JP2018153970A - Liquid discharge head and manufacturing method for the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は液体吐出ヘッドとその製造方法に関し、特に圧電素子を用いた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 and a manufacturing method thereof, and more particularly to a liquid discharge head using a piezoelectric element and a manufacturing method thereof.
被記録体にインクを吐出して記録を行うインクジェット装置は、高精細な記録を行うため、基板上に多数の吐出口が高密度に配列された液体吐出ヘッドを備えている。圧電素子を用いた液体吐出ヘッドは、圧力室、圧力室の壁面の一部を形成する振動板、振動板の圧力室の反対側に設けられた圧電素子、圧力室に連通する吐出口などにより構成されている。このタイプの液体吐出ヘッドは、吐出口が形成された吐出口形成基板と、圧力室と振動板と圧電素子が形成された圧力室基板と、圧電素子を収納するキャビティが形成されたキャビティ基板とを接着剤などで貼り合せて作製される。
特許文献1には、吐出口とキャビティが一体形成された吐出口形成基板と、圧電素子が一体形成された振動板と、圧力室が形成された圧力室基板とを貼り合せることで作製される液体吐出ヘッドが開示されている。圧電素子は振動板の圧力室の反対側に形成されている。特許文献2には、シリコン層にSiO2層が挿入されたSOI(シリコンオンインシュレータ―)基板のシリコン層をエッチングすることで圧力室とキャビティを形成する技術が開示されている。
2. Description of the Related Art An ink jet apparatus that performs recording by discharging ink onto a recording medium includes a liquid discharge head in which a large number of discharge ports are arranged on a substrate at high density in order to perform high-definition recording. A liquid discharge head using a piezoelectric element includes a pressure chamber, a diaphragm that forms part of the wall surface of the pressure chamber, a piezoelectric element that is provided on the opposite side of the pressure chamber of the diaphragm, and a discharge port that communicates with the pressure chamber. It is configured. This type of liquid ejection head includes an ejection port forming substrate on which ejection ports are formed, a pressure chamber substrate on which a pressure chamber, a vibration plate, and a piezoelectric element are formed, and a cavity substrate on which a cavity for housing the piezoelectric element is formed. Are bonded together with an adhesive or the like.
In Patent Document 1, a discharge port forming substrate in which a discharge port and a cavity are integrally formed, a diaphragm in which a piezoelectric element is integrally formed, and a pressure chamber substrate in which a pressure chamber is formed are bonded together. A liquid ejection head is disclosed. The piezoelectric element is formed on the opposite side of the pressure chamber of the diaphragm. Patent Document 2 discloses a technique for forming a pressure chamber and a cavity by etching a silicon layer of an SOI (silicon on insulator) substrate in which a SiO 2 layer is inserted into a silicon layer.
一般に、2つの部材を接合するときに、2つの部材の相対的な位置を合わせるのは非常に難しく、一定の位置ずれが避けられない。特に、液状の接着剤を使用する場合、アライメント後の滑りにより、位置ずれが拡大する可能性がある。吐出口形成基板を圧力室基板に接合する際に位置ずれが生じると、圧力室に対する吐出口の位置がずれる。キャビティ基板の接合時に位置ずれが生じると、振動板の可動範囲を規定するキャビティの位置がずれる。近年の液体吐出ヘッドでは、吐出口の高密度化により、圧力室の幅は数十μmまで縮小されている。このような液体吐出ヘッドにおいて、吐出口やキャビティの位置がわずかでもずれると、吐出性能が大きくばらつく可能性がある。 Generally, when joining two members, it is very difficult to align the relative positions of the two members, and a certain positional deviation is inevitable. In particular, when a liquid adhesive is used, misalignment may increase due to slippage after alignment. If a displacement occurs when the discharge port forming substrate is bonded to the pressure chamber substrate, the position of the discharge port with respect to the pressure chamber is shifted. If a displacement occurs when the cavity substrates are joined, the position of the cavity that defines the movable range of the diaphragm is displaced. In recent liquid ejection heads, the width of the pressure chamber has been reduced to several tens of μm due to higher density of ejection ports. In such a liquid discharge head, if the position of the discharge port or the cavity is slightly shifted, the discharge performance may vary greatly.
