JP3846552B2 - Method for manufacturing ink jet recording head - Google Patents

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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の製造方法に関する。
【0002】
【従来技術】
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、圧電素子が軸方向に伸長、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】
しかしながら、このようなインクジェット式記録ヘッドでは、圧力発生室を高密度で配列した場合、各圧力発生室間の隔壁の厚さが薄くなることによって隔壁の剛性が不足し、各圧力発生室間のクロストークが発生するという問題がある。
【0008】
一方、縦振動モードの圧電アクチュエータでは、圧力発生室の振動板側に幅広部を設け、それ以外の部分の圧力発生室の幅を低くして隔壁の厚さを大きくする構造が考えられているが、この場合には、圧力発生室の幅広部の加工や貼り合わせ等の作業が必要で作業性及び精度が低いという問題がある。
【0009】
本発明はこのような事情に鑑み、高密度且つ各圧力発生室間のクロストークを低減すると共に製造工程を簡略化して製造コストを低減することができるインクジェット式記録ヘッドの製造方法を提供することを課題とする。
【0032】
【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画成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して成膜及びリソグラフィ法により形成された薄膜からなる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを有するインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、前記流路形成基板に圧力発生室を形成する工程と、少なくとも一方面側に設けられた多孔質シリコン層又は水素イオンを含有する水素イオン層と、該多孔質シリコン層又は水素イオン層上に設けられた単結晶シリコン又は酸化シリコンからなる接合層とを有する振動板母材の前記接合層側を前記流路形成基板に接着剤を介さずに接合する工程と、前記振動板母材の前記多孔質シリコン層又は前記水素イオン層を除去して前記接合層と当該接合層以外の領域とを剥離して前記振動板を形成する工程と、前記振動板上に前記下電極膜、圧電体膜及び上電極膜を積層及びパターニングすることにより前記圧電素子を形成する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。
【0033】
かかる第1の態様は、流路形成基板上に接合層を容易に接合でき、製造コストを低減できる。
【0034】
本発明の第2の態様は、前記流路形成基板は前記圧力発生室が形成された単結晶シリコンからなる流路形成層を有し、該流路形成層に前記振動板母材を接合することを特徴とする第1の態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【0035】
かかる第2の態様は、高精度の圧力発生室を形成することができると共に流路形成基板と振動板母材とを容易に且つ確実に接合できる。
【0036】
本発明の第3の態様は、前記振動板母材が絶縁体層の両側に単結晶シリコンからなるシリコン層を有するSOI基板からなり、前記接合層が前記絶縁体層と前記シリコン層の一方とからなることを特徴とする第1又は2の態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【0037】
かかる第3の態様は、振動板母材の接合層以外の領域を容易に除去することができる。
【0038】
本発明の第4の態様は、前記接合層がボロンの拡散された単結晶シリコンからなることを特徴とする第1又は2の態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【0039】
かかる第4の態様は、ボロンの拡散された単結晶シリコンからなる接合層を用いることで、振動板母材の接合層以外の領域を容易且つ確実に除去して振動板を容易に形成できる。
【0040】
本発明の第5の態様は、前記振動板母材がpn接合を持つ単結晶シリコンからなり、前記接合層がn型単結晶シリコンであることを特徴とする第1又は2の態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【0041】
かかる第5の態様は、n型単結晶シリコンからなる接合層を用いることで、振動板母材の接合層以外の領域を容易且つ確実に除去して振動板を容易に形成できる。
【0042】
本発明の第6の態様は、前記振動板母材が不純物濃度の異なる2層の単結晶シリコンからなると共に前記接合層が低濃度の層からなることを特徴とする第1又は2の態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【0043】
かかる第6の態様は、接合層に低濃度の単結晶シリコンを用いることで、振動板母材の接合層以外の領域を容易且つ確実に除去して振動板を容易に形成できる。
【0044】
本発明の第7の態様は、前記振動板母材を前記流路形成基板に接合する工程では、両者を直接接合又は常温接合により接合することを特徴とする第1〜6の何れかの態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【0045】
かかる第7の態様は、振動板母材と流路形成基板とを直接接合又は常温接合により容易且つ確実に接合することができる。
【0046】
本発明の第8の態様は、前記振動板母材を前記流路形成基板に接合する工程では、両者を陽極接合により接合することを特徴とする第1又は2の態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【0047】
かかる第8の態様は、振動板母材と流路形成基板とを陽極接合により容易且つ確実に接合することができる。
【0048】
本発明の第9の態様は、前記振動板を形成する工程では、前記流路形成基板を保護層で覆った後、前記振動板母材の前記接合層以外の領域を除去することを特徴とする第1〜8の何れかの態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【0049】
かかる第9の態様は、振動板母材の接合層以外の領域を除去する際に、流路形成基板が除去されることがなく、高精度の振動板を形成することができる。
【0050】
本発明の第10の態様は、前記圧力発生室を形成する工程では、当該圧力発生室を前記流路形成基板を貫通することなく形成することを特徴とする第1〜9の何れかの態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【0051】
かかる第10の態様は、圧力発生室を画成する隔壁の剛性を向上して圧力発生室間のクロストークを防止することができ、インク吐出特性を向上することができる。
【0052】
【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。
【0053】
(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、インクジェット式記録ヘッドの1つの圧力発生室の長手方向における断面構造を示す図である。
【0054】
図示するように、圧力発生室12が形成される流路形成基板10は、例えば、150μm〜1mmの厚さのシリコン単結晶基板からなり、その一方面側の表層部分には、異方性エッチングにより複数の隔壁11によって区画された圧力発生室12が形成されている。
【0055】
また、各圧力発生室12の長手方向一端部には、後述するリザーバ15と圧力発生室12とを接続するための中継室であるインク連通部13が圧力発生室12よりも幅の狭い狭隘部14を介して連通されている。また、これらインク連通部13及び狭隘部14は、圧力発生室12と共に異方性エッチングによって形成されている。なお、狭隘部14は、圧力発生室12のインクの流出入を制御するためのものである。
【0056】
この異方性エッチングは、ウェットエッチング又はドライエッチングの何れの方法を用いてもよいが、シリコン単結晶板を厚さ方向に途中までエッチング(ハーフエッチング)することにより圧力発生室12は浅く形成されており、その深さは、ハーフエッチングのエッチング時間によって調整することができる。
【0057】
なお、本実施形態では、インク連通部13を各圧力発生室12毎に設けるようにしたが、これに限定されず、例えば、インク連通部13を各圧力発生室12に共通するようにしてもよく、この場合、このインク連通部13が後述するリザーバ15の一部を構成するようにしてもよい。
【0058】
一方、流路形成基板10の他方面側には、各インク連通部13に連通し、各圧力発生室12にインクを供給するリザーバ15が形成されている。このリザーバ15は、例えば、流路形成基板10の他方面側から、保護膜55bをマスクとして異方性エッチングすることによって形成されている。
【0059】
このような流路形成基板10の圧力発生室12側には、単結晶シリコン又は酸化シリコンからなる、厚さが略1μm以下の弾性膜50が接着剤を介さずに接合されて設けられている。この弾性膜50は、その一方の面で圧力発生室12の一壁面を構成している。なお、本実施形態では、弾性膜50は酸化シリコン(SiO)からなり、弾性膜50と流路形成基板10とは、詳しくは後述するが陽極接合により接合した。なお、流路形成基板10の弾性膜50との接合面には、酸化シリコンからなる保護膜55aが形成されている。この保護膜55aは流路形成基板10に圧力発生室12を形成する際のマスクとして使用されたものであり、弾性膜50と流路形成基板10とを陽極接合する際にも用いられる。
【0060】
このような弾性膜50上の各圧力発生室12に相対向する領域には、厚さが例えば、約0.5μm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を圧電素子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弾性膜とを合わせて圧電アクチュエータと称する。なお、本実施形態では、弾性膜50及び下電極膜60を振動板とした。
【0061】
また、流路形成基板10の圧電素子300側、本実施形態では、弾性膜50及び下電極膜60上には、圧電素子300に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保した状態でこの空間を密封可能な圧電素子保持部22を有する封止板20が接合されている。
【0062】
なお、この封止板20には、本実施形態では、各圧力発生室12と連通するノズル開口21が穿設されており、ノズルプレートの役割も兼ねている。また、ノズル開口21と圧力発生室12とは、弾性膜50及び下電極膜60を除去することにより設けられたノズル連通孔51を介して連通されている。
【0063】
ここで、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造工程、特に、流路形成基板10に圧力発生室12を形成する工程及びこの圧力発生室12に対応する領域に圧電素子300を形成する工程について説明する。なお、図3〜図5は、圧力発生室12の長手方向の断面図である。
【0064】
まず、図3(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、酸化シリコンからなる保護膜55a及び55bを形成すると共に一方面の保護膜55aの圧力発生室12を形成する領域に開口12aを形成する。
【0065】
次いで、図3(b)に示すように、保護膜55aをマスクとして流路形成基板10を異方性エッチングすることにより圧力発生室12,インク連通部13及び狭隘部14を形成する。
【0066】
次に、図3(c)に示すように、流路形成基板10の圧力発生室12が開口する面に、例えば、厚さが220μmの単結晶シリコンからなる弾性膜母材150を接合する。この弾性膜母材150は、流路形成基板10との接合面に、例えば、熱酸化、TEOS−CVD法又はウェット酸化等により形成された酸化シリコンからなる酸化シリコン層151を有する。
【0067】
この酸化シリコン層151は、後の工程で、流路形成基板10と接合後、弾性膜母材150の酸化シリコン層151以外の領域を除去することにより弾性膜50となるため、略1μm以下の厚さで形成されている。
【0068】
また、流路形成基板10と弾性膜母材150との接合方法は、接着剤を介さずに接合できれば、特に限定されず、例えば、直接接合、常温接合及び陽極接合等を挙げることができる。本実施形態では、陽極接合により両者を接合した。
【0069】
詳しくは、相対する面を鏡面状に研磨したシリコン単結晶基板からなる流路形成基板10の保護膜55aと、弾性膜母材150の酸化シリコン層151とを当接させた状態で、全体を450℃近くに昇温させ、200〜1000Vの電位を両方の基板に印加する。このとき、酸化シリコンからなる保護膜55a及び酸化シリコン層151中の正のH+イオンは酸化シリコンの中で動きやすくなるため、負の電界に引かれてそれぞれ保護膜55a及び酸化シリコン層151の表面に到達する。一方、保護膜55a及び酸化シリコン層151中のそれぞれに残った負のイオンが両者の接着面に空間電荷層を形成して、流路形成基板10と弾性膜母材150との間に強い吸引力が生じることにより、両者が化学結合される。
【0070】
なお、このように弾性膜母材150と流路形成基板10とを陽極接合により接合した際に、表面に微少なゴミや汚れがあるとその部分は接着せずに接合界面にボイド層が形成されてしまう。
【0071】
次に、図3(d)示すように、弾性膜母材150の余分な領域を除去する。本実施形態では、酸化シリコン層151以外の領域、すなわち、単結晶シリコンのみを除去した。
【0072】
この単結晶シリコンの除去は、本実施形態では、例えば、KOH等のアルカリ水溶液を用いたウェットエッチングにより行った。
【0073】
このように弾性膜母材150の酸化シリコン層151以外の領域を除去することにより、流路形成基板10上に接合されて残った酸化シリコン層151が弾性膜50となる。
【0074】
