JP2018161816A - 圧電デバイス、ｍｅｍｓデバイス、液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置 - Google Patents
圧電デバイス、ｍｅｍｓデバイス、液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】大型化を抑制しつつ、対向する配線間の短絡を抑制した圧電デバイス、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】圧電体層（３８）及び少なくとも一部が圧電体層（３８）上に積層された第１の配線（上電極層３９）を備えた第１の基板（圧力室形成基板２９、振動板３１）と、第１の配線（上電極層３９）とは異なる電気信号が印加される第２の配線（下面側配線４７）を備えた第２の基板（封止板３３）と、を有し、第１の配線（上電極層３９）と第２の配線（下面側配線４７）とが間隔を空けて対向する圧電デバイス（アクチュエーターユニット１４）であって、第１の配線（上電極層３９）と第２の配線（下面側配線４７）の少なくとも一方の配線の少なくとも一部が絶縁性を有する保護層（５５）で覆われたことを特徴とする圧電デバイス（アクチュエーターユニット１４）。【選択図】図３
Description
本発明は、第１の基板と第２の基板とを備え、それぞれの基板に形成された配線が対向配置された圧電デバイス、ＭＥＭＳデバイス、液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置に関するものである。
圧電素子を有する圧電デバイスを備えた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、上記した圧電素子を変形させ、この変形に伴って圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることでノズルから液滴を噴射（吐出）する。また、このような液体噴射ヘッドが搭載される液体噴射装置としては、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に代表される画像記録装置の他、各種の製造装置に応用されている。例えば、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。
また、液体噴射ヘッドとしては、圧電素子及び圧電素子から延在された配線（例えば、個別電極）が形成された一方の基板（例えば、液室基板）と、この基板に対して間隔を空けて配置された他方の基板（例えば、駆動素子）と、を備え、一方の基板の配線と他方の基板の端子とを接続したものがある（例えば、特許文献１参照）。また、近年、他方の基板における一方の基板側の面に、種々の配線が形成されたものが開発されている。
上記したような一方の基板及び他方の基板の両方に配線が形成された構成において、一方の基板の配線と他方の基板の配線とが対向し、且つ両配線に異なる電気信号が印加される場合がある。このような場合において、特許文献１に開示されるような対向する基板側に露出する配線を形成すると、一方の基板の配線と他方の基板の配線との間で放電し、両者が短絡（ショート）する虞がある。対向する配線間の短絡を抑制するべく、一方の基板と他方の基板との間隔を広げることが考えられるが、この場合、液体噴射ヘッドが大型化する。また、一方の基板の配線と他方の基板の配線とが対向しないように配線をレイアウトすることも考えられるが、設計の自由度が制限され、この場合も液体噴射ヘッドが大型化する虞がある。
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、大型化を抑制しつつ、対向する配線間の短絡を抑制した圧電デバイス、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。
本発明の圧電デバイスは、上記目的を達成するために提案されたものであり、圧電体層及び少なくとも一部が前記圧電体層上に積層された第１の配線を備えた第１の基板と、
前記第１の配線とは異なる電気信号が印加される第２の配線を備えた第２の基板と、を有し、前記第１の配線と前記第２の配線とが対向する圧電デバイスであって、
前記第１の配線と前記第２の配線の少なくとも一方の配線の少なくとも一部が絶縁性を有する保護層で覆われたことを特徴とする。
前記第１の配線とは異なる電気信号が印加される第２の配線を備えた第２の基板と、を有し、前記第１の配線と前記第２の配線とが対向する圧電デバイスであって、
前記第１の配線と前記第２の配線の少なくとも一方の配線の少なくとも一部が絶縁性を有する保護層で覆われたことを特徴とする。
この構成によれば、保護層により第１の配線と第２の配線との間における短絡が抑制される。すなわち、保護層が電子の流れに対するエネルギー障壁となり、第１の配線と第２の配線との間における放電が抑制される。これにより、第１の配線と第２の配線との間隔を狭めることができる。また、第１の配線と第２の配線とが対向して配置されるため、設計の自由度が増す。その結果、圧電デバイスが大型化することを抑制できる。また、第１の配線と第２の配線との間の短絡が抑制されるため、圧電デバイスの信頼性が向上する。
上記構成において、前記保護層は、酸化物、窒化物、又は、樹脂の何れかで形成されたことが望ましい。
