JP3786178B2 - Inkjet recording head, method for manufacturing the same, and inkjet recording apparatus - Google Patents

Inkjet recording head, method for manufacturing the same, and inkjet recording apparatus Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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、この振動板を介して圧電素子を設けて、圧電素子の変位により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その製造方法並びに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】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のインクジェット式記録ヘッドでは、圧力発生室が流路形成基板を貫通して形成されているため、圧力発生室の配列密度を高くすると、圧力発生室を区画する隔壁の厚みが薄くなり、隣接する圧力発生室間でクロストークが発生するという問題がある。
【0007】
このような問題を解決するために、流路形成基板の厚さを薄くすることが望ましいが、流路形成基板自体の剛性が低くなり、製造過程においてクラック等が派生するという問題がある。
【0008】
また、このようなインクジェット式記録ヘッドでは、インク滴を吐出するための複数のノズル開口を穿設したノズルプレートが用いられ、このノズルプレートがノズル開口と圧力発生室とを連通するように流路形成基板に接着剤等によって接合されている。このため、圧力発生室を高密度に配設すると、ノズルプレートと流路形成基板との接着面積が小さくなるため、接着剤が圧力発生室内に過度に流れ出し、特性劣化が生じる虞がある。
【0009】
本発明は、このような事情に鑑み、流路形成基板の厚さを薄くできると共に破損を防止でき、良好なインク吐出特性を保持できるインクジェット式記録ヘッド及びその製造方法並びにインクジェット式記録装置を提供することを課題とする。
【0010】
【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、ノズル開口が穿設されたノズルプレートと、前記ノズル開口に連通する圧力発生室が画成された流路形成基板と、該流路形成基板の前記圧力発生室に対応する領域に振動板を介して設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備するインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記ノズルプレートと前記流路形成基板とが単結晶シリコンからなり、これらが接着剤を用いることなく酸化シリコン膜を介して接合されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【0011】
かかる第1の態様では、流路形成基板とノズルプレートとが酸化シリコン膜によって良好に接合されて一体構造となり、流路形成基板の剛性が向上すると共にインク吐出特性が良好に保持される。
【0012】
本発明の第2の態様は、第1の態様において、前記圧力発生室及び前記ノズル開口の内面に前記酸化シリコン膜が連続的に形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【0013】
かかる第2の態様では、流路形成基板とノズルプレートとを熱酸化することによって形成された酸化シリコン膜で接合した結果、圧力発生室及びノズル開口の内面に酸化シリコン膜が形成される。
【0014】
本発明の第3の態様は、第1又は2の態様において、前記酸化シリコン膜内には、前記流路形成基板又は前記ノズルプレートの何れか一方の接合面から他方の接合面まで突出する複数の突起部が埋設されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【0015】
かかる第3の態様では、突起部を挟んで流路形成基板とノズルプレートとを酸化シリコン膜によって接合した結果、酸化シリコン膜内に突起部が埋設される。
【0016】
本発明の第4の態様は、第1〜3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、前記圧電素子を構成する各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【0017】
かかる第4の態様では、比較的容易に圧力発生室を高精度且つ高密度に形成することができる。
【0018】
本発明の第5の態様は、第1〜4の何れかの態様のインクジェット式記録ヘッドを具備することを特徴とするインクジェット式記録装置にある。
【0019】
かかる第5の態様では、常に良好なインク吐出特性が得られ、信頼性を向上したインクジェット式記録装置を実現できる。
【0020】
本発明の第6の態様は、単結晶シリコンからなりノズル開口が穿設されたノズルプレートと、単結晶シリコンからなり前記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、この圧力発生室の一部を構成する振動板を介して前記圧力発生室に対応する領域に形成された圧電素子とを備えたインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、前記流路形成基板の一方面に前記振動板の少なくとも一部を構成する弾性膜を形成する第1の工程と、前記流路形成基板の他方面側からエッチングすることにより前記圧力発生室を形成する第2の工程と、前記流路形成基板の開口面側と前記ノズルプレートとを所定の間隔を空けた状態で前記流路形成基板と前記ノズルプレートとを熱酸化して両者を酸化シリコン膜によって接合する第3の工程と、前記圧電素子を形成する第4の工程とを有することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【0021】
かかる第6の態様では、流路形成基板とノズルプレートとを酸化シリコン膜によって、容易且つ良好に接合することができる。
【0022】
本発明の第7の態様は、第6の態様において、前記第3の工程は、前記流路形成基板又は前記ノズルプレートの少なくとも何れか一方の接合面に、一定の高さで突出する複数の突起部を形成する工程を含み、前記突起部を他方の接合面と当接させることにより前記流路形成基板と前記ノズルプレートとの間に空間を確保した状態で両者を熱酸化して接合することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【0023】
かかる第7の態様では、流路形成基板及びノズルプレートのそれぞれの接合面に形成される酸化シリコン膜によって両者が接合される。
【0024】
本発明の第8の態様は、第6の態様において、前記第3の工程では、前記流路形成基板又は前記ノズルプレートの何れか一方の表面に一体的に形成された酸化シリコン膜に他方の接合面を当接させた状態で熱酸化して両者を接合することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【0025】
かかる第8の態様では、他方の接合面に酸化シリコン膜が形成されて、両者が接合される。
【0026】
本発明の第9の態様は、第8の態様において、前記第2の工程では、前記流路形成基板の表面に形成された酸化シリコン膜をマスクとして前記流路形成基板のエッチングを行い、前記第3の工程では、前記ノズルプレートの接合面をマスクとして用いた酸化シリコン膜に当接させた状態で熱酸化して両者を接合することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【0027】
かかる第9の態様では、圧力発生室を形成するためのマスクとして用いられる酸化シリコン膜を用いて流路形成基板とノズルプレートとを接合するため、製造工程が簡略化される。
【0028】
【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。
【0029】
(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の平面図及び断面図である。
【0030】
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、流路形成基板10には、その一方の面から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁11により区画された圧力発生室12が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との間の中継室となる連通部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。
【0031】
また、この流路形成基板10の他方の面には、例えば、酸化シリコン膜(SiO)からなる第1の弾性膜50と、例えば、酸化ジルコニウム(ZrO)等からなる第2の弾性膜51が形成されている。
【0032】
ここで、異方性エッチングは、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ものである。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。
【0033】
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をほぼ貫通して第1の弾性膜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、第1の弾性膜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。
【0034】
なお、このような流路形成基板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。例えば、180dpi程度の解像度が得られるように圧力発生室12を配置する場合、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程度の解像度が得られるように圧力発生室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。
【0035】
