. To form the discharge port 14, after the photosensitive dry film is attached, a photomask (not shown) having the pattern of the discharge port 14 is aligned with the opening position of the pressure chamber 16 to expose the pattern of the discharge port 14. -It can be formed with high precision by developing. Further, the discharge port plate 13 may be formed by forming the discharge port 14 in advance, aligning the discharge port 14 with the opening position of the pressure chamber 16, and attaching the discharge port plate 13 to the substrate 15 by a tenting method. The discharge port 14 can be formed by, for example, laser processing, in addition to exposure and development, or may be formed by other methods. The thickness of the discharge port plate 13 is, for example, 10 μm, and the radius of the discharge port 14 is, for example, 10 μm. The present invention is not limited to these materials and dimensions.
In this embodiment, as shown in Production Example 1, a sacrificial layer 31 is formed on the diaphragm 11 side, and a through hole serving as a pressure chamber 16 is formed in the (100) Si substrate 15 from the space 36 from which the sacrificial layer 31 is removed. doing. Therefore, the diaphragm 11 has an inner wall surface in the pressure chamber 16 which is separated from the extension line of one surface (first surface) of the (100) Si substrate. However, the inner wall surface of the diaphragm in the pressure chamber may be an extension of the substrate.

[実施形態例2]
図4(a)は、本実施形態例を説明するための概略断面図であり、図面の簡略化のため1つの圧力室46Aを示している。ここで、振動板41側の圧力室46Aの短手方向の幅をWとし、吐出口プレート43側の圧力室46Aの短手方向の幅をWとし、基板45の厚さをTとし、吐出口プレート43と圧力室46Aの側壁面47Aとのなす外角をθとする。θは鋭角であり、そのため、圧力室46Aの吐出口プレート側の内角は鈍角となる。このとき液体吐出ヘッドの圧力室46Aは、以下の2式を満たす構成である。
[Example 2]
FIG. 4A is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the present embodiment, and shows one pressure chamber 46A for simplification of the drawings. Here, the width of the pressure chamber 46A on the diaphragm 41 side in the lateral direction is W d , the width of the pressure chamber 46A on the discharge port plate 43 side in the lateral direction is W s, and the thickness of the substrate 45 is T w. Let θ be the outer angle formed by the discharge port plate 43 and the side wall surface 47A of the pressure chamber 46A. θ is an acute angle, so that the internal angle of the pressure chamber 46A on the discharge port plate side is an obtuse angle. At this time, the pressure chamber 46A of the liquid discharge head has a configuration that satisfies the following two equations.

>W ・・・(1)、
=(1/2)・(W−W)・tanθ ・・・(2−1)。
W d > W s ... (1),
T w = (1/2) · (W d −W s ) · tan θ ··· (2-1).

なお、基板45として(100)Si基板を用いた場合、側壁面47Aは{111}面となることから、θは約55度に規定される。基板45の厚さTを、例えば60μmとすると、W−Wはおおよそ170μmとなる。本発明はこれに限定されることなく他の値であっても良い。圧力室46Aの短手方向の断面形状は、基板45に形成された側壁面47Aと振動板41と吐出口プレート43によって囲まれた略台形である。 When a (100) Si substrate is used as the substrate 45, the side wall surface 47A is a {111} surface, so θ is defined as about 55 degrees. Assuming that the thickness T w of the substrate 45 is, for example, 60 μm, W d− W s is approximately 170 μm. The present invention is not limited to this, and other values may be used. The cross-sectional shape of the pressure chamber 46A in the lateral direction is a substantially trapezoidal shape surrounded by the side wall surface 47A formed on the substrate 45, the diaphragm 41, and the discharge port plate 43.

一方、実施形態例1で説明したように、圧力室の短手方向の断面形状が、内角が全て鈍角となる六角形等の場合、循環液体の流路抵抗を減らすことができる。本実施形態でも図4(b)に示すように、内角が全て鈍角となる六角形の圧力室46Bとすることができ、その場合、振動板41側の短手方向の幅Wが図4(a)の場合より狭くなる。したがって、基板45の厚さTと圧力室46Bの振動板側の幅Wと吐出口プレート側の幅Wは、以下の2式を満たす構成となる。 On the other hand, as described in the first embodiment, when the cross-sectional shape of the pressure chamber in the lateral direction is a hexagon having all obtuse internal angles, the flow path resistance of the circulating liquid can be reduced. As shown in FIG. 4 (b) In the present embodiment, can be a pressure chamber 46B of the hexagonal internal angles are all obtuse, in which case, the width W d of the short side direction of the diaphragm 41 side 4 It is narrower than in the case of (a). Therefore, the thickness T w of the substrate 45, the width W d of the pressure chamber 46B on the diaphragm side, and the width W s on the discharge port plate side satisfy the following two equations.

