【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被噴射液を吐出する液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに液体噴射装置に関し、特に、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室に供給されたインクを圧電素子によって加圧することにより、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及びその製造方法並びにインクジェット式記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
そして、たわみ振動モードのアクチュエータを使用したものとしては、例えば、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知られている。
【０００４】
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、封止孔に樹脂接着剤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（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１６０３６６号公報（第６頁、図２（ｂ））
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、封止孔を接着剤からなる封止部材により封止して圧電素子保持部を密封する場合、封止部材に用いられる接着剤が数十〜数百ｐｐｍの水分を含むため、接着剤を硬化して圧電素子保持部を密封する際に、接着剤に含まれる水分が圧電素子保持部内に入り湿度が上昇してしまい、圧電素子保持部内を低湿度に維持することができないという問題がある。また、接着前に接着剤の水分を除去すると、接着剤が硬化してしまうため、硬化した接着剤を圧電素子保持部の封止に用いることができないという問題がある。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だけでなく、勿論、インク以外を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても、同様に存在する。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑み、圧電素子保持部内を所定湿度に保ち、圧電素子の破壊を確実に防止することができる液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに液体噴射装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【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、液滴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た流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子と、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とを具備する液体噴射ヘッドであって、前記封止基板には、当該封止基板を貫通して前記圧電素子保持部と外部とを連通するように設けられた封止孔と、当該封止孔の外部側開口部に接合され、前記封止孔に連通する連通孔が設けられた封止チップとを有し、当該封止チップの前記連通孔の開口部に溶着された金属からなる封止部材によって前記圧電素子保持部が封止されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【０００９】
かかる第１の態様では、圧電素子保持部を封止する際に、封止チップと封止チップの連通孔を塞ぐ金属からなる封止部材とを用いることで、樹脂に比べ圧電素子保持部内への水分の侵入を防止することができ、圧電素子保持部内を低湿度で確実に密封することができる。
【００１０】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記封止チップには、前記封止基板とは反対側開口部の断面積が前記封止基板側開口部の断面積よりも相対的に大きい凹部が設けられていると共に、前記封止部材が前記凹部内に溶着されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１１】
かかる第２の態様では、封止チップに凹部を設けることで、凹部内を封止部材で容易に塞ぐことができる。
【００１２】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記封止チップが、金属、シリコン酸化物又はシリコンを含有する物質からなることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１３】
かかる第３の態様では、封止チップが加工しやすく、高精度に形成することができる。
【００１４】
本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記封止チップがシリコン酸化物からなると共に、前記封止部材が金−シリコン化合物からなることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１５】
かかる第４の態様では、封止部材に金−シリコン化合物を用いることで、封止チップと封止部材との溶着性を確保することができるため、封止チップに封止部材を直接溶着できる。
【００１６】
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記封止チップが、前記封止基板上に接着剤を介した接着、陽極接合、低融点ガラス接合又は金−金接合により接合されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１７】
かかる第５の態様では、封止チップと封止基板とを確実に接合することができる。
【００１８】
本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様において、前記封止チップの前記封止部材が溶着される領域には、金属からなる接合膜が成膜により形成され、前記封止部材が前記接合膜上に溶着されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１９】
かかる第６の態様では、封止チップの封止部材が溶着される領域に、金属の接合膜を成膜して形成しているため、封止部材を金属からなる接合膜上に溶着することができ、封止部材の材料を複数の金属材料から選択することができる。
【００２０】
本発明の第７の態様は、第６の態様において、前記接合膜が、金、銅及びアルミニウムからなる群から選択される少なくとも一種からなることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００２１】
かかる第７の態様では、接合膜を凹部の内面に容易に且つ高精度に成膜することができる。
【００２２】
本発明の第８の態様は、第１〜７の何れかの態様において、前記圧電素子保持部内には、乾燥流体が充填されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００２３】
かかる第８の態様では、乾燥流体により圧電素子保持部内を低湿度とすることができる。
【００２４】
本発明の第９の態様は、第１〜８の何れかの態様において、前記封止部材によって封止された前記圧電素子保持部内の密封時の湿度が２５℃で３％ＲＨ以下であることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００２５】
かかる第９の態様では、５年経過後の圧電素子保持部内の湿度が２５℃で４０％ＲＨ以下で維持される。
【００２６】
本発明の第１０の態様は、第１〜９の何れかの態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
【００２７】
かかる第１０の態様では、液体吐出特性が実質的に安定し且つ信頼性を向上した液体噴射装置を実現することができる。
【００２８】
本発明の第１１の態様は、液滴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た流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子と、前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に接合されて当該圧電素子を密封する圧電素子保持部が設けられた封止基板とを具備する液体噴射ヘッドの製造方法であって、前記流路形成基板に前記振動板及び前記圧電素子を形成する工程と、前記圧電素子保持部と外部とを連通する貫通した封止孔が設けられ且つ当該封止孔の開口部に連通する連通孔が設けられた封止チップが接合された前記封止基板と前記流路形成基板とを接合する工程と、前記圧電素子保持部内を低湿度にした状態で、前記連通孔の開口部に金属からなる封止部材を溶着することによって前記圧電素子保持部を封止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。
【００２９】
かかる第１１の態様では、圧電素子保持部を封止する際に、封止チップと封止チップの連通孔を塞ぐ金属からなる封止部材とを用いることで、樹脂に比べ圧電素子保持部内への水分の侵入を防止することができ、圧電素子保持部内を低湿度で確実に密封することができる。
【００３０】
本発明の第１２の態様は、第１１の態様において、前記圧電素子保持部を封止する工程では、金属からなる固形封止材料を前記連通孔の開口部に載置し、前記固形封止材料を加熱することで当該圧電素子保持部を封止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。
【００３１】
かかる第１２の態様では、封止チップに金属からなる封止部材を容易に溶着することができると共に、圧電素子保持部内を確実に密封することができる。
【００３２】
【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の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。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、その両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の薄膜からなる弾性膜５０、及び後述する圧力発生室を形成する際にマスクとして用いられるマスクパターン５１が形成されている。
【００３３】
この流路形成基板１０には、その他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁によって区画された圧力発生室１２が形成されている。また、各列の圧力発生室１２の長手方向外側には、後述する接合基板である封止基板３０に設けられるリザーバ部３５と連通し、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成する連通部１３が形成されている。また、この連通部１３は、インク供給路１４を介して各圧力発生室１２の長手方向一端部とそれぞれ連通されている。