このような方法によると略1μm以下という薄膜からなる弾性膜50を、浅い圧力発生室12が形成された流路形成基板10に接着剤を介さずに接合することができるので、製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減することができる。
【0075】
また、単結晶シリコンの除去方法は、エッチングや研磨など、酸化シリコン層151のみを残留できる方法であれば、特に限定されず、単結晶シリコンを剥離するようにしてもよい。
【0076】
例えば、弾性膜母材150の酸化シリコン層151と単結晶シリコンとの境界部分に多孔質シリコン層を設けておき、流路形成基板10と弾性膜母材150とを接合後、この多孔質シリコン層をエッチング等によって除去することにより、酸化シリコン層151から単結晶シリコンを容易に剥離することができる。なお、このような弾性膜母材150は、単結晶シリコンからなる弾性膜母材150の表面に陽極化成処理によって多孔質シリコン層を形成し、この上にエピタキシャル成長法により薄いシリコン層を形成して表面を酸化処理することによって形成できる。
【0077】
また、例えば、弾性膜母材150の単結晶シリコンと酸化シリコン層151との間に水素イオンを注入した水素イオン層を設けておき、流路形成基板10と弾性膜母材150とを接合後に500℃〜600℃に加熱することによっても、酸化シリコン層151から単結晶シリコンを容易に剥離することができる。
【0078】
このように、弾性膜母材150の単結晶シリコンを剥離することによって除去すれば、剥離した単結晶シリコンを再使用することができ、製造コストを削減することができる。
【0079】
次に、各圧力発生室12に対応して弾性膜50上に圧電素子300を形成する。
【0080】
圧電素子300を形成する工程としては、まず、図4(a)に示すように、スパッタリングで下電極膜60を流路形成基板10の圧力発生室12側に全面に亘って形成すると共に所定形状にパターニングし、下電極膜60を形成する。この下電極膜60の材料としては、白金、イリジウム等が好適である。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、イリジウムが好適である。
【0081】
次に、図4(b)に示すように、圧電体層70を成膜する。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した。圧電体層70の材料としては、PZT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、スパッタリング法又はMOD法(有機金属熱塗布分解法)等のスピンコート法により成膜してもよい。
【0082】
さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング法もしくはMOD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。
【0083】
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。
【0084】
次に、図4(c)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。
【0085】
次いで、図4(d)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。また、本実施形態では、同時に、圧力発生室12の長手方向のインク連通部13とは反対側の端部近傍の弾性膜50及び下電極膜60をパターニングしてノズル連通孔51を形成する。
【0086】
次に、図5(a)に示すように、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毎にパターニングして、各圧電素子300の上電極膜80から弾性膜50上に延びるリード電極90を形成する。
【0087】
次に、図5(b)に示すように、流路形成基板10の圧力発生室12とは反対側の面に設けられた保護膜55bのリザーバ15となる領域をパターニングにより除去して開口部56を形成すると共に、この開口部56からインク連通部13に達するまで流路形成基板10を異方性エッチング、例えば、ウェットエッチングすることにより、リザーバ15を形成する。
【0088】
以上のような工程で、圧力発生室12及び圧電素子300が形成される。
【0089】
その後、流路形成基板10の圧電素子300側、本実施形態では、下電極膜60及び弾性膜50上に封止板20を接合する。
【0090】
このように製造された本実施形態の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からリザーバ15にインクを取り込み、リザーバ15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、図示しない外部配線から出力された記録信号に従い、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。
【0091】
このように圧力発生室12を流路形成基板10を貫通することなく形成することで隔壁11の剛性を向上でき、圧力発生室12を高密度に配設しても圧力発生室12間のクロストークを防止することができる。
【0092】
なお、本実施形態では、インク連通部13及び狭隘部14を介して各圧力発生室12とリザーバ15とを連通するようにしたが、これに限定されず、例えば、図6(a)に示すように、各圧力発生室12とリザーバ15とを直接連通するようにしてもよい。
【0093】
また、本実施形態では、狭隘部14を圧力発生室12よりも細い幅で形成して、圧力発生室12のインクの流出入を制御するようにしたが、これに限定されず、例えば、図6(b)に示すように、圧力発生室12と同一幅として、深さを調整した狭隘部14Aとしてもよい。
【0094】
(実施形態2)
図7は、実施形態2に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。
【0095】
本実施形態は、弾性膜50Aが不純物の拡散された単結晶シリコンからなる例である。
【0096】
ここで、このように弾性膜50Aを設ける方法を詳細に説明する。なお、上述した実施形態1の製造方法と同様の工程については、重複する説明を省略する。
【0097】
まず、図7(a)に示すように、上述した実施形態1と同様の工程で流路形成基板10に圧力発生室12を形成する。
【0098】
次いで、図7(b)に示すように、圧力発生室12の形成された流路形成基板10に、弾性膜母材150Aを接合する。
【0099】
この弾性膜母材150Aは、本実施形態では、単結晶シリコンからなり、流路形成基板10との接合面に、不純物を拡散した不純物層151Aを有する。この不純物層151Aは、本実施形態では、例えば、単結晶シリコンの表面にボロンをドーピング又は単結晶シリコンの表面にボロンの拡散された単結晶シリコンをエピタキシャル形成することにより設けることができる。
【0100】
そして、このように不純物層151Aの形成された弾性膜母材150Aと流路形成基板10との接合方法は、特に限定されず、例えば、直接接合又は常温接合等を挙げることができる。本実施形態では、直接接合により両者を接合した。
【0101】
具体的には、流路形成基板10及び弾性膜母材150Aの接合面を鏡面に研磨して、表面を洗浄してごみや汚れを除去して乾燥させ、清浄な雰囲気下で互いの表面を接触させることにより両者が接着される。
【0102】
なお、弾性膜母材150Aと流路形成基板10とを直接接合により接合する場合、それぞれの結晶格子を整合させることは困難であり、接合界面には結晶格子不整合面が形成される。また、両者の結晶格子のずれを1度以内の精度で接合した場合には、接合界面で結晶格子がつながり、エピタキシャル同様の連続性が保たれるが、転移面が形成される。さらに、上述した実施形態1と同様に接合界面にボイド層が形成されることもある。
【0103】
次に、図7(c)に示すように、弾性膜母材150Aの余分な領域を除去する。本実施形態では、不純物層151A以外の領域、すなわち、他方面側の単結晶シリコンのみを除去した。本実施形態では、KOHによるウェットエッチングにより単結晶シリコンを除去した。
【0104】
ここで、KOHによるウェットエッチングでは、ボロンの拡散された不純物層151Aのエッチングの速度が、単結晶シリコンの領域に比べボロン濃度の比の4乗倍で減少するという特性から、単結晶シリコンのみをエッチングにより除去し、不純物層151Aのみを残すことができる。
【0105】
なお、本実施形態では、このようなウェットエッチングにより流路形成基板10上に不純物層151Aのみを形成後、不純物層151Aの表面を電解研磨により平滑にすることで、弾性膜50Aを形成した。
【0106】
その後の圧電素子300及びリザーバ15等を形成する工程は、上述した実施形態1と同様である。
【0107】
このように、弾性膜母材150Aにボロンの拡散された不純物層151Aを有する単結晶シリコンを用いても、上述した実施形態1と同様の効果を得ることができる。
【0108】
(実施形態3)
図8は、実施形態3に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。
【0109】
本実施形態は、弾性膜母材150Bをpn接合を持つ単結晶シリコンとし、弾性膜50Bがn型の単結晶シリコンからなる例である。
【0110】
ここで、このように弾性膜50Bを設ける方法を詳細に説明する。なお、上述した実施形態1の製造方法と同様の工程については、重複する説明を省略する。
【0111】
まず、図8(a)に示すように、上述した実施形態1と同様の工程で流路形成基板10に圧力発生室12を形成する。
【0112】
次に、図8(b)に示すように、圧力発生室12の形成された流路形成基板10に、弾性膜母材150Bを接合する。
【0113】
この弾性膜母材150Bは、pn接合を持つ単結晶シリコン、すなわちn型シリコン層151Bとp型シリコン層152Bとで構成されていれば、特に限定されず、例えば、p型シリコン層152Bにリン等をドーピング又はp型シリコン層152の表面にn型シリコン層151Bをエピタキシャル形成することによりn型シリコン層151Bとp型シリコン層152Bとで構成されるpn接合を持つ弾性膜母材150Bを形成することができる。
【0114】
そして、このように形成された弾性膜母材150Bと流路形成基板10との接合方法は、特に限定されず、例えば、直接接合及び陽極接合等により両者を接合することができる。本実施形態では、上述した実施形態2と同様に直接接合により接合した。
【0115】
次に、図8(c)に示すように、弾性膜母材150Bの余分な領域を除去する。本実施形態では、n型シリコン層151B以外の領域、すなわち、p型シリコン層152Bのみを除去した。本実施形態では、KOH等のアルカリ水溶液による電気化学エッチングによりp型シリコン層152Bを除去した。
【0116】
ここで、電気化学エッチングは、pn接合を持つ単結晶シリコンからなる弾性膜母材150Bに印加する電圧の大きさを変化させてp型シリコン層152Bのみをエッチングし、n型シリコン層151Bのみを残すものである。
【0117】
詳しくは、n型シリコン層151B及びp型シリコン層152Bはパシベーション電圧(電流がピーク値になるよりも少し高い)よりも高い電圧を印加したときに、シリコンのエッチング速度が著しく小さくなる。この性質を利用して、エッチングを進行させたいp型シリコン層152Bにパシベーション電圧よりも低い電圧を印加し、エッチングを停止させたいn型シリコン層151Bにパシベーション電圧よりも高い電圧を印加してKOH等のアルカリ水溶液でエッチングを行うことにより、p型シリコン層152Bのみをエッチングしてn型シリコン層151Bを残すことができる。
【0118】
なお、本実施形態では、このような電気化学エッチングにより流路形成基板10上にn型シリコン層151Bのみを形成後、n型シリコン層151Bの表面を電解研磨により平滑にすることで弾性膜50Bを形成した。
【0119】
その後の圧電素子300及びリザーバ15等を形成する工程は、上述した実施形態1と同様である。
【0120】
このように、弾性膜母材150Bにpn接合を持つ単結晶シリコンを用いても、上述した実施形態1と同様の効果を得ることができる。
【0121】
なお、本実施形態では、弾性膜母材150Bと流路形成基板10とを直接接合によって接合したため、上述した実施形態2と同様に、弾性膜50Bと流路形成基板10との接合界面に結晶格子不整合面、転移面又はボイド層を有する。
【0122】
(実施形態4)
図9は、実施形態4に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。
【0123】
本実施形態は、弾性膜母材150Cとして不純物濃度の異なる単結晶シリコンからなる高不純物層152C及び低不純物層151Cを有する単結晶シリコンを用い、弾性膜50Cが低不純物層151Cからなる例である。
【0124】
ここで、このように弾性膜50Cを設ける方法を詳細に説明する。なお、上述した実施形態1の製造方法と同様の工程については、重複する説明を省略する。
【0125】
まず、図9(a)に示すように、上述した実施形態1と同様の工程で流路形成基板10に圧力発生室12を形成する。
【0126】
次いで、図9(b)に示すように、圧力発生室12の形成された流路形成基板10に、弾性膜母材150Cを接合する。
【0127】
この弾性膜母材150Cは、本実施形態では、高濃度で不純物を含む高不純物層152Cと、これに対して低濃度で不純物を含む低不純物層151Cとを有する単結晶シリコンを用いた。この不純物を含む低不純物層151Cと高不純物層152Cとの組み合わせは、特に限定されず、例えば、N/N、N/P、P/N、P/Pの全ての組み合わせを用いることができる。
【0128】
そして、このような弾性膜母材150Cと流路形成基板10との接合方法は、特に限定されず、例えば、直接接合又は常温接合等を挙げることができる。本実施形態では、上述した実施形態2と同様に直接接合により両者を接合した。
【0129】
次に、図9(c)に示すように、弾性膜母材150Cの余分な領域を除去する。
【0130】
本実施形態では、HF−HNO系を用いた電気化学エッチングにより、低不純物層151C以外の領域、すなわち、高不純物層152Cのみを除去した。
【0131】