また、流路形成基板10の他方面側には、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が接着剤によって接合されている。このノズルプレート20は、シリコン単結晶基板からなり、ノズル開口21はシリコン単結晶基板をドライエッチングすることによって形成されている。なお、本実施形態では、ノズル開口21は、インク滴が吐出されるノズル部21aと、ノズル部21aよりも大きい径で形成されノズル部21aと圧力発生室12とを連通するノズル連通部21bとからなる。
【0036】
ここで、ノズル開口21のノズル部21aの大きさと圧力発生室12の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出スピード、吐出周波数等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、ノズル部21aは数十μmの直径で精度よく形成する必要がある。
【0037】
ここで、このノズルプレート20と流路形成基板10とは、本実施形態では、酸化シリコン膜100を介して接合されている。すなわち、ノズルプレート20と流路形成基板10とは、接着剤を用いて接着するのではなく、酸化シリコン膜100によって一体構造となっている。また、本実施形態では、この酸化シリコン膜内には、流路形成基板10の接合面からノズルプレートの接合面まで突出する突起部55が埋設されている。なお、これら流路形成基板10とノズルプレート20との接合方法については、詳しく後述する。
【0038】
また、流路形成基板10に形成された各圧力発生室12の内面、ノズルプレート20に穿設されたノズル開口21の内面及びノズルプレート20の表面にも、酸化シリコン膜100が連続的に形成されている。
【0039】
一方、流路形成基板10に設けられた第2の弾性膜51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0.5〜3μm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320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、駆動回路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、各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。
【0040】
なお、各圧電素子300の個別電極である上電極膜80は、圧電素子300の長手方向端部から周壁上に延設されたリード電極90を介して図示しない外部配線と接続されている。
【0041】
ここで、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図3及び図4を参照して説明する。なお、図3及び図4は、圧力発生室12の幅方向の断面図である。
【0042】
まず、図3(a)に示すように、流路形成基板10の一方面に第1の弾性膜50を形成すると共に、他方面に保護膜52を形成する。すなわち、流路形成基板10となるシリコン単結晶基板を約1100℃の拡散炉で熱酸化することにより、流路形成基板10の表面にそれぞれ酸化シリコンからなる第1の弾性膜50及び保護膜52が形成される。
【0043】
次に、図3(b)に示すように、第1の弾性膜50上にジルコニウム層を形成後、例えば、500〜1200℃の拡散炉で熱酸化して酸化ジルコニウムからなる第2の弾性膜51を形成する。
【0044】
次いで、図3(c)に示すように、保護膜52をパターニングして、圧力発生室12、連通部13及びインク供給路14が形成される領域に開口部52aを形成し、その後、この開口部52aを介して流路形成基板10をエッチングして圧力発生室12、連通部13及びインク供給路14を形成する。
【0045】
次いで、図4(a)に示すように、保護膜52をさらにパターニングすることにより、流路形成基板10の表面に複数の突起部55を形成する。これら突起部55は、後述する工程で流路形成基板10とノズルプレート20とを接合する際に、両者の間に空間を保持するためのものであり、各突起部55の大きさ、形状等は特に限定されないが、高さが略同一であることが好ましい。また、この突起部55の数及び形成位置は、特に限定されないが、流路形成基板10の全面に略一定の間隔で設けることが好ましい。
【0046】
次に、図4(b)に示すように、流路形成基板10とノズルプレート20との間に所定間隔を空けた状態で両者を熱酸化することによって両者を接合する。具体的には、流路形成基板10の表面に形成された突起部55をノズルプレート20の表面に当接させ、流路形成基板10とノズルプレート20との間に空間を確保した状態で、約1100℃に加熱して流路形成基板10及びノズルプレート20を熱酸化する。これにより、流路形成基板10とノズルプレート20とのそれぞれの表面に酸化シリコン膜100が形成されていき、この酸化シリコン膜100が一体化することにより両者が接合される。すなわち、流路形成基板10とノズルプレート20とが一体構造となる。
【0047】
なお、このとき、圧力発生室12の内面、ノズル開口21の内面及びノズルプレート20の表面にも、同時に酸化シリコン膜100が連続的に形成される。
【0048】
ここで、本実施形態では、突起部55が流路形成基板10の全面に略一定の間隔で形成されているため、これらの突起部55をノズルプレート20の表面に当接させることにより、流路形成基板10とノズルプレート20との間には略均一な幅で空間が画成される。したがって、流路形成基板10とノズルプレート20とを熱酸化することにより、酸化シリコン膜100が均一に形成されて流路形成基板10とノズルプレート20とが良好に接合される。
【0049】
また、本実施形態では、流路形成基板10とノズルプレート20とを接着剤を用いることなく酸化シリコン膜100によって接合しているので、圧力発生室12等に接着剤が流れ込むことがないため、ノズル詰まりや振動板が拘束されることによる特性劣化を防止できる。
【0050】
また、接着剤を使用していないため、例えば、後述する圧電体層70の焼成等、高温プロセスに対応できる。したがって、圧電素子300を形成する前に流路形成基板10とノズルプレート20とを接合しておくことができる。これにより、流路形成基板10の剛性が向上するため、製造過程で流路形成基板10にクラックが発生するのを防止することができる。さらに、比較的厚さの薄い流路形成基板10を用いても、ノズルプレート20を接合することにより剛性が向上するため、クラックの発生等を防止できると共に取り扱いが容易となる。
【0051】
さらに、流路形成基板10とノズルプレート20との接合時に、圧力発生室12の内面等に酸化シリコン膜100が連続的に形成されるため、圧力発生室12等のインク流路となる部分の親水性が向上し、インク吐出特性が向上する。
【0052】
また、ノズルプレート20が流路形成基板10と同一材料で形成されているため、流路形成基板10との接着時の熱工程や実装時の後工程の熱工程で、反りや反応の発生がなく、流路形成基板10あるいはノズルプレート20に割れが発生することがない。
【0053】
なお、本実施形態では、流路形成基板10の接合面に、複数の突起部55を設けるようにしたが、これに限定されず、勿論、ノズルプレート20の接合面に設けるようにしてもよい。
【0054】
また、本実施形態では、流路形成基板10とノズルプレート20との間に突起部55によって所定の空間を保持した状態で両者を熱酸化することにより、これらの表面に形成される酸化シリコン膜100によって両者を接合するようにしたが、これら流路形成基板10とノズルプレート20との接合方法はこれに限定されない。例えば、流路形成基板10に形成された酸化シリコンからなる保護膜52にノズルプレート20を当接させた状態、すなわち、保護膜55を介して流路形成基板10とノズルプレート20との間に所定間隔を空けた状態で、約1600℃に加熱することによっても両者を良好に接合することができる。また、勿論、ノズルプレート20の表面に、別途、酸化シリコン膜を設けるようにしてもよいことは言うまでもない。
【0055】
また、このように流路形成基板10とノズルプレート20との接合後は、流路形成基板10のノズルプレート20との接合面とは反対面側に、各圧力発生室12に対応して圧電素子300を形成する。
【0056】
具体的には、まず、図4(c)に示すように、第2の弾性膜51の全面にスパッタリングで下電極膜60を形成後、下電極膜60をパターニングして全体パターンを形成する。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、酸化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。
【0057】
次に、図5(a)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。
【0058】
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。
【0059】
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。
【0060】
次に、図5(b)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。
【0061】
次に、図5(c)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。
【0062】
なお、その後、例えば、金(Au)等からなる金属層を流路形成基板10の全面に亘って形成すると共に、各圧電素子300毎にパターニングしてリード電極90を形成する。
【0063】
なお、実際には、このような一連の膜形成及び異方性エッチングによって、一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成し、プロセス終了後、図1に示すような一つのチップサイズの流路形成基板10毎に分割する。そして、分割した流路形成基板10に、後述するリザーバ形成基板30及びコンプライアンス基板40を順次接着して一体化し、インクジェット式記録ヘッドとする。
【0064】
すなわち、図1及び図2に示すように、圧力発生室12等が形成された流路形成基板10の圧電素子300側には、リザーバ31を有するリザーバ形成基板30が接合されている。このリザーバ31は、本実施形態では、リザーバ形成基板30を厚さ方向に貫通して圧力発生室12の幅方向に亘って形成されている。そして、このリザーバ部31は、第1及び第2の弾性膜50,51及び下電極膜60を貫通して設けられる貫通孔57を介して流路形成基板10の連通部13と連通されている。
【0065】