【００３４】
インク供給路１４は、圧力発生室１２の長手方向一端部側に連通し且つ圧力発生室１２より小さい断面積を有する。例えば、本実施形態では、インク供給路１４は、リザーバ１００と各圧力発生室１２との間の圧力発生室１２側の流路を幅方向に絞ることで、圧力発生室１２の幅より小さい幅で形成されている。なお、このように、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
このような流路形成基板１０の厚さは、圧力発生室１２を配列密度に合わせて最適な厚さを選択すればよく、圧力発生室１２の配列密度が、例えば、１インチ当たり１８０個（１８０ｄｐｉ）程度であれば、流路形成基板１０の厚さは、２２０μｍ程度であればよいが、例えば、２００ｄｐｉ以上と比較的高密度に配列する場合には、流路形成基板１０の厚さは１００μｍ以下と比較的薄くするのが好ましい。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。
【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、０．０５〜１ｍｍ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、シリコン単結晶基板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、流路形成基板１０である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には、厚さが例えば、約１．０μｍの弾性膜５０の上に、厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁膜５５を介して、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１．０μｍ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、圧電素子３００の下電極膜６０、弾性膜５０及び絶縁膜５５が振動板として作用する。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の詳しくは後述する封止基板３０の貫通孔３６に対向する領域まで、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は、その貫通孔３６で図示しない駆動ＩＣと電気的に接続されている。
【００４１】
また、流路形成基板１０の圧電素子３００側には、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３１を有する封止基板３０が接合されている。この圧電素子保持部３１は、並設された２列の圧電素子３００の全てを覆うように形成され、並設された２列の圧電素子３００を同時に封止している。また、封止基板３０には、封止基板３０を貫通して設けられると共に圧電素子保持部３１と外部とを連通する封止孔３２が設けられている。
【００４２】
このような封止基板３０としては、例えば、ガラス、セラミック材料等の流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。また、封止基板３０と流路形成基板１０との接合は、特に限定されず、例えば、本実施形態では、熱硬化型のエポキシ系の接着剤１１０を用いた。なお、封止基板３０と流路形成基板１０とは、接着剤１１０を介した接着に限定されず、例えば、接着面のそれぞれに金（Ａｕ）からなる膜を形成し、両者を金−金接合してもよく、陽極接合により接合するようにしてもよい。
【００４３】
このような封止基板３０上の封止孔３２の外部側の開口部には、封止孔３２に連通する連通孔１２１を有する四角柱状の封止チップ１２０が接合されている。この封止チップ１２０には、封止孔３２とは反対側に開口する端部に、断面積が連通孔１２１の封止基板３０側よりも相対的に大きく、且つ面方向の断面が円形状の凹部１２２が設けられている。このような凹部１２２内には、凹部１２２を埋めて連通孔１２１の開口を塞ぐように金属からなる封止部材１２３が溶着されており、この封止部材１２３によって連通孔１２１は封止され、圧電素子保持部３１が密封されている。
【００４４】
このような封止チップ１２０の材料は、特に限定されず、例えば、金属、シリコン酸化物又はシリコンを含有する物質等を挙げることができるが、凹部１２２に封止部材１２３を溶着する際に封止チップ１２０を効率よく加熱できるように、封止チップ１２０の材料は熱伝導性の悪いものが好ましい。このような封止チップ１２０の材料としては、アルミナ、酸化シリコン及びガラス等を挙げることができる。なお、封止チップ１２０と封止基板３０との接合は、特に限定されず、例えば、本実施形態では、熱硬化型のエポキシ系の接着剤１１１を用いて行った。また、封止チップ１２０と封止基板３０とは、接着剤１１１を介した接着に限定されず、例えば、接着面のそれぞれに金（Ａｕ）からなる膜を形成し、両者を金−金接合してもよく、陽極接合により接合するようにしてもよく、低融点ガラス接合により接合するようにしてもよい。
【００４５】
また、封止チップ１２０の凹部１２２に溶着される封止部材１２３は、封止チップ１２０が金属の場合は、金、銅、アルミニウム又はこれらの合金等、金属であれば特に限定されない。また、封止チップ１２０がシリコン酸化物の場合は、封止部材１２３を金−シリコン化合物とすることで、封止チップ１２０の凹部１２２に直接溶着することができる。この金−シリコン化合物は、金のみに比べるとシリコン酸化物からなる封止チップ１２０と溶着性に優れている。
【００４６】
さらに、圧電素子保持部３１内は、詳しくは後述するが、封止部材１２３による密封時に所定湿度以下にすることで、長期に亘って低湿度に維持することができる。なお、密封時の圧電素子保持部３１内の湿度は、２５℃で３％以下が好ましく、圧電素子保持部３１を密封時に２５℃で３％ＲＨ以下にすることで、５年経過後に２５℃で４０％ＲＨ以下の低湿度に維持することが可能となる。このように圧電素子保持部３１内を低湿度に維持するために、本実施形態では、圧電素子保持部３１内に不活性ガス等の乾燥流体が充填されている。また、圧電素子保持部３１内は、大気よりも低い気圧で密封されている。これにより、圧電素子３００は圧電素子保持部３１内の乾燥流体雰囲気中に確実に密封されて外部環境と完全に遮断される。乾燥流体としては、不活性ガスの他、還元性ガスを用いることもできるが、逆に、酸化性ガスを含有させることにより、圧電体層の劣化を防止する環境を形成することができる。また、このような不活性ガスを用いる場合には、その中の水の蒸気圧（分圧）をできるだけ低くするのが望ましい。また、圧電素子保持部３１内に不活性ガス等の乾燥流体を充填する他に、圧電素子保持部３１内に吸湿材を充填することで圧電素子保持部３１内を低湿度にすることができる。
【００４７】
さらに、封止基板３０の流路形成基板１０の連通部１３に対応する領域には、複数の圧力発生室１２の共通のインク室であるリザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３５が形成されている。このリザーバ部３５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いる。そして、リザーバ部３５が、流路形成基板１０の連通部１３と連通されてリザーバ１００を構成している。
【００４８】
また、封止基板３０の圧電素子保持部３１とリザーバ部３５との間には、封止基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３６が設けられており、この貫通孔３６内に圧電素子３００からのリード電極９０が露出するように延設されている。この貫通孔３６内に露出したリード電極９０の一端部には、圧電素子３００を駆動するための図示しない駆動ＩＣ（半導体集積回路）がボンディングワイヤ等を介して電気的に接続されるようになっている。
【００４９】
さらに、この封止基板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３５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のみで封止されている。
【００５０】
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４４が形成されている。さらに、封止基板３０には、インク導入口４４とリザーバ１００の側壁とを連通するインク導入路３７が設けられている。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４４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、絶縁膜５５、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。
【００５１】
以上説明したインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図３〜図５を参照して説明する。なお、図３〜図５は、インクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。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全面に二酸化シリコンからなる弾性膜５０を形成した後、図３（ｂ）に示すように、この弾性膜５０上に酸化ジルコニウム等からなる絶縁膜５５を形成する。
【００５２】
次に、図３（ｃ）に示すように、例えば、白金とイリジウムとからなる下電極膜６０を絶縁膜５５の全面に形成後、所定形状にパターニングする。次に、図４（ａ）に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層７０と、例えば、イリジウムからなる上電極膜８０とを順次積層し、これらを同時にパターニングして圧電素子３００を形成する。
【００５３】
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。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４（ｃ）に示すように、流路形成基板１０の圧電素子３００側に圧電素子保持部３１及び封止孔３２等が設けられた封止基板３０を接着剤１１０を介して接着する。また、封止基板３０上の封止孔３２が外部に開口する側に、連通孔１２１及び凹部１２２が形成された封止チップ１２０を連通孔１２１が封止孔３２に連通するように、接着剤１１１を介して接着する。なお、封止チップ１２０と封止基板３０とは、封止基板３０と流路形成基板１０とを接着後に接着するようにしてもよく、予め封止チップ１２０の接着された封止基板３０と流路形成基板１０とを接着するようにしてもよい。
【００５４】
また、封止基板３０は、本実施形態では、単結晶シリコンからなるため、圧電素子保持部３１、封止孔３２及び貫通孔３６等は、流路形成基板１０と同様にアルカリ溶液による異方性エッチングにより形成することができる。なお、圧電素子保持部３１は、封止基板３０を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することができる。また、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。