ここで、HF−HNO系を用いた電気化学エッチングとは、まず、弾性膜母材150Cをエッチング液に対してプラス側にバイアスするように電極を配置する。一方、エッチング液の電位を固定するためにマイナス側にバイアスした白金電極を溶液中に置く、このエッチング液としてはHFとHOとの混合液が用いられている。HOは、HNOに比べ酸化作用が小さいために、単結晶シリコンのエッチング速度は電流を流さない状態ではきわめて小さい。しかしプラスの電圧を単結晶シリコンに印加したとき、電極からホールが注入されるために、溶液中のOHイオンが付着して単結晶シリコンの酸化が起こる。この酸化物はHF溶液中に容易に反応してエッチング溶液に溶けるため単結晶シリコンの溶解が進行する。このとき、高濃度の不純物を有する高不純物層152Cでは抵抗が小さいために大きな電流が流れ、シリコン表面の酸化が早く進みエッチング速度が大きくなる。反対に低濃度の不純物の低不純物層151Cでは、エッチング速度が減少する。このようにHF−HNO系を用いた電気化学エッチングでは、高濃度の不純物を含む高不純物層152Cをエッチングして、低濃度の不純物を含む低不純物層151Cのみを残すことができる。
【0132】
なお、本実施形態では、このようなHF−HNO系を用いた電気化学エッチングにより流路形成基板10上に低不純物層151Cのみを形成後、表面を電解研磨により平滑にすることで、弾性膜50Cを形成した。
【0133】
その後の圧電素子300及びリザーバ15等を形成する工程は、上述した実施形態1と同様である。
【0134】
このように、弾性膜母材150Cに高濃度の不純物を含む高不純物層152Cとそれに比べ低濃度の不純物を含む低不純物層151Cを用いて、弾性膜50Cを低不純物層151Cで形成しても上述した実施形態1と同様の効果を得ることができる。
【0135】
なお、本実施形態では、弾性膜母材150Cと流路形成基板10とを直接接合によって接合したため、上述した実施形態2と同様に弾性膜50Cと流路形成基板10との接合界面に結晶格子不整合面、転移面又はボイド層を有する。
【0136】
(実施形態5)
図10は、実施形態5に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。
【0137】
本実施形態は、弾性膜50Dとして流路形成基板10の圧力発生室12側に単結晶シリコンからなるシリコン層52と、下電極膜60側に酸化シリコンからなる絶縁体層53とを有する例である。
【0138】
ここで、このように弾性膜50Dを設ける方法について詳細に説明する。なお、上述した実施形態1の製造方法と同様の工程については、重複する説明を省略する。
【0139】
まず、図10(a)に示すように、上述した実施形態1と同様の工程で流路形成基板10に圧力発生室12を形成する。また、流路形成基板10上のマスクパターンである保護膜55aをフッ酸等により除去し、流路形成基板10の接合面に単結晶シリコンが露出するようにした。
【0140】
次いで、図10(b)に示すように、圧力発生室12の形成された流路形成基板10に弾性膜母材150Dを接合する。
【0141】
弾性膜母材150Dは、本実施形態では、酸化シリコンからなる絶縁体層53の両側にそれぞれ単結晶シリコンからなるシリコン層52及び54とを有するSOI基板を用いて、一方のシリコン層52が流路形成基板10側となるように接合した。なお、本実施形態では、シリコン層52及び絶縁体層53が弾性膜50Dとなるため、シリコン層52の厚さが略1μm以下のSOI基板を用いた。
【0142】
この流路形成基板10と弾性膜母材150Dとの接合方法は、特に限定されず、例えば、常温接合、直接接合等を挙げることができる。本実施形態では、常温接合により両者を接合した。
【0143】
具体的には、流路形成基板10と弾性膜母材150Dとの表面にアルゴン高速原子ビーム(FAB)を照射して自然酸化膜等の表面層を取り除くことにより表面活性化を行い、超高真空中でその表面を加圧接触させることで両者が接合される。
【0144】
なお、弾性膜母材150Dと流路形成基板10とを常温接合により接合する場合であっても、上述した実施形態2〜4の直接接合の場合と同様に、弾性膜母材150Dと流路形成基板10との接合界面に、結晶格子不整合面、転移面又はボイド層が形成される。
【0145】
次に、図10(c)に示すように、弾性膜母材150Dの余分な領域を除去する。本実施形態では、シリコン層52及び絶縁体層53以外の領域、すなわち、他方面に設けられたシリコン層54のみを除去した。
【0146】
このシリコン層54の除去では、本実施形態では、KOH等のアルカリ水溶液によるウェットエッチングにより行った。なお、このウェットエッチングでは単結晶シリコンからなる流路形成基板10がエッチングにより溶解しないように流路形成基板10の接合面とは反対側の面等に保護膜を形成するのが好ましい。この保護膜としては、例えば、パリレン(商品名;ポリパラキシリレン)が挙げられる。このパリレンからなる保護膜はCVD法によって均一な厚さで容易に成膜することができる。
【0147】
そして、このようにシリコン層54を除去することで、シリコン層52及び絶縁体層53からなる弾性膜50Dとなる。
【0148】
その後の圧電素子300及びリザーバ15等を形成する工程は、上述した実施形態1と同様である。
【0149】
このように、弾性膜母材150DにSOI基板を用いても、上述した実施形態1と同様の効果を得ることができる。
【0150】
なお、本実施形態では、流路形成基板10と弾性膜母材150Dとを、常温接合により接合したが、これに限定されず、例えば、上述した実施形態1と同様に陽極接合により接合するようにしてもよい。この陽極接合では、流路形成基板及び弾性膜母材のそれぞれの接合面に酸化シリコン層を形成する必要があり、これにより弾性膜50Dは、単結晶シリコンと、その両面に形成された酸化シリコン層との三層となる。
【0151】
(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。
【0152】
例えば、上述した実施形態1〜5では、圧力発生室12を流路形成基板10を貫通することなく浅く設けるようにしたが、これに限定されず、厚さの薄い流路形成基板に圧力発生室を貫通して設けるようにしても、圧力発生室を画成する隔壁の剛性を保って、圧力発生室間のクロストークを防止することができ、インク吐出特性を向上することができる。なお、このように流路形成基板に圧力発生室を貫通して設ける場合も、上述の製造方法で製造することにより、略1μm以下の弾性膜を接着剤を介さずに接合により設けることができる。これにより、製造工程を簡略化して製造コストを低減することができる。
【0153】
また、上述した実施形態1〜5では、流路形成基板10にシリコン単結晶基板を用いて、圧力発生室12をハーフエッチングにより浅く形成したが、これに限定されず、例えば、流路形成基板に、SOI基板を用いて、SOI基板の一方面側の単結晶シリコンからなる流路形成層に、この流路形成層を貫通する圧力発生室を形成するようにしてもよい。これにより、圧力発生室の深さを容易に制御することができ、高精度の圧力発生室を形成することができる。
【0154】
さらに、上述した実施形態1〜5では、陽極接合、直接接合及び常温接合のそれぞれを例示したが、接着剤を介さずに流路形成基板と弾性膜とを接合できれば、本発明はこれに限定されるものではない。
【0155】
また、上述した実施形態1〜5の弾性膜50〜50Dの形成では、弾性膜母材150〜150Dの余分な領域を除去する際にエッチングを行ったが、これに限定されず、例えば、途中まで機械研磨により除去し、その後エッチングを行うようにすれば、製造時間を短縮して製造コストを低減することができる。
【0156】
さらに、上述した実施形態1〜5では、流路形成基板10の圧電素子300側にノズル開口21を有するインクジェット式記録ヘッドとしたが、これに限定されず、例えば、流路形成基板の圧電素子とは反対側にノズル開口を有するインクジェット式記録ヘッドとしてもよい。このような例を図11に示す。なお、図11は、圧力発生室の長手方向の断面図である。
【0157】
図示するように、流路形成基板10Aには、圧力発生室12の両端のそれぞれに連通して、圧電素子300とは反対側まで貫通するノズル連通路16とインク供給路17とが設けられている。このノズル連通路16及びインク供給路17は、例えば、圧電素子300とは反対側からウェットエッチングすることにより形成されている。
【0158】
一方、流路形成基板10Aのノズル連通孔16及びインク供給路17の開口する面側には、ノズル連通路16に連通するノズル開口21Aと、インク供給路17に連通するインク供給孔23とを有するノズルプレート20Aが接合されている。
【0159】
また、ノズルプレート20Aのインク供給孔23に対向する領域には、リザーバ15Aを画成するリザーバ形成基板30及びコンプライアンス基板40が順次接合されており、圧力発生室12とリザーバ15Aとはノズルプレート20Aに設けられたインク供給孔23を介して連通されている。
【0160】
さらに、リザーバ15Aに供給されるインクは、ノズルプレート20Aのリザーバ15Aに対向する領域に形成されたインク導入口24により供給される。
【0161】
リザーバ形成基板30は、リザーバ15Aの周壁を形成するものであり、ノズル開口数、インク滴吐出周波数に応じた適正な厚みのステンレス板を打ち抜いて作製されたものである。
【0162】
インク室側板40は、ステンレス基板からなり、一方の面でリザーバ15Aの一壁面を構成するものである。また、インク室側板40には、他方の面の一部にハーフエッチングにより凹部40aを形成することにより薄肉壁41が形成されている。なお、薄肉壁41は、インク滴吐出の際に発生するノズル開口21Aと反対側へ向かう圧力を吸収するためのもので、他の圧力発生室12Aに、リザーバ15Aを経由して不要な正又は負の圧力が加わるのを防止する。
【0163】
このような構成のインクジェット式記録ヘッドとしても、上述した実施形態1〜5と同様の効果を得ることができる。
【0164】
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12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。
【0165】
図12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。
【0166】
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に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
【0167】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、振動板の圧力発生室に対向する接合層を単結晶シリコン又は酸化シリコンで形成し、流路形成基板と接合層とを接着剤を介さずに接合するようにしたため、製造工程を簡略化して製造コストを低減することができる。
【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圧力発生室の長手方向の断面図である。
【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圧力発生室の長手方向の断面図である。
【図7】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製造工程を示す断面図である。
【図8】本発明の実施形態3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9】本発明の実施形態4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10】本発明の実施形態5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11】本発明の他の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの変形例を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。
【図12】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】
10,10A 流路形成基板
11 隔壁
12、12A 圧力発生室
13 インク連通部
14 狭隘部
15、15A リザーバ
20 封止板
20A ノズルプレート
21 ノズル開口
22 圧電素子保持部
23 インク供給孔
24 インク導入口
30 リザーバ形成基板
40 コンプライアンス基板
50、50A、50B、50C、50D 弾性膜
51 ノズル連通孔
52 シリコン層
53 絶縁層
54 シリコン層
60 下電極膜
70 圧電体層
80 上電極膜
90 リード電極
150、150A、150B、150C、150D 弾性膜母材
151 酸化シリコン層
151A 不純物層
151B n型シリコン層
151C 低不純物層
152B p型シリコン層
152C 高不純物層
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 method for manufacturing a recording head.
[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 piezoelectric actuator in a longitudinal vibration mode in which a piezoelectric element extends and contracts in the axial direction, and those using a piezoelectric actuator in a flexural vibration mode.
[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]