また、リザーバ形成基板30の圧電素子300に対向する領域には、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33が設けらている。そして、圧電素子300の少なくとも圧電体能動部320は、この圧電素子保持部33内に密封され、大気中の水分等の外部環境に起因する圧電素子300の破壊を防止している。
【0066】
このリザーバ形成基板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。これにより、上述のノズルプレート20の場合と同様に、両者を熱硬化性の接着剤を用いた高温での接着であっても両者を確実に接着することができる。したがって、製造工程を簡略化することができる。
【0067】
さらに、このリザーバ形成基板30には、封止膜41及び固定板42と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のポリフェニレンスルフィド(PPS)フィルム)からなり、この封止膜41によってリザーバ部31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31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31の一方面は可撓性を有する封止膜41のみで封止され、内部圧力の変化によって変形可能な可撓部32となっている。
【0068】
また、このリザーバ31の長手方向略中央部外側のコンプライアンス基板40上には、リザーバ31にインクを供給するためのインク導入口35が形成されている。さらに、リザーバ形成基板30には、インク導入口35とリザーバ31の側壁とを連通するインク導入路36が設けられている。
【0069】
このように構成したインクジェット式記録ヘッドは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口35からインクを取り込み、リザーバ31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、図示しない外部の駆動回路からの記録信号に従い、上電極膜80と下電極膜60との間に電圧を印加し、第1及び第2の弾性膜50,52、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、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。
【0070】
(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。
【0071】
例えば、上述した実施形態では、流路形成基板10上に、第1及び第2の弾性膜50及び51を設けるようにしたが、これに限定されず、例えば、第1の弾性膜50又は第2の弾性膜51の何れか一方のみを設けるようにしてもよい。
【0072】
また、例えば、上述した実施形態は、成膜及びリソグラフィプロセスを応用することにより製造でき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、基板を積層して圧力発生室を形成するもの、あるいはグリーンシートを貼付もしくはスクリーン印刷等により圧電体層を形成するもの、又は水熱法等の結晶成長により圧電体層を形成するもの等、各種の構造のインクジェット式記録ヘッドに本発明を採用することができる。
【0073】
このように、本発明は、その趣旨に反しない限り、種々の構造のインクジェット式記録ヘッドに応用することができる。
【0074】
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6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。
【0075】
図6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。
【0076】
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3に沿ってプラテン8が設けられている。このプラテン8は図示しない紙送りモータの駆動力により回転できるようになっており、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に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
【0077】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、流路形成基板とノズルプレートとを接着剤を介することなく酸化シリコン膜を介して接合するようにしたので、製造工程において、高温プロセスを必要とする圧電素子の形成工程前に、流路形成基板とノズルプレートとを接合して一体構造とすることができる。これにより、比較的厚さの薄い流路形成基板を用いても流路形成基板の剛性が保持され、製造過程での破損を防止することができる。また、比較的厚さの薄い流路形成基板を用いることにより、隔壁の剛性が向上するため圧力発生室を比較的高密度に配列してもクロストークを防止することができる。
【0078】
さらに、流路形成基板とノズルプレートとの接合に接着剤を用いていないため、圧力発生室等に接着剤が流れ込むことによる特性劣化がなく、信頼性を向上したインクジェット式記録ヘッドを実現することができる。
【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分解斜視図である。
【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を示す図であり、図1の断面図である。
【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製造工程を示す断面図である。
【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
11 隔壁
12 圧力発生室
20 ノズルプレート
21 ノズル開口
50 第1の弾性膜
51 第2の弾性膜
60 下電極膜
70 圧電体層
80 上電極膜
90 リード電極
100 酸化シリコン膜
300 圧電素子
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is an inkjet in which a part of a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for ejecting ink droplets is constituted by a diaphragm, and a piezoelectric element is provided through the diaphragm, and ink droplets are ejected by displacement of the piezoelectric element. The present invention relates to a recording head, a manufacturing method thereof, and an ink jet recording apparatus.
[0002]
[Prior art]
A part of the pressure generation chamber communicating with the nozzle opening for discharging ink droplets is constituted by a vibration plate, and the vibration plate is deformed by a piezoelectric element to pressurize the ink in the pressure generation chamber to discharge ink droplets from the nozzle opening. Two types of ink jet recording heads have been put into practical use: those using a longitudinal vibration mode piezoelectric actuator that extends and contracts in the axial direction of the piezoelectric element, and those using a flexural vibration mode piezoelectric actuator.
[0003]
The former can change the volume of the pressure generation chamber by bringing the end face of the piezoelectric element into contact with the vibration plate, and it is possible to manufacture a head suitable for high-density printing, while the piezoelectric element is arranged in an array of nozzle openings. There is a problem that the manufacturing process is complicated because a difficult process of matching the pitch into a comb-like shape and an operation of positioning and fixing the cut piezoelectric element in the pressure generating chamber are necessary.
[0004]
On the other hand, the latter can flexibly vibrate, although a piezoelectric element can be built on the diaphragm by a relatively simple process of sticking a green sheet of piezoelectric material according to the shape of the pressure generation chamber and firing it. There is a problem that a certain amount of area is required for the use of, and high-density arrangement is difficult.