【００５５】
さらに封止チップ１２０の材料及び形成方法は、特に限定されず、例えば、封止チップ１２０に金属を用いた場合には、成形により形成してもよく、また、封止孔１２１及び凹部１２２を研削やレーザ加工により形成してもよい。また、封止チップにシリコン酸化物又はシリコンを含有する物質を用いた場合には、封止孔１２１及び凹部１２２をエッチングやレーザ加工等により形成することができる。
【００５６】
また、流路形成基板１０と封止基板３０とを接着する接着剤１１０及び封止基板３０と封止チップ１２０とを接着する接着剤１１１には水分が含まれているが、接着剤１１０及び１１１を加熱して硬化させることで、接着剤１１０及び１１１に含まれる水分は除去される。このとき、除去された水分は圧電素子保持部３１側にも入るが、圧電素子保持部３１は、封止孔３２及び連通孔１２１によって外部と連通しているため、圧電素子保持部３１内の水分を封止孔３２及び連通孔１２１を介して容易に除去することができる。
【００５７】
次に、図５（ａ）に示すように、封止基板３０の接合された流路形成基板１０を乾燥流体雰囲気下に載置することで、圧電素子保持部３１内を封止孔３２を介して低湿度にした状態で、封止チップ１２０の凹部１２２に封止部材１２３となる固形の封止材料２２３を挿入する。この封止材料２２３は、封止チップ１２０に溶着することができる金属材料であれば特に限定されない。また、封止材料２２３の形状は、凹部１２２が封止チップ１２０を面方向から見た場合に、円形状であることから、球形状が挙げられる。この理由としては、凹部１２２が円形状であるため、封止材料２２３を加熱、溶融して、凹部１２２内に対して均一に溶着させるためである。
【００５８】
次に、図５（ｂ）に示すように、封止基板３０の接合された流路形成基板１０を乾燥流体雰囲気下に載置した状態で、封止材料２２３を加熱することで封止材料２２３を溶融し、凹部１２２に封止部材１２３を溶着する。これにより、凹部１２２に溶着された封止部材１２３によって、乾燥流体が充填されることで低湿度となった圧電素子保持部３１が密封される。なお、封止材料２２３の加熱は、例えば、レーザ光を用いた加熱装置などによって行うことができる。
【００５９】
また、圧電素子保持部３１を密封する金属からなる封止部材１２３は水分を含有しないため、この封止部材１２３を凹部１２２に加熱溶着して圧電素子保持部３１を密封することで、密封時に圧電素子保持部３１内の湿度を所定湿度以下、具体的には、２５℃で３％ＲＨ以下とすることができる。これにより、５年経過後の圧電素子保持部３１内の湿度を２５℃で４０％ＲＨ以下に維持することができ、圧電素子３００の湿度による破壊を長期にわたって防止することができる。
【００６０】
次に、図５（ｃ）に示すように、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、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。その後は、図２（ｂ）に示すように、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。
【００６１】
また、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、封止基板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。
【００６２】
（実施形態２）
図６は、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。本実施形態では、図６に示すように、封止チップ１２０Ａには、貫通方向に亘って内径が同一の連通孔１２１Ａが設けられ、封止チップ１２０Ａの連通孔１２１Ａが開口する端面に金属からなる封止部材１２３Ａが溶着されている。
【００６３】
このような封止部材１２３Ａは、封止チップ１２０Ａ上にワイヤーボンディングにより直接溶着することで形成してもよく、封止チップ１２０Ａ上に箔状の封止材料を設け、これを溶着するようにしてもよい。なお、本実施形態の封止チップ１２０Ａは、上述した実施形態１と同様に、封止基板３０上に接着剤１１１を介して接着されている。また、封止チップ１２０Ａ及び封止部材１２３は、上述した実施形態１と同様のため、重複する説明は省略する。
このような構成としても、圧電素子保持部３１を金属からなる封止部材１２０Ａにより密封することができるため、圧電素子保持部３１を低湿度で密封することができる。
【００６４】
（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。例えば、上述した実施形態１及び２では、封止チップ１２０及び１２０Ａをシリコン酸化物とした場合、連通孔１２１の開口部に溶着される封止部材を金−シリコン化合物としたが、特にこれに限定されず、例えば、封止チップをシリコン酸化物で形成すると共に、封止部材が溶着される封止チップの端面又は凹部の内面に、金属の薄膜からなる接合膜を成膜し、この接合膜上に封止部材を溶着するようにしてもよい。
【００６５】
このような例を図７に示す。なお、図７は、他の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図である。図７に示すように、封止基板３０上の封止孔３２の外部の開口部には、封止孔３２に連通すると共に貫通方向に亘って内径が同一の連通孔１２１Ａが形成された単結晶シリコンからなる封止チップ１２０Ｂが接着剤１１１を介して接着されている。
【００６６】
また、封止チップ１２０Ｂの連通孔１２１Ａが開口する端面には、厚さが例えば、０．１〜１０μｍの金属からなる接合膜１２４が成膜されている。この接合膜１２４は、単結晶シリコンからなる封止チップ１２０Ｂに直接成膜することができれば、特に限定されず、例えば、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）や、これらの合金を挙げることができる。また、封止チップ１２０Ｂに接合膜１２４を形成する方法としては、特に限定されず、スパッタリング法、蒸着法又は無電解メッキ等を挙げることができる。なお、封止部材１２３Ａは、金属からなる接合膜１２４上に溶着されるため、金属材料であれば特に限定されない。このように、封止チップ１２０Ｂを単結晶シリコンで形成しても、接合膜１２４を設けることで、金−シリコン化合物以外の封止部材１２３Ａを封止チップ１２０Ｂに接合膜１２４を介して直接溶着することができる。なお、図７では、上述した実施形態２の他の形態を示したが、このような金属の成膜された接合膜は、上述した実施形態１の凹部１２２の内面に設けるようにしてもよい。
【００６７】
また、例えば、上述の実施形態では、圧電素子保持部３１内に乾燥流体を充填するようにしたが、勿論、乾燥流体を充填させずに空気が存在していてもよいが、空気中の水分を所定の低湿度、上述した実施形態では、２５℃で３％ＲＨ以下とさせることで、５年経過後の圧電素子保持部３１内の湿度を２５℃で４０％ＲＨ以下に維持できる。さらに、例えば、上述の実施形態１及び２では、圧電素子保持部３１と外部とを連通する封止孔３２を１つ設けるようにしたが、これに限定されず、勿論、複数個設けるようにしてもよく、また、圧電素子保持部を、並設された圧電素子３００の各列毎に独立して封止するように２つ設けるようにしてもよい。
【００６８】
また、例えば、上述の実施形態１及び２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。
【００６９】
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８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。図８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。
【００７０】
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。
【００７１】
なお、液体噴射ヘッドとしてインクを吐出す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一例として説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド及び液体噴射装置全般を対象としたものである。液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる記録ヘッド、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料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等を挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１に係る記録ヘッドの概略を示す斜視図である。
【図２】実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【図３】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図４】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図５】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図６】実施形態２に係る記録ヘッドの断面図である。
【図７】他の実施形態に係る記録ヘッドの断面図である。
【図８】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、１３ 連通部、１４ インク供給路、２０ ノズルプレート、２１ ノズル開口、３０ 封止基板、３１ 圧電素子保持部、３２ 封止孔、３５ リザーバ部、４０ コンプライアンス基板、５０弾性膜、６０ 下電極膜、７０ 圧電体層、８０ 上電極膜、１００ リザーバ、１１０及び１１１ 接着剤、１２０，１２０Ａ及び１２０Ｂ 封止チップ、１２１及び１２１Ａ 連通孔、１２２ 凹部、１２３及び１２３Ａ 封止部材、２２３ 封止材料、３００ 圧電素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid ejecting head that ejects a liquid to be ejected, a method for manufacturing the same, and a liquid ejecting apparatus, and in particular, pressurizes ink supplied to a pressure generating chamber that communicates with a nozzle opening that ejects ink droplets using a piezoelectric element. The present invention relates to an ink jet recording head that discharges ink droplets from a nozzle opening, a manufacturing method thereof, and an ink jet recording apparatus.