This eliminates the need to affix the piezoelectric element to the diaphragm, so that not only can the piezoelectric element be created by a precise and simple technique called lithography, but also the thickness of the piezoelectric element can be reduced. There is an advantage that high-speed driving is possible.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such an ink jet recording head, when the pressure generating chambers are arranged at a high density, the partition walls between the pressure generating chambers become thin due to a decrease in the thickness of the partition walls. There is a problem that crosstalk occurs.
[0008]
On the other hand, in the piezoelectric actuator in the longitudinal vibration mode, a structure is considered in which a wide portion is provided on the diaphragm side of the pressure generating chamber, and the width of the pressure generating chamber in other portions is reduced to increase the thickness of the partition wall. However, in this case, there is a problem that workability and accuracy are low because operations such as processing and bonding of the wide portion of the pressure generation chamber are required.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION In view of such circumstances, the present invention provides a method for manufacturing an ink jet recording head capable of reducing the manufacturing cost by reducing the crosstalk between the pressure generating chambers with high density and simplifying the manufacturing process. Is an issue.
[0032]
[Means for Solving the Problems]
A first aspect of the present invention that solves the above-described problem includes a flow path forming substrate in which a pressure generation chamber communicating with a nozzle opening is defined, and a film is formed on one side of the flow path forming substrate via a diaphragm. And a method of manufacturing an ink jet recording head having a lower electrode made of a thin film formed by a lithography method, a piezoelectric element made of a piezoelectric layer and an upper electrode, and a step of forming a pressure generating chamber in the flow path forming substrate; A porous silicon layer or a hydrogen ion layer containing hydrogen ions provided on at least one surface side; and a bonding layer made of single crystal silicon or silicon oxide provided on the porous silicon layer or hydrogen ion layer. Bonding the bonding layer side of the diaphragm base material to the flow path forming substrate without an adhesive, and removing the porous silicon layer or the hydrogen ion layer of the diaphragm base material Forming the diaphragm by peeling a composite layer and a region other than the bonding layer; and laminating and patterning the lower electrode film, the piezoelectric film, and the upper electrode film on the diaphragm, And a step of forming the ink jet recording head.
[0033]
In the first aspect, the bonding layer can be easily bonded onto the flow path forming substrate, and the manufacturing cost can be reduced.
[0034]
In a second aspect of the present invention, the flow path forming substrate has a flow path forming layer made of single crystal silicon in which the pressure generating chamber is formed, and the diaphragm base material is bonded to the flow path forming layer. In the method of manufacturing an ink jet recording head according to the first aspect,
[0035]
According to the second aspect, a highly accurate pressure generating chamber can be formed, and the flow path forming substrate and the diaphragm base material can be easily and reliably joined.
[0036]
According to a third aspect of the present invention, the diaphragm base material is formed of an SOI substrate having silicon layers made of single crystal silicon on both sides of the insulator layer, and the bonding layer includes the insulator layer and one of the silicon layers. The method of manufacturing an ink jet recording head according to the first or second aspect is characterized by comprising:
[0037]
In the third aspect, the region other than the bonding layer of the diaphragm base material can be easily removed.
[0038]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the ink jet recording head manufacturing method according to the first or second aspect, wherein the bonding layer is made of single crystal silicon in which boron is diffused.
[0039]
In the fourth aspect, by using a bonding layer made of single crystal silicon in which boron is diffused, a region other than the bonding layer of the vibration plate base material can be easily and reliably removed, and the vibration plate can be easily formed.
[0040]
According to a fifth aspect of the present invention, in the ink jet type according to the first or second aspect, the diaphragm base material is made of single crystal silicon having a pn junction, and the bonding layer is n-type single crystal silicon. A method of manufacturing a recording head.
[0041]
In the fifth aspect, by using a bonding layer made of n-type single crystal silicon, a region other than the bonding layer of the vibration plate base material can be easily and surely removed to easily form the vibration plate.
[0042]
According to a sixth aspect of the present invention, in the first or second aspect, the diaphragm base material is made of two layers of single crystal silicon having different impurity concentrations, and the bonding layer is made of a low concentration layer. The method is for manufacturing an ink jet recording head.
[0043]
In the sixth aspect, by using low-concentration single crystal silicon for the bonding layer, it is possible to easily and surely remove the region other than the bonding layer of the vibration plate base material and easily form the vibration plate.
[0044]
According to a seventh aspect of the present invention, in the step of bonding the diaphragm base material to the flow path forming substrate, the two are bonded by direct bonding or normal temperature bonding. In the inkjet recording head manufacturing method.
[0045]
In the seventh aspect, the diaphragm base material and the flow path forming substrate can be easily and reliably joined by direct joining or room temperature joining.
[0046]
An eighth aspect of the present invention is the ink jet recording head according to the first or second aspect, wherein in the step of joining the diaphragm base material to the flow path forming substrate, both are joined by anodic bonding. In the manufacturing method.
[0047]
In the eighth aspect, the diaphragm base material and the flow path forming substrate can be easily and reliably bonded by anodic bonding.
