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KR20060069511A - 액체 분사 헤드와 그 제조 방법 및 액체 분사 장치 - Google Patents

액체 분사 헤드와 그 제조 방법 및 액체 분사 장치 Download PDF

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KR20060069511A
KR20060069511A KR1020067007654A KR20067007654A KR20060069511A KR 20060069511 A KR20060069511 A KR 20060069511A KR 1020067007654 A KR1020067007654 A KR 1020067007654A KR 20067007654 A KR20067007654 A KR 20067007654A KR 20060069511 A KR20060069511 A KR 20060069511A
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electrode
lead electrode
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마사토 시마다
시로 야자키
츠토무 니시와키
아키히토 츠다
마사타카 야마다
Original Assignee
세이코 엡슨 가부시키가이샤
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Abstract

압전 소자의 파괴를 장기간에 걸쳐 확실하게 방지할 수 있는 액체 분사 헤드와 그 제조 방법 및 액체 분사 장치를 제공한다. 또한, 압전 소자의 구동에 의한 진동판의 변위량의 저하를 유효하게 방지할 수 있는 액체 분사 헤드와 그 제조 방법 및 액체 분사 장치를 제공한다. 액체 방울을 토출하는 노즐 개구에 각각 연통하는 압력 발생 챔버(12)가 형성되는 유로 형성 기판(10)과, 유로 형성 기판(10)의 한쪽 면 측에 진동판을 통하여 설치되는 하부 전극(60), 압력체층(70) 및 상부 전극(80)으로 이루어지는 압전 소자(300)를 구비하고, 적어도 압전 소자(300)를 구성하는 각 층의 패턴 영역이, 무기 절연 재료로 이루어지는 절연막(100)에 의해 덮여져 있도록 한다.

Description

액체 분사 헤드와 그 제조 방법 및 액체 분사 장치{LIQUID INJECTION HEAD AND METHOD OF PRODUCING THE SAME AND LIQUID INJECTION DEVICE}
본 발명은, 액체 분사 헤드와 그 제조 방법 및 액체 분사 장치에 관한 것이고, 특히, 잉크 방울을 토출하는 노즐 개구와 연통하는 압력 발생 챔버의 일부를 진동판으로 구성하고, 이 진동판의 상면에 압전 소자를 형성하여, 압전 소자의 변위에 의해 잉크 방울을 토출시키는 잉크젯 기록 헤드와 그 제조 방법 및 잉크젯 기록 장치에 관한 것이다.
잉크 방울을 토출하는 노즐 개구와 연통하는 압력 발생 챔버의 일부를 진동판으로 구성하고, 이 진동판을 압전 소자에 의해 변형시켜서 압력 발생 챔버의 잉크를 가압하여 노즐 개구로부터 잉크 방울을 토출시키는 잉크젯 기록 헤드에는, 압전 소자의 축 방향으로 신장, 수축하는 세로 진동 모드의 압전 액츄에이터를 사용한 것과, 굴곡 진동 모드의 압전 액츄에이터를 사용한 것의 2종류가 실용화되어 있다.
전자(前者)는 압전 소자의 단면을 진동판에 맞닿게 하는 것으로 압력 발생 챔버의 용적(容積)을 변화시킬 수 있어서, 고밀도 인쇄에 적절한 헤드의 제작이 가능한 반면, 압전 소자를 노즐 개구의 배열 피치(pitch)에 일치시켜서 빗살모양(즐 치상(櫛齒狀))으로 분리한다고 하는 곤란한 공정이나, 분리할 수 있었던 압전 소자를 압력 발생 챔버에 위치 결정하여 고정하는 작업이 필요하게 되고, 제조 공정이 복잡하다는 문제가 있다.
이것에 대해서 후자는, 압전 재료의 그린 시트(green sheet)를 압력 발생 챔버의 형상에 맞추어 붙이고, 이것을 소성(燒成)한다는 비교적 간단한 공정으로 진동판에 압전 소자를 부착할 수 있지만, 굴곡 진동을 이용하는 관계상, 어느 정도의 면적이 필요하게 되어, 고밀도 배열이 곤란하다는 문제가 있다.
한편, 후자의 기록 헤드의 결점을 해소하기 위하여, 진동판의 상면 전체에 걸쳐서 성막(成膜) 기술에 의해 균일한 압전 재료층을 형성하고, 이 압전 재료층을 리소그래피(lithography) 법에 의해 압력 발생 챔버에 대응하는 형상으로 분리하여 각 압력 발생 챔버 마다 독립하도록 압전 소자를 형성한 것이 있다. 또, 이와 같은 압전 소자는, 예를 들면, 습기 등의 외부 환경에 기인하여 파괴되기 쉽다는 문제가 있다. 이 문제를 해결하기 위해서, 압력 발생 챔버가 형성되는 유로 형성 기판에, 압전 소자 유지부를 갖는 봉지(封止) 기판(리저버(reservoir) 형성 기판)을 접합하여, 이 압전 소자 유지부 내에 압전 소자를 밀봉하도록 한 것이 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
그렇지만, 이와 같이 압전 소자를 밀봉하여도, 예를 들면, 봉지 기판과 유로 형성 기판과의 접착부분으로부터 압전 소자 유지부 내에 수분이 들어가는 것 등에 의해, 압전 소자 유지부 내의 습기가 서서히 상승하여, 최종적으로는 이 습기에 의해 압전 소자가 파괴되어 버린다는 문제가 있다.
또, 외부 환경에 기인하여 압전 소자가 파괴되기 쉽다는 문제를 해결하기 위해서, 압전 소자를 구성하는 상부 전극의 상면의 적어도 주연(周緣) 및 압전체 층의 측면을 덮도록, 예를 들면, 산화 실리콘, 질화 실리콘, 유기 재료, 바람직하게는 감광성 폴리이미드(photosensitive polyimide)로부터 이루어지는 얇은 절연체층을 설치하고, 이 절연체층 위에, 도전(導電) 패턴(pattern)(리드(lead) 전극)이 형성된 것이 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).
이와 같은 구성을 함으로써, 압전 소자로의 수분의 침투는, 어느 정도는 방지할 수 있는지도 모르지만, 예를 들면, 도전 패턴이 노출되어 있기 때문에, 도전 패턴과 상부 전극과의 접속부인 창문으로부터 수분이 투과하여 버릴 우려가 있어, 압전 소자의 수분에 기인하는 파괴를 완전하게 방지할 수 없다는 문제가 있다.
또한, 외부 환경에 기인하여 압전 소자가 파괴되기 쉽다는 문제를 해결하기 위해서, 압전 소자 전체를 압전체 층의 탄성력의 영의 계수(Young's modulus)보다 작은 유기 재료, 예를 들면, 폴리이미드 등으로 이루어지는 보호막으로 덮는 것이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 3 참조). 이 구조에 의하면, 압전 소자의 파괴를 방지할 수 있지만, 상기 재료로부터 이루어지는 보호막의 응력은, 통상, 인장 응력이 되기 때문에, 이와 같은 보호막으로 압전 소자를 덮는 구조에 있어서는, 압전 소자(압전체 층)에 대하여 압축 방향의 힘이 작용하고, 압전 소자의 구동에 의한 진동판의 변위량이 저하하여 버린다는 문제가 있다. 또, 유기 재료로 이루어는 보호막은 상당한 두께를 가지지 않으면 수분 투과를 막을 수 없지만, 두께를 가진다고 하는 것은 압전 소자의 구동을 저해하는 큰 원인이 될 우려가 있다.
또한, 이와 같은 어느 쪽의 문제도, 잉크 방울을 토출하는 잉크젯 기록 헤드뿐만 아니라, 물론, 잉크 이외의 액체 방울을 토출하는 다른 액체 분사 헤드에 있어서도, 똑같이 존재한다.
특허문헌 1 : 특개2003-136734호 공보(도 1, 도 2, 5 페이지)
특허문헌 2 : 특개평10-226071호 공보(도 2, 단락 [0015])
특허문헌 3 : 특개2003-110160호 공보(특허 청구의 범위, 도 5)
본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여, 압전 소자의 파괴를 장기간에 걸쳐 확실하게 방지할 수 있는 액체 분사 헤드와 그 제조 방법 및 액체 분사 장치를 제공하는 것을 과제로 한다. 또한, 압전 소자의 구동에 의한 진동판의 변위량의 저하를 유효하게 방지할 수 있는 액체 분사 헤드와 그 제조 방법 및 액체 분사 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하는 본 발명의 제 1의 태양은, 액체를 토출하는 노즐 개구에 각각 연통하는 압력 발생 챔버가 형성되는 유로 형성 기판과, 이 유로 형성 기판의 한쪽 면 측에 진동판을 통하여 설치되는 하부 전극, 압전체 층 및 상부 전극으로 이루어지는 압전 소자를 구비하여, 적어도 상기 압전 소자를 구성하는 각 층의 패턴 영역이, 무기 절연 재료로 이루어지는 절연막에 의해 덮여 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 1의 태양에서는, 수분 투과율의 낮은 무기 절연 재료로 이루어지는 절연막에 의해 압전체 층이 덮이기 때문에, 압전 소자의 구동에 큰 지장을 초래하지 않고, 수분(습기) 등의 외부 환경에 기인하는 압전체 층(압전 소자)의 열화(劣化)(파괴)가 장기간에 걸쳐 확실하게 방지된다.
본 발명의 제 2의 태양은, 제 1의 태양에 있어서, 상기 절연막이 어모퍼스(amorphous) 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 2의 태양에서는, 수분 투과율이 낮은 절연막을 형성할 수 있어, 절연막을 비교적 얇게 형성하여도 수분 등의 외부 환경에 기인하는 압전 소자의 파괴를 확실하게 방지할 수 있다.
본 발명의 제 3의 태양은, 제 2의 태양에 있어서, 상기 어모퍼스 재료가, 산화 알루미늄(Al2O3)인 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 3의 태양에서는, 무기 절연 재료 중에서도 특히 수분 투과율이 극히 낮은 Al2O3로 이루어지는 절연막에 의해 압전 소자가 덮여지기 때문에, 압전 소자의 구동에 큰 지장을 초래하지 않고, 수분 등의 외부 환경에 기인하는 압전 소자의 파괴가 확실하게 방지된다.
본 발명의 제 4의 태양은, 제 3의 태양에 있어서, 상기 절연막의 막 두께가 30 ~ 150[nm] 인 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 4의 태양에서는, 압전 소자의 변위를 확보하면서, 수분 등의 외부 환경에 기인하는 압전 소자의 파괴를 확실하게 방지할 수 있다.
본 발명의 제 5의 태양은, 제 3 또는 4의 태양에 있어서, 상기 절연막의 막 밀도가, 3.08 ~ 3.25[g/cm3 ]인 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 5의 태양에서는, 절연막의 밀착성을 향상하여 수분 등의 외부 환경에 기인하는 압전 소자의 파괴를 확실하게 방지할 수 있고, 또한 압전 소자의 변위도 확보할 수 있다.
본 발명의 제 6의 태양은, 제 3 ~ 5의 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 절연막의 탄성력의 영의 계수가 170 ~ 200[GPa]인 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 6의 태양에서는, 수분 등의 외부 환경에 기인하는 압전 소자의 파괴를 방지할 수 있고, 또한 압전 소자의 변위도 확보할 수 있다.
본 발명의 제 7의 태양은, 제 3 ~ 6의 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 상부 전극용 리드 전극이, 알루미늄을 주성분으로 하는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 7의 태양에서는, 리드 전극과 절연막과의 밀착성이 향상하여, 압전체 층으로의 수분 투과율을 더욱 저하시킬 수 있고, 예를 들면, 리드 전극의 단선, 혹은 구동 배선과의 접속 불량 등의 발생을 방지할 수 있다.
본 발명의 제 8의 태양은, 제 1 ~ 7의 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 절연막의 응력과 상기 상부 전극의 응력과의 합이 압축 응력으로 되는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 8의 태양에서는, 압전 소자가 절연막에 의해서 덮이기 때문에, 수분(습기) 등의 외부 환경에 기인하는 압전체 층(압전 소자)의 열화(파괴)가 장기간에 걸쳐 확실하게 방지된다. 또, 절연막 및 상부 전극의 응력의 합이 압축 응력이기 때문에, 진동판의 편향량이 줄어들고, 진동판의 변위량의 저하가 유효하게 방지된다.
본 발명의 제 9의 태양은, 제 8의 태양에 있어서, 상기 절연막 및 상기 상부 전극의 각각의 응력이 압축 응력으로 되는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 9의 태양에서는, 절연막 및 상부 전극의 응력의 합을 비교적 용이하게 압축 응력으로 할 수 있다.
본 발명의 제 10의 태양은, 제 9의 태양에 있어서, 상기 상부 전극은, 적어도 Ir으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 10의 태양에서는, 상부 전극의 재료에 적어도 Ir을 이용하는 것에 의해, 상부 전극의 응력이 압축 응력으로 된다.
본 발명의 제 11의 태양은, 제 8의 태양에 있어서, 상기 절연막의 응력이 압축 응력으로 되어 있고, 또한 상기 상부 전극의 응력이 인장 응력으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 11의 태양에서는, 절연막 및 상부 전극의 응력의 합이 압축 응력이기 때문에, 진동판의 편향량이 줄어들고, 진동판의 변위량의 저하가 유효하게 방지된다.
본 발명의 제 12의 태양은, 제 11의 태양에 있어서, 상기 상부 전극은, 적어도 Pt으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 12의 태양에서는, 상부 전극의 재료에 적어도 Pt을 이용하는 것에 의해, 상부 전극의 응력이 인장 응력으로 된다.
본 발명의 제 13의 태양은, 제 11 또는 12의 태양에 있어서, 상기 상부 전극 및 상기 절연막의 응력(σ)이 탄성력의 영의 계수(Y), 왜(歪)(ε), 막 두께(m)의 곱(ε×Y×m)으로 나타내고, 상기 상부 전극의 응력(σ1)과 상기 절연막의 응력(σ2)과의 관계가 ｜σ1｜<｜σ2｜의 조건을 만족하고 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 13의 태양에서는, 절연막 및 상부 전극의 응력의 합이 압축 응력이기 때문에, 진동판의 편향량이 줄어들어, 진동판의 변위량의 저하가 유효하게 방지된다.
