JP2009234019A

JP2009234019A - 流体噴射ヘッドの製造方法及び流体噴射ヘッド

Info

Publication number: JP2009234019A
Application number: JP2008082866A
Authority: JP
Inventors: Hironari Owaki; 寛成大脇
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2009-10-15

Abstract

【課題】部品点数を削減できる液体噴射ヘッドとする。
【解決手段】圧力発生室３の外側（ノズルプレート１１側）の流路形成基板１に圧電素子８を配置すると共に圧電素子８をノズルプレート１１のインク室１２により覆い、流路形成基板１の貫通孔１５の露出部２ａの部位でフレキシブル配線１６を上電極膜７に接続し、部品点数を削減し、配線の形態を自由に選択して配線構造の自由度を増す。
【選択図】図２

Description

本発明は、ノズルから液滴を噴射する流体噴射ヘッドの製造方法及び流体噴射ヘッドに関する。

流体噴射ヘッドの１つであるインクジェット式記録ヘッドとして、例えば、ノズル開口に連通する圧力発生室を流路形成基板に形成し、流路形成基板の一方面側に振動板を挟んで圧力を発生させる圧電素子を形成し、流路形成基板の圧電素子側の面に圧電素子を覆う保護基板が接合されたものが従来から種々提案されている。

一方で、インクが流入する空間中に圧電素子を備えたものが従来から提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された技術のように、インクが流入する空間に圧電素子を備えることで、圧電素子を覆う保護基板が不要となり、部品点数を削減することができる。

しかし、基板の加工や圧電素子の形成等の作業において加工コストが嵩む虞があるのが現状であった。

特開２０００−１０８３５１号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、低コストの液体噴射ヘッドの製造方法または低コストの流体噴射ヘッドを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の液体噴射ヘッドの製造方法は、第１の基板の一方側の面に圧力発生素子を形成し、流体の流路の一部である流体室が形成された第２の基板を用意し、前記圧力発生素子を前記流体室が覆うように前記第２の基板を前記第１の基板の一方側の面に接合し、前記第１の基板の前記圧力発生素子に対応する位置に前記圧力発生素子の反対側から第１の空間を形成することを特徴とする。

そして、上記液体噴射ヘッドの製造方法において、前記第２の基板と前記第１の基板とを接合するときに、前記圧力発生素子の電極を前記第２の基板と前記第１の基板との間に挟みこみ、前記挟み込まれた電極に対応する位置の前記第１の基板に前記第２の基板の反対側から前記流体室と独立した第２の空間を形成し、前記第２の空間を通した配線と前記電極とを電気的に接続することを特徴とする。

また、上記液体噴射ヘッドの製造方法において、前記圧力発生素子を形成する前に前記第１の基板の前記圧力発生素子を形成する側の面に皮膜を形成し、前記第１の空間は前記流体室と前記皮膜によって区切られ、前記第２の空間を形成する時に前記皮膜を除去して前記配線と前記電極とを接続することを特徴とする。

また、上記液体噴射ヘッドの製造方法において、前記第１の空間と前記第２の空間とを同時に形成することを特徴とする。また、上記流体噴射ヘッドの製造方法において、前記圧力発生素子は複数の電極を有し、前記第２の空間を通した配線と前記電極の一方とを電気的に接続し、前記第２の空間と異なる空間を通した配線と前記電極の他方とを電気的に接続することを特徴とする。

このため、基板の加工や圧電素子の形成等の作業において加工コストを低減することができ、低コストの液体噴射ヘッドの製造方法となる。

上記目的を達成するための本発明の液体噴射ヘッドは、第１の空間及び第２の空間が形成された第１の基板と、流体の流路の一部である流体室が前記第１の空間に対応する位置に形成され、前記第２の空間を封止するように前記第１の基板に接合された第２の基板と、前記流体室に圧力変化を生じさせるための、前記第１の空間に対応する位置に設けられた圧力発生素子と、前記第２の空間を通り、前記圧力発生素子へ電気を供給する電極に接続される配線部材とを備えたことを特徴とする。

