JP2011136462A - Liquid droplet ejecting head and liquid droplet ejecting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置に関するものである。 The present invention relates to a droplet discharge head and a droplet discharge device.
従来、液滴吐出装置で用いられる液滴吐出ヘッドとして、圧電素子(ピエゾ素子)を用いて弾性膜を変位させ、その弾性膜の変位によってノズルからインク液滴を吐出する液滴吐出ヘッドが知られている。この種の液滴吐出ヘッドでは、弾性膜及び圧電素子が形成された第1基板上に、圧電素子を封止するための第2基板を接着し、第2基板に形成した開口部に圧電素子の端子を露出させ、その端子に駆動ICをワイヤボンディング接続する方法が一般的である。しかしながら、この方法では、ノズルの高密度化、液滴吐出ヘッドの小型化に対応するのが難しいため、特許文献1では、第2基板を省略し、圧電素子の端子上に直接駆動ICをフリップチップ実装する方法が提案されている。
Conventionally, as a droplet discharge head used in a droplet discharge device, a droplet discharge head that uses a piezoelectric element (piezo element) to displace an elastic film and discharges ink droplets from nozzles by the displacement of the elastic film is known. It has been. In this type of droplet discharge head, a second substrate for sealing the piezoelectric element is bonded onto the first substrate on which the elastic film and the piezoelectric element are formed, and the piezoelectric element is inserted into the opening formed in the second substrate. In general, a method is used in which a terminal is exposed and a driving IC is connected to the terminal by wire bonding. However, in this method, it is difficult to cope with the high density of the nozzles and the miniaturization of the droplet discharge head. Therefore, in
しかしながら、特許文献1の方法では、圧電素子が外部に露出しているため、湿気等の存在によって圧電素子が劣化するという課題がある。特許文献1の液滴吐出ヘッドでは、駆動ICを封止基板として用い、駆動ICの周囲に封止樹脂を塗布して圧電素子を保護しているが、この方法では、弾性膜上に多数形成された圧電素子を駆動ICで覆う必要があるため、圧電素子の大きさや配置等によって駆動ICの大きさや形状が制限を受けるという課題がある。また、封止樹脂を駆動ICの周囲に塗布するため、駆動ICの周囲に濡れ広がった封止樹脂によって駆動ICの実装面積が大きくなり、フリップチップ実装を行って実装面積を小さくした効果が十分に発揮されなくなり、さらに、駆動ICと第1基板との隙間に濡れ広がった封止樹脂によって、駆動ICの直下に配置された圧電素子や弾性膜の動作が阻害される可能性もある。
However, the method of
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、湿気等の存在によって圧電素子が劣化しにくい液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a droplet discharge head and a droplet discharge device in which piezoelectric elements are unlikely to deteriorate due to the presence of moisture or the like.
上記の課題を解決するため、本発明の液滴吐出ヘッドは、ノズル開口に連通する圧力発生室を有する第1基板と、前記第1基板上に設けられ、前記第1基板と対向する面に凹部を有する第2基板と、前記第1基板と前記凹部とによって形成された空間に設けられた圧電素子と、前記空間に設けられ、前記圧電素子の端子にバンプからなる出力端子を介して電気的に接続された駆動ICと、を含み、前記圧電素子及び前記駆動ICは、前記第2基板に接しない位置に設けられていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a droplet discharge head according to the present invention includes a first substrate having a pressure generation chamber communicating with a nozzle opening, a surface provided on the first substrate and facing the first substrate. A second substrate having a recess, a piezoelectric element provided in a space formed by the first substrate and the recess, and an electric terminal provided in the space via an output terminal made of a bump. The piezoelectric element and the driving IC are provided at positions not in contact with the second substrate.
この構成によれば、圧電素子の端子上に駆動ICのバンプを直接接触させて電気的接続を図るため、圧電素子の端子間の間隔を短くすることができ、ノズルの高密度化が可能となる。また、第2基板の凹部を圧電素子及び駆動ICを収容可能な大きさとし、これにより圧電素子及び駆動ICを凹部内の空間に封止したため、湿気等の存在によって圧電素子や駆動ICが劣化することが抑制される。さらに、圧電素子の封止が第2基板によって行われるため、駆動ICの大きさ、形状、配置、個数等の設計自由度が高く、例えば特許文献1のように駆動ICの大きさや形状が圧電素子の大きさや配置等によって制限されるという問題は生じ難い。
According to this configuration, the bumps of the driving IC are directly brought into contact with the terminals of the piezoelectric element to achieve electrical connection. Therefore, the interval between the terminals of the piezoelectric element can be shortened, and the nozzle density can be increased. Become. In addition, since the concave portion of the second substrate has a size that can accommodate the piezoelectric element and the driving IC, and the piezoelectric element and the driving IC are sealed in the space in the concave portion, the piezoelectric element and the driving IC deteriorate due to the presence of moisture or the like. It is suppressed. Furthermore, since the piezoelectric element is sealed by the second substrate, the degree of freedom in designing the size, shape, arrangement, number, etc. of the drive IC is high. For example, as shown in
本発明において、前記第2基板は、前記圧力発生室に連通する液室の少なくとも一部を有し、前記凹部と前記液室とは、前記第2基板の一部を介して隣り合うように配置されていることが望ましい。この構成によれば、駆動ICの熱が液室のインクに伝わり易くなり、効果的に放熱することができる。 In the present invention, the second substrate has at least a part of a liquid chamber communicating with the pressure generating chamber, and the recess and the liquid chamber are adjacent to each other through a part of the second substrate. It is desirable that they are arranged. According to this configuration, the heat of the driving IC is easily transmitted to the ink in the liquid chamber, and can be effectively radiated.