본 발명의 제 14의 태양은, 제 1 ~ 13의 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 상부 전극으로부터 인출되는 상부 전극용 리드 전극을 더 가지고, 적어도 상기 압전 소자를 구성하는 각 층 및 상기 상부 전극용 리드 전극의 패턴 영역이, 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극용 리드 전극의 접속 배선과의 접속부에 대향하는 영역을 제외하여, 상기 절연막에 의해서 덮여 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 14의 태양에서는, 수분 투과율의 낮은 무기 절연 재료로 이루어지는 절연막에 의해서 압전 소자와 함께 상부 전극 리드 전극의 패턴 영역이 덮이기 때문에, 수분(습기)에 기인하는 압전체 층(압전 소자)의 열화(파괴)가 보다 장기간에 걸쳐 방지할 수 있다.
본 발명의 제 15의 태양은, 제 14의 태양에 있어서, 상기 하부 전극으로부터 인출되는 하부 전극용 리드 전극을 구비하여 이 하부 전극용 리드 전극을 통하여 상기 하부 전극이 상기 접속 배선과 접속되고, 상기 하부 전극용 리드 전극을 포함한 상기 패턴 영역이, 상기 상부 전극용 리드 전극 및 상기 하부 전극용 리드 전극의 상기 접속 배선에 대향하는 영역을 제외하여, 상기 절연막에 의해서 덮여 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 15의 태양에서는, 하부 전극용 리드 전극이 무기 절연 재료로 이루어지는 절연막으로 덮이기 때문에, 압전 소자로의 수분 투과가 보다 확실하게 방지된다.
본 발명의 제 16의 태양은, 제 14 또는 15의 태양에 있어서, 상기 상부 전극과 상기 상부 전극용 리드 전극이 다른 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 16의 태양에서는, 상부 전극과 상부 전극용 리드 전극이 다른 프로세스로 형성되기 때문에, 상부 전극의 막 두께를 용이하게 얇게 할 수 있다. 또, 상부 전극의 막 두께를 얇게 함으로써, 압전체 층의 변위량이 증가한다.
본 발명의 제 17의 태양은, 제 1 ~ 16의 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 압전 소자를 구성하는 상기 압전체 층 및 상기 상부 전극이 상기 압력 발생 챔버에 대향하는 영역으로부터 그 바깥쪽까지 연장하여 설치되어 압전체 비능동부가 형성되고, 상기 상부 전극용 리드 전극의 상기 상부 전극 측의 단부가, 상기 압전체 비능동부 위에서 또한 상기 압력 발생 챔버의 바깥쪽에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 17의 태양에서는, 압전 소자를 구동했을 때, 압력 발생 챔버의 단부에 대향하는 영역에 불연속인 응력이 발생함으로써, 압전 소자에 크랙 등이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 제 18의 태양은, 제 1 ~ 17의 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 접속 배선이 접속된 상태로, 상기 접속부가 유기 절연 재료로 이루어지는 봉지 재료에 의해서 덮여 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 18의 태양에서는, 노출부로부터의 수분의 침투가 방지되기 때문에, 압전체 내부의 파괴가 더욱 확실하게 방지된다.
본 발명의 제 19의 태양은, 제 14 ~ 18의 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 절연막이, 제 1 절연막과 제 2 절연막을 포함하고, 상기 압전 소자가 상기 상부 전극용 리드 전극과의 접속부를 제외하여 상기 제 1 절연막에 의해 덮이고, 또한 상기 상부 전극용 리드 전극이 상기 제 1 절연막 위로 연장하여 설치됨과 동시에 적어도 상기 압전 소자를 구성하는 각 층 및 상기 상부 전극용 리드 전극의 패턴 영역이, 상기 접속부에 대향하는 영역을 제외하여 상기 제 2 절연막에 의해 덮여 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 19의 태양에서는, 제 1 및 제 2 절연막에 의해서 압전체 층으로의 수분의 침투가 확실하게 방지되고, 수분(습기)에 기인하는 압전체 층(압전 소자)의 열화(파괴)가 장기간에 걸쳐 방지된다.
본 발명의 제 20의 태양은, 제 14 ~ 19의 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 접속 배선이, 상기 상부 전극용 리드 전극으로부터 인출되는 제 2 상부 전극용 리드 전극을 포함하고, 이 제 2 상부 전극용 리드 전극이 상기 절연막 위로 연장 설치되어 상기 접속부에서 상기 상부 전극용 리드 전극에 접속됨과 동시에 그 제 2 상부 전극용 리드 전극의 선단부 측에 구동 배선이 접속되는 단자부를 가지는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 20의 태양에서는, 수분 투과율의 낮은 무기 절연 재료로 이루어지는 절연막에 의해서 압전체 층이 덮여지고, 또한 절연막이 단자부의 아래쪽까지, 연속적으로 설치되고 있기 때문에, 절연막의 아래쪽에 수분(습기)이 침입하여도, 수분이 압전체 층과 접촉하는 것을 더욱 확실하게 방지할 수 있다. 따라서, 수분에 기인하는 압전체 층(압전 소자)의 열화(파괴)를 장기간에 걸쳐 확실하게 방지할 수 있다.
본 발명의 제 21의 태양은, 제 14 ~ 20의 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 압전 소자를 구성하는 상기 압전체 층 및 상기 상부 전극이 상기 압력 발생 챔버에 대향하는 영역으로부터 그 바깥쪽까지 연장 설치되어 압전체 비능동부가 형성되고, 상기 상부 전극에 접속되는 상기 상부 전극용 리드 전극의 그 상부 전극 측의 단부가, 상기 압전체 비능동부 위에서 또한 상기 압력 발생 챔버의 바깥쪽에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 21의 태양에서는, 압전 소자를 구동했을 때, 압력 발생 챔버의 단부에 대향하는 영역의 압전 소자에 불연속인 응력이 발생함으로써, 압전 소자에 크랙 등이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 제 22의 태양은, 제 14 ~ 21의 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 유로 형성 기판의 상기 압전 소자 측의 면에는, 그 압전 소자를 보호하는 공간인 압전 소자 유지부를 가지는 보호 기판이 접합되고, 상기 상부 전극용 리드 전극의 상기 접속부가, 상기 압전 소자 유지부의 바깥쪽에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 22의 태양에서는, 압전 소자 유지부의 바깥쪽에 접속부를 설치하여 보호 기판을 절연막 위에 접착하는 것으로, 보호 기판의 접착 강도가 향상한다.
본 발명의 제 23의 태양은, 제 1 ~ 22의 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 유로 형성 기판의 상기 압전 소자 측의 면에는, 그 압전 소자를 보호하는 공간인 압전 소자 유지부를 가지는 보호 기판이 접합되고, 이 보호 기판이 상기 압력 발생 챔버에 공급되는 액체의 유로를 구비하여 상기 압전 소자 유지부의 상기 유로 측의 상기 접착층이 상기 유로 내에 노출되어 있으며, 상기 압전 소자 유지부의 상기 유로 측 이외의 영역에 그 압전 소자 유지부 내의 수분을 투과하는 투습(透濕)부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 23의 태양에서는, 유로로부터 접착층을 통하여 압전 소자 유지부 내에 침입한 수분(습기)이 투습부를 통하여 외부에 배출되기 때문에, 압전 소자 유지부 내는 적어도 바깥공기와 동일한 정도의 습도로 유지된다. 그리고, 압전 소자는 절연막에 의해 덮여져 있기 때문에, 압전 소자 유지부 내가 바깥공기와 동일한 정도의 습도로 유지되어 있으면, 수분(습기)에 기인하는 압전 소자의 파괴는 방지된다.
본 발명의 제 24의 태양은, 제 23의 태양에 있어서, 상기 투습부가, 유기 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 24의 태양에서는, 수분의 투과성의 높은 재료인 유기 재료로 투습부를 형성하는 것으로, 압전 소자 유지부 내의 수분이 양호하게 배출된다.
본 발명의 제 25의 태양은, 제 23 또는 24의 태양에 있어서, 상기 투습부가 상기 보호 기판의 상기 유로 형성 기판과의 접합면의 일부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 25의 태양에서는, 투습부를 비교적 용이하게 형성할 수 있다.
본 발명의 제 26의 태양은, 제 23 또는 24의 태양에 있어서, 상기 투습부가, 상기 보호 기판의 상면에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 26의 태양에서는, 투습부를 비교적 용이하게 형성할 수 있다.
본 발명의 제 27의 태양은, 제 25 또는 26의 태양에 있어서, 상기 투습부가, 상기 접착층을 구성하는 접착제보다도 수분의 투과성의 높은 접착제로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 27의 태양에서는, 유로 형성 기판과 보호 기판이 접착층과 함께 투습부에 의해서 접착되어, 접합 강도가 향상한다.
본 발명의 제 28의 태양은, 제 23 ~ 26의 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 투습부가, 포팅(potting) 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 28의 태양에서는, 투습부를 용이하게 형성할 수 있고, 또한 수분의 투과성이 높은 투습부가 형성된다.
본 발명의 제 29의 태양은, 제 23 ~ 28의 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 투습부가, 상기 압전 소자 유지부의 상기 유로와는 반대 측의 영역에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 29의 태양에서는, 유로 내의 수분이 투습부를 통하여 침입하지 않고, 압전 소자 유지부 내의 수분이 투습부를 통하여 양호하게 배출된다.
본 발명의 제 30의 태양은, 제 23 또는 24의 태양에 있어서, 상기 투습부가, 상기 압력 발생 챔버의 열(列)의 양단부 바깥쪽에 대응하는 영역의 상기 보호 기판에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드이다.
이러한 제 30의 태양에서는, 수분에 기인하는 압전 소자의 파괴를 장기간에 걸쳐 방지할 수 있다.
본 발명의 제 31의 태양은, 제 1 ~ 30의 어느 하나의 태양의 액체 분사 헤드를 구비하는 것을 특징으로 하는 액체 분사 장치이다.
이러한 제 31의 태양에서는, 내구성 및 신뢰성을 향상한 액체 분사 장치가 실현된다.
본 발명의 제 32의 태양은, 액체 방울을 토출하는 노즐 개구에 각각 연통하는 압력 발생 챔버가 형성되는 유로 형성 기판의 한쪽면 측에 진동판을 통하여 하부 전극, 압전체 층 및 상부 전극으로 이루어지는 압전 소자를 형성하는 공정과, 그 압전 소자의 상기 상부 전극으로부터 인출되는 상부 전극용 리드 전극을 형성하는 공정과, 상기 유로 형성 기판의 상기 압전 소자 측의 전면에 무기 절연 재료로 이루어지는 절연막을 형성하는 공정과, 적어도 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극용 리드 전극의 접속 배선과의 접속부를 노출시키고 또한 이 접속부를 제외한 상기 압전 소자를 구성하는 각 층 및 상기 상부 전극용 리드 전극의 패턴 영역의 상기 절연막을 남기도록 그 절연막을 패터닝(patterning)하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드의 제조 방법이다.
이러한 제 32의 태양에서는, 압전 소자 및 상부 전극용 리드 전극의 패턴 영역에, 접속부를 제외하여 절연막을 양호하게 형성할 수 있다.
본 발명의 제 33의 태양은, 제 32의 태양에 있어서, 상기 절연막을 패터닝하는 공정에서는, 소정 영역의 상기 절연막을 이온 밀링(ion milling)에 의해 제거하는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드의 제조 방법이다.
이러한 제 33의 태양에서는, 절연막을 치수 정밀도가 좋고, 양호하게 제거할 수 있다.
본 발명의 제 34의 태양은, 제 32 또는 33의 태양에 있어서, 상기 절연막을 패터닝하는 공정의 후에, 상기 유로 형성 기판의 상기 압전 소자 측의 면에 그 압전 소자를 보호하는 압전 소자 유지부 및 상기 압력 발생 챔버에 공급되는 액체의 유로를 가지는 보호 기판을 접합하는 공정을 더 가지고, 또한 이 보호 기판을 접합하는 공정에서는, 상기 압전 소자 유지부 주연의 상기 유로 측을 제외한 영역의 일부에 공간부를 남겨 상기 보호 기판에 접착제를 도포하여 그 보호 기판과 상기 유로 형성 기판을 접합함과 동시에, 상기 공간부를 상기 접착제보다도 수분의 투과율이 높은 재료로 봉지(封止)하여 상기 압전 소자 유지부 내의 수분을 투과하는 투습부를 형성하는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드의 제조 방법이다.
이러한 제 34의 태양에서는, 제조 공정을 번잡화하지 않고, 투습부를 용이하게 형성할 수 있다.
도 l은 실시 형태 1에 관한 기록 헤드의 개략 사시도이다.
도 2는 실시 형태 1에 관한 기록 헤드의 평면도 및 단면도이다.
도 3은 실시 형태 1에 관한 기록 헤드의 요부를 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 4는 실시 형태 1에 관한 기록 헤드의 변형 예를 나타내는 평면도이다.
도 5는 실시 형태 1에 관한 기록 헤드의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도 6은 실시 형태 1에 관한 기록 헤드의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도 7은 실시 형태 2에 관한 기록 헤드의 개략 사시도이다.
도 8은 실시 형태 2에 관한 기록 헤드의 평면도 및 단면도이다.
도 9는 실시 형태 2에 관한 기록 헤드의 요부를 나타내는 평면도이다.
도 10은 실시 형태 2에 관한 기록 헤드의 요부를 나타내는 평면도이다.
도 11은 실시 형태 2에 관한 기록 헤드의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도 12는 실시 형태 3에 관한 기록 헤드의 개략 사시도이다.
도 13은 실시 형태 3에 관한 기록 헤드의 평면도 및 단면도이다.
도 14는 실시 형태 3에 관한 기록 헤드의 요부를 나타내는 평면도이다.
도 15는 실시 형태 3에 관한 기록 헤드의 변형 예를 나타내는 평면도이다.
도 16은 실시 형태 3에 관한 기록 헤드의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도 17은 실시 형태 3에 관한 기록 헤드의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도 18은 실시 형태 4에 관한 기록 헤드의 평면도 및 단면도이다.
도 19는 실시 형태 5에 관한 기록 헤드의 개략 사시도이다.
도 20은 실시 형태 5에 관한 기록 헤드의 평면도 및 단면도이다.
도 21은 실시 형태 5에 관한 기록 헤드의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도 22는 실시 형태 6에 관한 기록 헤드의 측면도이다.
