JP3879842B2

JP3879842B2 - Method for manufacturing liquid jet head

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Publication number: JP3879842B2
Application number: JP2002295339A
Authority: JP
Inventors: 明松沢
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-10-08
Filing date: 2002-10-08
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2022-10-08
Also published as: JP2004130558A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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ノズル開口から液滴を噴射させる液体噴射ヘッドの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体噴射装置としては、例えば、圧電素子や発熱素子によりインク滴吐出のための圧力を発生させる複数の圧力発生室と、各圧力発生室にインクを供給する共通のリザーバと、各圧力発生室に連通するノズル開口とを備えたインクジェット式記録ヘッドを具備するインクジェット式記録装置があり、このインクジェット式記録装置では、印字信号に対応するノズル開口と連通した圧力発生室のインクに吐出エネルギを印加してノズル開口からインク滴を吐出させる。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、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することで高密度配列を実現したものがある。
【０００７】
また、圧力発生室が形成される流路形成基板の圧電素子側の一方面には、この圧電素子を封止する圧電素子保持部を有する封止基板が接合されることで、圧電素子の外部環境に起因する破壊が防止されている。この圧電素子保持部を封止する方法としては、封止基板に圧電素子保持部と外部とを連通する封止孔を設け、流路形成基板に封止基板を接合後、封止孔に樹脂等からなる封止部材を充填することで封止孔を密封し圧電素子保持部を密封している。
【０００８】
この圧電素子保持部の密封工程では、流路形成基板と封止基板との接合体を減圧状態とした密封空間に載置することで、圧電素子保持部内の空気を封止孔を介して外部に排出させて除湿し、乾燥流体を密封空間に満たすことで圧電素子保持部内に乾燥流体を充填していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−１６０３６６号公報（第６−７頁、第１−３図）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、流路形成基板に接合された封止基板の圧電素子保持部内を除湿するには、減圧状態で封止孔を樹脂材料で密封することで行われるが、減圧状態にしただけでは、封止孔から圧電素子保持部内の除湿を確実に行えず、圧電素子耐久性が劣化してしまうという問題がある。
【００１１】
なお、このような問題は、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドの製造方法だけではなく、勿論、インク以外を吐出する他の液体噴射ヘッドの製造方法においても、同様に存在する。
【００１２】
本発明はこのような事情に鑑み、圧電素子保持部内を確実に除湿して密封すると共に、耐久性を向上した液体噴射ヘッドの製造方法を提供することを課題とする。
【００１３】
【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、液体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圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドの製造方法において、前記圧電素子の設けられた前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に当該圧電素子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を有する封止基板を接合する工程と、前記圧電素子保持部内を減圧状態で加熱することで除湿する工程と、前記圧電素子保持部内が除湿された状態で、前記封止基板に設けられて前記圧電素子保持部と外部とを連通する封止孔を樹脂材料で密封する工程と、前記封止孔を樹脂材料で密封する工程の後、前記封止基板の接合面とは反対側の面に保護膜を接着する工程と、前記流路形成基板をエッチングすることにより前記圧力発生室を形成する工程とを具備することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００１４】
かかる第１の態様では、減圧状態で加熱することで、圧電素子保持部内の除湿を確実に行って圧電素子の耐久性を向上することができる。また、保護膜を形成する前に封止孔を密封することで、圧力発生室を形成する際にガス等が保護膜を透過しても、圧電素子保持部内に封止孔を介してガスが充填されることがなく、圧電素子の破壊を確実に防止することができる。
【００１７】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の液体噴射ヘッドの製造方法において、前記保護膜がポリフェニレンサルファイドからなることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００１８】
かかる第２の態様では、ポリフェニレンサルファイドからなる保護膜によって、流路形成基板に圧力発生室を形成する際に封止基板を確実に保護することができる。
【００１９】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様に記載の液体噴射ヘッドの製造方法において、前記圧電素子保持部内には、吸湿材料からなる膜が設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００２０】
かかる第３の態様では、圧電素子保持部内に吸湿材料からなる膜が設けられていても、減圧状態で加熱することで吸湿材料の除湿を確実に行うことができる。
【００２１】
本発明の第４の態様は、第３の態様に記載の液体噴射ヘッドの製造方法において、前記吸湿材料が、ポリイミドであることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００２２】
かかる第４の態様では、ポリイミドからなる吸湿材料の除湿を確実に行うことができる。
【００２３】
【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。
（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平面図であり、図３は、図２の断面図であり、図４は、インクジェット式記録ヘッドの配線構造を示す平面図である。
【００２４】
図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には、異方性エッチングにより形成された複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、圧力発生室１２の長手方向外側には、後述する封止基板３０のリザーバ部３１と連通して各圧力発生室１２の共通液体室となるリザーバ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。
また、この流路形成基板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。
【００２５】
ここで、異方性エッチングは、シリコン単結晶基板のエッチングレートの違いを利用して行われる。例えば、本実施形態では、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。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。
【００２６】
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。
【００２７】
なお、このような圧力発生室１２等が形成される流路形成基板１０の厚さは、圧力発生室１２を配設する密度に合わせて最適な厚さを選択することが好ましい。例えば、１インチ当たり１８０個（１８０ｄｐｉ）程度に圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１８０〜２８０μｍ程度、より望ましくは、２２０μｍ程度とするのが好適である。また、例えば、３６０ｄｐｉ程度と比較的高密度に圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１００μｍ以下とするのが好ましい。これは、隣接する圧力発生室１２間の隔壁の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。なお、上述した例では、弾性膜５０と下電極膜６０とが振動板として作用するが、下電極膜が弾性膜を兼ねるようにしてもよい。
