JP4352851B2

JP4352851B2 - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置

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Publication number: JP4352851B2
Application number: JP2003358334A
Authority: JP
Inventors: 雅昭宮本
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-10-17
Filing date: 2003-10-17
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2023-10-17
Also published as: JP2005119201A

Description

本発明は、被噴射液を吐出する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特に、インク滴を吐出する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滴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。

インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室の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には、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。そして、たわみ振動モードのアクチュエータを使用したものとしては、例えば、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが知られている。また、このような圧電素子は、一般的に、駆動ＩＣ（半導体集積回路）等によって駆動され、この駆動ＩＣは、例えば、圧力発生室が形成された流路形成基板の一方面側に接合される接合基板（リザーバ形成基板）上に実装される。そして、この駆動ＩＣと各圧電素子から引き出されるリード配線とが、ワイヤボンディングによって形成された駆動配線によって電気的に接続される（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、このようなインクジェット式記録ヘッドでは、圧電素子の高密度化に伴い、リード電極の幅及びピッチが狭くなるため、リード電極と駆動配線とを接続する際に、隣接するリード電極が短絡してしまうという問題がある。すなわち、リード電極の駆動配線が接続される領域が狭くなるため、駆動配線がリード電極の外側にはみ出して隣接するリード電極が短絡してしまうという問題がある。また、駆動配線とリード電極との接続面積が狭くなるため、両者の接合強度が低下するという問題がある。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２００２−１６０３６６号公報（第３頁、第２図）

本発明はこのような事情に鑑み、リード電極と駆動配線とを確実に接続できて信頼性を向上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、ノズル開口に連通する圧力発生室が画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複数の圧電素子と、各圧電素子から前記流路形成基板上に引き出される複数のリード電極とを有する液体噴射ヘッドにおいて、前記リード電極が、前記流路形成基板上に引き出される延設部と該延設部よりも幅広で前記圧電素子を駆動する駆動ＩＣから引き出される駆動配線が接続される接続部とを有する第１及び第２のリード電極を含み、前記第１のリード電極の前記接続部が前記延設部と同一平面上に設けられ、前記第２のリード電極の前記接続部が前記延設部に対応する領域に設けられる絶縁層上に形成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、リード電極を高密度に配列しても、隣接するリード電極同士を短絡させることなく接続部を容易に形成できる。

本発明の第２の態様は、前記接続部の幅が、前記延設部のピッチよりも広いことを特徴とする第１の態様の液体噴射ヘッドにある。
かかる第２の態様では、接続部の幅が比較的広くても、隣接するリード電極同士を短絡させることなく接続部を形成することができる。したがって、リード電極をより高密度に配列することができる。

本発明の第３の態様は、各リード電極の前記接続部が、隣接するリード電極の前記接続部と、前記リード電極の延設方向で異なる位置に設けられていることを特徴とする第１又は２の態様の液体噴射ヘッドにある。
かかる第３の態様では、各リード電極の接続部同士の短絡を確実に防止することができる。

本発明の第４の態様は、前記第１のリード電極と前記第２のリード電極とが交互に配置されていることを特徴とする第１〜３の何れかの態様の液体噴射ヘッドにある。
かかる第４の態様では、比較的狭いスペースに各リード電極の接続部を効率的に配置することができ、ヘッドを大型化することなくリード電極を高密度に配列できる。

本発明の第５の態様は、隣接する一組のリード電極の各接続部が、当該リード電極の並設方向で同じ位置となるように設けられていることを特徴とする第４の態様の液体噴射ヘッドにある。
かかる第５の態様では、比較的狭いスペースに各リード電極の接続部をさらに効率的に配置することができる。

本発明の第６の態様は、前記絶縁層上に設けられた前記接続部が、前記絶縁層に設けられた接続孔を介して前記延設部と電気的に接続されていることを特徴とする第１〜５の何れかの態様の液体噴射ヘッドにある。
かかる第６の態様では、隣接するリード電極同士を短絡させることなく、接続部と延設部とを確実に接続することができる。