도 23은 일실시 형태에 관한 기록 장치의 개략도이다.
<부호의 설명>
10 유로 형성 기판, 12 압력 발생 챔버, 20 노즐 플레이트, 21 노즐 개구, 30 보호 기판, 31 압전 소자 유지부, 32 리저버부, 33 관통 구멍, 35 접착제, 40 컴플라이언스(compliance) 기판, 50 탄성막, 55 절연체 막, 60 하부 전극막, 70 압전체 층, 80 상부 전극막, 9O, 90A 상부 전극용 리드 전극, 90a 접속부, 100 절연막, 110 리저버, 120 구동 IC, 130 접속 배선, 140 봉지 재료, 300 압전 소자, 330 압전체 비능동부
이하에서 본 발명을 실시 형태에 기초하여 상세하게 설명한다.
(실시 형태 1)
도 1은, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 잉크젯 기록 헤드를 나타내는 분해 사시도이고, 도 2는, 도 1의 평면도 및 단면도이다. 도시한 바와 같이, 유로 형성 기판(10)은, 본 실시 형태에서는 면방위(面方位)(110)의 실리콘 단결정 기판으로 이루어지고, 그 한쪽 면에는 미리 열산화에 의해 형성된 이산화 실리콘으로 이루어지는, 두께 0.5 ~ 2μm의 탄성막(50)이 형성되어 있다. 유로 형성 기판(10)에는, 복수의 압력 발생 챔버(12)가 그 폭 방향으로 병설(竝設)되어 있다. 또, 유로 형성 기판(10)의 압력 발생 챔버(12)의 길이방향 바깥쪽의 영역에는 연통부(13)가 형성되어, 연통부(13)와 각 압력 발생 챔버(12)가, 각 압력 발생 챔버(12)마다 설치된 잉크 공급로(14)를 통하여 연통되어 있다. 또한, 연통부(13)는, 후술하는 보호 기판의 리저버부와 연통하여 각 압력 발생 챔버(12)의 공통의 잉크 챔버로 되는 리저버의 일부를 구성한다. 잉크 공급로(14)는, 압력 발생 챔버(12)보다도 좁은 폭으로 형성되어 있어, 연통부(13)로부터 압력 발생 챔버(12)에 유입하는 잉크의 유로 저항을 일정하게 유지하고 있다.
또, 유로 형성 기판(10)의 개구면 측에는, 압력 발생 챔버(12)를 형성할 때의 마스크로서 이용된 절연막(51)을 통하여, 각 압력 발생 챔버(12)의 잉크 공급로(14)와는 반대 측의 단부 근방에 연통하는 노즐 개구(21)가 뚫어 설치된 노즐 플레이트(20)가 접착제나 열용착 필름 등을 통하여 고착되어 있다. 또한, 노즐 플레이트(20)은, 두께가 예를 들면, 0.01 ~ 1mm로, 선팽창 계수가 300℃이하로, 예를 들면 2.5 ~ 4.5[×10-6/℃]인 글라스 세라믹, 실리콘 단결정 기판 또는 스테인리스강 등으로 이루어진다.
한편, 이와 같은 유로 형성 기판(10)의 개구면과는 반대 측에는, 상술한 바 와 같이, 두께가 예를 들면 약 1.0μm의 탄성막(50)이 형성되고, 이 탄성막(50) 위에는, 두께가 예를 들면, 약 0.4μm의 절연체 막(55)이 형성되어 있다. 또한, 이 절연체 막(55) 위에는, 두께가 예를 들면, 약 0.2μm의 하부 전극막(60)과, 두께가 예를 들면, 약 1.0μm의 압전체 층(70)과, 두께가 예를 들면, 약 0.05μm의 상부 전극막(80)이, 후술하는 프로세스로 적층 형성되어, 압전 소자(300)를 구성하고 있다. 여기서, 압전 소자(300)는, 하부 전극막(60), 압전체 층(70) 및 상부 전극막(80)을 포함한 부분을 말한다. 일반적으로는, 압전 소자(300)의 어느 한쪽의 전극을 공통 전극으로 하고, 다른 쪽의 전극 및 압전체 층(70)을 각 압력 발생 챔버(12)마다 패터닝하여 구성한다. 그리고, 여기서는 패터닝된 어느 한쪽의 전극 및 압전체 층(70) 으로 구성되고, 양전극으로의 전압의 인가에 의해 압전왜(壓電歪)가 생기는 부분을 압전체 능동부라고 한다. 본 실시 형태에서는, 하부 전극막(60)은 압전 소자(300)의 공통 전극으로 하고, 상부 전극막(80)을 압전 소자(300)의 개별 전극으로 하고 있지만, 구동 회로나 배선의 사정으로 이것을 반대로 하여도 지장은 없다. 어느 경우에 있어서도, 각 압력 발생 챔버마다 압전체 능동부가 형성되어 있게 된다. 또, 여기서는, 압전 소자(300)와 그 압전 소자(300)의 구동에 의해 변위가 생기는 진동판을 합하여 압전 액츄에이터라고 칭한다.
예를 들면, 본 실시 형태에서는, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 하부 전극막(60)은, 압력 발생 챔버(12)의 길이방향에서는 압력 발생 챔버(12)에 대향하는 영역 내에 형성되고, 복수의 압력 발생 챔버(12)에 대응하는 영역에 연속적으로 설치되어 있다. 또, 하부 전극막(60)은, 압력 발생 챔버(12)의 열의 바깥쪽, 및 줄 지어 설치된 압전 소자(300)의 사이로부터 연통부(13) 근방까지 연장하여 설치되고, 그러한 선단부는, 후술하는 구동 배선(130)이 접속되는 접속부(60a)로 되어 있다. 압전체 층(70) 및 상부 전극막(80)은, 기본적으로는 압력 발생 챔버(12)에 대향 하는 영역 내에 설치되어 있지만, 압력 발생 챔버(12)의 길이방향에서는, 하부 전극막(60)의 단부보다도 바깥쪽까지 연장하여 설치되어 있고, 하부 전극막(60)의 단면은 압전체 층(70)에 의해 덮여져 있다. 그리고, 압력 발생 챔버(12)의 길이방향 단부 근방에는, 압전체 층을 가지지만 실질적으로 구동되지 않는 압전체 비능동부(330)가 형성되어 있다. 또, 상부 전극막(80)의 일단부 근방에는 상부 전극용 리드 전극(90)이 접속되어 있다. 이 상부 전극용 리드 전극(90)은, 본 실시 형태에서는, 압력 발생 챔버(12)의 바깥쪽의 압전체 비능동부(330) 위로부터 연통부(13) 근방까지 연장하여 설치되어 있고, 그 선단부는, 하부 전극막(60)과 마찬가지로, 구동 배선(130)이 접속되는 접속부(90a)로 되어 있다.
그리고, 본 발명에서는, 적어도 압전 소자(300)를 구성하는 각 층의 패턴 영역이, 무기 절연 재료로 이루어지는 절연막(100)에 의해 덮여져 있다. 본 실시 형태에서는, 압전 소자(300)를 구성하는 각 층 및 상부 전극용 리드 전극(90)의 패턴 영역이, 하부 전극막(60)의 접속부(60a) 및 상부 전극용 리드 전극(90)의 접속부(90a)에 대향하는 영역을 제외하여, 절연막(100)에 의해 덮여져 있다. 즉, 패턴 영역의 하부 전극막(60), 압전체 층(70), 상부 전극막(80) 및 상부 전극용 리드 전극(90)의 상면(상면 및 단면)이, 무기 절연 재료로 이루어지는 절연막(100)에 의해 덮여져 있다.
이와 같은 무기 절연 재료로 이루어지는 절연막(100)은, 박막에서도 수분의 투과성이 지극히 낮기 때문에, 적어도 하부 전극막(60), 압전체 층(70) 및 상부 전극막(80)의 표면, 본 실시 형태에서는, 더욱 상부 전극용 리드 전극(90)의 표면을 이 절연막(100)으로 덮는 것에 의해, 압전체 층(70)의 수분(습기)에 기인하는 파괴를 방지할 수 있다. 또, 접속부(60a, 90a)를 제외하여, 압전 소자(300)를 구성하는 각 층 및 상부 전극용 리드 전극(90)의 표면을 덮도록 함으로써, 이러한 층과 절연막(100)과의 사이로부터 수분이 침입한 경우에서도, 압전체 층(70)까지 수분이 이르는 것을 막을 수 있어, 압전체 층(70)의 수분에 기인하는 파괴를 더욱 확실하게 방지할 수 있다.
절연막(100)의 재료로서는, 무기 절연 재료로 하면, 특히 한정되지 않고, 예를 들면, 산화 알루미늄(Al0x), 산화 탄탈(tantalum)(TaOx) 등을 들 수 있지만, 특히, 무기 어모퍼스(amorphous) 재료인, 예를 들면, 산화 알루미늄(Al2O3)을 이용하는 것이 바람직하다.
또, 산화 알루미늄으로 이루어지는 절연막(100)을 형성한 경우, 절연막(100)의 두께는 30 ~ 150[nm] 정도인 것이 바람직하고, 매우 바람직하게는 100[nm] 정도이다. 이와 같이 절연막(100)의 재료로서, 산화 알루미늄을 이용한 경우, 절연막(100)이 100[nm] 정도의 박막으로 형성되어 있어도, 고습도 환경 하에서의 수분 투과를 충분히 막을 수 있다. 또한, 절연막의 재료로서, 예를 들면, 수지 등의 유기 절연 재료를 이용하는 경우, 상기 무기 절연 재료로 이루어지는 절연막과 동일 한 정도의 얇음에서는, 수분 투과를 충분히 막을 수 없다. 또, 수분 투과를 막기 위해서 절연막의 막 두께를 두껍게 하면, 압전 소자의 변위를 방해한다고 하는 사태를 초래할 우려가 있다.
또, 산화 알루미늄으로 이루어지는 절연막(100)의 막 밀도는 3.08 ~ 3.25[g/cm3 ]인 것이 바람직하다. 더욱이, 절연막(100)의 탄성력의 영의 계수는 170 ~ 200[GPa] 인 것이 바람직하다. 이와 같은 특성을 가지는 절연막(100)으로 압전 소자(300) 등을 덮도록 함으로써, 압전 소자(300)의 변위를 방해하지 않고, 고습도 환경 하에서의 수분 투과를 더욱 확실하게 방지할 수 있다. 또한, 절연막(100)은, 예를 들면, CVD 법 등에 의해 형성된다. 그리고, 절연막(100)을 형성할 때에, 예를 들면, 온도, 가스 유량 등의 각종 조건을 적당히 조정함으로써, 소망한 특성, 예를 들면, 막 밀도, 탄성력의 영의 계수 등을 가지는 절연막(100)을 비교적 용이하게 형성할 수 있다.
또, 이와 같은 절연막(100)의 응력과 상부 전극막(80)의 응력과의 합, 즉, 상부 전극막(80)과 이 상부 전극막(80)의 면 위에 형성되는 절연막(100)과의 응력의 합은, 압축 응력으로 되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 절연막(100) 및 상부 전극막(80)의 응력이란, 막의 내부 응력(막 응력)이고, 상부 전극막(80) 및 절연막(100)의 응력(σ)은, 탄성력의 영의 계수(Y), 왜(ε), 막 두께(m)의 곱(ε×Y×m)으로 나타낸다.
여기서, 압력 발생 챔버(12)에 대향하는 영역에 위치하는 압전 소자(300)는, 후술하는 제조 프로세스에 있어서, 압력 발생 챔버(12)를 형성하는 전후로 내부 응력이 변화한다. 구체적으로는, 압전 소자(300)를 형성한 후에, 압전 소자(300)의 하부에 압력 발생 챔버(12)를 형성하면, 그때, 압전체 층(70)의 인장 방향의 내부 응력이 완화되어, 진동판이 압력 발생 챔버 측에서 휘어지는 방향(압축 방향)으로 힘이 작용한다. 그렇지만, 무기 절연 재료로 이루어지는 절연막(100)에 의해서 압전 소자(300)를 덮음과 동시에, 절연막(100)의 응력과 상부 전극막(80)의 응력과의 합이 압축 응력으로 되도록 함으로써, 압력 발생 챔버(12)를 형성한 후는, 절연막(100) 및 상부 전극막(80)의 응력(압축 응력)이 해방되어, 압전 소자(300)(압전체 층(70))에는 인장 방향의 힘이 작용하게 된다. 이것에 의해, 수분 등의 외부 환경에 기인하는 압전체 층(70)의 파괴를 확실하게 방지하면서, 압전 소자(300)의 구동에 의한 진동판의 변위량의 저하를 유효하게 방지할 수 있다.
또, 이와 같은 절연막(100)의 응력과 상부 전극막(80)의 응력이란, 예를 들면, 절연막(100) 및 상부 전극막(80)의 각각의 응력이 압축 응력으로 되어 있어도 좋다. 또, 절연막(100)의 응력이 압축 응력으로 되어 있고 또한 상부 전극막(80)의 응력이 인장 응력으로 되어 있어도 좋으며, 이 경우에는, 상부 전극막(80)의 응력(σ1)과 절연막(100)의 응력(σ2)과의 관계가 ｜σ1｜<｜σ2｜의 조건을 만족한다.
또한, 본 실시 형태에서는, 연통부(13) 근방까지 연장하여 설치된 하부 전극막(60)의 선단부가 구동 배선(130)과의 접속부(60a)로 되어 있지만, 예를 들면, 도 4에 나타내는 바와 같이, 하부 전극막(60)에 전기적으로 접속되는 하부 전극용 리 드 전극(95)을, 줄지어 설치된 압전 소자(300)의 바깥쪽, 및 압전 소자(300)들의 사이로부터 연통부(13) 근방까지 연장하여 설치하고, 이 하부 전극용 리드 전극(95)의 선단부를 구동 배선(130)과의 접속부(95a)로 하여도 좋다. 그리고, 이 경우에는, 상부 전극용 리드 전극(90)의 접속부(90a) 및 하부 전극용 리드 전극(95)의 접속부(95a)에 대향하는 영역을 제외한 패턴 영역을 무기 절연 재료로 이루어지는 절연막(100)으로 덮게 한다.