【００３１】
また、このような各圧電素子３００の上電極膜８０には、例えば、金（Ａｕ）等からなる引き出し電極９０がそれぞれ接続されている。この引き出し電極９０は、各圧電素子３００の長手方向端部近傍から引き出され、インク供給路１４に対応する領域の弾性膜５０上までそれぞれ延設されている。
また、圧電素子３００の共通電極である下電極膜６０は、圧力発生室１２の並設方向に亘って連続的に延設され、且つ圧力発生室１２のインク供給路１４側でパターニングされている。すなわち、本実施形態では、下電極膜６０は、流路形成基板１０の引き出し電極９０が延設される領域が除去され、その他の領域に全面に亘って設けられている。
【００３２】
また、本実施形態では、圧力発生室１２の列の外側に対応する領域の下電極膜６０上に、引き出し電極９０と同一の層からなり且つ引き出し電極９０とは電気的に独立した積層電極層９５が設けられている。
そして、このような圧電素子３００の長手方向端部近傍に対向する領域には、ポリイミド等の絶縁材料からなり圧電素子３００の並設方向に沿って延設される絶縁層１１０を有する。例えば、本実施形態では、絶縁層１１０は、圧力発生室１２の列の周囲に亘って連続的に設けられており、圧力発生室１２の列に対応する領域は開口部１１１となっている。
【００３３】
また、この絶縁層１１０上には、導電材料からなる接続配線層１２０が連続的に設けられており、この接続配線層１２０と下電極膜６０とは、絶縁層１１０に設けられた複数の貫通部１１２を介して電気的に接続されている。ここで、絶縁層１１０に設けられる貫通部１１２は、比較的等間隔で配置されていることが好ましく、例えば、本実施形態では、各圧電素子３００の引き出し電極９０側の端部近傍に延設されている絶縁層１１０の各隔壁１１に対向する領域に、それぞれ貫通部１１２を設けるようにした。なお、この貫通部１１２の大きさも、特に限定されないが、２０μｍ以下であることが好ましい。
また、本実施形態では、圧力発生室１２の列の外側に対向する領域、すなわち、下電極膜６０上に設けられた積層電極層９５に対向する領域にも貫通部１１３が設けられており、この貫通部１１３を介しても積層電極層９５（下電極膜６０）と接続配線層１２０とが電気的に接続されている。
【００３４】
このように、圧電素子３００の共通電極である下電極膜６０に接続配線層１２０を電気的に接続することにより、下電極膜６０の抵抗値を実質的に低下する。また、同様に、下電極膜６０上に積層電極層９５を設けることによっても、下電極膜６０の抵抗値が実質的に低下する。したがって、多数の圧電素子を同時に駆動しても電圧降下が発生することがなく、常に良好で且つ安定したインク吐出特性を得ることができる。
【００３５】
また、封止基板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。
この封止基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック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。
また、流路形成基板１０と封止基板３０とを接合する接着剤１３０は、特に限定されず、例えば、エポキシ系接着剤等を挙げることができる。
【００３６】
さらに、封止基板３０の引き出し電極９０に対向する領域には、圧電素子保持部３２と外部とを連通する封止孔３３が設けられている。この封止孔３３の一部は、図２に示すように、封止基板３０と流路形成基板１０との接合面側に、複数回屈曲して形成することで狭い領域で路長を長くした溝部３３ａで構成されている。
【００３７】
このような封止孔３３には、樹脂材料からなる封止部材３４が形成され、この封止部材３４によって封止孔３３及び圧電素子保持部３２が密封されている。
なお、封止孔３３を封止部材３４で密封するには、未硬化状態の樹脂材料を封止孔３３内に充填し、硬化させることで封止部材３４を形成すると共に密封するが、本実施形態では、未硬化状態の樹脂材料が圧電素子保持部３２内まで達しないように封止孔３３に複数回屈曲した溝部３３ａを設けた。
【００３８】
また、流路形成基板１０の圧電素子３００側には、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１０５の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有する封止基板３０が接着剤１３０を介して接合されている。このリザーバ部３１は、本実施形態では、封止基板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、弾性膜５０を貫通して設けられた貫通孔５１を介して流路形成基板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１０５を構成している。
【００３９】
さらに、封止基板３０の圧電素子保持部３２とリザーバ部３１との間、すなわちインク供給路１４に対応する領域には、この封止基板３０を厚さ方向に貫通する接続孔３５が設けられている。そして各圧電素子３００から引き出された引き出し電極９０は、この接続孔３５まで延設されており、ワイヤボンディング等により図示しない外部配線と接続されている。
【００４０】
また、封止基板３０には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（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１０５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１０５の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。
【００４１】
なお、このような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インクを取り込み、リザーバ１０５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、図示しない駆動回路からの記録信号に従い、外部配線を介して圧力発生室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。
【００４２】
図５〜図８は、流路形成基板の圧力発生室１２の長手方向の一部を示す断面図である。以下、このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図５〜図８を参照して説明する。
まず、図５（ａ）に示すように、流路形成基板１０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と、二酸化シリコン膜５５とを両側の面にそれぞれ形成する。この二酸化シリコン膜５５は、詳しくは後述するが、流路形成基板１０をエッチングする際のマスクとして用いられるものである。
【００４３】
次に、図５（ｂ）に示すように、スパッタリングで下電極膜６０を形成すると共に所定形状にパターニングする。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。
【００４４】
次に、図５（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。
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。
【００４５】
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。
【００４６】
次に、図５（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。
次に、図５（ｅ）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。
【００４７】
次に、図６（ａ）に示すように、引き出し電極９０及び積層電極層９５（図示なし）を形成する。例えば、本実施形態では、金（Ａｕ）等からなる第１導電層２９０を流路形成基板１０の全面に亘って形成し、その後、この第１導電層２９０を圧電素子３００毎にパターニングすることによって各引き出し電極９０とする。また、このとき、圧力発生室１２の列の外側に対向する領域の第１導電層２９０を残すことにより積層電極層９５とする。
【００４８】
次に、図６（ｂ）に示すように、圧力発生室１２の列の周囲に絶縁層１１０を形成すると共に所定位置に貫通部１１２、１１３（図示なし）を形成する。すなわち、流路形成基板１０の全面に絶縁層形成膜２１０を形成後、エッチングすることによって開口部１１１（図示なし）及び貫通部１１２、１１３を形成して絶縁層１１０とする。
【００４９】
この絶縁層形成膜２１０の材質としては、例えば、ポリイミド等の感光性樹脂を用いることが好ましい。これにより、絶縁層形成膜２１０からなる絶縁層１１０を比較的容易且つ高精度に形成することができる。また、絶縁層形成膜２１０の材質としては、比較的絶縁性の優れたものであれば特に限定されず、例えば、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、酸化珪素、窒化珪素又は酸化タンタル等を用いてもよい。