この構成によれば、保護層を比較的容易に作製できる。
また、上記構成において、前記第１の基板と前記第２の基板とは、接着剤を介して接合され、
前記保護層は、前記接着剤と同種の樹脂で形成されたことが望ましい。
前記保護層は、前記接着剤と同種の樹脂で形成されたことが望ましい。
この構成によれば、保護層に対して接着剤が密着し易くなる。これにより、第１の基板と第２の基板との接着強度（接合強度）を高めることができる。
さらに、上記各構成の何れかにおいて、少なくとも前記第１の配線又は前記第２の配線の何れか一方への電圧印加において、前記第１の配線と前記第２の配線との間の最大電位差が１０［Ｖ］以上であることが望ましい。
この構成によれば、第１の配線と第２の配線との間の最大電位差が１０［Ｖ］以上の場合でも、第１の配線と第２の配線との間における短絡を抑制できる。すなわち、第１の配線と第２の配線との間で短絡し易い電位差が生じたとしても、両配線間の短絡を抑制できる。
また、上記各構成の何れかにおいて、少なくとも前記第１の配線又は前記第２の配線の何れか一方への電圧印加において、前記第１の配線と前記第２の配線との間に形成される最大電界強度が１［ＭＶ／ｍ］以上であることが望ましい。
この構成によれば、第１の配線と第２の配線との間の電界強度が１［ＭＶ／ｍ］以上の場合でも、第１の配線と第２の配線との間の短絡を抑制できる。すなわち、第１の配線と第２の配線との間で短絡し易い電界強度が生じたとしても、両配線間の短絡を抑制できる。
さらに、上記各構成の何れかにおいて、前記第１の配線の端又は前記第２の配線における前記第１の配線の端に対向する部分の少なくとも何れか一方が前記保護層により覆われたことが望ましい。
この構成によれば、放電が生じやすい第１の配線の端又はこれに対向する部分が保護層で覆われるため、第１の配線と第２の配線との間における短絡が一層抑制される。
また、上記各構成の何れかにおいて、前記第１の基板は、前記第１の配線上に積層された第３の配線を備え、
前記第３の配線の端又は前記第２の配線における前記第３の配線の端に対向する部分の少なくとも何れか一方が前記保護層により覆われたことが望ましい。
前記第３の配線の端又は前記第２の配線における前記第３の配線の端に対向する部分の少なくとも何れか一方が前記保護層により覆われたことが望ましい。
この構成によれば、放電が生じやすい第３の配線の端又はこれに対向する部分が保護層で覆われるため、第１の配線と第２の配線との間における短絡が一層抑制される。
そして、本発明のＭＥＭＳデバイスは、上記各構成の何れかの圧電デバイスを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、ＭＥＭＳデバイスの信頼性が向上する。
また、本発明の液体噴射ヘッドは、上記各構成の何れかの圧電デバイスを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、液体噴射ヘッドの信頼性が向上する。
さらに、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。
本発明によれば、液体噴射装置の信頼性が向上する。
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デバイスの一種である液体噴射ヘッド、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の断面図である。図３は、記録ヘッド３の要部、すなわち、アクチュエーターユニット１４（本発明における圧電デバイスに相当）を拡大した断面図である。なお、便宜上、記録ヘッド３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列に並設された圧力室３０の列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、流路ユニット１５（具体的には、連通基板２４）に積層されたアクチュエーターユニット１４（圧力室形成基板２９、封止板３３、駆動ＩＣ３４等）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、連通基板２４及びノズルプレート２１を有している。連通基板２４は、流路ユニット１５の上部を構成するシリコン製の基板（例えば、シリコン単結晶基板）である。この連通基板２４には、図２に示すように、液体導入路１８と連通し、各圧力室３０に共通なインクが貯留される共通液室２５、この共通液室２５を介して液体導入路１８からのインクを各圧力室３０に個別に供給する個別連通路２６、及び、圧力室３０とノズル２２とを連通するノズル連通路２７が、異方性エッチングにより形成されている。共通液室２５は、ノズル列方向に沿った長尺な空部であり、２列に並設された圧力室３０の列に対応して２列に形成されている。