特許文献1に記載された液体吐出ヘッドでは、吐出口とキャビティが吐出口形成基板に形成されており、吐出口形成基板がキャビティ基板を兼ねている。従って、吐出口形成基板とキャビティ基板とを別々に接合する必要がなく、製造工程を簡略化することができる。しかし、吐出口形成基板と圧力室基板の接合時に位置ずれが発生すると、吐出口とキャビティの両者が圧力室に対してずれてしまい、吐出性能が大きく変化する。加えて、振動板に吐出口形成基板と圧力室基板を接着剤で接合するため、インクの影響による吐出口形成基板の剥がれや、圧電素子の故障が発生し得る。
特許文献2に記載された液体吐出ヘッドでは、予め一体形成されたSOI基板に圧力室とキャビティとを形成するため、圧力室とキャビティとの位置ずれを小さくすることができる。しかし、吐出口形成基板を圧力室基板に接合する工程では、吐出口形成基板の位置合わせが必要であり、吐出口の位置が圧力室に対してずれる可能性がある。
In the liquid discharge head described in Patent Document 1, the discharge port and the cavity are formed in the discharge port forming substrate, and the discharge port forming substrate also serves as the cavity substrate. Therefore, it is not necessary to join the discharge port forming substrate and the cavity substrate separately, and the manufacturing process can be simplified. However, if a displacement occurs when the discharge port forming substrate and the pressure chamber substrate are joined, both the discharge port and the cavity are displaced from the pressure chamber, and the discharge performance changes greatly. In addition, since the discharge port forming substrate and the pressure chamber substrate are bonded to the vibration plate with an adhesive, the discharge port forming substrate may be peeled off due to the influence of the ink or the piezoelectric element may be broken.
In the liquid ejection head described in Patent Document 2, since the pressure chamber and the cavity are formed on the SOI substrate that is integrally formed in advance, the positional deviation between the pressure chamber and the cavity can be reduced. However, in the step of bonding the discharge port forming substrate to the pressure chamber substrate, it is necessary to align the discharge port forming substrate, and the position of the discharge port may be shifted from the pressure chamber.
本発明は、吐出口と圧力室とキャビティの位置ずれが抑えられた液体吐出ヘッドと、その製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a liquid discharge head in which displacement of the discharge port, the pressure chamber, and the cavity is suppressed, and a method for manufacturing the liquid discharge head.
本発明の液体吐出ヘッドは、第1のシリコン層と、第2のシリコン層と、第1のシリコン層と第2のシリコン層との間に配置された無機材料からなる中間層とを有し、第1のシリコン層は、中間層を部分的に露出させ液体を貯留する圧力室を形成する第1の凹部を備え、第2のシリコン層は、液体が吐出する吐出口と、中間層を部分的に露出させる第2の凹部と、を備え、中間層は吐出口を圧力室と連通させる開口を有するSOI基板と、第1のシリコン層の第1の凹部を覆い、液体を圧力室に流入させる絞り開口を備えた絞り板と、第2の凹部の、露出した中間層に設けられている圧電素子と、を有する。 The liquid discharge head according to the present invention includes a first silicon layer, a second silicon layer, and an intermediate layer made of an inorganic material disposed between the first silicon layer and the second silicon layer. The first silicon layer includes a first recess that partially exposes the intermediate layer and forms a pressure chamber for storing liquid, and the second silicon layer includes a discharge port for discharging the liquid, and the intermediate layer. A second recess that is partially exposed; the intermediate layer covers an SOI substrate having an opening that communicates the discharge port with the pressure chamber; and the first recess of the first silicon layer covers the liquid into the pressure chamber. A diaphragm plate having a diaphragm opening to be introduced and a piezoelectric element provided in the exposed intermediate layer of the second recess.
本発明によれば、圧力室と、吐出口と、キャビティとして機能する第2の凹部と、が一つのSOI基板に形成されるので、複数の基板の接合が不要であり、これらの基板の接合に伴う圧力室と吐出口とキャビティの位置ずれが発生しない。このため、本発明によれば、吐出口と圧力室とキャビティの位置ずれが抑えられ、安定した吐出性能を有する液体吐出ヘッドを提供することができる。 According to the present invention, since the pressure chamber, the discharge port, and the second recess functioning as a cavity are formed on one SOI substrate, it is not necessary to bond a plurality of substrates. The displacement of the pressure chamber, the discharge port, and the cavity due to the above does not occur. For this reason, according to the present invention, it is possible to provide a liquid discharge head that can suppress the positional deviation of the discharge port, the pressure chamber, and the cavity and has stable discharge performance.
以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態を説明する。以下の実施形態はインクを紙などの被記録体に吐出して文字や画像を形成するインクジェットヘッドに関するが、本発明はインク以外の液体を吐出する、圧電素子を用いた液体吐出ヘッドに広く適用することができる。 Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The following embodiments relate to an ink jet head that forms characters and images by ejecting ink onto a recording medium such as paper. The present invention is widely applied to liquid ejecting heads using piezoelectric elements that eject liquids other than ink. can do.
