JP2006327109A

JP2006327109A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置

Info

Publication number: JP2006327109A
Application number: JP2005156275A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Sawamoto; 俊宏澤本
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2005-05-27
Publication date: 2006-12-07

Abstract

【課題】各圧電素子と駆動ＩＣとを容易且つ確実に接続することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供する。
【解決手段】ノズル開口に連通する圧力発生室１２が形成される流路形成基板１０と、流路形成基板１０の一方面側に振動板を介して設けられる圧電素子と、流路形成基板の圧電素子側の面に設けられる保護基板３０と、圧電素子３００を駆動する駆動ＩＣ１１０が一方面側に搭載されると共に他方面側に駆動ＩＣ１１０と電気的に接続される接触ピン４６が各圧電素子３００に対応して立設された実装基板４５とを有し、且つこの駆動ＩＣ１１０が実装された実装基板４５が、各接触ピン４６が圧電素子から引き出される各リード電極９０にそれぞれ接触した状態で保護基板３０上に固定されているようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体を噴射する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特に、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を吐出させるインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置に関する。

液体噴射ヘッドの代表例としては、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室を圧電素子により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が挙げられる。このようなインクジェット式記録ヘッドでは、一般的に、圧電素子は駆動ＩＣ（半導体集積回路）によって駆動が制御されている。この駆動ＩＣは、何れの位置に設けられていてもよいが、近年のヘッドの小型化に伴い、例えば、圧力発生室を有する流路形成基板上に固定される保護基板上に搭載された構造が知られている。そして、このように保護基板上に駆動ＩＣを搭載した構造では、通常、駆動ＩＣはワイヤボンディングによって各圧電素子から引き出されたリード電極と接続される（例えば、特許文献１参照）。

このような構造では、圧電素子とリード電極とを電気的に良好に接続することはできる。しかしながら、製造効率が低く、製造コストが高くなってしまうという問題がある。具体的には、各圧電素子（リード電極）でボンディング工程を行うため、駆動ＩＣと各リード電極との接続に時間がかかってしまい、またボンディング工程の多さに伴って歩留まりが低くなり、結果として製造コストが高くなってしまうという問題がある。

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はなく、勿論、インク以外の液体を噴射する他の液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。

特開２００４−１７６００号公報（第１図、第２図等）

本発明は、このような事情に鑑み、各圧電素子と駆動ＩＣとを容易且つ確実に接続することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子と、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保護する圧電素子保持部が設けられた保護基板と、前記圧電素子を駆動する駆動ＩＣが一方面側に搭載されると共に他方面側に前記駆動ＩＣと電気的に接続される接触ピンが各圧電素子に対応して立設された実装基板とを有し、且つ前記駆動ＩＣが実装された前記実装基板は、各接触ピンが前記圧電素子から引き出される各リード電極にそれぞれ接触した状態で前記保護基板に固定されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第１の態様では、保護基板上に駆動ＩＣが予め実装された実装基板を固定することによって、保護基板上への駆動ＩＣの実装と、駆動ＩＣと各リード電極との電気的な接続を同時に行うことができる。したがって、製造効率が大幅に向上し、歩留まりも著しく向上する。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記接触ピンが、前記リード電極に弾接するように付勢されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第２の態様では、接触ピンとリード電極とを確実に接触させることができ、圧電素子と駆動ＩＣとが電気的に良好に接続される。

本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記実装基板が実質的に前記保護基板が凸となるように湾曲した状態で固定され、前記接触ピンが前記実装基板の弾性力によって付勢されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第３の態様では、接触ピンとリード電極とを比較的容易且つ確実に接触させることができる。

本発明の第４の態様は、第２の態様において、前記接触ピンが、弾性部材を介して前記実装基板に立設され当該接触ピンの軸方向で移動可能となっており、当該接触ピンが前記弾性部材の弾性力によって付勢されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第４の態様では、接触ピンとリード電極とをより確実に接触させることができる。

本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記弾性部材が、バネ部材であることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第５の態様では、接触ピンが確実に付勢され、接触ピンとリード電極とをさらに確実に接触させることができる。

本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様において、前記保護基板上に固定されて前記駆動ＩＣを囲む空間を有するケースヘッドをさらに有し、且つ前記駆動ＩＣが実装された前記実装基板が当該ケースヘッドに一体化された状態で前記保護基板上に固定されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第６の態様では、ケースヘッドを固定すると同時に、駆動ＩＣの実装及び駆動ＩＣと圧電素子との電気的接続を行うことができ、製造効率がさらに向上する。

本発明の第７の態様は、第１〜６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。
かかる第７の態様では、耐久性及び信頼性に優れたインクジェット式記録装置を比較的安価で製造することができる。

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、実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図２は、実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図及びその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、その一方面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ１〜２μｍの弾性膜５０が設けられている。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形成され、隔壁１１によって区画された複数の圧力発生室１２が並設されている。また、圧力発生室１２の長手方向外側には、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する連通部１３が形成され、この連通部１３は各圧力発生室１２の長手方向一端部とそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。また、各圧力発生室１２の一端に連通する各インク供給路１４の断面積は、圧力発生室１２のそれより小さく形成されており、圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。