ノズルプレート２１は、連通基板２４の下面（圧力室形成基板２９とは反対側の面）に接合されたシリコン製の基板（例えば、シリコン単結晶基板）である。本実施形態では、このノズルプレート２１により、共通液室２５となる空間の下面側の開口が封止されている。また、ノズルプレート２１には、複数のノズル２２が直線状（列状）に開設されている。本実施形態では、２列に形成された圧力室３０の列に対応して、ノズル列が２列に形成されている。この並設された複数のノズル２２（ノズル列）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、主走査方向に直交する副走査方向に沿って等間隔に設けられている。なお、ノズルプレートを連通基板における共通液室から内側に外れた領域に接合し、共通液室となる空間の下面側の開口を例えば可撓性を有するコンプライアンスシート等の部材で封止することもできる。
本実施形態の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が積層されてユニット化されている。なお、アクチュエーターユニット１４は、収容空間１７内に収容可能なように、収容空間１７よりも小さく形成されている。
圧力室形成基板２９は、連通基板２４の上面（ノズルプレート２１とは反対側の面）に接合されたシリコン製の基板（例えば、シリコン単結晶基板）である。この圧力室形成基板２９には、異方性エッチングにより一部が板厚方向に完全に除去されて、圧力室３０となるべき空間がノズル列方向に沿って複数並設されている。この空間は、下方が連通基板２４により区画され、上方が振動板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（図２又は図３における左右方向）に長尺な空部であり、長手方向の一側の端部に個別連通路２６が連通すると共に、他側の端部にノズル連通路２７が連通する。
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側とは反対側の面）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が区画されている。この振動板３１における圧力室３０（詳しくは、圧力室３０の上部開口）に対応する部分は、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の上部開口に対応する領域が、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の上部開口から外れた領域が、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（ＳｉＯ２）からなる弾性膜と、この弾性膜上に形成された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁膜と、から成る。そして、この絶縁膜上（振動板３１の圧力室形成基板２９側とは反対側の面）における各圧力室３０に対応する領域、すなわち駆動領域３５に圧電素子３２がそれぞれ積層されている。すなわち、圧力室形成基板２９は、上面側に振動板３１及び圧電素子３２を備えている。各圧電素子３２は、ノズル列方向に沿って２列に並設された圧力室３０に対応して、当該ノズル列方向に沿って２列に形成されている。なお、圧力室形成基板２９及びこれに積層された振動板３１、すなわち、圧力室形成基板２９と振動板３１とからなる積層基板が本発明における第１の基板に相当する。
本実施形態における圧電素子３２は、所謂撓みモードの圧電素子である。図３に示すように、この圧電素子３２は、例えば、振動板３１上に、下電極層３７、圧電体層３８及び上電極層３９（本発明における第１の配線に相当）が順次積層されてなる。換言すると、駆動領域３５において、下電極層３７上に圧電体層３８が積層され、この圧電体層３８上に上電極層３９が積層されて、圧電素子３２が形成されている。このように構成された圧電素子３２は、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、ノズル２２から遠ざかる方向（上方向）あるいは近接する方向（下方向）に撓み変形する。そして、この変形に伴う圧力室３０の容積の変化を利用することで、ノズル連通路２７を介して圧力室３０と連通するノズル２２からインク滴を噴射することが可能になる。本実施形態においては、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、圧力室３０毎に形成されている。一方、上電極層３９は、複数の圧力室３０に亘って形成されている。なお、駆動回路や配線の都合によって、下電極層（すなわち、下層の電極層）を共通電極、上電極層（すなわち、上層の電極層）を個別電極にすることもできる。
本実施形態における下電極層３７は、図３に示すように、ノズル列方向に直交する方向における両側の端が駆動領域３５よりも外側まで延在されている。具体的には、下電極層３７の一側（アクチュエーターユニット１４の外側）の端は、駆動領域３５から上電極層３９の一側の端（すなわち、圧電素子３２の一側の端）の位置を越えて非駆動領域３６まで延在されている。この非駆動領域３６における下電極層３７の一側の端部には、圧電体層３８が除去されて当該下電極層３７が圧電体層３８から露出したコンタクト領域５６が形成されている。このコンタクト領域５６において、下電極層３７は個別端子４１と接続されている。そして、この個別端子４１には、後述する個別バンプ電極４０ａが電気的に接続されている。すなわち、個別バンプ電極４０ａからの電気信号（具体的には、圧電素子３２毎に供給される個別電圧）は、個別端子４１を介して下電極層３７に印加される。また、下電極層３７の他側（アクチュエーターユニット１４の内側）の端は、駆動領域３５から僅かに外側まで延在されている。この下電極層３７の他側の端により圧電素子３２の他側の端の位置が規定されている。
