JP3849767B2 - インクジェット式記録ヘッド - 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、この振動板の表面に圧電素子を形成して、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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
前者は圧電素子の端面を振動板に当接させることにより圧力発生室の容積を変化させることができて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
【０００４】
これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。
【０００５】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、特開平５−２８６１３１号公報に見られるように、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案されている。
【０００６】
これによれば圧電素子を振動板に貼付ける作業が不要となって、リソグラフィ法という精密で、かつ簡便な手法で圧電素子を作り付けることができるばかりでなく、圧電アクチュエータ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、このように圧電素子を圧電材料のスパッタリングにより構成した場合には、グリーンシートを焼成して構成されたものと略同一電圧で駆動すると、圧電素子が薄い分だけ高い電界が印加され、大気中の湿気を吸収した場合には駆動電極間のリーク電流が増加しやすく、ついには絶縁破壊に至るという問題を抱えている。
【０００８】
このような問題を解決するために、圧電素子を封止するための封止部を有する封止基板を圧力発生室が形成される流路形成基板に接着した構造が提案されているが、封止基板を接着している接着剤を介して封止部内に水分が侵入し、圧電素子が破壊されてしまうという問題がある。
【０００９】
また、封止基板の流路形成基板との接着面積を大きくすることによって封止部内への水分の侵入を抑えることはできるが、ヘッドが大型化してしまうという問題がある。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑み、圧電素子の湿気等の外部環境に起因する動作不良を防止できるインクジェット式記録ヘッドを提供することを課題とする。
【００１１】
【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、インクを吐出する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設けられる下電極、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、前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に接合され、当該圧電素子に対向する領域に空間を確保した状態で当該空間を密封する圧電素子保持部を有する封止基板を有し、該封止基板と前記流路形成基板とを接合する接合層の少なくとも外気に接触する部分が含フッ素有機基を含む撥水性エポキシ系接着剤層からなり、且つ前記圧電素子保持部の周囲の前記接合層は、前記撥水性エポキシ系接着剤層の内側の外気に接触しない部分に含フッ素有機基を有さないエポキシ系接着剤層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にある。
【００１２】
かかる第１の態様では、大気中の水分が接合層を介して圧電素子保持部内に侵入することがなく、水分に起因する圧電素子の破壊が防止される。
【００１３】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記撥水性エポキシ系接着剤層は、エポキシ系樹脂材料からなる主剤を、該主剤を硬化させる硬化剤と、前記含フッ素有機基を有し且つ前記主剤又は前記硬化剤と反応する官能基を有するシラン化合物とで硬化させたものであ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。
【００１４】
かかる第２の態様では、シラン化合物を主剤又は硬化剤と反応させることにより、含フッ素有機基を有する撥水性エポキシ系接着剤層を形成することができる。
【００１５】
本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記官能基は、前記シラン化合物のケイ素元素に結合するエポキシ基、アミノ基、ヒドロキシ基及びカルボニル基からなる群から選択される少なくとも一種であ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。
【００１６】
かかる第３の態様では、シラン化合物に含まれる官能基が、主剤又は硬化剤と反応することで、含フッ素有機基を有する撥水性エポキシ系接着剤層が形成される。
【００１７】
本発明の第４の態様では、第２又は３の態様において、前記シラン化合物の分子鎖の一端部側が前記含フッ素有機基であり、他端部側が前記官能基であ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。
【００１８】
かかる第４の態様では、シラン化合物に含まれる官能基によってエポキシ系樹脂材料に含まれるエポキシ基を開環させることにより、含フッ素有機基を有する撥水性エポキシ系接着剤層を形成することができる。
【００３１】
【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。
【００３２】
（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の概略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。
【００３３】
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る。流路形成基板１０としては、通常、１５０〜３００μｍ程度の厚さのものが用いられ、望ましくは１８０〜２８０μｍ程度、より望ましくは２２０μｍ程度の厚さのものが好適である。これは、隣接する圧力発生室１２間の隔壁１１の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。
【００３４】
流路形成基板１０の一方の面は開口面となり、他方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。
【００３５】
一方、流路形成基板１０の開口面には、シリコン単結晶基板を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、その長手方向外側には、後述するリザーバ形成基板３０のリザーバ部３１に連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する連通部１３が形成され、各圧力発生室１２の長手方向一端部とそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。