또, 유로 형성 기판(10) 위의 압전 소자(300) 측의 면에는, 압전 소자(300)에 대향하는 영역에 그 운동을 저해하지 않는 정도의 공간을 확보 가능한 압전 소자 유지부(31)를 가지는 보호 기판(30)이 접착제(35)을 통하여 접합되어 있다. 압전 소자(300)는, 이 압전 소자 유지부(31) 내에 형성되어 있기 때문에, 외부 환경의 영향을 거의 받지 않는 상태로 보호되어 있다. 또한, 보호 기판(30)에는, 유로 형성 기판(10)의 연통부(13)에 대응하는 영역에 리저버부(32)가 설치되어 있다. 이 리저버부(32)는, 본 실시 형태에서는, 보호 기판(30)을 두께 방향으로 관통하여 압력 발생 챔버(12)의 병설 방향에 따라 설치되어 있고, 상술한 바와 같이 유로 형성 기판(10)의 연통부(13)와 연통되어 각 압력 발생 챔버(12)의 공통의 잉크 챔버이 되는 리저버(110)를 구성하고 있다.
또, 보호 기판(30)의 압전 소자 유지부(31)와 리저버부(32)와의 사이의 영역에는, 보호 기판(30)을 두께 방향으로 관통하는 관통 구멍(33)이 설치되고, 이 관통 구멍(33) 내에 상술한 하부 전극막(60)의 접속부(60a) 및 상부 전극용 리드 전극(90)의 접속부(90a)가 노출되어 있다. 그리고, 이들 하부 전극막(60)의 접속 부(60a) 및 상부 전극용 리드 전극(90)의 접속부(90a)에, 보호 기판(30) 위에 실제로 설치된 구동 IC(120)와 압전 소자(300)를 전기적으로 접속하기 위한 접속 배선을 구성하는 구동 배선(130)이 접속되어 있다. 예를 들면, 본 실시 형태에서는, 이 구동 배선(130)은, 본딩 와이어(bonding wire)로 이루어지고, 관통 구멍(33) 내에 연장하여 설치되어 하부 전극막(60)의 접속부(60a) 및 상부 전극용 리드 전극(90)의 접속부(90a)와 구동 IC(120)를 전기적으로 접속하고 있다. 또한, 구동 배선(130) 이 연장하여 설치된 관통 구멍(33)에는, 유기 절연 재료, 예를 들면, 본 실시 형태에서는, 포팅 재료인 봉지 재료(140)가 충전되어 있고, 하부 전극막(60)의 접속부(60a) 및 상부 전극용 리드 전극(90)의 접속부(90a)와 구동 배선(130)은, 이 봉지 재료(140)에 의해서 완전하게 덮여져 있다.
보호 기판(30)의 재료로서는, 예를 들면, 유리, 세라믹스 재료, 금속, 수지 등을 들 수 있지만, 유로 형성 기판(10)의 열 팽창율과 대략 동일한 재료로 형성되어 있는 것이 보다 바람직하고, 본 실시 형태에서는, 유로 형성 기판(10)과 동일 재료의 실리콘 단결정 기판을 이용하여 형성했다.
또, 보호 기판(30) 위에는, 봉지 막(41) 및 고정판(42)으로 이루어지는 컴플라이언스 기판(40)이 접합되어 있다. 봉지 막(41)은, 강성이 낮고 가요성(可撓性)을 가지는 재료(예를 들면, 두께가 6μm의 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide)(PPS) 필름)으로 이루어지고, 이 봉지 막(41)에 의해 리저버부(32)의 한쪽 면이 봉지되어 있다. 또, 고정판(42)은, 금속 등의 경질의 재료(예를 들면, 두께가 30μm의 스테인리스강(SUS) 등)로 형성된다. 이 고정판(42)의 리저버(110)에 대향 하는 영역은, 두께 방향으로 완전하게 제거된 개구부(43)로 되어 있기 때문에, 리저버(110)의 한쪽 면은 가요성을 가지는 봉지 막(41)만으로 봉지 되어 있다.
이와 같은 본 실시 형태의 잉크젯 기록 헤드에서는, 도시하지 않는 외부 잉크 공급 수단으로부터 잉크를 취입하고, 리저버(110)로부터 노즐 개구(21)에 이를 때까지 내부를 잉크로 채운 후, 구동 IC(120)로부터의 기록 신호에 따라, 압력 발생 챔버(12)에 대응하는 각각의 하부 전극막(60)과 상부 전극막(80)과의 사이에 전압을 인가하여, 탄성막(50), 절연체 막(55), 하부 전극막(60) 및 압전체 층(70)을 굴곡 변형시키는 것에 의해, 각 압력 발생 챔버(12) 내의 압력이 높아져 노즐 개구(21)로부터 잉크 방울을 토출한다.
여기서, 이와 같은 잉크젯 기록 헤드의 제조 방법으로 대해서, 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다. 또한, 도 5 및 도 6은, 압력 발생 챔버(12)의 길이방향의 단면도이다. 우선, 도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 실리콘 단결정 기판인 유로 형성 기판(10)을 약 1100℃의 확산로(擴散爐)에서 열산화하고, 유로 형성 기판(10)의 표면에 탄성막(50) 및 마스크 막(51)을 구성하는 이산화 실리콘 막(52)를 형성한다. 그 다음에, 도 5(b)에 나타내는 바와 같이, 탄성막(50)(이산화 실리콘 막(52)) 위에, 지르코늄(Zr) 층을 형성 후, 예를 들면, 500 ~ 1200℃의 확산로에서 열산화하여 산화 지르코늄(ZrO2)으로 이루어지는 절연체 막(55)을 형성한다. 그 다음에, 도 5(c)에 나타내는 바와 같이, 예를 들면, 백금과 이리듐을 절연체 막(55) 위에 적층하는 것에 의해 하부 전극막(60)을 형성 후, 이 하부 전극막(60)을 소정형상으 로 패터닝한다.
다음으로, 도 5(d)에 나타내는 바와 같이, 예를 들면, 티탄산 지르콘산연(PZT) 등으로 이루어지는 압전체 층(70)과, 예를 들면, 이리듐으로 이루어지는 상부 전극막(80)을 유로 형성 기판(10)의 전면(全面)에 형성한다. 그 다음에, 도 6(a)에 나타내는 바와 같이, 압전체 층(70) 및 상부 전극막(80)을, 각 압력 발생 챔버(12)에 대향하는 영역으로 패터닝하여 압전 소자(300)를 형성한다.
또한, 압전 소자(300)를 구성하는 압전체 층(70)의 재료로서는, 티탄산 지르콘산연(PZT) 등의 강유전성 압전성 재료 외에, 예를 들면, 강유전성 압전성 재료에 니오브(niobium), 니켈, 마그네슘, 비스무트(bismuth) 또는 이트륨(yttrium) 등의 금속을 첨가한 릴렉서(relaxor) 강유전체 등이 이용된다. 그 조성은, 압전 소자(300)의 특성, 용도 등을 고려하여 적절히 선택하면 좋지만, 예를 들면, PbTiO3(PT), PbZrO3(PZ), Pb(ZrxTi1 -x)O3(PZT), Pb(Mg1 /3Nb2 /3)O3-PbTiO3(PMN-PT), Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT), Pb(Ni1 /3Nb2 /3)O3-PbTiO3(PNN-PT), Pb(In1 /2Nb1 /2)O3-PbTiO3(PIN-PT), Pb(Sc1 /3Ta1 /2)O3-PbTiO3(PST-PT), Pb(Sc1 /3Nb1 /2)O3-PbTiO3(PSN-PT), BiScO3-PbTiO3(BS-PT), BiYbO3-PbTiO3(BY-PT) 등을 들 수 있다.
다음으로, 상부 전극용 리드 전극(90)을 형성한다. 구체적으로는, 도 6(b)에 나타내는 바와 같이, 유로 형성 기판(10)의 전면(全面)에 걸쳐, 예를 들면, 티탄 텅스텐(TiW)으로 이루어지는 밀착층(91)을 형성하고, 이 밀착층(91) 위의 전면에, 예를 들면, 금(Au) 등으로 이루어지는 금속층(92)을 형성한다. 그 후, 예를 들면, 레지스트(resist) 등으로 이루어지는 마스크 패턴(도시 없음)을 통하여 금속층(92)을 각 압전 소자(300)마다 패터닝하고, 더욱 밀착층(91)을 에칭에 의해 패터닝함으로써 상부 전극용 리드 전극(90)이 형성된다. 또한, 밀착층(91)은, 그 단면이 금속층(92)의 단면과 같거나 그것보다 바깥쪽에 위치하도록 에칭하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 6(c)에 나타내는 바와 같이, 예를 들면, 산화 알루미늄(Al2O3)으로 이루어지는 절연막(100)을 형성함과 동시에 소정형상에 패터닝한다. 즉, 절연막(100)을 유로 형성 기판(10)의 전면에 형성하고, 그 후, 하부 전극막(60)의 접속부(60a) 및 상부 전극용 리드 전극(90)의 접속부(90a)에 대향하는 영역의 절연막(100)을 제거한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 접속부(60a,90a)에 대향하는 영역과 함께, 압전 소자(300)를 구성하는 각 층 및 상부 전극용 리드 전극(90)의 패턴 영역 이외도 제거하도록 하고 있다. 물론, 절연막(100)은, 접속부(60a,90a)에 대향하는 영역만이 제거되고 있어도 좋다. 어느 쪽으로 하여도, 절연막(100)은, 하부 전극막(60)의 접속부(60a) 및 상부 전극용 리드 전극(90)의 접속부(90a)를 제외하여, 압전 소자(300)를 구성하는 각 층 및 상부 전극용 리드 전극(90)의 패턴 영역을 덮도록 형성되어 있으면 좋다. 또, 절연막(100)의 제거 방법은, 특히 한정되지 않지만, 예를 들면, 이온 밀링 등의 드라이 에칭을 이용하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 절연막(100)을 치수 정밀도 좋고, 양호하게 제거할 수 있다.
그 다음으로, 도 6(d)에 나타내는 바와 같이, 유로 형성 기판(10)의 압전 소자(300) 측에 보호 기판(30)을 접착제(35)에 의해 접합하고, 소정형상으로 패터닝 한 마스크 막(51)을 통하여 유로 형성 기판(10)을 이방성 에칭함으로써 압력 발생 챔버(12) 등을 형성한다. 그리고, 탄성막(50) 및 절연체 막(55)을, 예를 들면, 기계적으로 제거하여 연통부(13)와 리저버부(32)를 연통시킨다.
또한, 실제로는, 상술한 일련의 막 형성 및 이방성 에칭에 의해서 한 장의 웨이퍼(wafer) 위에 다수의 칩(chip)을 동시에 형성하고, 프로세스 종료 후, 제 1에 나타내는 1개의 칩 사이즈의 유로 형성 기판(10) 마다 분할한다. 그 후는, 유로 형성 기판(10)에 마스크 막(51)을 통하여 노즐 플레이트(20)를 접합하고, 보호 기판(30) 위에 구동 IC(120)를 설치함과 동시에 컴플라이언스 기판(40)을 접합한다. 또한, 와이어 본딩하는 것에 의해, 구동 IC(120)와 하부 전극막(60) 및 상부 전극용 리드 전극(90)의 접속부(60a, 90a)와의 사이에 구동 배선(130)을 형성하고, 이 접속부(60a,90a)와 구동 배선(130)을 봉지 재료(140)로 덮음으로써 본 실시 형태의 잉크젯 기록 헤드로 된다.
(시험예 1)
여기서, 아래와 같이 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 3의 잉크젯 기록 헤드를 제작하여, 압전 소자로의 DC 통전 시험을 행하였다. 이 시험 조건 및 시험 결과를, 하기한 표 1에 나타낸다.
(실시예 1)
하부 전극막 및 상부 전극용 리드 전극의 접속부를 제외하여, 압전 소자를 구성하는 각 층 및 상부 전극용 리드 전극의 패턴 영역을 덮도록, 무기 절연 재료인 산화 알루미늄으로 이루어지는 절연막을 두께 약 50nm로 형성한 것을 실시예 1 의 잉크젯 기록 헤드로 하였다.
(실시예 2)
절연막의 두께를 약 100nm로 하는 것 이외는, 실시예 1과 동일한 구성으로 한 것을 실시예 2의 잉크젯 기록 헤드로 하였다.
(실시예 3)
절연막의 재료로서, 산화 알루미늄 대신에 산화 탄탈을 이용하여, 그 두께를 약 200nm로 하는 것 이외는, 실시예 1과 동일한 구성으로 한 것을 실시예 3의 잉크젯 기록 헤드로 하였다.
(비교예 1)
절연막의 재료로서, 실리콘 오일(다이킨 공업사 제품)을 이용하여, 이 절연막을 하부 전극막 및 상부 전극용 리드 전극의 접속부를 제외하여, 압전 소자 및 상부 전극용 리드 전극의 상면이 완전히 덮이도록 도포하는 것 이외는, 실시예 1과 같은 구성으로 한 것을 비교예 1의 잉크젯 기록 헤드로 하였다.
(비교예 2)
절연막의 재료로서, 우레탄계 방습제(히타치 화성공업사 제품)를 이용하는 것 이외는, 비교예 1과 같은 구성으로 한 것을 비교예 2의 잉크젯 기록 헤드로 하였다.
(비교예 3)
절연막을 형성하고 있지 않은 것 이외는, 실시예 1과 같은 구성으로 한 것을 비교예 3의 잉크젯 기록 헤드로 하였다.
Figure 112006027652271-PCT00001
상기 표 1에 나타내는 바와 같이, 실시예 1 ~ 3의 무기 절연 재료로 이루어지는 절연막을 가지는 잉크젯 기록 헤드에서는, 습도 40%Rh의 환경하에서 150시간 이상 경과하여도, 파괴된 세그먼트(segment)(압전 소자)는 없고, 산출 비율은 100% 였다. 특히, 실시예 2의 산화 알루미늄을 이용한 경우는, 습도 85%Rh라고 하는 지극히 엄격한 조건인 것에도 불구하고, 250시간 경과하여도 파괴되는 세그먼트(압전 소자)는 없었다. 이것에 대해, 무기 절연 재료 이외의 재료로 이루어지는 절연막을 가지거나 혹은 절연막이 형성되어 있지 않은 비교예 1 ~ 3의 잉크젯 기록 헤드에서는, 습도 40%Rh의 환경하에서, 4시간이 경과한 시점에서 이미 일부의 세그먼트(segment)가 파괴되어 버리고 있어, 상기 무기 절연 재료로 이루어지는 절연막에 비해, 수분을 투과하기 쉬운 것을 실험으로 알았다.