また、本実施形態における圧電体層３８は、ノズル列方向に直交する方向における両側の端が駆動領域３５よりも外側まで延在されている。具体的には、圧電体層３８の一側の端は、下電極層３７の一側の端の位置を越えてバンプ電極４０が対向する領域の外側まで延在されている。この延在された圧電体層３８のうち下電極層３７の一側の端部に対応する領域（具体的には、コンタクト領域５６）の圧電体層３８は、上記したように除去されている。また、圧電体層３８の他側の端は、上電極層３７の他側の端の位置よりも外側まで延在されている。本実施形態においては、一方の圧電素子３２の列を構成する圧電体層３８と他方の圧電素子３２の列を構成する圧電体層３８とが圧電素子３２の列間において接続され、両圧電素子３２の列に共通な圧電体層３８となっている。すなわち、圧電体層３８は、一方の圧電素子３２の列の外側から他方の圧電素子３２の列の外側まで延在されている。なお、ノズル列方向における圧電体層３８の両端は、圧電素子３２が並設された領域よりも外側まで延在されている。そして、圧電素子３２間の非駆動領域３６は、圧電体層３８が除去された開口部（図示せず）となっている。すなわち、この開口部によって、圧電体層３８が個々の圧電素子３２毎に分割されている。
さらに、本実施形態における上電極層３９は、ノズル列方向に直交する方向における両側の端が駆動領域３５よりも外側まで延在されている。具体的には、上電極層３９の一側の端は、駆動領域３５から僅かに外側まで延在されている。この上電極層３９の一側の端により圧電素子３２の一側の端の位置が規定されている。また、上電極層３９の他側の端は、駆動領域３５から下電極層３７の他側の端（すなわち、圧電素子３２の他側の端）の位置を越えて非駆動領域３６における後述する共通バンプ電極４０ｂに対応する位置まで延在されている。そして、この上電極層３９の他側の端部には、共通バンプ電極４０ｂが電気的に接続されている。これにより、共通バンプ電極４０ｂからの電気信号（具体的には、各圧電素子３２に共通な共通電圧）が、圧電素子３２となる領域の上電極層３９に印加される。なお、上電極層３９は、コンタクト領域５６に対応する位置にも、圧電素子３２毎に形成された下電極層３７に対応して、圧電素子３２毎に形成されている。このコンタクト領域５６に形成された上電極層３９は、個々の個別端子４１を構成する層であり、圧電体層３８から露出された下電極層３７を覆うように形成されている。また、コンタクト領域５６に形成された上電極層３９は、圧電素子３２となる領域の上電極層３９と電気的に隔離されている。
また、本実施形態においては、上電極層３９上に金属層４４（本発明における第３の配線に相当）が積層されている。具体的には、コンタクト領域５６に対応する位置、及び、圧電素子３２の長手方向（ノズル列方向に直交する方向）における両端部に金属層４４が積層されている。コンタクト領域５６に対応する位置に形成された金属層４４は、個々の個別端子４１を構成する層であり、圧電素子３２毎に形成されている。このコンタクト領域５６の金属層４４は、上電極層３９と重なる位置から、コンタクト領域５６の上電極層３９から外れて、圧電体層３８と重なる位置まで延在されている。そして、この延在された部分に個別バンプ電極４０ａが当接されている。なお、本実施形態においては、個別バンプ電極４０ａがノズル列方向に沿って千鳥状（間隔を空けて並列方向に対して左右交互に配置した状態）に配置されているため、これに対応して、コンタクト領域５６から一側（圧電素子３２から遠ざかる側）に延在された金属層４４と、コンタクト領域５６から他側（圧電素子３２に近づく側）に延在された金属層４４とが、ノズル列方向に沿って交互に配置されている。圧電素子３２の長手方向の両端部に配置された金属層４４は、駆動領域３５と非駆動領域３６との境界を跨ぐように配置されている。これにより、圧電素子３２の両端部における過度な変形が抑制され、駆動領域３５と非駆動領域３６との境界において圧電体層３８等が破損することを抑制できる。また、圧電素子３２に配置された金属層４４は、圧電素子３２となる領域の上電極層３９に積層されるため、当該上電極層３９と同電位になる。すなわち、圧電素子３２となる領域の上電極層３９と共に共通電圧が印加される。さらに、これら圧電素子３２に配置された金属層４４のうち他側の金属層４４ｂは、上電極層３９の他側の端部と同様に共通バンプ電極４０ｂに対応する位置まで延在されている。そして、この延在された部分に、共通バンプ電極４０ｂが当接されている。
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ＬａＮｉＯ３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４４としては、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上に金（Ａｕ）、銅(Ｃｕ)等が積層されたものが用いられる。