【００３６】
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。
【００３７】
本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で形成している。この圧力発生室１２は、流路形成基板１０をほぼ貫通して弾性膜５０に達するまでエッチングすることにより形成されている。ここで、弾性膜５０は、シリコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵される量がきわめて小さい。また各圧力発生室１２の一端に連通する各インク供給路１４は、圧力発生室１２より浅く形成されており、圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。すなわち、インク供給路１４は、シリコン単結晶基板を厚さ方向に途中までエッチング（ハーフエッチング）することにより形成されている。なお、ハーフエッチングは、エッチング時間の調整により行われる。
【００３８】
また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。なお、ノズルプレート２０は、厚さが例えば、０．１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０-6／℃］であるガラスセラミックス、又は不錆鋼などからなる。ノズルプレート２０は、一方の面で流路形成基板１０の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。また、ノズルプレート２０は、流路形成基板１０と熱膨張係数が略同一の材料で形成するようにしてもよい。この場合には、流路形成基板１０とノズルプレート２０との熱による変形が略同一となるため、熱硬化性の接着剤等を用いて容易に接合することができる。
【００３９】
ここで、インク滴吐出圧力をインクに与える圧力発生室１２の大きさと、インク滴を吐出するノズル開口２１の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出スピード、吐出周波数に応じて最適化される。例えば、１インチ当たり３６０個のインク滴を記録する場合、ノズル開口２１は数十μｍの直径で精度よく形成する必要がある。
【００４０】
一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側の弾性膜５０の上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．１μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０、及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜６０は圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動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。
【００４１】
また、圧電素子３００の上電極膜８０の長手方向一端部近傍から流路形成基板１０の端部近傍まで、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が延設されている。そして、このリード電極９０の端部近傍には圧電素子３００を駆動するための外部配線（図示なし）が電気的に接続される。
【００４２】
このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有するリザーバ形成基板３０が接合されている。このリザーバ部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おり、上述したように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。
【００４３】
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３２が設けられ、圧電素子３００はこの圧電素子保持部３２内に密封されている。
【００４４】
なお、このリザーバ形成基板３０は、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料等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。
【００４５】
また、このリザーバ形成基板３０は、接合層１１０によって流路形成基板１０に接合されている。この接合層１１０は、本実施形態では、含フッ素有機基を含む撥水性を有する撥水性エポキシ系接着剤からなり、接合層１１０全体が撥水性を有している。これにより、大気中の水分が接合層１１０を透過して圧電素子保持部３２に侵入することを防止することができる。
【００４６】
この接合層１１０を形成する撥水性エポキシ系接着剤は、基本的には、一般的なエポキシ系接着剤の主剤と硬化剤とが重合反応したものであるが、本実施形態では、さらに含フッ素有機基を有するシラン化合物を添加することにより、含フッ素有機基を有するシラン化合物と、主剤又は硬化剤の一部とが重合反応して含フッ素有機基が重合体の中に形成される。
【００４７】
ここで、主剤に用いるエポキシ系樹脂材料は、１分子中にエポキシ基を有する比較的低分子の重合体であり、エポキシ基の開環反応によって熱硬化性樹脂となる。この熱硬化性樹脂は、加熱すると重合体中で架橋反応が起こり網状構造となる合成樹脂である。
【００４８】
また、主剤を硬化させる硬化剤は、例えば、アミノ基、カルボニル基等を一つ以上含む化合物からなり、主剤であるエポキシ樹脂材料の分子鎖中に含まれるエポキシ基と反応することにより、エポキシ基を開環させて熱硬化性樹脂にする。このような主剤を硬化させる硬化剤は、１００重量部の主剤に対して５０〜１００重量部添加することが好ましい。
【００４９】
ここで、主剤及び硬化剤と反応するシラン化合物は、分子内に含フッ素有機基と、主剤又は硬化剤と反応する官能基とを有する。
【００５０】
含フッ素有機基としては、炭化水素基に結合する水素の少なくとも一つをフッ素置換した直鎖、分岐若しくは環状のパーフルオロアルキル基、あるいは、フッ素置換したアリール基等を挙げることができる。
【００５１】
また、官能基としては、主剤又は硬化剤と反応し且つ親水性を有していないものであれば特に限定されないが、例えば、アミノ基、ヒドロキシ基、カルボニル基及びエポキシ基から選択される少なくとも一種を挙げることができる。シラン化合物は、このような官能基を一つ以上有していればよい。
【００５２】
このようなシラン化合物の例としては、下記（１）式に示すように、基本骨格が炭素原子を鎖状に連結した構造となる鎖状分子であり、分子鎖の一端部側の炭素に結合するケイ素元素に主剤又は硬化剤と反応する官能基（Ｒ１）がそれぞれ結合し、他端部側に含フッ素有機基を有するものを挙げることができる。すなわち、シラン化合物の一端部側が官能基（Ｒ１）となり、他端部側の含フッ素有機基が疎水性基となる。このように、接合層１１０は、含フッ素有機基を有するシラン化合物を添加した撥水性エポキシ系接着剤で形成されるので、優れた撥水性を有する。
【００５３】