そして、上記流体噴射ヘッドにおいて、前記圧力発生素子は、前記圧力発生室側に形成された下電極膜と、前記下電極膜の上に形成された圧電体層と、前記圧電体層の上に形成された電極とを備え、前記電極には引出し配線が接続され、前記配線の端部が配される前記第１の基板の前記第２の空間の部位に前記引出し配線が延設されていることを特徴とする。

このため、圧力発生素子が圧力発生室の外側の第１の基板に配されると共に第２の基板により覆われて構成されているので、部品点数を削減することができる。

図１には本発明の一実施形態例に係る流体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略平面視、図２には図１中のＩＩ―ＩＩ線矢視、図３、図４には本発明の一実施形態例に係る製造方法を説明する工程概念を示してある。

図１、図２に基づいてインクジェット式記録ヘッドの概略構成を説明する。
図に示すように、第１の基板としての流路形成基板１は、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、表面には予め熱酸化することにより形成した酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなる皮膜としての弾性膜２が形成されている。流路形成基板１には第１の空間としての圧力発生室３が幅方向に複数個並設され、流路形成基板１の圧力発生室３の長手方向外側の領域には連通部４が形成されている。連通部４はインク供給部となるリザーバの一部を構成し、図示しないインク供給源からインクが供給されるようになっている。そして、流路形成基板１の液体流路（連通部４）の内面には、耐インク性を有する、即ち、インク等の流体から侵食を防止する機能を有する材料からなる保護膜（図示省略）が設けられている。

流路形成基板１の圧力発生室３は一方側の面が開放され、他方側の面には弾性膜２が存在した状態になっている。弾性膜２上には下電極膜５、圧電体層６、上電極膜７が積層して形成され、更に、上電極膜７にはリード配線膜１４（リード配線）が形成されている。また、圧力発生素子としての圧電素子８が構成され、圧力発生室３は圧電素子８の運動を阻害しない程度の空間を有している。

下電極膜５が圧電素子８の共通電極（他方の電極）とされ、圧力発生室３毎に圧電体層６及び上電極膜７（電極及び引出し配線）がパターニングされ、上電極膜７が連通部４の反対側に引き出されて圧電素子８の個別電極（一方の電極）とされている。尚、駆動回路や配線の都合で共通電極と個別電極との関係を逆にすることも可能である。

圧電体層６は下電極膜５上に形成される電気機械変換作用を示す圧電材料からなり、ペロブスカイト構造の結晶膜を用いるのが好ましく、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。圧電体層６の厚さについては、製造工程でクラックが発生しない程度に厚さを抑え、十分な変位特性を呈する程度に厚く形成されている。

圧電素子８が形成された流路形成基板１上には、即ち、弾性膜２、下電極膜５、圧電体層６、及び上電極膜７上には、第２の基板としてのノズルプレート１１が接着剤や熱溶着フィルム等によって接合されている。圧電素子８は、製造時には平面状に形成されて所望の形状に加工される。ノズルプレート１１には圧電素子８を覆う状態にインク室１２が形成され、インク室１２は流路形成基板１０の連通部４に連通している。そして、ノズルプレート１１には、連通部４と反対側の近傍にノズル開口１３が穿設されている。ノズルプレート１１の材料としては、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又はステンレス鋼などが挙げられる。

尚、圧電素子８は、振動板としての弾性膜２、下電極膜５、圧電体層６、及び上電極膜７の順に積層されたものの他に、圧電体保護膜が加わったものや、弾性膜２とは別の振動板が加わったものや、下電極膜５が弾性膜を兼ねたものや、発熱素子や静電アクチュエータ等を用いることができる。また、前述した耐インク性を有する材料からなる保護膜は、インク室１２側や圧電素子８の周りに設けることも可能である。