封止板３３（本発明における第２の基板に相当）は、図２及び図３に示すように、振動板３１との間に絶縁性を有する接着剤４３を介在させた状態で、圧電素子３２に対して間隔を開けて配置された平板状のシリコン基板である。本実施形態では、表面（上面及び下面）の結晶面方位を（１１０）面としたシリコン単結晶基板から作製されている。本実施形態における接着剤４３は、ノズル列方向に直交する方向における各バンプ電極４０の両側の位置に配置されている。なお、最も外側に配置された接着剤４３は、アクチュエーターユニット１４の外周を囲うように形成される。これにより、複数の圧電素子３２が、圧力室形成基板２９（詳しくは振動板３９）、封止板３３及び接着剤４３により囲われた空間内に封止される。なお、この接着剤４３として、感光性を有するものが好適に用いられる。例えば、接着剤４３としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、スチレン樹脂等を主成分に含む樹脂が好適に用いられる。この接着剤４３により、振動板３１等が積層された圧力室形成基板２９と封止板３３とが、間隔を空けた状態で接着（接合）される。
また、本実施形態における封止板３３の下面（圧力室形成基板２９側の面）には、駆動ＩＣ３４からの駆動信号を圧電素子３２側に出力するバンプ電極４０が複数形成されている。このバンプ電極４０は、圧電素子３２から一側に外れた位置の非駆動領域３６に対向する位置、及び、圧電素子３２から他側に外れた位置の非駆動領域３６に対向する位置に配置されている。圧電素子３２から一側に外れた位置に形成されたバンプ電極４０は、下電極層３７に個別電圧を供給する個別バンプ電極４０ａである。本実施形態における個別バンプ電極４０ａは、ノズル列方向に沿って千鳥状に配置されている。換言すると、一側（圧電素子３２とは反対側）に配置された個別バンプ電極４０ａと、他側（圧電素子３２側）に配置された個別バンプ電極４０ａとが、ノズル列方向に沿って交互に配置されている。すなわち、個別バンプ電極４０ａは、１つの圧電素子３２の列に対して、２列に並設されている。圧電素子３２から他側に外れた位置に形成されたバンプ電極４０は、上電極層３９に共通電圧を供給する共通バンプ電極４０ｂである。共通バンプ電極４０ｂは、１つの圧電素子３２の列に対して、１列に並設されている。
本実施形態におけるバンプ電極４０は、弾性を有しており、封止板３３の表面から振動板３１側に向けて突設されている。具体的には、図３に示すように、バンプ電極４０は、弾性を有する内部樹脂４８と、内部樹脂４８の少なくとも一部の表面を覆う下面側配線４７からなる導電膜４９と、を備えている。この内部樹脂４８は、封止板３３の表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、導電膜４９は、ノズル列方向に沿って複数形成されている。特に、一側の個別バンプ電極４０ａの導電膜４９及び他側の個別バンプ電極４０ａの導電膜４９は、対応する個別端子４１毎に形成されている。一方、共通バンプ電極４０ｂの導電膜４９は、複数の圧電素子３２からなるグループ毎に形成されている。なお、共通バンプ電極を圧電素子毎に形成することもできる。そして、各導電膜４９は、内部樹脂４８上から圧電素子３２側又は圧電素子３２側とは反対側に延びて、下面側配線４７となる。具体的には、一側の個別バンプ電極４０ａの導電膜４９は、封止板３３の端部まで延びて、封止板３３の外側に形成された下面側配線４７となる。他側の個別バンプ電極４０ａの導電膜４９は、一側の金属層４４ａと対向する位置よりも内側まで延びて、圧電素子３２の一部と対向する下面側配線４７となる。このため、下面側配線４７と、一側の金属層４４ａ又は圧電素子３２となる領域の上電極層３９とが、間隔を空けて対向した状態となる。なお、バンプ電極４０から延在された導電膜４９、換言すると、下面側配線４７が本発明における第２の配線に相当する。また、個別バンプ電極４０ａに接続される下面側配線４７は、バンプ電極４０から外れた位置で、後述する貫通配線４５に接続されている。
共通バンプ電極４０ｂの導電膜４９は、他側の金属層４４ｂと対向する位置よりも内側まで延びて、圧電素子３２の一部と対向する下面側配線４７となる。本実施形態における共通バンプ電極４０ｂの下面側配線４７は、共通バンプ電極４０ｂから外れた位置で、埋設配線５２に接続されている。この埋設配線５２は、封止板３３の下面側に埋め込まれた金属等からなる配線であり、共通バンプ電極４０ｂの下面側配線４７と重なる位置に形成されている。すなわち、埋設配線５２は、共通バンプ電極４０ｂの下面側配線４７に覆われている。また、この埋設配線５２及び共通バンプ電極４０ｂの下面側配線４７は、ノズル列方向に沿って封止板３３の端部まで延在され、貫通配線４５に接続されている。なお、バンプ電極４０の内部樹脂４８としては、例えば、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等からなる弾性を有する樹脂が用いられる。また、バンプ電極４０の導電膜４９としては、例えば、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、又は、これらの合金等からなる金属が用いられる。
