JP4120761B2 - Inkjet recording head and inkjet recording apparatus - 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及びインクジェット式記録装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの2種類が実用化されている。
【0003】
前者は圧電素子の端面を振動板に当接させることにより圧力発生室の容積を変化させることができて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
【0004】
これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。
【0005】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、特開平5−286131号公報に見られるように、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案されている。
【0006】
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】
一方、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、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がある。
【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。
【0009】
【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、圧電素子がパターニングされた流路形成基板上に封止基板が接着されるため、接着強度が低くなってしまうという問題がある。すなわち、圧電素子をパターニングすることによって、流路形成基板の封止基板との接合部分に段差が形成されてしまうため、封止基板を良好に接着できないという問題がある。
【0010】
さらに、封止基板が圧電素子から延設されたリード電極上に接着する場合、流路形成基板と封止基板とを接着するための接着剤が、リード電極上に流れ出してしまう虞があり、この接着剤によってリード電極と圧電素子を駆動するための外部配線あるいは駆動回路と接続する接続配線の実装強度が低下してしまうという問題がある。
【0011】
本発明は、このような事情に鑑み、流路形成基板と封止基板とを良好に接合することのできるインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置を提供することを課題とする。
【0012】
【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、前記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封止部を有すると共に各圧力発生室の共通インク室の少なくとも一部を構成するリザーバ部を有するリザーバ形成基板を具備し、前記圧電素子が前記封止部の外側まで連続的に延設され、前記流路形成基板の前記リザーバ形成基板が接合される領域には、前記圧電素子を構成する層であり且つ当該圧電素子とは不連続の層からなり最上層に前記上電極とは不連続の不連続上電極膜を有し前記圧電素子とは同一高さの接合層が設けられ、前記リザーバ形成基板が前記接合層を構成する前記不連続上電極膜を含む前記圧電素子を構成するが実質的に駆動されない部分の上電極を構成する上電極膜に接合されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【0013】
かかる第1の態様では、リザーバ形成基板が上電極膜に接合されているため、接合強度が向上すると共に封止部を確実に封止することができる。また、リザーバ形成基板は、接合層に介して流路形成基板と接合される。また、リザーバ形成基板の一部が圧電素子を介して流路形成基板と接合される。また、接合層を容易に形成できると共に、接合層の高さ合わせが容易となる。
【0018】
本発明の第2の態様は、前記圧電素子が実質的な駆動部である圧電体能動部と該圧電体能動部から連続する圧電体層を少なくとも有するが実質的に駆動されない圧電体非能動部とを有し、且つこの圧電体非能動部が前記封止部内から当該封止部の外側まで延設されてい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にある。
【0019】
かかる第2の態様では、リザーバ形成基板が接合される領域の圧電素子が駆動されることがないため、リザーバ形成基板の接合状態を良好に保持できる。
【0020】
本発明の第3の態様は、前記圧電体非能動部の前記リザーバ形成基板が接合される領域には、前記圧電体能動部の下電極を構成する下電極膜からなり且つこの下電極とは不連続の不連続下電極膜が設けられていることを特徴とする第2の態様のインクジェット式記録ヘッドにある。
【0021】
かかる第3の態様では、リザーバ形成基板が接合される領域の上電極膜の高さ合わせが容易となる。
【0022】
本発明の第4の態様は、一端が外部配線に接続されるリード電極が、前記封止部の外側で前記圧電素子に電気的に接続されていることを特徴とする第1〜3の何れか一つの態様のインクジェット式記録ヘッドにある。
【0023】
かかる第4の態様では、リザーバ形成基板が接合される領域にリード電極が形成されていないためリザーバ形成基板の接合強度が向上する。また、リザーバ形成基板を接着剤によって接合する場合、この接着剤がリード電極上にはみ出すことがなく、リード電極にワイヤボンディングによって配線を強固に接続することができる。
【0024】
本発明の第5の態様は、前記接合層が、各圧電素子の間にそれぞれ独立して設けられていることを特徴とする第1〜4の何れか一つの態様のインクジェット式記録ヘッドにある。
【0025】
かかる第5の態様では、リザーバ形成基板が接合される面の段差が実質的になくなって略平坦となるため、リザーバ形成基板を良好に接合することができる。
【0036】
本発明の第6の態様は、第1〜5の何れか一つの態様のインクジェット式記録ヘッドを具備することを特徴とするインクジェット式記録装置にある。
【0037】
かかる第6の態様では、ヘッドの破壊を防止して、耐久性及び信頼性を向上したインクジェット式記録装置を実現することができる。
【0038】
【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。
【0039】