따라서, 무기 절연 재료 이외의 재료로 이루어지는 절연막을 이용하게 되면, 상기 무기 절연 재료로 이루어지는 절연막 정도의 얇은 막 상태에서는, 수분 투과를 충분히 막을 수 없다. 또, 수분 투과를 막기 위해서 충분한 막 두께를 필요로 하게 되면 압전 소자(300)의 구동을 방해한다고 하는 사태를 초래할 우려가 있으므로, 압전 소자(300)의 구동을 충분히 확보하기 위해서는, 압전 소자(300)를 비교적 크게 하는 것이 요구되어 잉크젯 기록 헤드가 대형화되어 버린다.
이 결과로부터도 분명한 바와 같이, 본 발명의 구성에 의하면, 헤드의 대형합을 초래하지 않고, 습도(수분)에 기인하는 압전 소자의 파괴를 확실하게 방지할 수 있어, 헤드의 내구성을 현저하게 향상할 수 있다.
(시험예 2)
이하에 나타내는 실시예 4 ~ 6 및 비교예 4의 잉크젯 기록 헤드를 제작하여, 진동판의 변위량을 비교하는 시험을 행하였다. 또, 하기한 표 2에는, 실시예 4 ~ 6 및 비교예 4의 잉크젯 기록 헤드 상부 전극막 및 절연막의 재료, 막 두께, 막 응력을 나타낸다. 또, 하기한 표 3에는, 상부 전극막 및 절연막을 형성하는 재료의 물성 데이터(탄성력의 영의 계수, 응력)를 나타낸다. 또한, 표 2 및 표 3에서는, 압축 응력의 값을 마이너스(-), 인장 응력의 값을 플러스(+)로 나타낸다.
(실시예 4)
하기한 표 2에 나타내는 바와 같이, 이리듐으로 이루어지는 두께 약 50nm의 상부 전극막을 형성하고, 그 전극막을 가지는 압전 소자를 덮도록, 산화 알루미늄으로 이루어지는 절연막을 두께 약 100nm로 형성한 것을 실시예 4의 잉크젯 기록 헤드로 하였다.
여기서, 하기한 표 2 및 표 3에 나타내는 바와 같이, 이리듐으로 이루어지는 막은 압축 응력으로 되고, 산화 알루미늄으로 이루어지는 막은 압축 응력으로 된다. 이 때문에, 실시예 4의 잉크젯 기록 헤드에서는, 상부 전극막의 응력 및 절연막의 응력은 압축 응력으로 되어 있고, 양자의 합도 압축 응력으로 되어 있다.
(실시예 5)
상부 전극막의 재료로 백금을 이용한 것 이외는, 실시예 4와 같은 구성으로 한 것을 실시예 5의 잉크젯 기록 헤드로 하였다.
여기서, 하기한 표 2 및 표 3에 나타내는 바와 같이, 백금으로 이루어지는 막은 인장 응력으로 되고, 산화 알루미늄으로 이루어지는 막은 압축 응력으로 된다. 이 때문에, 실시예 5의 잉크젯 기록 헤드에서는, 절연막의 응력이 압축 응력으로 되고, 상부 전극막의 응력이 인장 응력으로 되지만, 상부 전극막의 응력(σ1)과 절연막의 응력(σ2)과의 관계가 ｜σ1｜<｜σ2｜를 만족하기 위하여, 상부 전극막의 응력과 절연막의 응력과의 합은 압축 응력으로 되어 있다.
(실시예 6)
상부 전극막을 두께 약 100nm로 형성한 것 이외는, 실시예 5와 같은 구성으로 한 것을 실시예 6의 잉크젯 기록 헤드로 하였다.
여기서, 실시예 6의 잉크젯 기록 헤드에서는, 실시예 5와 마찬가지로, 절연막의 응력이 압축 응력으로 되고, 상부 전극막의 응력이 인장 응력으로 되지만, 상부 전극막의 응력과 절연막의 응력과의 합은 압축 응력으로 되어 있다.
(비교예 4)
절연막을 형성하지 않는 것 이외는, 실시예 6과 같은 구성으로 한 것을 비교예 4의 잉크젯 기록 헤드로 하였다.
여기서, 하기한 표 2 및 표 3에 나타내는 바와 같이, 백금으로 이루어지는 막은 인장 응력으로 된다. 이 때문에, 비교예 4의 잉크젯 기록 헤드에서는, 상부 전극막의 응력이 인장 응력으로 되고, 절연막의 응력을 뉴트럴(neutral)이라고 생각하면, 상부 전극막의 응력과 절연막의 응력과의 합이 인장 응력으로 되어 있다.
Figure 112006027652271-PCT00002
Figure 112006027652271-PCT00003
상기 표 2의 결과로부터 알 수 있듯이, 절연막의 응력과 상부 전극막의 응력과의 합이 압축 응력으로 되어 있는 실시예 4 ~ 6의 각 잉크젯 기록 헤드는, 절연막의 응력과 상부 전극막의 응력과의 합이 인장 응력으로 되어 있는 비교예 4의 잉크젯 기록 헤드와 비하여, 압전 소자의 구동에 의한 진동판의 변위량은 컸다. 이 결과로부터 분명한 바와 같이, 절연막의 응력과 상부 전극막의 응력과의 합을 압축 응력으로 함으로써, 압전 소자의 구동에 의한 진동판의 변위량의 저하를 방지할 수 있다.
또, 실시예 4의 잉크젯 기록 헤드는, 실시예 5의 잉크젯 기록 헤드와 비교하여, 절연막의 응력과 상부 전극막의 응력과의 합의 압축 응력이 크게 되어 있지만, 실시예 5의 잉크젯 기록 헤드는, 실시예 4의 잉크젯 기록 헤드와 비교하여, 압전 소자(진동판)의 변위량은 컸다. 이것은, 실시예5 상부 전극막은, 상기 표 2 및 표 3에 나타내는 바와 같이 백금으로 이루어지고, 실시예 4의 이리듐으로 이루어지는 상부 전극막보다도 탄성력의 영의 계수(경도)가 작기 때문이라고 생각된다. 이와 같이, 절연막의 응력과 상부 전극막의 응력과의 합이 압축 응력으로 되어 있으면, 진동판의 휘어짐 양을 저감할 수 있어, 압전 소자의 구동에 의한 진동판의 변위량을 증가시킬 수 있다. 이 결과로부터도 분명한 바와 같이, 절연막의 응력과 상부 전극막의 응력과의 합을 압축 응력으로 함으로써, 압전 소자의 구동에 의한 진동판의 변위량의 저하를 더욱 확실하게 방지할 수 있다.
(실시 형태 2)
도 7은, 실시 형태 2에 관한 잉크젯 기록 헤드의 개략 사시도이고, 도 8은, 그 평면도 및 단면도이다. 또, 도 9는, 잉크젯 기록 헤드의 요부를 나타내는 평면도이고, 도 10은, 도 9의 요부 단면도이다. 또한, 이하, 동일 부재에는 동일 부호를 부여하여 설명하고, 중복하는 설명은 생략한다.
본 실시 형태는, 제 1 절연막(101)과 제 2 절연막(102)을 포함한 절연막(100A)에 의해서, 적어도 압전 소자(300)를 구성하는 각 층을 덮도록 한 예이다. 즉, 도 7 ~ 도 10에 나타내는 바와 같이, 하부 전극막(60)은, 압력 발생 챔버(12)의 길이방향에서는 압력 발생 챔버(12)에 대향하는 영역 내에 형성되고, 복수의 압력 발생 챔버(12)에 대응하는 영역에 연속적으로 설치되어 있다. 압전체 층(70) 및 상부 전극막(80)은, 기본적으로는 압력 발생 챔버(12)에 대향하는 영역 내에 설치되어 있지만, 압력 발생 챔버(12)의 길이방향에서는, 하부 전극막(60)의 단부보다 바깥쪽까지 연장하여 설치되고 있어 하부 전극막(60)의 단면은 압전체 층(70)에 의해서 덮여져 있다. 또한, 압력 발생 챔버(12)의 길이방향 단부 근방에는, 압전체 층을 가지지만 실질적으로 구동되지 않는 압전체 비능동부(330)가 형성되어 있다(도 8(a) 참조).
그리고, 본 실시 형태에서는, 이와 같은 압전 소자(300)를 구성하는 각 층의 상면이, 상부 전극용 리드 전극(90A)과의 접속부(90a) 및 하부 전극용 리드 전극(95A)의 접속부(95a)를 제외하여, 내습성을 가지는 재료로 이루어지는 절연막(100A)에 의해서 덮여 있다. 구체적으로는, 도 9 및 도 10에 나타내는 바와 같이, 제 1 절연막(101)은, 압전 소자(300)를 구성하는 각 층의 패턴 영역에 설치되어, 상부 전극막(80)의 길이방향 단부 근방에 대향하는 영역에, 상부 전극용 리드 전극(90A)과 상부 전극막(80)을 접속하기 위한 접속 구멍(101a)이 형성되고, 병설된 압전 소자(300)의 바깥쪽에는, 하부 전극용 리드 전극(95A)과 하부 전극막(60)을 접속하기 위한 접속 구멍(101b)이 설치되어 있다. 즉, 적어도 압전 소자(300)를 구성하는 각 층의 패턴 영역은, 이 접속 구멍(101a, 101b)을 제외하여, 제 1 절연막(101)에 의해서 완전하게 덮여져 있다.
그리고, 이 제 1 절연막(101) 위에는, 접속 구멍(101a, 101b)을 통하여 각 압전 소자(300)의 상부 전극막(80)에 접속되는 상부 전극용 리드 전극(90A)과, 하부 전극막(60)에 접속되는 하부 전극용 리드 전극(95A)이 설치되어 있다. 상부 전극용 리드 전극(90A)은, 각 상부 전극막(80)의 길이방향 일단부 근방, 본 실시 형태에서는, 압전체 비능동부(330)에 상당하는 부분으로부터 유로 형성 기판(10)의 단부 근방까지 연장하여 설치되어 있다. 또, 하부 전극용 리드 전극(95A)은, 압전 소자(300)의 열(列)의 바깥쪽 하부 전극막(60)의 단부 근방으로부터 유로 형성 기판(10)의 단부 근방까지 연장하여 설치되어 있다. 그리고, 이들 상부 전극용 리드 전극(90A) 및 하부 전극용 리드 전극(95A)의 선단부는, 구동 배선(130)이 접속되는 접속부(90a,95a)로 되어 있다.
또한, 상부 전극용 리드 전극(90A) 및 하부 전극용 리드 전극(95A) 및 제 1 절연막(101) 위에는, 제 2 절연막(102)이 설치되어 있다. 즉, 상부 전극용 리드 전극(90A), 하부 전극용 리드 전극(95A) 및 압전 소자(300)를 구성하는 각 층의 패턴 영역은, 상부 전극용 리드 전극(90A)의 접속부(90a) 및 하부 전극용 리드 전극(95A)의 접속부(95a)에 대향하는 영역을 제외하여, 이 제 2 절연막(102)에 의해서 덮여져 있다.
이와 같은 구성에서는, 제 1 및 제 2 절연막(101, 102)에 의해서, 압전체 층(70)의 수분(습기)에 기인하는 파괴를 더욱 확실하게 방지할 수 있다. 또, 제 2 절연막(102)에 의해서, 상부 전극용 리드 전극(90A)의 접속부(90a) 및 하부 전극용 리드 전극(95A)의 접속부(95a)를 제외하여, 압전 소자(300)를 구성하는 각 층 및 상부 전극용 리드 전극(90A) 및 하부 전극용 리드 전극(95A)의 표면을 덮도록 함으로써, 제 2 절연막(102)의 단부 측으로부터 수분이 침입했을 경우에서도, 압전체 층(70)까지 수분이 이르는 것을 막을 수 있어, 압전체 층(70)의 수분에 기인하는 파괴를 확실하게 방지할 수 있다.
또, 제 1 절연막(101) 위에 상부 전극용 리드 전극(90A) 및 하부 전극용 리드 전극(95A)이 형성되어 있기 때문에, 이들 상부 전극용 리드 전극(90A) 및 하부 전극용 리드 전극(95a)을 형성할 때에, 웨트 에칭(wet etching)을 이용하여도 전해부식이 발생하지 않는다. 이 때문에, 예를 들면, 전해부식에 의한 에칭 속도의 이상 등이 발생하지 않고, 상부 전극용 리드 전극(90A) 및 하부 전극용 리드 전극(95A)을 고정밀도로 형성할 수 있다. 또, 예를 들면, 상부 전극막(80)의 박리(剝離) 등, 상부 전극용 리드 전극(90A) 및 하부 전극용 리드 전극(95a)의 에칭시에 발생하는 압전 소자(300)의 파괴를 방지할 수 있어, 산출 비율이 현저하게 향상한다.
여기서, 이와 같은 절연막(100A)을 구성하는 제 1 및 제 2의 보호막(101, 102)의 재료로서는, 상술한 바와 같이, 예를 들면, 산화 알루미늄(A1Ox)을 이용하는 것이 바람직하다. 또, 예를 들면, 제 1 절연막(101)을 산화 실리콘으로 형성하고, 제 2 절연막(102)을 산화 알루미늄으로 형성하는 등, 제 1 및 제 2 절연막(101, 102)의 재료는, 각각 다르게 되어 있어도 좋지만, 제 1 또는 제 2 절연막(101, 102)의 어느 한쪽이 산화 알루미늄으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또, 적어도 제 2 절연막(101)이, 산화 알루미늄으로 형성되어 있는 것이 바람직하고, 특히, 제 1 및 제 2 절연막(101, 102)의 각각이, 산화 알루미늄으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 제 1 및 제 2 절연막(101, 102)의 어느 한쪽 혹은 양쪽의 재료로서 산화 알루미늄을 이용함으로써, 이들 제 1 및 제 2 절연막(101, 102)의 막 두께가 비교적 얇게 형성되어 있어도, 고습도 환경하에서의 수분 투과를 충분히 막을 수 있다. 예를 들면, 제 1 및 제 2 절연막(101, 102)의 산화 알루미늄으로 형성되어 있는 경우에는, 각각의 막 두께가 50nm정도로 있어도, 수분의 투과를 충분히 막을 수 있다.