[0005]
On the other hand, in order to eliminate the inconvenience of the latter recording head, a uniform piezoelectric material layer is formed by a film forming technique over the entire surface of the diaphragm as seen in Japanese Patent Laid-Open No. 5-286131. A material in which a piezoelectric layer is formed so that a material layer is cut into a shape corresponding to a pressure generation chamber by a lithography method and is independent for each pressure generation chamber has been proposed.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described ink jet recording head, the pressure generating chambers are formed so as to penetrate the flow path forming substrate. Therefore, when the arrangement density of the pressure generating chambers is increased, the thickness of the partition walls defining the pressure generating chambers is reduced. There is a problem that crosstalk occurs between adjacent pressure generation chambers.
[0007]
In order to solve such a problem, it is desirable to reduce the thickness of the flow path forming substrate, but there is a problem that the rigidity of the flow path forming substrate itself is reduced and cracks and the like are derived in the manufacturing process.
[0008]
Further, in such an ink jet recording head, a nozzle plate having a plurality of nozzle openings for ejecting ink droplets is used, and a flow path is provided so that the nozzle plate communicates with the nozzle opening and the pressure generating chamber. It is bonded to the formation substrate with an adhesive or the like. For this reason, when the pressure generating chambers are arranged at a high density, the adhesive area between the nozzle plate and the flow path forming substrate becomes small, so that the adhesive may flow excessively into the pressure generating chambers, resulting in characteristic deterioration.
[0009]
In view of such circumstances, the present invention provides an ink jet recording head that can reduce the thickness of a flow path forming substrate, prevent breakage, and maintain good ink discharge characteristics, a manufacturing method thereof, and an ink jet recording apparatus. The task is to do.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention for solving the above problems, a nozzle plate having a nozzle opening, a flow path forming substrate in which a pressure generating chamber communicating with the nozzle opening is defined, and the flow path forming substrate. In the ink jet recording head comprising a lower electrode provided in a region corresponding to the pressure generating chamber via a vibration plate, a piezoelectric element composed of a piezoelectric layer and an upper electrode, the nozzle plate and the flow path forming substrate Are made of single crystal silicon, and these are bonded via a silicon oxide film without using an adhesive.
[0011]
In the first aspect, the flow path forming substrate and the nozzle plate are well bonded by the silicon oxide film to form an integral structure, and the rigidity of the flow path forming substrate is improved and the ink ejection characteristics are well maintained.
[0012]
According to a second aspect of the present invention, there is provided the ink jet recording head according to the first aspect, wherein the silicon oxide film is continuously formed on an inner surface of the pressure generating chamber and the nozzle opening.
[0013]
In the second aspect, as a result of joining the flow path forming substrate and the nozzle plate with the silicon oxide film formed by thermal oxidation, the silicon oxide film is formed on the inner surfaces of the pressure generating chamber and the nozzle opening.
[0014]
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the silicon oxide film includes a plurality of protrusions projecting from one joint surface of the flow path forming substrate or the nozzle plate to the other joint surface. The protrusion is embedded in an ink jet recording head.
[0015]
In the third aspect, as a result of joining the flow path forming substrate and the nozzle plate with the silicon oxide film with the protrusion interposed therebetween, the protrusion is embedded in the silicon oxide film.
[0016]
According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the pressure generating chamber is formed on a silicon single crystal substrate by anisotropic etching, and each layer constituting the piezoelectric element is formed and lithographically formed. The ink jet recording head is formed by a method.
[0017]
In the fourth aspect, the pressure generation chamber can be formed with high accuracy and high density relatively easily.
[0018]
A fifth aspect of the present invention is an ink jet recording apparatus comprising the ink jet recording head according to any one of the first to fourth aspects.
[0019]
In the fifth aspect, it is possible to realize an ink jet recording apparatus that always has good ink ejection characteristics and improved reliability.
[0020]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a nozzle plate made of single crystal silicon and having a nozzle opening, a flow path forming substrate made of single crystal silicon and having a pressure generation chamber communicating with the nozzle opening, In a manufacturing method of an ink jet recording head comprising a piezoelectric element formed in a region corresponding to the pressure generation chamber via a vibration plate constituting a part of the pressure generation chamber, on one surface of the flow path forming substrate A first step of forming an elastic film constituting at least a part of the diaphragm; a second step of forming the pressure generating chamber by etching from the other surface side of the flow path forming substrate; and the flow In a state where the opening surface side of the path forming substrate and the nozzle plate are spaced apart from each other by a predetermined distance, the flow path forming substrate and the nozzle plate are thermally oxidized to join both with a silicon oxide film. And extent, in the manufacturing method of the ink jet recording head characterized in that it comprises a fourth step of forming the piezoelectric element.
[0021]
In the sixth aspect, the flow path forming substrate and the nozzle plate can be easily and satisfactorily joined with the silicon oxide film.
[0022]
According to a seventh aspect of the present invention, in the sixth aspect, the third step includes a plurality of protrusions projecting at a certain height on at least one of the joining surfaces of the flow path forming substrate and the nozzle plate. Including a step of forming a protrusion, and the protrusion is brought into contact with the other bonding surface so that a space is secured between the flow path forming substrate and the nozzle plate, and both are thermally oxidized and bonded together. The present invention is directed to a method for manufacturing an ink jet recording head.
[0023]
In the seventh aspect, both are bonded by the silicon oxide film formed on each bonding surface of the flow path forming substrate and the nozzle plate.
[0024]
According to an eighth aspect of the present invention, in the sixth aspect, in the third step, the silicon oxide film integrally formed on the surface of either the flow path forming substrate or the nozzle plate is the other step. An ink jet recording head manufacturing method is characterized in that both are bonded by thermal oxidation in a state where the bonding surfaces are in contact with each other.
[0025]
In the eighth aspect, a silicon oxide film is formed on the other bonding surface, and both are bonded.
[0026]
According to a ninth aspect of the present invention, in the eighth aspect, in the second step, the flow path forming substrate is etched using the silicon oxide film formed on the surface of the flow path forming substrate as a mask. In the third step, there is provided an ink jet recording head manufacturing method, wherein the nozzle plate is thermally oxidized in a state where the bonding surface of the nozzle plate is in contact with a silicon oxide film used as a mask to bond the two.
[0027]
In the ninth aspect, since the flow path forming substrate and the nozzle plate are bonded using the silicon oxide film used as a mask for forming the pressure generating chamber, the manufacturing process is simplified.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
[0029]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an ink jet recording head according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view of FIG.