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図2は、図1の平面図及びそのA−A’断面図である。また、図3は、図2の平面図のB−B’断面図及びC−C’断面図である。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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320という。本実施形態では、下電極膜60は圧電素子300の共通電極とし、上電極膜80を圧電素子300の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子300と当該圧電素子300の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。
【0048】
また、圧電素子300の長手方向一端部近傍には、例えば、金(Au)等からなるリード電極90が上電極膜80から弾性膜50上まで延設されており、このリード電極90は、接続配線を介して後述する駆動回路110に電気的に接続されている。
【0049】
この圧電素子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、上述の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。
【0050】
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。なお、本実施形態では、圧電素子保持部32が圧電素子300の列毎に設けられているが、勿論、この圧電素子保持部32は、複数の圧電素子300の列に亘って一体的に設けるようにしてもよい。
【0051】
なお、このようなリザーバ形成基板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。これにより、熱硬化性の接着剤を用いた高温での接着であっても両者を確実に接着することができる。
【0052】
また、このリザーバ形成基板30の圧電素子保持部32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、半導体集積回路(IC)等の駆動回路110が搭載されている。そして、この駆動回路110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部33を介して延設されたボンディングワイヤ等からなる接続配線120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。
【0053】
ここで、各圧電素子300は、リザーバ形成基板30の圧電素子保持部32の内側から貫通部33に対向する領域まで連続的に延設されており、リード電極90は、この貫通部33内で延設されている。
【0054】
また、本実施形態では、圧電素子300は、圧力発生室12に対応する領域に設けられて実質的な駆動部となる圧電体能動部320と、圧電体能動部320から連続する圧電体層を少なくとも有するが実質的に駆動されない圧電体非能動部330とを有し、この圧電体非能動部330が圧電素子保持部32内から貫通部33内まで延設されている。
【0055】
この圧電体非能動部330は、本実施形態では、圧電体層70と上電極膜80とが圧電体能動部320から連続的に延設され、リザーバ形成基板30が接合される領域の圧電体層70の下側には、圧電体能動部320を構成する下電極膜60と同一の層からなり且つ下電極膜60とは不連続の不連続下電極膜61が設けられている。
【0056】
また、流路形成基板10の圧電素子300が形成される領域以外の領域、すなわち、流路形成基板10のリザーバ形成基板30が接合される領域には、圧電素子300の上電極膜80と同一層からなり且つこの上電極膜80とは不連続の不連続上電極膜81を有する接合層130が設けられている。
【0057】
また、この接合層130は、本実施形態では、圧電素子300を構成し且つ圧電素子300とは不連続の層で形成されている。すなわち、本実施形態の接合層130は、不連続下電極膜61と、圧電素子300の圧電体層70と同一層からなり且つこの圧電体層70とは不連続の不連続圧電体層71と、不連続上電極膜81とからなり、圧電素子300と略同一の高さで形成されている。
【0058】
そして、リザーバ形成基板30は、このような圧電体非能動部330を構成する上電極膜80と、接合層130の不連続上電極膜81とに、接着剤等によって接着されることになる。上述したように、この上電極膜80と不連続上電極膜81とは略同一の高さであり、リザーバ形成基板30が接合される面に実質的に段差がないため、リザーバ形成基板30を良好に接合することができる。
【0059】
さらに、本実施形態では、このような接合層130が、各圧電体非能動部330の間にもそれぞれ独立して設けられている(図3(b)参照)。これにより、圧電素子300が形成されている領域でも、リザーバ形成基板30が接合される領域は、実質的に段差がなくなり略平坦となっている。
【0060】
したがって、リザーバ形成基板30を流路形成基板10にさらに良好に接合することができ、圧電素子保持部32も確実に封止することができる。すなわち、圧電素子300と接合層130とが略同一の高さであり、流路形成基板10のリザーバ形成基板30が接合される全ての領域が実質的に略平坦となっているため、接着時の荷重を面内方向で容易に均一化することができ、両者を良好に接着することができる。
【0061】
そして、これにより圧電素子保持部32内に大気中の水分が侵入するのを確実に防止することができ、水分に起因する圧電素子300の破壊を防止することができる。
【0062】
さらに、本実施形態では、圧電素子保持部32の外側の貫通部33内にリード電極90を延設するようにしたので、流路形成基板10とリザーバ形成基板30とを接着するための接着剤が、リード電極90上まではみ出すことがないため、ワイヤボンディングによって接続配線120をリード電極90に良好に接続することができる。
【0063】
なお、本実施形態では、接合層130が圧電素子300を構成する層で形成されているが、接合層130は、最上層に圧電素子300の上電極膜80とは不連続の不連続上電極膜81を有していればよく、その他の層は、勿論、圧電素子300を構成する層とは別の層で形成するようにしてもよい。
【0064】
また、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】
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110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。
【0066】
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4〜図6を参照して説明する。図4〜図6は、圧力発生室12の長手方向の一部を示す断面図である。