本発明においては、前記第1基板に、第1方向に配列した複数の前記圧電素子からなる圧電素子列が1列又は複数列設けられ、前記駆動ICの出力端子が前記第1方向に沿って複数設けられ、前記駆動ICの入力端子が前記第1方向と直交する第2方向に沿って複数設けられ、前記第1基板の前記駆動ICの入力端子と対向する位置に当該入力端子と接続する導電部が設けられ、前記導電部は、前記圧電素子列に対して前記第1方向に離間した位置に設けられていることが望ましい。 In the present invention, the first substrate is provided with one or a plurality of rows of the piezoelectric elements composed of the plurality of piezoelectric elements arranged in the first direction, and the output terminal of the drive IC extends along the first direction. A plurality of input terminals of the drive IC are provided along a second direction orthogonal to the first direction, and are connected to the input terminals at positions facing the input terminals of the drive IC on the first substrate. It is desirable that a conductive portion is provided, and the conductive portion is provided at a position spaced apart from the piezoelectric element array in the first direction.
この構成によれば、駆動ICに信号を入力する導電部を所定の位置に集約することができる。そのため、導電部に接続する部材、例えばフレキシブル基板を小型化することができ、液滴吐出ヘッドの小型化が可能となる。好ましくは、前記駆動ICは、前記第1方向を長辺とし、前記第2方向を短辺とする矩形形状を有し、前記駆動ICの前記出力端子が前記長辺に沿って複数設けられ、前記駆動ICの前記入力端子が前記短辺に沿って複数設けられていることが良い。これにより、駆動ICに信号を入力する導電部を駆動ICの短辺に集約することができ、液滴吐出ヘッドの更なる小型化が可能となる。 According to this configuration, the conductive portions that input signals to the drive IC can be concentrated at a predetermined position. Therefore, a member connected to the conductive portion, for example, a flexible substrate can be reduced in size, and the droplet discharge head can be reduced in size. Preferably, the drive IC has a rectangular shape having the first direction as a long side and the second direction as a short side, and a plurality of the output terminals of the drive IC are provided along the long side, A plurality of the input terminals of the driving IC may be provided along the short side. As a result, the conductive portions for inputting signals to the drive IC can be concentrated on the short side of the drive IC, and the droplet discharge head can be further miniaturized.
例えば、前記導電部は、前記圧電素子列の配列方向両側を挟む位置のうちいずれか一方の位置のみに設けられているものとすることができる。或いは、前記導電部は、前記圧電素子列の配列方向両側を挟む位置に設けられているものとすることができる。 For example, the conductive portion may be provided only at one of the positions sandwiching both sides in the arrangement direction of the piezoelectric element rows. Or the said electroconductive part shall be provided in the position which pinches | interposes the arrangement direction both sides of the said piezoelectric element row | line | column.
圧電素子列の配列方向一方側のみに前記導電部を設けた場合には、導電部に接続する部材(例えばフレキシブル基板)を1箇所に集約することができるので、部材コストの低減及び液滴吐出ヘッドの小型化に最も適した構成となる。しかし、液滴吐出ヘッドが多数の圧電素子を有し、1つの駆動ICのみでは全ての圧電素子を駆動できない場合には、複数の圧電素子をその配列方向において2分割し、一方を第1の駆動ICで駆動し、他方を第2の駆動ICで駆動することも考えられる。この場合には、導電部を圧電素子列の配列方向両側に設けることで、このような問題が解決される。 In the case where the conductive portion is provided only on one side in the arrangement direction of the piezoelectric element array, members (for example, flexible substrates) connected to the conductive portion can be concentrated in one place, so that the member cost can be reduced and the droplet discharge can be performed. The configuration is most suitable for downsizing the head. However, when the droplet discharge head has a large number of piezoelectric elements and not all of the piezoelectric elements can be driven by only one driving IC, the plurality of piezoelectric elements are divided into two in the arrangement direction, and one of them is the first It is also conceivable to drive with the driving IC and to drive the other with the second driving IC. In this case, such a problem is solved by providing the conductive portions on both sides in the arrangement direction of the piezoelectric element rows.
本発明においては、前記駆動ICと前記圧電素子との配置を駆動ICの大きさに応じて任意に設計することができる。例えば、駆動ICが大きい場合には、圧電素子を第1基板上に複数列配置し、それを跨いで駆動ICを実装することができる。具体的には、前記第1基板上には、前記圧電素子列が前記第2方向に沿って2列設けられ、前記駆動ICは前記2列の圧電素子列を覆うように配置され、前記2列の圧電素子列を挟んだ両側の位置において、前記駆動ICの出力端子と前記圧電素子の端子とが接続されている構成を採用することができる。 In the present invention, the arrangement of the driving IC and the piezoelectric element can be arbitrarily designed according to the size of the driving IC. For example, when the driving IC is large, a plurality of rows of piezoelectric elements can be arranged on the first substrate, and the driving IC can be mounted across the plurality of rows. Specifically, two rows of the piezoelectric element rows are provided on the first substrate along the second direction, and the driving IC is disposed so as to cover the two rows of piezoelectric element rows. A configuration in which the output terminal of the drive IC and the terminal of the piezoelectric element are connected at positions on both sides of the piezoelectric element array of the array can be employed.