[0030]
As shown in the figure, the flow path forming substrate 10 is composed of a silicon single crystal substrate having a plane orientation (110) in the present embodiment, and the flow path forming substrate 10 is anisotropically etched from one surface thereof. Pressure generating chambers 12 partitioned by a plurality of partition walls 11 are arranged side by side in the width direction. Further, a communication portion 13 serving as a relay chamber between the reservoirs of the reservoir forming substrate, which will be described later, is formed outside the pressure generation chamber 12 in the longitudinal direction. 14 to communicate with each other.
[0031]
Further, on the other surface of the flow path forming substrate 10, for example, a first elastic film 50 made of a silicon oxide film (SiO 2 ) and a second elastic film made of, for example, zirconium oxide (ZrO 2 ) or the like. 51 is formed.
[0032]
Here, in the anisotropic etching, when the silicon single crystal substrate is immersed in an alkaline solution such as KOH, the first (111) plane perpendicular to the (110) plane is gradually eroded and the first (111) The second (111) plane that forms an angle of about 70 degrees with the (110) plane and the angle of about 35 degrees with the (110) plane appears, and is compared with the etching rate of the (110) plane (111) This is performed by utilizing the property that the etching rate of the surface is about 1/180. By this anisotropic etching, precision processing can be performed based on the parallelogram depth processing formed by two first (111) surfaces and two oblique second (111) surfaces. The pressure generating chambers 12 can be arranged with high density.
[0033]
In the present 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 generation chamber 12 is formed by etching until it substantially passes through the flow path forming substrate 10 and reaches the first elastic film 50. Here, the amount of the first elastic film 50 eroded by the alkaline solution for etching the silicon single crystal substrate is extremely small. In addition, each ink supply path 14 communicating with one end of each pressure generation chamber 12 is formed shallower than the pressure generation chamber 12, and the flow path resistance of the ink flowing into the pressure generation chamber 12 is kept constant. That is, the ink supply path 14 is formed by etching the silicon single crystal substrate halfway in the thickness direction (half etching). Half etching is performed by adjusting the etching time.
[0034]
Note that the thickness of the flow path forming substrate 10 is selected in accordance with the density at which the pressure generating chambers 12 are disposed. For example, when the pressure generating chamber 12 is arranged so as to obtain a resolution of about 180 dpi, the thickness of the flow path forming substrate 10 is preferably about 180 to 280 μm, more preferably about 220 μm. For example, when the pressure generating chamber 12 is arranged so as to obtain a resolution of 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 between adjacent pressure generating chambers.
[0035]
Further, a nozzle plate 20 in which a nozzle opening 21 communicating with the opposite side to the ink supply path 14 of each pressure generating chamber 12 is bonded to the other surface side of the flow path forming substrate 10 is joined by an adhesive. . The nozzle plate 20 is made of a silicon single crystal substrate, and the nozzle openings 21 are formed by dry etching the silicon single crystal substrate. In the present embodiment, the nozzle opening 21 includes a nozzle portion 21a that ejects ink droplets, and a nozzle communication portion 21b that is formed with a larger diameter than the nozzle portion 21a and communicates the nozzle portion 21a and the pressure generation chamber 12. Consists of.
[0036]
Here, the size of the nozzle portion 21a of the nozzle opening 21 and the size of the pressure generating chamber 12 are optimized according to the amount of ink droplets to be ejected, the ejection speed, the ejection frequency, and the like. For example, when 360 ink droplets are recorded per inch, the nozzle portion 21a needs to be accurately formed with a diameter of several tens of μm.
[0037]
Here, the nozzle plate 20 and the flow path forming substrate 10 are bonded via the silicon oxide film 100 in the present embodiment. That is, the nozzle plate 20 and the flow path forming substrate 10 are integrated with the silicon oxide film 100 instead of being bonded using an adhesive. Further, in the present embodiment, a protrusion 55 protruding from the bonding surface of the flow path forming substrate 10 to the bonding surface of the nozzle plate is embedded in the silicon oxide film. A method for joining the flow path forming substrate 10 and the nozzle plate 20 will be described in detail later.
[0038]
Further, the silicon oxide film 100 is continuously formed on the inner surface of each pressure generating chamber 12 formed on the flow path forming substrate 10, the inner surface of the nozzle opening 21 formed in the nozzle plate 20, and the surface of the nozzle plate 20. Has been.
[0039]
On the other hand, on the second elastic film 51 provided on the flow path forming substrate 10, a lower electrode film 60 having a thickness of, for example, about 0.2 μm and a thickness of, for example, about 0.5 to 3 μm. The piezoelectric layer 70 and the upper electrode film 80 having a thickness of, for example, about 0.1 μm are laminated by a process described later to constitute the piezoelectric element 300. 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. In general, one electrode of the piezoelectric element 300 is used as a common electrode, and the other electrode and the piezoelectric layer 70 are patterned for each pressure generating chamber 12. In this case, a portion that is configured by any one of the patterned electrodes and the piezoelectric layer 70 and in which piezoelectric distortion is generated by applying a voltage to both electrodes is referred to as a piezoelectric active portion 320. In this embodiment, the lower electrode film 60 is a common electrode of the piezoelectric element 300, and the upper electrode film 80 is an individual electrode of the piezoelectric element 300. However, there is no problem even if this is reversed for the convenience of the drive circuit and wiring. In either case, a piezoelectric active part is formed for each pressure generating chamber. Further, here, the piezoelectric element 300 and the vibration plate that is displaced by driving the piezoelectric element 300 are collectively referred to as a piezoelectric actuator.
[0040]
The upper electrode film 80 that is an individual electrode of each piezoelectric element 300 is connected to an external wiring (not shown) via a lead electrode 90 that extends from the longitudinal end of the piezoelectric element 300 on the peripheral wall.
[0041]
Here, a method of manufacturing such an ink jet recording head will be described with reference to FIGS. 3 and 4 are cross-sectional views of the pressure generation chamber 12 in the width direction.
[0042]
First, as shown in FIG. 3A, the first elastic film 50 is formed on one surface of the flow path forming substrate 10, and the protective film 52 is formed on the other surface. That is, the first elastic film 50 and the protective film 52 made of silicon oxide are respectively formed on the surface of the flow path forming substrate 10 by thermally oxidizing the silicon single crystal substrate to be the flow path forming substrate 10 in a diffusion furnace at about 1100 ° C. Is formed.
[0043]
Next, as shown in FIG. 3B, after forming a zirconium layer on the first elastic film 50, for example, a second elastic film made of zirconium oxide is thermally oxidized in a diffusion furnace at 500 to 1200 ° C. 51 is formed.
[0044]
Next, as shown in FIG. 3C, the protective film 52 is patterned to form an opening 52a in a region where the pressure generating chamber 12, the communication portion 13, and the ink supply path 14 are formed. The flow path forming substrate 10 is etched through the part 52 a to form the pressure generation chamber 12, the communication part 13, and the ink supply path 14.