【0067】
まず、図4(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。
【0068】
次に、図4(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を圧電素子300に対応する領域にパターニングすると共に、リザーバ形成基板30が接合される領域に圧電素子300を構成する下電極膜60とは不連続の不連続下電極膜61を形成する。この下電極膜60(不連続下電極膜61)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。
【0069】
次に、図4(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。
【0070】
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。
【0071】
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。
【0072】
次に、図4(d)に示すように、上電極膜80をスパッタリング等によって成膜する。この上電極膜80は、導電性の高い材料であり且つシリコン単結晶基板からなるリザーバ形成基板30との接着性が良好な材料を用いることが好ましい。このため、上電極膜80の材料としては、例えば、ルテニウム、酸化ルテニウム、白金、イリジウム等を用いることが好ましく、本実施形態では、酸化ルテニウムを用いた。
【0073】
次に、図5(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を形成すると共に、不連続下電極膜61上に不連続圧電体層71及び不連続上電極膜81をパターニングして接合層130を形成する。
【0074】
次に、図5(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。
【0075】
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5(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。
【0076】
その後、図6(a)に示すように、流路形成基板10上に設けられた接合層130及び圧電素子300(圧電体非能動部330)上に接着剤によってリザーバ形成基板30を接着する。
【0077】
このように、リザーバ形成基板30を接合層130及び圧電素子300上に接合することにより、すなわち、上電極膜80及び不連続上電極膜81に接合することにより、リザーバ形成基板30と流路形成基板10とを良好に接合することができる。特に、本実施形態では、圧電素子300と接合層130との高さを略同一としているため、リザーバ形成基板30が接合される面が実質的に平坦となり、リザーバ形成基板30をさらに良好に接合することができる。
【0078】
なお、その後は、図6(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。そして、図示しないが、リザーバ形成基板30上に駆動回路110を搭載すると共に、この駆動回路110とリード電極90とを接続する接続配線120をワイヤボンディングによって形成して、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする(図2(b)参照)。
【0079】
上述したように、リード電極90が圧電素子保持部32の外側の貫通部33内に形成されているため、流路形成基板10とリザーバ形成基板30とを接着するための接着剤はリード電極90上まではみ出していることはない。したがって、接続配線120とリード電極90との接合強度が向上し、耐久性及び信頼性を向上したインクジェット式記録ヘッドを実現することができる。
【0080】
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。
【0081】
(他の実施形態)
以上、本発明の一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。
【0082】
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。
【0083】
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7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。
【0084】
図7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。
【0085】
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上を搬送されるようになっている。
【0086】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、封止基板を圧電素子の上電極を構成する上電極膜に接合するようにしたので、封止基板と流路形成基板との接合強度が向上すると共に封止部を確実に密封することができる。したがって、大気中の水分が封止部に侵入することがなく、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製造工程を示す断面図である。
【図7】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。
【符号の説明】
10 流路形成基板
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
61 不連続下電極膜
70 圧電体層
71 不連続圧電体層
80 上電極膜
81 不連続上電極膜
100 リザーバ
110 駆動回路
120 接続配線
130 接合層
300 圧電素子
320 圧電体能動部
330 圧電体非能動部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
According to the present invention, 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 formed on the surface of the diaphragm, and ink droplets are ejected by displacement of the piezoelectric element. The present invention relates to an ink jet recording head and an ink jet recording apparatus.