[0002]
[Prior art]
A part of the pressure generation chamber communicating with the nozzle opening for discharging ink droplets is constituted by a vibration plate, and the vibration plate is deformed by a piezoelectric element to pressurize the ink in the pressure generation chamber to discharge ink droplets from the nozzle opening. Two types of ink jet recording heads have been put into practical use: those using a longitudinal vibration mode piezoelectric actuator that extends and contracts in the axial direction of the piezoelectric element, and those using a flexural vibration mode piezoelectric actuator.
[0003]
As an example of using an actuator in a flexural vibration mode, for example, 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 formed into a pressure generating chamber by a lithography method. A device in which a piezoelectric element is formed so as to be cut into a corresponding shape and independent for each pressure generating chamber is known.
[0004]
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 an adhesive or the like, the sealing hole is sealed and the piezoelectric element holding portion is sealed (see, for example, Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2002-160366 A (6th page, FIG. 2B)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the sealing hole is sealed with a sealing member made of an adhesive to seal the piezoelectric element holding part, the adhesive used for the sealing member contains several tens to several hundred ppm of moisture. When the piezoelectric element holding part is sealed by curing the moisture, the moisture contained in the adhesive enters the piezoelectric element holding part and the humidity increases, and the inside of the piezoelectric element holding part cannot be maintained at a low humidity. is there. Further, if the moisture of the adhesive is removed before bonding, the adhesive is cured, and thus there is a problem that the cured adhesive cannot be used for sealing the piezoelectric element holding portion. Such a problem exists not only in an ink jet recording head that ejects ink, but of course in other liquid ejecting heads that eject ink other than ink.
[0007]
In view of such circumstances, it is an object of the present invention to provide a liquid ejecting head, a manufacturing method thereof, and a liquid ejecting apparatus capable of maintaining the inside of the piezoelectric element holding portion at a predetermined humidity and reliably preventing destruction of the piezoelectric element. To do.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention for solving the above-described problem, a flow path forming substrate in which a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for discharging droplets is defined, and a vibration plate on one surface side of the flow path forming substrate. In a state in which a piezoelectric element composed of a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode provided via the piezoelectric element and a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element are secured on the surface of the flow path forming substrate on the piezoelectric element side A liquid ejecting head comprising a sealing substrate having a piezoelectric element holding portion capable of sealing the space, wherein the sealing substrate penetrates the sealing substrate and includes the piezoelectric element holding portion and the outside. A sealing hole provided so as to communicate with the sealing chip, and a sealing chip provided with a communication hole that is joined to the outer opening of the sealing hole and communicates with the sealing hole. The piezoelectric member is sealed by a metal sealing member welded to the opening of the communication hole. Child holding portion is in the liquid-jet head characterized by being sealed.
[0009]
In the first aspect, when the piezoelectric element holding portion is sealed, the sealing chip and a sealing member made of metal that closes the communication hole of the sealing chip are used, so that the piezoelectric element holding portion is brought into the piezoelectric element holding portion as compared with the resin. Intrusion of moisture can be prevented, and the inside of the piezoelectric element holding portion can be reliably sealed at low humidity.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the sealing chip has a cross-sectional area of the opening opposite to the sealing substrate relative to that of the sealing substrate-side opening. The liquid ejecting head is provided with a large recessed portion and the sealing member is welded in the recessed portion.
[0011]
In the second aspect, the concave portion can be easily closed with the sealing member by providing the sealing chip with the concave portion.
[0012]
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the sealing chip is made of a metal, a silicon oxide, or a substance containing silicon.
