【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被噴射液を吐出する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特に、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室に供給されたインクを圧電素子又は発熱素子を介して加圧することによって、ノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
前者は圧電素子の端面を振動板に当接させることにより圧力発生室の容積を変化させることができて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
【０００４】
これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。
【０００５】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、特開平５−２８６１３１号公報に見られるように、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案されている。
【０００６】
これによれば圧電素子を振動板に貼付ける作業が不要となって、リソグラフィ法という精密で、かつ簡便な手法で圧電素子を作り付けることができるばかりでなく、圧電素子の厚みを薄くできて高速駆動が可能になるという利点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように圧電素子が圧電材料のスパッタリング等の成膜技術により構成され、その厚さが薄い場合、グリーンシート等により焼成して構成されたものと略同一電圧で駆動すると、圧電素子が薄い分だけ高い電界が印加され、大気中の湿気を吸収した場合には駆動電極間のリーク電流が増加しやすく、ついには絶縁破壊に至るという問題を抱えている。
【０００８】
このような問題を解決するために、圧電素子の駆動を妨げない程度の空間である圧電素子保持部を有する封止基板を流路形成基板に接合することにより、この圧電素子保持部内に圧電素子を封止した構造が提案されている。また、この封止基板を有する構造では、通常、圧電素子保持部と外部とを連通する連通孔が、流路形成基板との接合面とは反対側の面に開口するように封止基板を貫通して設けられている。そして、この連通孔を介して圧電素子保持部内に乾燥流体等を封入し、接着剤等の封止部材でこの連通孔を封止することにより、圧電素子保持部を密封している。具体的には、液状の封止部材を連通孔に滴下し、それを硬化させることによって圧電素子保持部を封止している。
【０００９】
このため、連通孔を封止する際に封止部材が封止基板上に流れ出す虞があるため、製造効率が低下してしまうという問題がある。例えば、封止基板上に圧電素子を駆動するための駆動ＩＣ等を搭載する場合、封止基板上に形成されている配線上に封止部材が流れ出してしまうと、接続不良等が発生してしまう。そして、従来では、このような接続不良を防止するために、封止基板上に駆動ＩＣ等を搭載してワイヤボンディング等による各圧電素子との接続を行った後に、連通孔の封止を行っていたため、作業効率が著しく低いという問題がある。
【００１０】
また、このような問題は、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドだけでなく、勿論、インク以外の液体を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても、同様に存在する。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑み、圧電素子を容易且つ確実に封止できると共に作業効率を向上することのできる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子と、前記流路形成基板の前記圧電素子側に接合されて当該圧電素子の運動を阻害しない程度の空間を確保する圧電素子保持部を有する封止基板とを具備する液体噴射ヘッドにおいて、前記圧電素子保持部と外部とを連通する連通路の少なくとも一部を構成する貫通孔が前記流路形成基板を貫通して設けられ、該連通路に樹脂からなる封止部材が充填されて前記圧電素子保持部が密封されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１３】
かかる第１の態様では、圧電素子を圧電素子保持部内に比較的容易に密封することができ、外部環境に起因する圧電素子の動作不良を防止した液体噴射ヘッドを実現できる。また、連通路を比較的大きく形成することができるため、封止部材が連通路から流れ出す虞がなく、製造効率を著しく向上することができる。
【００１４】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記貫通孔の前記封止基板側の少なくとも一部が他の領域よりも流路面積の狭い狭隘部となっていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１５】
かかる第２の態様では、封止部材によって狭隘部を封止することにより、比較的容易に圧電素子保持部を密封することができる。
【００１６】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記貫通孔が、前記流路形成基板の前記封止基板との接合面に対向する領域に設けられると共に当該封止基板の接合面には前記貫通孔と連通して前記連通路の一部を構成する連通溝が設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１７】
かかる第３の態様では、連通溝の形状及び長さを調整することにより、封止部材が圧電素子保持部内に引き込まれるのを防止できる。
【００１８】
本発明の第４の態様は、第３の態様において、前記連通溝は、前記封止基板と前記流路形成基板との接合面内で蛇行していることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１９】
かかる第４の態様では、連通溝の長さを比較的長くすることができ、封止部材が圧電素子保持部内に引き込まれるのを確実に防止できる。
【００２０】
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記貫通孔が、前記圧力発生室に隣接して設けられ液体が吐出されないダミーの圧力発生室であることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００２１】
かかる第５の態様では、貫通孔を比較的容易に形成することができ製造効率が向上すると共に、新たに貫通孔を設ける必要がないため、ヘッドが大型化することがない。
【００２２】
本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様において、前記圧電素子保持部に、乾燥流体が充填されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００２３】
かかる第６の態様では、圧電素子が乾燥流体雰囲気中に保持されるので、外部環境の変化に起因する圧電素子の動作不良が確実に防止される。
【００２４】
本発明の第７の態様は、第６の態様において、前記乾燥流体が、不活性ガスであることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００２５】
かかる第７の態様では、圧電素子が不活性ガス雰囲気下に保持され、外部環境変化から隔離される。
【００２６】
本発明の第８の態様は、第６の態様において、前記乾燥流体が、酸化性ガスを含有することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００２７】
かかる第８の態様では、主に酸化物から形成される圧電体層の劣化が防止される。
【００２８】
本発明の第９の態様は、第１〜８の何れかの態様において、前記圧力発生室がシリコン単結晶基板に異方性エッチングにより形成され、前記圧電素子の各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されたものであることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００２９】
かかる第９の態様では、高密度のノズル開口を有する液体噴射ヘッドを大量に且つ比較的容易に製造することができる。
【００３０】
本発明の第１０の態様は、第１〜９の何れかの態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
【００３１】
かかる第１０の態様では、ヘッドの信頼性を向上した液体噴射装置を実現できる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００３３】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ’断面図であり、図３は、図２のＢ−Ｂ’断面図である。
【００３４】
図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には、異方性エッチングにより形成された複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、圧力発生室１２の長手方向外側には、後述するリザーバ形成基板のリザーバ部と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する連通部１３が形成され、各圧力発生室１２の長手方向一端部とそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。
【００３５】
また、圧力発生室１２の列の外側には、流路形成基板１０を貫通して設けられ後述する封止基板の圧電素子保持部と連通する連通路１５を構成する貫通孔１６が設けられている。例えば、本実施形態では、圧力発生室１２の列の端部に、インクの吐出に使用されないダミーの圧力発生室１２ａが設けられており、このダミーの圧力発生室１２ａが連通路１５を構成する貫通孔１６を兼ねている。
【００３６】
また、この流路形成基板１０の一方の面は開口面となり、他方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。この弾性膜５０の貫通孔１６（ダミーの圧力発生室１２ａ）に対向する領域には、弾性膜５０を貫通して設けられて貫通孔１６と後述する圧電素子保持部とを連通する連通孔５１が形成されている。すなわち、この連通孔５１と貫通孔１６とで連通路１５が構成されている。
【００３７】
ここで、異方性エッチングは、シリコン単結晶基板のエッチングレートの違いを利用して行われる。例えば、本実施形態では、シリコン単結晶基板をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度をなし且つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現し、（１１０）面のエッチングレートと比較して（１１１）面のエッチングレートが約１／１８０であるという性質を利用して行われる。かかる異方性エッチングにより、二つの第１の（１１１）面と斜めの二つの第２の（１１１）面とで形成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行うことができ、圧力発生室１２を高密度に配列することができる。
【００３８】