また、駆動ICが小さく、複数列配置した圧電素子を跨いで実装することができない場合には、2列の圧電素子の間に駆動ICを配置することができる。具体的には、前記第1基板上には、前記圧電素子列が前記第2方向に沿って2列設けられ、前記駆動ICは前記2列の圧電素子列の間に配置され、前記2列の圧電素子列の間の領域において、前記駆動ICの出力端子と前記圧電素子の端子とが接続されている構成を採用することができる。 When the drive IC is small and cannot be mounted across the piezoelectric elements arranged in a plurality of rows, the drive IC can be placed between the two rows of piezoelectric elements. Specifically, two rows of the piezoelectric element rows are provided on the first substrate along the second direction, and the driving IC is disposed between the two rows of piezoelectric element rows. It is possible to adopt a configuration in which the output terminal of the driving IC and the terminal of the piezoelectric element are connected in a region between the piezoelectric element arrays.
このように、本発明の液滴吐出ヘッドでは、駆動ICと圧電素子とを比較的自由に配置することができるため、それらの配置を適切に設計することで、小型の液滴吐出ヘッドを提供することが可能である。 As described above, in the droplet discharge head of the present invention, the drive IC and the piezoelectric element can be arranged relatively freely. Therefore, a small-sized droplet discharge head is provided by appropriately designing the arrangement thereof. Is possible.
本発明においては、前記駆動ICは、前記圧電素子にフリップチップ実装されていることが望ましい。 In the present invention, the driving IC is preferably flip-chip mounted on the piezoelectric element.
フリップチップ実装とは、ベアチップの表面(駆動ICの回路面)にバンプと呼ばれる突起電極を形成し、該表面を下に向けてベアチップを第1基板に直接電気接続する実装方法である。フリップチップ実装では、駆動ICの回路面が第1基板と対向するように配置されるため、駆動ICで発生する熱が第1基板に形成した流路に伝わり易くなり、流路を流れる液体の増粘が抑えられるという効果がある。 Flip chip mounting is a mounting method in which bump electrodes called bumps are formed on the surface of the bare chip (circuit surface of the driving IC), and the bare chip is directly electrically connected to the first substrate with the surface facing down. In flip chip mounting, the circuit surface of the driving IC is arranged so as to face the first substrate, so that heat generated by the driving IC is easily transferred to the flow path formed on the first substrate, and the liquid flowing through the flow path There is an effect that thickening is suppressed.
本発明においては、前記導電部にフレキシブル基板が接続されていることが望ましい。 In the present invention, it is desirable that a flexible substrate is connected to the conductive portion.
この構成によれば、液滴吐出ヘッドと液滴吐出装置本体部とを可撓性のフレキシブル基板で接続することができるので、液滴吐出ヘッドと液滴吐出装置本体部との配置の自由度が高まる。 According to this configuration, since the droplet discharge head and the droplet discharge device main body can be connected by the flexible flexible substrate, the degree of freedom in arrangement of the droplet discharge head and the droplet discharge device main body. Will increase.
本発明の液滴吐出ヘッドは、ノズルと、前記ノズルに連通する圧力発生室を有する第1基板と、前記第1基板上に設けられ、前記第1基板に向かって開口が形成された凹部を有する第2基板と、前記第1基板と前記凹部とによって形成された空間に設けられた圧電素子と、前記空間に設けられ、前記圧電素子の端子にバンプを有する出力端子を介して電気的に接続された駆動ICと、を含み、前記圧電素子及び前記駆動ICは、前記第2基板から離間した位置に設けられていることを特徴とする。 The droplet discharge head of the present invention includes a nozzle, a first substrate having a pressure generation chamber communicating with the nozzle, and a recess provided on the first substrate and having an opening toward the first substrate. A second substrate having a piezoelectric element provided in a space formed by the first substrate and the recess, and electrically provided via an output terminal provided in the space and having a bump on a terminal of the piezoelectric element. The piezoelectric element and the drive IC are provided at positions separated from the second substrate.