[0002]
[Prior art]
A part of the pressure generation chamber communicating with the nozzle opening for discharging ink droplets is constituted by a vibration plate, and the vibration plate is deformed by a piezoelectric element to pressurize the ink in the pressure generation chamber to discharge ink droplets from the nozzle opening. Two types of ink jet recording heads have been put into practical use: those using a longitudinal vibration mode piezoelectric actuator that extends and contracts in the axial direction of the piezoelectric element, and those using a flexural vibration mode piezoelectric actuator.
[0003]
The former can change the volume of the pressure generation chamber by bringing the end face of the piezoelectric element into contact with the vibration plate, and it is possible to manufacture a head suitable for high-density printing, while the piezoelectric element is arranged in an array of nozzle openings. There is a problem that the manufacturing process is complicated because a difficult process of matching the pitch into a comb-like shape and an operation of positioning and fixing the cut piezoelectric element in the pressure generating chamber are necessary.
[0004]
On the other hand, the latter can flexibly vibrate, although a piezoelectric element can be built on the diaphragm by a relatively simple process of sticking a green sheet of piezoelectric material according to the shape of the pressure generation chamber and firing it. There is a problem that a certain amount of area is required for the use of, and high-density arrangement is difficult.
[0005]
On the other hand, in order to eliminate the inconvenience of the latter recording head, a uniform piezoelectric material layer is formed by a film forming technique over the entire surface of the diaphragm as seen in Japanese Patent Laid-Open No. 5-286131. A material in which a piezoelectric layer is formed so that a material layer is cut into a shape corresponding to a pressure generation chamber by a lithography method and is independent for each pressure generation chamber has been proposed.
[0006]
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 actuator can be reduced. There is an advantage that high-speed driving is possible.
[0007]
On the other hand, when the piezoelectric element is configured by sputtering of the piezoelectric material in this way, when driven at substantially the same voltage as that formed by firing the green sheet, a high electric field is applied by the thin amount of the piezoelectric element, When moisture is absorbed, there is a problem that the leakage current between the drive electrodes is likely to increase, which eventually leads to dielectric breakdown.
[0008]
In order to solve such a problem, a structure has been proposed in which a sealing substrate having a sealing portion for sealing a piezoelectric element is bonded to a flow path forming substrate in which a pressure generating chamber is formed.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, such an ink jet recording head has a problem that the sealing strength is lowered because the sealing substrate is bonded onto the flow path forming substrate on which the piezoelectric elements are patterned. That is, by patterning the piezoelectric element, a step is formed at the joint portion between the flow path forming substrate and the sealing substrate, and thus there is a problem that the sealing substrate cannot be satisfactorily adhered.
[0010]
Furthermore, when the sealing substrate is bonded onto the lead electrode extended from the piezoelectric element, there is a possibility that the adhesive for bonding the flow path forming substrate and the sealing substrate may flow out onto the lead electrode. There is a problem that the mounting strength of the external wiring for driving the lead electrode and the piezoelectric element or the connection wiring connected to the driving circuit is lowered by the adhesive.
[0011]
In view of such circumstances, it is an object of the present invention to provide an ink jet recording head and an ink jet recording apparatus that can satisfactorily join a flow path forming substrate and a sealing substrate.