[0045]
Next, as shown in FIG. 4A, the protective film 52 is further patterned to form a plurality of protrusions 55 on the surface of the flow path forming substrate 10. These protrusions 55 are for holding a space between the flow path forming substrate 10 and the nozzle plate 20 in a process to be described later. Is not particularly limited, but preferably has substantially the same height. Further, the number and positions of the projections 55 are not particularly limited, but it is preferable to provide the projections 55 on the entire surface of the flow path forming substrate 10 at substantially constant intervals.
[0046]
Next, as shown in FIG. 4B, the two are joined by thermally oxidizing the flow path forming substrate 10 and the nozzle plate 20 with a predetermined gap therebetween. Specifically, the protrusion 55 formed on the surface of the flow path forming substrate 10 is brought into contact with the surface of the nozzle plate 20, and a space is secured between the flow path forming substrate 10 and the nozzle plate 20, The flow path forming substrate 10 and the nozzle plate 20 are thermally oxidized by heating to about 1100 ° C. As a result, the silicon oxide film 100 is formed on the respective surfaces of the flow path forming substrate 10 and the nozzle plate 20, and the silicon oxide film 100 is integrated to join the two. That is, the flow path forming substrate 10 and the nozzle plate 20 have an integral structure.
[0047]
At this time, the silicon oxide film 100 is continuously formed on the inner surface of the pressure generating chamber 12, the inner surface of the nozzle opening 21, and the surface of the nozzle plate 20 at the same time.
[0048]
Here, in this embodiment, since the protrusions 55 are formed on the entire surface of the flow path forming substrate 10 at substantially constant intervals, the flow of the protrusions 55 by bringing them into contact with the surface of the nozzle plate 20. A space is defined between the path forming substrate 10 and the nozzle plate 20 with a substantially uniform width. Therefore, by thermally oxidizing the flow path forming substrate 10 and the nozzle plate 20, the silicon oxide film 100 is uniformly formed, and the flow path forming substrate 10 and the nozzle plate 20 are favorably bonded.
[0049]
In the present embodiment, since the flow path forming substrate 10 and the nozzle plate 20 are joined by the silicon oxide film 100 without using an adhesive, the adhesive does not flow into the pressure generating chamber 12 or the like. It is possible to prevent deterioration of characteristics due to nozzle clogging and vibration plate restraint.
[0050]
Further, since no adhesive is used, for example, it is possible to cope with a high temperature process such as firing of the piezoelectric layer 70 described later. Therefore, the flow path forming substrate 10 and the nozzle plate 20 can be joined before the piezoelectric element 300 is formed. Thereby, since the rigidity of the flow path forming substrate 10 is improved, it is possible to prevent the flow path forming substrate 10 from being cracked during the manufacturing process. Further, even when the flow path forming substrate 10 having a relatively thin thickness is used, the rigidity is improved by joining the nozzle plate 20, so that the generation of cracks and the like can be prevented and the handling becomes easy.
[0051]
Furthermore, since the silicon oxide film 100 is continuously formed on the inner surface of the pressure generating chamber 12 and the like when the flow path forming substrate 10 and the nozzle plate 20 are joined, Hydrophilicity is improved and ink ejection characteristics are improved.
[0052]
In addition, since the nozzle plate 20 is formed of the same material as the flow path forming substrate 10, warpage and reaction may occur in a heat process at the time of bonding to the flow path forming substrate 10 and a heat process in a subsequent process at the time of mounting. In other words, the flow path forming substrate 10 or the nozzle plate 20 is not cracked.
[0053]
In the present embodiment, the plurality of protrusions 55 are provided on the joint surface of the flow path forming substrate 10. However, the present invention is not limited to this, and may of course be provided on the joint surface of the nozzle plate 20. .
[0054]
In the present embodiment, the silicon oxide films formed on the surfaces of the flow path forming substrate 10 and the nozzle plate 20 are thermally oxidized in a state in which a predetermined space is held by the protrusions 55 and the both are thermally oxidized. Although both are joined by 100, the joining method of these flow path formation board | substrates 10 and the nozzle plate 20 is not limited to this. For example, the nozzle plate 20 is in contact with the protective film 52 made of silicon oxide formed on the flow path forming substrate 10, that is, between the flow path forming substrate 10 and the nozzle plate 20 via the protective film 55. Both can be satisfactorily bonded by heating to about 1600 ° C. with a predetermined interval. Needless to say, a silicon oxide film may be separately provided on the surface of the nozzle plate 20.
[0055]
In addition, after joining the flow path forming substrate 10 and the nozzle plate 20 in this way, piezoelectric elements corresponding to the pressure generating chambers 12 are provided on the side opposite to the joint surface of the flow path forming substrate 10 with the nozzle plate 20. Element 300 is formed.
[0056]
Specifically, first, as shown in FIG. 4C, after forming the lower electrode film 60 on the entire surface of the second elastic film 51 by sputtering, the lower electrode film 60 is patterned to form the entire pattern. As a material of the lower electrode film 60, platinum (Pt) or the like is suitable. This is because a piezoelectric layer 70 described later formed by sputtering or sol-gel method needs to be crystallized by firing at a temperature of about 600 to 1000 ° C. in an air atmosphere or an oxygen atmosphere after the film formation. Because. That is, the material of the lower electrode film 60 must be able to maintain conductivity at such a high temperature and in an oxidizing atmosphere, particularly when lead zirconate titanate (PZT) is used as the piezoelectric layer 70. It is desirable that the change in conductivity due to diffusion of lead oxide is small, and platinum is preferable for these reasons.
[0057]
Next, as shown in FIG. 5A, a piezoelectric layer 70 is formed. The piezoelectric layer 70 preferably has crystals oriented. For example, in this embodiment, a so-called sol-gel method is obtained in which a so-called sol in which a metal organic material is dissolved and dispersed in a catalyst is applied, dried, gelled, and fired at a high temperature to obtain a piezoelectric layer 70 made of a metal oxide. Thus, the piezoelectric layer 70 in which the crystals are oriented is obtained. As a material of the piezoelectric layer 70, a lead zirconate titanate-based material is suitable when used for an ink jet recording head. In addition, the film-forming method of this piezoelectric material layer 70 is not specifically limited, For example, you may form by sputtering method.
[0058]
Furthermore, after forming a lead zirconate titanate precursor film by a sol-gel method or a sputtering method, a method of crystal growth at a low temperature by a high-pressure treatment method in an alkaline aqueous solution may be used.