[0048]
According to a ninth aspect of the present invention, in the step of forming the diaphragm, after the flow path forming substrate is covered with a protective layer, the region other than the bonding layer of the diaphragm base material is removed. The method of manufacturing an ink jet recording head according to any one of the first to eighth aspects.
[0049]
In the ninth aspect, when the region other than the bonding layer of the diaphragm base material is removed, the flow path forming substrate is not removed, and a highly accurate diaphragm can be formed.
[0050]
According to a tenth aspect of the present invention, in the step of forming the pressure generating chamber, the pressure generating chamber is formed without penetrating the flow path forming substrate. In the inkjet recording head manufacturing method.
[0051]
In the tenth aspect, the rigidity of the partition walls defining the pressure generation chamber can be improved to prevent crosstalk between the pressure generation chambers, and the ink ejection characteristics can be improved.
[0052]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
[0053]
(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 view showing a cross-sectional structure in the longitudinal direction of one pressure generating chamber of the ink jet recording head.
[0054]
As shown in the figure, the flow path forming substrate 10 in which the pressure generating chamber 12 is formed is made of, for example, a silicon single crystal substrate having a thickness of 150 μm to 1 mm, and the surface layer portion on one side thereof is anisotropically etched. Thus, a pressure generation chamber 12 partitioned by a plurality of partition walls 11 is formed.
[0055]
In addition, at one end in the longitudinal direction of each pressure generation chamber 12, an ink communication portion 13, which is a relay chamber for connecting a reservoir 15 and a pressure generation chamber 12, which will be described later, is narrower than the pressure generation chamber 12. 14 to communicate with each other. The ink communication portion 13 and the narrow portion 14 are formed by anisotropic etching together with the pressure generating chamber 12. The narrow portion 14 is for controlling the flow of ink in and out of the pressure generating chamber 12.
[0056]
For this anisotropic etching, either wet etching or dry etching may be used, but the pressure generating chamber 12 is formed shallow by etching the silicon single crystal plate halfway in the thickness direction (half etching). The depth can be adjusted by the etching time of half etching.
[0057]
In this embodiment, the ink communication portion 13 is provided for each pressure generation chamber 12. However, the present invention is not limited to this. For example, the ink communication portion 13 may be shared by the pressure generation chambers 12. In this case, the ink communication part 13 may constitute a part of the reservoir 15 described later.
[0058]
On the other hand, on the other surface side of the flow path forming substrate 10, a reservoir 15 that communicates with each ink communication portion 13 and supplies ink to each pressure generation chamber 12 is formed. The reservoir 15 is formed, for example, by anisotropic etching from the other surface side of the flow path forming substrate 10 using the protective film 55b as a mask.
[0059]
An elastic film 50 made of single crystal silicon or silicon oxide and having a thickness of approximately 1 μm or less is bonded to the pressure generating chamber 12 side of the flow path forming substrate 10 without using an adhesive. . The elastic membrane 50 constitutes one wall surface of the pressure generating chamber 12 on one surface thereof. In this embodiment, the elastic film 50 is made of silicon oxide (SiO 2 2 The elastic film 50 and the flow path forming substrate 10 are bonded by anodic bonding as will be described in detail later. A protective film 55a made of silicon oxide is formed on the bonding surface of the flow path forming substrate 10 with the elastic film 50. This protective film 55a is used as a mask when the pressure generating chamber 12 is formed on the flow path forming substrate 10, and is also used when the elastic film 50 and the flow path forming substrate 10 are anodic bonded.
[0060]
In a region opposite to each pressure generating chamber 12 on the elastic film 50, a lower electrode film 60 having a thickness of, for example, about 0.5 μm, and a piezoelectric layer 70 having a thickness of, for example, about 1 μm, The upper electrode film 80 having a thickness of, for example, about 0.1 μm is laminated and formed by the 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 addition, here, 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. 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. However, there is no problem even if this is reversed for convenience of a drive circuit and wiring. In either case, a piezoelectric active part is formed for each pressure generating chamber. Here, the piezoelectric element 300 and the elastic film that is displaced by driving the piezoelectric element 300 are collectively referred to as a piezoelectric actuator. In the present embodiment, the elastic film 50 and the lower electrode film 60 are diaphragms.
[0061]
In addition, on the piezoelectric element 300 side of the flow path forming substrate 10, in this embodiment, on the elastic film 50 and the lower electrode film 60, a space that does not hinder the movement is secured in a region facing the piezoelectric element 300. The sealing plate 20 having the piezoelectric element holding portion 22 that can seal the space is joined.
[0062]
In the present embodiment, the sealing plate 20 is provided with nozzle openings 21 communicating with the pressure generating chambers 12 and also serves as a nozzle plate. The nozzle opening 21 and the pressure generating chamber 12 are communicated with each other via a nozzle communication hole 51 provided by removing the elastic film 50 and the lower electrode film 60.
[0063]
Here, the manufacturing process of the ink jet recording head of the present embodiment, particularly the process of forming the pressure generating chamber 12 in the flow path forming substrate 10 and the process of forming the piezoelectric element 300 in the region corresponding to the pressure generating chamber 12. explain. 3 to 5 are cross-sectional views of the pressure generating chamber 12 in the longitudinal direction.
[0064]
First, as shown in FIG. 3A, a silicon single crystal substrate wafer to be the flow path forming substrate 10 is thermally oxidized in a diffusion furnace at about 1100 ° C. to form protective films 55a and 55b made of silicon oxide. At the same time, an opening 12a is formed in a region of the protective film 55a on one side where the pressure generating chamber 12 is to be formed.
[0065]
Next, as shown in FIG. 3B, the pressure generating chamber 12, the ink communication portion 13, and the narrow portion 14 are formed by anisotropically etching the flow path forming substrate 10 using the protective film 55a as a mask.
[0066]
Next, as shown in FIG. 3C, an elastic film base material 150 made of single crystal silicon having a thickness of, for example, 220 μm is bonded to the surface of the flow path forming substrate 10 where the pressure generating chamber 12 opens. The elastic film base material 150 has a silicon oxide layer 151 made of silicon oxide formed by, for example, thermal oxidation, TEOS-CVD method, wet oxidation, or the like on the joint surface with the flow path forming substrate 10.
[0067]
This silicon oxide layer 151 becomes an elastic film 50 by removing a region other than the silicon oxide layer 151 of the elastic film base material 150 after bonding to the flow path forming substrate 10 in a later step. It is formed with a thickness.
[0068]
Moreover, the joining method of the flow path forming substrate 10 and the elastic film base material 150 is not particularly limited as long as it can be joined without using an adhesive, and examples thereof include direct joining, room temperature joining, and anodic joining. In this embodiment, both were joined by anodic bonding.
[0069]
Specifically, in a state where the protective film 55a of the flow path forming substrate 10 made of a silicon single crystal substrate whose opposite surfaces are polished into a mirror surface and the silicon oxide layer 151 of the elastic film base material 150 are in contact with each other, The temperature is raised to near 450 ° C., and a potential of 200 to 1000 V is applied to both substrates. At this time, positive H in the protective film 55a made of silicon oxide and the silicon oxide layer 151 is obtained. + Since ions easily move in silicon oxide, they are attracted by a negative electric field and reach the surfaces of the protective film 55a and the silicon oxide layer 151, respectively. On the other hand, the negative ions remaining in the protective film 55a and the silicon oxide layer 151 form a space charge layer on the bonding surface of both, and strong suction is performed between the flow path forming substrate 10 and the elastic film base material 150. When force is generated, both are chemically bonded.
[0070]
When the elastic film base material 150 and the flow path forming substrate 10 are bonded by anodic bonding in this way, if there is a small amount of dust or dirt on the surface, the portion is not bonded and a void layer is formed at the bonding interface. Will be.
[0071]
Next, as shown in FIG. 3D, an excessive region of the elastic film base material 150 is removed. In the present embodiment, only the region other than the silicon oxide layer 151, that is, single crystal silicon is removed.
[0072]
In this embodiment, this single crystal silicon is removed by wet etching using an alkaline aqueous solution such as KOH.
[0073]
In this way, by removing the region other than the silicon oxide layer 151 of the elastic film base material 150, the silicon oxide layer 151 remaining on the flow path forming substrate 10 becomes the elastic film 50.
[0074]
According to such a method, the elastic film 50 made of a thin film of approximately 1 μm or less can be bonded to the flow path forming substrate 10 in which the shallow pressure generating chamber 12 is formed without using an adhesive, thereby simplifying the manufacturing process. Manufacturing cost can be reduced.
[0075]
The method for removing single crystal silicon is not particularly limited as long as only the silicon oxide layer 151 can remain, such as etching or polishing, and the single crystal silicon may be peeled off.
[0076]
For example, a porous silicon layer is provided at the boundary between the silicon oxide layer 151 and the single crystal silicon of the elastic film base material 150, and the porous silicon layer is bonded to the flow path forming substrate 10 and the elastic film base material 150. By removing the layer by etching or the like, the single crystal silicon can be easily separated from the silicon oxide layer 151. Such an elastic film base material 150 is formed by forming a porous silicon layer on the surface of the elastic film base material 150 made of single crystal silicon by anodizing, and forming a thin silicon layer thereon by epitaxial growth. It can be formed by oxidizing the surface.
[0077]
Further, for example, a hydrogen ion layer in which hydrogen ions are implanted is provided between the single crystal silicon of the elastic film base material 150 and the silicon oxide layer 151, and the flow path forming substrate 10 and the elastic film base material 150 are joined together. Single crystal silicon can be easily peeled from the silicon oxide layer 151 by heating to 500 ° C. to 600 ° C.
[0078]
Thus, if the single crystal silicon of the elastic film base material 150 is removed by peeling, the peeled single crystal silicon can be reused, and the manufacturing cost can be reduced.
[0079]
Next, the piezoelectric element 300 is formed on the elastic film 50 corresponding to each pressure generating chamber 12.
