JP2016049679A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】多数の圧電素子を用いて液体を吐出する場合に、吐出性能のばらつきを抑制することが可能な液体吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】本発明の液体吐出ヘッドは、複数の吐出口から液体をそれぞれ吐出させるためのエネルギーを発生させ、複数の列を構成するように列状に配置された複数の圧電素子２１１と、複数の圧電素子２１１に接続される共通電極２１０と、を有する。共通電極２１０は、複数の圧電素子２１１が列単位で共通に接続される複数の第１の接続領域２１０ａと、複数の第１の接続領域２１０ａ同士を接続する第２の接続領域２１０ｂと、を備える。この液体吐出ヘッドは、第２の接続領域２１０ｂに積層される補強配線２２３と、補強配線２２３に少なくとも１箇所で接続され、接続箇所を介して共通電極２１０に電気的に接続される駆動配線を備える配線基板と、をさらに有する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、圧電素子を用いて液体を吐出する液体吐出ヘッドに関する。

従来、記録装置として、液体を吐出して記録媒体に画像を記録する液体吐出記録装置が知られている。液体吐出記録装置には、液体を吐出するための液体吐出ヘッドが搭載されている。液体吐出ヘッドの液体吐出機構として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）に代表される圧電素子が設けられた圧力室の容積を変化させて液体の導入及び吐出を行う機構が知られている。圧力室は、液体を供給する液体供給路と、液体を吐出する吐出口とにそれぞれ連通している。圧力室の収縮時に圧力室内の液体が吐出口から液滴として吐出され、圧力室の膨張時に液体供給路から圧力室に液体が供給される。

近年、高画質で高速に記録を行うことが求められている。それを実現するには、多数の吐出口を高密度に配置し、各吐出口に対応する圧電素子を駆動する駆動配線を多数引き出す必要がある。このため、駆動配線を圧電素子の駆動回路に接続するための外部配線（例えば、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuits））との接続箇所が増加するので、配線間のスペースに余裕がなくなり、配線が困難になる問題が懸念される。そこで、このような問題を解決するための技術が特許文献１に提案されている。特許文献１には、圧電素子の駆動配線と、圧電素子の駆動回路と、圧力室にインクを供給する流路とを配線基板に一体に形成し、この配線基板を、圧力室や吐出口を備えた液体吐出基板に接合する技術が開示されている。この技術によれば外部配線が不要になる。

特表２０１２−５３２７７２号公報

特許文献１に開示された技術では、シリコン基板で構成された配線基板に圧電素子の駆動回路と貫通孔の流路を形成した後、この配線基板を液体吐出基板に接合している。しかし、１つのシリコン基板に、貫通孔などを形成するプロセスと、駆動回路を構成する半導体素子を形成するプロセスと、を実施するには技術的な困難を伴う。また、液体吐出ヘッドの構成や形状に応じて専用の駆動回路が形成された配線基板を設計、製作する必要がある。

そこで、圧電素子の駆動配線と圧電素子の駆動回路をそれぞれ別の部材に形成し、駆動配線および駆動回路を外部配線で接続する形態が考えられる。多数の圧電素子を用いる液体吐出ヘッドでは、一般的に、各圧電素子は、個別電極と共通電極との間に挟まれている。個別電極は、各圧電素子に個別に接続されている。共通電極は、全ての圧電素子に共通に接続されている。個別電極および共通電極は、駆動配線を介して外部配線と接続される。
上記のように、共通電極を全ての圧電素子に共通とした場合、共通電極から各圧電素子までの距離のばらつきが大きなものとなり、距離に応じた電圧降下の差も大きなものとなるので、各圧電素子に印加される駆動信号のばらつきも大きなものとなる。その結果、各圧電素子が吐出口から液体を吐出させるために発生させる吐出エネルギーの大きさにもばらつきが生じ、吐出速度や吐出量などの吐出性能がばらつくおそれがある。