【００５０】
次に、図６（ｃ）に示すように、絶縁層１１０上に接続配線層１２０を形成する。すなわち、流路形成基板１０の全面に第２導電層２２０を成膜後、エッチングすることによって所定パターンの接続配線層１２０とする。
この接続配線層１２０は、上述したように下電極膜６０の抵抗値を低下させるためのものであるため、第２導電層２２０として少なくとも下電極膜６０よりも固有抵抗の小さい金属を用いることが望ましく、例えば、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等が挙げられる。例えば、本実施形態では、金（Ａｕ）をスパッタリングによって形成している。
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、図７（ａ）に示すように、流路形成基板１０上に封止基板３０を接合する。本実施形態では、流路形成基板１０と封止基板３０とを接着剤１３０を介して接合した。
【００５１】
次に、図７（ｂ）に示すように、圧電素子保持部３２内の除湿を行う。
詳しくは、流路形成基板１０と封止基板３０とを接合した接合体を密封空間１５０内に配置し、その密封空間１５０を減圧して減圧状態とすると共に、減圧状態で加熱装置２００により接合体を加熱する。この際、加熱により圧電素子保持部３２内のポリイミド等の吸湿材料からなる絶縁層１１０の除湿を行い、密封空間１５０を減圧することで、湿気を含む気体１５１の充填された圧電素子保持部３２の内部も減圧され、圧電素子保持部３２内の湿気を含む気体１５１は外部に排出される。
【００５２】
このように、圧電素子保持部３２内にポリイミド等の吸湿材料が設けられていても、減圧状態で加熱することで圧電素子保持部３２の内部の除湿を確実に行うことができる。なお、このような減圧状態での加熱による除湿は、密封空間１５０の圧力を１．０Ｐａ〜０．１Ｐａの範囲とするのが好ましく、また、密封空間の温度を１２０℃〜１４０℃の範囲とするのが好ましい。
【００５３】
この圧電素子保持部３２が除湿された状態で、図７（ｃ）に示すように、封止基板３０の封止孔３３を樹脂材料からなる封止部材３４で封止する。
詳しくは、未硬化状態の樹脂材料を封止孔３３に充填し、硬化させることで封止部材３４を形成して封止する。
このとき、本実施形態では、封止孔３３に複数回屈曲した溝部３３ａを設けたため、圧電素子保持部３２が減圧状態であっても、未硬化状態の樹脂材料が圧電素子保持部３２内まで充填されず、封止部材３４による圧電素子３００の運動の阻害を防止することができる。
【００５４】
次に、図８（ａ）に示すように、封止基板３０の流路形成基板１０とは反対側の面に保護膜１４０を接着する。
この保護膜１４０は、後の工程で流路形成基板１０を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する際に、封止基板３０の流路形成基板１０との接合面とは反対側の面を保護するためのものであり、保護膜１４０としては、耐アルカリ性を有する高分子材料を用いることが好ましく、例えば、本実施形態では、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を用いた。
【００５５】
次に、図８（ｂ）に示すように、二酸化シリコン膜５５をパターニングすると共に、パターニングされた二酸化シリコン膜５５をマスクとして流路形成基板１０の他方面をエッチングすることにより、圧力発生室１２、インク供給路１４及び連通部１３を形成する。本実施形態では、流路形成基板１０の他方面をＫＯＨ等のアルカリ溶液によって異方性エッチングすることにより、圧力発生室１２、インク供給路１４及び連通部１３を形成した。
【００５６】
その後、流路形成基板１０の封止基板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を接合すると共に封止基板３０上の保護膜１４０を除去すると共にコンプライアンス基板４０を接合することで、インクジェット式記録ヘッドを製造することができる。
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毎に分割することでインクジェット式記録ヘッドとすることができる。また、このようなウェハの分割は、圧電素子保持部３２内の除湿前又は除湿後の何れのタイミングで行ってもよい。
【００５７】
このように、圧電素子保持部３２内に吸湿材料が設けられていても、減圧状態で加熱することで圧電素子保持部３２内の除湿を確実に行うことができ、圧電素子３００の耐久性を向上することができる。
また、封止基板３０の封止孔３３を除湿状態で密封した後に保護膜１４０を形成し、流路形成基板１０を異方性エッチングするようにしたため、ＫＯＨ等のアルカリ溶液によるエッチングの際に水素などのガス等が保護膜１４０を透過しても、封止孔３３が封止部材３４により密封されているため、ガス等が圧電素子保持部３２内に透過することがなく、圧電素子保持部３２内の圧電体層７０と上電極膜８０との密着強度が低下することがない。これにより、圧電素子３００の破壊を確実に防止することができる。
【００５８】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態１を説明したが、勿論、本発明は、これらに限定されるものではない。
例えば、上述した実施形態１では、圧電素子保持部３２内にポリイミド等の吸湿材料からなる絶縁層１１０を設けるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、圧電素子保持部３２内に吸湿材料からなる絶縁層１１０が形成されていなくてもよい。このように吸湿材料からなる絶縁層が形成されていなくても、減圧状態で加熱することで圧電素子保持部３２内の除湿を確実に行うことができる。また、例えば、上述した実施形態１では、保護膜１４０としてＰＰＳを用いたが、特にこれに限定されず、例えば、封止基板３０をレジストで覆うようにしてもよい。
【００５９】
さらに、上述した実施形態１では、圧電素子保持部３２内を減圧状態として封止孔３３を封止部材３４で封止することで密封するようにしたが、特にこれに限定されず、圧電素子保持部３２内を減圧状態とした後、圧電素子保持部３２内に不活性ガス等の乾燥流体を充填するようにしてもよい。このように、乾燥流体を充填する場合にも、本発明では、確実な除湿を行った後に充填を行うため、圧電素子３００の破壊を確実に防止することができる。
【００６０】
また、例えば、上述の実施形態１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。
【００６１】
さらに、上述の実施形態１では、液体噴射ヘッドとして、印刷媒体に所定の画像や文字を印刷するインクジェット式記録ヘッドの製造方法を一例として説明したが、勿論、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等、他の液体噴射ヘッドの製造方法にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図。
【図２】実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図。
【図３】実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図。
【図４】実施形態１の配線構造を示す平面図。
【図５】実施形態１に係る製造工程を示す断面図。
【図６】実施形態１に係る製造工程を示す断面図。
【図７】実施形態１に係る製造工程を示す断面図。
【図８】実施形態１に係る製造工程を示す断面図。
【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封止基板、３３封止孔、３３ａ溝部、３４封止部材、３５接続孔、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、９０引き出し電極、９５積層電極層、１０５リザーバ、１１０絶縁層、１１１開口部、１２０接続配線層、１３０接着剤、１４０保護膜、１５０密封空間、１５１気体、２００加熱装置、３００圧電素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
According to the present invention, a part of a pressure generation chamber communicating with a nozzle opening is constituted by a vibration plate, a piezoelectric element is formed on the surface of the vibration plate, and liquid ejection is performed by ejecting liquid droplets from the nozzle opening by displacement of the piezoelectric element. The present invention relates to a method for manufacturing a head.