[0013]
In the third aspect, the sealing chip can be easily processed and formed with high accuracy.
[0014]
According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the sealing chip is made of silicon oxide, and the sealing member is made of a gold-silicon compound. In the head.
[0015]
In this 4th aspect, since the weldability of a sealing chip and a sealing member can be ensured by using a gold-silicon compound for a sealing member, a sealing member can be welded directly to a sealing chip. .
[0016]
According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, the sealing chip is bonded to the sealing substrate via an adhesive, anodic bonding, low melting point glass bonding, or gold-gold. The liquid jet head is characterized by being joined by joining.
[0017]
In the fifth aspect, the sealing chip and the sealing substrate can be reliably bonded.
[0018]
According to a sixth aspect of the present invention, in any one of the first to fifth aspects, a bonding film made of a metal is formed by film formation in a region where the sealing member of the sealing chip is welded. In the liquid jet head, a sealing member is welded onto the bonding film.
[0019]
In the sixth aspect, since the metal bonding film is formed in the region where the sealing member of the sealing chip is welded, the sealing member is welded onto the metal bonding film. The material of the sealing member can be selected from a plurality of metal materials.
[0020]
According to a seventh aspect of the present invention, in the liquid jet head according to the sixth aspect, the bonding film is made of at least one selected from the group consisting of gold, copper, and aluminum.
[0021]
In the seventh aspect, the bonding film can be easily and highly accurately formed on the inner surface of the recess.
[0022]
According to an eighth aspect of the present invention, in the liquid jet head according to any one of the first to seventh aspects, the piezoelectric element holding portion is filled with a dry fluid.
[0023]
In the eighth aspect, the inside of the piezoelectric element holding portion can be made low humidity by the dry fluid.
[0024]
According to a ninth aspect of the present invention, in any one of the first to eighth aspects, a humidity during sealing in the piezoelectric element holding portion sealed by the sealing member is 3% RH or less at 25 ° C. The liquid jet head is characterized by the following.
[0025]
In the ninth aspect, the humidity in the piezoelectric element holding portion after 5 years is maintained at 25 ° C. and 40% RH or less.
[0026]
A tenth aspect of the present invention is a liquid ejecting apparatus including the liquid ejecting head according to any one of the first to ninth aspects.
[0027]
In the tenth aspect, it is possible to realize a liquid ejecting apparatus having substantially stable liquid ejection characteristics and improved reliability.
[0028]
According to an eleventh aspect of the present invention, a flow path forming substrate in which a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for discharging droplets is defined, and provided on one side of the flow path forming substrate via a vibration plate. A piezoelectric substrate composed of a lower electrode, a piezoelectric layer and an upper electrode, and a sealing substrate provided with a piezoelectric element holding portion that is bonded to the surface of the flow path forming substrate on the piezoelectric element side and seals the piezoelectric element; And a step of forming the diaphragm and the piezoelectric element on the flow path forming substrate, and a penetrating sealing hole that communicates the piezoelectric element holding portion with the outside. A step of bonding the sealing substrate to which the sealing chip provided with a communication hole communicating with the opening of the sealing hole is bonded and the flow path forming substrate; In this state, the opening made of the communication hole is made of metal. Some to the method of manufacturing a liquid jet head characterized by including the step of sealing the piezoelectric element holding portion by welding.
[0029]
In the eleventh aspect, when sealing the piezoelectric element holding portion, the sealing chip and a sealing member made of a metal that closes the communication hole of the sealing chip are used, so that the piezoelectric element holding portion is brought into the piezoelectric element holding portion. Intrusion of moisture can be prevented, and the inside of the piezoelectric element holding portion can be reliably sealed at low humidity.
[0030]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the eleventh aspect, in the step of sealing the piezoelectric element holding portion, a solid sealing material made of metal is placed on the opening of the communication hole, and the solid sealing is performed. In the method of manufacturing a liquid jet head, the piezoelectric element holding portion is sealed by heating the material.
[0031]
In the twelfth aspect, the sealing member made of metal can be easily welded to the sealing chip, and the inside of the piezoelectric element holding portion can be reliably sealed.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an outline of an ink jet recording head according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a plan view of FIG. 1 and its AA ′ cross-sectional view. As shown in the figure, the flow path forming substrate 10 is made of a silicon single crystal substrate having a plane orientation (110) in the present embodiment, and has a thickness of 1 to 2 μm made of silicon dioxide previously formed by thermal oxidation on both surfaces. An elastic film 50 made of a thin film and a mask pattern 51 used as a mask when forming a pressure generation chamber to be described later are formed.
[0033]
The flow path forming substrate 10 is formed with a pressure generating chamber 12 partitioned by a plurality of partition walls by anisotropic etching from the other side. Further, on the outside in the longitudinal direction of the pressure generating chambers 12 in each row, a reservoir 100 that communicates with a reservoir portion 35 provided on a sealing substrate 30 that is a bonding substrate described later and serves as a common ink chamber for the pressure generating chambers 12. The communication part 13 which comprises is formed. The communication portion 13 is in communication with one end portion in the longitudinal direction of each pressure generating chamber 12 through the ink supply path 14.
[0034]
The ink supply path 14 communicates with one end side in the longitudinal direction of the pressure generation chamber 12 and has a smaller cross-sectional area than the pressure generation chamber 12. For example, in the present embodiment, the ink supply path 14 has a width smaller than the width of the pressure generation chamber 12 by narrowing the flow path on the pressure generation chamber 12 side between the reservoir 100 and each pressure generation chamber 12 in the width direction. It is formed with. As described above, in this embodiment, the ink supply path 14 is formed by narrowing the width of the flow path from one side. However, the ink supply path may be formed by narrowing the width of the flow path from both sides.
[0035]
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.
[0036]
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.
[0037]
The thickness of the flow path forming substrate 10 may be selected as the optimum thickness according to the arrangement density of the pressure generating chambers 12, and the arrangement density of the pressure generating chambers 12 is, for example, 180 per inch ( If it is about 180 dpi), the thickness of the flow path forming substrate 10 may be about 220 μm. However, for example, when arranged at a relatively high density of 200 dpi or more, the thickness of the flow path forming substrate 10 is It is preferable to make it relatively thin as 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.
[0038]
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, 0.05 to 1 mm, a linear expansion coefficient of 300 ° C. or less, for example, 2.5 to 4.5 [× 10 -6 / ° C] glass ceramics, silicon single crystal substrate 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 that is the flow path forming substrate 10 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 is substantially the same, it can be easily joined using a thermosetting adhesive or the like.
[0039]
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.