本発明は、多数の圧電素子を用いて液体を吐出する場合に、吐出性能のばらつきを抑制することが可能な液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の液体吐出ヘッドは、複数の吐出口から液体をそれぞれ吐出させるためのエネルギーを発生させ、複数の列を構成するように列状に配置された複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子に接続される共通電極と、を有する液体吐出ヘッドにおいて、前記共通電極は、前記複数の圧電素子が列単位で共通に接続される複数の第１の接続領域と、複数の前記第１の接続領域同士を接続する第２の接続領域と、を備え、前記第２の接続領域に積層される補強配線と、前記補強配線に少なくとも１箇所で接続され、該接続箇所を介して前記共通電極に電気的に接続される駆動配線を備える配線基板と、をさらに有することを特徴とする。

本発明では、共通電極の第２の接続領域に補強配線が積層され、駆動配線がこの補強配線を介して共通電極に電気的に接続される。そのため、駆動信号が駆動配線から第２の接続領域を経由して複数の圧電素子にそれぞれ印加される際に第２の接続領域の電気抵抗に起因する駆動信号の電圧降下が低減する。これにより、各圧電素子が吐出口から液体を吐出させるために発生させる吐出エネルギーのばらつきが抑制される。

本発明によれば、各圧電素子が発生させる吐出エネルギーのばらつきが抑制されるので、吐出性能のばらつきを抑制することが可能となる。

本発明の液体吐出ヘッドの一実施形態を示す斜視図および平面図である。 ヘッドチップの一部をＹ方向から見た断面図である。 ヘッドチップと外部配線との接続部付近をＸ方向から見た断面図である。 配線基板および感光性樹脂層の平面図である。 流路形成基板を構成する複数の層を示す平面図である。 オリフィスプレートの平面図である。 配線基板の配線レイアウトを示す平面図である。 ２つのヘッドチップがチッププレートに実装された状態を示す平面図である。 配線基板の配線レイアウトを示す平面図である。 ヘッドチップに外部配線を接続した状態を示す平面図である。

図１は、本発明の液体吐出ヘッドの一実施形態を示す斜視図および平面図である。図１（ａ）は、本実施形態の液体吐出ヘッド１００の全体構成を示す斜視図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す液体吐出ヘッド１００を、吐出面側（−Ｚ方向）から見た平面図である。図１（ａ）は、液体吐出ヘッド１００の構成をわかりやすくするために、液体（本実施形態ではインク）の流路を透視した図を示している。

本実施形態の液体吐出ヘッド１００は、図１（ａ）に示すように、マニホールド１０１と、チッププレート１０２とを有する。マニホールド１０１は、主にステンレス材で構成されている。チッププレート１０２には、ヘッドチップ１０８（図１（ｂ）参照）が実装されている。図１（ｂ）には２つのヘッドチップ１０８がチッププレート２に実装されているが、本発明ではヘッドチップ１０８の数は特に制限されない。ヘッドチップ１０８は、インレット流路１０５またはアウトレット流路１０７を通じてマニホールド１０１に繋がっている。インレット流路１０５は、ジョイント部１０４を通じて液体供給部（不図示）と繋がっている。この液体供給部から供給された液体は、インレット流路１０５を通じてヘッドチップ１０８へ流れる。その後、ヘッドチップ１０８を通過した液体は、アウトレット流路１０７を通じて回収される。

ヘッドチップ１０８には、外部配線１０３が接続されている。本実施形態では、外部配線１０３は、ＦＰＣである。外部配線１０３は、駆動回路（不図示）から送信された駆動信号をヘッドチップ１０８へ伝送するための配線を有する。なお、本実施形態では、上記駆動回路は、液体吐出ヘッド１００が取り付けられた液体吐出記録装置の本体部に設けられている。

図２は、ヘッドチップ１０８の一部をＹ方向から見た断面図である。また、図３は、ヘッドチップ１０８と外部配線１０３との接続部付近をＸ方向から見た断面図である。
ヘッドチップ１０８は、オリフィスプレート２０７と、流路形成基板２０８と、配線基板２２０と、を有する。オリフィスプレート２０７には、複数の吐出口２０１が形成されている。流路形成基板２０８には、各吐出口２０１にそれぞれ連通し、液体を貯留する複数の圧力室２０２が形成されている。また、流路形成基板２０８には、液体を各圧力室２０２に供給する供給路２０３と、液体を各圧力室２０２から回収する回収路２０５も形成されている。供給路２０３および回収路２０５は、圧力室２０２で発生した圧力が吐出口２０１へ向かうよう、吐出口２０１よりも大きな慣性を持っている。