또, 이와 같이 제 1 및 제 2 절연막(101, 102)의 어느 한쪽 또는 양쪽의 재료로서, 산화 알루미늄을 이용하는 경우에는, 상부 전극용 리드 전극(90A) 및 하부 전극용 리드 전극(95A)이, 알루미늄(Al)을 주성분으로 하는 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 본 실시 형태에서는, 제 1 및 제 2 절연막(101, 102)의 각각이, 산화 알루미늄으로 이루어지고, 상부 전극용 리드 전극(90A) 및 하부 전극용 리드 전극(95A)은, 알루미늄(Al) 99.5wt%, 동(Cu) 0.5wt%의 합금으로 이루어진다.
이것에 의해, 상부 전극용 리드 전극(90A) 및 하부 전극용 리드 전극(95A)과 제 1 절연막(101) 또는 제 2 절연막(102)과의 밀착성이 향상한다. 또, 제 1 및 제 2 절연막(101, 102)이 산화 알루미늄으로 이루어지는 경우에는, 상부 전극용 리드 전극(90A) 및 하부 전극용 리드 전극(95A)과 제 1 및 제 2 절연막(101, 102)과의 밀착성과 함께, 제 1 절연막(101)과 제 2 절연막(102)과의 밀착성도 향상한다. 따라서, 수분의 투과를 더욱 확실하게 방지할 수 있어, 압전 소자(300)의 수분에 기인하는 파괴를 장기간에 걸쳐 확실하게 방지할 수 있다. 더욱, 제 1 및 제 2 절연막(1O1, 102)의 막 두께를 비교적 얇게 하여도 수분의 투과를 확실하게 방지할 수 있어서 압전 소자(300)의 구동을 방해하지 않기 때문에, 잉크 토출 특성을 양호하게 유지할 수 있다.
또한, 유로 형성 기판(10) 위의 압전 소자(300) 측의 면에는, 실시 형태 1과 마찬가지로 보호 기판 및 컴플라이언스 기판이 접합되어 있지만, 본 실시 형태의 보호 기판(30A)에는, 관통부가 형성되어 있지 않은 점에서 실시 형태 1의 보호 기판과는 상이하다. 그리고, 상술한 바와 같이, 상부 전극용 리드 전극(90A) 및 하부 전극용 리드 전극(95A)은, 유로 형성 기판(10)의 단부 근방까지, 즉, 압전 소자 유지부(31)의 바깥쪽까지 연장하여 설치되어, 이들 상주 전극용 리드 전극(90A)의 접속부(90a) 및 하부 전극용 리드 전극(95A)의 접속부(95a)에, 보호 기판(30) 위에 설치된 구동 IC(120)로부터 연장하여 설치되는 구동 배선(130)의 일단이 접속되어 있다.
이하, 본 실시 형태와 관한 잉크젯 기록 헤드의 제조 방법에 대하여 설명한다. 또한, 도 11은, 압력 발생 챔버(12)의 길이방향의 단면도이다. 우선, 실시 형태 1에서 설명한 바와 같이, 유로 형성 기판(10) 위에, 탄성막(50) 및 절연체 막(55) 형성하고, 이 절연체 막(55) 위에 하부 전극막(60), 압전체 층(70) 및 상부 전극막(80)으로 이루어지는 압전 소자(300)를 형성한다(도 5(a) ~ 도 6(a) 참조).
그 다음에, 도 11(a)에 나타내는 바와 같이, 산화 알루미늄으로 이루어지는 제 1 절연막(101)을 형성함과 동시에 소정형상으로 패터닝한다. 즉, 제 1 절연막(101)을 유로 형성 기판(10)의 전면에 형성하고, 소정의 마스크를 통하여 에칭함으로써, 각 상부 전극막(80)에 대향하는 영역, 및 병설된 압전 소자(300)의 바깥쪽 하부 전극막(60)에 대향하는 영역에 각각 접속 구멍(101a, 101b)을 형성한다.
다음으로, 도 11(b)에 나타내는 바와 같이, 상부 전극용 리드 전극(90A)을 형성한다. 즉, 유로 형성 기판(10)의 전면에 걸쳐, 예를 들면, 알루미늄(Al)을 주성분으로 하는 재료로 이루어지는 금속층(92A)을 형성하고, 그 후, 예를 들면, 레지스트 등으로 이루어지는 마스크 패턴(도시 없음)을 통하여 금속층(92A)을 각 압전 소자(300)마다에 패터닝함으로써 상부 전극용 리드 전극(90A)이 형성된다. 또, 도시하지 않지만, 이때 하부 전극용 리드 전극(95A)도 동시에 형성한다.
또한, 금속층(92A)의 재료로서, 알루미늄을 주성분으로 하는 재료를 이용함으로써, 제 1 또는 제 2 절연막(101, 102)과의 밀착성이 향상하고, 압전체 층으로의 수분 투과율이 더욱 저하하는 것으로서 바람직하다. 또, 물론, 금속층으로서, 예를 들면, 금(Au) 등을 이용하도록 하여도 좋지만, 그 경우에는, 금속층의 아래쪽에, 예를 들면, 티탄 텅스텐(TiW)으로 이루어지는 밀착층을 설치하여 두는 것이 바람직하다. 물론, 금속층이 알루미늄인 경우에서도, 티탄 텅스텐으로 이루어지는 밀착층을 설치하여도 좋은 것은 말할 필요도 없다.
다음으로, 도 11(c)에 나타내는 바와 같이, 예를 들면, 산화 알루미늄으로 이루어지는 제 2 절연막(102)을 형성함과 동시에 소정형상으로 패터닝한다. 즉, 제 2 절연막(102)을 유로 형성 기판(10)의 전면에 형성하고, 그 후, 상부 전극용 리드 전극(90A)의 접속부(90a) 및 하부 전극용 리드 전극(95A)의 접속부(95a)에 대향하는 영역인 제 2 절연막(102)을 제거한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 제 2 절연막(102)도 제 1 절연막(101)과 거의 같은 영역, 즉, 압전 소자(300)를 구성하는 각 층, 상부 전극용 리드 전극(90A) 및 하부 전극용 리드 전극(95A)의 패턴 영역에만 설치하도록 하였다. 물론, 제 2 절연막(102)은, 상부 전극용 리드 전극(90A)의 접속부(90a) 및 하부 전극용 리드 전극(95A)의 접속부(95a)에 대향하는 영역 이외의 모든 영역에 설치되어 있어도 좋다. 어느 쪽으로 하여도, 제 2 절연막(102)은, 상부 전극용 리드 전극(90A)의 접속부(90a) 및 하부 전극용 리드 전극(95A)의 접속부(95a)를 제외하여, 압전 소자(300)를 구성하는 각 층, 상부 전극용 리드 전극(90A) 및 하부 전극용 리드(95A)의 패턴 영역을 덮도록 형성되어 있으면 좋다.
그 다음에, 제 11(d)에 나타내는 바와 같이, 유로 형성 기판(10)의 압전 소자(300) 측에 보호 기판(30)을 접착제(35)에 의해서 접합한 후, 소정형상으로 패터닝한 마스크 막(51)을 통하여 유로 형성 기판(10)을 이방성 에칭하는 것에 의해 압력 발생 챔버(12) 등을 형성한다.
(실시 형태 3)
도 12는, 실시 형태 3에 관한 잉크젯 기록 헤드의 개략 사시도이고, 도 13은, 그 평면도 및 단면도이다. 또, 도 14는, 잉크젯 기록 헤드의 요부를 나타내는 평면도이다.
본 실시 형태에서는, 접속 배선의 일부를 구성하는 제 2 상부 전극용 리드 전극(96)을 더 설치하도록 한 예이다. 도 12 ~ 도 14에 나타내는 바와 같이, 하부 전극막(60)은, 압력 발생 챔버(12)의 길이방향에서는 압력 발생 챔버(12)에 대향하는 영역 내에 형성되고, 복수의 압력 발생 챔버(12)에 대응하는 영역에 연속적으로 설치되어 있다. 또, 하부 전극막(60)은, 압력 발생 챔버(12)의 열의 바깥쪽에서 유로 형성 기판(10)의 단부 근방까지 연장하여 설치되고, 그러한 선단부는, 후술하는 구동 IC(120)로부터 연장하여 설치된 접속 배선(130)이 접속되는 접속부(60a)로 되어 있다. 압전체 층(70) 및 상부 전극막(80)은, 기본적으로는 압력 발생 챔버(12)에 대향하는 영역 내에 설치되어 있지만, 압력 발생 챔버(12)의 길이방향에서는, 하부 전극막(60)의 단부보다도 바깥쪽까지 연장하여 설치되어 있고, 하부 전극막(60)의 단면은 압전체 층(70)에 의해서 덮여져 있다. 그리고, 압력 발생 챔버(12)의 길이방향 단부 근방에는, 압전체 층(70)을 가지지만 실질적으로 구동되지 않는 압전체 비능동부(330)가 형성되어 있다. 또, 각 압전 소자(300)를 구성하는 상부 전극막(80)의 일단부 근방에는, 예를 들면, 알루미늄을 주성분으로 하는 재료로 이루어지는 상부 전극용 리드 전극(90A)이 각각 접속되어 있다. 이러한 상부 전극용 리드 전극(90A)은, 본 실시 형태에서는, 압력 발생 챔버(12)의 바깥쪽의 압전체 비능동부(330) 위로부터 절연체 막(55) 위로 연장하여 설치되어 있다.
또, 상부 전극용 리드 전극(90A)에는, 무기 절연 재료로 이루어지는 절연막(100)을 통하여 제 2 상부 전극용 리드 전극(96)이 각각 접속되어 있다. 이 제 2 상부 전극용 리드 전극(96)은, 유로 형성 기판(10)의 단부 근방까지 연장하여 설치 되고, 그 선단부 근방은, 하부 전극막(60)의 접속부(60a)와 마찬가지로, 구동 배선(130)이 접속되는 단자부(96a)로 되어 있다.
여기서, 절연막(100)은, 압전 소자(300)를 구성하는 각 층, 상부 전극용 리드 전극(90A) 및 제 2 상부 전극용 리드 전극(96)의 패턴 영역에 설치되어 있다. 그리고, 적어도 압전 소자(300) 및 상부 전극용 리드 전극(90A)은, 상부 전극용 리드 전극(90)의 접속부(90a)을 제외하여 이 절연막(100)에 의해서 덮여져 있다. 예를 들면, 본 실험 형태에서는, 절연막(100)이, 압전 소자(300)의 열의 바깥쪽 하부 전극막(60) 위까지 연속적으로 설치되고 있어, 압전 소자(300) 및 상부 전극용 리드 전극(90A)과 함께 하부 전극막(60)도, 접속부(60a)를 제외하여 절연막(100)에 의해서 덮여져 있다.
또 상술한 바와 같이, 절연막(100)은 제 2 상부 전극용 리드 전극(96)의 패턴 영역까지 연속적으로 설치되어 있다. 즉, 절연막(100)은, 유로 형성 기판(10)의 단부 근방까지 연속적으로 설치되고 있고, 제 2 상부 전극용 리드 전극(96)의 단자부(96a)도 이 절연막(100) 위에 위치하고 있다.
이상 설명한 바와 같이, 절연막(100)에 의해서 압전 소자(300) 및 상부 전극용 리드 전극(90A)의 표면을 덮음과 동시에, 절연막(100) 위에 설치된 제 2 상부 전극용 리드 전극(96)에 구동 배선(130)이 접속되는 단자부(96a)를 설치하도록 함으로써, 압전체 층(70)의 수분(습기)에 기인하는 파괴를 확실하게 방지할 수 있다. 즉, 압전 소자(300) 및 상부 전극용 리드 전극(90A)은, 접속부(90a)를 제외하여 제 2 상부 전극용 리드 전극(96)의 패턴 영역까지 연속하는 절연막(100)에 의해서 덮여져 있다. 또 상부 전극용 리드 전극(90A)의 접속부(90a)는, 제 2 상부 전극용 리드 전극(96)에 의해서 막혀 있다. 따라서, 수분은, 절연막(100)의 단부로부터 혹시 침입하지 않고, 만일 침입한 경우에서도, 압전체 층(70)까지 수분이 이르는 것을 실질적으로 방지할 수 있어, 압전체 층(70)의 수분에 기인하는 파괴를 더욱 확실하게 방지할 수 있다.
또한, 제 2 상부 전극용 리드 전극(96)의 구동 배선(130)이 접속되는 단자부(96a)의 아래쪽에도 절연막(100)이 설치되어 있음으로써, 제 2 상부 전극용 리드 전극(96)의 밀착성이 높아진다고 하는 효과도 있다. 이것에 의해, 예를 들면, 와이어 본딩 등에 의해 구동 배선(130)을 제 2 상부 전극용 리드 전극(96)에 접속할 때 등에, 제 2 상부 전극용 리드 전극(96)이 벗겨짐 등의 불량이 발생하는 것을 방지할 수도 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 연통부(13) 근방까지 연장하여 설치된 하부 전극막(60)의 선단부가 접속 배선(130)과의 접속부(60a)로 되어 있지만, 예를 들면, 도 15에 나타내는 바와 같이, 하부 전극막(60)에 전기적으로 접속되는 하부 전극용 리드 전극(95A)을, 줄지어 설치된 압전 소자(300)의 바깥쪽에서 압전 소자(300)의 길이방향 바깥쪽의 영역까지 연장하여 설치함과 동시에, 제 2 하부 전극용 리드 전극(99)을 유로 형성 기판(10)의 단부 근방까지 연장하여 설치하여, 그 선단부를 구동 배선(130)이 접속되는 단자부(99a)로 하여도 좋다. 그리고, 이 경우에는, 상부 전극용 리드 전극(90A) 및 하부 전극용 리드 전극(95A)의 접속부(90a,95a)를 제외하여, 압전 소자(300)를 구성하는 각 층, 상부 전극용 리드 전극(90A), 하부 전극용 리드 전극(95A) 및 제 2 상부 전극용 리드 전극(96), 제 2 하부 전극용 리드 전극(99)의 패턴 영역을 절연막(100)으로, 덮도록 한다.
