JP4366568B2

JP4366568B2 - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置

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Publication number: JP4366568B2
Application number: JP2003286192A
Authority: JP
Inventors: 寛成大脇; 佳直宮田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-08-04
Filing date: 2003-08-04
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2023-08-04
Also published as: US7152963B2; US20050046678A1; CN1289296C; JP2005053079A; KR100573046B1; CN1597323A; KR20050016117A

Description

本発明は、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の一部を振動板で構成し、この振動板の表面に圧電素子を形成して、圧電素子の変位により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。

前者は圧電素子の端面を振動板に当接させることにより圧力発生室の容積を変化させることができて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。

これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。

一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、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提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、このようなインクジェット式記録ヘッドには、ノズル開口に連通する圧力発生室の列を少なくとも２列備えた流路形成基板と、この流路形成基板の圧電素子側に接合され且つ圧電素子を駆動させる駆動ＩＣが実装される接合基板とを有する構造のものがある。この構造では、駆動ＩＣが接合基板の略中央部、すなわち、圧力発生室の列間に対応する領域に実装され、駆動ＩＣと各圧電素子から引き出される引き出し配線とが、接合基板の駆動ＩＣの両側にそれぞれ設けられた貫通孔を介してワイヤボンディングで電気的に接続されている（例えば、特許文献２参照）。

このような従来のインクジェット式記録ヘッドでは、一つの駆動ＩＣで２列の圧電素子を駆動させているため、製造コストは比較的低く抑えられるが、駆動ＩＣの両側にそれぞれ貫通孔を形成しているため、流路形成基板及び接合基板の面積を比較的大きくする必要があり、ヘッドを小型化するのが難しい。特に、圧力発生室を高密度に配列する場合、複数の貫通孔を形成する領域を確保するのが難しくヘッドが大型化してしまうという問題がある。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はなく、勿論、インク以外の液滴を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても、同様に存在する。

特開平５−２８６１３１号公報（第１図〜第４図）特開２００３−１３６７３４号公報（第１図、第２図）

本発明は、このような事情に鑑み、圧力発生室を高密度に配列し且つ小型化を図ることの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、ノズル開口にそれぞれ連通する圧力発生室の列を少なくとも２列備えた流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドであって、前記流路形成基板の前記圧電素子側に接合される接合基板と、該接合基板上の、前記圧力発生室の各列に対向する領域に配設され前記圧電素子を駆動させる駆動ＩＣとを有し、前記接合基板には、前記圧力発生室の列間に対応する領域に前記圧電素子から引き出される引き出し電極が露出される貫通孔が前記圧力発生室の各列に対応して少なくとも一つずつ設けられると共に隣接する各貫通孔の間に梁部が形成され、前記接合基板上には、前記駆動ＩＣが実装される配線パターンが形成されており、前記梁部上には、前記配線パターンの一部を構成し、複数の並設された複数の圧電素子に共通する共通電極と接続される共通電極配線が前記圧力発生室の列に沿って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、貫通孔を形成するスペースを設けることなく、既にあるスペースを利用して貫通孔を形成することで、圧力発生室を高密度に配列してもヘッドを小型化することができる。また、貫通孔の間に梁部が設けられていることで、接合基板の強度が増加し、接合基板が接合される流路形成基板の剛性を確保できる。これにより、構造が要因となるクロストークを防止でき、常に安定した吐出特性が得られる。
また、共通電極配線の面積が増加することで、圧電素子に電圧を印加した際の共通電極の抵抗値が実質的に低下するため、複数の圧電素子を同時に駆動しても電圧降下が発生するのを防止できる。したがって、液滴の吐出特性が安定し且つ液滴の吐出特性のばらつきが抑えられる。

本発明の第２の態様は、前記接合基板が、前記圧電素子に対向する領域に空間を確保した状態で当該空間を密封する圧電素子保持部を有する封止基板である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、封止基板上に駆動ＩＣを実装することで、ヘッドをさらに小型化することができる。