本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で形成している。この圧力発生室１２は、流路形成基板１０をほぼ貫通して弾性膜５０に達するまでエッチングすることにより形成されている。ここで、弾性膜５０は、シリコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵される量がきわめて小さい。また各圧力発生室１２の一端に連通する各インク供給路１４は、圧力発生室１２より浅く形成されており、圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。すなわち、インク供給路１４は、シリコン単結晶基板を厚さ方向に途中までエッチング（ハーフエッチング）することにより形成されている。なお、ハーフエッチングは、エッチング時間の調整により行われる。
【００３９】
なお、このような圧力発生室１２等が形成される流路形成基板１０の厚さは、圧力発生室１２を配設する密度に合わせて最適な厚さを選択することが好ましい。例えば、１インチ当たり１８０個（１８０ｄｐｉ）程度に圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１８０〜２８０μｍ程度、より望ましくは、２２０μｍ程度とするのが好適である。また、例えば、３６０ｄｐｉ程度と比較的高密度に圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１００μｍ以下とするのが好ましい。これは、隣接する圧力発生室１２間の隔壁の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。
【００４０】
また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。なお、ノズルプレート２０は、厚さが例えば、０．１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０−６／℃］であるガラスセラミックス、又は不錆鋼などからなる。ノズルプレート２０は、一方の面で流路形成基板１０の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。また、ノズルプレート２０は、流路形成基板１０と熱膨張係数が略同一の材料で形成するようにしてもよい。この場合には、流路形成基板１０とノズルプレート２０との熱による変形が略同一となるため、熱硬化性の接着剤等を用いて容易に接合することができる。
【００４１】
ここで、インク滴吐出圧力をインクに与える圧力発生室１２の大きさと、インク滴を吐出するノズル開口２１の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出スピード、吐出周波数に応じて最適化される。例えば、１インチ当たり３６０個のインク滴を記録する場合、ノズル開口２１は数十μｍの直径で精度よく形成する必要がある。
【００４２】
一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側の弾性膜５０の上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．１μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜６０は圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動ＩＣや配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。
【００４３】
なお、圧電素子３００の上電極膜８０の長手方向一端部近傍には、圧力発生室１２の周壁に対向する領域に延設されるリード電極９０が接続され、その先端部は後述する封止基板の外側に位置している。
【００４４】
また、流路形成基板１０の圧電素子３００側には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態でその空間を密封可能な圧電素子保持部３１を有する封止基板３０が接着されている。また、流路形成基板１０の連通部１３に対応する部分には、この連通部１３と連通してリザーバ１００を形成するリザーバ部３２が設けられている。
【００４５】
このような封止基板３０としては、例えば、ガラス、セラミック材料等の流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
【００４６】
また、この封止基板３０の圧電素子保持部３１は、流路形成基板１０に設けられた貫通孔１６と弾性膜５０に設けられた連通孔５１とで構成される連通路１５を介して外部と連通されている。そして、例えば、不活性ガス等の乾燥流体１１０が、連通路１５を介して圧電素子保持部３１内に充填され、この連通路１５に樹脂材料等からなる封止部材１２０を充填して封止することにより、圧電素子保持部３１が密封されている。
【００４７】
なお、乾燥流体としては、不活性ガスの他、還元性ガスを用いることもできるが、逆に、酸化性ガスを含有させることにより、圧電体層の劣化を防止する環境を形成することができる。また、このような不活性ガスを用いる場合には、その中に含まれる水の蒸気圧（分圧）をできるだけ低くするのが望ましい。
【００４８】
また、この封止基板３０上には、圧電素子３００を駆動するための、例えば、回路基板あるいは駆動回路を含む半導体集積回路（ＩＣ）等の駆動回路１３０が搭載され、図示しないが、ワイヤボンディング等によって圧電素子３００から延設されたリード電極９０の先端部と電気的に接続されている。
【００４９】
また、封止基板３０のリザーバ１００に対向する領域には、封止膜４１及び固定板４２からなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３２の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のリザーバ１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバ１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。
【００５０】
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、リザーバ１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。
【００５１】
以上説明した本実施形態の構成では、乾燥流体１１０が充填された圧電素子保持部３１内に圧電素子３００が封止されるため、圧電素子３００の外部環境に起因する動作不良を防止することができる。また、流路形成基板１０側に圧電素子保持部３１と外部とを連通する連通路１５を設けるようにしたので、連通路１５を比較的大きく形成することができ、封止部材１２０が連通路１５から流れ出すことがない。したがって、連通路１５を比較的容易に封止して圧電素子保持部３１を確実に密封することができる。また、詳しくは後述するが、流路形成基板１０とノズルプレート２０とを接合する前に連通路１５を封止すればよいため、製造効率が著しく向上する。
【００５２】
以下、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法の一例について、図４〜図６を参照して説明する。図４〜図６は、圧力発生室１２の幅方向の一部を示す断面図である。
【００５３】
まず、図４（ａ）に示すように、流路形成基板１０となるシリコン単結晶基板のウェハを約１１００℃の拡散炉で熱酸化して二酸化シリコンからなる弾性膜５０を形成する。
【００５４】
次に、図４（ｂ）に示すように、スパッタリング法で下電極膜６０を弾性膜５０の全面に形成後、下電極膜６０を所定形状にパターニングする。この下電極膜６０の材料としては、白金（Ｐｔ）等が好適である。これは、スパッタリング法やゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体層７０は、成膜後に大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で６００〜１０００℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があるからである。すなわち、下電極膜６０の材料は、このような高温、酸素雰囲気下で導電性を保持できなければならず、殊に、圧電体層７０としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化が少ないことが望ましく、これらの理由から白金が好適である。
【００５５】
次に、図４（ｃ）に示すように、圧電体層７０を成膜する。この圧電体層７０は、結晶が配向していることが好ましい。例えば、本実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成することにより、結晶が配向している圧電体層７０とした。圧電体層７０の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛系の材料がインクジェット式記録ヘッドに使用する場合には好適である。なお、この圧電体層７０の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリング法で形成してもよい。
【００５６】
さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング法等によりチタン酸ジルコン酸鉛の前駆体膜を形成後、アルカリ水溶液中での高圧処理法にて低温で結晶成長させる方法を用いてもよい。
【００５７】
何れにしても、このように成膜された圧電体層７０は、バルクの圧電体とは異なり結晶が優先配向しており、且つ本実施形態では、圧電体層７０は、結晶が柱状に形成されている。なお、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。また、結晶が柱状の薄膜とは、略円柱体の結晶が中心軸を厚さ方向に略一致させた状態で面方向に亘って集合して薄膜を形成している状態をいう。勿論、優先配向した粒状の結晶で形成された薄膜であってもよい。なお、このように薄膜工程で製造された圧電体層の厚さは、一般的に０．２〜５μｍである。
【００５８】
次に、図４（ｄ）に示すように、上電極膜８０を成膜する。上電極膜８０は、導電性の高い材料であればよく、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態では、白金をスパッタリングにより成膜している。
【００５９】
次に、図５（ａ）に示すように、圧電体層７０及び上電極膜８０のみをエッチングして圧電素子３００のパターニングを行う。
【００６０】
次に、図５（ｂ）に示すように、リード電極９０を形成する。具体的には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０を流路形成基板１０の全面に亘って形成すると共に、各圧電素子３００毎にパターニングする。
【００６１】
以上が膜形成プロセスである。このようにして膜形成を行った後、前述したアルカリ溶液によるシリコン単結晶基板の異方性エッチングを行い、図５（ｃ）に示すように、圧力発生室１２及びダミーの圧力発生室１２ａ等を形成する。また、弾性膜５０及び下電極膜６０を機械的、あるいはエッチング等によって除去して連通孔５１を形成する。
【００６２】
次に、図５（ｄ）に示すように、流路形成基板１０と封止基板３０とを接着剤等によって接合する。
【００６３】
次いで、図６（ａ）に示すように、連通路１５を介して圧電素子保持部３１内に乾燥流体１１０を充填すると共に、連通路１５を封止部材１２０によって封止することにより圧電素子保持部３１を密封する。
【００６４】