各圧力室２０２には、壁部の一部を構成する振動板２０９と、振動板２０９に接合され、振動板２０９を変形させる圧力を発生する圧電素子２１１と、が設けられている。液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生する圧電素子２１１と振動板２０９との間には共通電極２１０が形成されている。圧電素子２１１の上部には個別電極２１２が形成されている。共通電極２１０の表面および個別電極２１２の表面には、絶縁保護のために保護膜２１３が形成されている。個別電極２１２は、図２に示すように、バンプ２１６−１で配線基板２２０の駆動配線２１７（別の駆動配線）と電気的に接続される。共通電極２１０は、図３に示すように、バンプ２１６−２で駆動配線２１７と電気的に接続される。バンプ２１６−１、２１６−２には、例えば金製のＡｕバンプなどを使用できる。駆動配線２１７は、配線基板２２０のＹ方向の両端部で外部配線１０３と接続される。駆動配線２１７の表面には絶縁保護のために保護膜２１８が形成されている。

個別電極２１２は、引き出し配線２１４でパッド２１５まで引き出され、パッド２１５でバンプ２１６−１と接続されている（図２参照）。一方、共通電極２１０は、各圧力室２０２に設けられている圧電素子２１１の下部から流路形成基板２０８のＹ方向の端部に設けられている補強配線２２３まで延び、補強配線２２３でバンプ２１６−２に接続されている。

配線基板２２０は、複数の圧力室２０２が二次元に配置された流路形成基板２０８に接合され、流路形成基板２０８の剛性を保って支持する機能を有する。配線基板２２０は、供給路２０３に連通する供給連通孔２０４および回収路２０５に連通する回収連通孔２０６を有する（図２参照）。これにより、配線基板２２０は、圧力室２０２へ液体を供給するとともに圧力室２０２から液体を回収する機能を有する。さらに、配線基板２２０は、駆動配線２１７を通じて圧電素子２１１へ駆動信号を印加する機能を有する。配線基板２２０は、感光性樹脂層２１９により流路形成基板２０８に接合されている。感光性樹脂層２１９には、供給連通孔２０４および回収連通孔２０６にそれぞれ連通する貫通口が形成されている。

液体吐出ヘッド１００は、液体がインレット流路１０５から供給連通孔２０４及び供給路２０３を通じて圧力室２０１に供給された後、回収路２０５及び回収連通孔２０６を通じてアウトレット流路１０７から回収される循環流れを形成している。また、本実施形態の液体吐出ヘッド１００では、駆動信号が駆動回路から配線基板２２０の駆動配線２１７を通じて圧電素子２１１に印加されると、圧電素子２１１が振動板２０９を変形させるエネルギーを発生させることにより、圧力室２０１が収縮する。これにより圧力室２０１内で圧力が発生し、発生した圧力により吐出口２０１から液体を吐出させることが可能となる。

図３に示すように、流路形成基板２０８のＹ方向の端部には補強配線２２３が形成され、補強配線２２３にバンプ２１６−２が接合される。バンプ２１６−２により、共通電極２１０は、配線基板２２０の駆動配線２１７に接続される。駆動配線２１７は、配線基板２２０における流路形成基板２０８と重なる領域の外側で外部配線１０３と接続される。本実施形態では、駆動配線２１７と外部配線１０３の圧着には異方性導電フィルム（ＡＣＦ；Anisotoropic Conductive Film）を用いる。ヘッドチップ１０８と接続された外部配線１０３の反対側は液体吐出記録装置の本体部に設けられた駆動回路と接続される。本実施形態では外部配線１０３はＦＰＣであるが、ＦＰＣの代わりに、駆動回路の吐出ノズル選択機能を有するＩＣ搭載したＣＯＦ（Chip On Film）を用いてもよい。この場合、ＦＰＣに比べてＣＯＦと駆動回路の間の配線の本数を大幅に減らすことが可能となる。