【化１】
【００５４】
（式中、ｎは、１〜３０の範囲の整数を表す。）
【００５５】
また、シラン化合物の一端部側のケイ素元素に結合する官能基（Ｒ１）は、上述したように、エポキシ系樹脂材料からなる主剤、あるいは硬化剤と反応するものであり、少なくとも一つ有していればよい。このシラン化合物は、１００重量部の主剤に対して１〜１０重量部添加することが好ましい。
【００５６】
上述した含フッ素有機基を有するシラン化合物が持つ官能基は、主剤に含まれるエポキシ基、あるいは硬化剤と反応することによって、主剤及び硬化剤から形成される重合体の分子構造内に、疎水性基である含フッ素有機基を組み込ませることができる。
【００５７】
具体的には、官能基としてアミノ基を有するシラン化合物では、硬化剤と同様に作用して主剤のエポキシ基と反応することにより、主剤及び硬化剤により形成される重合体の分子構造内に含フッ素有機基を組み込ませることができる。
【００５８】
また、官能基としてカルボニル基を有するシラン化合物も同様に、硬化剤的に作用して主剤のエポキシ基と反応することにより、主剤及び硬化剤により形成される重合体の分子構造内に含フッ素有機基を組み込ませることができる。
【００５９】
さらに、官能基としてエポキシ基を有するシラン化合物では、主剤と同様に作用して硬化剤のアミノ基等と反応し、主剤及び硬化剤により形成される重合体の分子構造内に含フッ素有機基を組み込ませることができる。
【００６０】
さらには、シラン化合物に含まれる官能基がヒドロキシ基である場合には、主剤に含まれるエポキシ基と硬化剤とが開環反応することで生じたヒドロキシ基と、シラン化合物に含まれるヒドロキシ基とが水和状態（結合状態）となり、主剤及び硬化剤により形成される重合体の分子構造内に含フッ素有機基を組み込ませることができる。
【００６１】
なお、硬化剤的に作用するシラン化合物を用いる場合には、硬化剤の添加量を適宜調整してもよく、また、硬化剤と反応するシラン化合物を用いる場合には、硬化剤の添加量を適宜増量する等の調節をする必要がある。
【００６２】
このように、疎水性基である含フッ素有機基を有する撥水性エポキシ系接着剤からなる接合層１１０によって流路形成基板１０とリザーバ形成基板３０とを接合したので、圧電素子保持部３２内への水分の侵入を防止して流路形成基板１０とリザーバ形成基板３０とを良好に接合することができる。すなわち、エポキシ系接着剤層からなる接合層１１０には大気中の水分が浸透することがないため、圧電素子保持部３２内を常に乾燥状態に保持することができる。したがって、圧電素子保持部３２内の圧電素子３００が大気中の水分によって破壊されることがない。また、圧電素子保持部３２内に乾燥流体等を封入しておけば、大気中の水分による圧電素子３００の破壊をより確実に防止することができる。さらに、シラン化合物を加えても接合強度は変化しないため、接合面積が比較的狭くても両者を良好に接合することができ、ヘッドの小型化を図ることができる。
【００６３】
なお、本実施形態では、主剤及び硬化剤からなる重合体の分子構造内に含フッ素有機基を組み込むことで接合層１１０に撥水性を持たせることができるが、主剤であるエポキシ系樹脂材料に含まれるエポキシ基が開環することによって生じたヒドロキシ基の比較的近い所に、シラン化合物に含まれる疎水性基である含フッ素有機基を存在させることにより、大気中の水分がヒドロキシ基にトラップされて接合層１１０が吸湿することを阻害させることもできる。これによって、接合層１１０が優れた撥水性を発揮することができる。
【００６４】
さらに、このようなリザーバ形成基板３０上には、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のポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってリザーバ部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１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバ１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止され、内部圧力の変化によって変形可能な可撓部３４となっている。
【００６５】
また、このリザーバ１００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１００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１００の側壁とを連通するインク導入路３６が設けられている。
【００６６】
なお、リザーバ形成基板３０の圧電素子３００に対応する領域上には、各圧電素子３００を駆動するための、例えば、回路基板あるいは駆動回路を含む半導体集積回路（ＩＣ）等の駆動回路１２０が搭載されている。そして、この駆動回路１２０は、リザーバ形成基板３０の圧電素子保持部３２とリザーバ部３１との間の領域に設けられた貫通孔３７を介して延設されたボンディングワイヤ等からなる駆動配線１３０によって、各リード電極９０とそれぞれ電気的に接続されている（図２（ｂ）参照）。
【００６７】
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段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１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１２０からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。
【００６８】
以上説明した本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法は、特に限定されないが、その一例を図３〜図５を参照して説明する。図３〜図５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の製造工程を示す断面図である。
【００６９】
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二酸化シリコンからなる弾性膜５０を形成する。
【００７０】
次に、図３（ｂ）に示すように、スパッタリングで下電極膜６０を弾性膜５０の全面に形成後、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。
【００７１】
次に、図３（ｃ）に示すように、圧電体層７０を成膜する。この圧電体層７０は、結晶が配向していることが好ましい。例えば、本実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成することにより、結晶が配向している圧電体層７０とした。圧電体層７０の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛系の材料がインクジェット式記録ヘッドに使用する場合には好適である。なお、この圧電体層７０の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリング法で形成してもよい。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