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、液体の吐出効率を大幅に向上した液体噴射ヘッドを実現することができる。

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、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及び断面図である。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、その一方の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が形成されている。流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４を介して連通されている。なお、連通部１３は、後述する保護基板のリザーバ部と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。

また、流路形成基板１０の開口面側には、圧力発生室１２を形成する際のマスクとして用いられた絶縁膜５１を介して、各圧力発生室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。なお、ノズルプレート２０は、厚さが例えば、０．０１〜１ｍｍ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。

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、後述するプロセスで積層形成されて、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は圧電素子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、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。

また、圧電素子３００の個別電極である上電極膜８０の長手方向一端部近傍には、リード電極９０が接続されている。このリード電極９０は、流路形成基板１０上に延設される所定幅の延設部９１と、延設部９１の先端部側に設けられて延設部９１よりも幅広の接続部９２とで構成されている。そして、この接続部９２には、圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ１００から延設される駆動配線１１０が接続される。なお、本実施形態では、接続部９２は、リード電極９０のピッチよりも広い幅で、延設部９１の幅方向一方側に突出するようにそれぞれ配置されている。

このような各リード電極９０は、本実施形態では、隣接するリード電極とは異なる長さで形成されている。具体的には、図３に示すように、リード電極９０は、延設部９１が流路形成基板１０の端部近傍まで引き出された第１のリード電極９０Ａと、この第１のリード電極９０Ａの延設部９１Ａよりも長さの短い延設部９１Ｂを有する第２のリード電極９０Ｂとを含み、これら第１のリード電極９０Ａと第２のリード電極９０Ｂとが交互に配置されている。

第１のリード電極９０Ａの延設部９１Ａの先端部には、延設部９１Ａと同一平面上に設けられた接続部９２Ａが接続されている。すなわち、第１のリード電極９１Ａの接続部９２Ａは、延設部９１Ａと同一平面に連続的に設けられている。そして、流路形成基板１０の端部近傍には、各第１のリード電極９１Ａの接続部９２Ａが並設されている。
一方、第２のリード電極９０Ｂの延設部９１Ｂの先端部には、延設部９１Ｂとは異なる平面上に設けられた接続部９２Ｂが接続されている。すなわち、第１及び第２のリード電極９０Ａ，９０Ｂの延設部９１Ａ，９１Ｂに対向する領域には、例えば厚さが１μｍ程度の絶縁層１２０が形成されている。そして、この絶縁層１２０の第２のリード電極９０Ｂの延設部９１Ｂの先端部に対向する領域上に、第２のリード電極９０Ｂの接続部９２Ｂが設けられている。すなわち、第２のリード電極９０Ｂの接続部９２Ｂは、絶縁層１２０を介して、リード電極９０の延設方向で異なる位置に、第１のリード電極９０Ａの接続部９２Ａとは重ならないように設けられている。そして、この接続部９２Ｂと延設部９１Ｂとが絶縁層１２０に設けられた接続孔１２１を介して電気的に接続されている。

このように、本実施形態の構成では、第２のリード電極の接続部９２Ｂを、絶縁層１２０上に設けるようにしたので、複数のリード電極９０（第１及び第２のリード電極９０Ａ，９０Ｂ）を高密度に配列しても、隣接するリード電極９０同士の短絡を防止することができる。例えば、本実施形態では、各リード電極９０の接続部９２は、リード電極９０のピッチよりも広い幅を有するため、リード電極９０を単純に並設した場合、隣接する接続部９２同士が短絡してしまう。しかしながら、本実施形態の構成では、隣接する接続部９２同士を短絡させることなくリード電極９０を高密度に配列することができる。
また、本実施形態では、各接続部９２Ａ，９２Ｂが千鳥状に配置されているが、リード電極９０の並設方向で同じ位置となるように配置されているのが好ましい。これにより、スペースを有効に利用でき、ヘッドの小型化を図ることができるからである。