(第1の実施形態)
図1に、本発明の第1の実施形態に係る液体吐出ヘッドを用いたインクジェット装置の概略構成を示す。被記録体である記録紙101は紙送りローラー102により矢印の方向へ送られ、プラテン103上で記録される。インクジェット装置は4組の液体吐出ヘッドユニット104を備え、それぞれの液体吐出ヘッドユニット104はシアン、マゼンダ、イエロー、ブラックのインクを吐出する。各液体吐出ヘッドユニット104には、後述する圧電素子を電気的に駆動する駆動部105が接続されている。駆動部105はコントローラー106から送られる画像信号等に基づいて、圧電素子を駆動するための駆動信号を発生する。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a schematic configuration of an ink jet apparatus using a liquid discharge head according to the first embodiment of the present invention. A
図2(a)は、液体吐出ヘッドユニット104を吐出口が形成された吐出口面側から見た平面図、図2(b)は、液体吐出ヘッドユニット104を図2(a)のA−A線で切った断面図である。図2(a)に示すように、液体吐出ヘッドユニット104のチップフレーム108上には、複数の液体吐出ヘッド107が千鳥状に配置されている。それぞれの液体吐出ヘッド107には2列の吐出口列110が形成されており、それぞれの吐出口列110には300dpiの密度で500個の吐出口が配列されている。1つの液体吐出ヘッド107に形成された2列の吐出口列110は、互いに300dpiの半分のピッチ(約42.3μm)だけずらされている。よって、各液体吐出ヘッド107には合計1000個の吐出口が備えられ、600dpiの記録が可能となっている。図2(b)に示すように、液体吐出ヘッド107は、チップフレーム108に設けられた枠に嵌めこまれて保持されている。液体吐出ヘッド107の各圧電素子から引き出された配線は、吐出口列110ごとに図2中の+Y方向または−Y方向に引き出される。そしてこの配線は、液体吐出ヘッド107の端部で、チップフレーム108に形成されたリード電極113と、ワイヤボンディング112により電気的に接続される。リード電極113は、チップフレーム108に形成された貫通電極114を介してチップフレーム108の裏側(−Z側)に引き出され、フレキシブルケーブル115を介してコントローラー106に接続される。
2A is a plan view of the liquid
貫通電極114を用いずに、+Z側の面で液体吐出ヘッド107をフレキシブルケーブル115と接続することもできる。あるいは、チップフレーム108の−Z側の面及び液体吐出ヘッド107を保持する枠にあらかじめリード電極をパターニングしておき、液体吐出ヘッド107の電極パッドをリード電極に直接当接させてもよい。この構成によれば、ワイヤボンディングを用いることなく、液体吐出ヘッド107をチップフレーム108に電気的に接続することができる。
The
図3に液体吐出ヘッドの主要部の断面を示す。液体吐出ヘッド107はSOI基板116と、SOI基板116の一方の面に設けられた絞り板131と、SOI基板116の他方の面に設けられた圧電素子122と、を有している。SOI基板116は第1のシリコン層117と、第2のシリコン層119と、第1のシリコン層117と第2のシリコン層119との間に配置された中間層118と、からなる。中間層118の第1の面118aは第1のシリコン層117に接しており、第1の面118aの裏面である第2の面118bは第2のシリコン層119に接している。第1のシリコン層117及び第2のシリコン層119は単結晶シリコンで形成されているが、ポリシリコンで形成することもできる。中間層118は無機材料層からなり、本実施形態ではSiO2で形成されている。中間層118はSiNで形成することもでき、あるいはSiN層とSiO2層の積層構造で形成することもできる。
FIG. 3 shows a cross section of the main part of the liquid discharge head. The
第1のシリコン層117には、絞り板131を向いて開口し圧力室130の空間を形成する第1の凹部150が形成されている。第1の凹部150は中間層118まで達しており、中間層118の第1の面118aの一部を露出させている。第1のシリコン層117は、中間層118の第1の面118a及び絞り板131とともに、インクを貯留する圧力室130を形成する。第2のシリコン層119には、圧力室130と連通しインクが吐出する吐出口120と、吐出口120に隣接する第2の凹部121と、が形成されている。第2の凹部121は中間層118まで達しており、中間層118の第2の面118bの一部を露出させている。吐出口120と第1及び第2の凹部150,121は、後述するように中間層118をエッチストップ層としたシリコンエッチングにより形成される。
The
中間層118は圧電素子122の支持構造であるともに、圧電素子122の振動板123としても機能する。中間層118の圧力室130に面する第1の面118aは圧力室130の一部を画定する。中間層118の吐出口120と対向する部分は吐出口120を圧力室130と連通させる貫通孔118cとなっており、これによりインクの吐出口120からの吐出が可能となっている。
The
絞り板131には、圧力室130と連通し、インクを圧力室130に流入させる絞り開口132が形成されている。圧力室130は絞り開口132を介して、インクが供給される共通液室(図示せず)と連通している。絞り板131は第1のシリコン層117の第1の凹部150と対向している。
The