[0012]
[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 ink is defined, and a vibration plate is provided on one side of the flow path forming substrate. In the ink jet recording head comprising a lower electrode, a piezoelectric layer, and a piezoelectric element comprising an upper electrode, a space is formed in a region facing the piezoelectric element on the surface of the flow path forming substrate on the piezoelectric element side. A reservoir forming substrate having a sealing portion that seals the space in a state of securing the space and having a reservoir portion that constitutes at least a part of a common ink chamber of each pressure generating chamber, and the piezoelectric element includes the sealing portion The region where the reservoir forming substrate of the flow path forming substrate is joined to the outside of the flow path forming substrate is a layer that constitutes the piezoelectric element and is a discontinuous layer from the piezoelectric element. Previous to upper layer The upper electrode contact layer having the same height is provided between the piezoelectric element has a discontinuous discontinuous on the electrode film, said containing the discontinuous upper electrode film, wherein the reservoir forming substrate constituting the bonding layer An ink jet recording head characterized by being bonded to an upper electrode film that constitutes an upper electrode of a portion that constitutes a piezoelectric element but is not substantially driven.
[0013]
In the first aspect, since the reservoir forming substrate is bonded to the upper electrode film, the bonding strength is improved and the sealing portion can be reliably sealed. The reservoir forming substrate is bonded to the flow path forming substrate through the bonding layer. In addition, a part of the reservoir forming substrate is bonded to the flow path forming substrate via the piezoelectric element. In addition, the bonding layer can be easily formed, and the height of the bonding layer can be easily adjusted.
[0018]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric active portion in which the piezoelectric element is a substantial driving portion and a piezoelectric non-active portion that is at least substantially not driven but has at least a piezoelectric layer continuous from the piezoelectric active portion. It has the door, and the piezoelectric inactive part is in the ink jet recording head of the first aspect, characterized in that is extended from an inside of the sealing portion to the outside of the sealing portion.
[0019]
In the second aspect, since the piezoelectric element in the region to which the reservoir forming substrate is bonded is not driven, the bonded state of the reservoir forming substrate can be favorably maintained.
[0020]
According to a third aspect of the present invention, the region where the reservoir forming substrate of the piezoelectric inactive portion is joined is composed of a lower electrode film constituting a lower electrode of the piezoelectric active portion, and the lower electrode is A discontinuous lower electrode film is provided in the ink jet recording head according to the second aspect.
[0021]
In the third aspect, it is easy to adjust the height of the upper electrode film in the region to which the reservoir forming substrate is bonded.
[0022]
A fourth aspect of the present invention, any one end lead electrodes connected to the external wiring, the first 1 to 3, characterized in that it is electrically connected to the piezoelectric element on the outside of the sealing portion The ink jet recording head according to one embodiment is provided.
[0023]
In the fourth aspect, since the lead electrode is not formed in the region where the reservoir forming substrate is bonded, the bonding strength of the reservoir forming substrate is improved. Further, when the reservoir forming substrate is bonded with an adhesive, the adhesive does not protrude onto the lead electrode, and the wiring can be firmly connected to the lead electrode by wire bonding.
[0024]
A fifth aspect of the present invention is the ink jet recording head according to any one of the first to fourth aspects, wherein the bonding layer is provided independently between the piezoelectric elements. .
[0025]
In the fifth aspect, since the level difference between the surfaces to which the reservoir forming substrate is bonded is substantially eliminated and becomes substantially flat, the reservoir forming substrate can be bonded well.
[0036]
A sixth aspect of the present invention is an ink jet recording apparatus comprising the ink jet recording head according to any one of the first to fifth aspects.
[0037]
In the sixth aspect, it is possible to realize an ink jet recording apparatus that prevents destruction of the head and has improved durability and reliability.
[0038]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
[0039]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an ink jet recording head according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a plan view of FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ and the line CC ′ of the plan view of FIG.
[0040]
As shown in the drawing, the flow
[0041]
One surface of the flow
[0042]
On the other hand,
[0043]
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
[0044]
In the present embodiment, the long side of each
[0045]
Further, a
[0046]
Here, the size of the
[0047]
On the other hand, on the
[0048]
In addition, a
[0049]
On the flow
[0050]
Further, in a region facing the
[0051]
As such a
[0052]
A
[0053]
Here, each
[0054]
In the present embodiment, the
[0055]
In the present embodiment, the piezoelectric
[0056]
Further, the region other than the region where the
[0057]
Further, in the present embodiment, the
[0058]
The
[0059]
Further, in the present embodiment, such a
[0060]
Therefore, the
[0061]
As a result, it is possible to reliably prevent moisture in the atmosphere from entering the piezoelectric
[0062]
Furthermore, in the present embodiment, since the
[0063]
In the present embodiment, the
[0064]
In addition, a
[0065]
In such an ink jet recording head of this embodiment, after taking ink from an external ink supply means (not shown) and filling the interior from the
[0066]
The manufacturing method of the ink jet recording head of the present embodiment described above is not particularly limited, but an example thereof will be described with reference to FIGS. 4 to 6 are cross-sectional views showing a part of the
[0067]
First, as shown in FIG. 4A, an
[0068]
Next, as shown in FIG. 4B, after the
[0069]
Next, as shown in FIG. 4C, the
[0070]
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.
