JP2017196786A - Memsデバイス、液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置 - Google Patents

Memsデバイス、液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置 Download PDF

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Abstract

【課題】圧電体層等の誘電体層やこれに積層された電極層の損傷が抑制されたMEMSデバイス、液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置を提供する。【解決手段】アクチュエータユニット14は、駆動領域35に第1の電極層37、誘電体層38、及び第2の電極層39がこの順に積層された第1の基板29と、第1の基板29の誘電体層38が積層された面に対向して配置された第2の基板33と、を備えている。第1の電極層37及び誘電体層38は、駆動領域35から外れた非駆動領域36に向けて第2の電極層39よりも外側まで延在され、弾性を有する第1の樹脂41が、誘電体層38の延在方向における第2の電極層39の端を含む領域に形成され、第1の基板29と第2の基板33とは、弾性変形した第1の樹脂41を間に挟んだ状態で、接着剤48により固定されている。【選択図】図3

Description

本発明は、液体の噴射等に使用されるMEMSデバイス、液体噴射ヘッド、および液体噴射装置に関するものであり、特に、駆動領域に第1の電極層、誘電体層、及び、第2の電極層が順次積層されたMEMSデバイス、液体噴射ヘッド、および液体噴射装置に関するものである。
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスは、各種の装置に応用されている。例えば、MEMSデバイスの一種である液体噴射ヘッドは、インクジェット式プリンターやインクジェット式プロッター等の画像記録に用いられる液体噴射装置の他に、各種の製造に用いられる液体噴射装置に応用されている。具体的には、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターを製造するディスプレイ製造装置、有機EL(Electro Luminescence)ディスプレイやFED(面発光ディスプレイ)等の電極を形成する電極形成装置、バイオチップ(生物化学素子)を製造するチップ製造装置等に応用されている。そして、画像記録装置用の記録ヘッドでは液状のインクを噴射し、ディスプレイ製造装置用の色材噴射ヘッドではR(Red)・G(Green)・B(Blue)の各色材の溶液を噴射する。また、電極形成装置用の電極材噴射ヘッドでは液状の電極材料を噴射し、チップ製造装置用の生体有機物噴射ヘッドでは生体有機物の溶液を噴射する。
上記した液体噴射ヘッドは、ノズルに連通する圧力室と、この圧力室を区画する面に第1の電極層、誘電体層の一種である圧電体層、及び、第2の電極層がこの順に積層されてなる圧電素子と、圧電素子を保護する保護部材の一種である封止板と、を備えている。そして、液体噴射ヘッドは、両電極層への電圧(電気信号)の印加により圧電体層が変形することを利用して圧力室内の液体に圧力変動を生じさせ、ノズルから液体を噴射する。また、液体噴射ヘッドとしては、圧電体層及び第1の電極層が、第2の電極層よりも外側まで延在され、封止板が第2の電極層の端部に接着固定されたものがある(特許文献1参照)。
特開2014―79931号公報
ところで、上記した特許文献1のような構成において、封止板を圧電素子が形成された基板に接着する際に、接着剤の硬化収縮に伴って応力が発生し、第2の電極層との界面で接着剤が剥離したり、第2の電極層の端部が圧電体層から剥離したりする虞があった。一方で、第2の電極層の端は、両電極層への電圧の印加により変形しようとする部分と変形しない部分との境界(換言すると、圧電体層が両電極層に挟まれて圧電素子として機能する部分と、圧電体層が両電極層に挟まれていない部分との境界)にあたるため、圧電素子を変形させる際に応力が集中する。この応力により第2の電極層の端における圧電体層にクラック等の損傷が生じる虞があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧電体層等の誘電体層やこれに積層された電極層の損傷が抑制されたMEMSデバイス、液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置を提供することにある。
本発明のMEMSデバイスは、上記目的を達成するために提案されたものであり、駆動領域を備え、当該駆動領域に第1の電極層、誘電体層、及び第2の電極層がこの順に積層された第1の基板と、
前記第1の基板の前記誘電体層が積層された面に対向して配置された第2の基板と、を備え、
前記第1の電極層及び前記誘電体層は、前記駆動領域から外れた非駆動領域に向けて前記第2の電極層よりも外側まで延在され、
弾性を有する第1の樹脂が、前記誘電体層の延在方向における前記第2の電極層の端を含む領域に形成され、
前記第1の基板と前記第2の基板とは、弾性変形した前記第1の樹脂を間に挟んだ状態で、接着剤により固定されたことを特徴とする。
この構成によれば、第1の樹脂により第2の電極層の端が押圧されるため、第2の電極層の端が剥がれることを抑制できる。また、第2の電極層の端部における圧電体層の変形を抑制できるため、第2の電極層の端における圧電体層に応力が集中することを抑制できる。その結果、圧電体層にクラック等が発生することを抑制できる。
上記構成において、前記第1の樹脂の表面を覆う第1の導電層が、前記第1の電極層と電気的に離間された状態に形成された構成を採用することが望ましい。
この構成によれば、第1の基板と前記第2の基板との間に樹脂と導電層からなるバンプ電極を設けた構成において、第1の樹脂と第1の導電層とを合わせた高さをバンプ電極の高さに揃えることができる。これにより、第2の電極層の端をより確実に押圧することができる。
また、上記各構成の何れかにおいて、前記第2の基板は、バンプ電極を介して前記第1の電極層と導通する第3の電極層を備え、
前記バンプ電極は、弾性を有する第2の樹脂と、当該第2の樹脂の表面を覆った第2の導電層と、を備え、