この構成によれば、圧電素子の端子上に駆動ICのバンプを直接接触させて電気的接続を図るため、圧電素子の端子間の間隔を短くすることができ、ノズルの高密度化が可能となる。また、第2基板の凹部を圧電素子及び駆動ICを収容可能な大きさとし、これにより圧電素子及び駆動ICを凹部内の空間に封止したため、湿気等の存在によって圧電素子や駆動ICが劣化することが抑制される。さらに、圧電素子の封止が第2基板によって行われるため、駆動ICの大きさ、形状、配置、個数等の設計自由度が高く、例えば特許文献1のように駆動ICの大きさや形状が圧電素子の大きさや配置等によって制限されるという問題は生じ難い。
According to this configuration, the bumps of the driving IC are directly brought into contact with the terminals of the piezoelectric element to achieve electrical connection. Therefore, the interval between the terminals of the piezoelectric element can be shortened, and the nozzle density can be increased. Become. In addition, since the concave portion of the second substrate has a size that can accommodate the piezoelectric element and the driving IC, and the piezoelectric element and the driving IC are sealed in the space in the concave portion, the piezoelectric element and the driving IC deteriorate due to the presence of moisture or the like. It is suppressed. Furthermore, since the piezoelectric element is sealed by the second substrate, the degree of freedom in designing the size, shape, arrangement, number, etc. of the drive IC is high. For example, as shown in
本発明の液滴吐出装置は、上述した本発明の液滴吐出ヘッドを有することを特徴とする。 The droplet discharge device of the present invention has the above-described droplet discharge head of the present invention.
この構成によれば、小さいノズルピッチを有する液滴吐出ヘッドを用いて微細な画像又は微細なマイクロデバイスを形成することが可能であり、且つ、湿気等の存在により性能が劣化し難い液滴吐出装置を提供することができる。 According to this configuration, it is possible to form a fine image or a fine microdevice using a droplet discharge head having a small nozzle pitch, and the droplet discharge whose performance is not easily deteriorated due to the presence of moisture or the like. An apparatus can be provided.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明においては、XYZ直交座標系を設定し、このXYZ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。そして、水平面内における所定方向をX軸方向、水平面内においてX軸方向と直交する方向をY軸方向、X軸方向及びY軸方向のそれぞれに直交する方向(すなわち鉛直方向)をZ軸方向とする。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, an XYZ orthogonal coordinate system is set, and the positional relationship of each member will be described with reference to this XYZ orthogonal coordinate system. The predetermined direction in the horizontal plane is the X-axis direction, the direction orthogonal to the X-axis direction in the horizontal plane is the Y-axis direction, and the direction orthogonal to each of the X-axis direction and the Y-axis direction (that is, the vertical direction) is the Z-axis direction. To do.
[第1実施形態の液滴吐出ヘッド]
図1は、本発明の第1実施形態に係る液滴吐出ヘッドIJ1の分解斜視図であり、図2は、図1の平面図及びそのA−A′断面図である。
[Droplet Discharge Head of First Embodiment]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a droplet discharge head IJ1 according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view of FIG.
本実施形態の液滴吐出ヘッドIJ1は、流路形成基板10を含む第1基板と、第1上にフリップチップ実装された駆動IC150と、駆動IC150を封止する封止基板30を含む第2基板と、を備えている。第1基板は、ノズルプレート20のノズル開口(ノズル)21と連通する圧力発生室12が形成された流路形成基板10と、流路形成基板10上に設けられた弾性膜50と、弾性膜50上に設けられた絶縁膜55と、絶縁膜55上に設けられた圧電素子300と、を含み、第2基板は、圧電素子300及び駆動IC150と対向する面に圧電素子保持部31が形成された封止基板30と、封止基板30上に設けられたコンプライアンス基板40と、を含む。
The droplet discharge head IJ1 of this embodiment includes a first substrate including the flow
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及び保護膜51が形成されている。
In this embodiment, the flow
流路形成基板10には、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。圧力発生室12はX方向に長手方向を有する。流路形成基板10には、Y方向に配列した複数の圧力発生室12からなる1列分の圧力発生室(圧力発生室列)がX方向に2列設けられている。各列の圧力発生室12の長手方向外側には、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(液室)100を構成する連通部13が形成されている。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している。
The flow
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。
The