次に、図３（ｄ）に示すように、上電極膜８０を成膜する。上電極膜８０は、導電性の高い材料であればよく、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態では、白金をスパッタリングにより成膜している。
【００７５】
次に、図４（ａ）に示すように、圧電体層７０及び上電極膜８０のみをエッチングして圧電素子３００のパターニングを行う。
【００７６】
次に、図４（ｂ）に示すように、リード電極９０を形成する。具体的には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０を流路形成基板１０の全面に亘って形成すると共に、各圧電素子３００毎にパターニングする。
【００７７】
以上が膜形成プロセスである。このようにして膜形成を行った後、前述したアルカリ溶液によるシリコン単結晶基板の異方性エッチングを行い、図４（ｃ）に示すように、圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４等を形成する。
【００７８】
次に、図５（ａ）に示すように、撥水性エポキシ系接着剤からなる接合層１１０によって、リザーバ形成基板３０と流路形成基板１０とを接合する。なお、このような撥水性エポキシ系接着剤は、本実施形態では、エポキシ系樹脂材料からなる主剤６０ｗｔ％と、硬化剤３５ｗｔ％と、上述した（１）式でＲ１；アミノ基（ＮＨ２）、ｎ＝１７のシラン化合物５ｗｔ％とを混練することによって形成した。
【００７９】
このように、撥水性エポキシ系接着剤からなる接合層１１０によって流路形成基板１０とリザーバ形成基板３０とを接合することにより、圧電素子保持部３２内への水分の侵入を防止して流路形成基板１０とリザーバ形成基板３０とを良好に接合することができる。すなわち、エポキシ系接着剤層からなる接合層１１０には大気中の水分が浸透することがないため、圧電素子保持部３２内を常に乾燥状態に保持することができる。したがって、圧電素子保持部３２内の圧電素子３００が大気中の水分によって破壊されることがない。また、圧電素子保持部３２内に乾燥流体等を封入しておけば、大気中の水分による圧電素子３００の破壊をより確実に防止することができる。さらに、シラン化合物を加えても接合強度は変化しないため、接合面積が比較的狭くても両者を良好に接合することができ、ヘッドの小型化を図ることができる。
【００８０】
続いて、図５（ｂ）に示すように、流路形成基板１０のリザーバ形成基板３０とは反対側の面にノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０を接合すると共に、リザーバ形成基板３０上にコンプライアンス基板４０を接合することにより、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドが形成される。
【００８１】
なお、実際には、上述した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、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。
【００８２】
（実施形態２）
図６は、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断面図である。
【００８３】
上述した実施形態１では、含フッ素有機基を含む撥水性エポキシ系接着剤を用いて接合層１１０全体を形成するようにしたが、本実施形態では、接合層１１０Ａの一部のみを撥水性エポキシ系接着剤で形成するようにした。
【００８４】
具体的には、図６に示すように、圧電素子保持部３２の周縁部に設けられる接合層１１０Ａの外気に接触する部分１１０ａを含フッ素有機基を有する撥水性エポキシ系接着剤によって形成し、その内側、すなわち、接合層１１０Ａの外気に接触しない部分１１０ｂを含フッ素有機基を有さないエポキシ系接着剤によって形成するようにした。また、接合層１１０Ａ以外の接合層１１０Ｂについては、含フッ素有機基を含まないエポキシ系接着剤によって形成するようにした。
【００８５】
このような構成としても、接合層１１０Ａの外気に接触する部分１１０ａに含まれる含フッ素有機基によって、大気中の水分を吸湿することを阻害して圧電素子保持部３２に浸入することを防止することができる。また、接合層１１０Ａの外気に接触しない部分１１０ｂによって、圧電素子保持部３２に含まれる水分を吸湿させることにより、圧電素子保持部３２内を常に乾燥状態とすることができる。したがって、圧電素子保持部３２内の圧電素子３００が大気中の水分によって破壊されることがない。
【００８６】
（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。
【００８７】
例えば、上述の実施形態では、成膜及びリソグラフィプロセスを応用して製造される薄膜型のインクジェット式記録ヘッドを例にしたが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型のインクジェット式記録ヘッドにも本発明を採用することができる。
【００８８】
【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、圧電素子保持部を有する封止基板とを撥水性エポキシ系接着剤からなる接合層によって接合するようにしたので、大気中の水分が接合層を介して圧電素子保持部に侵入することがない。したがって、大気中の水分による圧電素子の破壊を確実に防止することができる。
【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を示す平面図及び断面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの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２に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【符号の説明】
１０ 流路形成基板
１２ 圧力発生室
２０ ノズルプレート
２１ ノズル開口
３０ リザーバ形成基板
３１ リザーバ部
３２ 圧電素子保持部
４０ コンプライアンス基板
６０ 下電極膜
７０ 圧電体層
８０ 上電極膜
１００ リザーバ
１１０ 接合層
３００ 圧電素子
【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、この振動板の表面に圧電素子を形成して、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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
前者は圧電素子の端面を振動板に当接させることにより圧力発生室の容積を変化させることができて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
【０００４】
これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。