貫通配線４５は、封止板３３の下面と上面との間を中継する配線であり、封止板３３を板厚方向に貫通した貫通孔の内部に金属等の導体を形成してなる。個別バンプ電極４０ａに接続される貫通配線４５の下面側に露出した部分は、対応する下面側配線４７により被覆される。一方、個別バンプ電極４０ａに接続される貫通配線４５の上面側に露出した部分は、対応する上面側配線４６により被覆される。これらの上面側配線４６は、貫通配線４５から駆動ＩＣ３４のＩＣ端子５１が接続されるＩＣ接続端子５０まで延在され、貫通配線４５とＩＣ接続端子５０とを接続する。すなわち、上面側配線４６、貫通配線４５及び下面側配線４７からなる一連の配線により、ＩＣ接続端子５０と個別バンプ電極４０ａとが接続される。これにより、ＩＣ接続端子５０から供給される電気信号（すなわち、個別電圧）が封止板３３側の一連の配線を介して下電極層３７に印加される。なお、本実施形態における下電極層３７に印加される電気信号は、電位（電圧）が繰り返し変動する振動波形であり、その最大電位（最大電圧）は、例えば、約２５［Ｖ］に設定されている。また、共通バンプ電極４０ｂに接続される貫通配線４５の上面側に露出した部分は、図示しない上面側配線に被覆される。この上面側配線は、電気信号（すなわち、共通電圧）を供給する図示しない端子に接続されている。このため、この端子から供給される電気信号は、上面側配線、貫通配線４５、下面側配線４７、及び、共通バンプ電極４０ｂからなる封止板３３側の一連の配線を介して圧電素子３２上の上電極層３９に印加される。なお、本実施形態における上電極層３９に印加される電気信号は、例えば、約５［Ｖ］の一定電位（一定電圧）に設定されている。また、上電極層３９に電圧を印加せずにグラウンドに接続することもできる。
ここで、本実施形態における下面側配線４７の下面と一側の金属層４４ａの上面との間隔は約２０μｍに設定され、下面側配線４７の下面と圧電素子３２上の上電極層３９の上面との間隔は約２１μｍに設定されている。また、圧電素子３２を駆動した際（すなわち、下面側配線４７と圧電素子３２上の上電極層３９とに電圧を印加した際）において、他側の個別バンプ電極４０ａに接続される下面側配線４７の最大電位は約２５［Ｖ］であり、これに対向する一側の金属層４４ａ及び圧電素子３２上の上電極層３９の電位は約５Ｖである。このため、下面側配線４７の下面と一側の金属層４４ａ及び圧電素子３２上の上電極層３９との間の最大電位差は約２０［Ｖ］となる。そして、下面側配線４７の下面と一側の金属層４４ａの上面との間に形成される最大電界強度は、約１．２５［ＭＶ／ｍ］となる。一般的に、空気中において、放電が起こる電界強度は、約３［ＭＶ／ｍ］であり、このときの両電極間の最大電位差は、約６３［Ｖ］である。また、下面側配線４７の下面と一側の金属層４４ａの上面との間の空間、すなわち、振動板３１、封止板３３、及び、接着剤４３で区画される空間は、空気の他に、インクに含まれる成分（水分や溶剤）の一部が振動板３１を透過し、気化した気体により充満され易い。このような環境下においては、放電が起こる電界強度は、下がる傾向にある。例えば、空気中に水蒸気が飽和した環境下においては、放電が起こる電界強度は、約１［ＭＶ／ｍ］以下であり、このときの両電極間の最大電位差は、約２０［Ｖ］以下である。また、一側の金属層４４ａの一部は駆動領域３５に重なって配置され、駆動領域３５の変位や外部からの衝撃等に応じて両電極間の距離は変動する可能性があるため、両電極間の最大電位差が約１０［Ｖ］の場合でも放電が起こる可能性がある。このため、本実施形態における電界強度において、放電が生じ易い。すなわち、他側の個別バンプ電極４０ａに接続される下面側配線４７と金属層４４との間で、短絡（ショート）が生じ易くなっている。このような不具合を抑制するため、本発明においては封止板３３の下面に絶縁性を有する保護層５４を設けている。
具体的には、本実施形態における保護層５４は、封止板３３の下面においてバンプ電極４０（より詳しくは、内部樹脂４８）が形成された領域以外の略全面に形成されている。このため、この保護層５４によりバンプ電極４０から外れた下面側配線４７の略全てが覆われることになる。なお、この保護層５４の表面に接着剤４３が密着する。このような保護層５４は、酸化物、窒化物、又は、樹脂の何れかで形成されることが望ましい。酸化物の例としては、シリコン酸化膜（ＳｉＯｘ）や酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等があげられ、窒化物の例としては、シリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等があげられる。これらは、スパッタリング法等の半導体において一般的に使用される成膜方法を用いて成膜される。また、成膜後に、レジストを塗布し、露光工程、現像工程、エッチング工程等を経て、所定の位置に保護層５４を形成することができる。樹脂の例としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、スチレン樹脂等を主成分に含む樹脂があげられる。これらは、スピンコーター等を用いて封止板３３の下面に塗布した後、加熱や光（例えば、紫外線）を照射することで成膜される。また、成膜後に、露光工程、現像工程等を経て、所定の位置に保護層５４を形成することもできる。このように、保護層５４として酸化物、窒化物、又は、樹脂の何れかを用いることで、保護層５４の形成が容易になる。さらに、保護層５４は、接着剤４３と同種の樹脂で形成されることが望ましい。このようにすれば、保護層５４と接着剤４３とが密着し易くなる。これにより、第１の基板と第２の基板との接着強度（接合強度）を高めることができる。なお、ここでいう同種の樹脂とは、樹脂の組成が完全に一致する場合に限られず、主成分の材料が同じであることを意味し、両者の添加物等が異なる場合も含む。