具体的には、ヘッドを所定の乾燥流体１１０が充填された密封空間内に配置しその空間を減圧し、この密封空間内に乾燥流体１１０を導入して常圧に戻す。これにより、連通路１５を介して乾燥流体１１０が圧電素子保持部３１内に流入して充填される。そして、連通路１５を構成する貫通孔１６内に封止部材１２０となる、例えば、揮発性溶媒で溶解して粘度を下げた未硬化樹脂を滴下し、再び密封空間内を若干減圧する。このとき、圧電素子保持部３１内の乾燥流体１１０の一部は、封止部材（未硬化樹脂）１２０に存在する細孔を介して外部に排出され、圧電素子保持部３１内も減圧される。その後、密封空間内を常圧に戻すことにより、封止部材（未硬化樹脂）１２０の一部が連通孔５１内に引き込まれる。そして、この状態で揮発性溶媒を揮発させることにより、封止部材（未硬化樹脂）１２０が硬化し、圧電素子保持部３１は、乾燥流体１１０が充填された状態で密封される。
【００６５】
なお、封止部材１２０としては、揮発性溶媒を含有する樹脂の他、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等を用いてもよい。
【００６６】
このように圧電素子保持部３１を密封後は、図６（ｂ）に示すように、流路形成基板１０の封止基板３０とは反対側の面にノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０を接合すると共に、封止基板３０上にコンプライアンス基板４０（図示なし）を接合する。さらに、図示しないが、封止基板３０上に圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ等を搭載し、各圧電素子３００のリード電極９０とワイヤボンディング等によって接続することにより、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドが形成される。
【００６７】
このように、本実施形態では流路形成基板１０に圧電素子保持部３１に連通する連通路１５を設け、この連通路１５を介して圧電素子保持部３１内に乾燥流体を導入すると共に連通路１５を封止することで圧電素子保持部３１内を密封するようにしたので、圧電素子保持部を比較的容易且つ確実に密封することできる。例えば、本実施形態では、連通路１５の一部をダミーの圧力発生室１２ａで構成したように、連通路１５を比較的大きく形成できるため、封止部材１２０が連通路１５の外側に流れ出すことがなく、連通路１５を比較的容易に封止することができる。
【００６８】
また、流路形成基板１０とノズルプレート２０とを接合する前に、連通路１５を封止部材１２０によって封止できるため、すなわち、封止基板３０上に駆動ＩＣを搭載する等の実装工程や、駆動ＩＣと圧電素子とを電気的に接続する配線工程の前に連通路１５を封止することができるため、作業効率を著しく向上することができる。
【００６９】
なお、本実施形態では、連通路１５を構成する貫通孔１６（ダミーの圧力発生室１２ａ）が流路形成基板１０を完全に貫通して設けられているが、これに限定されず、例えば、図７に示すように、封止基板３０側の一部に他の領域よりも流路面積の狭い狭隘部１６ａを設けるようにしてもよい。
【００７０】
このような構成では、連通路１５を封止して圧電素子保持部３１を密封する際に、封止部材１２０の圧電素子保持部３１内への過剰な入り込みを防止することができる。
【００７１】
また、本実施形態では、連通路１５が、流路形成基板１０に設けられた貫通孔１６と弾性膜５０に設けられた連通孔５１とで構成されているが、勿論、貫通孔１６に対向する領域の弾性膜５０を除去して、連通路１５が貫通孔１６のみで構成されるようにしてもよい。
【００７２】
（実施形態２）
図８は、実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図及びそのＣ−Ｃ’断面図であり、図９は、封止基板の要部を示す平面図である。
【００７３】
本実施形態は、連通路１５Ａを流路形成基板１０に設けられた貫通孔１６及び弾性膜５０に設けられた連通孔５１と、封止基板３０の流路形成基板１０との接合面に設けられた連通溝３３とで構成するようにした例である。すなわち、図８に示すように、本実施形態では、貫通孔１６及び連通孔５１が流路形成基板１０と封止基板３０とが接合される領域に設けられている。また、封止基板３０の流路形成基板１０との接合面には、この貫通孔１６及び連通孔５１と連通し圧電素子保持部３１に繋がる連通溝３３が形成されている。
【００７４】
このような構成においても、勿論、実施形態１と同様、圧電素子保持部３１を比較的容易且つ確実に密封できると共に、作業効率を著しく向上することができる。
【００７５】
なお、封止基板３０に設けられる連通溝３３の形状は、特に限定されず、図８に示すように、貫通孔１６と圧電素子保持部３１とを直線的に接続するようにしてもよいが、図９に示すように、流路形成基板１０との接合面内で蛇行させることにより、比較的長い距離を有することが好ましい。これにより、圧電素子保持部３１を封止する際に、封止部材１２０が圧電素子保持部３１内に入り込むのを確実に防止することができる。
【００７６】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。
【００７７】
例えば、上述の実施形態では、圧電素子保持部３１内に乾燥流体を充填するようにしたが、勿論、乾燥流体を充填させずに空気が存在していてもよい。
【００７８】
また、例えば、上述の実施形態では、圧電素子保持部３１と外部とを連通する連通路１５を一つ設けるようにしたが、これに限定されず、勿論、複数個設けるようにしてもよい。
【００７９】
また、例えば、上述の実施形態では、成膜及びリソグラフィプロセスを応用して製造される薄膜型のインクジェット式記録ヘッドを例にしたが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型のインクジェット式記録ヘッドにも本発明を採用することができる。
【００８０】
また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図１０は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
【００８１】
図１０に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
【００８２】
そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８上に搬送されるようになっている。
【００８３】
さらに、上述の実施形態では、液体噴射ヘッドとして、印刷媒体に所定の画像や文字を印刷するインクジェット式記録ヘッドを一例として説明したが、勿論、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機噴射ヘッド等、他の液体噴射ヘッドにも適用することができる。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、圧電素子保持部と外部とを連通する連通路を流路形成基板に設け、この連通路を封止部材によって封止することにより圧電素子保持部を密封するようにしたので、圧電素子保持部を容易且つ確実に密封できると共に、作業効率が著しく向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの概略を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【図４】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図６】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図７】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの変形例を示す断面図である。
【図８】本発明の実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【図９】本発明の実施形態２に係る封止基板の変形例を示す平面図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。
【符号の説明】
１０ 流路形成基板
１２ 圧力発生室
１３ 連通部
１４ インク供給路
１５ 連通路
１６ 貫通孔
２０ ノズルプレート
２１ ノズル開口
３０ 封止基板
３１ 圧電素子保持部
３２ リザーバ部
３３ 連通溝
５０ 弾性膜
６０ 下電極膜
７０ 圧電体層
８０ 上電極膜
９０ リード電極
１００ リザーバ
１１０ 乾燥流体
１２０ 封止部材
３００ 圧電素子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid ejecting head and a liquid ejecting apparatus that eject a liquid to be ejected, and in particular, pressurizes ink supplied to a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening that ejects an ink droplet via a piezoelectric element or a heating element. Accordingly, the present invention relates to an ink jet recording head and an ink jet recording apparatus that eject ink droplets from nozzle openings.
[0002]
[Prior art]
A part of the pressure generating chamber communicating with the nozzle opening for discharging the ink droplet is constituted by a vibrating plate, and the vibrating plate is deformed by a piezoelectric element to pressurize the ink in the pressure generating chamber to discharge the ink droplet from the nozzle opening. Two types of ink jet recording heads have been put into practical use, one using a vertical vibration mode piezoelectric actuator that expands and contracts in the axial direction of a piezoelectric element, and the other using a flexural vibration mode piezoelectric actuator.
[0003]
In the former, the volume of the pressure generating chamber can be changed by bringing the end face of the piezoelectric element into contact with the vibration plate, and a head suitable for high-density printing can be manufactured. There is a problem in that a difficult process of cutting the piezoelectric element into a comb shape in accordance with the pitch and an operation of positioning and fixing the cut piezoelectric element in the pressure generating chamber are required, and the manufacturing process is complicated.