第2の凹部121には圧電素子122が設けられている。圧電素子122は、共通電極である下電極124と、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)からなる圧電体125と、個別電極である上電極126と、圧電体125と上下一対の電極124,126を覆う保護膜127と、を有している。保護膜127にはコンタクトホール128が形成されており、コンタクトホール128を介して上電極126が個別電極配線129に接続されている。下電極124と個別電極配線129は保護膜127により絶縁されている。
A
図4は、第2の凹部121と圧電素子122の配線を示す平面図である。図4では保護膜127の図示を省略している。第2の凹部121は、個々の圧電素子122を収容し圧電素子122の短辺方向(Y方向)と平行に延びる複数の細長い縦方向溝151と、SOI基板116の長辺に沿ってX方向に延び、個々の縦方向溝151が合流する横方向凹部152と、を有している。
FIG. 4 is a plan view showing wiring between the
共通電極である下電極124には共通電極用の引き出し配線153が接続され、共通電極用の引き出し配線153には共通電極用の電極パッド133が接続されている。下電極124と共通電極用の引き出し配線153は構造的には同一であり、金属膜をパターニングすることで一括して形成される。ここでは便宜上、圧電体125の直下の部分を下電極124といい、下電極124以外の部分を引き出し配線153という。共通電極用の引き出し配線153はほぼ第2の凹部121の形状に合わせて形成されている。引き出し配線153は、縦方向溝151をY方向に延びる複数の第1の部分153aと、複数の第1の部分153aが合流し横方向凹部152をX方向に延びる第2の部分153bと、からなっている。共通電極用の電極パッド133は第2の部分153bのX方向端部に設けられている。リード電極113との電気的な接続が取れるように、共通電極用の電極パッド133の近傍では保護膜127が除去され、電極パッド133が露出している。
A common electrode lead-out
上電極126に接続された引き出し配線である個別電極配線129は保護膜127の上を通り第2の凹部121の横方向凹部152のY方向端部で終端し、そこに個別電極用の電極パッド134が形成されている。個別電極配線129は保護膜127上に形成された金属膜をパターニングすることで形成される。
The
このように、SOI基板116の外周部の一部には一つの共通電極用の電極パッド133と、複数の個別電極用の電極パッド134が配列している。第2の凹部121は中間層118の外周部の一部を露出させており、電極パッド133,134は中間層118の露出された外周部に設けられている。電極パッド133,134が設けられる外周部は第2のシリコン層119が除去されており、電極パッド133,134とリード電極113との電気的接続(ワイヤボンディング)を容易に行うことができる。
As described above, one common
本実施形態の液体吐出ヘッド107では、吐出口120と圧力室130が1つのSOI基板116に形成されているので、基板の接合に伴う吐出口120と圧力室130の位置ずれが原理的に起こらない。また、振動板123の可動範囲を規定する、従来のキャビティに相当する第2の凹部121もSOI基板116に形成されるため、基板の接合に伴う振動板123の可動範囲と吐出口120ないし圧力室130との位置ずれも原理的に起こらない。このため、本発明によれば安定した吐出性能を有する液体吐出ヘッド107を提供することができる。
In the
上述の実施形態では、下電極124を共通電極とし、上電極126を個別電極としたが、下電極124を個別電極とし、上電極126を共通電極としてもかまわない。この場合、第2の凹部121の外周部には、複数の下電極124に接続された複数の個別電極用の電極パッドと、上電極126に接続された一つの共通電極用の電極パッドが設けられる。
In the above-described embodiment, the
図5は、本実施形態の液体吐出ヘッド107の変形例を示す図3と同様の図である。本変形例では、第2の凹部121を覆う蓋部材135が設けられている。蓋部材135は第2の凹部121を完全に覆っており、第2のシリコン層119に接着剤などで封止されている。蓋部材135の吐出口120に対応する部分は、インクの吐出を妨げないように開口部136が形成されている。蓋部材135を設けることで、大気中の水蒸気や、吐出口120から吐出した際に被記録体に着弾せずに浮遊する微小なインク滴(いわゆるミスト)から圧電素子122を保護することができる。開口部136の内側の吐出口120の周囲は撥水処理されていることが望ましい。
FIG. 5 is a view similar to FIG. 3 showing a modification of the
図示は省略するが、蓋部材135に、圧電素子122に接続された引き出し配線と、引き出し配線に接続された電極パッドの少なくともいずれかを設けることもできる。例えば、個別電極配線129を第2の凹部121に沿って引き回し、蓋部材135の第2の凹部121と対向する面に形成された配線と接続することができる。蓋部材135の第2の凹部121と対向する面に配線と電極パッドを形成し、個別電極配線129と電極パッドをバンプで接続することもできる。蓋部材135に形成された配線は、蓋部材135に沿って蓋部材135の外部まで引き出すことができる。同様にして、共通電極用の引き出し配線を蓋部材135の第2の凹部121と対向する面に形成された電極パッドとバンプで接続し、蓋部材135に形成された配線を蓋部材135の外部まで引き出すことができる。
Although illustration is omitted, the