[0002]
[Prior art]
As the liquid ejecting apparatus, for example, a plurality of pressure generating chambers that generate pressure for ejecting ink droplets by piezoelectric elements or heat generating elements, a common reservoir that supplies ink to each pressure generating chamber, and each pressure generating chamber There is an ink jet recording apparatus that includes an ink jet recording head having a nozzle opening that communicates with the ink jet recording apparatus. The ink jet recording apparatus applies ejection energy to ink in a pressure generating chamber that communicates with a nozzle opening corresponding to a print signal. Ink droplets are ejected from the nozzle openings.
[0003]
A part of the pressure generation chamber communicating with the nozzle opening for discharging ink droplets is constituted by a vibration plate, and the vibration plate is deformed by a piezoelectric element to pressurize the ink in the pressure generation chamber to discharge ink droplets from the nozzle opening. Two types of ink jet recording heads have been put into practical use: those using a longitudinal vibration mode piezoelectric actuator that extends and contracts in the axial direction of the piezoelectric element, and those using a flexural vibration mode piezoelectric actuator.
[0004]
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.
[0005]
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.
[0006]
On the other hand, in order to eliminate the disadvantages of the latter recording head, a uniform piezoelectric material layer is formed over the entire surface of the diaphragm by a film forming technique, and this piezoelectric material layer is shaped to correspond to the pressure generating chamber by lithography. In some cases, a high-density array is realized by forming piezoelectric elements so that each pressure generating chamber is independent.
[0007]
In addition, a sealing substrate having a piezoelectric element holding portion for sealing the piezoelectric element is bonded to one surface of the flow path forming substrate on which the pressure generating chamber is formed on the piezoelectric element side, so that the outside of the piezoelectric element is bonded. Destruction caused by the environment is prevented. As a method for sealing the piezoelectric element holding portion, a sealing hole is provided in the sealing substrate to communicate the piezoelectric element holding portion with the outside, and the sealing substrate is bonded to the flow path forming substrate, and then the resin is sealed in the sealing hole. By filling a sealing member made of, etc., the sealing hole is sealed and the piezoelectric element holding portion is sealed.
[0008]
In the sealing process of the piezoelectric element holding portion, the air in the piezoelectric element holding portion is externally passed through the sealing hole by placing the joined body of the flow path forming substrate and the sealing substrate in a sealed space in a reduced pressure state. The piezoelectric element holding part is filled with the dry fluid by discharging the liquid into the air and dehumidifying it, and filling the dry fluid in the sealed space (see, for example, Patent Document 1).
[0009]
[Patent Document 1]
JP 2002-160366 A (page 6-7, Fig. 1-3)
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to dehumidify the inside of the piezoelectric element holding portion of the sealing substrate bonded to the flow path forming substrate, the sealing hole is sealed with a resin material in a reduced pressure state. There is a problem that the dehumidification in the piezoelectric element holding portion cannot be reliably performed from the stop hole, and the durability of the piezoelectric element is deteriorated.
[0011]
Such a problem exists not only in a method for manufacturing an ink jet recording head that discharges ink, but also in a method for manufacturing another liquid ejecting head that discharges ink other than ink.
[0012]
In view of such circumstances, it is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a liquid jet head that reliably dehumidifies and seals the inside of a piezoelectric element holding portion and has improved durability.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention for solving the above problem, a flow path forming substrate in which a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for discharging a liquid is defined, and a vibration plate is provided on one side of the flow path forming substrate. In the method of manufacturing a liquid ejecting head including a piezoelectric element provided through the space, a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element is provided on the surface of the flow path forming substrate on which the piezoelectric element is provided on the piezoelectric element side. A step of bonding a sealing substrate having a piezoelectric element holding portion capable of sealing the space in a secured state, a step of dehumidifying by heating the inside of the piezoelectric element holding portion in a reduced pressure state, and the inside of the piezoelectric element holding portion being dehumidified After the step of sealing the sealing hole provided in the sealing substrate and communicating the piezoelectric element holding portion and the outside with a resin material, and the step of sealing the sealing hole with a resin material, Opposite to the bonding surface of the sealing substrate And bonding a protective film on the surface of, in a manufacturing method of a liquid ejecting head, characterized by comprising the step of forming the pressure generating chamber by etching the passage forming substrate.
[0014]
In the first aspect, by heating in a reduced pressure state, it is possible to reliably dehumidify the inside of the piezoelectric element holding portion and improve the durability of the piezoelectric element. In addition, by sealing the sealing hole before forming the protective film, even if gas or the like permeates the protective film when forming the pressure generating chamber, the gas is passed through the sealing hole in the piezoelectric element holding portion. The piezoelectric element can be reliably prevented from being broken without being filled.
[0017]
According to a second aspect of the present invention, in the method of manufacturing a liquid jet head according to the first aspect, the protective film is made of polyphenylene sulfide.
[0018]
In the second aspect, the sealing substrate can be reliably protected when the pressure generating chamber is formed on the flow path forming substrate by the protective film made of polyphenylene sulfide.
[0019]
According to a third aspect of the present invention, in the method for manufacturing a liquid jet head according to the first or second aspect, the piezoelectric element holding portion is provided with a film made of a hygroscopic material. It is in the manufacturing method of an ejection head.
[0020]
In the third aspect, even when a film made of a hygroscopic material is provided in the piezoelectric element holding portion, the dehumidifying material can be reliably dehumidified by heating in a reduced pressure state.
[0021]
According to a fourth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a liquid jet head according to the third aspect, the moisture-absorbing material is polyimide.
[0022]
In the fourth aspect, it is possible to reliably perform dehumidification of the hygroscopic material made of polyimide.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
(Embodiment 1)
1 is an exploded perspective view showing an ink jet recording head according to Embodiment 1 of the present invention, FIG. 2 is a plan view of the ink jet recording head, and FIG. 3 is a cross-sectional view of FIG. FIG. 4 is a plan view showing a wiring structure of the ink jet recording head.