[0004]
On the other hand, in the latter, a piezoelectric element can be formed on a diaphragm by a relatively simple process of sticking a green sheet of a piezoelectric material in accordance with the shape of the pressure generating chamber and firing the green sheet. However, there is a problem that a certain amount of area is required due to the use of, and that high-density arrangement is difficult.
[0005]
On the other hand, in order to solve the latter disadvantage of the recording head, a uniform piezoelectric material layer is formed by a film forming technique over the entire surface of the diaphragm as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-286131. A proposal has been made in which a material layer is cut into a shape corresponding to a pressure generating chamber by a lithography method and a piezoelectric element is formed so as to be independent for each pressure generating chamber.
[0006]
According to this, the work of attaching the piezoelectric element to the diaphragm becomes unnecessary, and not only can the piezoelectric element be manufactured by the precise and simple method of lithography, but also the thickness of the piezoelectric element can be reduced. There is an advantage that high-speed driving becomes possible.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, when the piezoelectric element is formed by a film forming technique such as sputtering of a piezoelectric material, and is thin, when driven at substantially the same voltage as that formed by firing a green sheet or the like, the piezoelectric element becomes thinner. When only a high electric field is applied and moisture in the air is absorbed, there is a problem that a leak current between the drive electrodes is likely to increase, and eventually, dielectric breakdown occurs.
[0008]
In order to solve such a problem, a sealing substrate having a piezoelectric element holding portion, which is a space that does not hinder the driving of the piezoelectric element, is joined to the flow path forming substrate, so that the piezoelectric element is held in the piezoelectric element holding portion. Has been proposed. In addition, in the structure having the sealing substrate, the sealing substrate is usually arranged such that a communication hole for communicating the piezoelectric element holding portion with the outside is opened on a surface opposite to a bonding surface with the flow path forming substrate. It is provided through. Then, a drying fluid or the like is sealed in the piezoelectric element holding portion through the communication hole, and the communication hole is sealed with a sealing member such as an adhesive, thereby sealing the piezoelectric element holding portion. Specifically, the piezoelectric element holding portion is sealed by dropping a liquid sealing member into the communication hole and curing the liquid sealing member.
[0009]
For this reason, there is a possibility that the sealing member may flow onto the sealing substrate when sealing the communication hole, so that there is a problem that manufacturing efficiency is reduced. For example, when a driving IC or the like for driving a piezoelectric element is mounted on a sealing substrate, if a sealing member flows out onto wiring formed on the sealing substrate, a connection failure or the like may occur. I will. Conventionally, in order to prevent such a connection failure, a drive IC or the like is mounted on a sealing substrate and connected to each piezoelectric element by wire bonding or the like, and then the communication hole is sealed. Therefore, there is a problem that work efficiency is extremely low.
[0010]
Such a problem exists not only in an ink jet recording head that ejects ink but also in other liquid ejecting heads that eject liquid other than ink.
[0011]
In view of such circumstances, it is an object of the present invention to provide a liquid ejecting head and a liquid ejecting apparatus that can easily and surely seal a piezoelectric element and improve work efficiency.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
A first aspect of the present invention that solves the above-mentioned problems is a flow path forming substrate in which a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening is formed, and a pressure generating chamber provided on one surface side of the flow path forming substrate. A piezoelectric element for causing a pressure change; and a sealing substrate having a piezoelectric element holding portion that is joined to the piezoelectric element side of the flow path forming substrate and secures a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element. In the liquid ejecting head, a through-hole that constitutes at least a part of a communication path that connects the piezoelectric element holding unit to the outside is provided through the flow path forming substrate, and a sealing member made of resin is provided in the communication path. Is filled, and the piezoelectric element holding portion is sealed.