図6は、本実施形態の液体吐出ヘッド107の他の変形例を示す図3と同様の図である。本変形例では、個別電極用の引き出し配線は第2の凹部121を延びるとともに、保護膜127と中間層118(振動板123)と第1のシリコン層117を貫通している。個別電極用の引き出し配線の、保護膜127と中間層118と第1のシリコン層117を貫通する部分は、コンタクトホール137として形成される。図示は省略するが、引き出し配線はさらに、第1のシリコン層117の絞り板131と対向する面、すなわち絞り板131との境界面を延びている。第1のシリコン層117は絞り板131よりも突き出しており、第1のシリコン層117の突き出した部分に、引き出し配線に接続された電極パッドが形成されている。
FIG. 6 is a view similar to FIG. 3 showing another modification of the
同様に、共通電極用の引き出し配線153が保護膜127と中間層118(振動板123)と第1のシリコン層117を貫通している。引き出し配線153も、個別電極用の引き出し配線と同様、第1のシリコン層117の絞り板131と対向する面、すなわち絞り板131との境界面を延びており、同様の構成で電極パッドに接続される。これらの電極パッドはフレキシブルケーブル115を介してコントローラー106に接続される。本構成によれば、リード電極113と貫通電極114を介することなく、電極パッドをフレキシブルケーブル115に直接接続することができる。このため、圧電素子122とフレキシブルケーブル115との電気接続部の構成が単純となる。
Similarly, a common electrode lead-out
上述の変形例に代えて、個別電極用及び共通電極用の引き出し配線は、絞り板131の第1のシリコン層117と対向する面に形成されてもよい。絞り板131は第1のシリコン層117よりも突き出しており、絞り板131の突き出した部分に電極パッドが形成される。
Instead of the above-described modification, the lead wiring for the individual electrode and the common electrode may be formed on the surface of the
図7は、本実施形態の液体吐出ヘッド107の他の変形例を示す図3と同様の図である。本変形例では、圧電素子122への通電のオンオフを切り替えるスイッチとして機能するCMOSスイッチ139が絞り板131の内部に設けられている。すなわち、本変形例ではCMOS基板が絞り板131を兼ねている。圧電素子122に接続された個別電極用の引き出し配線は第2の凹部121を延び、保護膜127と中間層118(振動板123)と第1のシリコン層117を貫通し、絞り板131の内部をCMOSスイッチ139まで延びている。同様に、圧電素子122に接続された共通電極用の引き出し配線153は、保護膜127と中間層118(振動板123)と第1のシリコン層117を貫通し、絞り板131の内部をCMOSスイッチ139まで延びている。本変形例では絞り板131にCMOSスイッチ139が形成されているため、液体吐出ヘッド107とコントローラー106との間の配線数を大幅に削減することができ、インクジェット装置の製造コストを大きく下げることができる。
FIG. 7 is a view similar to FIG. 3 showing another modification of the
次に、図3,4に示す液体吐出ヘッド107の製造方法について説明する。
図8にSOI基板116に第2の凹部121を形成する工程のプロセスフロー図を示す。まず、図8(a)に示すように、第1のシリコン層117と、第2のシリコン層119と、第1のシリコン層117と第2のシリコン層119との間に配置された無機材料とからなるSOI基板116を用意する。中間層118は第1のシリコン層117及び第2のシリコン層119と物理的に接触しており、中間層118と第1のシリコン層117との間、及び中間層118と第2のシリコン層119との間に接着層などの層は介在していない。次に、図8(b)に示すように、SOI基板116の第2のシリコン層119(SOI基板116のデバイス層)上にレジストマスク140を形成し、フォトリソグラフィによりパターニングする。次に、図8(c)に示すように、中間層118をエッチストップ層として、ドライエッチングにより第2の凹部121を形成する。この結果、第2の凹部121では中間層118が露出する。図示しないが、第2のシリコン層119には吐出口120に対応する貫通孔も同時に形成する。さらに、中間層118の吐出口120に対応する部分もエッチングにより除去する。その後、図8(d)に示すように、レジストマスク140を除去する。以上で、SOI基板116に第2の凹部121と吐出口120が形成される。
Next, a method for manufacturing the
FIG. 8 shows a process flow diagram of the step of forming the