[0024]
As shown in the figure, the flow path forming substrate 10 is composed of a silicon single crystal substrate having a plane orientation (110) in the present embodiment, and a plurality of pressure generating chambers 12 formed by anisotropic etching on one surface thereof. Are juxtaposed in the width direction. Further, on the outer side in the longitudinal direction of the pressure generation chamber 12, a communication portion 13 is formed which communicates with a reservoir portion 31 of the sealing substrate 30 described later and constitutes a part of a reservoir that becomes a common liquid chamber of each pressure generation chamber 12. The pressure generation chambers 12 communicate with one end in the longitudinal direction of each pressure generation chamber 12 via an ink supply path 14.
Further, one surface of the flow path forming substrate 10 is an opening surface, and an elastic film 50 having a thickness of 1 to 2 μm made of silicon dioxide previously formed by thermal oxidation is formed on the other surface.
[0025]
Here, the anisotropic etching is performed by utilizing the difference in etching rate of the silicon single crystal substrate. For example, in this embodiment, when a silicon single crystal substrate is immersed in an alkaline solution such as KOH, the first (111) plane perpendicular to the (110) plane is gradually eroded, and the first (111) plane. And a second (111) plane that forms an angle of about 70 degrees with the (110) plane and an angle of about 35 degrees appears, and the (111) plane is compared with the etching rate of the (110) plane. This is performed using the property that the etching rate is about 1/180. By this anisotropic etching, precision processing can be performed based on the parallelogram depth processing formed by two first (111) surfaces and two oblique second (111) surfaces. The pressure generating chambers 12 can be arranged with high density.
[0026]
In the present embodiment, the long side of each pressure generating chamber 12 is formed by the first (111) plane and the short side is formed by the second (111) plane. The pressure generation chamber 12 is formed by etching until it substantially passes through the flow path forming substrate 10 and reaches the elastic film 50. Here, the amount of the elastic film 50 that is affected by the alkaline solution for etching the silicon single crystal substrate is extremely small. In addition, each ink supply path 14 communicating with one end of each pressure generation chamber 12 is formed shallower than the pressure generation chamber 12, and the flow path resistance of the ink flowing into the pressure generation chamber 12 is kept constant. That is, the ink supply path 14 is formed by etching the silicon single crystal substrate halfway in the thickness direction (half etching). Half etching is performed by adjusting the etching time.
[0027]
The thickness of the flow path forming substrate 10 on which such pressure generation chambers 12 and the like are formed is preferably selected in accordance with the density at which the pressure generation chambers 12 are disposed. For example, when the pressure generating chambers 12 are arranged at about 180 (180 dpi) per inch, the thickness of the flow path forming substrate 10 is preferably about 180 to 280 μm, more preferably about 220 μm. is there. For example, when the pressure generating chambers 12 are arranged at a relatively high density of about 360 dpi, the thickness of the flow path forming substrate 10 is preferably 100 μm or less. This is because the arrangement density can be increased while maintaining the rigidity of the partition between adjacent pressure generation chambers 12.
[0028]
Further, a nozzle plate 20 having a nozzle opening 21 communicating with the side opposite to the ink supply path 14 of each pressure generating chamber 12 on the opening surface side of the flow path forming substrate 10 is an adhesive, a heat-welded film, or the like. It is fixed through. The nozzle plate 20 has a thickness of, for example, 0.1 to 1 mm and a linear expansion coefficient of 300 ° C. or less, for example, 2.5 to 4.5 [× 10 ^-6 / ° C] glass ceramics or non-rust steel. The nozzle plate 20 entirely covers one surface of the flow path forming substrate 10 on one surface, and also serves as a reinforcing plate that protects the silicon single crystal substrate from impact and external force. Further, the nozzle plate 20 may be formed of a material having substantially the same thermal expansion coefficient as that of the flow path forming substrate 10. In this case, since the deformation by heat of the flow path forming substrate 10 and the nozzle plate 20 becomes substantially the same, it is possible to easily join using a thermosetting adhesive or the like.
[0029]
Here, the size of the pressure generation chamber 12 that applies ink droplet discharge pressure to the ink and the size of the nozzle opening 21 that discharges the ink droplet are optimized according to the amount of ink droplet to be discharged, the discharge speed, and the discharge frequency. The For example, when recording 360 ink droplets per inch, the nozzle opening 21 needs to be accurately formed with a diameter of several tens of μm.
[0030]
On the other hand, on the elastic film 50 opposite to the opening surface of the flow path forming substrate 10, a lower electrode film 60 having a thickness of, for example, about 0.2 μm and a piezoelectric layer having a thickness of, for example, about 1 μm. 70 and an upper electrode film 80 having a thickness of, for example, about 0.1 μm are laminated by a process described later to constitute the piezoelectric element 300. Here, the piezoelectric element 300 refers to a portion including the lower electrode film 60, the piezoelectric layer 70, and the upper electrode film 80. In general, one electrode of the piezoelectric element 300 is used as a common electrode, and the other electrode and the piezoelectric layer 70 are patterned for each pressure generating chamber 12. In 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 this embodiment, the lower electrode film 60 is a common electrode of the piezoelectric element 300, and the upper electrode film 80 is an individual electrode of the piezoelectric element 300. However, there is no problem even if this is reversed for the convenience of the drive circuit and wiring. In either case, a piezoelectric active part is formed for each pressure generating chamber. Further, here, the piezoelectric element 300 and the vibration plate that is displaced by driving the piezoelectric element 300 are collectively referred to as a piezoelectric actuator. In the example described above, the elastic film 50 and the lower electrode film 60 act as a diaphragm, but the lower electrode film may also serve as the elastic film.
[0031]
In addition, an extraction electrode 90 made of, for example, gold (Au) or the like is connected to the upper electrode film 80 of each piezoelectric element 300. The extraction electrode 90 is extracted from the vicinity of the end in the longitudinal direction of each piezoelectric element 300 and extends to the elastic film 50 in a region corresponding to the ink supply path 14.
Further, the lower electrode film 60 that is a common electrode of the piezoelectric element 300 is continuously extended over the parallel direction of the pressure generation chambers 12 and is patterned on the ink supply path 14 side of the pressure generation chambers 12. . In other words, in the present embodiment, the lower electrode film 60 is provided over the entire surface in the other region from which the region where the extraction electrode 90 of the flow path forming substrate 10 is extended is removed.
[0032]
Further, in the present embodiment, a laminated electrode layer made of the same layer as the extraction electrode 90 and electrically independent from the extraction electrode 90 is formed on the lower electrode film 60 in a region corresponding to the outside of the row of the pressure generation chambers 12. 95 is provided.