ノズルプレート２０には複数のノズル開口２１が穿設されており、このノズルプレート２０は、流路形成基板１０の開口面側に、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、本実施形態では、ノズルプレート２０は、流路形成基板１０に圧力発生室１２等をエッチングにより形成する際のマスクとなる絶縁膜５１を介して流路形成基板１０に固着されている。そして、各ノズル開口２１は、圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍にそれぞれ連通している。

一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように、厚さが例えば約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とが積層形成されて、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を圧電素子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、このような各圧電素子３００の上電極膜８０には、それぞれリード電極９０が接続されており、このリード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に電圧が印加されるようになっている。詳しくは後述するが、本実施形態では、各リード電極９０は、それぞれ、流路形成基板１０の端部近傍まで延設されており、その先端部近傍は、後述する接触ピンが接続される接続部９０ａとなっている。

このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、圧電素子３００に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保可能な圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が接着剤３５によって接着されている。また、保護基板３０には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３２が設けられている。このリザーバ部３２は、本実施形態では、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に渡って形成されており、弾性膜５０等に設けられた連通孔を介して流路形成基板１０の連通部１３と連通され、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。なお、このような保護基板３０としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等が挙げられるが、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることがより好ましく、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、保護基板３０のリザーバ部３２に対応する領域には、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。封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３２の一方面が封止されている。固定板４２は、金属等の硬質の材料で形成されている。また、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。

さらに、この保護基板３０上、すなわち、保護基板３０の圧電素子保持部３１とは反対側の表面には、圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ（半導体集積回路）１１０が実装された実装基板４５が接着剤３６によって固定されている。ここで、この実装基板４５は、図示しない所定の配線パターンが形成されたいわゆる多層プリント配線板であり、駆動ＩＣ１１０は、この実装基板４５上にフリップチップ実装されている。また、この実装基板４５の裏面には、複数の接触ピン４６が各圧電素子３００（リード電極９０）に対応して立設され、実装基板４５の配線パターンに接続を介して駆動ＩＣ１１０と電気的に接続されている。そして、これらの接触ピン４６は、実装基板４５が保護基板３０に固定されることで、それぞれリード電極９０の接続部９０ａに接触した状態に保持される。

このような構成では、実装基板４５を保護基板３０上に固定することで、各接触ピン４６を各リード電極９０の接続部９０ａに接触させて、各圧電素子３００と駆動ＩＣ１１０とを電気的に接続することができる。これにより、圧電素子３００と駆動ＩＣ１１０とを極めて容易に電気的に接続することができ、製造効率が大幅に向上すると共に、歩留まりが著しく向上する。したがって、製造コストを大幅に削減することができる。なお、このように接触ピン４６を介して駆動ＩＣ１１０とリード電極９０とを電気的に接続する場合でも、ワイヤボンディングで接続していた従来の構造を変更することなくそのままの構造を採用することが可能である。このため、接触ピン４６を用いた構造とすることによるコストの増加は極めて少ない。

また、実装基板４５は、各接触ピン４６がリード電極９０に接触した状態で固定されていればよいが、特に、各接触ピン４６がリード電極９０と弾接するように付勢された状態となるように保護基板３０に固定されていることが好ましい。このため、例えば、本実施形態では、図３に示すように、接触ピン４６の長さを保護基板３０の厚さよりも若干長くしておき、実装基板４５を、保護基板３０側が凸となるように反った状態で保護基板３０上に固定して、実装基板４５の弾性力によって接触ピン４６がリード電極９０側に付勢されるようにしている。これにより、各接触ピン４６とリード電極９０とをより確実に接触させることができ、歩留まりをさらに向上することができる。

以上説明した本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、図示しないインク供給手段からインクを取り込み、リザーバ１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動ＩＣ１１０からの駆動信号に従い、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との間に駆動電圧を印加し、圧電素子３００及び振動板を変位させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインクが吐出する。

なお、上述したように、本実施形態では、実装基板４５の弾性力によって、接触ピン４６がリード電極９０側に付勢されるようにしたが、接触ピン４６を付勢するための構造は特に限定されるものではない。例えば、図４に示すように、接触ピン４６の基端部側にバネ部材等の弾性部材４７を設け、各接触ピン４６をその軸方向で若干移動可能に保持する。そして、実装基板４５が保護基板３０に固定された状態で、この弾性部材４７の弾性力によって接触ピン４６がリード電極９０側に付勢されるようにしてもよい。

このような構成では、各接触ピン４６のリード電極９０との接触不良の発生をさらに確実に防止することができる。例えば、流路形成基板１０の反り等によって、各リード電極９０表面の高さにばらつきが生じる場合があるが、このような場合でも、各接触ピン４６が、それぞれ弾性部材４７によって個別に付勢されているため、各リード電極９０と接触ピン４６とを確実且つ良好に接触させることができ、接触不良の発生を防止することができる。