[0013]
According to the first aspect, the piezoelectric element can be relatively easily sealed in the piezoelectric element holding portion, and a liquid ejecting head in which operation failure of the piezoelectric element due to an external environment is prevented can be realized. Further, since the communication path can be formed relatively large, there is no possibility that the sealing member flows out of the communication path, and the production efficiency can be significantly improved.
[0014]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, at least a part of the through hole on the side of the sealing substrate is a narrow portion having a smaller flow area than other regions. In the liquid jet head.
[0015]
According to the second aspect, the piezoelectric element holding portion can be relatively easily sealed by sealing the narrow portion with the sealing member.
[0016]
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the through-hole is provided in a region facing a bonding surface of the flow path forming substrate with the sealing substrate, and the bonding of the sealing substrate is performed. The liquid ejecting head is characterized in that a communication groove is provided on the surface and communicates with the through hole to form a part of the communication path.
[0017]
In the third aspect, by adjusting the shape and the length of the communication groove, it is possible to prevent the sealing member from being pulled into the piezoelectric element holding portion.
[0018]
A fourth aspect of the present invention is the liquid ejecting head according to the third aspect, wherein the communication groove is meandering in a joining surface between the sealing substrate and the flow path forming substrate. .
[0019]
In the fourth aspect, the length of the communication groove can be made relatively long, and the sealing member can be reliably prevented from being drawn into the piezoelectric element holding portion.
[0020]
According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, the through hole is a dummy pressure generation chamber provided adjacent to the pressure generation chamber and from which liquid is not discharged. Liquid ejecting head.
[0021]
In the fifth aspect, the through holes can be formed relatively easily, and the manufacturing efficiency is improved. In addition, since there is no need to newly provide a through hole, the head does not increase in size.
[0022]
A sixth aspect of the present invention is the liquid ejecting head according to any one of the first to fifth aspects, wherein the piezoelectric element holding portion is filled with a drying fluid.
[0023]
In the sixth aspect, since the piezoelectric element is held in the dry fluid atmosphere, operation failure of the piezoelectric element due to a change in the external environment is reliably prevented.
[0024]
According to a seventh aspect of the present invention, in the liquid ejecting head according to the sixth aspect, the drying fluid is an inert gas.
[0025]
In the seventh aspect, the piezoelectric element is kept under an inert gas atmosphere, and is isolated from external environmental changes.
[0026]
An eighth aspect of the present invention is the liquid jet head according to the sixth aspect, wherein the dry fluid contains an oxidizing gas.
[0027]
In the eighth aspect, deterioration of the piezoelectric layer mainly formed of the oxide is prevented.
[0028]
According to a ninth aspect of the present invention, in any one of the first to eighth aspects, the pressure generation chamber is formed on a silicon single crystal substrate by anisotropic etching, and each layer of the piezoelectric element is formed by film formation and lithography. The liquid ejecting head is characterized by being formed.
[0029]
According to the ninth aspect, a large amount of liquid jet heads having high-density nozzle openings can be manufactured relatively easily.
[0030]
A tenth aspect of the present invention is a liquid ejecting apparatus including the liquid ejecting head according to any one of the first to ninth aspects.
[0031]
In the tenth aspect, a liquid ejecting apparatus with improved head reliability can be realized.
[0032]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
[0033]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an ink jet recording head according to Embodiment 1 of the present invention, FIG. 2 is a plan view of FIG. 1 and a cross-sectional view taken along line AA ′, and FIG. It is BB 'sectional drawing of.
[0034]
As shown in the drawing, the flow path forming substrate 10 is formed of a silicon single crystal substrate having a plane orientation (110) in the present embodiment, and has a plurality of pressure generating chambers 12 formed by anisotropic etching on one surface thereof. Are arranged side by side in the width direction. A communication portion 13 is formed outside the pressure generation chamber 12 in the longitudinal direction, and forms a part of a reservoir that communicates with a reservoir portion of a reservoir forming substrate described later and serves as a common ink chamber of each pressure generation chamber 12. Each of the pressure generating chambers 12 is in communication with one longitudinal end thereof via an ink supply path 14.
[0035]
Outside the row of the pressure generating chambers 12, there are provided through holes 16 which penetrate the flow path forming substrate 10 and constitute a communication path 15 which communicates with a piezoelectric element holding portion of a sealing substrate described later. I have. For example, in the present embodiment, a dummy pressure generating chamber 12a that is not used for discharging ink is provided at an end of the row of the pressure generating chambers 12, and the dummy pressure generating chamber 12a forms the communication path 15. Also serves as a through hole 16.
[0036]
One surface of the flow path forming substrate 10 is an opening surface, and the other surface is formed with an elastic film 50 made of silicon dioxide formed in advance by thermal oxidation and having a thickness of 1 to 2 μm. In a region of the elastic film 50 opposed to the through hole 16 (dummy pressure generating chamber 12a), a communication hole 51 provided through the elastic film 50 to communicate the through hole 16 and a piezoelectric element holding portion described later. Is formed. That is, the communication hole 15 and the through hole 16 form the communication passage 15.
[0037]
Here, the anisotropic etching is performed using the difference in the etching rate of the silicon single crystal substrate. For example, in this embodiment, when a silicon single crystal substrate is immersed in an alkaline solution such as KOH, it is gradually eroded, and the first (111) plane perpendicular to the (110) plane and the first (111) plane And a second (111) plane that forms an angle of about 70 degrees with the (110) plane and forms an angle of about 35 degrees with the (110) plane, and the etching rate of the (111) plane is compared with the etching rate of the (110) plane. The etching is performed using the property that the etching rate is about 1/180. By such anisotropic etching, precision processing can be performed based on depth processing of a parallelogram formed by two first (111) surfaces and two oblique second (111) surfaces. , The pressure generating chambers 12 can be arranged at a high density.
[0038]
In this embodiment, the long side of each pressure generating chamber 12 is formed by the first (111) plane, and the short side is formed by the second (111) plane. The pressure generating chamber 12 is formed by etching until it reaches the elastic film 50 substantially through the flow path forming substrate 10. Here, the amount of the elastic film 50 that is attacked by the alkaline solution for etching the silicon single crystal substrate is extremely small. Each of the ink supply passages 14 communicating with one end of each of the pressure generating chambers 12 is formed shallower than the pressure generating chambers 12 and maintains a constant flow resistance of the ink flowing into the pressure generating chambers 12. That is, the ink supply path 14 is formed by partially etching (half-etching) the silicon single crystal substrate in the thickness direction. Note that the half etching is performed by adjusting the etching time.