このように、下面側配線４７、特に、電位差が発生する一側の金属層４４ａ及び圧電素子３２上の上電極層３９と対向する領域における下面側配線４７を保護層５４で覆ったので、この保護層５４により下面側配線４７と金属層４４ａ又は上電極層３９との間における短絡が抑制される。すなわち、保護層５４が電子の流れに対するエネルギー障壁となり、下面側配線４７と金属層４４ａ又は上電極層３９との間における放電が抑制される。これにより、下面側配線４７と金属層４４ａ（圧電素子３２）との間隔を狭めることができ、アクチュエーターユニット１４、ひいては、記録ヘッド３が大型化することを抑制できる。また、下面側配線４７を一側の金属層４４ａ及び圧電素子３２上の上電極層３９と対向しないように配置する必要が無いため、すなわち、下面側配線４７と一側の金属層４４ａ及び圧電素子３２上の上電極層３９とを対向配置することが可能なため、設計の自由度が増す。その結果、アクチュエーターユニット１４、ひいては、記録ヘッド３が大型化することを抑制できる。また、下面側配線４７と金属層４４ａ又は上電極層３９との間の短絡が抑制されるため、アクチュエーターユニット１４、ひいては、記録ヘッド３の信頼性が向上する。その結果、プリンター１の信頼性が向上する。なお、本実施形態では、一側の金属層４４ａの一側の端及び圧電素子３２上の上電極層３９の一側の端を覆うように接着剤４３が設けられているため、当該部分における下面側配線４７と一側の金属層４４ａ又は圧電素子３２上の上電極層３９との間における放電が一層抑制されている。
封止板３３の上面に接合される駆動ＩＣ３４は、圧電素子３２を駆動するためのＩＣチップである。本実施形態においては、異方性導電フィルム（ＡＣＦ）等の接着剤５４を介して封止板３３の上面に積層されている。図２及び図３に示すように、この駆動ＩＣ３４の下面（封止板３３側の面）には、ＩＣ接続端子５０に接続されるＩＣ端子５１が、複数形成されている。ＩＣ端子５１のうち個別端子４１に対応するＩＣ端子５１は、ノズル列方向に沿って複数並設されている。本実施形態では、２列に並設された圧電素子３２の列に対応して、ＩＣ端子５１の列が２列形成されている。なお、ＩＣ端子５１の列内において、ＩＣ端子５１の並設ピッチ（すなわち、隣り合うＩＣ端子５１の中心間距離）は、圧電素子３２の並設ピッチよりも小さく形成されている。
ところで、下面側配線４７の下面と一側の金属層４４ａ（圧電素子３２上の上電極層３９）との間隔、電位差、及び、両者間に形成される電界強度は、上記した第１の実施形態で例示したものに限られず、種々の値をとり得る。特に、下面側配線４７の下面と一側の金属層４４ａ又は圧電素子３２上の上電極層３９との間の最大電位差が少なくとも約２０［Ｖ］以上となる場合、或いは、両者の間に形成される最大電界強度が少なくとも約１［ＭＶ／ｍ］以上となる場合に本発明を適用することが望ましい。また、下面側配線４７の下面と一側の金属層４４ａ又は圧電素子３２上の上電極層３９との間の最大電位差が約１１０［Ｖ］以上となる場合に本発明を適用することがより望ましい。すなわち、下面側配線４７の下面と一側の金属層４４ａ（圧電素子３２上の上電極層３９）との間で短絡し易い場合においても、本発明を適用することで、両者の間の短絡を抑制できる。
また、上記した第１の実施形態においては、保護層５４が封止板３３の下面におけるバンプ電極４０が形成された領域以外の略全面に形成されたが、これには限られない。例えば、図４に示す第２の実施形態においては、保護層５４が封止板３３の下面における一部の下面側配線４７を覆うように配置されている。
具体的には、図４に示すように、本実施形態における保護層５４は、ノズル列方向に直交する方向において、圧電素子３２の一側の端（すなわち、圧電素子３２上の上電極層３９の一側の端）よりも同側に外れた領域に対向する封止板３３の下面の位置から、一側の金属層４４ａに対向する位置よりも他側（共通バンプ電極４０ｂ側）に形成された下面側配線４７の端を覆う位置まで形成されている。すなわち、保護層５４は、圧電素子３２上の上電極層３９及び一側の金属層４４ａに対向する領域の下面側配線４７を覆うように形成されている。なお、その他の領域は、保護層５４が形成されずに下面側配線４７等が露出した状態になっている。このように、封止板３３側の配線のうち圧力室形成基板２９側の配線との間で電位差が生じる部分、具体的には、一側の金属層４４ａ及び圧電素子３２上の上電極層３９に対向する、個別バンプ電極４０ａに接続される下面側配線４７を保護層５４で覆ったので、下面側配線４７と一側の金属層４４ａ又は圧電素子３２上の上電極層３９との間における短絡が抑制される。特に、放電が生じやすい圧電素子３２上の上電極層３９の一側の端に対向する下面側配線４７が保護層５４で覆われるため、上電極層３９と下面側配線４７との間における短絡が一層抑制される。また、放電が生じやすい一側の金属層４４ａの他側の端に対向する下面側配線４７が保護層５４で覆われるため、上電極層３９と金属層４４ａとの間における短絡が一層抑制される。そして、その他の領域は、保護層５４が形成されていないため、保護層５４の材料の選択の幅が広がる。すなわち、保護層５４が設けられていない領域に設けられた接着剤４３により接着強度を確保することができるため、保護層５４として接着剤４３との密着性が良い材料を選択する必要が無くなる。なお、その他の構成は上記した第１の実施形態と同じであるため説明を省略する。