>W ・・・(1)、
>(1/2)・(W−W)・tanθ ・・・(2−2)。
W d > W s ... (1),
T w > (1/2) ・ (W d −W s ) ・ tan θ ・ ・ ・ (2-2).

以上に述べた様に、本実施形態例の液体吐出ヘッドは、圧力室の短手方向の断面形状が、以下の式(1)及び(2)を満たす構成である。ここで、Wは振動板側の圧力室の短手方向の幅、Wは吐出口プレート側の圧力室の短手方向の幅、Tは圧力室の壁面を構成する基板の厚さ、θはノズル孔プレートと圧力室の側壁面とのなす外角の角度をそれぞれ表す。 As described above, the liquid discharge head of the present embodiment has a configuration in which the cross-sectional shape of the pressure chamber in the lateral direction satisfies the following equations (1) and (2). Here, W d is the width of the pressure chamber on the vibrating plate side in the lateral direction, W s is the width of the pressure chamber on the discharge port plate side in the lateral direction, and T w is the thickness of the substrate constituting the wall surface of the pressure chamber. , Θ represent the angles of the outer angles formed by the nozzle hole plate and the side wall surface of the pressure chamber, respectively.

>W ・・・(1)、
≧(1/2)・(W−W)・tanθ ・・・(2)。
W d > W s ... (1),
T w ≧ (1/2) ・ (W d −W s ) ・ tan θ ・ ・ ・ (2).

このように、吐出口プレート43側の圧力室46の短手方向の梁幅を狭くすることで、吐出口プレート43の剛性を向上することが可能になる。本実施形態例では、振動板の圧力室における内壁面は基板の第一の面の延長線上に形成されているが、実施形態例1に示したように振動板の内壁面が基板の第一の面の延長線から離れた構成にも適用できる。 In this way, by narrowing the beam width of the pressure chamber 46 on the discharge port plate 43 side in the lateral direction, the rigidity of the discharge port plate 43 can be improved. In the present embodiment, the inner wall surface of the pressure chamber of the diaphragm is formed on an extension of the first surface of the substrate, but as shown in the first embodiment, the inner wall surface of the diaphragm is the first surface of the substrate. It can also be applied to configurations that are separated from the extension of the surface of.

[実施形態例3]
本実施形態例では、吐出口プレートの厚さと、吐出口周辺の梁幅との関係について説明する。吐出口を形成しない領域では、圧力室に面する吐出口プレートの梁幅Wは、両端が基板で支持されているため、ある程度広い梁幅でも剛性の確保が可能となる。一方、吐出口付近では、吐出口により分断されるため、片持ち梁状態となり、剛性が低くなっている。つまり、片持ち梁の梁幅Wが大きくなると剛性の確保が難しくなる。
他方、吐出口における液体の増粘を抑制するため、圧力室内の液体を循環させる際、吐出口内部の液体を循環液体に拡散させるためには、吐出口の深さを浅くすることが必要となる。つまり、吐出口の深さを規定する吐出口プレートの厚さを薄くすることになる。しかしながら、吐出口プレートの厚さを極端に薄くすれば、吐出口を形成しない領域の剛性も十分得られなくなる。そのため、本発明においては、吐出口プレートの厚さTは4μm以上20μm以下の範囲であることが好ましい。
[Example 3]
In this embodiment, the relationship between the thickness of the discharge port plate and the beam width around the discharge port will be described. In does not form a discharge port area, the beam width W s of the discharge port plate facing the pressure chamber, since both ends are supported by the substrate, it is possible to secure the rigidity to some extent wider beam width. On the other hand, in the vicinity of the discharge port, since it is divided by the discharge port, it is in a cantilever state and the rigidity is low. That is, when the beam width W b of the cantilever becomes large, it becomes difficult to secure the rigidity.
On the other hand, in order to suppress the thickening of the liquid at the discharge port, when circulating the liquid in the pressure chamber, it is necessary to make the depth of the discharge port shallow in order to diffuse the liquid inside the discharge port into the circulating liquid. Become. That is, the thickness of the discharge port plate that defines the depth of the discharge port is reduced. However, if the thickness of the discharge port plate is made extremely thin, the rigidity of the region where the discharge port is not formed cannot be sufficiently obtained. Therefore, in the present invention, it is preferable that the thickness T n of the discharge port plate is 20μm or less in the range of 4 [mu] m.