[0039]
In addition, it is preferable that the thickness of the flow path forming substrate 10 on which the pressure generating chambers 12 and the like are formed be selected to be optimal according to the density at which the pressure generating chambers 12 are provided. For example, when the pressure generating chambers 12 are arranged at approximately 180 (180 dpi) per inch, the thickness of the flow path forming substrate 10 is preferably approximately 180 to 280 μm, more preferably approximately 220 μm. is there. When the pressure generating chambers 12 are arranged at a relatively high density of, for example, about 360 dpi, the thickness of the flow path forming substrate 10 is preferably set to 100 μm or less. This is because the arrangement density can be increased while maintaining the rigidity of the partition wall between the adjacent pressure generating chambers 12.
[0040]
A nozzle plate 20 having a nozzle opening 21 communicating with the pressure generating chamber 12 on the side opposite to the ink supply path 14 is provided on the opening surface side of the flow path forming substrate 10 with an adhesive, a heat welding film, or the like. Is fixed through. The nozzle plate 20 has a thickness of, for example, 0.1 to 1 mm, a coefficient of linear expansion of 300 ° C. or less, for example, a glass ceramic having a thickness of 2.5 to 4.5 [× 10 −6 / ° C.], or Made of non-rusting steel. One surface of the nozzle plate 20 entirely covers one surface of the flow path forming substrate 10 and also serves as a reinforcing plate for protecting the silicon single crystal substrate from impact and external force. Further, the nozzle plate 20 may be formed of a material having substantially the same thermal expansion coefficient as the flow path forming substrate 10. In this case, since the deformation of the flow path forming substrate 10 and the nozzle plate 20 due to heat become substantially the same, it is possible to easily join them using a thermosetting adhesive or the like.
[0041]
Here, the size of the pressure generating chamber 12 that applies the ink droplet ejection pressure to the ink and the size of the nozzle opening 21 that ejects the ink droplet are optimized according to the amount of the ejected ink droplet, the ejection speed, and the ejection frequency. You. For example, when recording 360 ink droplets per inch, the nozzle openings 21 need to be formed with a diameter of several tens of μm with high accuracy.
[0042]
On the other hand, a lower electrode film 60 having a thickness of, for example, about 0.2 μm and a piezoelectric layer having a thickness of, for example, about 1 μm are formed on the elastic film 50 on the side opposite to the opening surface of the flow path forming substrate 10. 70 and an upper electrode film 80 having a thickness of, for example, about 0.1 μm are laminated to form a piezoelectric element 300 by a process described later. Here, the piezoelectric element 300 refers to a portion including the lower electrode film 60, the piezoelectric layer 70, and the upper electrode film 80. Generally, one of the electrodes of the piezoelectric element 300 is used as a common electrode, and the other electrode and the piezoelectric layer 70 are patterned for each of the pressure generating chambers 12. Here, a portion which is constituted by one of the patterned electrodes and the piezoelectric layer 70 and in which a piezoelectric strain is generated by applying a voltage to both electrodes is referred to as a piezoelectric active portion. In the present embodiment, the lower electrode film 60 is used as a common electrode of the piezoelectric element 300 and the upper electrode film 80 is used as an individual electrode of the piezoelectric element 300. In any case, the piezoelectric active portion is formed for each pressure generating chamber. Further, here, the piezoelectric element 300 and a vibration plate whose displacement is generated by driving the piezoelectric element 300 are collectively referred to as a piezoelectric actuator.
[0043]
In the vicinity of one longitudinal end of the upper electrode film 80 of the piezoelectric element 300, a lead electrode 90 extending to a region opposed to the peripheral wall of the pressure generating chamber 12 is connected, and the distal end is connected to a sealing substrate described later. Is located outside.
[0044]
A sealing substrate 30 having a piezoelectric element holding portion 31 capable of sealing the space while adhering to the piezoelectric element 300 side of the flow path forming substrate 10 in a state where a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 300 is secured. Have been. In addition, at a portion corresponding to the communication portion 13 of the flow path forming substrate 10, a reservoir portion 32 that communicates with the communication portion 13 to form the reservoir 100 is provided.
[0045]
As such a sealing substrate 30, for example, it is preferable to use a material having substantially the same thermal expansion coefficient as that of the flow path forming substrate 10, such as glass or a ceramic material. It was formed using a silicon single crystal substrate of the material.
[0046]
Further, the piezoelectric element holding portion 31 of the sealing substrate 30 is externally connected via a communication passage 15 formed by a through hole 16 provided in the flow path forming substrate 10 and a communication hole 51 provided in the elastic film 50. It is communicated with. Then, for example, a dry fluid 110 such as an inert gas is filled into the piezoelectric element holding portion 31 through the communication path 15, and the communication path 15 is filled with a sealing member 120 made of a resin material or the like for sealing. By doing so, the piezoelectric element holding portion 31 is sealed.
[0047]
In addition, as the drying fluid, a reducing gas can be used in addition to the inert gas. On the contrary, by including an oxidizing gas, an environment for preventing the deterioration of the piezoelectric layer can be formed. . When such an inert gas is used, it is desirable to reduce the vapor pressure (partial pressure) of water contained therein as much as possible.
[0048]
A drive circuit 130 such as a circuit board or a semiconductor integrated circuit (IC) including a drive circuit for driving the piezoelectric element 300 is mounted on the sealing substrate 30. For example, it is electrically connected to the tip of the lead electrode 90 extended from the piezoelectric element 300.
[0049]
Further, a compliance substrate 40 including a sealing film 41 and a fixing plate 42 is joined to a region of the sealing substrate 30 facing the reservoir 100. Here, the sealing film 41 is made of a material having low rigidity and flexibility (for example, a polyphenylene sulfide (PPS) film having a thickness of 6 μm), and one surface of the reservoir portion 32 is sealed by the sealing film 41. Have been. The fixing plate 42 is formed of a hard material such as a metal (for example, stainless steel (SUS) having a thickness of 30 μm). Since a region of the fixing plate 42 facing the reservoir 100 is an opening 43 completely removed in the thickness direction, one surface of the reservoir 100 is sealed only with the sealing film 41 having flexibility. Have been.
[0050]
In such an ink jet recording head of this embodiment, ink is taken in from an external ink supply means (not shown), the inside is filled with ink from the reservoir 100 to the nozzle opening 21, and then pressure is applied in accordance with a recording signal from a drive circuit. By applying a voltage between the lower electrode film 60 and the upper electrode film 80 corresponding to the generation chamber 12 to bend and deform the elastic film 50, the lower electrode film 60, and the piezoelectric layer 70, the pressure generation chambers The pressure inside the nozzle 12 increases and ink droplets are ejected from the nozzle opening 21.
