JP4614070B2

JP4614070B2 - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置

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Publication number: JP4614070B2
Application number: JP2005036910A
Authority: JP
Inventors: 佳直宮田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-02-14
Filing date: 2005-02-14
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2025-02-14
Also published as: JP2006218840A; US20060192817A1; US7537313B2

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、この振動板を備えたアクチュエータ装置を設けて、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、この振動板を備えたアクチュエータ装置の駆動によっ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があるが、そのアクチュエータ装置として圧電素子を用いた場合には、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圧電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亘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、流路形成基板の圧電素子側の面に駆動ＩＣが設けられた保護基板が接合され、保護基板上の駆動ＩＣと圧電素子とが配線を介して電気的に接続された液体噴射ヘッドが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この液体噴射ヘッドでは、駆動ＩＣ上にパッドが設けられ各圧電素子から引き出された配線とボンディングワイヤを介して電気的に接続されている。

しかしながら、保護基板にフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）からなる外部配線が接続されるため、保護基板上には駆動ＩＣと外部配線とを接続する配線が必要となってコストが増大すると共に、配線の取り回しが必要なことからヘッドが大型化してしまうと共にコストが増大してしまうという問題がある。また、保護基板に外部配線を接続すると、外部配線を接続する領域が必要となり、これによってもヘッドが大型化してしまうという問題がある。

また、外部配線に駆動回路を予め接続し、この駆動回路を流路形成基板の圧電素子側に設けられた接合基板に固定して、圧電素子の個別電極から引き出されたリード電極と駆動回路とをボンディングワイヤを介して電気的に接続したものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、特許文献２では、外部配線に予め駆動回路を実装し、駆動回路を接合基板上に固定するものであり、また、各圧電素子の個別電極から引き出した引き出し配線と駆動回路とをワイヤボンディングによって接続しているだけであり、複数の圧電素子に共通する共通電極については言及していない。すなわち、一般的に圧電素子の共通電極には、比較的高圧の電圧が印加されることから、外部配線から駆動回路を介して共通電極に電気的に接続することは行われていない。

特開２００４−３４２９３号公報（第７〜９頁、第１〜３図）特開２００３−６３０００号公報（第５頁、第１〜２図）

本発明はこのような事情に鑑み、ヘッドの小型化及びコストの低減を図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、液滴を吐出する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、該流路形成基板に設けられた振動板を備えたアクチュエータ装置とを具備し、前記流路形成基板の前記アクチュエータ装置側には保護基板が接合されていると共に当該保護基板上には、入力信号から前記アクチュエータ装置を駆動するための駆動信号を生成する駆動回路が設けられており、前記駆動回路には、各アクチュエータ装置の個別電極が電気的に接続され該個別電極に前記駆動信号に従う電圧を印加する個別端子と、外部配線が直接接続され該外部配線を介して前記入力信号が入力される接続端子とが設けられていると共に、前記駆動回路には、複数のアクチュエータ装置に共通する共通電極に電気的に接続される共通端子と、当該共通端子に導通配線を介して接続されると共に外部配線が直接接続される共通接続端子とが設けら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、保護基板に外部配線と駆動回路とを接続する配線が不要となり、ヘッドの小型化を図ることができると共にコストを低減することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記導通配線が前記駆動回路の外面に設けら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２の態様では、導通配線を幅広に形成することができ、導通配線の抵抗が増大するのを防止して、発熱及び断線するのを防止することができる。

本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記流路形成基板には、前記圧力発生室が２列設けられていると共に前記駆動回路が前記圧力発生室の各列に対応して並設されており、且つ前記流路形成基板には、前記個別電極から引き出された個別リード電極と前記共通電極から引き出された共通リード電極とが互いに隣接する前記駆動回路の間に引き出され、前記駆動回路の前記個別端子及び前記共通端子が隣接する前記駆動回路側に設けられていると共に、前記接続端子及び前記共通接続端子が隣接する前記駆動回路とは反対側に設けら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３の態様では、保護基板に複数の駆動回路が設けられていても、保護基板に配線が不要となるため、ヘッドの小型化を図ることができると共にコストを低減することができる。

本発明の第４の態様は、第３の態様において、前記接続端子及び前記共通接続端子には、前記外部配線が接続されていると共に、当該外部配線には、前記個別リード電極、前記共通リード電極、前記個別端子及び前記共通端子を露出させる露出孔が設けら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４の態様では、露出孔によって露出された領域で駆動回路と圧電素子とを電気的に接続することができるため、駆動回路と圧電素子とを接続する導電性ワイヤ等の接続配線が外部配線に接触することがなく、接続配線の短絡や断線を防止することができる。

本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記外部配線が、複数の駆動回路に跨って接続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５の態様では、複数の外部配線が不要となって、外部配線を容易に取り回すことができる。

本発明の第６の態様は、第１〜５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６の態様では、小型化した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の分解斜視図であり、図２は、図１の平面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ′断面図及びＢ−Ｂ′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、その両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０．５〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。