[0040]
On the other hand, on the side opposite to the opening surface of the flow path forming substrate 10, an insulating film 55 having a thickness of, for example, about 0.4 μm is disposed on the elastic film 50 having a thickness of, for example, about 1.0 μm. A lower electrode film 60 having a thickness of about 0.2 μm, a piezoelectric layer 70 having a thickness of about 1.0 μm, and an upper electrode film 80 having a thickness of about 0.1 μm, for example. The piezoelectric element 300 is formed by being laminated by a process described later. 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 lower electrode film 60, the elastic film 50, and the insulating film 55 of the piezoelectric element 300 function as a diaphragm. Further, from the vicinity of one end in the longitudinal direction of the upper electrode film 80 of the piezoelectric element 300 to the region facing the through hole 36 of the sealing substrate 30 to be described later in detail, for example, gold (Au) is used. A lead electrode 90 is extended. The lead electrode 90 is electrically connected to a drive IC (not shown) through the through hole 36.
[0041]
In addition, a sealing substrate 30 having a piezoelectric element holding portion 31 capable of sealing the space in a state where a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 300 is secured is bonded to the flow path forming substrate 10 on the piezoelectric element 300 side. Has been. The piezoelectric element holding portion 31 is formed so as to cover all the two rows of piezoelectric elements 300 arranged side by side, and simultaneously seals the two rows of piezoelectric elements 300 arranged side by side. The sealing substrate 30 is provided with a sealing hole 32 provided through the sealing substrate 30 and communicating the piezoelectric element holding portion 31 with the outside.
[0042]
As such a sealing substrate 30, for example, it is preferable to use a material substantially the same as the coefficient of thermal expansion of the flow path forming substrate 10 such as glass or ceramic material. In this embodiment, the same material as the flow path forming substrate 10 is used. It was formed using a silicon single crystal substrate of the material. The bonding between the sealing substrate 30 and the flow path forming substrate 10 is not particularly limited. For example, in the present embodiment, a thermosetting epoxy adhesive 110 is used. The sealing substrate 30 and the flow path forming substrate 10 are not limited to bonding via the adhesive 110. For example, a film made of gold (Au) is formed on each of the bonding surfaces, and both are made of gold-gold. It may be joined or may be joined by anodic bonding.
[0043]
A square columnar sealing chip 120 having a communication hole 121 communicating with the sealing hole 32 is joined to the opening on the outside of the sealing hole 32 on the sealing substrate 30. In this sealing chip 120, the cross-sectional area is relatively larger than the sealing substrate 30 side of the communication hole 121, and the cross section in the plane direction is circular at the end that opens on the opposite side to the sealing hole 32. The recess 122 is provided. In such a recess 122, a sealing member 123 made of metal is welded so as to fill the recess 122 and close the opening of the communication hole 121, and the communication hole 121 is sealed by the sealing member 123, The piezoelectric element holding part 31 is sealed.
[0044]
The material of the sealing chip 120 is not particularly limited, and examples thereof include metals, silicon oxides, or substances containing silicon. The sealing chip 120 is sealed when the sealing member 123 is welded to the recess 122. The material of the sealing chip 120 is preferably a material having poor thermal conductivity so that the stop chip 120 can be efficiently heated. Examples of the material of the sealing chip 120 include alumina, silicon oxide, and glass. Note that the bonding between the sealing chip 120 and the sealing substrate 30 is not particularly limited. For example, in the present embodiment, the thermosetting epoxy adhesive 111 is used. Further, the sealing chip 120 and the sealing substrate 30 are not limited to bonding via the adhesive 111, and for example, a film made of gold (Au) is formed on each of the bonding surfaces, and the two are bonded by gold-gold bonding. Alternatively, it may be bonded by anodic bonding, or may be bonded by low melting point glass bonding.
[0045]
Moreover, the sealing member 123 welded to the recessed part 122 of the sealing chip 120 will not be specifically limited if it is metal, such as gold | metal | money, copper, aluminum, or these alloys, when the sealing chip 120 is a metal. When the sealing chip 120 is made of silicon oxide, the sealing member 123 can be directly welded to the recess 122 of the sealing chip 120 by using a gold-silicon compound. This gold-silicon compound is superior in weldability to the sealing chip 120 made of silicon oxide compared to gold alone.
[0046]
Further, as will be described in detail later, the inside of the piezoelectric element holding portion 31 can be kept at a low humidity for a long period of time by setting it to a predetermined humidity or lower when sealed by the sealing member 123. In addition, the humidity in the piezoelectric element holding part 31 at the time of sealing is preferably 3% or less at 25 ° C., and the piezoelectric element holding part 31 is set to 25% at 25 ° C. or less at 25 ° C. after 25 years. Thus, it is possible to maintain a low humidity of 40% RH or less. Thus, in order to maintain the inside of the piezoelectric element holding part 31 at low humidity, in this embodiment, the piezoelectric element holding part 31 is filled with a dry fluid such as an inert gas. In addition, the inside of the piezoelectric element holding portion 31 is sealed at a pressure lower than the atmosphere. Thereby, the piezoelectric element 300 is reliably sealed in the dry fluid atmosphere in the piezoelectric element holding part 31, and is completely shielded from the external environment. As the drying fluid, a reducing gas can be used in addition to the inert gas, but conversely, an environment that prevents deterioration of the piezoelectric layer can be formed by containing an oxidizing gas. Moreover, when using such an inert gas, it is desirable to make the vapor pressure (partial pressure) of the water in it as low as possible. In addition to filling the piezoelectric element holding part 31 with a dry fluid such as an inert gas, the piezoelectric element holding part 31 can be reduced in humidity by filling the piezoelectric element holding part 31 with a hygroscopic material. .
[0047]
Further, in a region corresponding to the communication portion 13 of the flow path forming substrate 10 of the sealing substrate 30, a reservoir portion 35 constituting at least a part of the reservoir 100 that is a common ink chamber of the plurality of pressure generating chambers 12 is formed. Has been. In this embodiment, the reservoir portion 35 is formed across the width direction of the pressure generation chamber 12 through the sealing substrate 30 in the thickness direction. The reservoir unit 35 communicates with the communication unit 13 of the flow path forming substrate 10 to configure the reservoir 100.
[0048]
In addition, a through hole 36 that penetrates the sealing substrate 30 in the thickness direction is provided between the piezoelectric element holding portion 31 and the reservoir portion 35 of the sealing substrate 30, and the piezoelectric element is provided in the through hole 36. The lead electrode 90 from 300 is extended so as to be exposed. A driving IC (semiconductor integrated circuit) (not shown) for driving the piezoelectric element 300 is electrically connected to one end of the lead electrode 90 exposed in the through hole 36 via a bonding wire or the like. ing.