連通部４の反対側における流路形成基板１には第２の空間としての貫通孔１５が形成され、貫通孔１５のノズルプレート１１側の開口にはリード配線膜１４が挟まれて端部が臨んだ状態になっている。即ち、上電極膜７はリード配線膜１４を介して端部が貫通孔１５の位置に配され、貫通孔１５のノズルプレート１１側の開口の弾性膜２の一部は露出部２ａとして除去されている。貫通孔１５にはフレキシブル配線１６が配され、フレキシブル配線１６の一端は露出部２ａでリード配線膜１４の端部（上電極膜７）に接続されている。フレキシブル配線１６は貫通孔１５から流路形成基板１の外部に導き出され、フレキシブル配線１６の他端側は圧電素子８を駆動するための駆動回路、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等（図示省略）に接続されている。また、下電極膜５は図示しない配線により電気的に接続されている。

尚、リード配線膜１４と駆動回路との接続は、駆動回路の配置位置や駆動回路の構成等によりボンディングにより金配線等を用いて接続することも可能であり、貫通孔１５に配することができる配線であれば、様々な形態の配線構造を適用することが可能である。

上記構成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に接続されたインク導入口からインクを取り込み、連通部４から圧電素子８が存在するインク室１２に至るまでの内部をインクで満たす。駆動回路からの記録信号にしたがって圧力発生室３に対応する下電極膜５と上電極膜７との間に電圧を印加し、弾性膜２及び圧電体層６をたわみ変形させる。これにより、所望のインク室１２内の圧力を高めてノズル開口１３からインク滴を吐出させる。

上記構成のインクジェット式記録ヘッドは、圧電素子８が圧力発生室３の外側（ノズルプレート１１側）の流路形成基板１に配されると共にノズルプレート１１のインク室１２により覆われて構成されているので、部品点数を削減することができる。また、流路形成基板１の貫通孔１５の位置でフレキシブル配線１６がリード配線膜１４に接続されるので、配線の形態を自由に選択することができ、配線構造の自由度を増すことができる。従って、部品点数を削減できると共に配線構造に対する自由度が高いインクジェット式記録ヘッドとなる。

図３、図４に基づいて上述したインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明する。
複数一体的に連通部４に対応する部位が形成された流路形成基板１は複数一体的にシリコンウエハに形成され、シリコンウエハの表面に酸化処理が施されて表面に酸化膜（弾性膜２）が形成される。図３（ａ）に示すように、流路形成基板１の酸化膜（弾性膜２）上に、下電極膜５、圧電体層６、上電極膜７、リード配線膜１４を順次積層形成する。

例えば、有機金属化合物を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層６を得る、いわゆる、ゾル−ゲル法を用いて圧電体層６を形成する。また、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法、スパッタリング法又はレーザーアブレーション法等のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法等を用いてもよい。これらの積層形成は平面状の基板の上に形成を行っているため、均一な形成を行いやすい。

図３（ｂ）に示すように、ノズルプレート１１にインク室１２に対応する部位を形成すると共にノズル開口１３を穿設する。図３（ａ）に示した流路形成基板１に対し、図３（ｂ）に示したノズルプレート１１を接合して図４（ａ）に示した状態にする。

図４（ａ）に示した状態の部材を、例えば、７０℃〜８０℃に加熱されたアルカリ溶液（ＫＯＨ）に浸けてウェットエッチングにより圧力発生室３及び貫通孔１５を形成する。即ち、図４（ｂ）に示すように、弾性膜２を残した状態で圧力発生室３及び貫通孔１５の一部を形成する。そして、図４（ｃ）に示すように、貫通孔１５の部位の弾性膜２の一部を、例えば、イオンミーリングで除去することで露出部２ａとし、貫通孔１５の露出部２ａにリード配線膜１４の端部を露出させる。

最後に、露出部２ａに露出したリード配線膜１４の端部に貫通孔１５側からフレキシブル配線１６（図２参照）を配してリード配線膜１４（上電極膜７）とフレキシブル配線１６（図２参照）を電気的に接続する。圧力発生室３はインクに触れることがないので、保護膜が存在していなくても差し支えない。

以上により、図２に示した状態のインクジェット式記録ヘッドが製造される。このため、部品点数を削減すると共に配線構造の設計に対する自由度を高くした液体噴射ヘッドを製造することができ、大幅にコストを低減することが可能になる。