[0059]
In any case, the piezoelectric layer 70 thus formed has crystals preferentially oriented unlike the bulk piezoelectric body, and in this embodiment, the piezoelectric layer 70 is formed in a columnar shape. Has been. Note that the preferential orientation refers to a state in which the orientation direction of the crystal is not disordered and a specific crystal plane is oriented in a substantially constant direction. A columnar thin film refers to a state in which substantially cylindrical crystals are aggregated over the surface direction with the central axis substantially coincided with the thickness direction to form a thin film. Of course, it may be a thin film formed of preferentially oriented granular crystals. Note that the thickness of the piezoelectric layer manufactured in this way in the thin film process is generally 0.2 to 5 μm.
[0060]
Next, as shown in FIG. 5B, an upper electrode film 80 is formed. The upper electrode film 80 only needs to be a highly conductive material, and many metals such as aluminum, gold, nickel, and platinum, conductive oxides, and the like can be used. In this embodiment, the platinum film is formed by sputtering.
[0061]
Next, as shown in FIG. 5C, the piezoelectric element 300 is patterned by etching only the piezoelectric layer 70 and the upper electrode film 80.
[0062]
After that, for example, a metal layer made of gold (Au) or the like is formed over the entire surface of the flow path forming substrate 10, and the lead electrode 90 is formed by patterning for each piezoelectric element 300.
[0063]
In practice, a large number of chips are simultaneously formed on a single wafer by such a series of film formation and anisotropic etching, and after the completion of the process, the flow of one chip size as shown in FIG. Divide each path forming substrate 10. Then, a reservoir forming substrate 30 and a compliance substrate 40 (to be described later) are sequentially bonded and integrated with the divided flow path forming substrate 10 to form an ink jet recording head.
[0064]
That is, as shown in FIGS. 1 and 2, a reservoir forming substrate 30 having a reservoir 31 is joined to the piezoelectric element 300 side of the flow path forming substrate 10 in which the pressure generating chambers 12 and the like are formed. In this embodiment, the reservoir 31 is formed across the reservoir forming substrate 30 in the thickness direction and across the width direction of the pressure generating chamber 12. The reservoir portion 31 is in communication with the communication portion 13 of the flow path forming substrate 10 through a through hole 57 provided through the first and second elastic films 50 and 51 and the lower electrode film 60. .
[0065]
In addition, in a region facing the piezoelectric element 300 of the reservoir forming substrate 30, a piezoelectric element holding portion 33 capable of sealing the space is provided in a state where a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 300 is secured. . At least the piezoelectric active part 320 of the piezoelectric element 300 is sealed in the piezoelectric element holding part 33 to prevent the piezoelectric element 300 from being destroyed due to an external environment such as moisture in the atmosphere.
[0066]
As the reservoir forming substrate 30, for example, it is preferable to use a material substantially the same as the coefficient of thermal expansion of the flow path forming substrate 10 such as glass or ceramic material. In this embodiment, the same material as the flow path forming substrate 10 is used. It was formed using a silicon single crystal substrate. Thereby, like the case of the above-mentioned nozzle plate 20, even if it is the adhesion | attachment at high temperature using a thermosetting adhesive agent, both can be adhere | attached reliably. Therefore, the manufacturing process can be simplified.
[0067]
Further, a compliance substrate 40 including a sealing film 41 and a fixing plate 42 is bonded to the reservoir forming substrate 30. 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 the sealing film 41 seals one surface of the reservoir unit 31. It has been stopped. The fixing plate 42 is made of a hard material such as metal (for example, stainless steel (SUS) having a thickness of 30 μm). Since the region of the fixing plate 42 facing the reservoir 31 is an opening 43 that is completely removed in the thickness direction, one surface of the reservoir 31 is sealed only with a flexible sealing film 41. Thus, the flexible portion 32 is deformable by a change in internal pressure.
[0068]
An ink introduction port 35 for supplying ink to the reservoir 31 is formed on the compliance substrate 40 on the outer side of the central portion in the longitudinal direction of the reservoir 31. Further, the reservoir forming substrate 30 is provided with an ink introduction path 36 that allows the ink introduction port 35 and the side wall of the reservoir 31 to communicate with each other.
[0069]
The ink jet recording head configured in this manner takes in ink from an ink introduction port 35 connected to an external ink supply means (not shown), fills the interior from the reservoir 31 to the nozzle opening 21, and then fills the inside with an external (not shown). In accordance with a recording signal from the drive circuit, a voltage is applied between the upper electrode film 80 and the lower electrode film 60, and the first and second elastic films 50 and 52, the lower electrode film 60, and the piezoelectric layer 70 are bent and deformed. By doing so, the pressure in the pressure generating chamber 12 increases, and ink droplets are ejected from the nozzle openings 21.
[0070]
(Other embodiments)
While the embodiments of the present invention have been described above, the basic configuration of the ink jet recording head is not limited to that described above.
[0071]
For example, in the above-described embodiment, the first and second elastic films 50 and 51 are provided on the flow path forming substrate 10. However, the present invention is not limited to this, for example, the first elastic film 50 or the first elastic film 50 or 51. Only one of the two elastic films 51 may be provided.
[0072]
In addition, for example, the above-described embodiment has exemplified a thin film type ink jet recording head that can be manufactured by applying a film forming and lithography process. However, the present invention is not limited to this example. Various types of structures, such as those that form pressure generation chambers, those that form a piezoelectric layer by attaching a green sheet or screen printing, or those that form a piezoelectric layer by crystal growth such as a hydrothermal method. The present invention can be applied to an ink jet recording head.
[0073]
As described above, the present invention can be applied to ink jet recording heads having various structures as long as the gist of the present invention is not contradicted.
[0074]
In addition, the ink jet recording heads of these embodiments constitute a part of a recording head unit having an ink flow path communicating with an ink cartridge or the like, and are mounted on the ink jet recording apparatus. FIG. 6 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.
[0075]
As shown in FIG. 6, in the recording head units 1A and 1B having the ink jet recording head, cartridges 2A and 2B constituting ink supply means are detachably provided, 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 body 4 so as to be movable in the axial direction. The recording head units 1A and 1B, for example, are configured to eject a black ink composition and a color ink composition, respectively.
[0076]
The driving force of the driving motor 6 is transmitted to the carriage 3 via a plurality of gears and timing belt 7 (not shown), so that the carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted is moved along the carriage shaft 5. The On the other hand, the apparatus body 4 is provided with a platen 8 along the carriage 3. The platen 8 can be rotated by a driving force of a paper feed motor (not shown), and a recording sheet S that is a recording medium such as paper fed by a paper feed roller is wound around the platen 8 and conveyed. It has become so.