図４（ａ）は、配線基板２２０の平面図である。配線基板２２０は、外部配線１０３と接続する接続領域２２２をＹ方向の両端部に備えるため、他の部材（感光性樹脂層２１９、流路形成基板２０８、オリフィスプレート２０７）に比べてＹ方向の長さが長い。本実施形態では、配線基板２２０はシリコン基板である。配線基板２２０には、供給連通孔２０４と回収連通孔２０６を構成する貫通孔が形成されている。また、配線基板２２０の裏面には駆動配線２１７が形成されている。
図４（ｂ）は、配線基板２２０を流路形成基板２０８に接合するための感光性樹脂層２１９の平面図である。感光性樹脂層２１９には、例えばＤＦ４７０（日立化成株式会社製）などの感光性ドライフィルムを適用できる。

図５は、流路形成基板２０８を構成する主要な層を示す平面図である。
図５（ａ）は、パッド２１５および補強配線２２３の形成層を示す。本実施形態では、パッド２１５および補強配線２２３は、厚さが約１μｍのＡｌＳｉＣｕ金属で構成されている。個別電極２１２を引き出すためのパッド２１５は、流路形成基板２０８の中央部からＹ方向の両端部に向かって列状に形成されている。補強配線２２３は、流路形成基板２０８のＹ方向の両端部にＸ方向に延びる直線状に形成されている。
図５（ｂ）は、圧電素子２１１の形成層を示す。本実施形態では、圧電素子２１１は、ｓｏｌ−ｇｅｌ法により２μｍ程度の厚さに形成された後、圧力室２０２に対応する複数の列状にパターニングされる。
図５（ｃ）は、共通電極２１０の形成層を示す。本実施形態では、共通電極２１０は、厚さが２０〜２００ｎｍの白金（Ｐｔ）で構成されている。共通電極２１０は、複数の圧電素子２１１が列単位で共通に接続される複数の第１の接続領域２１０ａと、第１の接続領域同士を接続する第２の接続領域２１０ｂとを有する。なお、列単位は、１列であっても２列であってもよい。補強配線２２３は、第２の接続領域２１０ｂに積層される。
図５（ｄ）は、圧力室２０２の形成層を示す。本実施形態では、圧力室２０２は、シリコン基板である流路形成基板２０８に深堀エッチング（Deep−RIE（Deep Reactive Ion Etching））を施すことにより形成される。なお、供給路２０３および回収路２０５も圧力室２０１と同じ方法で形成される。

図６は、オリフィスプレート２０７の平面図である。オリフィスプレート２０７には、複数の吐出口２０１が形成されている。オリフィスプレート２０７の吐出面には、撥水加工が施されている。本実施形態では、Ｙ方向に沿って並ぶ吐出口２０１は、隣の吐出口２０１と記録解像度分Ｘ方向にずらして配置されている。液体吐出ヘッド１００は、オリフィスプレート２０７に対してＹ方向に相対移動する記録媒体に向けて各吐出口２０１から液体を吐出する。これにより、記録媒体に画像が形成される。本実施形態では、１２００ｄｐｉ（dot per inch）の記録解像度を実現するために、吐出口２０１はＸ方向に２１．１７μｍずつずらして配置されている。さらに、４２個の圧力室２０２が、流路形成基板２０８のＹ方向に沿って並んだ１列の吐出口列を構成している。ただし、この列の両端に位置する圧力室２０２はダミーである。また、本実施形態では、２６列の吐出口列がＸ方向に並んでいる。これにより、全部で１０４０個の吐出口２０１を使って約０．８６インチの幅の画像を形成することが可能となる。なお、本実施形態では、流路形成基板２０８は、Ｘ方向の長さが約２３．５ｍｍであり、Ｙ方向の長さが約６．２ｍｍである。