【０００５】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、特開平５−２８６１３１号公報に見られるように、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案されている。
【０００６】
これによれば圧電素子を振動板に貼付ける作業が不要となって、リソグラフィ法という精密で、かつ簡便な手法で圧電素子を作り付けることができるばかりでなく、圧電アクチュエータ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、このように圧電素子を圧電材料のスパッタリングにより構成した場合には、グリーンシートを焼成して構成されたものと略同一電圧で駆動すると、圧電素子が薄い分だけ高い電界が印加され、大気中の湿気を吸収した場合には駆動電極間のリーク電流が増加しやすく、ついには絶縁破壊に至るという問題を抱えている。
【０００８】
このような問題を解決するために、圧電素子を封止するための封止部を有する封止基板を圧力発生室が形成される流路形成基板に接着した構造が提案されているが、封止基板を接着している接着剤を介して封止部内に水分が侵入し、圧電素子が破壊されてしまうという問題がある。
【０００９】
また、封止基板の流路形成基板との接着面積を大きくすることによって封止部内への水分の侵入を抑えることはできるが、ヘッドが大型化してしまうという問題がある。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑み、圧電素子の湿気等の外部環境に起因する動作不良を防止できるインクジェット式記録ヘッドを提供することを課題とする。
【００１１】
【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、インクを吐出する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設けられる下電極、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、前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に接合され、当該圧電素子に対向する領域に空間を確保した状態で当該空間を密封する圧電素子保持部を有する封止基板を有し、該封止基板と前記流路形成基板とを接合する接合層の少なくとも外気に接触する部分が含フッ素有機基を含む撥水性エポキシ系接着剤層からなり、且つ前記圧電素子保持部の周囲の前記接合層は、前記撥水性エポキシ系接着剤層の内側の外気に接触しない部分に含フッ素有機基を有さないエポキシ系接着剤層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にある。
【００１２】
かかる第１の態様では、大気中の水分が接合層を介して圧電素子保持部内に侵入することがなく、水分に起因する圧電素子の破壊が防止される。
【００１３】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記撥水性エポキシ系接着剤層は、エポキシ系樹脂材料からなる主剤を、該主剤を硬化させる硬化剤と、前記含フッ素有機基を有し且つ前記主剤又は前記硬化剤と反応する官能基を有するシラン化合物とで硬化させたものであ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。
【００１４】
かかる第２の態様では、シラン化合物を主剤又は硬化剤と反応させることにより、含フッ素有機基を有する撥水性エポキシ系接着剤層を形成することができる。
【００１５】
本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記官能基は、前記シラン化合物のケイ素元素に結合するエポキシ基、アミノ基、ヒドロキシ基及びカルボニル基からなる群から選択される少なくとも一種であ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。
【００１６】
かかる第３の態様では、シラン化合物に含まれる官能基が、主剤又は硬化剤と反応することで、含フッ素有機基を有する撥水性エポキシ系接着剤層が形成される。
【００１７】
本発明の第４の態様では、第２又は３の態様において、前記シラン化合物の分子鎖の一端部側が前記含フッ素有機基であり、他端部側が前記官能基であ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。
【００１８】
かかる第４の態様では、シラン化合物に含まれる官能基によってエポキシ系樹脂材料に含まれるエポキシ基を開環させることにより、含フッ素有機基を有する撥水性エポキシ系接着剤層を形成することができる。
【００３１】
【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。
【００３２】
（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の概略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。
【００３３】
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る。流路形成基板１０としては、通常、１５０〜３００μｍ程度の厚さのものが用いられ、望ましくは１８０〜２８０μｍ程度、より望ましくは２２０μｍ程度の厚さのものが好適である。これは、隣接する圧力発生室１２間の隔壁１１の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。
【００３４】
流路形成基板１０の一方の面は開口面となり、他方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。
【００３５】
一方、流路形成基板１０の開口面には、シリコン単結晶基板を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、その長手方向外側には、後述するリザーバ形成基板３０のリザーバ部３１に連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する連通部１３が形成され、各圧力発生室１２の長手方向一端部とそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。
【００３６】
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。
【００３７】
本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で形成している。この圧力発生室１２は、流路形成基板１０をほぼ貫通して弾性膜５０に達するまでエッチングすることにより形成されている。ここで、弾性膜５０は、シリコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵される量がきわめて小さい。また各圧力発生室１２の一端に連通する各インク供給路１４は、圧力発生室１２より浅く形成されており、圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。すなわち、インク供給路１４は、シリコン単結晶基板を厚さ方向に途中までエッチング（ハーフエッチング）することにより形成されている。なお、ハーフエッチングは、エッチング時間の調整により行われる。