And in the area | region which opposes the longitudinal direction edge part vicinity of such a piezoelectric element 300, it has the insulating layer 110 which consists of insulating materials, such as a polyimide, and is extended along the parallel arrangement direction of the piezoelectric element 300. As shown in FIG. For example, in this embodiment, the insulating layer 110 is continuously provided around the row of the pressure generation chambers 12, and the region corresponding to the row of the pressure generation chambers 12 is the opening 111.
[0033]
Further, a connection wiring layer 120 made of a conductive material is continuously provided on the insulating layer 110, and the connection wiring layer 120 and the lower electrode film 60 have a plurality of through holes provided in the insulating layer 110. It is electrically connected via the section 112. Here, it is preferable that the through portions 112 provided in the insulating layer 110 are arranged at relatively equal intervals. For example, in this embodiment, the through portions 112 extend in the vicinity of the end portion on the extraction electrode 90 side of each piezoelectric element 300. The through portion 112 is provided in each region of the insulating layer 110 facing the partition walls 11. The size of the penetrating portion 112 is not particularly limited, but is preferably 20 μm or less.
In the present embodiment, the penetrating portion 113 is also provided in a region facing the outside of the row of the pressure generating chambers 12, that is, a region facing the stacked electrode layer 95 provided on the lower electrode film 60. The laminated electrode layer 95 (lower electrode film 60) and the connection wiring layer 120 are also electrically connected through the penetrating portion 113.
[0034]
Thus, by electrically connecting the connection wiring layer 120 to the lower electrode film 60 that is a common electrode of the piezoelectric element 300, the resistance value of the lower electrode film 60 is substantially reduced. Similarly, the resistance value of the lower electrode film 60 is substantially reduced by providing the laminated electrode layer 95 on the lower electrode film 60. Therefore, even if a large number of piezoelectric elements are driven simultaneously, a voltage drop does not occur, and always good and stable ink ejection characteristics can be obtained.
[0035]
In addition, a region facing the piezoelectric element 300 of the sealing substrate 30 is provided with a piezoelectric element holding portion 32 that can seal the space while ensuring a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 300. The element 300 is sealed in the piezoelectric element holding portion 32.
As the sealing substrate 30, it is preferable to use a material substantially the same as the coefficient of thermal expansion of the flow path forming substrate 10, for example, glass, ceramic material, etc. In this embodiment, the same material as the flow path forming substrate 10 is used. It was formed using a silicon single crystal substrate.
Further, the adhesive 130 for joining the flow path forming substrate 10 and the sealing substrate 30 is not particularly limited, and examples thereof include an epoxy adhesive.
[0036]
Further, a sealing hole 33 that communicates the piezoelectric element holding portion 32 and the outside is provided in a region facing the extraction electrode 90 of the sealing substrate 30. As shown in FIG. 2, a part of the sealing hole 33 is formed by bending a plurality of times on the joint surface side between the sealing substrate 30 and the flow path forming substrate 10 to increase the path length in a narrow region. The groove portion 33a is formed.
[0037]
A sealing member 34 made of a resin material is formed in such a sealing hole 33, and the sealing hole 33 and the piezoelectric element holding portion 32 are sealed by the sealing member 34.
In order to seal the sealing hole 33 with the sealing member 34, an uncured resin material is filled in the sealing hole 33 and cured to form and seal the sealing member 34. In the embodiment, the groove portion 33 a that is bent a plurality of times is provided in the sealing hole 33 so that the uncured resin material does not reach the inside of the piezoelectric element holding portion 32.
[0038]
Further, on the piezoelectric element 300 side of the flow path forming substrate 10, the sealing substrate 30 having the reservoir portion 31 constituting at least a part of the reservoir 105 serving as a common ink chamber of each pressure generating chamber 12 has the adhesive 130. Are joined through. In this embodiment, the reservoir portion 31 is formed through the sealing substrate 30 in the thickness direction and across the width direction of the pressure generation chamber 12, and is a through hole provided through the elastic film 50. A reservoir 105 serving as a common ink chamber of the pressure generation chambers 12 is configured to communicate with the communication portion 13 of the flow path forming substrate 10 via the reference numeral 51.
[0039]
Further, a connection hole 35 that penetrates the sealing substrate 30 in the thickness direction is provided between the piezoelectric element holding portion 32 and the reservoir portion 31 of the sealing substrate 30, that is, in a region corresponding to the ink supply path 14. ing. The lead electrode 90 drawn from each piezoelectric element 300 extends to the connection hole 35 and is connected to an external wiring (not shown) by wire bonding or the like.
[0040]
A compliance substrate 40 including a sealing film 41 and a fixing plate 42 is bonded to the sealing substrate 30. Here, the sealing film 41 is made of a material having low rigidity and flexibility (for example, a polyphenylene sulfide (PPS) film having a thickness of 6 μm), and the sealing film 41 seals one surface of the reservoir portion 31. It has been stopped. The fixing plate 42 is made of a hard material such as metal (for example, stainless steel (SUS) having a thickness of 30 μm). Since the region of the fixing plate 42 facing the reservoir 105 is an opening 43 that is completely removed in the thickness direction, one surface of the reservoir 105 is sealed only with a flexible sealing film 41. Has been.
[0041]
Note that such an ink jet recording head of this embodiment takes in ink from an external ink supply means (not shown), fills the interior from the reservoir 105 to the nozzle opening 21, and then records from a drive circuit (not shown). In accordance with the signal, a voltage is applied between the lower electrode film 60 and the upper electrode film 80 corresponding to the pressure generation chamber 12 via the external wiring, and the elastic film 50, the lower electrode film 60, and the piezoelectric layer 70 are bent. By deforming, the pressure in each pressure generating chamber 12 is increased and ink droplets are ejected from the nozzle openings 21.
[0042]
5-8 is sectional drawing which shows a part of longitudinal direction of the pressure generation chamber 12 of a flow-path formation board | substrate. Hereinafter, a method for manufacturing the ink jet recording head of this embodiment will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 5A, the flow path forming substrate 10 is thermally oxidized in a diffusion furnace at about 1100 ° C. to form an elastic film 50 made of silicon dioxide and a silicon dioxide film 55 on both sides. To do. As will be described in detail later, the silicon dioxide film 55 is used as a mask when the flow path forming substrate 10 is etched.