前記第1の樹脂及び前記第2の樹脂は、前記第1の基板又は前記第2の基板の何れか一方の基板であって、同一の基板に形成された構成を採用することが望ましい。
この構成によれば、第1の樹脂及び第2の樹脂を同じ工程で作成することができるため、製造コストを抑えることができる。
さらに、上記各構成の何れかにおいて、前記第2の基板は、バンプ電極を介して前記第1の電極層と導通する第3の電極層を備え、
前記バンプ電極は、弾性を有する第2の樹脂と、当該第2の樹脂の表面を覆った第2の導電層と、を備え、
前記第1の樹脂は、前記第1の基板又は前記第2の基板の何れか一方の基板に形成され、前記第2の樹脂は、前記第1の基板又は前記第2の基板の何れか他方の基板に形成された構成を採用することが望ましい。
この構成によれば、第1の樹脂と第2の樹脂とが異なる基板に作成されるため、第1の樹脂と第2の樹脂との間隔を狭めることができる。その結果、MEMSデバイスを小型化できる。
また、本発明の液体噴射ヘッドは、上記各構成の何れかのMEMSデバイスの一種であって、
前記駆動領域により少なくとも一部が区画された圧力室と、前記圧力室に連通するノズルと、を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、圧電体層の破壊を抑制でき、液体噴射ヘッドの信頼性を向上させることができる。
そして、本発明の液体噴射装置は、上記構成の液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする。
プリンターの構成を説明する斜視図である。 記録ヘッドの構成を説明する断面図である。 記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。 記録ヘッドの要部を拡大した平面図である。 アクチュエーターユニットの製造方法を説明する模式図である。 アクチュエーターユニットの製造方法を説明する模式図である。 第2の実施形態における記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。 第3の実施形態における記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。 第4の実施形態における記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。 第5の実施形態における記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。
以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、以下においては、MEMSデバイスの一つのカテゴリーである液体噴射ヘッドの中でも、特に、液体噴射装置の一種であるインクジェット式プリンター(以下、プリンター)1に搭載された液体噴射ヘッドの一種であるインクジェット式記録ヘッド(以下、記録ヘッド)3を例に挙げて説明する。
図1は、プリンター1の構成を説明する斜視図である。プリンター1は、記録紙等の記録媒体2(着弾対象の一種)の表面に対してインク(液体の一種)を噴射して画像等の記録を行う装置である。このプリンター1は、記録ヘッド3、この記録ヘッド3が取り付けられるキャリッジ4、キャリッジ4を主走査方向に移動させるキャリッジ移動機構5、記録媒体2を副走査方向に移送する搬送機構6等を備えている。ここで、上記のインクは、液体供給源としてのインクカートリッジ7に貯留されている。このインクカートリッジ7は、記録ヘッド3に対して着脱可能に装着される。なお、インクカートリッジがプリンターの本体側に配置され、当該インクカートリッジからインク供給チューブを通じて記録ヘッドに供給される構成を採用することもできる。
上記のキャリッジ移動機構5はタイミングベルト8を備えている。そして、このタイミングベルト8はDCモーター等のパルスモーター9により駆動される。したがってパルスモーター9が作動すると、キャリッジ4は、プリンター1に架設されたガイドロッド10に案内されて、主走査方向(記録媒体2の幅方向)に往復移動する。キャリッジ4の主走査方向の位置は、位置情報検出手段の一種であるリニアエンコーダー(図示せず)によって検出される。リニアエンコーダーは、その検出信号、即ち、エンコーダーパルス(位置情報の一種)をプリンター1の制御部に送信する。
次に記録ヘッド3について説明する。図2は、記録ヘッド3の構成を説明する断面図である。図3は、記録ヘッド3の要部を拡大した断面図、具体的にはアクチュエーターユニット14の一側の端部を拡大した断面図である。図4は、アクチュエーターユニット14の一側の端部を模式的に表した平面図である。なお、便宜上、アクチュエーターユニット14を構成する各部材の積層方向を上下方向として説明する。本実施形態における記録ヘッド3は、図2に示すように、アクチュエーターユニット14及び流路ユニット15が積層された状態でヘッドケース16に取り付けられている。
ヘッドケース16は、合成樹脂製の箱体状部材であり、その内部には各圧力室30にインクを供給する液体導入路18が形成されている。この液体導入路18は、後述する共通液室25と共に、複数形成された圧力室30に共通なインクが貯留される空間である。本実施形態においては、2列に形成された共通液室25に対応して液体導入路18が2つ形成されている。また、ヘッドケース16の下面側には、当該下面からヘッドケース16の高さ方向の途中まで直方体状に窪んだ収容空間17が形成されている。後述する流路ユニット15がヘッドケース16の下面に位置決めされた状態で接合されると、連通基板24に積層されたアクチュエーターユニット14が収容空間17内に収容されるように構成されている。
ヘッドケース16の下面に接合される流路ユニット15は、複数のノズル22が列状に開設されたノズルプレート21、及び共通液室25等が設けられた連通基板24を有している。本実施形態では、列状に開設された複数のノズル22(ノズル列)が2列に形成されている。このノズル列を構成するノズル22は、一端側のノズル22から他端側のノズル22までドット形成密度に対応したピッチで等間隔に配置されている。共通液室25は、複数の圧力室30に共通の流路として圧力室30の並設方向(ノズル列方向)に沿って長尺に形成されている。本実施形態における共通液室25は、2列に形成された圧力室30の列に対応して2列に形成されている。各圧力室30と共通液室25とは、連通基板24に形成された個別連通路26を介して連通する。すなわち、共通液室25内のインクが、個別連通路26を介して各圧力室30に分配される。また、ノズル22とこれに対応する圧力室30とは、連通基板24を板厚方向に貫通したノズル連通路27を介して連通する。