図5は、本実施形態例に係る構成を説明する液体吐出ヘッドの主要部を示すもので、圧力室の短手方向の模式的断面図である。同図では簡略化のため、1つの圧力室の吐出口周辺のみを示している。その他の構成は、実施形態例1又は2で説明した構成であり、また、部材等については実施形態例1で説明した材料が使用できることから説明を省略する。 FIG. 5 shows a main part of the liquid discharge head for explaining the configuration according to the present embodiment, and is a schematic cross-sectional view of the pressure chamber in the lateral direction. In the figure, for simplification, only the vicinity of the discharge port of one pressure chamber is shown. Other configurations are the configurations described in the first or second embodiment, and the materials described in the first embodiment can be used for the members and the like, and thus the description thereof will be omitted.

図5に示すように、吐出口プレート53の梁幅Wは吐出口54の半径rと片持ち梁の梁幅Wから、以下の式(3A)で表される。
=2(W+r) ・・・(3A)
ここで、梁幅Wは、吐出口プレート53の厚さTの3倍以下であることが剛性を確保する上で重要である。また、吐出口54の大きさ(直径)は、吐出口54内の液体の循環液体への拡散を考慮すると、吐出口プレート53の厚さTの2倍以上、すなわち、吐出口54の半径rは、以下の式(4)
r≧T ・・・(4)
となる。上記式(3A)にW=3T、r=Tを代入すると、
=2(4T)=8T ・・・(3B)
となる。つまり、下記式(3C)を満たせば、一応、剛性が得られると考えられる。
≦8T ・・・(3C)
しかしながら、実際には吐出口形成の位置合わせマージンを片側5μm程度見込むと、Tが最小値の4μmでW≦3Tを満足するには、梁幅Wは以下の式(3)を満足することが好ましい。
≦(5.5T+10) ・・・(3)
As shown in FIG. 5, the beam width W s of the discharge port plate 53 is represented by the following equation (3A) from the radius r of the discharge port 54 and the beam width W b of the cantilever.
W s = 2 (W b + r) ・ ・ ・ (3A)
Here, it is important that the beam width W b is 3 times or less of the thickness Tn of the discharge port plate 53 in order to secure the rigidity. The size of the discharge port 54 (diameter), considering the diffusion of the circulating liquid of the liquid in the discharge port 54, more than twice the thickness T n of the discharge port plate 53, i.e., the radius of the discharge port 54 r is the following equation (4)
r ≧ T n・ ・ ・ (4)
It becomes. Substituting W b = 3T n and r = T n into the above equation (3A),
W s = 2 (4T n ) = 8T n ... (3B)
It becomes. That is, it is considered that rigidity can be obtained for the time being if the following equation (3C) is satisfied.
W s ≤ 8T n ... (3C)
However, when actually expected alignment margin of the discharge port forming about one 5 [mu] m, to T n satisfies W b ≦ 3T n at 4μm minima, the beam width W s following equation (3) It is preferable to be satisfied.
W s ≤ (5.5T n + 10) ・ ・ ・ (3)

ここで、吐出口プレート53の厚さTを4μm、吐出口半径rを4μmとし、圧力室56の短手方向の幅Wが上式(3)から32μm以下である。この場合、吐出口プレート53の厚さT=4μmに対して吐出口プレート53の短手方向の梁幅Wが厚さTの3倍以下となる12μm以下となり、吐出口プレート53の剛性を確保することができる。また、他の寸法例として、吐出口プレート53の厚さTを20μm、吐出口54の半径rを20μmとし、圧力室56の短手方向の幅Wが上式(3)から120μm以下である。この場合、厚さT=20μmに対して梁幅Wは、Tの2倍以下となる40μm以下となり、吐出口プレート53の剛性を確保することができる。 Here, 4 [mu] m thickness T n of the discharge port plate 53, and 4 [mu] m discharge ports radius r, the width W s of the transverse direction of the pressure chamber 56 is equal to or less than 32μm from the above equation (3). In this case, the beam width W b in the lateral direction of the discharge port plate 53 is 12 μm or less, which is 3 times or less of the thickness T n , with respect to the thickness T n = 4 μm of the discharge port plate 53. Rigidity can be ensured. As another example of dimensions, 20 [mu] m thickness T n of the discharge port plate 53, the radius r of the discharge ports 54 and 20 [mu] m, the width W s of the short direction above formula of the pressure chamber 56 (3) from 120μm or less Is. In this case, the beam width W b is 40 μm or less, which is twice or less of T n , with respect to the thickness T n = 20 μm, and the rigidity of the discharge port plate 53 can be ensured.