[0043]
Next, as shown in FIG. 5B, the lower electrode film 60 is formed by sputtering and patterned into a predetermined shape. As a material of the lower electrode film 60, platinum (Pt) or the like is suitable. This is because a piezoelectric layer 70 described later formed by sputtering or sol-gel method needs to be crystallized by firing at a temperature of about 600 to 1000 ° C. in an air atmosphere or an oxygen atmosphere after the film formation. Because. That is, the material of the lower electrode film 60 must be able to maintain conductivity at such a high temperature and in an oxidizing atmosphere, particularly when lead zirconate titanate (PZT) is used as the piezoelectric layer 70. It is desirable that the change in conductivity due to diffusion of lead oxide is small, and platinum is preferable for these reasons.
[0044]
Next, as shown in FIG. 5C, a piezoelectric layer 70 is formed. The piezoelectric layer 70 preferably has crystals oriented. 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 Thus, the piezoelectric layer 70 in which the crystals are oriented is obtained. As a material of the piezoelectric layer 70, a lead zirconate titanate-based material is suitable when used for an ink jet recording head. In addition, the film-forming method of this piezoelectric material layer 70 is not specifically limited, For example, you may form by sputtering method.
Furthermore, after forming a lead zirconate titanate precursor film by a sol-gel method or a sputtering method, a method of crystal growth at a low temperature by a high-pressure treatment method in an alkaline aqueous solution may be used.
[0045]
In any case, the piezoelectric layer 70 thus formed has crystals preferentially oriented unlike a 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. The columnar thin film is a state in which substantially cylindrical crystals are aggregated over the surface direction in a state where the central axis substantially coincides 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.
[0046]
Next, as shown in FIG. 5D, an upper electrode film 80 is formed. The upper electrode film 80 may be any material having high conductivity, 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.
Next, as shown in FIG. 5E, the piezoelectric element 300 is patterned by etching only the piezoelectric layer 70 and the upper electrode film 80.
[0047]
Next, as shown in FIG. 6A, an extraction electrode 90 and a laminated electrode layer 95 (not shown) are formed. For example, in this embodiment, the first conductive layer 290 made of gold (Au) or the like is formed over the entire surface of the flow path forming substrate 10, and then the first conductive layer 290 is patterned for each piezoelectric element 300. Thus, each extraction electrode 90 is obtained. At this time, the stacked electrode layer 95 is formed by leaving the first conductive layer 290 in a region facing the outside of the row of the pressure generating chambers 12.
[0048]
Next, as shown in FIG. 6B, an insulating layer 110 is formed around the row of pressure generating chambers 12, and through portions 112 and 113 (not shown) are formed at predetermined positions. That is, the insulating layer forming film 210 is formed on the entire surface of the flow path forming substrate 10 and then etched to form the opening 111 (not shown) and the through portions 112 and 113 to form the insulating layer 110.
[0049]
As a material of the insulating layer forming film 210, for example, a photosensitive resin such as polyimide is preferably used. Thereby, the insulating layer 110 made of the insulating layer forming film 210 can be formed relatively easily and with high accuracy. The material of the insulating layer forming film 210 is not particularly limited as long as it is relatively excellent in insulating properties, and for example, fluorine resin, silicone resin, epoxy resin, silicon oxide, silicon nitride, tantalum oxide, or the like is used. May be.
[0050]
Next, as illustrated in FIG. 6C, the connection wiring layer 120 is formed on the insulating layer 110. That is, the second conductive layer 220 is formed on the entire surface of the flow path forming substrate 10 and then etched to form the connection wiring layer 120 having a predetermined pattern.
Since the connection wiring layer 120 is for reducing the resistance value of the lower electrode film 60 as described above, a metal having a specific resistance lower than that of the lower electrode film 60 is used as the second conductive layer 220. Desirably, gold (Au), copper (Cu), aluminum (Al), etc. are mentioned, for example. For example, in this embodiment, gold (Au) is formed by sputtering.
The above is the film forming process. After the film formation is performed in this manner, the sealing substrate 30 is bonded onto the flow path forming substrate 10 as shown in FIG. In the present embodiment, the flow path forming substrate 10 and the sealing substrate 30 are bonded via the adhesive 130.
[0051]
Next, as shown in FIG. 7B, dehumidification in the piezoelectric element holding portion 32 is performed.
Specifically, a joined body in which the flow path forming substrate 10 and the sealing substrate 30 are joined is disposed in the sealed space 150, and the sealed space 150 is decompressed to be in a decompressed state and is joined by the heating device 200 in the decompressed state. Heat the body. At this time, the insulating layer 110 made of a hygroscopic material such as polyimide in the piezoelectric element holding part 32 is dehumidified by heating, and the sealed space 150 is decompressed, whereby the piezoelectric element holding part 32 filled with the gas 151 containing moisture is filled. The pressure inside is also reduced, and the gas 151 containing moisture in the piezoelectric element holding portion 32 is discharged to the outside.
[0052]
As described above, even if a moisture absorbing material such as polyimide is provided in the piezoelectric element holding portion 32, the inside of the piezoelectric element holding portion 32 can be reliably dehumidified by heating in a reduced pressure state. In addition, it is preferable that the dehumidification by heating in such a reduced pressure state is such that the pressure of the sealed space 150 is in the range of 1.0 Pa to 0.1 Pa, and the temperature of the sealed space is in the range of 120 ° C to 140 ° C. It is preferable to do this.
[0053]
In a state where the piezoelectric element holding portion 32 is dehumidified, as shown in FIG. 7C, the sealing hole 33 of the sealing substrate 30 is sealed with a sealing member 34 made of a resin material.
Specifically, the sealing member 34 is formed and sealed by filling the sealing hole 33 with an uncured resin material and curing it.
At this time, in this embodiment, since the groove portion 33 a bent a plurality of times is provided in the sealing hole 33, the uncured resin material reaches the inside of the piezoelectric element holding portion 32 even when the piezoelectric element holding portion 32 is in a reduced pressure state. The filling of the piezoelectric element 300 by the sealing member 34 can be prevented without being filled.
[0054]
Next, as shown in FIG. 8A, a protective film 140 is bonded to the surface of the sealing substrate 30 opposite to the flow path forming substrate 10.
This protective film 140 is opposite to the joint surface of the sealing substrate 30 with the flow path forming substrate 10 when the flow path forming substrate 10 is anisotropically etched on the silicon single crystal substrate with an alkaline solution in a later step. For protecting the side surface, it is preferable to use a polymer material having alkali resistance as the protective film 140. For example, in this embodiment, polyphenylene sulfide (PPS) is used.