圧力発生室12、連通部13、インク供給路14は、シリコン単結晶基板からなる流路形成基板10を異方性エッチングすることにより形成される。例えば、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)面とが出現する。(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は約1/180である。よって、かかる異方性エッチングにより、2つの第1の(111)面と斜めの2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。
The
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。
In the present embodiment, the long side of each
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。
The thickness of the flow
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。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。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。
On the opening surface side of the flow
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。
Here, the size of the
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が設けられている。弾性膜50の上には、厚さが例えば約0.4μmの絶縁膜55を介して、圧電素子300が設けられている。圧電素子300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0.1μmの上電極膜80とが順次積層されてなるものである。
An
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を圧力発生室12毎にパターニングして構成する。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良い。
The
圧電素子300の下電極膜60、弾性膜50及び絶縁膜55は振動板として作用する。圧電素子300は、圧力発生室12毎に設けられている。圧電素子300は、圧力発生室12と同様にX方向に長手方向を有する。弾性膜50上には、Y方向に配列した複数の圧電素子300からなる1列分の圧電素子(圧電素子列)がX方向に2列設けられている。圧電素子300は、振動板(直接的には下電極膜60及び絶縁膜55を介して弾性膜50)を変位させ、その振動板の変位によってノズル開口21からインク液滴を吐出させる。
The
圧電素子300の一端部には、例えば、金(Au)等からなるリード電極90が形成されている。リード電極90は上電極膜80の長手方向(X方向)において流路形成基板の外周側に位置する端部に形成されている。リード電極90の上電極膜80と接続された側とは反対側の端部は、圧電素子300の端子90aとして機能する。この端子90aは、圧電素子300の配列に従ってY方向に配列しており、このような一列分の端子90aからなる端子列が、圧電素子列毎に1つずつ、合計2列分、弾性膜50上(より詳しくは絶縁膜55上)に配置されている。
A
圧電素子300の端子90aには、圧電素子300を駆動する駆動IC150の出力端子151が接続されている。駆動IC150の各端子90aに対向する位置には導電性のバンプからなる出力端子151が設けられており、この出力端子151を圧電素子300の端子90aに対向させて駆動IC150をフェースダウンボンディングすることにより、駆動IC150が第1基板上にフリップチップ実装されている。フリップチップ実装は、例えば、駆動IC150に出力端子151として金属バンプ、好ましくは金バンプを形成し、圧電素子300の端子90aとして金パッドを形成し、両者を加熱加圧、超音波接合、ろう付け、樹脂接合などして行うことができる。
An
本実施形態の場合、駆動IC150は圧電素子300の長手方向の幅に比べて十分な大きさがあり、駆動IC150は2列の圧電素子列を跨いで、すなわち2列の圧電素子列の上方を覆うように配置することが可能である。そのため、本実施形態では、2列の圧電素子列を互いの端子90a同士が向かい合わないように配置し、この2列の圧電素子列を挟んだ両側の位置において、駆動IC150の出力端子151と圧電素子300の端子90aとを接続している。
In the case of this embodiment, the driving
駆動IC150はY方向を長辺方向、X方向を短辺方向とする矩形形状を有する。駆動IC150の出力端子151は、駆動IC150の外周に沿って、駆動IC150の2つの長辺に1列ずつ設けられている。駆動IC150の短辺には、図示略の外部装置から描画情報に関する信号を入力する入力端子152が駆動IC150の外周に沿って複数設けられている。入力端子152と対向する弾性膜50上(より詳しくは絶縁膜55上)上には、当該入力端子152と接続される導電部61が、圧電素子列に対してY方向に離間した位置に設けられている。導電部61の入力端子152と接続される側とは反対側の端部は、フレキシブル基板160と接続される外部端子となっている。フレキシブル基板160は、柔軟に変形して図示略の外部装置と接続され、描画情報に関する信号を駆動IC150に入力する。
The
導電部61は、駆動IC150の入力端子152毎に設けられている。導電部61は、圧電素子300の端子列の両側(すなわちY方向に配列した複数の圧電素子300からなる圧電素子列の当該配列方向両側)を挟む位置のうち少なくとも一方の側の位置に設けられ、その一方の端部が圧電素子保持部31に配置されると共に、他方の端部が圧電素子保持部31の外側に延び出て流路形成基板10の端部上に露出している。
The
本実施形態では、導電部61は、流路形成基板10の長手方向一方側のみ、すなわち、Y方向に配列した複数の圧電素子300からなる圧電素子列の当該配列方向両側を挟む位置のうちいずれか一方の位置のみに設けられている。しかし、導電部61は、流路形成基板10の長手方向両側、すなわち、Y方向に配列した複数の圧電素子300からなる圧電素子列の当該配列方向両側を挟む位置に設けられても良い。
In the present embodiment, the
圧電素子列の配列方向一方側のみに導電部61を設けた場合には、導電部61に接続する部材(例えばフレキシブル基板160)を1箇所に集約することができるので、部材コストの低減及び液滴吐出ヘッドIJ1の小型化に最も適した構成となる。しかし、液滴吐出ヘッドIJ1が多数の圧電素子300を有し、1つの駆動IC150のみでは全ての圧電素子300を駆動できない場合には、複数の圧電素子300をその配列方向(Y方向)において2分割し、一方を第1の駆動ICで駆動し、他方を第2の駆動ICで駆動することも考えられる。この場合には、導電部61を圧電素子列の配列方向両側に設けることで、このような問題が解決される。
In the case where the
流路形成基板10の圧電素子300側(弾性膜50を挟んで流路形成基板10とは反対側)には、圧電素子300及び駆動IC150を封止する封止基板30が接合されている。封止基板30の圧電素子300及び駆動IC150と対向する面には、圧電素子300及び駆動IC150を収容可能な圧電素子保持部31が設けられている。圧電素子保持部31は、封止基板30の表面を掘り込み加工して形成された凹部である。圧電素子保持部31は圧電素子300の動作を阻害しない大きさを有しており、圧電素子300の駆動によって弾性膜50が振動しても、圧電素子300及び駆動IC150は圧電素子保持部31の側面及び天井面と接触しないようになっている。すなわち、圧電素子300及び駆動IC150は、封止基板30に接しない位置に設けられている、もしくは、封止基板30から離間した位置に設けられている。
A sealing
圧電素子保持部31は、並設された2列の圧電素子300及び駆動IC150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及び駆動IC150を同時に封止している。圧電素子保持部31の高さ(流路形成基板の厚み方向の深さ)は例えば200μm以上500μmであり、具体的には300μmとされるが、その高さは駆動IC150の厚みを研磨等により薄くすることにより調節可能である。