なお、流路形成基板１０の圧電素子３００側の面には、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を介して接合されている。圧電素子３００は、この圧電素子保持部３１内に形成されているため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護されている。そして、上述したように、各リード電極９０が圧電素子保持部３１の外側まで延設されて接続部９２が形成され、保護基板３０上に実装された駆動ＩＣ１００から延設される駆動配線１１０の一端が各接続部９２に接続されている。

さらに、保護基板３０には、流路形成基板１０の連通部１３に対応する領域にリザーバ部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の並設方向に沿って設けられており、上述したように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１３０を構成している。保護基板３０の材料としては、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、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。また、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。この固定板４２のリザーバ１３０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１３０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。

このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、リザーバ１３０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ＩＣ１００からの記録信号に従い、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、絶縁体膜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する。

ここで、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図４〜図６を参照して説明する。なお、図４及び図５は、圧力発生室１２の長手方向の断面図であり、図６は、リード電極の製造工程を示す概略斜視図である。まず、図４（ａ）に示すように、シリコン単結晶基板である流路形成基板１０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化し、流路形成基板１０の表面に弾性膜５０及びマスク膜５１を構成する二酸化シリコン膜５２を形成する。次いで、図４（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５２）上に、ジルコニウム（Ｚｒ）層を形成後、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化して酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなる絶縁体膜５５を形成する。次いで、図４（ｃ）に示すように、例えば、白金とイリジウムとを絶縁体膜５５上に積層することにより下電極膜６０を形成後、この下電極膜６０を所定形状にパターニングする。

次に、図４（ｄ）に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体層７０と、例えば、イリジウムからなる上電極膜８０とを流路形成基板１０の全面に形成する。次いで、図５（ａ）に示すように、圧電体層７０及び上電極膜８０を、各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングして圧電素子３００を形成する。
次に、図５（ｂ）に示すように、リード電極９０を形成する。具体的には、まず、流路形成基板１０の全面に亘って、例えば、金（Ａｕ）からなる第１金属層９３を形成し、例えば、レジスト等からなるマスクパターン（図示なし）を介してこの第１金属層９３をパターニングして、図６（ａ）に示すように、第１のリード電極９０Ａ（延設部９１Ａ、接続部９２Ａ）及び第２のリード電極９０Ｂの延設部９１Ｂを形成する。次いで、流路形成基板１０の全面に、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）あるいは酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等からなる絶縁層１２０を形成しパターニングする。これにより、図６（ｂ）に示すように、第１及び第２のリード電極９０Ａ，９０Ｂの延設部９１Ａ，９１Ｂに対向する領域に絶縁層１２０を形成すると共に、第２のリード電極９１Ｂの延設部９２Ｂの先端部近傍に対向する領域に、接続孔１２１を形成する。

次に、例えば、金（Ａｕ）からなる第２の金属層９４を流路形成基板１０の全面に形成後、パターニングすることにより、図６（ｃ）に示すように、第２のリード電極９０Ｂの延設部９１Ｂの先端部に対向する領域に接続部９２Ｂを形成する。なお、第２の金属層９４は、接続孔１２１内にも形成されるため、第２のリード電極９０Ｂの接続部９２Ｂと延設部９１Ｂとは、この接続孔１２１を介して電気的に接続される。
次に、図５（ｃ）に示すように、流路形成基板１０の圧電素子３００側に保護基板３０を接着剤３５によって接合し、所定形状にパターニングしたマスク膜５１を介して流路形成基板１０を異方性エッチングすることにより圧力発生室１２等を形成する。

なお、実際には、上述した一連の膜形成及び異方性エッチングによって一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成し、プロセス終了後、図１に示すような一つのチップサイズの流路形成基板１０毎に分割する。その後は、流路形成基板１０にマスク膜５１を介してノズルプレート２０を接合し、保護基板３０上に駆動ＩＣ１００を実装すると共にコンプライアンス基板４０を接合することにより本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとなる。