[0055]
Next, as shown in FIG. 8B, the silicon dioxide film 55 is patterned, and the other surface of the flow path forming substrate 10 is etched using the patterned silicon dioxide film 55 as a mask. The ink supply path 14 and the communication portion 13 are formed. In the present embodiment, the pressure generating chamber 12, the ink supply path 14, and the communication portion 13 are formed by anisotropically etching the other surface of the flow path forming substrate 10 with an alkaline solution such as KOH.
[0056]
Thereafter, the nozzle plate 20 in which the nozzle openings 21 are formed is bonded to the surface of the flow path forming substrate 10 opposite to the sealing substrate 30, the protective film 140 on the sealing substrate 30 is removed, and the compliance substrate 40. By bonding the ink jet recording head, an ink jet recording head can be manufactured.
In practice, a large number of chips are simultaneously formed on a single wafer by the above-described series of film formation and anisotropic etching, and after the process is completed, a single chip-sized flow path is formed as shown in FIG. By dividing each substrate 10, an ink jet recording head can be obtained. Further, such division of the wafer may be performed at any timing before or after dehumidification in the piezoelectric element holding portion 32.
[0057]
As described above, even if a moisture absorbing material is provided in the piezoelectric element holding portion 32, the dehumidification in the piezoelectric element holding portion 32 can be reliably performed by heating in a reduced pressure state, and the durability of the piezoelectric element 300 is improved. Can be improved.
In addition, since the protective film 140 is formed after the sealing hole 33 of the sealing substrate 30 is sealed in a dehumidified state and the flow path forming substrate 10 is anisotropically etched, the etching is performed with an alkaline solution such as KOH. Even if a gas such as hydrogen passes through the protective film 140, the sealing hole 33 is sealed by the sealing member 34, so that the gas or the like does not permeate into the piezoelectric element holding portion 32 and the piezoelectric element is held. The adhesion strength between the piezoelectric layer 70 in the portion 32 and the upper electrode film 80 does not decrease. Thereby, destruction of the piezoelectric element 300 can be reliably prevented.
[0058]
(Other embodiments)
As mentioned above, although Embodiment 1 of this invention was demonstrated, of course, this invention is not limited to these.
For example, in Embodiment 1 described above, the insulating layer 110 made of a hygroscopic material such as polyimide is provided in the piezoelectric element holding portion 32, but the invention is not particularly limited thereto. The insulating layer 110 made of a material may not be formed. Thus, even if the insulating layer made of the hygroscopic material is not formed, the dehumidification in the piezoelectric element holding portion 32 can be reliably performed by heating in a reduced pressure state. For example, in Embodiment 1 mentioned above, PPS was used as the protective film 140, but it is not particularly limited thereto, and for example, the sealing substrate 30 may be covered with a resist.
[0059]
Further, in Embodiment 1 described above, the piezoelectric element holding portion 32 is reduced in pressure and sealed by sealing the sealing hole 33 with the sealing member 34. However, the present invention is not limited to this, and the piezoelectric element is not limited thereto. After the holding unit 32 is in a reduced pressure state, the piezoelectric element holding unit 32 may be filled with a dry fluid such as an inert gas. As described above, even when the dry fluid is filled, in the present invention, the filling is performed after the reliable dehumidification, so that the piezoelectric element 300 can be reliably prevented from being broken.
[0060]
Further, for example, in the above-described first embodiment, a thin film type ink jet recording head manufactured by applying a film forming and lithography process is taken as an example. However, the present invention is not limited to this example. The present invention can also be applied to a thick film type ink jet recording head formed by a method such as affixing.
[0061]
Furthermore, in the first embodiment described above, an example of a method for manufacturing an ink jet recording head that prints a predetermined image or character on a print medium as a liquid ejecting head has been described, but the present invention is of course limited to this. For example, a color material ejecting head used for manufacturing a color filter such as a liquid crystal display, an electrode material ejecting head used for forming an electrode such as an organic EL display, an FED (surface emitting display), or a biochip. The present invention can also be applied to methods for manufacturing other liquid jet heads such as a bio-organic matter jet head.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of an ink jet recording head according to a first embodiment.
FIG. 2 is a plan view of the ink jet recording head according to the first embodiment.
3 is a cross-sectional view of an ink jet recording head according to Embodiment 1. FIG.
4 is a plan view showing a wiring structure according to Embodiment 1. FIG.
FIG. 5 is a sectional view showing a manufacturing process according to the first embodiment.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing process according to the first embodiment.
7 is a cross-sectional view showing a manufacturing process according to the first embodiment. FIG.
FIG. 8 is a sectional view showing a manufacturing process according to the first embodiment.
[Explanation of symbols]
10 flow path forming substrate, 12 pressure generating chamber, 20 nozzle plate, 21 nozzle opening, 30 sealing substrate, 33 sealing hole, 33a groove, 34 sealing member, 35 connection hole, 40 compliance substrate, 60 lower electrode film, 70 piezoelectric layer, 80 upper electrode film, 90 extraction electrode, 95 laminated electrode layer, 105 reservoir, 110 insulating layer, 111 opening, 120 connection wiring layer, 130 adhesive, 140 protective film, 150 sealed space, 151 gas, 200 heating device, 300 piezoelectric element

Claims

A liquid ejecting head comprising: a flow path forming substrate in which a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for discharging a liquid is defined; and a piezoelectric element provided on one surface side of the flow path forming substrate via a vibration plate. In the manufacturing method,
Sealing having a piezoelectric element holding portion capable of sealing the space on the piezoelectric element side surface of the flow path forming substrate on which the piezoelectric element is provided in a state where a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element is secured. A step of bonding the substrate; a step of dehumidifying the inside of the piezoelectric element holding portion by heating in a reduced pressure state; and a state of dehumidifying the inside of the piezoelectric element holding portion, the piezoelectric element holding portion being provided on the sealing substrate After sealing the sealing hole communicating with the outside with a resin material and sealing the sealing hole with a resin material, a protective film is adhered to the surface opposite to the bonding surface of the sealing substrate And a step of forming the pressure generating chamber by etching the flow path forming substrate.

The method of manufacturing a liquid jet head according to claim 1, wherein the protective film is made of polyphenylene sulfide.

3. The method of manufacturing a liquid jet head according to claim 1, wherein a film made of a hygroscopic material is provided in the piezoelectric element holding portion.

The method of manufacturing a liquid jet head according to claim 3, wherein the moisture absorbing material is polyimide.