The piezoelectric
封止基板30の導電部61と対向する部分には、封止基板30を厚さ方向に貫通する開口部30Hが設けられており、この開口部30Hに導電部61の他端部及び圧電素子300の下電極膜60の一部60aが露出している。この開口部30Hに露出した導電部61の他端部及び下電極膜の一部60aには、フレキシブル基板160が電気的に接続されている。フレキシブル基板160と導電部61の他端部及び下電極膜の一部60aとの接続は、樹脂接合、異方性導電膜、ろう付けを用いた接合などが用いられる。
An
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ている。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を用いて行っている。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。
As the sealing
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。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。
In a region corresponding to the
リザーバ部35と圧電素子保持部31とは、封止基板30の一部である隔壁39を介して隣り合うように配置されている。これにより、駆動IC150の熱がリザーバ部35のインクに伝わり易くなり、効果的に放熱することが可能となっている。隔壁39の厚み(X方向の幅)は、100μm以上200μm以下であることが、機械的強度の向上と圧電素子保持部31からの放熱性の観点から好ましい。
The
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。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、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。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。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となっており、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。
A
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。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。本実施形態の液滴吐出ヘッドIJ1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IC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されるようになっている。
An
本実施形態の液滴吐出ヘッドIJ1によれば、圧電素子300の端子90aに駆動IC150がフリップチップ実装されているため、圧電素子300の端子90a間の間隔を短くすることができ、ノズル密度の向上が図られる。また、封止基板30の圧電素子保持部31を圧電素子300及び駆動IC150を収容可能な大きさとし、これにより圧電素子300及び駆動IC150を圧電素子保持部31内に封止したため、湿気等の存在によって圧電素子300や駆動IC150が劣化することが抑制され、機械的強度も向上する。さらに、圧電素子300の封止が封止基板30によって行われるため、駆動IC150の大きさ、形状、配置、個数等の設計自由度が高く、例えば特許文献1のように駆動IC150の大きさや形状が圧電素子300の大きさや配置等によって制限されるという問題は生じ難い。
According to the droplet discharge head IJ1 of the present embodiment, since the driving
また、本実施形態の液滴吐出ヘッドIJ1では、駆動IC150の出力端子151が駆動IC150の長辺に設けられ、駆動IC150の入力端子152が駆動IC150の短辺に設けられているため、入力端子152と接続する導電部61を駆動IC150の短辺に集約することができる。そのため、導電部61に接続する部材、例えばフレキシブル基板160を小型化することができ、液滴吐出ヘッドIJ1の小型化が可能となる。
In the droplet discharge head IJ1 of the present embodiment, the
なお、本実施形態では、Y方向に配列する複数の圧電素子300からなる圧電素子列を2列設けた構成としたが、圧電素子列の数はこれに限らず、1列又は3列以上とすることもできる。この場合、駆動IC150の出力端子151を1列又は3列以上としても良いし、1列又は2列の出力端子を有する駆動ICを複数組み合わせて各圧電素子の端子に実装しても良い。
In the present embodiment, two piezoelectric element arrays each including a plurality of
[第2実施形態の液滴吐出ヘッド]
図3は、本発明の第2実施形態に係る液滴吐出ヘッドIJ2の分解斜視図であり、図4は、図3の平面図及びそのB−B′断面図である。本実施形態の液滴吐出ヘッドIJ2において、第1実施形態の液滴吐出ヘッドIJ1と異なる点は、圧電素子の端子の配置と駆動ICの大きさ及び配置、並びに、それに付随する下電極膜の形状と導電部の配置及び形状である。ノズルプレート、流路形成基板、弾性膜、絶縁膜の構成は第1実施形態の液滴吐出ヘッドIJ1と同じである。したがって、本実施形態の液滴吐出ヘッドIJ2において第1実施形態の液滴吐出ヘッドIJ1と共通する構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
[Droplet Discharge Head of Second Embodiment]
FIG. 3 is an exploded perspective view of a droplet discharge head IJ2 according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a plan view of FIG. 3 and a sectional view taken along line BB ′. The droplet discharge head IJ2 of the present embodiment differs from the droplet discharge head IJ1 of the first embodiment in that the arrangement of the terminals of the piezoelectric element, the size and arrangement of the driving IC, and the accompanying lower electrode film The shape and the arrangement and shape of the conductive part. The configuration of the nozzle plate, the flow path forming substrate, the elastic film, and the insulating film is the same as that of the droplet discharge head IJ1 of the first embodiment. Accordingly, in the droplet discharge head IJ2 of the present embodiment, the same reference numerals are given to components common to the droplet discharge head IJ1 of the first embodiment, and detailed description thereof is omitted.