この流路形成基板１０には、その他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が幅方向に２列並設され、その長手方向外側には、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する連通部１３が形成され、各圧力発生室１２の長手方向一端部とそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。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、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で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、又は不錆鋼などからなる。ノズルプレート２０は、一方の面で流路形成基板１０の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。また、ノズルプレート２０は、流路形成基板１０と熱膨張係数が略同一の材料で形成するようにしてもよい。この場合には、流路形成基板１０とノズルプレート２０との熱による変形が略同一となるため、熱硬化性の接着剤等を用いて容易に接合することができる。

一方、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、二酸化シリコンからなり厚さが例えば、約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、酸化ジルコニウム等からなり厚さが例えば、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、白金及びイリジウム等からなり厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなり厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層７０と、イリジウム等からなり厚さが例えば、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１２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アクチュエータ装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０が振動板として作用する。

ここで、圧電素子３００の個別電極である各上電極膜８０には、図３（ａ）に示すように、インク供給路１４とは反対側の端部近傍から引き出され、圧力発生室１２の列間に対向する領域の弾性膜５０上にまで延設される、例えば、金（Ａｕ）等からなる個別リード電極９０が接続されている。

一方、圧電素子３００の共通電極である下電極膜６０は、圧力発生室１２に対向する領域に、圧力発生室１２の並設方向に亘って延設されている。また、下電極膜６０のインク供給路１４とは反対側の端部には、圧電素子３００の並設方向の両端部側に、下電極膜６０から引き出された共通リード電極６５が設けられている。なお、共通リード電極６５は、少なくとも１本以上あればよく、例えば、ｎ個の圧電素子３００に対して１本の割合で複数本設けるようにしてもよい。

これら各共通リード電極６５は、本実施形態では、図３（ｂ）に示すように、下電極膜６０を構成する層と同一の層からなり、下電極膜６０の端部から引き出され、個別リード電極９０の間を圧力発生室１２の列間に対向する領域の弾性膜５０上にまで延設されている。すなわち、これらの各共通リード電極６５は、個別リード電極９０と同一方向に延設されている。

なお、本実施形態では、２列並設された圧力発生室１２に対向して圧電素子３００が２列並設されているため、圧電素子３００の列毎に設けられた各下電極膜６０は、圧電素子３００の並設方向の両側で導通するように設けられている。

なお、共通リード電極６５をｎ個の圧電素子３００に対して１本の割合で複数設ける場合には、圧電素子３００の各列から延設された共通リード電極６５は、圧電素子３００の列間で連続することで各列の圧電素子３００の下電極膜６０を共通リード電極６５でも導通し、共通電極である下電極膜６０の電圧降下を防止して圧電素子３００の安定した駆動を行うことができる。

このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上、すなわち、下電極膜６０、弾性膜５０及び個別リード電極９０上には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有する保護基板３０が接合されている。このリザーバ部３１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の幅方向に亘って形成されており、上述の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１００を構成している。

また、保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３２が設けられている。保護基板３０は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。

このような保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、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の略中央部、すなわち、圧力発生室１２の列間に対向する領域には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。そして、各圧電素子３００から引き出される個別リード電極９０の端部近傍及び共通リード電極６５の一部は、貫通孔３３内に露出するように設けられている。

また、保護基板３０上の貫通孔３３の両側、すなわち、圧力発生室１２の各列に対応する領域のそれぞれには、並設された２列の圧電素子３００のそれぞれを駆動するための４つの駆動回路１１０が固定されている。この駆動回路１１０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。

駆動回路１１０の上面の貫通孔３３側には、各個別リード電極９０と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を介して直接電気的に接続される複数の個別端子１１１ａと、共通リード電極６５と接続配線１２０を介して直接電気的に接続される複数の共通端子１１１ｂとが並設されている。

また、駆動回路１１０の上面の貫通孔３３とは反対側には、長手方向に亘ってフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）等の外部配線１３０が直接接続される複数の接続端子１１２ａが並設されている。この接続端子１１２ａには、外部配線１３０を介して圧電素子３００を駆動するための制御信号等が入力される。また、駆動回路１１０の上面の貫通孔３３とは反対側には、共通端子１１１ｂと導通配線１１３を介して接続されて外部配線１３０が直接接続される共通接続端子１１２ｂが形成されている。この共通接続端子１１２ｂには、外部配線１３０を介して複数の圧電素子３００を駆動するための電圧が入力される。なお、共通接続端子１１２ｂは、本実施形態では、駆動回路１１０の長手方向一端側に形成されているが、共通リード電極６５の数及び位置によって複数個設けるようにしてもよい。

さらに、導通配線１１３は、本実施形態では、駆動回路１１０の外面である上面に設けられている。このように、導通配線１１３を駆動回路１１０の外部に設けることで、導通配線１１３を幅広に形成することができ、導通配線１１３の抵抗が増大するのを防止して発熱及び断線を防止することができると共に、駆動回路１１０の破壊を確実に防止することができる。なお、本実施形態では、導通配線１１３を駆動回路１１０の外面に設けるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、導通配線１１３を駆動回路１１０の内部に設けるようにしてもよい。