上述した実施形態例では、連通部４に対応する部位が形成され、ノズルプレート１１を接合した後の流路形成基板１に対し圧力発生室３及び貫通孔１５を形成した例を挙げて説明したが、連通部４を圧力発生室３及び貫通孔１５と同時に形成し、その後にノズルプレート１１を接合することも可能であり、各部材の製造の順序は上記実施形態例に限定されるものではない。実施形態例のように、弾性膜２を形成する前に連通部４を形成することで、連通部４にまとめて弾性膜２を形成することができて好ましい。

尚、上述した実施形態例では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも適用することができる。例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、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（電界放出ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等に本発明を適用することが可能である。

インクジェット式記録ヘッドの概略平面図である。図１中のＩＩ―ＩＩ線矢視図である。本発明の一実施形態例に係る製造方法を説明する工程概念図である。本発明の一実施形態例に係る製造方法を説明する工程概念図である。

符号の説明

１流路形成基板、２弾性膜、３圧力発生室、４連通部、５下電極膜、６圧電体層、７上電極膜、８圧電素子、１１ノズルプレート、１２インク室、１３ノズル開口、１５貫通孔、１４リード配線膜、１６フレキシブル配線

Claims

第１の基板の一方側の面に圧力発生素子を形成し、
流体の流路の一部である流体室が形成された第２の基板を用意し、
前記圧力発生素子を前記流体室が覆うように前記第２の基板を前記第１の基板の一方側の面に接合し、
前記第１の基板の前記圧力発生素子に対応する位置に前記圧力発生素子の反対側から第１の空間を形成する
ことを特徴とする流体噴射ヘッドの製造方法。
請求項１に記載の流体噴射ヘッドの製造方法において、
前記第２の基板と前記第１の基板とを接合するときに、前記圧力発生素子の電極を前記第２の基板と前記第１の基板との間に挟みこみ、
前記挟み込まれた電極に対応する位置の前記第１の基板に前記第２の基板の反対側から前記流体室と独立した第２の空間を形成し、
前記第２の空間を通した配線と前記電極とを電気的に接続する
ことを特徴とする流体噴射ヘッドの製造方法。
請求項２に記載の流体噴射ヘッドの製造方法において、
前記圧力発生素子を形成する前に前記第１の基板の前記圧力発生素子を形成する側の面に皮膜を形成し、
前記第１の空間は前記流体室と前記皮膜によって区切られ、
前記第２の空間を形成する時に前記皮膜を除去して前記配線と前記電極とを接続する
ことを特徴とする流体噴射ヘッドの製造方法。
請求項２又は３に記載の流体噴射ヘッドの製造方法において、
前記第１の空間と前記第２の空間とを同時に形成することを特徴とする流体噴射ヘッドの製造方法。
請求項２乃至４のいずれかに記載の流体噴射ヘッドの製造方法において、
前記圧力発生素子は複数の電極を有し、
前記第２の空間を通した配線と前記電極の一方とを電気的に接続し、
前記第２の空間と異なる空間を通した配線と前記電極の他方とを電気的に接続する、
ことを特徴とする流体噴射ヘッドの製造方法。
第１の空間及び第２の空間が形成された第１の基板と、
流体の流路の一部である流体室が前記第１の空間に対応する位置に形成され、前記第２の空間を封止するように前記第１の基板に接合された第２の基板と、
前記流体室に圧力変化を生じさせるための、前記第１の空間に対応する位置に設けられた圧力発生素子と、
前記第２の空間を通り、前記圧力発生素子へ電気を供給する電極に接続される配線部材とを備えた
ことを特徴とする流体噴射ヘッド。
請求項６に記載の流体噴射ヘッドにおいて、
前記圧力発生素子は、前記圧力発生室側に形成された下電極膜と、前記下電極膜の上に形成された圧電体層と、前記圧電体層の上に形成された電極とを備え、
前記電極には引出し配線が接続され、前記電極の端部が配される前記第１の基板の前記第２の空間の部位に前記引出し配線が延設されている
ことを特徴とする流体噴射ヘッド。