なお、上記した第１の実施形態及び第２の実施形態では、封止板３３側に保護層５４が形成されたが、これには限られない。圧力室形成基板側に保護層を設けることもできる。例えば、圧電素子上の上電極層の一側の端から一側の金属層の他側の端に亘って、これらを覆うように保護層を設けることもできる。或いは、封止板側と圧力室形成基板側との両方に保護層を設けることもできる。
また、以上においては、封止板３３に駆動ＩＣ３４を積層した構造を例示したがこれには限られない。例えば、封止板自体に、駆動ＩＣとなる回路を形成することもできる。さらに、圧電素子３２の駆動により駆動領域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、これには限られない。一方の基板の配線と他方の基板の配線とが対向する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、駆動領域における圧力変化、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。
そして、以上においては、液体噴射装置として、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３を備えたインクジェット式プリンター１を例に挙げて説明したが、本発明は、他の液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置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を備えた液体噴射装置、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を備えた液体噴射装置、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を備えた液体噴射装置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…バンプ電極，４０ａ…個別バンプ電極，４０ｂ…共通バンプ電極，４１…個別端子，４３…接着剤，４４…金属層，４４ａ…一側の金属層，４４ｂ…他側の金属層，４５…貫通配線，４６…上面側配線，４７…下面側配線，４８…内部樹脂，４９…導電膜，５０…ＩＣ接続端子，５１…ＩＣ端子，５４…接着剤，５５…保護層，５６…コンタクト領域
Claims (10)
- 圧電体層及び少なくとも一部が前記圧電体層上に積層された第１の配線を備えた第１の基板と、
前記第１の配線とは異なる電気信号が印加される第２の配線を備えた第２の基板と、を有し、前記第１の配線と前記第２の配線とが対向する圧電デバイスであって、
前記第１の配線と前記第２の配線の少なくとも一方の配線の少なくとも一部が絶縁性を有する保護層で覆われたことを特徴とする圧電デバイス。 - 前記保護層は、酸化物、窒化物、又は、樹脂の何れかで形成されたことを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
- 前記第１の基板と前記第２の基板とは、接着剤を介して接合され、
前記保護層は、前記接着剤と同種の樹脂で形成されたことを特徴とする請求項２に記載の圧電デバイス。 - 少なくとも前記第１の配線又は前記第２の配線の何れか一方への電圧印加において、前記第１の配線と前記第２の配線との間の最大電位差が１０［Ｖ］以上であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の圧電デバイス。
- 少なくとも前記第１の配線又は前記第２の配線の何れか一方への電圧印加において、前記第１の配線と前記第２の配線との間に形成される最大電界強度が１［ＭＶ／ｍ］以上であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の圧電デバイス。
- 前記第１の配線の端又は前記第２の配線における前記第１の配線の端に対向する部分の少なくとも何れか一方が前記保護層により覆われたことを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の圧電デバイス。
- 前記第１の基板は、前記第１の配線上に積層された第３の配線を備え、
前記第３の配線の端又は前記第２の配線における前記第３の配線の端に対向する部分の少なくとも何れか一方が前記保護層により覆われたことを特徴とする請求項１から請求項６の何れか一項に記載の圧電デバイス。 - 請求項１から請求項７の何れか一項に記載の圧電デバイスを備えたことを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
- 請求項１から請求項７の何れか一項に記載の圧電デバイスを備えたことを特徴とする液体噴射ヘッド。
- 請求項９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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