（実施形態２）
図７は、実施形態２に係るリード電極を示す概略斜視図である。上述した実施形態１では、延設部９１Ａと接続部９２Ａとが同一平面に形成された第１のリード電極９０Ａと、接続部９２Ｂが絶縁層１２０上に形成された第２のリード電極９０Ｂとを設けるようにした例を説明したが、本実施形態は、全てのリード電極９０の接続部９２を絶縁層１２０上に形成するようにした例である。すなわち、図７に示すように、本実施形態では、流路形成基板１０（絶縁体膜５５）上には、各リード電極９０の延設部９１のみが設けられている。そして、これらの延設部９１を覆って絶縁層１２０が設けられ、この絶縁層１２０上に各リード電極９０に対応する接続部９２が設けられている以外は、実施形態１と同様である。

このような構成としても、実施形態１と同様に、隣接するリード電極９０を高密度に配列することができる。また、本実施形態では、全てのリード電極９０の接続部９２が同一平面上に設けられているため、駆動配線１１０を形成する際の位置制御が容易となる。したがって、各リード電極９０の接続部９２と駆動配線１１０とを良好に接続でき、歩留まりが向上するという効果が得られる。

（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、インクジェット式記録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。例えば、上述の実施形態では、絶縁層をリード電極の延設部に対向する領域のみに設けるようにしたが、これに限定されず、例えば、絶縁層を圧電素子に対向する領域まで連続的に設け、この絶縁層が圧電素子の湿度に起因する破壊を防止するための保護膜を兼ねるようにしてもよい。なお、このように絶縁層が保護膜を兼ねるようにする場合には、圧電素子に対向する領域の絶縁層の厚さを薄くするのが好ましい。
また、例えば、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にしたが、勿論これに限定されるものではなく、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にも本発明を採用することができる。

また、これら各実施形態の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上を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。実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図。実施形態１に係るリード電極を示す概略斜視図。実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す概略斜視図。実施形態２に係るリード電極を示す概略斜視図。一実施形態に係る記録装置の概略図。

符号の説明

１０流路形成基板、１２圧力発生室、２０ノズルプレート、２１ノズル開口、３０保護基板、４０コンプライアンス基板、６０下電極膜、７０圧電体層、８０上電極膜、９０リード電極、９１延設部、９２接続部、１００駆動ＩＣ、１１０駆動配線、１２０絶縁層、１２１接続孔、１３０リザーバ、３００圧電素子

Claims

ノズル開口に連通する圧力発生室が画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複数の圧電素子と、各圧電素子から前記流路形成基板上に引き出される複数のリード電極とを有する液体噴射ヘッドにおいて、
前記リード電極が、前記流路形成基板上に引き出される延設部と該延設部よりも幅広で前記圧電素子を駆動する駆動ＩＣから引き出される駆動配線が接続される接続部とを有する第１及び第２のリード電極を含み、前記第１のリード電極の前記接続部が前記延設部と同一平面上に設けられ、前記第２のリード電極の前記接続部が前記延設部に対応する領域に設けられる絶縁層上に形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
前記接続部の幅が、前記延設部のピッチよりも広いことを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
各リード電極の前記接続部が、隣接するリード電極の前記接続部と、前記リード電極の延設方向で異なる位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッド。
前記第１のリード電極と前記第２のリード電極とが交互に配置されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の液体噴射ヘッド。
隣接する一組のリード電極の各接続部が、当該リード電極の並設方向で同じ位置となるように設けられていることを特徴とする請求項４に記載の液体噴射ヘッド。
前記絶縁層上に設けられた前記接続部が、前記絶縁層に設けられた接続孔を介して前記延設部と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の液体噴射ヘッド。
請求項１〜６の何れかに記載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。