【００３８】
また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。なお、ノズルプレート２０は、厚さが例えば、０．１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０-6／℃］であるガラスセラミックス、又は不錆鋼などからなる。ノズルプレート２０は、一方の面で流路形成基板１０の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。また、ノズルプレート２０は、流路形成基板１０と熱膨張係数が略同一の材料で形成するようにしてもよい。この場合には、流路形成基板１０とノズルプレート２０との熱による変形が略同一となるため、熱硬化性の接着剤等を用いて容易に接合することができる。
【００３９】
ここで、インク滴吐出圧力をインクに与える圧力発生室１２の大きさと、インク滴を吐出するノズル開口２１の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出スピード、吐出周波数に応じて最適化される。例えば、１インチ当たり３６０個のインク滴を記録する場合、ノズル開口２１は数十μｍの直径で精度よく形成する必要がある。
【００４０】
一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側の弾性膜５０の上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．１μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０、及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜６０は圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動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。
【００４１】
また、圧電素子３００の上電極膜８０の長手方向一端部近傍から流路形成基板１０の端部近傍まで、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が延設されている。そして、このリード電極９０の端部近傍には圧電素子３００を駆動するための外部配線（図示なし）が電気的に接続される。
【００４２】
このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有するリザーバ形成基板３０が接合されている。このリザーバ部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おり、上述したように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。
【００４３】
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３２が設けられ、圧電素子３００はこの圧電素子保持部３２内に密封されている。
【００４４】
なお、このリザーバ形成基板３０は、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料等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。
【００４５】
また、このリザーバ形成基板３０は、接合層１１０によって流路形成基板１０に接合されている。この接合層１１０は、本実施形態では、含フッ素有機基を含む撥水性を有する撥水性エポキシ系接着剤からなり、接合層１１０全体が撥水性を有している。これにより、大気中の水分が接合層１１０を透過して圧電素子保持部３２に侵入することを防止することができる。
【００４６】
この接合層１１０を形成する撥水性エポキシ系接着剤は、基本的には、一般的なエポキシ系接着剤の主剤と硬化剤とが重合反応したものであるが、本実施形態では、さらに含フッ素有機基を有するシラン化合物を添加することにより、含フッ素有機基を有するシラン化合物と、主剤又は硬化剤の一部とが重合反応して含フッ素有機基が重合体の中に形成される。
【００４７】
ここで、主剤に用いるエポキシ系樹脂材料は、１分子中にエポキシ基を有する比較的低分子の重合体であり、エポキシ基の開環反応によって熱硬化性樹脂となる。この熱硬化性樹脂は、加熱すると重合体中で架橋反応が起こり網状構造となる合成樹脂である。
【００４８】
また、主剤を硬化させる硬化剤は、例えば、アミノ基、カルボニル基等を一つ以上含む化合物からなり、主剤であるエポキシ樹脂材料の分子鎖中に含まれるエポキシ基と反応することにより、エポキシ基を開環させて熱硬化性樹脂にする。このような主剤を硬化させる硬化剤は、１００重量部の主剤に対して５０〜１００重量部添加することが好ましい。
【００４９】
ここで、主剤及び硬化剤と反応するシラン化合物は、分子内に含フッ素有機基と、主剤又は硬化剤と反応する官能基とを有する。
【００５０】
含フッ素有機基としては、炭化水素基に結合する水素の少なくとも一つをフッ素置換した直鎖、分岐若しくは環状のパーフルオロアルキル基、あるいは、フッ素置換したアリール基等を挙げることができる。
【００５１】
また、官能基としては、主剤又は硬化剤と反応し且つ親水性を有していないものであれば特に限定されないが、例えば、アミノ基、ヒドロキシ基、カルボニル基及びエポキシ基から選択される少なくとも一種を挙げることができる。シラン化合物は、このような官能基を一つ以上有していればよい。
【００５２】
このようなシラン化合物の例としては、下記（１）式に示すように、基本骨格が炭素原子を鎖状に連結した構造となる鎖状分子であり、分子鎖の一端部側の炭素に結合するケイ素元素に主剤又は硬化剤と反応する官能基（Ｒ１）がそれぞれ結合し、他端部側に含フッ素有機基を有するものを挙げることができる。すなわち、シラン化合物の一端部側が官能基（Ｒ１）となり、他端部側の含フッ素有機基が疎水性基となる。このように、接合層１１０は、含フッ素有機基を有するシラン化合物を添加した撥水性エポキシ系接着剤で形成されるので、優れた撥水性を有する。
【００５３】
【化１】
（式中、ｎは、１〜３０の範囲の整数を表す。）
【００５５】
また、シラン化合物の一端部側のケイ素元素に結合する官能基（Ｒ１）は、上述したように、エポキシ系樹脂材料からなる主剤、あるいは硬化剤と反応するものであり、少なくとも一つ有していればよい。このシラン化合物は、１００重量部の主剤に対して１〜１０重量部添加することが好ましい。
【００５６】
上述した含フッ素有機基を有するシラン化合物が持つ官能基は、主剤に含まれるエポキシ基、あるいは硬化剤と反応することによって、主剤及び硬化剤から形成される重合体の分子構造内に、疎水性基である含フッ素有機基を組み込ませることができる。
【００５７】
具体的には、官能基としてアミノ基を有するシラン化合物では、硬化剤と同様に作用して主剤のエポキシ基と反応することにより、主剤及び硬化剤により形成される重合体の分子構造内に含フッ素有機基を組み込ませることができる。
【００５８】