[0080]
As a step of forming the piezoelectric element 300, first, as shown in FIG. 4A, the lower electrode film 60 is formed over the entire surface of the flow path forming substrate 10 on the pressure generating chamber 12 side by sputtering and has a predetermined shape. The lower electrode film 60 is formed by patterning. As a material of the lower electrode film 60, platinum, iridium 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 conductivity change due to diffusion of lead oxide is small, and platinum and iridium are preferable for these reasons.
[0081]
Next, as shown in FIG. 4B, a piezoelectric layer 70 is formed. For example, in the present 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 and dried to be gelled, and further baked at a high temperature to obtain a piezoelectric layer 70 made of metal oxide Formed using. As a material of the piezoelectric layer 70, a PZT material is suitable when used for an ink jet recording head. The method for forming the piezoelectric layer 70 is not particularly limited. For example, the piezoelectric layer 70 may be formed by a spin coating method such as a sputtering method or a MOD method (organic metal thermal coating decomposition method).
[0082]
Further, after forming a lead zirconate titanate precursor film by a sol-gel method, sputtering method, MOD method or the like, a method of crystal growth at a low temperature by a high pressure treatment method in an alkaline aqueous solution may be used.
[0083]
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.
[0084]
Next, as shown in FIG. 4C, 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.
[0085]
Next, as shown in FIG. 4D, the piezoelectric element 300 is patterned by etching only the piezoelectric layer 70 and the upper electrode film 80. In the present embodiment, simultaneously, the nozzle communication hole 51 is formed by patterning the elastic film 50 and the lower electrode film 60 in the vicinity of the end of the pressure generating chamber 12 on the opposite side to the ink communication part 13 in the longitudinal direction.
[0086]
Next, as shown in FIG. 5A, the lead electrode 90 is formed over the entire surface of the flow path forming substrate 10 and is patterned for each piezoelectric element 300. A lead electrode 90 extending on the elastic film 50 is formed.
[0087]
Next, as shown in FIG. 5 (b), the region to be the reservoir 15 of the protective film 55b provided on the surface of the flow path forming substrate 10 opposite to the pressure generating chamber 12 is removed by patterning to open the opening. 56, and the reservoir 15 is formed by anisotropically etching, for example, wet etching, the flow path forming substrate 10 until the ink communication portion 13 is reached from the opening 56.
[0088]
The pressure generation chamber 12 and the piezoelectric element 300 are formed by the above process.
[0089]
Thereafter, the sealing plate 20 is bonded on the piezoelectric element 300 side of the flow path forming substrate 10, in this embodiment, on the lower electrode film 60 and the elastic film 50.
[0090]
The ink jet recording head of this embodiment manufactured in this way takes in ink from an external ink supply means (not shown) into the reservoir 15 and fills the interior from the reservoir 15 to the nozzle opening 21 with the ink. In accordance with the recording signal output from the wiring, a voltage is applied between the lower electrode film 60 and the upper electrode film 80 corresponding to the pressure generation chamber 12, and the elastic film 50, the lower electrode film 60, and the piezoelectric layer 70 are moved. By deflecting and deforming, the pressure in each pressure generating chamber 12 is increased and ink droplets are ejected from the nozzle openings 21.
[0091]
By forming the pressure generating chamber 12 without penetrating the flow path forming substrate 10 in this way, the rigidity of the partition wall 11 can be improved. Even if the pressure generating chambers 12 are arranged at a high density, the cross between the pressure generating chambers 12 is increased. Talk can be prevented.
[0092]
In the present embodiment, each pressure generating chamber 12 and the reservoir 15 are communicated with each other via the ink communicating portion 13 and the narrowed portion 14, but the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. As described above, the pressure generating chambers 12 and the reservoir 15 may be directly communicated with each other.
[0093]
In the present embodiment, the narrow portion 14 is formed with a width narrower than that of the pressure generation chamber 12 to control the inflow and outflow of ink in the pressure generation chamber 12, but the present invention is not limited to this. As shown in FIG. 6 (b), the narrow portion 14A having the same width as the pressure generating chamber 12 and the adjusted depth may be used.
[0094]
(Embodiment 2)
FIG. 7 is a cross-sectional view in the longitudinal direction of the pressure generating chamber showing the method of manufacturing the ink jet recording head according to the second embodiment.
[0095]
The present embodiment is an example in which the elastic film 50A is made of single crystal silicon in which impurities are diffused.
[0096]
Here, a method of providing the elastic film 50A in this way will be described in detail. In addition, the overlapping description is abbreviate | omitted about the process similar to the manufacturing method of Embodiment 1 mentioned above.
[0097]
First, as shown in FIG. 7A, the pressure generating chamber 12 is formed in the flow path forming substrate 10 by the same process as that of the first embodiment described above.
[0098]
Next, as shown in FIG. 7B, the elastic film base material 150 </ b> A is joined to the flow path forming substrate 10 in which the pressure generation chamber 12 is formed.
[0099]
In this embodiment, the elastic film base material 150A is made of single crystal silicon, and has an impurity layer 151A in which impurities are diffused on the joint surface with the flow path forming substrate 10. In this embodiment, the impurity layer 151A can be provided, for example, by doping boron on the surface of single crystal silicon or epitaxially forming single crystal silicon in which boron is diffused on the surface of single crystal silicon.
[0100]
And the joining method of 150 A of elastic film base materials in which the impurity layer 151A was formed in this way and the flow-path formation board | substrate 10 is not specifically limited, For example, direct joining or normal temperature joining etc. can be mentioned. In this embodiment, both were joined by direct joining.
[0101]
Specifically, the joining surface of the flow path forming substrate 10 and the elastic film base material 150A is polished to a mirror surface, the surface is washed to remove dust and dirt and dried, and the surfaces of each other are cleaned in a clean atmosphere. Both are bonded by bringing them into contact.
[0102]
When the elastic film base material 150A and the flow path forming substrate 10 are bonded by direct bonding, it is difficult to match each crystal lattice, and a crystal lattice mismatch surface is formed at the bonding interface. Further, when bonding between the crystal lattices with a precision of 1 degree or less is achieved, the crystal lattices are connected at the bonding interface, and continuity similar to that of the epitaxial layer is maintained, but a transition surface is formed. Further, a void layer may be formed at the bonding interface as in the first embodiment.
[0103]
Next, as shown in FIG. 7C, an excessive region of the elastic film base material 150A is removed. In the present embodiment, only the region other than the impurity layer 151A, that is, the single crystal silicon on the other side is removed. In this embodiment, single crystal silicon was removed by wet etching with KOH.
[0104]
Here, in the wet etching with KOH, the etching speed of the impurity layer 151A in which boron is diffused is reduced by the fourth power of the ratio of the boron concentration as compared with the single crystal silicon region. It can be removed by etching, leaving only the impurity layer 151A.
[0105]
In the present embodiment, after forming only the impurity layer 151A on the flow path forming substrate 10 by such wet etching, the surface of the impurity layer 151A is smoothed by electrolytic polishing to form the elastic film 50A.
[0106]
The subsequent steps of forming the piezoelectric element 300, the reservoir 15, and the like are the same as those in the first embodiment.
[0107]
As described above, even when the single crystal silicon having the impurity layer 151A in which boron is diffused is used for the elastic film base material 150A, the same effect as that of the first embodiment described above can be obtained.
[0108]
(Embodiment 3)
FIG. 8 is a cross-sectional view in the longitudinal direction of the pressure generating chamber showing the method of manufacturing the ink jet recording head according to the third embodiment.
[0109]
In this embodiment, the elastic film base material 150B is made of single crystal silicon having a pn junction, and the elastic film 50B is made of n-type single crystal silicon.
[0110]
Here, a method of providing the elastic film 50B in this way will be described in detail. In addition, the overlapping description is abbreviate | omitted about the process similar to the manufacturing method of Embodiment 1 mentioned above.
[0111]
First, as shown in FIG. 8A, the pressure generating chamber 12 is formed in the flow path forming substrate 10 by the same process as that of the first embodiment described above.
[0112]
Next, as shown in FIG. 8B, the elastic film base material 150B is joined to the flow path forming substrate 10 in which the pressure generating chamber 12 is formed.
[0113]
The elastic film base material 150B is not particularly limited as long as it is composed of single crystal silicon having a pn junction, that is, an n-type silicon layer 151B and a p-type silicon layer 152B. The elastic film base material 150B having a pn junction composed of the n-type silicon layer 151B and the p-type silicon layer 152B is formed by doping or the like or epitaxially forming the n-type silicon layer 151B on the surface of the p-type silicon layer 152. can do.
[0114]
And the joining method of the elastic membrane base material 150B formed in this way and the flow path forming substrate 10 is not particularly limited, and for example, both can be joined by direct joining, anodic joining, or the like. In this embodiment, it joined by direct joining similarly to Embodiment 2 mentioned above.
[0115]
Next, as shown in FIG. 8C, an excessive region of the elastic film base material 150B is removed. In the present embodiment, only the region other than the n-type silicon layer 151B, that is, the p-type silicon layer 152B is removed. In the present embodiment, the p-type silicon layer 152B is removed by electrochemical etching with an alkaline aqueous solution such as KOH.
[0116]
Here, in the electrochemical etching, only the p-type silicon layer 152B is etched by changing the magnitude of the voltage applied to the elastic film base material 150B made of single crystal silicon having a pn junction, and only the n-type silicon layer 151B is etched. It is something to leave.
[0117]
Specifically, the n-type silicon layer 151B and the p-type silicon layer 152B have a significantly low silicon etching rate when a voltage higher than a passivation voltage (a little higher than the current reaches a peak value) is applied. Utilizing this property, a voltage lower than the passivation voltage is applied to the p-type silicon layer 152B to be etched, and a voltage higher than the passivation voltage is applied to the n-type silicon layer 151B to be etched. By etching with an alkaline aqueous solution such as, it is possible to etch only the p-type silicon layer 152B and leave the n-type silicon layer 151B.