本発明の第３の態様は、前記接合基板上の、前記圧力発生室の列設方向に前記駆動ＩＣが、所定間隔を開けて複数配置され、且つ前記貫通孔が各駆動ＩＣに対応して設けられて前記所定間隔に対応する前記接合基板に前記梁部が形成さ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、圧力発生室の列設方向に延びる梁部と、圧力発生室の長手方向に延びる梁部とが形成され、封止基板と流路形成基板の剛性がより高められる。

本発明の第４の態様は、第１〜３の何れか一つ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４の態様では、印刷品質が向上し且つ小型の液体噴射装置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た列１３が２列形成されている。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１４が形成され、連通部１４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１５を介して連通されている。なお、連通部１４は、後述する封止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１５は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１４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１５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、このような各圧電素子３００を構成する上電極膜８０には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が接続されており、このリード電極９０は、圧力発生室１２の列１３の間に対応する領域まで延設され、その先端部が後述する封止基板の貫通孔内に露出されている。

そして、このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ１１０が実装される接合基板、本実施形態では、封止基板３０が接合されている。この封止基板３０は、圧電素子３００に対向する領域に、圧電素子３００の運動を阻害しない程度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を有する。圧電素子保持部３１は、各圧力発生室１２の列１３に対応してそれぞれ設けられている。なお、本実施形態では、各圧電素子保持部３１は、各圧力発生室１２の列１３に対応する領域に一体的に設けられているが、勿論、圧電素子３００毎に独立して設けられていてもよい。このような封止基板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、封止基板３０には、流路形成基板１０の連通部１４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、封止基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の列１３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１４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１００を構成している。

さらに、封止基板３０の略中央部、すなわち、圧力発生室１２の列１３間に対向する領域には、封止基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が各圧力発生室１２の列１３毎にそれぞれ一つ設けられ、これらの貫通孔３３の間には梁部３４が形成されている。なお、この梁部３４は、封止基板３０と一体的に形成されていることが好ましいが、勿論、封止基板３０とは別体であってもよい。

また、封止基板３０上には、図示しない外部配線が接続されて駆動信号が供給される配線パターン３５が絶縁膜３６を介して設けられている。そして、封止基板３０の貫通孔３３の両側、すなわち、圧力発生室１２の各列１３に対応する領域の配線パターン３５上に、各圧電素子３００を駆動するための半導体集積回路（ＩＣ）である駆動ＩＣ１１０がそれぞれ実装されている。

ここで、駆動信号は、例えば、駆動電源信号等の駆動ＩＣを駆動させるための駆動系信号のほか、シリアル信号（ＳＩ）等の各種制御系信号を含み、配線パターン３５は、それぞれの信号が供給される複数の配線で構成される。そして、本実施形態では、この配線パターン３５を構成する配線のうちの圧電素子３００の共通電極である下電極膜６０に接続されて駆動用信号（ＣＯＭ）が供給される共通電極配線３７が、駆動ＩＣ１１０が実装される領域と共に梁部３４上に、圧力発生室１２の列１３に沿って延設されている。この梁部３４上に設けられる配線は、共通電極配線３７に限定されず、シリアル等の信号を供給するための配線を配置してもよい。

そして、配線パターン３５上に実装された各駆動ＩＣ１１０と各圧電素子３００から延設されたリード電極９０とは、封止基板３０の貫通孔３３内に延設された、例えば、ボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線１２０によってそれぞれ電気的に接続されている。また、同様に、配線パターン３５の共通電極配線３７と下電極膜６０とは、貫通孔３３の両端部近傍で接続配線１２０によって電気的に接続されている。

このような本実施形態の構成では、封止基板３０の圧力発生室１２の列１３間に対向する領域に、各圧力発生室１２の列１３毎に貫通孔３３が設けられ、これらの貫通孔３３内に延設される接続配線１２０によって各リード配線９０と駆動ＩＣ１１０、あるいは下電極膜６０と共通電極配線３７とが電気的に接続されているため、封止基板３０の面積を比較的小さく抑えることができる。さらに、この梁部３４の断面積形状をテーパ形状にすることで、封止基板３０及び流路形成基板１０の剛性をさらに高めることができ、また、ワイヤボンディング時のキャピラリが当該梁部３４に触れることを抑制することができる。