アクチュエーターユニット14は、図2及び図3に示すように、圧力室形成基板29、振動板31、圧電素子32、封止板33及び駆動IC34がこの順に積層され、ユニット化された状態で、収容空間17内に収容されている。なお、一方のノズル列に対応する圧電素子32等と、他方のノズル列に対応する圧電素子32等は、略左右対称に形成されているため、以下における圧電素子32等の説明においては、一方のノズル列に対応する圧電素子32等に着目して説明する。
圧力室形成基板29は、シリコン製の硬質な板材であり、例えば、表面(上面および下面)を(110)面としたシリコン単結晶基板から作製されている。この圧力室形成基板29には、エッチングにより一部が板厚方向に除去されて、圧力室30となるべき空間が各ノズル22に対応してノズル列方向に沿って複数形成されている。この空間は、下側が連通基板24により区画され、上側が振動板31により区画されて、圧力室30を構成する。また、この空間、すなわち圧力室30は、2列に形成されたノズル列に対応して2列に形成されている。各圧力室30は、ノズル列方向に直交する方向に長尺に形成され、長手方向の一側の端部に個別連通路26が連通し、他側の端部にノズル連通路27が連通する。なお、本実施形態における圧力室30の側壁は、シリコン単結晶基板の結晶性に起因して、圧力室形成基板29の上面(或いは下面)に対して傾斜している。
振動板31は、弾性を有する薄膜状の部材であり、圧力室形成基板29の上面(連通基板24とは反対側の面)に積層されている。この振動板31によって、圧力室30となるべき空間の上部開口が封止されている。換言すると、振動板31によって、圧力室30の一部である上面が区画されている。この振動板31における圧力室30の上面を区画する領域は、圧電素子32の撓み変形に伴ってノズル22から遠ざかる方向あるいは近接する方向に変形(変位)する変位部として機能する。すなわち、振動板31における圧力室30の一部、具体的には上面を区画する領域が、撓み変形が許容される駆動領域35となる。一方、振動板31における圧力室30となる空間の上部開口から外れた領域(駆動領域35から外れた領域)は撓み変形が阻害される非駆動領域36となる。なお、振動板31及び圧力室形成基板29(換言すると、振動板31が積層された圧力室形成基板29)が本発明における第1の基板に相当する。また、振動板31は、例えば、圧力室形成基板29の上面に形成された二酸化シリコン(SiO)からなる弾性膜と、この弾性膜上に形成された二酸化ジルコニウム(ZrO)からなる絶縁膜と、により形成される。そして、この絶縁膜上(振動板31の圧力室30側とは反対側の面)における駆動領域35に対応する位置に圧電素子32がそれぞれ積層されている。
本実施形態の圧電素子32は、所謂撓みモードの圧電素子である。この圧電素子32は、2列に形成された圧力室30の列に対応して2列に形成されている。各圧電素子32は、図3に示すように、振動板31上に、下電極層37、誘電体(絶縁体)の一種である圧電体層38、上電極層39が順次積層されてなる。本実施形態では、下電極層37が圧電素子32毎に独立して形成された個別電極となっており、上電極層39が複数の圧電素子32に亘って連続して形成された共通電極となっている。すなわち、下電極層37及び圧電体層38は、ノズル列方向において圧力室30毎に個別に形成されている。一方、上電極層39は、ノズル列方向において複数の圧力室30に亘って形成されている。また、本実施形態における下電極層37及び圧電体層38は、2列に形成された圧力室30の列に対応して2列に形成されている。さらに、本実施形態における上電極層39は、一方の圧力室30の列に対応する位置から他方の圧力室30の列に対応する位置に亘って形成されている。そして、この上電極層39上には、後述する金属層40が積層されている。なお、下電極層37が本発明における第1の電極層に相当し、圧電体層38が本発明における誘電体層に相当する。また、上電極層39及びこれに積層された金属層40が本発明における第2の電極層に相当する。
ここで、下電極層37及び圧電体層38は、ノズル列方向に直交する方向(換言すると圧力室30の長手方向)において、駆動領域35から一側(アクチュエーターユニット14の外側;図3における左側)の非駆動領域36に向けて下電極層37よりも外側まで延在されている。具体的に説明すると、本実施形態における下電極層37の両端は、図3及び図4に示すように、圧力室30の長手方向に沿って、圧力室30と重なる領域、すなわち駆動領域35から、圧力室30の外側の領域、すなわち非駆動領域36まで延在されている。より詳しくは、下電極層37の一側(図3における左側)の端は、同側における圧電体層38の端よりも外側まで延在されている。この圧電体層38の端よりも外側の下電極層37には、後述する第1の金属層40aが積層されている。また、下電極層37の延在方向における他側(図3における右側)の端は、同側における駆動領域35の端と圧電体層38の端との間の非駆動領域36まで延在されている。
本実施形態における圧電体層38の両端は、下電極層37と同様に、圧力室30の長手方向に沿って、圧力室30と重なる領域から圧力室30の外側の領域まで延在されている。具体的には、本実施形態における圧電体層38の一側の端は、同側における上電極層39の端と下電極層37の端との間の非駆動領域36まで延在されている。すなわち、圧電素子32の長手方向における一側において下電極層37及び駆動領域35は、上電極層39よりも外側まで延在されている。そして、この非駆動領域36であって上電極層39よりも外側の圧電体層38の端部には、下電極層37と重なる位置から延在された第1の金属層40aが積層されている。また、圧電体層38の延在方向における他側の端は、同側における下電極層37の端よりも外側まで延在されている。さらに、図4に示すように、本実施形態においては、ノズル列方向における圧電素子32間の非駆動領域36(ノズル列方向に隣り合う圧電素子32の間の領域)が、圧電体層38が除去された圧電体開口部55となっている。すなわち、この圧電体開口部55によって、圧電体層38が個々の圧電素子32毎に分割されている。この圧電体開口部55の長手方向(ノズル列方向に直交する方向)における寸法は、圧力室30の長手方向における寸法よりも短く形成されている。