[0051]
In the configuration of the present embodiment described above, since the piezoelectric element 300 is sealed in the piezoelectric element holding portion 31 filled with the drying fluid 110, it is possible to prevent operation failure due to the external environment of the piezoelectric element 300. it can. In addition, since the communication path 15 for communicating the piezoelectric element holding portion 31 with the outside is provided on the flow path forming substrate 10 side, the communication path 15 can be formed relatively large, and the sealing member 120 can be connected to the communication path. Does not flow out of 15. Therefore, the communication path 15 can be sealed relatively easily, and the piezoelectric element holding portion 31 can be reliably sealed. Further, as will be described in detail later, since the communication path 15 may be sealed before joining the flow path forming substrate 10 and the nozzle plate 20, the manufacturing efficiency is significantly improved.
[0052]
Hereinafter, an example of a method of manufacturing the ink jet recording head according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 4 to 6 are cross-sectional views showing a part of the pressure generating chamber 12 in the width direction.
[0053]
First, as shown in FIG. 4A, a silicon single crystal substrate wafer serving as the flow path forming substrate 10 is thermally oxidized in a diffusion furnace at about 1100 ° C. to form an elastic film 50 made of silicon dioxide.
[0054]
Next, as shown in FIG. 4B, after the lower electrode film 60 is formed on the entire surface of the elastic film 50 by a sputtering method, the lower electrode film 60 is patterned into a predetermined shape. Preferable material for the lower electrode film 60 is platinum (Pt) or the like. This is because it is necessary to crystallize a piezoelectric layer 70 described later, which is formed by a sputtering method or a sol-gel method, by firing at a temperature of about 600 to 1000 ° C. in an air atmosphere or an oxygen atmosphere after the film formation. Because. In other words, the material of the lower electrode film 60 must be able to maintain conductivity under such a high temperature and oxygen atmosphere, and particularly when lead zirconate titanate (PZT) is used for the piezoelectric layer 70. It is desirable that the change in conductivity due to the diffusion of lead oxide is small, and for these reasons, platinum is preferred.
[0055]
Next, as shown in FIG. 4C, a piezoelectric layer 70 is formed. This piezoelectric layer 70 preferably has crystals oriented. For example, in the present embodiment, a so-called sol in which a metal organic substance is dissolved and dispersed in a catalyst is applied and dried to form a gel, and then fired at a high temperature to obtain a piezoelectric layer 70 made of a metal oxide, that is, a sol-gel method. To form a piezoelectric layer 70 in which crystals are oriented. As a material for the piezoelectric layer 70, a lead zirconate titanate-based material is suitable when used in an ink jet recording head. The method for forming the piezoelectric layer 70 is not particularly limited, and may be, for example, a sputtering method.
[0056]
Further, a method of forming a precursor film of lead zirconate titanate by a sol-gel method, a sputtering method, or the like, and then performing crystal growth at a low temperature by a high-pressure treatment method in an alkaline aqueous solution may be used.
[0057]
In any case, unlike the bulk piezoelectric, the piezoelectric layer 70 formed in this manner has crystals preferentially oriented, and in the present embodiment, the piezoelectric layer 70 has a columnar crystal. Have been. Note that the preferential orientation refers to a state in which the crystal orientation direction is not disorderly and a specific crystal plane is oriented in a substantially constant direction. Further, a columnar crystal thin film refers to a state in which substantially columnar crystals are gathered in a plane direction with their central axes substantially aligned in the thickness direction to form a thin film. Of course, a thin film formed of preferentially oriented granular crystals may be used. In addition, the thickness of the piezoelectric layer manufactured in the thin film process is generally 0.2 to 5 μm.
[0058]
Next, as shown in FIG. 4D, an upper electrode film 80 is formed. The upper electrode film 80 only needs to be a material having high conductivity, and many metals such as aluminum, gold, nickel, and platinum, and a conductive oxide can be used. In the present embodiment, platinum is formed by sputtering.
[0059]
Next, as shown in FIG. 5A, the piezoelectric element 300 is patterned by etching only the piezoelectric layer 70 and the upper electrode film 80.
[0060]
Next, as shown in FIG. 5B, a lead electrode 90 is formed. Specifically, for example, a lead electrode 90 made of, for example, gold (Au) is formed over the entire surface of the flow path forming substrate 10 and is patterned for each piezoelectric element 300.
[0061]
The above is the film forming process. After forming the film in this manner, the silicon single crystal substrate is subjected to anisotropic etching using the above-described alkaline solution, and as shown in FIG. 5C, the pressure generating chamber 12 and the dummy pressure generating chamber 12a are formed. To form In addition, the communication hole 51 is formed by removing the elastic film 50 and the lower electrode film 60 by mechanical or etching.
[0062]
Next, as shown in FIG. 5D, the flow path forming substrate 10 and the sealing substrate 30 are joined with an adhesive or the like.
[0063]
Next, as shown in FIG. 6A, the piezoelectric element holding portion 31 is filled with the drying fluid 110 through the communication path 15, and the communication path 15 is sealed by the sealing member 120 to hold the piezoelectric element. The part 31 is sealed.
[0064]
Specifically, the head is disposed in a sealed space filled with a predetermined drying fluid 110, the space is decompressed, and the drying fluid 110 is introduced into the sealed space to return to normal pressure. Thereby, the drying fluid 110 flows into the piezoelectric element holding portion 31 through the communication path 15 and is filled therein. Then, for example, an uncured resin that becomes a sealing member 120 and that has been reduced in viscosity by being dissolved with a volatile solvent is dropped into the through hole 16 that forms the communication path 15, and the inside of the sealed space is slightly reduced in pressure again. At this time, a part of the dry fluid 110 in the piezoelectric element holding portion 31 is discharged to the outside through the pores existing in the sealing member (uncured resin) 120, and the pressure in the piezoelectric element holding portion 31 is also reduced. . Then, by returning the pressure in the sealed space to normal pressure, a part of the sealing member (uncured resin) 120 is drawn into the communication hole 51. Then, by volatilizing the volatile solvent in this state, the sealing member (uncured resin) 120 is cured, and the piezoelectric element holding portion 31 is hermetically sealed with the drying fluid 110 filled therein.
[0065]
Note that, as the sealing member 120, a thermoplastic resin, a thermosetting resin, or the like may be used in addition to a resin containing a volatile solvent.
[0066]
After sealing the piezoelectric element holding portion 31 in this manner, as shown in FIG. 6B, a nozzle plate having a nozzle opening 21 formed on the surface of the flow path forming substrate 10 opposite to the sealing substrate 30 is formed. 20 and a compliance substrate 40 (not shown) on the sealing substrate 30. Further, although not shown, a drive IC or the like for driving the piezoelectric elements 300 is mounted on the sealing substrate 30 and connected to the lead electrodes 90 of the respective piezoelectric elements 300 by wire bonding or the like. A type recording head is formed.