また、貫通孔３３の間に梁部３４が形成されているため、封止基板３０の剛性（強度）が向上し、それに伴い封止基板３０が接合された流路形成基板１０の剛性も向上する。したがって、流路形成基板１０の剛性の低さに起因するクロストークの発生を防止することができ、良好なインク吐出特性を得ることができる。また、封止基板３０及び流路形成基板１０の剛性が向上することにより、例えば、キャッピング時等に加わる外力による破損も防止され、耐久性及び信頼性を向上することができる。

さらに、封止基板３０の梁部３４上に共通電極配線３７が設けられて共通電極配線３７の面積が広くなっているため、この共通電極配線３７に接続される下電極膜の抵抗値は実質的に低下する。すなわち、下電極膜６０の電流容量を確保することができるため、複数の圧電素子３００を同時に駆動した場合でも電圧降下が発生することなく、電圧降下に起因するクロストークの発生も防止することができる。

なお、このような封止基板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。ここで、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３１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となっているため、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。

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、駆動回路１１０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。

（実施形態２）
図３は、実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図である。本実施形態は、図３に示すように、各圧力発生室１２の列１３に対応して２つの貫通孔３３Ａ，３３Ｂをそれぞれ設け、これら２つの貫通孔３３Ａ及び３３Ｂの間にも梁部３４Ａが形成されている。すなわち、本実施形態では、封止基板３０上には、各圧力発生室１２の列１３に対向する領域に、それぞれ２つの駆動ＩＣ１１０Ａ，１１０Ｂが実装され、合計４つの駆動ＩＣ１１０が実装されている。そして、各駆動ＩＣ１１０に対応してそれぞれ貫通孔３３Ａ，３３Ｂが設けられ、これら２つの貫通孔３３Ａ及び３３Ｂの間に梁部３４Ａが封止基板３０と同一部材によって一体的に形成されている以外は、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と同様の効果が得られ、また、梁部３４Ａが形成されていることにより、封止基板３０及び流路形成基板１０の剛性をさらに向上することができ、クロストークの発生をより確実に防止することができる。

（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、接合基板として圧電素子保持部３１を有する封止基板３０を例示したが、接合基板は、駆動ＩＣが実装される基板であれば特に限定されるものではない。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４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４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。

なお、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である。実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。実施形態２に係る記録ヘッドの平面図である。一実施形態に係る記録装置の概略図である。

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封止基板、３１圧電素子保持部、３２リザーバ部、３３貫通孔、３４梁部、４０コンプライアンス基板、５０弾性膜、５５絶縁体膜、６０下電極膜、７０圧電体膜、８０上電極膜、１００リザーバ、３００圧電素子

Claims

ノズル開口にそれぞれ連通する圧力発生室の列を少なくとも２列備えた流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドであって、
前記流路形成基板の前記圧電素子側に接合される接合基板と、該接合基板上の、前記圧力発生室の各列に対向する領域に配設され前記圧電素子を駆動させる駆動ＩＣとを有し、前記接合基板には、前記圧力発生室の列間に対応する領域に前記圧電素子から引き出される引き出し電極が露出される貫通孔が前記圧力発生室の各列に対応して少なくとも一つずつ設けられると共に隣接する各貫通孔の間に梁部が形成され、
前記接合基板上には、前記駆動ＩＣが実装される配線パターンが形成されており、前記梁部上には、前記配線パターンの一部を構成し、複数の並設された複数の圧電素子に共通する共通電極と接続される共通電極配線が前記圧力発生室の列に沿って形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
前記接合基板が、前記圧電素子に対向する領域に空間を確保した状態で当該空間を密封する圧電素子保持部を有する封止基板であることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
前記接合基板上の、前記圧力発生室の列設方向に前記駆動ＩＣが、所定間隔を開けて複数配置され、且つ前記貫通孔が各駆動ＩＣに対応して設けられて前記所定間隔に対応する前記接合基板に前記梁部が形成さ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。
請求項１〜３の何れか一項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。