外部配線１３０は、駆動回路１１０上に設けられた接続端子１１２ａ及び共通接続端子１１２ｂに異方性導電剤（ＡＣＦ）等を介して直接接続される。また、外部配線１３０には、貫通孔３３及び各駆動回路１１０の個別端子１１１ａ及び共通端子１１１ｂを露出させるように露出孔１３１が設けられている。この露出孔１３１によって個別端子１１１ａ、共通端子１１１ｂ及び貫通孔３３が露出され、個別リード電極９０と個別端子１１１ａとが接続配線１２０を介して直接接続されると共に、共通リード電極６５と共通端子１１１ｂとが接続配線１２０を介して直接接続される。

このように、駆動回路１１０に外部配線１３０を直接接続するようにしたため、保護基板３０に外部配線１３０と駆動回路１１０とを電気的に接続するための配線が不要となり、ヘッドの小型化を図ることができると共にコストを低減することができる。また、保護基板３０に外部配線１３０を接続する領域が不要となり、これによってもヘッドの小型化を図ることができる。

また、流路形成基板１０の個別リード電極９０及び共通リード電極６５のそれぞれに、駆動回路１１０の個別端子１１１ａ及び共通端子１１１ｂを接続配線１２０を介して直接接続するようにしたため、保護基板３０に駆動回路１１０と圧電素子３００の各電極とを接続するための配線も不要となり、ヘッドの小型化を図ることができると共にコストを低減することができる。

また、このような保護基板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。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。

また、このリザーバ１００の長手方向略中央部外側のコンプライアンス基板４０上には、リザーバ１００にインクを供給するためのインク導入口４４が形成されている。さらに、保護基板３０には、インク導入口４４とリザーバ１００の側壁とを連通するインク導入路３５が設けられている。

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と接続したインク導入口４４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、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。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態１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、上述した実施形態１では、共通リード電極６５を下電極膜６０を構成する層と同一の層で形成するようにしたが、これに限定されず、例えば、個別リード電極９０と同一の層で形成するようにしてもよい。勿論、共通リード電極６５は、下電極膜６０又は個別リード電極９０とは別途に設けるようにしてもよい。

また、上述した実施形態１では、振動板を備えたアクチュエータ装置として、振動板上に圧電素子３００を形成したものを例示したが、振動板の共通電極と所定の空間を挟んで形成された個別電極との間に静電気を発生させて、当該静電気の発生の有無で振動板を変形させてノズル開口から液滴を吐出するアクチュエータ装置にも本発明を適用可能である。

さらに、上述した実施形態１では、成膜及びリソグラフィ法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１では、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挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド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液体噴射ヘッド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。

本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの平面図である。本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの断面図である。一実施形態に係るインクジェット式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保護基板、３１リザーバ部、３２圧電素子保持部、４０コンプライアンス基板、６０下電極膜、６５共通リード電極、７０圧電体層、８０上電極膜、９０リード電極、１００リザーバ、１１０駆動回路、１１１ａ個別端子、１１１ｂ共通端子、１１２ａ接続端子、１１２ｂ共通接続端子、１１３導通配線、１２０接続配線、１３０外部配線、１３１露出孔、３００圧電素子

Claims

液滴を吐出する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、該流路形成基板に設けられた振動板を備えたアクチュエータ装置とを具備し、
前記流路形成基板の前記アクチュエータ装置側には保護基板が接合されていると共に当該保護基板上には、入力信号から前記アクチュエータ装置を駆動するための駆動信号を生成する駆動回路が設けられており、前記駆動回路には、各アクチュエータ装置の個別電極が電気的に接続され該個別電極に前記駆動信号に従う電圧を印加する個別端子と、外部配線が直接接続され該外部配線を介して前記入力信号が入力される接続端子とが設けられていると共に、前記駆動回路には、複数のアクチュエータ装置に共通する共通電極に電気的に接続される共通端子と、当該共通端子に導通配線を介して接続されると共に外部配線が直接接続される共通接続端子とが設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
請求項１において、前記導通配線が前記駆動回路の外面に設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
請求項１又は２において、前記流路形成基板には、前記圧力発生室が２列設けられていると共に前記駆動回路が前記圧力発生室の各列に対応して並設されており、且つ前記流路形成基板には、前記個別電極から引き出された個別リード電極と前記共通電極から引き出された共通リード電極とが互いに隣接する前記駆動回路の間に引き出され、前記駆動回路の前記個別端子及び前記共通端子が隣接する前記駆動回路側に設けられていると共に、前記接続端子及び前記共通接続端子が隣接する前記駆動回路とは反対側に設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
請求項３において、前記接続端子及び前記共通接続端子には、前記外部配線が接続されていると共に、当該外部配線には、前記個別リード電極、前記共通リード電極、前記個別端子及び前記共通端子を露出させる露出孔が設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
請求項４において、前記外部配線が、複数の駆動回路に跨って接続されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
請求項１〜５の何れか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。