本実施形態における上電極層39は、圧力室30の長手方向において、一方(図2における左側)の圧力室30よりも外側に形成された非駆動領域36から他方(図2における右側)の圧力室30よりも外側に形成された非駆動領域36に亘って形成されている。具体的には、上電極層39の延在方向における一側の端は、図3に示すように、2列に形成された圧電体層38のうち一方の圧電体層38と重なる領域であって、一方の駆動領域35よりも外側の非駆動領域36まで延在されている。より詳しくは、上電極層39の延在方向における一側の端は、一方の駆動領域35の外側の端と一方の圧電体層38の外側の端との間の領域まで延在されている。また、上電極層39の延在方向における他側の端は、図示を省略するが、同様に、他方の駆動領域35の外側の端と他方の圧電体層38の外側の端との間の領域まで延在されている。
そして、下電極層37、圧電体層38及び上電極層39の全てが積層された領域、換言すると下電極層37と上電極層39との間に圧電体層38が挟まれた領域が、圧電素子32として機能することになる。したがって、下電極層37と上電極層39との間に両電極の電位差に応じた電界が付与されると、駆動領域35における圧電体層38がノズル22から遠ざかる方向あるいは近接する方向に撓み変形し、駆動領域35の振動板31が変形する。なお、圧電素子32のうち非駆動領域36と重なる部分は、圧力室形成基板29により変形(変位)が阻害される。そして、本実施形態における圧電素子32の長手方向における一側の端、すなわち上電極層39の一側の端には、後述する押圧樹脂41が当接されている。なお、この点に関しては、後で詳しく述べる。
また、図2及び図3に示すように、圧電素子32の長手方向の一側の端における各圧電素子32上、あるいは各圧電素子32から延在した圧電体層38上には、金属層40が形成されている。本実施形態においては、圧電素子32の長手方向における一側の圧電体層38の端を跨ぐ領域に第1の金属層40aが積層され、圧電素子32の長手方向における圧力室30の一側の端を跨ぐ領域(すなわち、一側の駆動領域35と非駆動領域36との境界を覆う領域)に第2の金属層40bが積層され、圧電素子32の長手方向における圧力室30の他側の端を跨ぐ領域(すなわち、他側の駆動領域35と非駆動領域36との境界を覆う領域)に第3の金属層40cが積層されている。
具体的には、第1の金属層40aは、下電極層37と同電位となる電極層であり、圧電素子32の長手方向における圧電体層38の端部と重なる領域から当該圧電体層38の端を越えて、同方向における下電極層37の他側の端部と重なる領域まで延在されている。換言すると、第1の金属層40aは、下電極層37の端部から圧電体層38の端部に亘って積層されている。また、この第1の金属層40aは、圧電体層38に積層された上電極層39から離れて形成されている。第2の金属層40bは、上電極層39と同電位となる電極層であり、圧電素子32の長手方向における圧力室30の一側の端部と重なる領域から当該圧力室30の一側の端を越えて上電極層39の一側の端部と重なる領域まで延在されている。本実施形態における第2の金属層40bの一側の端は、上電極層39の一側の端よりも内側(圧力室30側)に形成されている。要するに、第2の金属層40bは、圧電素子32の長手方向における上電極層39の一側の端部に積層されている。第3の金属層40cは、上電極層39と同電位となる電極層であり、圧電素子32の長手方向における圧力室30の他側の端部と重なる領域から当該圧力室30の他側の端及び圧電体層38の他側の端を越えて振動板31上に上電極層39のみが積層された領域まで延在されている。なお、第2の金属層40b及び第3の金属層40cは、上電極層39と同様に、ノズル列方向において複数の圧力室30に亘って形成されている。
なお、上記した下電極層37及び上電極層39としては、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、チタン(Ti)、タングステン(W)、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)、金(Au)等の各種金属、及び、これらの合金やLaNiO等の合金等が用いられる。また、圧電体層38としては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の強誘電性圧電性材料や、これにニオブ(Nb)、ニッケル(Ni)、マグネシウム(Mg)、ビスマス(Bi)又はイットリウム(Y)等の金属を添加したリラクサ強誘電体等が用いられる。その他、チタン酸バリウムなどの非鉛材料も用いることができる。さらに、金属層40としては、金(Au)、銅(Cu)、及び、これらの合金等が用いられる。なお、金属層が金(Au)等からなる場合には、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、タングステン(W)、及び、これらの合金等からなる密着層を金属層の下方に設けても良い。この場合、上電極層、密着層及び金属層が本発明における第2の電極層に相当する。
封止板33(本発明における第2の基板に相当)は、振動板31との間に圧電素子32の変形を阻害しない程度の間隔を空けて配置された平板状の基板である。本実施形態における封止板33は、図2及び図3に示すように、圧電素子32に対向する側の面に押圧樹脂41(本発明における第1の樹脂に相当)及びバンプ電極42が形成されている。封止板33は、この押圧樹脂41及びバンプ電極42を間に介在させた状態で、圧力室形成基板29(詳しくは、圧力室形成基板29に積層された振動板31)の上面(すなわち、圧電素子32が積層された面)に接合されている。なお、本実施形態においては、封止板33と圧力室形成基板29とは、熱硬化性及び感光性の両方の特性を有する接着剤48により接合されている。バンプ電極42は、図2に示すように、上電極層39に導通する共通バンプ電極42aと、下電極層37に導通する個別バンプ電極42bとの2種類あり、それぞれ弾性変形した状態で対応する電極層に接続されている。いずれのバンプ電極42a、42bも、図3に示すように、弾性を有する合成樹脂からなる内部樹脂43(本発明における第2の樹脂に相当)と、当該内部樹脂43の表面を覆った金属からなる導電層44(本発明における第2の導電層に相当)とが積層されてなる。