図9にSOI基板116に圧電素子122を形成する工程のプロセスフロー図を示す。まず、図9(a)に示すように、スパッタリングにより、第2の凹部121に下電極124の材料となる層141を形成する。本実施形態では、TiO2層、Ti層、Pt層をこの順に製膜している。続いて、図9(b)に示すように、レジストマスク142を形成し、図9(c)に示すように、層141をドライエッチングして下電極124を形成する。次に、図9(d)に示すように、スパッタリングにより、圧電体125の材料であるPZT層143と、上電極126の材料であるPt層144を成膜する。PZT層143はゾルゲル法やスプレーコートなどによっても成膜することができる。次に、図9(e)に示すように、レジストマスク145を形成し、図9(f)に示すように、PZT層143とPt層144をドライエッチングして圧電体125と上電極126を形成する。レジストマスク145を除去した後、図9(g)に示すように、スパッタリングにより、下電極124と圧電体125と上電極126を覆う保護膜127となるSiO2層146を成膜する。続いて図9(h)に示すように、レジストマスク147を形成する。この際、保護膜127に形成するコンタクトホール128に対応する部分にはレジストマスク147を形成しない。図示は省略するが、吐出口120内のSiO2層146もインクに対する保護膜として残しておく。次に、図9(i)に示すようにドライエッチングにより、コンタクトホール128が設けられた保護膜127を形成する。そして、図9(j)に示すように、スパッタリングにより、個別電極配線129を形成する。以上で、第2の凹部121の、露出した中間層118に圧電素子122が形成される。
FIG. 9 shows a process flow diagram of the process of forming the
図10に圧力室130と絞り板131を形成する工程のプロセスフロー図を示す。まず、ハンドリング性を高めるために、図10(a)に示すように、第2のシリコン基板119にサポート基板148を接合する。次に、図10(b)に示すように、第1の凹部150(圧力室130)が所望の高さになるように、第1のシリコン層117を研磨する。次に、図10(c)に示すように、研磨された第1のシリコン層117にレジストマスクをパターニングし(図示せず)、中間層118をエッチングストップ層としたドライエッチングにより、圧力室130となる第1の凹部150を形成する。その後、レジストマスクを除去する。第1の凹部150によって中間層118の第2の面118bの一部が露出する。その後、図10(d)に示すように、あらかじめ絞り開口132が形成された絞り板131を、絞り開口132が第1の凹部150と連通するように第1のシリコン層117に接合する。以上の工程により、圧力室130と振動板123が形成される。図示しないが、続いて絞り板131を共通液室などが形成されたマニホールドと接合する。こうして液体吐出ヘッド107が完成される。必要に応じ、この後の工程で、第1のシリコン層117に蓋部材135を接合する。
FIG. 10 shows a process flow diagram of the process of forming the
吐出口面の吐出口120の周囲は、インクの濡れにより吐出が不安定になることを防止するために、撥水処理されていることが望ましい。ただし、吐出口120の内部が撥水処理されると吐出が安定しなくなるため、吐出口面だけに撥水処理されることが望ましい。図11に吐出口面を撥水処理する場合のプロセスフロー図を示す。図11(a)は、図9(j)で個別電極配線129を形成した状態に対応している。図11(b)に示すように、第2のシリコン層119の表面全体に撥水材149を塗布する。撥水材149は吐出口120内にも入り込む。続いて、図11(c)に示すように、第2のシリコン層119にサポート基板148を接合し、図11(d)に示すように、ドライエッチングにより、第1のシリコン層117に第1の凹部150を形成する。次に、図11(e)に示すように、O2プラズマアッシングにより、吐出口120内の撥水材149を除去する。次に、図11(f)に示すように、絞り板131を接合し、サポート基板148を除去する。このような液体吐出ヘッド107の製造方法によると、吐出口面に撥水処理を施しながら、吐出口120内に撥水処理がされていない液体吐出ヘッド107を製造することができる。
The periphery of the
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態の液体吐出ヘッド207について説明する。第1の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
図12は、液体吐出ヘッド207を吐出口が形成された吐出口面側から見た図2(a)と同様の図である。本実施形態の液体吐出ヘッド207は、4列の吐出口列210が設けられている。各吐出口列210には300dpiの密度で500個の吐出口が配列されている。4列の吐出口列210は、互いに300dpiの1/4のピッチ(約21.2μm)だけずらされている。よって、液体吐出ヘッド207には合計2000個の吐出口120が備えられ、1200dpiの記録が可能となっている。
(Second Embodiment)
Next, the
FIG. 12 is a view similar to FIG. 2A when the
図13は、第2の凹部221と液体吐出ヘッド207の配線を示した図である。図13では保護膜の図示を省略している。複数の圧電素子222と、各圧電素子222に接続され同じ方向に引き出された複数の引き出し配線(個別電極配線)229と、複数の引き出し配線229にそれぞれ接続された複数の電極パッド234が一つの凹部221に設けられている。共通電極用の引き出し配線253は2列の圧電素子222に沿って周回するように設けられ、液体吐出ヘッド207のX方向端部の電極パッド233に接続されている。本実施形態においては、第2のシリコン層219は吐出口220の周囲と液体吐出ヘッド207のX方向端部を除いて除去されている。すなわち、第1の実施形態のような個別の圧電素子222を収容する溝は存在せず、吐出口220の周囲と液体吐出ヘッド207のX方向端部を除いた領域全部が第2の凹部221となっている。本実施形態では、第2の凹部221の範囲が第1の実施形態よりも拡大しているため、広い配線スペースを確保することができる。このため、1200dpi(300dpi×4列)の高い吐出口密度の場合にも、容易に配線することができる。