以上に述べた様に、本実施形態例では、吐出口プレートの厚さをT(μm)、吐出口の半径をr(μm)、吐出口プレート側の圧力室の短手方向の幅W(μm)とするとき、下記式(3)〜(5)を満たすことを特徴とする。 As described above, in the present embodiment, the thickness of the discharge port plate is T n (μm), the radius of the discharge port is r (μm), and the width W of the pressure chamber on the discharge port plate side in the lateral direction. When s (μm) is used, the following equations (3) to (5) are satisfied.

≦(5.5T+10μm) ・・・(3)、
r≧T ・・・(4)、
4μm≦T≦20μm ・・・(5)。
W s ≤ (5.5T n + 10 μm) ・ ・ ・ (3),
r ≧ T n ... (4),
4 μm ≤ T n ≤ 20 μm ... (5).

このため、吐出口プレート53の吐出口54周辺において補強が必要な剛性を決める支配要因である梁幅Wを狭くすることができるので、吐出口プレート53の厚さを薄くしても剛性を確保することが可能になる。更に液体循環を行っても吐出口54内部の液体が循環液体へ十分に拡散するため、吐出口54内部の液体の増粘による吐出不良の発生を抑制して吐出を安定化させることができる。なお、幅Wの下限値は実施形態例1でも説明したように、吐出口の孔径となる2rとなり、その場合、W=0となる。また、本実施形態例は、実施形態例1及び2のいずれの構成にも適用できるものである。 Therefore, it is possible to narrow the beam width W b is a dominant factor determining the stiffness required reinforcement in the peripheral discharge openings 54 of the discharge port plate 53, a thin and even rigid the thickness of the discharge port plate 53 It becomes possible to secure. Further, even if the liquid is circulated, the liquid inside the discharge port 54 is sufficiently diffused into the circulating liquid, so that it is possible to suppress the occurrence of discharge failure due to the thickening of the liquid inside the discharge port 54 and stabilize the discharge. As described in the first embodiment, the lower limit of the width W s is 2r, which is the hole diameter of the discharge port, and in that case, W b = 0. Further, the present embodiment can be applied to any of the configurations of the first and second embodiments.

[製造方法の実施形態例]
以下に、本発明に係る液体吐出ヘッドの製造方法の実施形態例を示す。本発明に係る液体吐出ヘッドでは、圧力室は、振動板を第一の面に、吐出口プレートを第一の面と対向する第二の面に有する基板に形成した、基板の面方向の断面が矩形の貫通孔で構成される。そして本発明のいずれの実施形態例に係る液体吐出ヘッドの製造方法も、以下の点で、実施形態例1に示した製造方法(製造例1)を含めて共通する。すなわち、前記貫通孔の前記第一の面側の短手方向の開口幅をW、前記第二の面側の短手方向の開口幅をWとするとき、W>Wとなるように前記基板に前記貫通孔を形成する工程を有する。なお、以下の説明において、製造例1と共通する部材について説明を省略する。
[Example of Manufacturing Method]
An example of an embodiment of the method for manufacturing a liquid discharge head according to the present invention is shown below. In the liquid discharge head according to the present invention, the pressure chamber is formed on a substrate having a diaphragm on the first surface and a discharge port plate on the second surface facing the first surface, and has a cross section in the surface direction of the substrate. Is composed of a rectangular through hole. The method for manufacturing the liquid discharge head according to any of the embodiments of the present invention is common to the manufacturing method (manufacturing example 1) shown in the first embodiment in the following points. That is, when the opening width of the through hole in the lateral side on the first surface side is W d and the opening width in the lateral direction on the second surface side is W s , W d > W s. As described above, the substrate has a step of forming the through hole. In the following description, the description of the members common to Production Example 1 will be omitted.