本実施形態においては、図2に示すように、2列に形成された圧電素子32の列の間に対応する位置に、両側の圧電素子32に共通な電圧を供給する共通バンプ電極42aが1列形成され、一側の圧電素子32の列の外側(具体的には、圧電素子32を挟んで共通バンプ電極42aとは反対側)に対応する位置及び他側の圧電素子32の列の外側に対応する位置に、各圧電素子32に個別な電圧を供給する個別バンプ電極42bがそれぞれ1列ずつ形成されている。共通バンプ電極42aは、圧電素子32から延在された上電極層39に接続されている。すなわち、共通バンプ電極42aの導電層44が上電極層39に当接されている。また、この導電層44は、封止板33板厚方向に貫通する貫通配線46を介して、封止板33の上面(駆動IC34側の面)に形成された対応する駆動IC側端子50に接続されている。
個別バンプ電極42bは、圧電体層38に重なる位置における第1の金属層40aに接続されている。すなわち、図3及び図4に示すように、個別バンプ電極42bの導電層44が第1の金属層40aに当接されている。本実施形態における個別バンプ電極42bの内部樹脂43は、封止板33の下面において、ノズル列方向に沿って突条に形成されている。一方、個別バンプ電極42bの導電層44は、ノズル列方向に沿って並設された圧電素子32に対応して、ノズル列方向に沿って複数形成されている。すなわち、個別バンプ電極42bは、ノズル列方向に沿って複数形成されている。また、各個別バンプ電極42bの導電層44は、封止板33の下面(圧電素子32側の面)において、内部樹脂43よりも外側まで延在されて圧電素子側電極層49(本発明における第3の電極層に相当)を構成する。そして、この圧電素子側電極層49の個別バンプ電極42bと反対側の端部は、貫通配線46と接続されている。換言すると、貫通配線46と個別バンプ電極42bとを接続する圧電素子側電極層49は、内部樹脂43と重なる位置まで引き回されて個別バンプ電極42bの導電層44となっている。すなわち、圧電素子側電極層49は、個別バンプ電極42bを介して第1の金属層40a(すなわち、下電極層37)と導通する。そして、圧電素子側電極層49は、貫通配線46を介して、封止板33の上面に形成された対応する駆動IC側端子50に接続されている。
押圧樹脂41は、図2に示すように、2列に形成された圧電素子32の列に対応して、2列に形成されている。この押圧樹脂41は、図3及び図4に示すように、封止板33の下面において、圧電素子32の長手方向(すなわち、圧電体層38の延在方向)における外側(個別バンプ電極42b側)の上電極層39の端に対応する位置に、ノズル列方向に沿って突条に形成されている。より詳しくは、押圧樹脂41は、圧電素子32の長手方向において、第2の金属層40bの端部から第2の金属層40bと第1の金属層40aとの間の圧電体層38に亘った領域(すなわち、上電極層39の端を含む領域)に対向する封止板33の下面の領域に突設されている。そして、この押圧樹脂41は、弾性変形した状態で上電極層39の端部に当接されている。すなわち、押圧樹脂41は、封止板33と圧力室形成基板29との間に挟まれて高さ方向に潰れた状態で上電極層39の端部に当接されている。要するに、封止板33と圧力室形成基板29とは、押圧樹脂41及びバンプ電極42を間に挟んで弾性変形させた状態で、接着剤48により固定されている。なお、内部樹脂43および押圧樹脂41としては、例えば、ポリイミド樹脂等の弾性を有する樹脂が用いられる。
そして、上記のように構成することで、押圧樹脂41により上電極層39の端及び第2の電極層40bの端が押圧されるため、上電極層39及び第2の電極層40bが剥がれることを抑制できる。また、上電極層39の端部における圧電体層38の変形を抑制できるため、上電極層39の端における圧電体層38に応力が集中することを抑制できる。これにより、圧電体層38にクラック等が発生することを抑制できる。その結果、記録ヘッド3の信頼性を向上させることができ、ひいてはプリンター1の信頼性を向上させることができる。
なお、本実施形態における接着剤48は、図3に示すように、圧電素子32の長手方向において、圧力室30の一側の端部における駆動領域35と非駆動領域36との境界を含む領域、圧力室30の他側の端部における駆動領域35と非駆動領域36との境界を含む領域、及び、個別バンプ電極42bより外側の非駆動領域36に配置され、当該各領域で封止板33と圧力室形成基板29とを接着固定している。また、これらの接着剤48は、バンプ電極42及び押圧樹脂41に接着しないように、これらから離間した位置に配置されている。
駆動IC34は、圧電素子32を駆動するための信号を出力するICチップであり、異方性導電フィルム(ACF)等の接着剤(図示せず)を介して封止板33の上面に積層されている。図3に示すように、この駆動IC34の封止板33側の面には、駆動IC側端子50に接続されるICバンプ電極51が形成されている。各ICバンプ電極51は、駆動IC34の下面から封止板33側に向けて突設されている。
そして、上記のような構成の記録ヘッド3では、インクカートリッジ7からのインクを液体導入路18、共通液室25、個別連通路26等を介して圧力室30に導入する。この状態で、駆動IC34からの駆動信号を、封止板33に形成された配線等を介して圧電素子32に供給することで、圧電素子32を駆動させて圧力室30に圧力変動を生じさせる。この圧力変動を利用することで、記録ヘッド3はノズル連通路27を介してノズル22からインク滴を噴射する。
次に、上記した記録ヘッド3、特にアクチュエーターユニット14の製造方法について説明する。図5及び図6は、アクチュエーターユニット14の製造方法を説明する模式図である。封止板33となるシリコン単結晶基板(以下、単に封止板33という。)では、まず、エッチングやレーザー等を用いて封止板33を貫通する貫通孔を形成し、その後、電解めっき法等により貫通孔内に貫通配線46を形成する。また、半導体プロセス(即ち、成膜工程、フォトリソグラフィー工程及びエッチング工程など)を用いて、封止板33の上面にICバンプ電極51等を形成する。さらに、半導体プロセスを用いて、封止板33の下面に樹脂コアバンプ及び押圧樹脂41を形成する。より詳しくは、封止板33の下面に樹脂膜を製膜し、フォトリソグラフィー工程及びエッチング工程により、所定の位置に樹脂を形成した後、加熱により溶融してその角を丸めることで内部樹脂43及び押圧樹脂41を形成する。その後、蒸着やスパッタリング等により表面に金属膜を成膜し、フォトリソグラフィー工程及びエッチング工程により、導電膜44を形成する。これにより、図5に示すように、所定の位置にバンプ電極42が形成される。なお、その後、アッシングや薬液を用いた方法により、内部樹脂43の露出した部分及び押圧樹脂41の表面の一部を削り取ることもできる。