また、本実施形態では、リード電極９０の接続部９０ａが一列に配置された構成を例示したが、例えば、３６０ｄｐｉ程度の配列密度で圧電素子３００を並設する場合には、図５及び図６に示すように、各リード電極９０の接続部９０ａを千鳥状に配置するのが好ましい。圧電素子３００を高密度に配列すると、リード電極９０のピッチが短くなるため、各リード電極９０を細く形成する必要があるが、接触ピン４６を確実に接触させるためには、接続部９０ａの幅を接触ピン４６の直径以上の幅とすることが好ましい。そして、図５に示すように、リード電極９０の接続部９０ａを千鳥状に配置することで、圧電素子３００を高密度に配列してリード電極９０を細く形成した場合でも、接続部９０ａの幅を接触ピン４６の直径と同等の幅に確保することができる。例えば、本実施形態では、接触ピン４６の直径は８０μｍ程度であるため、リード電極９０の接続部９０ａを約８０μｍの幅で形成している。

これにより、多数の圧電素子３００を高密度に良好に配列することができ、且つ接続部９０ａの幅を比較的広く確保して、リード電極９０と接触ピン４６とを確実に接触させることができる。例えば、各リード電極９０のピッチを６０μｍ程度と接触ピン４６の直径よりも狭くしても、隣接する接触ピン４６同士の接触を防止して、各リード電極９０と接触ピン４６とを良好に接続することができる。

（実施形態２）
図７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。
図７に示すように、本実施形態では、流路形成基板１０に、圧力発生室１２の列が２列形成されている。また、駆動ＩＣ１１０が実装された実装基板４５は、各圧力発生室１２の列に対応して設けられ、各接触ピン４６は、流路形成基板１０の中央部、すなわち、圧力発生室１２の列間で、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０に接触させるようにしている。そして、本実施形態では、保護基板３０上に固定されて駆動ＩＣ１１０を囲む空間部を画成するケースヘッド１２０をさらに有し、実装基板４５が、このケースヘッド１２０に一体化された状態で、保護基板３０上に固定されている以外は、実施形態１と同様である。

このように実装基板４５をケースヘッド１２０と一体化させておくことで、ケースヘッド１２０を保護基板３０に接着固定する際、駆動ＩＣ１１０の実装及び駆動ＩＣ１１０と各圧電素子３００（リード電極９０）との電気的接続も同時に行うことができるため、製造効率がさらに向上する。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。また、上述の実施形態では、成膜及びリソグラフィプロセスを応用して製造される薄膜型のインクジェット式記録ヘッドを例示したが、本発明は、それ以外の構成のインクジェット式記録ヘッド、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等にも採用することができる。

さらに、このような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。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上に搬送されるようになっている。

また、上述した実施形態においては、本発明の液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを説明したが、液体噴射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。本発明は、広く液体噴射ヘッドの全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射するものにも勿論適用することができる。その他の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各種の記録ヘッド、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が挙げられる。

実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。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。実施形態１に係る接触ピンを示す概略断面図である。実施形態１に係る接触ピンの変形例を示す概略断面図である。実施形態１に係るリード電極の変形例を示す図である。実施形態１に係る記録ヘッドの変形例を示す断面図である。実施形態２に係る記録ヘッドの断面図である。一実施形態に係る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保護基板、３１圧電素子保持部、３２リザーバ部、３５，３６接着剤、４０コンプライアンス基板、４５実装基板、４６接触ピン、４７弾性部材、５０弾性膜、６０下電極膜、７０圧電体層、８０上電極膜、９０リード電極、１００リザーバ、１１０駆動ＩＣ、１２０ケースヘッド、３００圧電素子

Claims

液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子と、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保護する圧電素子保持部が設けられた保護基板と、前記圧電素子を駆動する駆動ＩＣが一方面側に搭載されると共に他方面側に前記駆動ＩＣと電気的に接続される接触ピンが各圧電素子に対応して立設された実装基板とを有し、且つ前記駆動ＩＣが実装された前記実装基板は、各接触ピンが前記圧電素子から引き出される各リード電極にそれぞれ接触した状態で前記保護基板に固定されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
請求項１において、前記接触ピンが、前記リード電極に弾接するように付勢されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
請求項２において、前記実装基板が実質的に前記保護基板が凸となるように湾曲した状態で固定され、前記接触ピンが前記実装基板の弾性力によって付勢されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
請求項２において、前記接触ピンが、弾性部材を介して前記実装基板に立設され当該接触ピンの軸方向で移動可能となっており、当該接触ピンが前記弾性部材の弾性力によって付勢されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
請求項４において、前記弾性部材が、バネ部材であることを特徴とする液体噴射ヘッド。
請求項１〜５の何れかにおいて、前記保護基板上に固定されて前記駆動ＩＣを囲む空間を有するケースヘッドをさらに有し、且つ前記駆動ＩＣが実装された前記実装基板が当該ケースヘッドに一体化された状態で前記保護基板上に固定されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
請求項１〜６の何れか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。