[0049]
Furthermore, a compliance substrate 40 including a sealing film 41 and a fixing plate 42 is bonded onto 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 35. 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 100 is an opening 43 that is completely removed in the thickness direction, one surface of the reservoir 100 is sealed only with a flexible sealing film 41. Has been.
[0050]
An ink introduction port 44 for supplying ink to the reservoir 100 is formed on the compliance substrate 40 on the outer side of the central portion of the reservoir 100 in the longitudinal direction. Further, the sealing substrate 30 is provided with an ink introduction path 37 that communicates the ink introduction port 44 with the side wall of the reservoir 100. In such an ink jet recording head of this embodiment, ink is taken in from an ink introduction port 44 connected to an external ink supply means (not shown), and the interior is filled with ink from the reservoir 100 to the nozzle opening 21. In accordance with the recording signal from each, a voltage is applied between each of the lower electrode film 60 and the upper electrode film 80 corresponding to the pressure generating chamber 12, and the elastic film 50, the insulating film 55, the lower electrode film 60, and the piezoelectric layer 70 , The pressure in each pressure generating chamber 12 increases, and ink droplets are ejected from the nozzle openings 21.
[0051]
The manufacturing method of the ink jet recording head described above will be described with reference to FIGS. 3 to 5 are cross-sectional views showing a method for manufacturing the ink jet recording head. First, as shown in FIG. 3A, a silicon single crystal substrate wafer to be the flow path forming substrate 10 is thermally oxidized in a diffusion furnace at about 1100 ° C. to form an elastic film 50 made of silicon dioxide on the entire surface. As shown in FIG. 3B, an insulating film 55 made of zirconium oxide or the like is formed on the elastic film 50.
[0052]
Next, as shown in FIG. 3C, for example, a lower electrode film 60 made of platinum and iridium is formed on the entire surface of the insulating film 55 and then patterned into a predetermined shape. Next, as shown in FIG. 4A, a piezoelectric layer 70 made of, for example, lead zirconate titanate (PZT) and an upper electrode film 80 made of, for example, iridium are sequentially stacked and patterned simultaneously. Thus, the piezoelectric element 300 is formed.
[0053]
Next, as shown in FIG. 4B, lead electrodes 90 are formed. Specifically, for example, a lead electrode 90 made of gold (Au) or the like is formed over the entire surface of the flow path forming substrate 10 and patterned for each piezoelectric element 300. The above is the film forming process. After forming the film in this manner, as shown in FIG. 4C, a sealing substrate in which the piezoelectric element holding portion 31, the sealing hole 32, etc. are provided on the piezoelectric element 300 side of the flow path forming substrate 10. 30 is bonded through an adhesive 110. Further, on the side where the sealing hole 32 on the sealing substrate 30 opens to the outside, the sealing chip 120 in which the communication hole 121 and the recess 122 are formed is bonded so that the communication hole 121 communicates with the sealing hole 32. Adhering via the agent 111. The sealing chip 120 and the sealing substrate 30 may be bonded to each other after the sealing substrate 30 and the flow path forming substrate 10 are bonded, or the sealing substrate 30 to which the sealing chip 120 is bonded in advance. The flow path forming substrate 10 may be adhered.
[0054]
In addition, since the sealing substrate 30 is made of single crystal silicon in this embodiment, the piezoelectric element holding portion 31, the sealing hole 32, the through hole 36, and the like are anisotropic by an alkaline solution, like the flow path forming substrate 10. It can be formed by reactive etching. The piezoelectric element holding portion 31 can be formed by etching (half etching) the sealing substrate 30 halfway. Half etching is performed by adjusting the etching time.
[0055]
Further, the material and forming method of the sealing chip 120 are not particularly limited. For example, when a metal is used for the sealing chip 120, the sealing chip 120 may be formed by molding, and the sealing hole 121 and the recess 122 may be formed. It may be formed by grinding or laser processing. In the case where a silicon oxide or a substance containing silicon is used for the sealing chip, the sealing hole 121 and the concave portion 122 can be formed by etching, laser processing, or the like.
[0056]
Further, the adhesive 110 that bonds the flow path forming substrate 10 and the sealing substrate 30 and the adhesive 111 that bonds the sealing substrate 30 and the sealing chip 120 contain moisture, but the adhesive 110 and Moisture contained in the adhesives 110 and 111 is removed by heating and curing 111. At this time, the removed moisture also enters the piezoelectric element holding part 31 side. However, since the piezoelectric element holding part 31 communicates with the outside through the sealing hole 32 and the communication hole 121, Moisture can be easily removed through the sealing hole 32 and the communication hole 121.
[0057]
Next, as shown in FIG. 5A, the flow path forming substrate 10 to which the sealing substrate 30 is bonded is placed in a dry fluid atmosphere, so that the sealing hole 32 is formed in the piezoelectric element holding portion 31. The solid sealing material 223 to be the sealing member 123 is inserted into the recess 122 of the sealing chip 120 in a state where the humidity is low. The sealing material 223 is not particularly limited as long as it is a metal material that can be welded to the sealing chip 120. In addition, the shape of the sealing material 223 may be a spherical shape because the concave portion 122 is circular when the sealing chip 120 is viewed from the surface direction. This is because the recess 122 has a circular shape, and thus the sealing material 223 is heated and melted to be uniformly welded in the recess 122.
[0058]
Next, as illustrated in FIG. 5B, the sealing material 223 is heated in a state where the flow path forming substrate 10 to which the sealing substrate 30 is bonded is placed in a dry fluid atmosphere, thereby sealing the sealing material 223. 223 is melted and the sealing member 123 is welded to the recess 122. Accordingly, the piezoelectric element holding portion 31 that has become low humidity by being filled with the dry fluid is sealed by the sealing member 123 welded to the concave portion 122. Note that the sealing material 223 can be heated by, for example, a heating device using laser light.
[0059]
Further, since the sealing member 123 made of a metal that seals the piezoelectric element holding portion 31 does not contain moisture, the sealing member 123 is heated and welded to the concave portion 122 to seal the piezoelectric element holding portion 31. The humidity in the piezoelectric element holding portion 31 can be set to a predetermined humidity or lower, specifically, 3% RH or lower at 25 ° C. Thereby, the humidity in the piezoelectric element holding part 31 after five years can be maintained at 25 ° C. or less and 40% RH or less, and the piezoelectric element 300 can be prevented from being damaged due to humidity for a long period of time.