また、官能基としてカルボニル基を有するシラン化合物も同様に、硬化剤的に作用して主剤のエポキシ基と反応することにより、主剤及び硬化剤により形成される重合体の分子構造内に含フッ素有機基を組み込ませることができる。
【００５９】
さらに、官能基としてエポキシ基を有するシラン化合物では、主剤と同様に作用して硬化剤のアミノ基等と反応し、主剤及び硬化剤により形成される重合体の分子構造内に含フッ素有機基を組み込ませることができる。
【００６０】
さらには、シラン化合物に含まれる官能基がヒドロキシ基である場合には、主剤に含まれるエポキシ基と硬化剤とが開環反応することで生じたヒドロキシ基と、シラン化合物に含まれるヒドロキシ基とが水和状態（結合状態）となり、主剤及び硬化剤により形成される重合体の分子構造内に含フッ素有機基を組み込ませることができる。
【００６１】
なお、硬化剤的に作用するシラン化合物を用いる場合には、硬化剤の添加量を適宜調整してもよく、また、硬化剤と反応するシラン化合物を用いる場合には、硬化剤の添加量を適宜増量する等の調節をする必要がある。
【００６２】
このように、疎水性基である含フッ素有機基を有する撥水性エポキシ系接着剤からなる接合層１１０によって流路形成基板１０とリザーバ形成基板３０とを接合したので、圧電素子保持部３２内への水分の侵入を防止して流路形成基板１０とリザーバ形成基板３０とを良好に接合することができる。すなわち、エポキシ系接着剤層からなる接合層１１０には大気中の水分が浸透することがないため、圧電素子保持部３２内を常に乾燥状態に保持することができる。したがって、圧電素子保持部３２内の圧電素子３００が大気中の水分によって破壊されることがない。また、圧電素子保持部３２内に乾燥流体等を封入しておけば、大気中の水分による圧電素子３００の破壊をより確実に防止することができる。さらに、シラン化合物を加えても接合強度は変化しないため、接合面積が比較的狭くても両者を良好に接合することができ、ヘッドの小型化を図ることができる。
【００６３】
なお、本実施形態では、主剤及び硬化剤からなる重合体の分子構造内に含フッ素有機基を組み込むことで接合層１１０に撥水性を持たせることができるが、主剤であるエポキシ系樹脂材料に含まれるエポキシ基が開環することによって生じたヒドロキシ基の比較的近い所に、シラン化合物に含まれる疎水性基である含フッ素有機基を存在させることにより、大気中の水分がヒドロキシ基にトラップされて接合層１１０が吸湿することを阻害させることもできる。これによって、接合層１１０が優れた撥水性を発揮することができる。
【００６４】
さらに、このようなリザーバ形成基板３０上には、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のポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってリザーバ部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１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバ１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止され、内部圧力の変化によって変形可能な可撓部３４となっている。
【００６５】
また、このリザーバ１００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１００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１００の側壁とを連通するインク導入路３６が設けられている。
【００６６】
なお、リザーバ形成基板３０の圧電素子３００に対応する領域上には、各圧電素子３００を駆動するための、例えば、回路基板あるいは駆動回路を含む半導体集積回路（ＩＣ）等の駆動回路１２０が搭載されている。そして、この駆動回路１２０は、リザーバ形成基板３０の圧電素子保持部３２とリザーバ部３１との間の領域に設けられた貫通孔３７を介して延設されたボンディングワイヤ等からなる駆動配線１３０によって、各リード電極９０とそれぞれ電気的に接続されている（図２（ｂ）参照）。
【００６７】
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段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１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１２０からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。
【００６８】
以上説明した本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法は、特に限定されないが、その一例を図３〜図５を参照して説明する。図３〜図５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の製造工程を示す断面図である。
【００６９】
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二酸化シリコンからなる弾性膜５０を形成する。
【００７０】
次に、図３（ｂ）に示すように、スパッタリングで下電極膜６０を弾性膜５０の全面に形成後、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。
【００７１】
次に、図３（ｃ）に示すように、圧電体層７０を成膜する。この圧電体層７０は、結晶が配向していることが好ましい。例えば、本実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成することにより、結晶が配向している圧電体層７０とした。圧電体層７０の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛系の材料がインクジェット式記録ヘッドに使用する場合には好適である。なお、この圧電体層７０の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリング法で形成してもよい。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
次に、図３（ｄ）に示すように、上電極膜８０を成膜する。上電極膜８０は、導電性の高い材料であればよく、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態では、白金をスパッタリングにより成膜している。
【００７５】
次に、図４（ａ）に示すように、圧電体層７０及び上電極膜８０のみをエッチングして圧電素子３００のパターニングを行う。
【００７６】
次に、図４（ｂ）に示すように、リード電極９０を形成する。具体的には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０を流路形成基板１０の全面に亘って形成すると共に、各圧電素子３００毎にパターニングする。
【００７７】
以上が膜形成プロセスである。このようにして膜形成を行った後、前述したアルカリ溶液によるシリコン単結晶基板の異方性エッチングを行い、図４（ｃ）に示すように、圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４等を形成する。