(製造例2)
図6は、本発明の一実施形態例に係る液体吐出ヘッドの製造方法を示す工程図であり、圧力室616の短手方向の断面を示している。図6(a)は、圧力を発生させるための基板(以下、圧力発生基板という)625を準備する工程である。圧力発生基板625には、振動板611上の圧電素子612を格納する圧力室空間(キャビティ)626が形成されている。すなわち、キャビティ626を形成した基板625に、圧電素子612を形成した振動板611を貼り合わせることで圧力発生基板を形成することができる。
(Manufacturing Example 2)
FIG. 6 is a process diagram showing a method of manufacturing a liquid discharge head according to an embodiment of the present invention, and shows a cross section of the pressure chamber 616 in the lateral direction. FIG. 6A is a step of preparing a substrate for generating pressure (hereinafter referred to as a pressure generating substrate) 625. The pressure generating substrate 625 is formed with a pressure chamber space (cavity) 626 for accommodating the piezoelectric element 612 on the diaphragm 611. That is, the pressure generating substrate can be formed by attaching the diaphragm 611 on which the piezoelectric element 612 is formed to the substrate 625 on which the cavity 626 is formed.

次に、図6(b)は、圧力室616となる貫通孔が形成された基板615を準備する工程である。基板615は、例えば(100)Si基板からなり、圧力室616の短手方向が<110>軸に平行になるように形成されている。圧力室616の短手方向の断面は、結晶異方性エッチングによって{111}面が側壁となっている。また、圧力室616の短手方向の断面形状は、W>Wを満たす構成である。Wは、後の工程で貼り合わせる振動板611側(第一の面)の圧力室616の短手方向の幅を、Wは、後の工程で形成される吐出口プレート613側(第二の面)の圧力室616の短手方向の幅を示す。圧力室616の短手方向の断面形状は、例えば、内角が全て鈍角の略6角形に形成されている。なお、圧力室616の長手方向の断面は、短手方向の断面と同じ{111}面が側壁となっている。基板615は(100)Si基板に限定されず、感光性を有する樹脂基板であっても良く、圧力室616の短手方向の断面形状はW>Wを満たす構成であれば、略6角形に限定されない。本製造例では、振動板611の圧力室616における内壁面が基板615の第一の面の延長線上となる構造が形成できる。 Next, FIG. 6B is a step of preparing a substrate 615 on which a through hole serving as a pressure chamber 616 is formed. The substrate 615 is made of, for example, a (100) Si substrate, and is formed so that the lateral direction of the pressure chamber 616 is parallel to the <110> axis. The cross section of the pressure chamber 616 in the lateral direction has a {111} plane as a side wall due to crystal anisotropic etching. Further, the cross-sectional shape of the pressure chamber 616 in the lateral direction is configured to satisfy W d > W s. W d is the width of the pressure chamber 616 on the diaphragm 611 side (first surface) to be bonded in a later process in the lateral direction, and W s is the width of the discharge port plate 613 side (first surface) formed in a later process. The width of the pressure chamber 616 of the second side) in the lateral direction is shown. The cross-sectional shape of the pressure chamber 616 in the lateral direction is, for example, formed into a substantially hexagon whose internal angles are all obtuse angles. The cross section of the pressure chamber 616 in the longitudinal direction has the same {111} plane as the cross section in the lateral direction as the side wall. The substrate 615 is not limited to the (100) Si substrate, and may be a photosensitive resin substrate, and the cross-sectional shape of the pressure chamber 616 in the lateral direction is approximately 6 as long as it has a configuration satisfying W d > W s. It is not limited to a square shape. In this production example, a structure can be formed in which the inner wall surface of the pressure chamber 616 of the diaphragm 611 is an extension of the first surface of the substrate 615.

図6(c)は、圧力発生基板625を基板615の第一の面に貼り合わせる工程である。この工程では、両基板に形成した位置合わせマーク(不図示)を利用して、圧力発生基板625の圧電素子612の長手方向の中心軸と中心が圧力室616の上面の長手方向の中心軸と中心と一致するように位置合わせして基板貼り合わせを行う。基板貼り合わせ工程は、基板貼り合わせ面を例えばプラズマ等で表面活性化処理した後に接合する表面活性化接合を用いて行っても良く、接着材を用いて貼り合わせを行っても良い。 FIG. 6C is a step of attaching the pressure generating substrate 625 to the first surface of the substrate 615. In this step, using the alignment marks (not shown) formed on both substrates, the central axis in the longitudinal direction of the piezoelectric element 612 of the pressure generating substrate 625 and the center are the central axes in the longitudinal direction of the upper surface of the pressure chamber 616. The boards are bonded by aligning them so that they match the center. The substrate bonding step may be performed by using surface-activated bonding in which the substrate bonding surface is surface-activated by, for example, plasma or the like, and then bonded, or bonding may be performed using an adhesive.