[0067]
As described above, in the present embodiment, the communication path 15 communicating with the piezoelectric element holding section 31 is provided in the flow path forming substrate 10, and a drying fluid is introduced into the piezoelectric element holding section 31 through the communication path 15, and the communication path is formed. Since the inside of the piezoelectric element holding portion 31 is sealed by sealing the portion 15, the piezoelectric element holding portion can be sealed relatively easily and reliably. For example, in the present embodiment, since the communication path 15 can be formed relatively large as a part of the communication path 15 is constituted by the dummy pressure generation chamber 12a, the sealing member 120 may flow out of the communication path 15. Therefore, the communication path 15 can be sealed relatively easily.
[0068]
In addition, before the flow path forming substrate 10 and the nozzle plate 20 are joined, the communication path 15 can be sealed by the sealing member 120, that is, a mounting process such as mounting a drive IC on the sealing substrate 30 or the like. Since the communication path 15 can be sealed before the wiring step of electrically connecting the driving IC and the piezoelectric element, the working efficiency can be significantly improved.
[0069]
In the present embodiment, the through holes 16 (dummy pressure generating chambers 12a) forming the communication paths 15 are provided completely through the flow path forming substrate 10, but the present invention is not limited to this. As shown in FIG. 7, a narrow portion 16a having a smaller flow area than other regions may be provided on a part of the sealing substrate 30 side.
[0070]
With such a configuration, when the communication path 15 is sealed to seal the piezoelectric element holding portion 31, excessive entry of the sealing member 120 into the piezoelectric element holding portion 31 can be prevented.
[0071]
Further, in the present embodiment, the communication path 15 is constituted by the through-hole 16 provided in the flow path forming substrate 10 and the communication hole 51 provided in the elastic film 50. The communication path 15 may be constituted only by the through hole 16 by removing the elastic film 50 in the region where the elastic film 50 is formed.
[0072]
(Embodiment 2)
FIG. 8 is a plan view of the ink jet recording head according to the second embodiment and a cross-sectional view taken along the line CC ′. FIG. 9 is a plan view illustrating a main part of the sealing substrate.
[0073]
In the present embodiment, the communication path 15A is provided on the joint surface between the through hole 16 provided in the flow path forming substrate 10 and the communication hole 51 provided in the elastic film 50 and the sealing substrate 30 with the flow path forming substrate 10. This is an example in which the communication groove 33 is formed. That is, as shown in FIG. 8, in the present embodiment, the through holes 16 and the communication holes 51 are provided in a region where the flow path forming substrate 10 and the sealing substrate 30 are joined. In addition, a communication groove 33 that communicates with the through-hole 16 and the communication hole 51 and is connected to the piezoelectric element holding portion 31 is formed on a joint surface of the sealing substrate 30 with the flow path forming substrate 10.
[0074]
Even in such a configuration, as in the first embodiment, the piezoelectric element holding portion 31 can be sealed relatively easily and reliably, and the working efficiency can be significantly improved.
[0075]
The shape of the communication groove 33 provided in the sealing substrate 30 is not particularly limited, and the through hole 16 and the piezoelectric element holding portion 31 may be linearly connected as shown in FIG. As shown in FIG. 9, it is preferable to have a relatively long distance by meandering in the joint surface with the flow path forming substrate 10. Thereby, when sealing the piezoelectric element holding portion 31, it is possible to reliably prevent the sealing member 120 from entering the inside of the piezoelectric element holding portion 31.
[0076]
(Other embodiments)
As described above, each embodiment of the present invention has been described, but the basic configuration of the ink jet recording head is not limited to the above.
[0077]
For example, in the above-described embodiment, the piezoelectric element holding portion 31 is filled with the drying fluid. However, air may be present without filling the drying fluid.
[0078]
Further, for example, in the above-described embodiment, one communication path 15 for communicating the piezoelectric element holding portion 31 with the outside is provided. However, the present invention is not limited to this. Of course, a plurality of communication paths may be provided.
[0079]
Further, for example, in the above-described embodiment, a thin-film type ink jet recording head manufactured by applying a film forming and lithography process has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. The present invention can also be applied to a thick-film type ink jet recording head formed by a method such as sticking.
[0080]
Further, the ink jet recording head of each of the embodiments constitutes a part of a recording head unit having an ink flow path communicating with an ink cartridge or the like, and is mounted on the ink jet recording apparatus. FIG. 10 is a schematic diagram showing an example of the ink jet recording apparatus.
[0081]
As shown in FIG. 10, the recording head units 1A and 1B having the ink jet recording heads are provided with detachable cartridges 2A and 2B constituting ink supply means, and a carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted. Is provided on a carriage shaft 5 attached to the apparatus main body 4 so as to be movable in the axial direction. The recording head units 1A and 1B discharge, for example, a black ink composition and a color ink composition, respectively.
[0082]
Then, the driving force of the driving motor 6 is transmitted to the carriage 3 via a plurality of gears (not shown) and the timing belt 7, so that the carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted is moved along the carriage shaft 5. You. On the other hand, the apparatus main body 4 is provided with a platen 8 along the carriage shaft 5, and a recording sheet S, which is a recording medium such as paper fed by a paper feed roller (not shown), is conveyed onto the platen 8. It has become.
[0083]
Furthermore, in the above-described embodiment, as the liquid ejecting head, an ink jet recording head that prints a predetermined image or character on a print medium has been described as an example, but of course, the present invention is not limited to this. For example, a color material ejecting head used for manufacturing a color filter such as a liquid crystal display, an electrode material ejecting head used for forming an electrode such as an organic EL display and an FED (surface emitting display), and a biological organic ejecting head used for producing a biochip. And the like can be applied to other liquid ejecting heads.
[0084]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, a communication path for communicating the piezoelectric element holding portion with the outside is provided on the flow path forming substrate, and the communication path is sealed by a sealing member to seal the piezoelectric element holding portion. Accordingly, the piezoelectric element holding portion can be easily and reliably sealed, and the working efficiency is significantly improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing an ink jet recording head according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view of the ink jet recording head according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the ink jet recording head according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view illustrating a manufacturing process of the ink jet recording head according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view illustrating a manufacturing process of the ink jet recording head according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a process of manufacturing the ink jet recording head according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a modification of the ink jet recording head according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a plan view and a sectional view of an ink jet recording head according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a plan view showing a modification of the sealing substrate according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic view of an ink jet recording apparatus according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 10 flow path forming substrate 12 pressure generating chamber 13 communication part 14 ink supply path 15 communication path 16 through hole 20 nozzle plate 21 nozzle opening 30 sealing substrate 31 piezoelectric element holding part 32 reservoir part 33 communication groove 50 elastic film 60 lower electrode film 70 piezoelectric layer 80 upper electrode film 90 lead electrode 100 reservoir 110 drying fluid 120 sealing member 300 piezoelectric element