一方、圧力室形成基板29となるシリコン単結晶基板(以下、単に圧力室形成基板29という。)では、まず、上面に振動板31を積層する。次に、半導体プロセスにより、振動板31上に下電極層37、圧電体層38、上電極層39及び金属層40を順次パターニングし、圧電素子32等を形成する。その後、表面に接着剤層を製膜し、フォトリソグラフィー工程により、所定の位置に接着剤48を形成する。具体的には、感光性および熱硬化性を有する液体状の接着剤を、スピンコーター等を用いて振動板31上に塗布し、加熱することで弾性を有する接着剤層を形成する。そして、露光及び現像することで、図5に示すように、所定の位置に接着剤48の形状をパターニングする。本実施形態では、接着剤48が感光性を有するため、フォトリソグラフィー工程により、接着剤48を精度よくパターニングすることができる。なお、接着剤48は、圧力室形成基板29側に形成せずに、封止板33側に形成することもできる。
接着剤48が形成されたならば、封止板33と圧力室形成基板29を接合する。具体的には、図6に示すように、何れか一方の基板(本実施形態では封止板33)を他方の基板側に向けて相対的に移動させて(図6における矢印参照)、接着剤48を両基板の間に挟んで張り合わせる。この状態で、バンプ電極42及び押圧樹脂41の弾性復元力に抗して、封止板33及び圧力室形成基板29を上下方向に加圧する。これにより、図6に示すように、バンプ電極42及び押圧樹脂41が押し潰された状態になる。そして、加圧しながら、接着剤48の硬化温度まで加熱する。その結果、バンプ電極42及び押圧樹脂41が押し潰された状態(すなわち、弾性変形した状態)で、接着剤48が硬化し、封止板33と圧力室形成基板29とが接合される。すなわち、押圧樹脂41により上電極層39の端及び第2の金属層40bの端が押圧された状態で、封止板33と圧力室形成基板29とが固定される。
封止板33と圧力室形成基板29とが接合されたならば、フォトリソグラフィー工程及びエッチング工程により、圧力室形成基板29に圧力室30を形成する。このようにして、上記のようなアクチュエーターユニット14が形成される。アクチュエーターユニット14が形成されたならば、接着剤等を用いてアクチュエーターユニット14と流路ユニット15とを位置決め固定する。そして、アクチュエーターユニット14をヘッドケース16の収容空間17に収容した状態で、ヘッドケース16と流路ユニット15とを接合することで、上記の記録ヘッド3が製造される。
このように、本実施形態では、バンプ電極42及び押圧樹脂41が同一の基板(本実施形態では封止板33)に形成されたので、内部樹脂43及び押圧樹脂41を同じ工程で作成することができる。このため、内部樹脂43及び押圧樹脂41を異なる工程で作成する場合と比較して、製造コストを抑えることができる。なお、上電極層39上に金属層40を積層しない構成を採用することもできる。この場合、上電極層39のみが本発明における第2の電極層に相当する。
ところで、上記した第1の実施形態では、バンプ電極42の高さと押圧樹脂41の高さとは導電層44の高さの分だけ異なっているため、封止板33と圧力室形成基板29との加圧を十分に行わないと、押圧樹脂41が上電極層39の端を十分に押圧できない虞がある。特に、バンプ電極42が形成された後、アッシング等により、内部樹脂43の露出した部分及び押圧樹脂41の表面の一部を削り取る場合、バンプ電極42の高さと押圧樹脂41の高さとの差が一層広がる虞がある。このため、図7に示す第2の実施形態では、バンプ電極42の高さと押圧樹脂41の高さとを揃える目的で、押圧樹脂41の表面に押圧導電層53(本発明における第1の導電層に相当)を形成している。
具体的には、図7に示すように、押圧導電層53は、押圧樹脂41の表面を覆うように、形成されている。この押圧導電層53は、下電極層37と導通する個別バンプ電極42bの導電層44や図示しないその他の電極層と離間して形成されている。すなわち、押圧導電層53は、下電極層37と電気的に絶縁された状態に形成される。なお、本実施形態における押圧樹脂41は、第1の実施形態と同様に、封止板33の下面において、ノズル列方向に沿って突条に形成されている。また、押圧導電層53は、個別バンプ電極42bの導電層44と同様に、ノズル列方向に沿って並設された圧電素子32に対応して、ノズル列方向に沿って複数形成されている。すなわち、押圧導電層53は、圧電素子32毎に形成されている。なお、押圧導電層53を、押圧樹脂41と同様に、複数の圧電素子32に亘って、すなわちノズル列方向に沿って連続して設けることもできる。
そして、本実施形態における押圧導電層53は、これより内側の押圧樹脂41が弾性変形した状態で上電極層39の端を含む領域に当接されている。このように、押圧導電層53を介して押圧樹脂41が上電極層39の端を押圧するため、押圧導電層53が無い場合と比較して、押圧樹脂41が弾性変形する量を多くすることができる。要するに、押圧樹脂41と押圧導電層53とを合わせた高さをバンプ電極42の高さに揃えることができる。このため、上電極層39の端及び第2の電極層40bの端をより確実に押圧することができる。その結果、上電極層39及び第2の電極層40bが剥がれることを抑制でき、また、圧電体層38にクラック等が発生することを抑制できる。さらに、バンプ電極42が形成された後、アッシング等により、内部樹脂43の露出した部分及び押圧樹脂41の表面の一部を削り取る場合でも、押圧樹脂41が押圧導電層53により保護されるため、押圧樹脂41と押圧導電層53とを合わせた高さをバンプ電極42の高さに揃えることができる。なお、その他の構成は第1の実施形態と同じであるため、説明を省略する。また、本実施形態における製造方法に関し、押圧導電層53は導電膜44を形成する工程と同じ工程で作製され、その他の工程は上記した第1の実施形態と同じであるため、説明を省略する。
また、上記した第1の実施形態では、バンプ電極42と押圧樹脂41との両方が封止板33に形成されていたが、これには限られない。図8〜図10に示す第3〜第5の実施形態では、バンプ電極42及び押圧樹脂41の何れか一方、又は、両方が、圧力室形成基板29に形成されている。