図７は、配線基板２２０の配線レイアウトを示す平面図である。図７（ａ）は、配線基板２２０を駆動配線２１７およびバンプ２１６の形成面から見た図であり、図４（ａ）とは反対側の面（裏面）から配線基板２２０を見た図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の丸で囲んだ領域Ｒの拡大図である。
図７（ａ）に示すように、配線基板２２０の中央部からＹ方向の両端部に向かってバンプ２１６−１の配置部が設けられ、配線基板２２０のＹ方向の両端部にバンプ２１６−２の配置部が設けられている。バンプ２１６−１またはバンプ２１６−２に接続されている駆動配線２１７は、配線基板２２０の接続領域２２２で外部配線１０３と接続される。本実施形態では、１２００ｄｐｉの記録解像度に対応付けて吐出口２０１を配置している。そのため、１列分の個別電極２１２を引き出すために駆動配線２１７を２つの接続領域２２２に半分ずつ引き出すことによって、一方の接続領域２２２において駆動配線２１７が６００ｄｐｉの記録解像度に対応するように外部配線１０３と接続する。また、本実施形態では半列分の個別電極２１２に接続される２０本の駆動配線２１７に対して共通電極２１０に接続される４本の駆動配線２１７が設けられている。接続領域２２２には、線幅が約１７．６μｍの駆動配線２１７が、１７．６μｍのピッチで配置されている。駆動配線２１７をなるべく曲げず最短距離で引き回すと図７（ａ）で示すようなレイアウトとなる。
図７（ｂ）では、１列のバンプ２１６−１に対して１つのバンプ２１６−２が設置されている。接続領域２２２における駆動配線２１７のピッチを広くする方法として、例えば、２列のバンプ２１６−１に対して１つのバンプ２１６−２を設置する方法が考えられる。この場合、接続領域２２２には、線幅が約１９．２μｍの駆動配線２１７を１９．２μｍのピッチで配置することが可能となる。しかし、共通電極２１０と駆動配線２１７の接続箇所を減らしてしまうと、減らされた列では共通電極２１０の電気抵抗による駆動信号の電圧降下が大きくなる。その結果、液体の吐出速度や吐出量などの吐出性能に差が生じることが懸念される。共通電極２１０は、振動板２０９と圧電素子２１１の間に形成されていて振動板２０９の一部として機能しているので、厚くして電気抵抗を下げることが困難である。そのため、本実施形態の液体吐出ヘッド１００では、共通電極２１０の電圧降下を低減するために共通電極２１０の第２の接続領域２１０ｂ上に補強配線２２３を配置する。これにより、第２の接続領域２１０ｂにおける駆動信号の電圧降下が低減する。

本実施形態では、補強配線２２３は、パッド２１５と同じく厚さが約１μｍのＡｌＳｉＣｕ金属で構成されている。そのため、補強配線２２３は、白金（Ｐｔ）で構成された共通電極２１０よりも導電率が高い。その結果、駆動信号の電圧降下をより一層低減し、吐出性能のばらつきを防止する効果を高めることが可能となる。

図８は、２つのヘッドチップ１０８がチッププレート２に実装された状態を示す平面図である。図８では、記録媒体に形成される画像に隙間が生じないようにするために、ヘッドチップ１０８−１の右端の吐出口列から右側に２１．１７μｍ離れた位置にヘッドチップ１０８−２の左端の吐出口列が配置されるように２つのヘッドチップが配置されている。この場合、ヘッドチップ１０８−１とヘッドチップ１０８−２が重なり合う部分（図８の円で囲んだ部分）で外部配線１０３がヘッドチップ１０８−２の上に乗り上げてしまう可能性がある。そこで、外部配線１０３の幅を狭くすることが考えられる。外部配線１０３の幅を狭くするためには、配線基板２２０の接続領域２２２における駆動配線２１７のピッチを狭くする必要がある。しかし、接続領域２２２における駆動配線２１７のピッチを均一に縮めようとしても、個別電極２１２と接続するバンプ２１６−１の位置を変えることはできない。そのため、バンプ２１６−１から接続領域２２２に至るまでに多くの駆動配線２１７を斜めにする必要が生じるので、配線基板２２０の面積が大きくなってしまう。