[0118]
In this embodiment, after forming only the n-type silicon layer 151B on the flow path forming substrate 10 by such electrochemical etching, the elastic film 50B is smoothed by electrolytic polishing on the surface of the n-type silicon layer 151B. Formed.
[0119]
The subsequent steps of forming the piezoelectric element 300, the reservoir 15, and the like are the same as those in the first embodiment.
[0120]
Thus, even when single crystal silicon having a pn junction is used for the elastic film base material 150B, the same effect as that of the first embodiment described above can be obtained.
[0121]
In this embodiment, since the elastic film base material 150B and the flow path forming substrate 10 are directly bonded to each other, a crystal is formed at the bonding interface between the elastic film 50B and the flow path forming substrate 10 as in the second embodiment. It has a lattice mismatch surface, a transition surface, or a void layer.
[0122]
(Embodiment 4)
FIG. 9 is a cross-sectional view in the longitudinal direction of the pressure generating chamber showing the method of manufacturing the ink jet recording head according to the fourth embodiment.
[0123]
This embodiment is an example in which single crystal silicon having a high impurity layer 152C and a low impurity layer 151C made of single crystal silicon having different impurity concentrations is used as the elastic film base material 150C, and the elastic film 50C is made of a low impurity layer 151C. .
[0124]
Here, a method of providing the elastic film 50C in this way will be described in detail. In addition, the overlapping description is abbreviate | omitted about the process similar to the manufacturing method of Embodiment 1 mentioned above.
[0125]
First, as shown in FIG. 9A, the pressure generating chamber 12 is formed in the flow path forming substrate 10 by the same process as that of the first embodiment described above.
[0126]
Next, as illustrated in FIG. 9B, the elastic film base material 150 </ b> C is bonded to the flow path forming substrate 10 in which the pressure generation chamber 12 is formed.
[0127]
In this embodiment, the elastic film base material 150C is made of single crystal silicon having a high impurity layer 152C containing impurities at a high concentration and a low impurity layer 151C containing impurities at a low concentration. The combination of the low impurity layer 151C containing the impurity and the high impurity layer 152C is not particularly limited. For example, N / N + , N / P + , P / N + , P / P + Any combination of can be used.
[0128]
And the joining method of such elastic film | membrane base material 150C and the flow-path formation board | substrate 10 is not specifically limited, For example, direct joining or normal temperature joining etc. can be mentioned. In the present embodiment, both are joined by direct joining as in the second embodiment described above.
[0129]
Next, as shown in FIG. 9C, an excess region of the elastic film base material 150C is removed.
[0130]
In this embodiment, HF-HNO 3 A region other than the low impurity layer 151C, that is, only the high impurity layer 152C was removed by electrochemical etching using the system.
[0131]
Where HF-HNO 3 In the electrochemical etching using the system, first, electrodes are arranged so as to bias the elastic film base material 150C to the positive side with respect to the etching solution. On the other hand, a platinum electrode biased to the negative side is placed in the solution in order to fix the potential of the etching solution. 2 A mixed solution with O is used. H 2 O is HNO 3 Since the oxidizing action is smaller than that of the single crystal silicon, the etching rate of the single crystal silicon is extremely small when no current is passed. However, when a positive voltage is applied to the single crystal silicon, holes are injected from the electrode, so that the OH in the solution Ions attach and oxidation of single crystal silicon occurs. Since this oxide easily reacts in the HF solution and dissolves in the etching solution, the dissolution of the single crystal silicon proceeds. At this time, since the resistance is low in the high impurity layer 152C having a high concentration of impurities, a large current flows, and the oxidation of the silicon surface progresses quickly and the etching rate increases. On the other hand, in the low impurity layer 151C having a low concentration of impurities, the etching rate decreases. HF-HNO like this 3 In the electrochemical etching using the system, the high impurity layer 152C containing a high concentration impurity can be etched to leave only the low impurity layer 151C containing a low concentration impurity.
[0132]
In the present embodiment, such HF-HNO 3 After forming only the low impurity layer 151C on the flow path forming substrate 10 by electrochemical etching using a system, the surface was smoothed by electrolytic polishing to form the elastic film 50C.
[0133]
The subsequent steps of forming the piezoelectric element 300, the reservoir 15, and the like are the same as those in the first embodiment.
[0134]
As described above, the elastic film 50C may be formed of the low impurity layer 151C using the elastic film base material 150C using the high impurity layer 152C containing a high concentration impurity and the low impurity layer 151C containing a low concentration impurity. The same effects as those of the first embodiment described above can be obtained.
[0135]
In this embodiment, since the elastic film base material 150C and the flow path forming substrate 10 are directly bonded to each other, a crystal lattice is formed at the bonding interface between the elastic film 50C and the flow path forming substrate 10 as in the second embodiment. It has an incommensurate surface, a transition surface, or a void layer.
[0136]
(Embodiment 5)
FIG. 10 is a longitudinal sectional view of the pressure generating chamber showing the manufacturing process of the ink jet recording head according to the fifth embodiment.
[0137]
This embodiment is an example in which the elastic film 50D has a silicon layer 52 made of single crystal silicon on the pressure generating chamber 12 side of the flow path forming substrate 10 and an insulator layer 53 made of silicon oxide on the lower electrode film 60 side. is there.
[0138]
Here, a method of providing the elastic film 50D in this way will be described in detail. In addition, the overlapping description is abbreviate | omitted about the process similar to the manufacturing method of Embodiment 1 mentioned above.
[0139]
First, as shown in FIG. 10A, the pressure generating chamber 12 is formed in the flow path forming substrate 10 by the same process as that of the first embodiment described above. Further, the protective film 55a which is a mask pattern on the flow path forming substrate 10 is removed with hydrofluoric acid or the like so that the single crystal silicon is exposed on the bonding surface of the flow path forming substrate 10.
[0140]
Next, as shown in FIG. 10B, the elastic film base material 150D is joined to the flow path forming substrate 10 in which the pressure generating chamber 12 is formed.
[0141]
In this embodiment, the elastic film base material 150D uses an SOI substrate having silicon layers 52 and 54 made of single crystal silicon on both sides of an insulator layer 53 made of silicon oxide, and one silicon layer 52 flows. It joined so that it might become the path | route formation board | substrate 10 side. In the present embodiment, since the silicon layer 52 and the insulator layer 53 serve as the elastic film 50D, an SOI substrate having a thickness of the silicon layer 52 of approximately 1 μm or less is used.
[0142]
The bonding method between the flow path forming substrate 10 and the elastic film base material 150D is not particularly limited, and examples thereof include room temperature bonding and direct bonding. In this embodiment, both were joined by normal temperature joining.
[0143]
Specifically, surface activation is performed by irradiating the surface of the flow path forming substrate 10 and the elastic film base material 150D with an argon fast atom beam (FAB) to remove the surface layer such as a natural oxide film, and so on. Both are joined by pressing the surfaces in a vacuum.
[0144]
Even when the elastic film base material 150D and the flow path forming substrate 10 are bonded by room temperature bonding, the elastic film base material 150D and the flow path are the same as in the case of the direct bonding in Embodiments 2 to 4 described above. A crystal lattice mismatch plane, a transition plane, or a void layer is formed at the bonding interface with the formation substrate 10.
[0145]
Next, as shown in FIG. 10C, an excessive region of the elastic film base material 150D is removed. In this embodiment, only the region other than the silicon layer 52 and the insulator layer 53, that is, the silicon layer 54 provided on the other surface is removed.
[0146]
In the present embodiment, the silicon layer 54 is removed by wet etching using an alkaline aqueous solution such as KOH. In this wet etching, it is preferable to form a protective film on the surface opposite to the bonding surface of the flow path forming substrate 10 so that the flow path forming substrate 10 made of single crystal silicon is not dissolved by etching. An example of this protective film is parylene (trade name; polyparaxylylene). The protective film made of parylene can be easily formed with a uniform thickness by the CVD method.
[0147]
Then, by removing the silicon layer 54 in this way, an elastic film 50D composed of the silicon layer 52 and the insulator layer 53 is obtained.
[0148]
The subsequent steps of forming the piezoelectric element 300, the reservoir 15, and the like are the same as those in the first embodiment.
[0149]
Thus, even when an SOI substrate is used for the elastic film base material 150D, the same effect as that of the first embodiment described above can be obtained.
[0150]
In the present embodiment, the flow path forming substrate 10 and the elastic film base material 150D are bonded by room temperature bonding. However, the present invention is not limited to this, and for example, the bonding may be performed by anodic bonding as in the first embodiment. It may be. In this anodic bonding, it is necessary to form a silicon oxide layer on each bonding surface of the flow path forming substrate and the elastic film base material. As a result, the elastic film 50D is composed of single crystal silicon and silicon oxide formed on both surfaces thereof. It becomes three layers with layers.
[0151]
(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.
[0152]
For example, in Embodiments 1 to 5 described above, the pressure generation chamber 12 is provided shallowly without penetrating the flow path forming substrate 10, but the present invention is not limited to this, and pressure generation is performed on a thin flow path forming substrate. Even if the chambers are provided through the chambers, the rigidity of the partition walls defining the pressure generation chambers can be maintained, crosstalk between the pressure generation chambers can be prevented, and ink ejection characteristics can be improved. Even in the case where the pressure generating chamber is provided through the flow path forming substrate as described above, an elastic film having a thickness of about 1 μm or less can be provided by bonding without using an adhesive by being manufactured by the above-described manufacturing method. . Thereby, a manufacturing process can be simplified and manufacturing cost can be reduced.
[0153]
In the first to fifth embodiments described above, the pressure generating chamber 12 is shallowly formed by half etching using a silicon single crystal substrate as the flow path forming substrate 10. However, the present invention is not limited to this. Alternatively, an SOI substrate may be used to form a pressure generating chamber that penetrates the flow path forming layer in the flow path forming layer made of single crystal silicon on one side of the SOI substrate. Thereby, the depth of a pressure generation chamber can be controlled easily and a highly accurate pressure generation chamber can be formed.