次に、図6(d)は、基板615の第二の面に、吐出口614を有する吐出口プレート613を形成する。吐出口は製造例1と同様に、感光性ドライフィルムを吐出口プレート材として用い、基板615の第二の面に感光性ドライフィルムを貼り合わせた後、フォトリソグラフィ法により吐出口614を形成することができる。また、予め吐出口614を形成した吐出口プレート613を貼り合わせても良い。
また、基板615の第二の面に、吐出口614を有する吐出口プレート613を形成した後、圧力発生基板625を基板615の第一の面に貼り合わせても良い。
Next, FIG. 6D forms a discharge port plate 613 having a discharge port 614 on the second surface of the substrate 615. As in Production Example 1, a photosensitive dry film is used as the discharge port plate material for the discharge port, and after the photosensitive dry film is attached to the second surface of the substrate 615, the discharge port 614 is formed by a photolithography method. be able to. Further, the discharge port plate 613 having the discharge port 614 formed in advance may be attached.
Further, after forming the discharge port plate 613 having the discharge port 614 on the second surface of the substrate 615, the pressure generating substrate 625 may be attached to the first surface of the substrate 615.

本発明に係る液体吐出ヘッドは、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサなどの装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に搭載可能である。そして、この液体吐出ヘッドを搭載した装置を用いることによって、紙、糸、繊維、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックなどの種々の被記録体に記録を行うことができる。また、バイオチップ製造や電子回路印刷用途の液体を吐出するためのヘッドとして適用できる。なかでも、本発明に係る液体吐出ヘッドは、水系インクなどを用いたインクジェットヘッド等として好適である。 The liquid discharge head according to the present invention can be mounted on a device such as a printer, a copying machine, a facsimile having a communication system, a word processor having a printer unit, and an industrial recording device complexly combined with various processing devices. Then, by using the device equipped with this liquid discharge head, recording can be performed on various recorded objects such as paper, thread, fiber, leather, metal, plastic, glass, wood, and ceramic. It can also be applied as a head for discharging liquids for biochip manufacturing and electronic circuit printing. Among them, the liquid ejection head according to the present invention is suitable as an inkjet head or the like using water-based ink or the like.

10:液体吐出ヘッド
11:振動板
12:圧電素子
13:吐出口プレート
14:吐出口
15:圧力室を有する基板
16:圧力室
17:圧力室内壁
10: Liquid discharge head 11: Diaphragm 12: Piezoelectric element 13: Discharge port plate 14: Discharge port 15: Substrate having a pressure chamber 16: Pressure chamber 17: Pressure chamber wall

Claims (8)