上記問題を解決する方法を図９を用いて説明する。図９は、配線基板２２０の配線レイアウトを示す平面図である。以下、配線基板２２０の接続領域２２２に設けられる駆動配線２１７の本数を減らすことによって外部配線１０３の幅を狭くする方法について説明する。
図９（ａ）は、１列のバンプ２１６−１に対して１つのバンプ２１６−２が設けられている配線基板２２０を示す。図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す四角で囲った部分を削除した状態を示す。図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す配線基板２２０のＸ方向の最両端に設けられているバンプ２１６−２及びこのバンプ２１６−２に接続されている４本の駆動配線２１７を削除した状態を示す。図９（ｂ）に示す配線基板によれば、接続領域２２２における駆動配線２１７の形成領域の幅が、図９（ａ）に示す配線基板に比べてＷ１狭くなる。そのため、このＷ１の分だけ外部配線１０３の幅を狭くすることが可能となる。
図９（ｃ）は、図９（ｂ）に示す四角で囲った部分を削除した配線基板２２０を示す。図９（ｃ）に示す配線基板２２０によれば、駆動配線２１７の形成領域の幅が、図９（ａ）に示す配線基板に比べてＷ２（＞Ｗ１）狭くなる。そのため、外部配線１０３の幅をさらに狭くすることが可能となる。このように配線基板２２０の端部でのみ共通電極２１０に接続される駆動配線２１７の本数を減らせば、駆動配線２１７を斜めにするのに必要な面積を最小限に抑えられるので、配線基板２２０の大型化を抑制することが可能となる。

図１０は、図９（ｃ）に示す配線基板２２０を有するヘッドチップ１０８−１、１０８−２に外部配線１０３を接続した状態を示す平面図である。図１０は、配線基板２２０の四隅にそれぞれ設けられていたバンプ２１６−２を削除した状態を示す。この状態は、換言すると、Ｘ方向に列状に並べられている複数のバンプ２１６−２が、配線基板２２０の端部における密度（単位面積当たりのバンプの数）が配線基板２２０の中央部における密度よりも小さくなるように配置されている状態である。
図９（ｃ）に示す配線基板２２０によれば、接続領域２２２における駆動配線２１７の形成領域の幅が狭くなる。これにより、図１０に示すように、外部配線１０３を、オリフィスプレート２０７上に乗り上げることなく２つのヘッドチップ１０８−１、１０８−２に接続することが可能となる。共通電極２１０と駆動配線２１７との接続箇所を減らしてしまうと、共通電極２１０の電気抵抗による駆動信号の電圧降下が大きくなり、吐出速度の低下や吐出量の低下が懸念される。しかし、上述した補強配線２２３を、流路形成基板２０８の、配線基板２２０の四隅に設けられていたバンプ２１６−２に対向する領域まで延長することによって、駆動信号の電圧降下に起因する吐出性能のばらつきを抑制することが可能となる。

２１０ 共通電極
２１０ａ 第１の接続領域
２１０ｂ 第２の接続領域
２１１ 圧電素子
２２３ 補強配線

Claims (5)

1. 複数の吐出口から液体をそれぞれ吐出させるためのエネルギーを発生させ、複数の列を構成するように列状に配置された複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子に接続される共通電極と、を有する液体吐出ヘッドにおいて、
   前記共通電極は、前記複数の圧電素子が列単位で共通に接続される複数の第１の接続領域と、複数の前記第１の接続領域同士を接続する第２の接続領域と、を備え、
   前記第２の接続領域に積層される補強配線と、
   前記補強配線に少なくとも１箇所で接続され、該接続箇所を介して前記共通電極に電気的に接続される駆動配線を備える配線基板と、をさらに有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記複数の圧電素子に個別に接続される複数の個別電極をさらに有し、
   前記配線基板が、前記複数の個別電極に電気的に接続される別の駆動配線をさらに備え、該別の駆動配線と前記駆動配線が並んで配置された形態で外部配線に接続される、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記複数の圧電素子と、前記共通電極と、前記補強配線と、前記複数の個別電極とが形成される流路形成基板をさらに有し、前記補強配線が前記流路形成基板の端部に形成される、請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記駆動配線が、前記配線基板に列状に並べられる複数のバンプで前記補強配線に接続され、前記配線基板の端部における前記バンプの密度が前記配線基板の中央部における前記バンプの密度よりも小さい、請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記補強配線の導電率が、前記共通電極の導電率よりも高い、請求項１から４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。