具体的に説明すると、図8に示す第3の実施形態では、バンプ電極42が第1の実施形態と同様に封止板33側に形成される一方、押圧樹脂41が第1の実施形態と異なり圧力室形成基板29側に形成されている。本実施形態における押圧樹脂41は、圧力室形成基板29の上面であって、圧電素子32の長手方向における外側の上電極層39の端に対応する位置に、ノズル列方向に沿って突条に形成されている。より詳しくは、押圧樹脂41は、圧電素子32の長手方向において、第2の金属層40bの端部から第2の金属層40bと第1の金属層40aとの間の圧電体層38に亘った領域(すなわち、上電極層39の端を含む領域)に積層されている。そして、本実施形態における押圧樹脂41も、弾性変形した状態で封止板33の下面に当接されている。これにより、本実施形態でも、押圧樹脂41により上電極層39の端及び第2の電極層40bの端を押圧することができ、上電極層39及び第2の電極層40bの剥がれや圧電体層38のクラック等の不具合が発生することを抑制できる。また、本実施形態では、押圧樹脂41が上電極層39の端を含む領域に形成されているため、製造誤差等により圧力室形成基板29と封止板33との相対位置がずれたとしても、確実に上電極層39の端を押圧することができる。さらに、バンプ電極42と押圧樹脂41とが異なる基板に作成されるため、バンプ電極42と押圧樹脂41との間隔を可及的に狭めることができる。その結果、アクチュエーターユニット14を小型化でき、ひいては記録ヘッド3を小型化できる。なお、その他の構成は第1の実施形態と同じであるため、説明を省略する。
本実施形態におけるアクチュエーターユニット14の製造方法について説明する。本実施形態では、封止板33の下面に樹脂コアバンプの内部樹脂43を形成する工程において、押圧樹脂41を形成しない一方で、圧力室形成基板29に圧電素子32等を形成した後に、内部樹脂43を形成する工程を追加している。具体的には、半導体プロセスにより圧力室形成基板29に圧電素子32等を形成した後、圧力室形成基板29の上面に樹脂膜を製膜する。そして、フォトリソグラフィー工程及びエッチング工程により、所定の位置に樹脂を形成した後、加熱によりその角を丸めて内部樹脂43を形成する。なお、封止板33側については、樹脂の形成パターンを変更するだけであるため、説明を省略する。また、その他の製造方法についても、上記した第1の実施形態と同じであるため、説明を省略する。
また、図9に示す第4の実施形態では、押圧樹脂41が第1の実施形態と同様に封止板33に形成される一方、バンプ電極42が第1の実施形態と異なり圧力室形成基板29側に形成されている。本実施形態における個別バンプ電極42bの内部樹脂43は、図9に示すように、圧電素子32の長手方向における圧電体層38の一側の端部において、ノズル列方向に沿って突条に形成されている。個別バンプ電極42bの導電層44は、この内部樹脂43上において、ノズル列方向に沿って複数形成されている。また、各個別バンプ電極42bの導電層44は、内部樹脂43よりも外側まで延在されて第1の金属層40aを構成する。換言すると、下電極層37に積層された第1の金属層40aは、内部樹脂43と重なる位置まで引き回されて個別バンプ電極42bの導電層44となっている。一方、本実施形態における圧電素子側電極層49は、封止板33の下面において、貫通配線46と重なる位置から押圧樹脂41から外れた位置であって個別バンプ電極42bが当接する位置まで延在されている。そして、各個別バンプ電極42bは、弾性変形した状態で対応する圧電素子側電極層49に当接されている。これにより、圧電素子側電極層49は、個別バンプ電極42bを介して下電極層37と導通する。なお、図示を省略するが、本実施形態における共通バンプ電極は、圧電素子32の列間において、上電極層39上に積層された内部樹脂と、この内部樹脂を覆うと共に上電極層に導通された導電膜とからなり、弾性変形した状態で貫通配線46と導通する圧電素子側電極層に接続されている。このように、本実施形態でもバンプ電極42と押圧樹脂41とが異なる基板に作成されるため、バンプ電極42と押圧樹脂41との間隔を可及的に狭めることができる。その結果、アクチュエーターユニット14を小型化でき、ひいては記録ヘッド3を小型化できる。なお、その他の構成は第1の実施形態と同じであるため、説明を省略する。
本実施形態におけるアクチュエーターユニット14の製造方法について説明する。本実施形態では、封止板33の下面に押圧樹脂41を形成する工程において、バンプ電極42の内部樹脂43を形成しない一方で、圧力室形成基板29に圧電素子32を形成した後に、バンプ電極42の内部樹脂43を形成する工程を追加している。具体的には、半導体プロセスにより圧力室形成基板29に圧電素子32を形成した後であって金属層40を形成する前に、圧力室形成基板29の上面に樹脂膜を製膜する。そして、フォトリソグラフィー工程及びエッチング工程により、所定の位置に樹脂を形成した後、加熱によりその角を丸めて内部樹脂43を形成する。その後、半導体プロセスにより、金属層40を形成することで、バンプ電極42を形成する。なお、封止板33側については、樹脂の形成パターンを変更するだけであるため、説明を省略する。また、その他の製造方法についても、上記した第1の実施形態と同じであるため、説明を省略する。
さらに、図10に示す第5の実施形態では、第1の実施形態と異なり、バンプ電極42及び押圧樹脂41が圧力室形成基板29側に形成されている。本実施形態における個別バンプ電極42bの内部樹脂43は、第4の実施形態と同様に、圧電素子32の長手方向における圧電体層38の一側の端部において、ノズル列方向に沿って突条に形成されている。また、個別バンプ電極42bの導電層44は、第4の実施形態と同様に、下電極層37に積層された第1の金属層40aが、内部樹脂43と重なる位置まで引き回されてなる。さらに、押圧樹脂41は、第3の実施形態と同様に、圧力室形成基板29の上面であって、圧電素子32の長手方向における外側の上電極層39の端に対応する位置に、ノズル列方向に沿って突条に形成されている。