[0154]
Furthermore, although Embodiment 1-5 mentioned above illustrated each of anodic bonding, direct bonding, and normal temperature bonding, if a flow-path formation board | substrate and an elastic film can be joined without using an adhesive agent, this invention is limited to this. Is not to be done.
[0155]
In addition, in the formation of the elastic films 50 to 50D of the first to fifth embodiments described above, the etching is performed when removing the extra regions of the elastic film base materials 150 to 150D. If it is removed by mechanical polishing until etching is performed thereafter, the manufacturing time can be shortened and the manufacturing cost can be reduced.
[0156]
Furthermore, in Embodiments 1 to 5 described above, the ink jet recording head having the nozzle openings 21 on the piezoelectric element 300 side of the flow path forming substrate 10 is used. However, the present invention is not limited to this. An ink jet recording head having a nozzle opening on the opposite side may be used. Such an example is shown in FIG. FIG. 11 is a sectional view in the longitudinal direction of the pressure generating chamber.
[0157]
As shown in the figure, the flow path forming substrate 10A is provided with a nozzle communication path 16 and an ink supply path 17 that communicate with both ends of the pressure generating chamber 12 and penetrate to the opposite side of the piezoelectric element 300. Yes. The nozzle communication path 16 and the ink supply path 17 are formed, for example, by wet etching from the side opposite to the piezoelectric element 300.
[0158]
On the other hand, on the surface side where the nozzle communication hole 16 and the ink supply path 17 of the flow path forming substrate 10A are opened, a nozzle opening 21A communicating with the nozzle communication path 16 and an ink supply hole 23 communicating with the ink supply path 17 are provided. The nozzle plate 20A having the same is joined.
[0159]
A reservoir forming substrate 30 and a compliance substrate 40 that define the reservoir 15A are sequentially joined to a region of the nozzle plate 20A facing the ink supply hole 23, and the pressure generating chamber 12 and the reservoir 15A are connected to the nozzle plate 20A. Are communicated with each other through an ink supply hole 23.
[0160]
Furthermore, the ink supplied to the reservoir 15A is supplied from an ink inlet 24 formed in a region facing the reservoir 15A of the nozzle plate 20A.
[0161]
The reservoir forming substrate 30 forms the peripheral wall of the reservoir 15A, and is manufactured by punching a stainless steel plate having an appropriate thickness according to the nozzle numerical aperture and the ink droplet ejection frequency.
[0162]
The ink chamber side plate 40 is made of a stainless steel substrate, and constitutes one wall surface of the reservoir 15A on one surface. Further, a thin wall 41 is formed on the ink chamber side plate 40 by forming a recess 40a on a part of the other surface by half etching. The thin wall 41 is for absorbing the pressure generated when ink droplets are ejected toward the opposite side of the nozzle opening 21A, and is passed to the other pressure generation chamber 12A via the reservoir 15A. Prevent negative pressure from being applied.
[0163]
Even with such an ink jet recording head, the same effects as those of the first to fifth embodiments described above can be obtained.
[0164]
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. 12 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.
[0165]
As shown in FIG. 12, 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.
[0166]
Then, the driving force of the driving motor 6 is transmitted to the carriage 3 via a plurality of gears and a 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 shaft 5, and a recording sheet S which is a recording medium such as paper fed by a paper feed roller (not shown) is wound around the platen 8. It is designed to be transported.
[0167]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the bonding layer facing the pressure generation chamber of the diaphragm is formed of single crystal silicon or silicon oxide, and the flow path forming substrate and the bonding layer are bonded without using an adhesive. Therefore, the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced.
[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 invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a pressure generating chamber of the ink jet recording head according to the first embodiment of the invention.
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 longitudinal sectional view of a pressure generating chamber showing a modification of the ink jet recording head according to the first embodiment of the invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of an ink jet recording head according to a second embodiment of the invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of an ink jet recording head according to a third embodiment of the invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of an ink jet recording head according to a fourth embodiment of the invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of an ink jet recording head according to a fifth embodiment of the invention.
FIG. 11 is a longitudinal sectional view of a pressure generating chamber showing a modification of an ink jet recording head according to another embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic view of an ink jet recording apparatus according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10, 10A flow path forming substrate
11 Bulkhead
12, 12A Pressure generation chamber
13 Ink communication part
14 Narrow part
15, 15A reservoir
20 Sealing plate
20A nozzle plate
21 Nozzle opening
22 Piezoelectric element holder
23 Ink supply hole
24 Ink inlet
30 Reservoir forming substrate
40 Compliance board
50, 50A, 50B, 50C, 50D Elastic membrane
51 Nozzle communication hole
52 Silicon layer
53 Insulation layer
54 Silicon layer
60 Lower electrode membrane
70 Piezoelectric layer
80 Upper electrode film
90 Lead electrode
150, 150A, 150B, 150C, 150D Elastic membrane base material
151 Silicon oxide layer
151A Impurity layer
151B n-type silicon layer
151C Low impurity layer
152B p-type silicon layer
152C High impurity layer
300 Piezoelectric element

Claims (10)

ノズル開口に連通する圧力発生室が画成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して成膜及びリソグラフィ法により形成された薄膜からなる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを有するインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、
前記流路形成基板に圧力発生室を形成する工程と、少なくとも一方面側に設けられた多孔質シリコン層又は水素イオンを含有する水素イオン層と、該多孔質シリコン層又は水素イオン層上に設けられた単結晶シリコン又は酸化シリコンからなる接合層とを有する振動板母材の前記接合層側を前記流路形成基板に接着剤を介さずに接合する工程と、前記振動板母材の前記多孔質シリコン層又は前記水素イオン層を除去して前記接合層と当該接合層以外の領域とを剥離して前記振動板を形成する工程と、前記振動板上に前記下電極膜、圧電体膜及び上電極膜を積層及びパターニングすることにより前記圧電素子を形成する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。
A flow path forming substrate in which a pressure generating chamber communicating with the nozzle opening is defined, a lower electrode made of a thin film formed by a film forming and lithography method on one surface side of the flow path forming substrate through a vibration plate, and a piezoelectric In a method of manufacturing an ink jet recording head having a piezoelectric element comprising a body layer and an upper electrode,
A step of forming a pressure generating chamber in the flow path forming substrate; a porous silicon layer or a hydrogen ion layer containing hydrogen ions provided on at least one side; and a porous silicon layer or hydrogen ion layer provided on the porous silicon layer or hydrogen ion layer Bonding the bonding layer side of the diaphragm base material having a bonding layer made of single crystal silicon or silicon oxide to the flow path forming substrate without an adhesive, and the porosity of the diaphragm base material Removing the porous silicon layer or the hydrogen ion layer to separate the bonding layer and the region other than the bonding layer to form the diaphragm, and forming the diaphragm on the diaphragm, the lower electrode film, the piezoelectric film, and And a step of forming the piezoelectric element by laminating and patterning an upper electrode film.
前記流路形成基板は前記圧力発生室が形成された単結晶シリコンからなる流路形成層を有し、該流路形成層に前記振動板母材を接合することを特徴とする請求項1記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法。  2. The flow path forming substrate has a flow path forming layer made of single crystal silicon in which the pressure generating chamber is formed, and the diaphragm base material is bonded to the flow path forming layer. Manufacturing method of inkjet recording head. 前記振動板母材が絶縁体層の両側に単結晶シリコンからなるシリコン層を有するSOI基板からなり、前記接合層が前記絶縁体層と前記シリコン層の一方とからなることを特徴とする請求項1又は2記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法。  The diaphragm base material is an SOI substrate having silicon layers made of single crystal silicon on both sides of an insulator layer, and the bonding layer is made of one of the insulator layer and the silicon layer. 3. A method for producing an ink jet recording head according to 1 or 2. 前記接合層がボロンの拡散された単結晶シリコンからなることを特徴とする請求項1又は2記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法。  3. The method of manufacturing an ink jet recording head according to claim 1, wherein the bonding layer is made of single crystal silicon in which boron is diffused. 前記振動板母材がpn接合を持つ単結晶シリコンからなり、前記接合層がn型単結晶シリコンであることを特徴とする請求項1又は2記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法。  3. The method of manufacturing an ink jet recording head according to claim 1, wherein the diaphragm base material is made of single crystal silicon having a pn junction, and the bonding layer is n-type single crystal silicon. 前記振動板母材が不純物濃度の異なる2層の単結晶シリコンからなると共に前記接合層が低濃度の層からなることを特徴とする請求項1又は2記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法。  3. The method of manufacturing an ink jet recording head according to claim 1, wherein the diaphragm base material is made of two layers of single crystal silicon having different impurity concentrations, and the bonding layer is made of a low concentration layer. 前記振動板母材を前記流路形成基板に接合する工程では、両者を直接接合又は常温接合により接合することを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法。  The method of manufacturing an ink jet recording head according to claim 1, wherein in the step of bonding the diaphragm base material to the flow path forming substrate, both are bonded by direct bonding or room temperature bonding. . 前記振動板母材を前記流路形成基板に接合する工程では、両者を陽極接合により接合することを特徴とする請求項1又は2記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法。  3. The method of manufacturing an ink jet recording head according to claim 1, wherein in the step of bonding the diaphragm base material to the flow path forming substrate, both are bonded by anodic bonding. 前記振動板を形成する工程では、前記流路形成基板を保護層で覆った後、前記振動板母材の前記接合層以外の領域を除去することを特徴とする請求項1〜8の何れかに記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法。  The step of forming the diaphragm includes removing the region other than the bonding layer of the diaphragm base material after covering the flow path forming substrate with a protective layer. A method for producing an ink jet recording head according to 1. 前記圧力発生室を形成する工程では、当該圧力発生室を前記流路形成基板を貫通することなく形成することを特徴とする請求項1〜9の何れかに記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法。  10. The method of manufacturing an ink jet recording head according to claim 1, wherein in the step of forming the pressure generating chamber, the pressure generating chamber is formed without penetrating the flow path forming substrate. .
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