이하, 본 실시 형태와 관한 잉크젯 기록 헤드의 제조 방법에 대하여 설명한다. 또한, 도 16 및 도 17은, 압력 발생 챔버(12)의 길이방향의 단면도이다. 또, 상술한 바와 같이, 잉크젯 기록 헤드는, 한 장의 실리콘 웨이퍼 위에 다수의 칩을 동시에 형성하여, 프로세스 종료 후, 제 1에 나타낸 1개의 칩 사이즈의 유로 형성 기판(10)마다 분할되어, 본 실시 형태에서는, 실제로 실리콘 웨이퍼로 이루어지는 유로 형성 기판용 웨이퍼(150)를 이용한 제조 방법으로서 설명한다.
우선, 도 16(a)에 나타내는 바와 같이, 두께가 약 625μm로 비교적 두껍고 강성의 높은 실리콘 웨이퍼로 이루어지는 유로 형성 기판용 웨이퍼(150)(유로 형성 기판(10)) 위에, 탄성막(50) 및 절연체 막(55)을 형성하고, 절연체 막(55) 위에 하부 전극막(60), 압전체 층(70) 및 상부 전극막(80)으로 이루어지는 압전 소자(300)를 형성한다. 또한, 이들 탄성막(50), 절연체 막(55) 및 압전 소자(300)의 제조 방법은, 실시 형태 1과 마찬가지이다(도 5(a) ~ 도 5(d) 참조).
다음으로, 도 16(b)에 나타내는 바와 같이, 상부 전극용 리드 전극(90A)을 형성한다. 구체적으로는, 유로 형성 기판용 웨이퍼(150) 위에, 소정의 금속재료, 예를 들면, 본 실시 형태에서는, 알루미늄(Al)으로 이루어진 금속층(92A)을 전면(全面)에 형성한다. 그리고, 예를 들면, 레지스트 등으로 이루어지는 마스크 패턴(도시 없음)을 통하여 금속층(92A)를 압전 소자(300)마다 패터닝함으로써 상부 전극용 리드 전극(90A)이 형성된다.
다음으로, 도 16(c)에 나타내는 바와 같이, 예를 들면, 산화 알루미늄(Al2O3)으로 이루어지는 절연막(100)을 형성함과 동시에 소정형상으로 패터닝한다. 즉, 절연막(100)을 유로 형성 기판용 웨이퍼(150)의 전면에 형성하고, 그 후, 하부 전극막(60)의 접속부(60a)에 대향하는 영역의 절연막(100)을 제거함과 동시에, 상부 전극용 리드 전극(90A)의 접속부(90a)에 대향하는 영역의 절연막(100)을 제거하여 개구(100a)를 형성한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 접속부(60a) 및 접속부(90a)에 대향하는 영역과 함께, 압전 소자(300)를 구성하는 각 층 및 상부 전극용 리드 전극(90A), 및 후술하는 공정으로 형성되는 제 2 상부 전극용 리드 전극(96)의 패턴 영역 이외도 제거하도록 하고 있다. 물론, 절연막(100)은, 접속부(60a) 및 단자부(90a)에 대향하는 영역만이 제거되어 있어도 좋다.
다음에, 제 2 상부 전극용 리드 전극(96)을 형성한다. 예를 들면, 본 실시 형태에서는, 도 16(d)에 나타내는 바와 같이, 유로 형성 기판용 웨이퍼(150)의 전면(全面)에 걸쳐, 예를 들면, 티탄 텅스텐(TiW)으로 이루어지는 밀착층(97)을 형성하고, 이 밀착층(97) 위의 전면에, 예를 들면, 금(Au) 등으로 이루어지는 금속층(98)을 형성한다. 그 후, 마스크 패턴(도시 없음)을 통하여 금속층(98)을 각 압전 소자(300)마다에 패터닝하고, 또한 밀착층(97)을 에칭에 의해 패터닝함으로써 제 2 상부 전극용 리드 전극(96)이 형성된다.
그 다음에, 도 17(a)에 나타내는 바와 같이, 유로 형성 기판용 웨이퍼(150)의 압전 소자(300) 측에, 실리콘 웨이퍼인 복수의 보호 기판(30)이 되는 보호 기판용 웨이퍼(160)를 접합한다. 또한, 이 보호 기판용 웨이퍼(160)는, 예를 들면, 625μm 정도의 두께를 가지기 때문에, 유로 형성 기판용 웨이퍼(150)의 강성(剛性)은, 보호 기판용 웨이퍼(160)을 접합함으로써 현저하게 향상하게 된다.
그 다음으로, 도 17(b)에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 유로 형성 기판용 웨이퍼(150)를 어느 정도의 두께로 될 때까지 연마한 후, 또한 불화수소산과 초산의 혼합 수용액에 의해서 웨트 에칭함으로써 유로 형성 기판용 웨이퍼(150)를 소정의 두께로 한다. 예를 들면, 본 실시 형태에서는, 약 70μm 두께가 되도록 유로 형성 기판용 웨이퍼(150)을 에칭 가공하였다.
그 다음으로, 도 17(c)에 나타내는 바와 같이, 유로 형성 기판용 웨이퍼(150) 위에, 예를 들면, 질화 실리콘으로 이루어지는 마스크 막(52A)을 새로 형성하여, 소정형상으로 패터닝한다. 그리고, 이 마스크 막(52A)을 통하여 유로 형성 기판용 웨이퍼(150)를 이방성 에칭함으로써, 유로 형성 기판용 웨이퍼(150)에 압력 발생 챔버(12), 연통부(13) 및 잉크 공급로(14) 등을 형성한다.
또한, 그 후는, 유로 형성 기판용 웨이퍼(150) 및 보호 기판용 웨이퍼(160)의 바깥 둘레부의 불필요한 부분을, 예를 들면, 다이싱(dicing) 등에 의해 절단함으로써 제거한다. 그리고, 유로 형성 기판용 웨이퍼(150)의 보호 기판용 웨이퍼(160)와는 반대 측의 면에 노즐 개구(21)가 뚫어 설치된 노즐 플레이트(20)를 접합 함과 동시에, 보호 기판용 웨이퍼(160)에 컴플라이언스 기판(40)을 접합하고, 유로 형성 기판용 웨이퍼(150) 등을 도 1에 나타내는 1개의 칩 사이즈의 유로 형성 기판(10) 등으로 분할함으로써, 본 실시 형태의 잉크젯 기록 헤드가 된다.
(실시 형태 4)
도 18은, 실시 형태 4에 관한 잉크젯 기록 헤드의 단면도이다. 본 실시 형태는, 실시 형태 3의 구조에 있어서, 실시 형태 2와 마찬가지로, 압전 소자(300)가 제 1 절연막(101)과 제 2 절연막(101)으로 이루어지는 절연막(100A)에 의해서 덮여지도록 한 예이다. 즉, 본 실시 형태에서는, 도 18에 나타내는 바와 같이, 상부 전극용 리드 전극(90A)은, 제 1 절연막(101) 위로 연장하여 설치되어, 제 1 절연막(101)의 접속 구멍(101a)을 통하여 상부 전극막(80)과 접속되어 있다. 또, 상부 전극용 리드 전극(90A) 및 압전 소자(300)를 구성하는 각 층의 패턴 영역은, 상부 전극용 리드 전극(90A)의 접속부(90a)에 대향하는 영역을 제외하여, 제 2 절연막(102)에 의해서 덮여져 있다. 그리고, 이 제 1 절연막(101) 위에 더 제 2 절연막(102)이 형성되어, 압전 소자(300)가 이들 제 1 절연막(101) 및 제 2 절연막(102)에 의해서 덮여지도록 하였다. 또, 제 2 상부 전극용 리드 전극(96)은, 이 제 2 절연막(102) 위에 형성되고, 제 2 절연막(101)의 개구부(102a)를 통하여 제 1 상부 전극용 리드 전극(90A)과 접속되어 있다.
이와 같은 구성에서는, 압전 소자(300)가, 제 1 절연막(101) 및 제 2 절연막(102)의 2층으로 덮여, 압전체 층(70)의 수분(습기)과의 접촉이 방지되어 있기 때문에, 압전체 층(70)의 수분(습기)에 기인하는 파괴를 더욱 확실하게 방지할 수 있다.
(실시 형태 5)
도 19는, 실시 형태 5에 관한 잉크젯 기록 헤드를 나타내는 분해 사시도이고, 도 20은, 그 평면도 및 단면도이다.
본 실시 형태는, 보호 기판의 유로 형성 기판과의 접합면 측의 일부에, 압전 소자 유지부 내의 수분을 투과 가능한 재료로 이루어지는 투습부를 설치한 예이다. 그리고, 상부 전극용 리드 전극을 유로 형성 기판의 단부 근방까지 연장하여 설치 하여 보호 기판의 바깥쪽에서 상부 전극용 리드 전극과 구동 배선을 접속하도록 하고, 보호 기판에는 관통부가 설치되지 않은 것 이외는, 실시 형태 1과 같은 구성이다.
상세하게는, 도 19 및 도 20에 나타내는 바와 같이, 보호 기판(30)의 유로 형성 기판(10)과의 접합면 측의 일부, 구체적으로는, 압전 소자 유지부(31) 주연(周緣)의 리저버(110) 측 이외의 영역의 일부에, 압전 소자 유지부(31) 내의 수분을 투과 가능한 재료로 이루어지는 투습부(170)가 설치되어 있다. 예를 들면, 이 투습부(170)는, 접착층(35)을 구성하는 접착제보다도 수분의 투과성의 높은 접착제로 이루어지는 접착층(36)에 의해서 구성되고, 도 20에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 압전 소자 유지부(31)의 리저버(110)와는 반대 측의 영역에 설치되어 있다. 또한, 이 투습부(170)(접착층(36))는, 보호 기판(30)과 유로 형성 기판(10)을 접합하는 역할도 하고 있다.
이와 같은 투습부(170)를 설치함으로써, 압전 소자 유지부(31) 내에 침입한 수분(습기)은, 이 투습부(170)를 통하여 외부에 배출된다. 따라서, 압전 소자 유지부(31) 내가 비교적 저습도로 유지되기 때문에, 수분에 기인하는 압전 소자(300)의 파괴를 방지할 수 있다. 구체적으로는, 압전 소자 유지부(31) 내에 인접하여 리저버(110)가 설치되어 있기 때문에, 리저버(110)에 저장되어 있는 잉크의 수분이, 압전 소자 유지부(31)의 리저버(110) 측의 영역의 접착층(35)을 통하여 압전 소자 유지부(31) 내에 침입하여 버린다. 이 때문에, 압전 소자 유지부(31) 내의 습도가 서서히 상승하여, 압전 소자 유지부(31) 내의 습도는, 85% 정도까지 상승해 버리는 경우가 있다. 접착층(35)을 구성하는 접착제로서 수분의 침투성의 낮은 것을 이용한 것이라고 하여도, 이와 같은 잉크의 수분의 압전 소자 유지부(31) 내로의 침입을 완전하게 막는 것은 어렵다.
그렇지만, 투습부(170)를 설치함으로써, 압전 소자 유지부(31)의 리저버(110) 측의 영역의 접착층(35)을 통하여 압전 소자 유지부(31) 내에 수분이 침입한 경우에서도, 압전 소자 유지부(31) 내가 외부보다 고습도로 되어 있으면, 압전 소자 유지부(31) 내의 수분은 투습부(170)를 통하여 외부에 배출된다. 따라서, 압전 소자 유지부(31) 내의 습도는 항상 바깥공기의 습도 이하로 억제된다.
그리고, 압전 소자 유지부(31) 내에 봉지되어 있는 압전 소자(300)를 구성하는 각 층 및 상부 전극용 리드 전극(90)의 표면은, 무기 절연 재료로 이루어지는 절연막(100)에 의해서 덮여져 있기 때문에, 압전 소자 유지부(31) 내의 습도가 바깥공기의 습도 정도로 억제되어 있으면, 압전 소자가 압전 소자 유지부(31) 내의 수분(습기)에 의해서 파괴되지 않는다. 따라서, 압전 소자(300)의 내구성을 현저하게 향상한 잉크젯 기록 헤드를 실현할 수 있다.
이하, 본 실시 형태에 관한 잉크젯 기록 헤드의 제조 방법에 대해 설명한다. 또한, 도 21은, 압력 발생 챔버(12)의 길이방향의 단면도이다. 우선, 실시 형태 1에서 설명한 바와 같이, 유로 형성 기판(10) 위에, 탄성막(50) 및 절연체 막(55)을 형성하고, 이 절연체 막(55) 위에 하부 전극(60), 압전체 층(70) 및 상부 전극막(80) 으로 이루어지는 압전 소자(300)를 형성한다(도 5(a) ~ 도 6(a) 참조).
다음으로, 도 21(a)에 나타내는 바와 같이, 밀착층(91) 및 금속층(92)을 차례차례 적층하고, 이들 밀착층(91) 및 금속층(92)을 패터닝함으로써 상부 전극용 리드 전극(90)을 형성한다. 그 다음에, 도 21(b)에 나타내는 바와 같이, 예를 들면, 산화 알루미늄(Al2O3)으로 이루어지는 절연막(100)을 형성한다.
다음으로, 도 21(c)에 나타내는 바와 같이, 유로 형성 기판(10)의 압전 소자(300) 측에 보호 기판(30)을, 접착층(35)을 통하여 접합함과 동시에, 투습부(170)를 형성한다. 즉, 보호 기판(30)의 압전 소자 유지부(31) 주연의 리저버부(32)와는 반대 측의 영역을 제외하여 접착층(35)을 형성함과 동시에, 리저버부(32)와는 반대 측의 영역에, 접착층(35)보다도 수분의 투과성의 높은 접착층(36)을 형성한다. 그리고, 이들 접착층(35,36)을 통하여 보호 기판(30)과 유로 형성 기판(10)을 접합한다. 이것에 의해, 압전 소자 유지부(31)의 리저버(110)와는 반대 측의 영역에는, 동시에, 접착층(36)으로 이루어지는 투습부(170)가 형성된다.
그리고, 도 21(d)에 나타내는 바와 같이, 소정형상으로 패터닝한 마스크 막(51)을 통하여 유로 형성 기판(10)을 이방성 에칭함으로써 압력 발생 챔버(12) 등을 형성한다.