【００７８】
次に、図５（ａ）に示すように、撥水性エポキシ系接着剤からなる接合層１１０によって、リザーバ形成基板３０と流路形成基板１０とを接合する。なお、このような撥水性エポキシ系接着剤は、本実施形態では、エポキシ系樹脂材料からなる主剤６０ｗｔ％と、硬化剤３５ｗｔ％と、上述した（１）式でＲ１；アミノ基（ＮＨ２）、ｎ＝１７のシラン化合物５ｗｔ％とを混練することによって形成した。
【００７９】
このように、撥水性エポキシ系接着剤からなる接合層１１０によって流路形成基板１０とリザーバ形成基板３０とを接合することにより、圧電素子保持部３２内への水分の侵入を防止して流路形成基板１０とリザーバ形成基板３０とを良好に接合することができる。すなわち、エポキシ系接着剤層からなる接合層１１０には大気中の水分が浸透することがないため、圧電素子保持部３２内を常に乾燥状態に保持することができる。したがって、圧電素子保持部３２内の圧電素子３００が大気中の水分によって破壊されることがない。また、圧電素子保持部３２内に乾燥流体等を封入しておけば、大気中の水分による圧電素子３００の破壊をより確実に防止することができる。さらに、シラン化合物を加えても接合強度は変化しないため、接合面積が比較的狭くても両者を良好に接合することができ、ヘッドの小型化を図ることができる。
【００８０】
続いて、図５（ｂ）に示すように、流路形成基板１０のリザーバ形成基板３０とは反対側の面にノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０を接合すると共に、リザーバ形成基板３０上にコンプライアンス基板４０を接合することにより、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドが形成される。
【００８１】
なお、実際には、上述した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、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。
【００８２】
（実施形態２）
図６は、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断面図である。
【００８３】
上述した実施形態１では、含フッ素有機基を含む撥水性エポキシ系接着剤を用いて接合層１１０全体を形成するようにしたが、本実施形態では、接合層１１０Ａの一部のみを撥水性エポキシ系接着剤で形成するようにした。
【００８４】
具体的には、図６に示すように、圧電素子保持部３２の周縁部に設けられる接合層１１０Ａの外気に接触する部分１１０ａを含フッ素有機基を有する撥水性エポキシ系接着剤によって形成し、その内側、すなわち、接合層１１０Ａの外気に接触しない部分１１０ｂを含フッ素有機基を有さないエポキシ系接着剤によって形成するようにした。また、接合層１１０Ａ以外の接合層１１０Ｂについては、含フッ素有機基を含まないエポキシ系接着剤によって形成するようにした。
【００８５】
このような構成としても、接合層１１０Ａの外気に接触する部分１１０ａに含まれる含フッ素有機基によって、大気中の水分を吸湿することを阻害して圧電素子保持部３２に浸入することを防止することができる。また、接合層１１０Ａの外気に接触しない部分１１０ｂによって、圧電素子保持部３２に含まれる水分を吸湿させることにより、圧電素子保持部３２内を常に乾燥状態とすることができる。したがって、圧電素子保持部３２内の圧電素子３００が大気中の水分によって破壊されることがない。
【００８６】
（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。
【００８７】
例えば、上述の実施形態では、成膜及びリソグラフィプロセスを応用して製造される薄膜型のインクジェット式記録ヘッドを例にしたが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型のインクジェット式記録ヘッドにも本発明を採用することができる。
【００８８】
【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、圧電素子保持部を有する封止基板とを撥水性エポキシ系接着剤からなる接合層によって接合するようにしたので、大気中の水分が接合層を介して圧電素子保持部に侵入することがない。したがって、大気中の水分による圧電素子の破壊を確実に防止することができる。
【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を示す平面図及び断面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの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２に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【符号の説明】
１０ 流路形成基板
１２ 圧力発生室
２０ ノズルプレート
２１ ノズル開口
３０ リザーバ形成基板
３１ リザーバ部
３２ 圧電素子保持部
４０ コンプライアンス基板
６０ 下電極膜
７０ 圧電体層
８０ 上電極膜
１００ リザーバ
１１０ 接合層
３００ 圧電素子
Claims (4)
- インクを吐出する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設けられる下電極、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、
前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に接合され、当該圧電素子に対向する領域に空間を確保した状態で当該空間を密封する圧電素子保持部を有する封止基板を有し、該封止基板と前記流路形成基板とを接合する接合層の少なくとも外気に接触する部分が含フッ素有機基を含む撥水性エポキシ系接着剤層からなり、且つ前記圧電素子保持部の周囲の前記接合層は、前記撥水性エポキシ系接着剤層の内側の外気に接触しない部分に含フッ素有機基を有さないエポキシ系接着剤層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。 - 前記撥水性エポキシ系接着剤層は、エポキシ系樹脂材料からなる主剤を、該主剤を硬化させる硬化剤と、前記含フッ素有機基を有し且つ前記主剤又は前記硬化剤と反応する官能基を有するシラン化合物とで硬化させたものであることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
- 前記官能基は、前記シラン化合物のケイ素元素に結合するエポキシ基、アミノ基、ヒドロキシ基及びカルボニル基からなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項２に記載のインクジェット式記録ヘッド。
- 前記シラン化合物の分子鎖の一端部側が前記含フッ素有機基であり、他端部側が前記官能基であることを特徴とする請求項２又は３に記載のインクジェット式記録ヘッド。
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