圧電素子300の一端部には、例えば、金(Au)等からなるリード電極90が形成されている。リード電極90は上電極膜80の長手方向(X方向)において流路形成基板の中央側に位置する端部に形成されている。リード電極90の上電極膜80と接続された側とは反対側の端部は、圧電素子300の端子90bとして機能する。この圧電素子300の端子90bは、圧電素子300の配列に従ってY方向に配列しており、このような一列分の端子90bからなる端子列が、圧電素子列毎に1つずつ、合計2列分、弾性膜50上(より詳しくは絶縁膜55上)に配置されている。
A
圧電素子300の端子90bには、圧電素子300を駆動する駆動IC170がフリップチップ実装されている。駆動IC170の各圧電素子300の端子90bに対向する位置には導電性のバンプからなる出力端子171が設けられており、この出力端子171を圧電素子300の端子90bに対向させて駆動IC170をフェースダウンボンディングすることにより、両者の接続が図られている。
A driving
本実施形態の場合、駆動IC170は圧電素子300の長手方向の幅に比べて小さく、複数列配置した圧電素子300を跨いで実装することができない。そのため、本実施形態では、2列の圧電素子列を互いの端子90b同士が向かい合うように配置し、この2列の圧電素子列の間の領域において、駆動IC170の出力端子171と圧電素子300の端子90bとを接続している。
In the case of the present embodiment, the
駆動IC170はY方向を長辺方向、X方向を短辺方向とする矩形形状を有する。駆動IC170の出力端子171は、駆動IC170の外周に沿って、駆動IC170の2つの長辺に1列ずつ設けられている。駆動IC170の短辺には、図示略の外部装置から描画情報に関する信号を入力する入力端子172が駆動IC170の外周に沿って複数設けられている。入力端子172と対向する弾性膜50上(より詳しくは絶縁膜55上)上には、当該入力端子172と接続される導電部62が設けられている。導電部62の入力端子172と接続される側とは反対側の端部は、フレキシブル基板180と接続される外部端子となっている。フレキシブル基板180は、柔軟に変形して図示略の外部装置と接続され、描画情報に関する信号を駆動IC150に入力する。
The
導電部62は、駆動IC170の入力端子172毎に設けられている。導電部62は、圧電素子300の端子列の両側(すなわちY方向に配列した複数の圧電素子300からなる圧電素子列の当該配列方向両側)を挟む位置のうち一方の側の位置に設けられ、その一方の端部が圧電素子保持部31に配置されると共に、他方の端部が圧電素子保持部31の外側に延び出て流路形成基板10の端部上に露出している。
The
流路形成基板10の圧電素子300側(弾性膜50を挟んで流路形成基板10とは反対側)には、圧電素子300及び駆動IC170を封止する封止基板30が接合されている。封止基板30は、圧電素子300及び駆動IC170と対向する面に、圧電素子300の運動を阻害しない大きさ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が形成されている。圧電素子保持部31は、並設された2列の圧電素子300及び駆動IC170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及び駆動IC170を同時に封止している。
A sealing
封止基板30の導電部62と対向する部分には、封止基板30を厚さ方向に貫通する開口部30Hが設けられており、この開口部30Hに導電部62の他端部及び圧電素子300の下電極膜60の一部60bが露出している。この開口部30Hに露出した導電部62の他端部及び下電極膜60の一部60bには、フレキシブル基板180が電気的に接続されている。
An
本実施形態の液滴吐出ヘッドIJ2においても、前述した第1実施形態の液滴吐出ヘッドIJ1と同様の作用効果を奏する。本実施形態の液滴吐出ヘッドIJ2は、2列設けられた圧電素子300の端子90b同士が互いに向かい合うように配置したものであり、小型の駆動ICを用いた場合に好適な構成である。本発明においては、駆動ICと圧電素子とを比較的自由に配置することができるため、それらの配置を適切に設計することで、小型の液滴吐出ヘッドを提供することが可能である。
The droplet discharge head IJ2 of the present embodiment also has the same effects as the droplet discharge head IJ1 of the first embodiment described above. The droplet discharge head IJ2 of this embodiment is arranged so that the
[液滴吐出装置]
上述した各実施形態の液滴吐出ヘッドは、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ヘッドユニットの一部を構成して、液滴吐出装置に搭載される。図5は、その液滴吐出装置IJPの一例を示す概略図である。図5に示すように、液滴吐出ヘッドを有するヘッドユニット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。
[Droplet discharge device]
The droplet discharge head of each embodiment described above constitutes a part of a head unit including an ink flow path communicating with an ink cartridge or the like, and is mounted on the droplet discharge device. FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of the droplet discharge device IJP. As shown in FIG. 5, the
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、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。
The driving force of the driving motor 6 is transmitted to the
なお、液滴吐出ヘッドとしてインクを吐出する液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を一例として説明したが、この液滴吐出ヘッドは、プリンタ等の画像記録装置に用いられる記録ヘッドに限らず、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、種々の用とに適用することができる。いずれの場合も、小さいノズルピッチを有する液滴吐出ヘッドを用いて微細な画像又は微細なマイクロデバイスを形成することが可能となる。 Note that the droplet discharge head and the droplet discharge device that discharge ink as the droplet discharge head have been described as an example. However, the droplet discharge head is not limited to a recording head used in an image recording apparatus such as a printer. Color material ejection head used for manufacturing color filters such as displays, organic EL display, electrode material ejection head used for electrode formation such as FED (surface emitting display), bio-organic matter ejection head used for biochip production, etc. Can be applied to In either case, a fine image or a fine microdevice can be formed using a droplet discharge head having a small nozzle pitch.