FIG. 13 is a diagram illustrating the wiring between the
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態の液体吐出ヘッド307について説明する。第1、第2の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
図14は液体吐出ヘッド307の主要部を示す図3と同様の図である。図15は、第2の凹部321と液体吐出ヘッド307の配線を示した図である。図15では、保護膜の図示を省略している。本実施形態では、複数の圧電素子322のそれぞれは、個別の第2の凹部321に設けられている。具体的には、第2のシリコン層319の表面である(100)面からKOHでウェットエッチングを施し、(111)面からなる傾斜のついた第2の凹部321の側壁351が形成される。各圧電素子322に接続された引き出し配線(個別電極配線)329は、他の引き出し配線329と同じ方向に引き出されている。個別電極配線329は圧電素子322毎に個別に設けられた第2の凹部321を延びるとともに、個別に設けられた第2の凹部321の外では第2のシリコン層319の表面を延びている。すなわち、本実施形態では第2の凹部321を形成する側壁351に個別電極配線329が形成されている。上述のように側壁351に傾斜が付けられているため、個別電極配線329のエッジでの断線が生じにくくなっている。共通電極用の引き出し配線353は2列の圧電素子322に沿って周回するように設けられ、液体吐出ヘッド307のX方向端部の電極パッド333に接続されている。
(Third embodiment)
Next, the
FIG. 14 is a view similar to FIG. 3 showing the main part of the
本実施形態においては、圧電素子322は第2の凹部321の側壁351により周囲を完全に囲われている。振動板323が、第1のシリコン層317に形成された圧力室330の側壁と、第2のシリコン層319の第2の凹部321の側壁351とにより、両側から強く拘束されるために、振動板323の変位領域が明確に規定され、吐出特性が安定する。共通電極と個別電極の引き出し配線は、第2の凹部321の側壁351を介して、第2のシリコン層119の上面に引き出される。本実施形態でも第2のシリコン層319上の広いスペースを配線に利用することができるので、1200dpi以上の高い吐出口密度の場合にも、容易に配線することができる。
In this embodiment, the
図15ではキャビティ内の下電極324と個別電極配線329が所定の形状にパターニングされているが、これらは必ずしもパターニングされている必要はない。すなわち、下電極324と個別電極配線329は第2の凹部321の底面及び側壁の全面に形成されていてもよく、このようにしても、下電極324と個別電極配線329は保護膜により絶縁される。
In FIG. 15, the
なお、本発明の液体吐出ヘッドは、SOI基板だけでなく、一般に第1の層と、第2の層と、第1の層と第2の層との間に配置され、第1の層と第2の層とに物理的に接触する中間層と、を有する基板から作成できる。第1の層は、中間層を部分的に露出させ液体を貯留する圧力室を形成する第1の凹部を備え、第2の層は、液体が吐出する吐出口と、中間層を部分的に露出させる第2の凹部と、を備え、中間層は吐出口を圧力室と連通させる貫通孔を有する。液体吐出ヘッドはさらに、第1のシリコン層の第1の凹部を覆い、液体を圧力室に流入させる絞り開口を備えた絞り板と、第2の凹部の、露出した中間層に設けられている圧電素子と、を有している。 Note that the liquid discharge head of the present invention is not limited to the SOI substrate, and is generally disposed between the first layer, the second layer, the first layer, and the second layer, And an intermediate layer in physical contact with the second layer. The first layer includes a first recess that partially exposes the intermediate layer and forms a pressure chamber that stores liquid, and the second layer includes a discharge port from which liquid is discharged and the intermediate layer partially The intermediate layer has a through hole that communicates the discharge port with the pressure chamber. The liquid discharge head is further provided in an exposed intermediate layer of a diaphragm plate that covers the first recess of the first silicon layer and has a throttle opening for allowing the liquid to flow into the pressure chamber, and the second recess. And a piezoelectric element.