[0071]
In any case, the
[0072]
Next, as shown in FIG. 4D, the
[0073]
Next, as shown in FIG. 5A, only the
[0074]
Next, as shown in FIG. 5B,
[0075]
The above is the film forming process. After forming the film in this manner, the above-described anisotropic etching of the silicon single crystal substrate with the alkaline solution is performed, and as shown in FIG. 5C, the
[0076]
Thereafter, as shown in FIG. 6A, the
[0077]
In this manner, the
[0078]
After that, as shown in FIG. 6B, the
[0079]
As described above, since the
[0080]
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. Divide each
[0081]
(Other embodiments)
Although one embodiment of the present invention has been described above, the basic configuration of the ink jet recording head is not limited to that described above.
[0082]
For example, in the above-described embodiment, the thin film type ink jet recording head manufactured by applying the film forming and lithography processes is taken as an example. However, the present invention is not limited to this. For example, a green sheet is pasted. The present invention can also be applied to a thick film type ink jet recording head formed by such a method.
[0083]
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. 7 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.
[0084]
As shown in FIG. 7, in the
[0085]
The driving force of the driving
[0086]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, since the sealing substrate is bonded to the upper electrode film constituting the upper electrode of the piezoelectric element, the bonding strength between the sealing substrate and the flow path forming substrate is improved and the sealing is performed. The part can be reliably sealed. Therefore, moisture in the atmosphere does not enter the sealing portion, and destruction of the piezoelectric element due to moisture in the atmosphere can be reliably prevented.
[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.
2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view illustrating the ink jet recording head according to the first embodiment of the invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating 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 cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the ink jet recording head according to the first embodiment of the invention.
FIG. 7 is a schematic view of an ink jet recording apparatus according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に、前記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封止部を有すると共に各圧力発生室の共通インク室の少なくとも一部を構成するリザーバ部を有するリザーバ形成基板を具備し、前記圧電素子が前記封止部の外側まで連続的に延設され、
前記流路形成基板の前記リザーバ形成基板が接合される領域には、前記圧電素子を構成する層であり且つ当該圧電素子とは不連続の層からなり最上層に前記上電極とは不連続の不連続上電極膜を有し前記圧電素子とは同一高さの接合層が設けられ、
前記リザーバ形成基板が前記接合層を構成する前記不連続上電極膜を含む前記圧電素子を構成するが実質的に駆動されない部分の上電極を構成する上電極膜に接合されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。A flow path forming substrate in which a pressure generation chamber communicating with a nozzle opening for ejecting ink is defined, and a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode provided on one side of the flow path forming substrate via a vibration plate In an inkjet recording head comprising the piezoelectric element,
The surface on the piezoelectric element side of the flow path forming substrate has a sealing portion for sealing the space in a state where a space is secured in a region facing the piezoelectric element, and at least one of the common ink chambers of the pressure generation chambers. Comprising a reservoir forming substrate having a reservoir portion constituting a portion, wherein the piezoelectric element is continuously extended to the outside of the sealing portion,
The region where the reservoir forming substrate of the flow path forming substrate is joined is a layer constituting the piezoelectric element, and is a layer discontinuous from the piezoelectric element, and is discontinuous from the upper electrode in the uppermost layer. A discontinuous upper electrode film is provided with a bonding layer having the same height as the piezoelectric element ,
The reservoir forming substrate is joined to an upper electrode film constituting the upper electrode constituting the piezoelectric element including the discontinuous upper electrode film constituting the joining layer but not being substantially driven. Inkjet recording head.
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