[0060]
Next, as shown in FIG. 5C, anisotropic etching of the silicon single crystal substrate with the alkali solution described above is performed to form the pressure generating chamber 12, the communication portion 13, the ink supply path 14, and the like. After that, as shown in FIG. 2B, the nozzle plate 20 having the nozzle openings 21 formed on the surface of the flow path forming substrate 10 opposite to the sealing substrate 30 is joined, and the sealing substrate 30 By bonding the compliance substrate 40 thereon, the ink jet recording head of this embodiment is formed.
[0061]
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 completion of the process, a single chip size channel is formed as shown in FIG. Divide each substrate 10. Then, the sealing substrate 30 and the compliance substrate 40 are sequentially bonded and integrated with the divided flow path forming substrate 10 to form an ink jet recording head.
[0062]
(Embodiment 2)
FIG. 6 is a cross-sectional view of the ink jet recording head according to the second embodiment. In the present embodiment, as shown in FIG. 6, the sealing chip 120A is provided with a communication hole 121A having the same inner diameter in the penetrating direction, and the end surface where the communication hole 121A of the sealing chip 120A opens is made of metal. A sealing member 123A is welded.
[0063]
Such a sealing member 123A may be formed by welding directly on the sealing chip 120A by wire bonding, and a foil-like sealing material is provided on the sealing chip 120A and welded thereto. May be. Note that the sealing chip 120A of the present embodiment is bonded onto the sealing substrate 30 via the adhesive 111, as in the first embodiment described above. In addition, since the sealing chip 120A and the sealing member 123 are the same as those in the first embodiment described above, overlapping description is omitted.
Even in such a configuration, the piezoelectric element holding portion 31 can be sealed by the sealing member 120A made of metal, so that the piezoelectric element holding portion 31 can be sealed at low humidity.
[0064]
(Other embodiments)
While the embodiments of the present invention have been described above, the basic configuration of the ink jet recording head is not limited to that described above. For example, in Embodiments 1 and 2 described above, when the sealing chips 120 and 120A are made of silicon oxide, the sealing member welded to the opening of the communication hole 121 is made of a gold-silicon compound. For example, the sealing chip is formed of silicon oxide, and a bonding film made of a metal thin film is formed on the end surface of the sealing chip or the inner surface of the recess to which the sealing member is welded. A sealing member may be welded onto the film.
[0065]
Such an example is shown in FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view of an ink jet recording head according to another embodiment. As shown in FIG. 7, the opening outside the sealing hole 32 on the sealing substrate 30 has a communication hole 121 </ b> A that communicates with the sealing hole 32 and has the same inner diameter in the penetrating direction. A sealing chip 120 </ b> B made of crystalline silicon is bonded via an adhesive 111.
[0066]
In addition, a bonding film 124 made of a metal having a thickness of, for example, 0.1 to 10 μm is formed on an end surface of the sealing chip 120B where the communication hole 121A is opened. The bonding film 124 is not particularly limited as long as it can be directly formed on the sealing chip 120B made of single crystal silicon. For example, gold (Au), copper (Cu), aluminum (Al), and alloys thereof Can be mentioned. The method for forming the bonding film 124 on the sealing chip 120B is not particularly limited, and examples thereof include a sputtering method, a vapor deposition method, and electroless plating. The sealing member 123A is not particularly limited as long as it is a metal material because it is welded onto the bonding film 124 made of metal. As described above, even when the sealing chip 120B is formed of single crystal silicon, the bonding film 124 is provided so that the sealing member 123A other than the gold-silicon compound is directly welded to the sealing chip 120B via the bonding film 124. can do. Although FIG. 7 shows another embodiment of the second embodiment described above, such a metal-bonded bonding film may be provided on the inner surface of the recess 122 of the first embodiment described above. .
[0067]
For example, in the above-described embodiment, the piezoelectric element holding unit 31 is filled with the dry fluid. Of course, air may be present without being filled with the dry fluid. In the above-described embodiment, the humidity in the piezoelectric element holding portion 31 after 5 years can be maintained at 40 ° C. or less at 25 ° C. Further, for example, in the first and second embodiments described above, one sealing hole 32 that communicates the piezoelectric element holding portion 31 and the outside is provided. However, the present invention is not limited to this. Alternatively, two piezoelectric element holding portions may be provided so as to be sealed independently for each row of the piezoelectric elements 300 arranged side by side.
[0068]
Further, for example, in the above-described first and second embodiments, 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. The present invention can also be applied to a thick film type ink jet recording head formed by a method such as attaching a green sheet.
[0069]
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. 8 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus. As shown in FIG. 8, in the recording head units 1A and 1B having the ink jet recording head, cartridges 2A and 2B constituting ink supply means are detachably provided, and a carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted. Is provided on a carriage shaft 5 attached to the apparatus body 4 so as to be movable in the axial direction. The recording head units 1A and 1B, for example, are configured to eject a black ink composition and a color ink composition, respectively.
[0070]
The driving force of the driving motor 6 is transmitted to the carriage 3 via a plurality of gears and timing belt 7 (not shown), so that the carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted is moved along the carriage shaft 5. The On the other hand, the apparatus body 4 is provided with a platen 8 along the carriage shaft 5, and a recording sheet S, which is a recording medium such as paper fed by a paper feed roller (not shown), is conveyed on the platen 8. It is like that.
[0071]
In addition, although the ink jet recording head and the ink jet recording apparatus that discharge ink as the liquid ejecting head have been described as examples, the present invention is widely intended for the liquid ejecting head and the liquid ejecting apparatus in general. Examples of the liquid ejecting head include a recording head used in an image recording apparatus such as a printer, a color material ejecting head used for manufacturing a color filter such as a liquid crystal display, an organic EL display, and an electrode formation such as an FED (surface emitting display). Electrode material ejecting heads used in manufacturing, bioorganic matter ejecting heads used in biochip manufacturing, and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view illustrating an outline of a recording head according to a first embodiment.
2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view of the recording head according to the first embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the recording head according to the first embodiment.
4 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a recording head according to Embodiment 1. FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the recording head according to the first embodiment.
6 is a cross-sectional view of a recording head according to Embodiment 2. FIG.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a recording head according to another embodiment.
FIG. 8 is a schematic view of an ink jet recording apparatus according to an embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Flow path formation board | substrate, 12 Pressure generation chamber, 13 Communication part, 14 Ink supply path, 20 Nozzle plate, 21 Nozzle opening, 30 Sealing board, 31 Piezoelectric element holding | maintenance part, 32 Sealing hole, 35 Reservoir part, 40 Compliance Substrate, 50 elastic film, 60 lower electrode film, 70 piezoelectric layer, 80 upper electrode film, 100 reservoir, 110 and 111 adhesive, 120, 120A and 120B sealing chip, 121 and 121A communication hole, 122 recess, 123 and 123A sealing member, 223 sealing material, 300 piezoelectric element