116 SOI基板
117 第1のシリコン層
118 中間層
119 第2のシリコン層
120 吐出口
121 第2の凹部
122 圧電素子
130 圧力室
131 絞り板
150 第1の凹部
116
Claims (23)
前記第1のシリコン層の前記第1の凹部を覆い、液体を前記圧力室に流入させる絞り開口を備えた絞り板と、
前記第2の凹部の、露出した前記中間層に設けられている圧電素子と、を有する、液体吐出ヘッド。 A first silicon layer; a second silicon layer; and an intermediate layer made of an inorganic material disposed between the first silicon layer and the second silicon layer. The layer includes a first recess that partially exposes the intermediate layer and forms a pressure chamber for storing liquid, and the second silicon layer includes a discharge port from which liquid is discharged and the intermediate layer partially An SOI substrate having an opening that allows the discharge port to communicate with the pressure chamber;
A diaphragm plate having a diaphragm opening that covers the first recess of the first silicon layer and allows liquid to flow into the pressure chamber;
And a piezoelectric element provided in the exposed intermediate layer of the second recess.
圧電素子を前記第2の凹部の、露出した前記中間層に設けることと、
前記第2の層に液体が吐出する吐出口を形成するとともに、前記中間層に前記吐出口と連通する貫通孔を形成することと、
前記第1の層に、前記貫通孔と連通し前記中間層を部分的に露出させる第1の凹部を形成することと、
絞り開口を備えた絞り板を、前記絞り開口が前記第1の凹部と連通するように前記基板に接合することで、前記第1のシリコン層と前記中間層と前記絞り板とによって画定され、液体を貯留する圧力室を形成することと、を有する液体吐出ヘッドの製造方法。 The intermediate layer on the second layer of the substrate comprising: a first layer; a second layer; and an intermediate layer disposed between the first layer and the second layer. Forming a second recess that is partially exposed;
Providing a piezoelectric element on the exposed intermediate layer of the second recess;
Forming a discharge port through which the liquid is discharged in the second layer, and forming a through hole communicating with the discharge port in the intermediate layer;
Forming a first recess in the first layer that communicates with the through hole and partially exposes the intermediate layer;
A diaphragm plate having a diaphragm aperture is defined by the first silicon layer, the intermediate layer, and the diaphragm plate by bonding the diaphragm aperture to the substrate so that the diaphragm aperture communicates with the first recess. Forming a pressure chamber for storing liquid, and a method for manufacturing a liquid discharge head.
前記第2の凹部を延び、前記第1の層を貫通し、前記境界面を延び、前記圧電素子を前記電極パッドに接続する引き出し配線を設けることと、を有する、請求項12または13に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。 Providing an electrode pad in the vicinity of the interface between the first layer and the diaphragm plate;
The lead wire extending through the second concave portion, penetrating the first layer, extending through the boundary surface, and connecting the piezoelectric element to the electrode pad is provided. Manufacturing method of the liquid discharge head.
前記第2の凹部を延び、前記第1の層を貫通し、前記絞り板の内部を延び、前記圧電素子を前記CMOSスイッチに接続する引き出し配線を設けることと、を有する、請求項12または13に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。 Providing a CMOS switch inside the aperture plate;
14. A lead wire extending through the second recess, penetrating through the first layer, extending through the inside of the aperture plate, and connecting the piezoelectric element to the CMOS switch is provided. A manufacturing method of a liquid discharge head given in 2.
前記第1のシリコン層の前記第1の凹部を覆い、液体を前記圧力室に流入させる絞り開口を備えた絞り板と、
前記第2の凹部の、露出した前記中間層に設けられている圧電素子と、を有する、液体吐出ヘッド。 A first layer, a second layer, an intermediate layer disposed between the first layer and the second layer and in physical contact with the first layer and the second layer; The first layer includes a first recess that partially exposes the intermediate layer and forms a pressure chamber that stores liquid, and the second layer discharges liquid. An outlet and a second recess that partially exposes the intermediate layer, the intermediate layer having a through hole that communicates the discharge port with the pressure chamber;
A diaphragm plate having a diaphragm opening that covers the first recess of the first silicon layer and allows liquid to flow into the pressure chamber;
And a piezoelectric element provided in the exposed intermediate layer of the second recess.
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