振動板と、吐出口プレートに囲まれた圧力室を有し、前記振動板の前記圧力室と対向する面上に形成された圧電体を含む圧電素子による前記振動板の撓みを利用して前記圧力室内の液体を前記吐出口プレートの吐出口から吐出する液体吐出ヘッドであって、
前記圧力室の短手方向の内壁と前記振動板との接触部での前記内壁と前記短手方向とのなす内角が鈍角であり、
前記圧力室の短手方向の内壁と前記吐出口プレートとの接触部での前記内壁と前記短手方向とのなす内角が鈍角であり、
前記振動板側の圧力室の短手方向の幅をW、前記吐出口プレート側の圧力室の短手方向の幅Wとするとき、下記式(1)を満た
>W ・・・(1)
前記吐出口プレートの厚さをT (μm)、吐出口の半径をr(μm)、前記吐出口プレート側の圧力室の短手方向の幅をW (μm)とするとき、下記式(3)〜(5)を満たすことを特徴とする液体吐出ヘッド:
≦(5.5T +10μm) ・・・(3)、
r≧T ・・・(4)、
4μm≦T ≦20μm ・・・(5)。
The diaphragm has a pressure chamber surrounded by a diaphragm and a discharge port plate, and the deflection of the diaphragm by a piezoelectric element including a piezoelectric body formed on a surface of the diaphragm facing the pressure chamber is utilized. A liquid discharge head that discharges the liquid in the pressure chamber from the discharge port of the discharge port plate.
The inner angle formed by the inner wall in the lateral direction and the inner wall in the lateral direction at the contact portion between the inner wall in the lateral direction of the pressure chamber and the diaphragm is an obtuse angle.
The inner angle formed by the inner wall in the lateral direction and the inner wall in the lateral direction at the contact portion between the inner wall in the lateral direction of the pressure chamber and the discharge port plate is an obtuse angle.
The width W d of the lateral direction of the pressure chamber of the diaphragm-side, when the width W s of the transverse direction of the pressure chamber of the discharge port plate side, meets the following formula (1):
W d > W s ... (1) ,
The thickness T n of the discharge port plate ([mu] m), the radius of the discharge port r (μm), the lateral direction of the width of the pressure chamber of the discharge port plate side when the W s (μm), the following formula Liquid discharge head characterized by satisfying (3) to (5):
W s ≤ (5.5T n + 10 μm) ・ ・ ・ (3),
r ≧ T n ... (4),
4 μm ≤ T n ≤ 20 μm ... (5).
振動板と、吐出口プレートに囲まれた圧力室を有し、前記振動板の前記圧力室と対向する面上に形成された圧電体を含む圧電素子による前記振動板の撓みを利用して前記圧力室内の液体を前記吐出口プレートの吐出口から吐出する液体吐出ヘッドであって、
前記圧力室は、前記圧力室の側壁を構成する基板に貫通孔として形成されており、
前記振動板側の圧力室の短手方向の幅をW、前記吐出口プレート側の圧力室の短手方向の幅をW、前記基板の厚さをTとし、前記短手方向と前記圧力室の側壁面のなす外角の角度をθとするとき、下記式(1)及び(2)を満た
>W ・・・(1)、
≧(1/2)・(W−W)・tanθ ・・・(2)
前記吐出口プレートの厚さをT (μm)、吐出口の半径をr(μm)、前記吐出口プレート側の圧力室の短手方向の幅をW (μm)とするとき、下記式(3)〜(5)を満たすことを特徴とする液体吐出ヘッド:
≦(5.5T +10μm) ・・・(3)、
r≧T ・・・(4)、
4μm≦T ≦20μm ・・・(5)。
The diaphragm has a pressure chamber surrounded by a diaphragm and a discharge port plate, and the deflection of the diaphragm by a piezoelectric element including a piezoelectric body formed on a surface of the diaphragm facing the pressure chamber is utilized. A liquid discharge head that discharges the liquid in the pressure chamber from the discharge port of the discharge port plate.
The pressure chamber is formed as a through hole in a substrate forming a side wall of the pressure chamber.
The width of the pressure chamber on the vibrating plate side in the lateral direction is W d , the width of the pressure chamber on the discharge port plate side in the lateral direction is W s , and the thickness of the substrate is T w. when the angle of the formed exterior angle side wall surface of the pressure chamber and theta, meets the following formula (1) and (2):
W d > W s ... (1),
T w ≧ (1/2) ・ (W d −W s ) ・ tan θ ・ ・ ・ (2) ,
The thickness T n of the discharge port plate ([mu] m), the radius of the discharge port r (μm), the lateral direction of the width of the pressure chamber of the discharge port plate side when the W s (μm), the following formula Liquid discharge head characterized by satisfying (3) to (5):
W s ≤ (5.5T n + 10 μm) ・ ・ ・ (3),
r ≧ T n ... (4),
4 μm ≤ T n ≤ 20 μm ... (5).
前記圧力室は、(100)Si基板に形成された{111}面を壁面とする貫通孔であり、前記圧力室の長手方向と短手方向が前記Si基板の<110>軸に平行であることを特徴とする請求項1または2に記載の液体吐出ヘッド。 The pressure chamber is a through hole having a {111} surface formed on the (100) Si substrate as a wall surface, and the longitudinal direction and the lateral direction of the pressure chamber are parallel to the <110> axis of the Si substrate. The liquid discharge head according to claim 1 or 2. 前記振動板は、前記(100)Si基板の一つ面上に連続して形成され、前記圧力室において、前記(100)Si基板の一つ面の延長線から離れた内壁面を有することを特徴とする請求項に記載の液体吐出ヘッド。 The diaphragm is continuously formed on one surface of the (100) Si substrate, and has an inner wall surface separated from an extension line of one surface of the (100) Si substrate in the pressure chamber. The liquid discharge head according to claim 3. 前記圧力室内に液体を供給する供給路と、前記圧力室から液体を回収する回収路を有することを特徴とする請求項1乃至の何れか1項に記載の液体吐出ヘッド。 The liquid discharge head according to any one of claims 1 to 4 , further comprising a supply path for supplying the liquid into the pressure chamber and a recovery path for recovering the liquid from the pressure chamber. 振動板と、吐出口プレートに囲まれた圧力室を有し、前記振動板の前記圧力室と対向する面上に形成された圧電体を含む圧電素子による前記振動板の撓みを利用して前記圧力室内の液体を前記吐出口プレートの吐出口から吐出する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