[0077]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, since the flow path forming substrate and the nozzle plate are bonded via the silicon oxide film without using the adhesive, the piezoelectric element that requires a high temperature process in the manufacturing process. Before the forming step, the flow path forming substrate and the nozzle plate can be joined to form an integral structure. Thereby, even when a relatively thin channel forming substrate is used, the rigidity of the channel forming substrate is maintained, and damage in the manufacturing process can be prevented. In addition, since the rigidity of the partition wall is improved by using a relatively thin channel forming substrate, crosstalk can be prevented even if the pressure generating chambers are arranged at a relatively high density.
[0078]
Furthermore, since no adhesive is used to join the flow path forming substrate and the nozzle plate, there is no deterioration in characteristics due to the adhesive flowing into the pressure generating chamber or the like, and an ink jet recording head with improved reliability is realized. Can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of an ink jet recording head according to a first embodiment of the invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating the ink jet recording head according to the first embodiment of the invention, and is a cross-sectional view of FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the ink jet recording head according to the first embodiment of the invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the ink jet recording head according to the first embodiment of the invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the ink jet recording head according to the first embodiment of the invention.
FIG. 6 is a schematic view of an ink jet recording apparatus according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Flow path formation board | substrate 11 Partition 12 Pressure generation chamber 20 Nozzle plate 21 Nozzle opening 50 1st elastic film 51 2nd elastic film 60 Lower electrode film 70 Piezoelectric layer 80 Upper electrode film 90 Lead electrode 100 Silicon oxide film 300 Piezoelectric element

Claims (7)

ノズル開口が穿設されたノズルプレートと、前記ノズル開口に連通する圧力発生室が画成された流路形成基板と、該流路形成基板の前記圧力発生室に対応する領域に振動板を介して設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備するインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記ノズルプレートと前記流路形成基板とが単結晶シリコンからなり、これらが接着剤を用いることなく酸化シリコン膜を介して接合され、且つ前記酸化シリコン膜内には、前記流路形成基板又は前記ノズルプレートの何れか一方の接合面から他方の接合面まで突出する複数の突起部が埋設されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
A nozzle plate having a nozzle opening, a flow path forming substrate in which a pressure generating chamber communicating with the nozzle opening is defined, and a region corresponding to the pressure generating chamber of the flow path forming substrate via a vibration plate Ink jet recording head comprising a lower electrode, a piezoelectric layer and a piezoelectric element comprising an upper electrode,
The nozzle plate and the flow path forming substrate are made of single crystal silicon, and these are bonded via a silicon oxide film without using an adhesive, and the silicon oxide film includes the flow path forming substrate or the An ink jet recording head, wherein a plurality of protrusions protruding from any one of the joint surfaces of the nozzle plate to the other joint surface are embedded.
請求項1において、前記圧力発生室及び前記ノズル開口の内面に前記酸化シリコン膜が連続的に形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。  2. The ink jet recording head according to claim 1, wherein the silicon oxide film is continuously formed on inner surfaces of the pressure generating chamber and the nozzle opening. 請求項1又は2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、前記圧電素子を構成する各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。  3. The ink jet type according to claim 1, wherein the pressure generating chamber is formed on a silicon single crystal substrate by anisotropic etching, and each layer constituting the piezoelectric element is formed by film formation and lithography. Recording head. 請求項1〜3の何れかのインクジェット式記録ヘッドを具備することを特徴とするインクジェット式記録装置。  An ink jet recording apparatus comprising the ink jet recording head according to claim 1. 単結晶シリコンからなりノズル開口が穿設されたノズルプレートと、単結晶シリコンからなり前記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、この圧力発生室の一部を構成する振動板を介して前記圧力発生室に対応する領域に形成された圧電素子とを備えたインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、
前記流路形成基板の一方面に前記振動板の少なくとも一部を構成する弾性膜を形成する第1の工程と、前記流路形成基板の他方面側からエッチングすることにより前記圧力発生室を形成する第2の工程と、前記流路形成基板の開口面側と前記ノズルプレートとを所定の間隔を空けた状態で前記流路形成基板と前記ノズルプレートとを熱酸化して両者を酸化シリコン膜によって接合する第3の工程と、前記圧電素子を形成する第4の工程とを有し、且つ前記第3の工程は、前記流路形成基板又は前記ノズルプレートの少なくとも何れか一方の接合面に、一定の高さで突出する複数の突起部を形成する工程を含み、前記突起部を他方の接合面と当接させることにより前記流路形成基板と前記ノズルプレートとの間に空間を確保した状態で両者を熱酸化して接合することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
A nozzle plate made of single crystal silicon and having a nozzle opening formed therein, a flow path forming substrate made of single crystal silicon and having a pressure generation chamber communicating with the nozzle opening, and a part of the pressure generation chamber are configured. In a method for manufacturing an ink jet recording head comprising a piezoelectric element formed in a region corresponding to the pressure generating chamber via a vibration plate,
A first step of forming an elastic film constituting at least a part of the vibration plate on one surface of the flow path forming substrate, and the pressure generating chamber is formed by etching from the other surface side of the flow path forming substrate. A second step of performing thermal oxidation of the flow path forming substrate and the nozzle plate with a predetermined gap between the opening surface side of the flow path forming substrate and the nozzle plate to form a silicon oxide film And a fourth step of forming the piezoelectric element, and the third step is performed on at least one of the bonding surfaces of the flow path forming substrate and the nozzle plate. Including a step of forming a plurality of protrusions protruding at a constant height, and a space is secured between the flow path forming substrate and the nozzle plate by bringing the protrusions into contact with the other joint surface. Heat both in state Method for manufacturing an ink jet recording head, which comprises turned into and joined.
請求項5において、前記第3の工程では、前記流路形成基板又は前記ノズルプレートの何れか一方の表面に一体的に形成された酸化シリコン膜に他方の接合面を当接させた状態で熱酸化して両者を接合することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法。  6. The method according to claim 5, wherein in the third step, heat is applied in a state where the other bonding surface is in contact with a silicon oxide film integrally formed on one surface of either the flow path forming substrate or the nozzle plate. A method of manufacturing an ink jet recording head, which comprises oxidizing and bonding the two. 請求項6において、前記第2の工程では、前記流路形成基板の表面に形成された酸化シリコン膜をマスクとして前記流路形成基板のエッチングを行い、前記第3の工程では、前記ノズルプレートの接合面をマスクとして用いた酸化シリコン膜に当接させた状態で熱酸化して両者を接合することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法。  7. The method according to claim 6, wherein in the second step, the flow path forming substrate is etched using a silicon oxide film formed on the surface of the flow path forming substrate as a mask. In the third step, the nozzle plate is etched. A method of manufacturing an ink jet recording head, characterized in that a thermal oxidation is performed in a state where a bonding surface is in contact with a silicon oxide film used as a mask to bond the two together.
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