10…流露形成基板、12…圧力発生室、21…ノズル開口、30…封止基板、31…圧電素子保持部(凹部)、50…弾性膜、90a,90b…圧電素子の端子、61,62…導電部、150,170…駆動IC、151,171…駆動ICの出力端子、152,172…駆動ICの入力端子、160,180…フレキシブル基板、300…圧電素子、
IJ1,IJ2…液滴吐出ヘッド、IJP…液滴吐出装置
DESCRIPTION OF
IJ1, IJ2 ... droplet ejection head, IJP ... droplet ejection device
Claims (12)
前記第1基板上に設けられ、前記第1基板と対向する面に凹部を有する第2基板と、
前記第1基板と前記凹部とによって形成された空間に設けられた圧電素子と、
前記空間に設けられ、前記圧電素子の端子にバンプからなる出力端子を介して電気的に接続された駆動ICと、を含み、
前記圧電素子及び前記駆動ICは、前記第2基板に接しない位置に設けられていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。 A first substrate having a pressure generating chamber communicating with the nozzle opening;
A second substrate provided on the first substrate and having a recess on a surface facing the first substrate;
A piezoelectric element provided in a space formed by the first substrate and the recess;
A drive IC provided in the space and electrically connected to the terminals of the piezoelectric element via output terminals made of bumps,
The liquid droplet ejection head, wherein the piezoelectric element and the driving IC are provided at a position not in contact with the second substrate.
前記凹部と前記液室とは、前記第2基板の一部を介して隣り合うように配置されていることを特徴とする請求項1に記載の液滴吐出ヘッド。 The second substrate has at least a part of a liquid chamber communicating with the pressure generating chamber,
2. The liquid droplet ejection head according to claim 1, wherein the concave portion and the liquid chamber are arranged so as to be adjacent to each other through a part of the second substrate.
前記駆動ICの出力端子が前記第1方向に沿って複数設けられ、前記駆動ICの入力端子が前記第1方向と直交する第2方向に沿って複数設けられ、
前記第1基板の前記駆動ICの入力端子と対向する位置に当該入力端子と接続する導電部が設けられ、
前記導電部は、前記圧電素子列に対して前記第1方向に離間した位置に設けられていることを特徴とする請求項2に記載の液滴吐出ヘッド。 The first substrate is provided with one or a plurality of rows of piezoelectric elements composed of a plurality of the piezoelectric elements arranged in the first direction,
A plurality of output terminals of the driving IC are provided along the first direction, and a plurality of input terminals of the driving IC are provided along a second direction orthogonal to the first direction;
A conductive portion connected to the input terminal is provided at a position facing the input terminal of the driving IC on the first substrate,
3. The droplet discharge head according to claim 2, wherein the conductive portion is provided at a position spaced in the first direction with respect to the piezoelectric element array.
前記駆動ICの前記出力端子が前記長辺に沿って複数設けられ、
前記駆動ICの前記入力端子が前記短辺に沿って複数設けられていることを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載の液滴吐出ヘッド。 The drive IC has a rectangular shape in which the first direction is a long side and the second direction is a short side;
A plurality of the output terminals of the drive IC are provided along the long side;
6. The droplet discharge head according to claim 3, wherein a plurality of the input terminals of the driving IC are provided along the short side.
前記駆動ICは前記2列の圧電素子列を覆うように配置され、
前記2列の圧電素子列を挟んだ両側の位置において、前記駆動ICの出力端子と前記圧電素子の端子とが接続されていることを特徴とする請求項3〜6のいずれか1項に記載の液滴吐出ヘッド。 Two rows of the piezoelectric element rows are provided along the second direction on the first substrate,
The driving IC is disposed so as to cover the two rows of piezoelectric element rows,
The output terminal of the drive IC and the terminal of the piezoelectric element are connected at positions on both sides of the two rows of piezoelectric element rows. Droplet discharge head.
前記駆動ICは前記2列の圧電素子列の間に配置され、前記2列の圧電素子列の間の領域において、前記駆動ICの出力端子と前記圧電素子の端子とが接続されていることを特徴とする請求項3〜6のいずれか1項に記載の液滴吐出ヘッド。 Two rows of the piezoelectric element rows are provided along the second direction on the first substrate,
The drive IC is arranged between the two rows of piezoelectric elements, and an output terminal of the drive IC and a terminal of the piezoelectric elements are connected in a region between the two rows of piezoelectric elements. The liquid droplet ejection head according to claim 3, wherein the liquid droplet ejection head is a liquid crystal ejection head.
前記ノズルに連通する圧力発生室を有する第1基板と、
前記第1基板上に設けられ、前記第1基板に向かって開口が形成された凹部を有する第2基板と、
前記第1基板と前記凹部とによって形成された空間に設けられた圧電素子と、
前記空間に設けられ、前記圧電素子の端子にバンプを有する出力端子を介して電気的に接続された駆動ICと、を含み、
前記圧電素子及び前記駆動ICは、前記第2基板から離間した位置に設けられていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。 A nozzle,
A first substrate having a pressure generating chamber communicating with the nozzle;
A second substrate having a recess provided on the first substrate and having an opening formed toward the first substrate;
A piezoelectric element provided in a space formed by the first substrate and the recess;
A drive IC provided in the space and electrically connected via an output terminal having a bump to the terminal of the piezoelectric element;
The liquid droplet ejection head, wherein the piezoelectric element and the driving IC are provided at positions separated from the second substrate.
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