前記圧力室が、前記振動板を第一の面に、前記吐出口プレートを前記第一の面と対向する第二の面に有する基板に形成した、前記基板の面方向の断面が矩形の貫通孔であって、
前記貫通孔の、前記第一の面側の短手方向の開口幅をW、前記第二の面側の短手方向の開口幅をWとするとき、W>Wとなるように前記基板に前記貫通孔を形成する工程を有し、
前記基板は、(100)面に面方位を有するSi基板であって、
前記Si基板の第一の面に、短辺と長辺を有する矩形パターンであって、前記Si基板の<110>軸に前記短辺が平行となる犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層の上を含む前記Si基板の上に振動板を成膜する工程と、
前記振動板の前記Si基板の第一の面と対向する面上に圧電体を含む圧電素子を形成する工程と、
前記Si基板の前記第一の面と対向する第二の面に保護膜を成膜し、前記犠牲層の長手方向の中心軸と一致する中心軸を有し、前記犠牲層の短手方向の幅よりも狭い短手方向を有する溝パターンを前記保護膜に形成する工程と、
前記第二の面から、前記保護膜の溝パターンの内側に前記犠牲層に向かう基板穿孔を形成する工程と、
前記基板穿孔から前記犠牲層を除去して、前記Si基板の第一の面に空間を形成する工程と、
前記基板穿孔及び前記空間にエッチャントを導入し、前記振動板と前記保護膜をマスクに結晶異方性エッチングによって前記Si基板に短手方向の側壁が{111}面からなる前記貫通孔を形成する工程と、
前記Si基板の第二の面に吐出口プレートを形成する工程と、を含むことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
The diaphragm has a pressure chamber surrounded by a diaphragm and a discharge port plate, and the deflection of the diaphragm by a piezoelectric element including a piezoelectric body formed on a surface of the diaphragm facing the pressure chamber is utilized. A method for manufacturing a liquid discharge head that discharges a liquid in a pressure chamber from a discharge port of the discharge port plate.
The pressure chamber is formed on a substrate having the diaphragm on the first surface and the discharge port plate on the second surface facing the first surface, and the cross section of the substrate in the surface direction is rectangular. It ’s a hole,
When the opening width of the through hole in the lateral direction on the first surface side is W d and the opening width in the lateral direction on the second surface side is W s , W d > W s. the step of forming the through hole in the substrate possess a,
The substrate is a Si substrate having a plane orientation on the (100) plane.
A step of forming a sacrificial layer having a rectangular pattern having a short side and a long side on the first surface of the Si substrate and having the short side parallel to the <110> axis of the Si substrate.
A step of forming a diaphragm on the Si substrate including the sacrificial layer, and
A step of forming a piezoelectric element containing a piezoelectric body on a surface of the diaphragm facing the first surface of the Si substrate, and
A protective film is formed on the second surface of the Si substrate facing the first surface, has a central axis that coincides with the central axis in the longitudinal direction of the sacrificial layer, and has a central axis in the lateral direction of the sacrificial layer. A step of forming a groove pattern having a lateral direction narrower than the width on the protective film, and
A step of forming a substrate perforation from the second surface toward the sacrificial layer inside the groove pattern of the protective film, and
A step of removing the sacrificial layer from the perforation of the substrate to form a space on the first surface of the Si substrate.
An etchant is introduced into the substrate perforation and the space, and the through hole having a side wall in the lateral direction composed of a {111} plane is formed on the Si substrate by crystal anisotropic etching using the diaphragm and the protective film as a mask. Process and
A method for manufacturing a liquid discharge head, which comprises a step of forming a discharge port plate on the second surface of the Si substrate.
前記吐出口プレートを形成する工程は、前記貫通孔を形成した基板の前記第二の面に感光性の吐出口プレート材を貼り合わせる工程と、フォトリソグラフィによって前記吐出口プレート材に吐出口を形成する工程と、を含むことを特徴とする請求項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。 The steps of forming the discharge port plate include a step of attaching a photosensitive discharge port plate material to the second surface of the substrate on which the through hole is formed, and a step of forming a discharge port on the discharge port plate material by photolithography. The method for manufacturing a liquid discharge head according to claim 6 , further comprising a step of making a liquid discharge head. 前記吐出口プレートを形成する工程は、前記貫通孔を形成した基板の前記第二の面に吐出口を有する吐出口プレートを貼り合わせる工程を含むことを特徴とする請求項6または7に記載の液体吐出ヘッドの製造。 The step according to claim 6 or 7 , wherein the step of forming the discharge port plate includes a step of attaching a discharge port plate having a discharge port to the second surface of the substrate on which the through hole is formed. Manufacture of liquid discharge heads.
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