(실시 형태 6)
도 22는, 실시 형태 6에 관한 잉크젯 기록 헤드의 측면도이다. 본 실시 형태는, 압력 발생 챔버(12)의 열의 양단부 바깥쪽에 대응하는 영역의 보호 기판(30)에 투습부(170A)를 설치하도록 한 예이다. 즉, 본 실시 형태에서는, 도 22에 나타내는 바와 같이, 압력 발생 챔버(12)의 열의 양단부 바깥쪽에 대응하는 영역의 보호 기판(30)에는, 보호 기판(30)의 일부를 하프(half) 에칭에 의해 제거한 오목부(34)가 형성되어 있다. 그리고, 이 오목부(34)를 포팅(potting) 재료로 봉지하는 것에 의해 투습부(170A)가 형성되어 있다.
이와 같은 구성으로 하여도, 실시 형태 5와 마찬가지로, 압전 소자 유지부(31) 내의 수분이 투습부(170A)를 통하여 외부에 배출되어, 압전 소자 유지부(31) 내의 습도는, 외부의 습도와 동일한 정도로 유지된다. 따라서, 수분에 기인하는 압전 소자(300)의 파괴를 장기간에 걸쳐 방지할 수 있다.
(다른 실시 형태)
이상, 본 발명의 각 실시 형태를 설명하였으나, 본 발명은, 상술한 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상술한 실시 형태 1 ~ 4에서는, 압전 소자가 보호 기판의 압전 소자 유지부 내에 형성되어 있지만, 이것으로 한정되지 않고, 물론, 압전 소자는 노출되어 있어도 좋다. 이 경우에서도, 압전 소자 및 상부 전극용 리드 전극 등의 표면은, 무기 절연 재료로 이루어지는 절연막에 의해서 덮여져 있기 때문에, 수분(습기)에 기인하는 압전체 층의 파괴는, 확실하게 방지된다. 또, 예를 들면, 실시 형태 5 또는 6에서는, 투습부(170)를 보호 기판(30)의 유로 형성 기판(10)과의 접합면에 설치하도록 하였으나, 이것으로 한정되지 않고, 예를 들면, 보호 기판(30)의 상면 등에 압전 소자 유지부(31)에 연통하는 연통 구멍을 설치하고, 이 연통 구멍을, 수분의 투과성의 높은 접착제 등의 유기 재료로 봉지하는 것에 의해 투습부를 형성하도록 하여도 좋다.
또, 상술한 실시 형태의 잉크젯 기록 헤드는, 잉크 카트리지 등과 연통하는 잉크 유로를 구비하는 기록 헤드 유니트의 일부를 구성하여, 잉크젯 기록 장치에 탑재된다. 도 23은, 그 잉크젯 기록 장치의 일례를 나타내는 개략도이다. 도 23에 나타내는 바와 같이, 잉크젯 기록 헤드를 가지는 기록 헤드 유니트 1A 및 1B는, 잉크 공급 수단을 구성하는 카트리지 2A 및 2B가 착탈 가능하게 설치되어, 이 기록 헤드 유니트 1A 및 1B를 탑재한 캐리지(carriage)(3)는, 장치 본체(4)에 장착된 캐리지 축(5)에 축 방향 이동이 자유롭게 설치되어 있다. 이 기록 헤드 유니트 1A 및 1B는, 예를 들면, 각각 블랙 잉크 조성물 및 칼라 잉크 조성물을 토출하는 것으로 하고 있다. 그리고, 구동 모터(6)의 구동력이 도시하지 않는 복수의 톱니바퀴 및 타이밍 벨트(7)를 통하여 캐리지(3)에 전달되는 것으로, 기록 헤드 유니트 1A 및 1B를 탑재한 캐리지(3)는 캐리지 축(5)에 따라서 이동된다. 한편, 장치 본체(4)에는 캐리지 축(5)에 따라서 플레이튼(platen)(8)이 설치되어 있어, 도시하지 않는 급지(給紙) 롤러 등에 의해 급지된 종이 등의 기록 매체인 기록 시트(S)가 플레이튼(8) 위를 반송되게 하도록 되어 있다.
또, 상술한 실시 형태에 있어서는, 본 발명의 액체 분사 헤드의 일례로서 잉크젯 기록 헤드를 설명하였으나, 액체 분사 헤드의 기본적 구성은 상술한 것으로 한정되는 것은 아니다. 본 발명은, 넓고 액체 분사 헤드의 전반(全般)을 대상으로 한 것이고, 잉크 이외의 액체를 분사하는 것에도 물론 적용할 수 있다. 그 외의 액체 분사 헤드로서는, 예를 들면, 프린터 등의 화상 기록 장치에 이용되는 각종의 기록 헤드, 액정 디스플레이 등의 칼라 필터의 제조에 이용되는 색재(色材) 분사 헤드, 유기 EL 디스플레이, FED(면 발광 디스플레이) 등의 전극 형성에 이용되는 전극 재료 분사 헤드, 바이오chip 제조에 이용되는 생체 유기물 분사 헤드 등을 들 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은, 액체 분사 헤드와 그 제조 방법 및 액체 분사 장치에 관한 것이고, 특히, 잉크 방울을 토출하는 노즐 개구와 연통하는 압력 발생 챔버의 일부를 진동판으로 구성하고, 이 진동판의 상면에 압전 소자를 형성하여, 압전 소자의 변위에 의해 잉크 방울을 토출시키는 잉크젯 기록 헤드와 그 제조 방법 및 잉크젯 기록 장치에 이용 가능하다.

Claims (33)

  1. 액체 방울을 토출하는 노즐 개구에 각각 연통하는 압력 발생 챔버가 형성되는 유로 형성 기판과, 그 유로 형성 기판의 한쪽 면 측에 진동판을 통하여 설치되는 하부 전극, 압전체 층 및 상부 전극으로 이루어진 압전 소자를 구비하고, 적어도 상기 압전 소자를 구성하는 각 층의 패턴 영역이, 무기 어모퍼스(amorphous) 재료로 이루어지는 절연막에 의해 덮여져 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 어모퍼스 재료가, 산화 알루미늄(Al2O3)인 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 절연막의 막 두께가 30 ~ 150[nm]인 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 절연막의 막 밀도가, 3.08 ~ 3.25[g/cm3]인 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  5. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연막의 탄성력의 영의 계수가 170 ~ 200[GPa]인 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연막의 응력과 상기 상부 전극의 응력과의 합이 압축 응력으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 절연막 및 상기 상부 전극의 각각의 응력이 압축 응력으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 상부 전극은, 적어도 Pt로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 절연막의 응력이 압축 응력으로 되어 있고, 또한 상기 상부 전극의 응력이 인장 응력으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 상부 전극은, 적어도 Ir로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서,
    상기 상부 전극 및 상기 절연막의 응력(σ)이 탄성력의 영의 계수(Y), 왜(歪)(ε), 막 두께(m)의 곱(ε×Y×m)으로 나타내고, 상기 상부 전극의 응력(σ1)과 상기 절연막의 응력(σ2)과의 관계가 ｜σ1｜<｜σ2｜의 조건을 만족하고 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 전극으로부터 인출되는 상부 전극용 리드 전극을 더 포함하고, 적어도 상기 압전 소자를 구성하는 각 층 및 상기 상부 전극용 리드 전극의 패턴 영역이, 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극용 리드 전극의 접속 배선과의 접속부에 대향하는 영역을 제외하여, 상기 절연막에 의해 덮여져 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 상부 전극용 리드 전극이, 알루미늄을 주성분으로 하는 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  14. 제 12 또는 제 13항에 있어서,
    상기 하부 전극으로부터 인출되는 하부 전극용 리드 전극을 구비하여 그 하부 전극용 리드 전극을 통하여 상기 하부 전극이 상기 접속 배선과 접속하고, 상기 하부 전극용 리드 전극을 포함한 상기 패턴 영역이, 상기 상부 전극용 리드 전극 및 상기 하부 전극용 리드 전극의 상기 접속 배선에 대향하는 영역을 제외하여, 상기 절연막에 의해 덮여져 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  15. 제 12 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 전극과 상기 상부 전극용 리드 전극이 다른 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  16. 제 12항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 소자를 구성하는 상기 압전체 층 및 상기 상부 전극이 상기 압력 발생 챔버에 대향하는 영역으로부터 그 바깥쪽까지 연장하여 설치되어 압전체 비능동부가 형성되고, 상기 상부 전극용 리드 전극의 상기 상부 전극 측의 단부가, 상기 압전체 비능동부 위에서 또한 상기 압력 발생 챔버의 바깥쪽에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  17. 제 12항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접속 배선이 접속된 상태에서, 상기 접속부가 유기 절연체로 이루어지는 봉지 재료에 의해 덮여져 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  18. 제 12항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연막이, 제 1 절연막과 제 2 절연막을 포함하고, 상기 압전 소자가 상기 상부 전극용 리드 전극과의 접속부를 제외하여 상기 제 1 절연막에 의해 덮여지며, 또한 상기 상부 전극용 리드 전극이 상기 제 1 절연막 위에 연장되어 설치됨과 동시에 적어도 상기 압전 소자를 구성하는 각 층 및 상기 상부 전극용 리드 전극의 패턴 영역이, 상기 접속부에 대향하는 영역을 제외하여 상기 제 2 절연막에 의해 덮여져 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  19. 제 12항 내지 제 18항에 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접속 배선이, 상기 상부 전극용 리드 전극으로부터 인출되는 제 2 상부 전극용 리드 전극을 포함하고, 그 제 2 상부 전극용 리드 전극이 상기 절연막 위에 연장되어 설치되어 상기 접속부에서 상기 상부 전극용 리드 전극에 접속됨과 동시에 그 제 2 상부 전극용 리드 전극의 선단부 측에 구동 배선이 접속되는 단자부를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  20. 제 12항 내지 제 19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 소자를 구성하는 상기 압전체 층 및 상기 상부 전극이 상기 압력 발생 챔버에 대향하는 영역으로부터 그 바깥쪽까지 연장하여 설치되어 압전체 비능동부가 형성되고, 상기 상부 전극에 접속되는 상기 상부 전극용 리드 전극의 그 상부 전극 측의 단부가, 상기 압전체 비능동부 위에서 또한 상기 압력 발생 챔버의 바깥쪽에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  21. 제 12항 내지 제 20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유로 형성 기판의 상기 압전 소자 측의 면에는, 그 압전 소자를 보호하는 공간인 압전 소자 유지부를 가지는 보호 기판이 접속되고, 상기 상부 전극용 리드 전극의 상기 접속부가, 상기 압전 소자 유지부의 바깥쪽에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  22. 제 1항 내지 제 21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유로 형성 기판의 상기 압전 소자 측의 면에는, 그 압전 소자를 보호하는 공간인 압전 소자 유지부를 가지는 보호 기판이 접합층을 통하여 접합되고, 이 보호 기판이 상기 압력 발생 챔버에 공급되는 액체의 유로를 구비하여 상기 압전 소자 유지부의 상기 유로 측의 상기 접착층이 상기 유로 내에 노출되어 있으며, 상기 압전 소자 유지부의 상기 유로 측 이외의 영역에 그 압전 소자 유지부 내의 수분을 투과하는 투습(透濕)부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 투습부가, 유기 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  24. 제 22 또는 23항에 있어서,
    상기 투습부가 상기 보호 기판의 상기 유로 형성 기판과의 접합면의 일부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  25. 제 22항 또는 제 23항에 있어서,
    상기 투습부가, 상기 보호 기판의 상면에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  26. 제 24항 또는 제 25항에 있어서,
    상기 투습부가, 상기 접착층을 구성하는 접착제보다도 수분의 투과성이 높은 접착제로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  27. 제 22항 또는 제 25항에 있어서,
    상기 투습부가, 포팅(potting) 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  28. 제 22항 내지 제 27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 투습부가, 상기 압전 소자 유지부의 상기 유로와의 반대 측의 영역에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  29. 제 22항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 투습부가, 상기 압력 발생 챔버의 열(列)의 양단부 바깥쪽에 대응하는 영역의 상기 보호 기판에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드.
  30. 제 1항 내지 제 29항 중 어느 한 항의 액체 분사 헤드를 구비하는 것을 특징으로 하는 액체 분사 장치.
  31. 액체 방울을 토출하는 노즐 개구에 각각 연통하는 압력 발생 챔버가 형성되는 유로 형성 기판의 한쪽 면 측에 진동판을 통하여 하부 전극, 압전체 층 및 상부 전극으로 이루어지는 압전 소자를 형성하는 공정과, 그 압전 소자의 상기 상부 전극으로부터 인출되는 상부 전극용 리드 전극을 형성하는 공정과, 상기 유로 형성 기판의 상기 압전 소자 측의 전면(全面)에 무기 어모퍼스 재료로 이루어지는 절연막을 형성하는 공정과, 적어도 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극용 리드 전극의 접속 배선과의 접속부를 노출시키고 또한 이 접속부를 제외한 상기 압전 소자를 구성하는 각 층 및 상기 상부 전극용 리드 전극의 패턴 영역의 상기 절연막을 남기도 록 그 절연막을 패터닝(patterning)하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드의 제조 방법.
  32. 제 31항에 있어서,
    상기 절연막을 패터닝하는 공정에서는, 소정 영역의 상기 절연막을 이온 밀링(ion milling)에 의해 제거하는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드의 제조 방법.
  33. 제 31항 또는 제 32항에 있어서,
    상기 절연막을 패터닝하는 공정의 후에, 상기 유로 형성 기판의 상기 압전 소자 측의 면에 그 압전 소자를 보호하는 압전 소자 유지부 및 상기 압력 발생 챔버에 공급되는 액체의 유로를 가지는 보호 기판을 접합하는 공정을 더 가지고, 또한 이 보호 기판을 접합하는 공정에서는, 상기 압전 소자 유지부 주연의 상기 유로 측을 제외한 영역의 일부에 공간부를 남겨 상기 보호 기판에 접착제를 도포하여 그 보호 기판과 상기 유로 형성 기판을 접합함과 동시에, 상기 공간부를 상기 접착제보다도 수분의 투과율이 높은 재료로 봉지(封止)하여 상기 압전 소자 유지부 내의 수분을 투과하는 투습부를 형성하는 것을 특징으로 하는 액체 분사 헤드의 제조 방법.
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