本実施形態におけるアクチュエーターユニット14の製造方法について説明する。本実施形態では、封止板33の下面に樹脂(内部樹脂43及び押圧樹脂41)を形成する工程がない一方で、圧力室形成基板29に圧電素子32等を形成した後に、バンプ電極42の内部樹脂43及び押圧樹脂41を形成する工程を追加している。具体的には、半導体プロセスにより圧力室形成基板29に圧電素子32を形成し、第2の金属層40b及び第3の金属層40cを形成した後に、圧力室形成基板29の上面に樹脂膜を製膜する。そして、フォトリソグラフィー工程及びエッチング工程により、所定の位置に樹脂を形成した後、加熱によりその角を丸めて内部樹脂43及び押圧樹脂41を形成する。その後、半導体プロセスにより、第1の金属層40aを形成することで、バンプ電極42を形成する。なお、封止板33側については、樹脂のパターニング工程が無いだけであるため、説明を省略する。また、その他の製造方法についても、上記した第1の実施形態と同じであるため、説明を省略する。このように、本実施形態でも、バンプ電極42及び押圧樹脂41が同一の基板(本実施形態では圧力室形成基板29)に形成されたので、内部樹脂43及び押圧樹脂41を同じ工程で作成することができる。このため、内部樹脂43及び押圧樹脂41を異なる工程で作成する場合と比較して、製造コストを抑えることができる。また、本実施形態では、押圧樹脂41が上電極層39の端を含む領域に形成されているため、製造誤差等により圧力室形成基板29と封止板33との相対位置がずれたとしても、確実に上電極層39の端を押圧することができる。なお、第3〜第5の実施形態において、第2の実施形態と同様に、押圧樹脂の表面に押圧導電層を設けて、高さを調整することもできる。
なお、以上においては、圧電素子32の駆動により当該圧電素子32が形成された駆動領域35が変位することでノズル22から液体の一種であるインクを噴射する構成を例示したが、これには限られず、駆動領域に第1の電極層、誘電体層、及び、第2の電極層がこの順に積層された第1の基板と、これに対向配置された第2の基板とを備えたMEMSデバイスであれば、本発明を適用することが可能である。例えば、駆動領域の圧力変化、振動、あるいは変位等を検出するセンサー等にも本発明を適用することができる。なお、一面が駆動領域で区画される空間は、液体が流通するものには限られない。
また、上記実施形態においては、液体噴射ヘッドとしてインクジェット式記録ヘッド3を例に挙げて説明したが、本発明は他の液体噴射ヘッドにも適用することができる。例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機EL(Electro Luminescence)ディスプレイ、FED(面発光ディスプレイ)等の電極形成に用いられる電極材噴射ヘッド、バイオチップ(生物化学素子)の製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等にも本発明を適用することができる。ディスプレイ製造装置用の色材噴射ヘッドでは液体の一種としてR(Red)・G(Green)・B(Blue)の各色材の溶液を噴射する。また、電極形成装置用の電極材噴射ヘッドでは液体の一種として液状の電極材料を噴射し、チップ製造装置用の生体有機物噴射ヘッドでは液体の一種として生体有機物の溶液を噴射する。
1…プリンター,2…記録媒体,3…記録ヘッド,4…キャリッジ,5…キャリッジ移動機構,6…搬送機構,7…インクカートリッジ,8…タイミングベルト,9…パルスモーター,10…ガイドロッド,14…アクチュエーターユニット,15…流路ユニット,16…ヘッドケース,17…収容空間,18…液体導入路,21…ノズルプレート,22…ノズル,24…連通基板,25…共通液室,26…個別連通路,27…ノズル連通路,29…圧力室形成基板,30…圧力室,31…振動板,32…圧電素子,33…封止板,34…駆動IC,35…駆動領域,36…非駆動領域,37…下電極層,38…圧電体層,39…上電極層,40…金属層,40a…第1の金属層,40b…第2の金属層,40c…第3の金属層,42…バンプ電極,42a…共通バンプ電極,42b…個別バンプ電極,43…内部樹脂,44…導電層,46…貫通配線,48…接着剤,49…圧電素子側電極層,50…駆動IC側端子,51…ICバンプ電極,53…押圧導電層,55…圧電体開口部

Claims (6)

  1. 駆動領域を備え、当該駆動領域に第1の電極層、誘電体層、及び第2の電極層がこの順に積層された第1の基板と、
    前記第1の基板の前記誘電体層が積層された面に対向して配置された第2の基板と、を備え、
    前記第1の電極層及び前記誘電体層は、前記駆動領域から外れた非駆動領域に向けて前記第2の電極層よりも外側まで延在され、
    弾性を有する第1の樹脂が、前記誘電体層の延在方向における前記第2の電極層の端を含む領域に形成され、
    前記第1の基板と前記第2の基板とは、弾性変形した前記第1の樹脂を間に挟んだ状態で、接着剤により固定されたことを特徴とするMEMSデバイス。
  2. 前記第1の樹脂の表面を覆う第1の導電層が、前記第1の電極層と電気的に絶縁された状態に形成されたことを特徴とする請求項1に記載のMEMSデバイス。
  3. 前記第2の基板は、バンプ電極を介して前記第1の電極層と導通する第3の電極層を備え、
    前記バンプ電極は、弾性を有する第2の樹脂と、当該第2の樹脂の表面を覆った第2の導電層と、を備え、
    前記第1の樹脂及び前記第2の樹脂は、前記第1の基板又は前記第2の基板の何れか一方の基板であって、同一の基板に形成されたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のMEMSデバイス。
  4. 前記第2の基板は、バンプ電極を介して前記第1の電極層と導通する第3の電極層を備え、
    前記バンプ電極は、弾性を有する第2の樹脂と、当該第2の樹脂の表面を覆った第2の導電層と、を備え、
    前記第1の樹脂は、前記第1の基板又は前記第2の基板の何れか一方の基板に形成され、前記第2の樹脂は、前記第1の基板又は前記第2の基板の何れか他方の基板に形成されたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のMEMSデバイス。
  5. 請求項1から請求項4の何れか一項に記載のMEMSデバイスの一種である液体噴射ヘッドであって、
    前記駆動領域により少なくとも一部が区画された圧力室と、前記圧力室に連通するノズルと、を備えたことを特徴とする液体噴射ヘッド。
  6. 請求項5に記載の液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする液体噴射装置。
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