JP4737389B2

JP4737389B2 - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置

Info

Publication number: JP4737389B2
Application number: JP2005157796A
Authority: JP
Inventors: 俊宏澤本
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-05-30
Filing date: 2005-05-30
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2025-05-30
Also published as: JP2006327159A

Description

本発明は、液体を噴射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。

ノズル開口に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、後者の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。このような圧電素子は比較的高密度に配列することができる。

また、インクジェット式記録ヘッドとしては、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、この流路形成基板の一方面側に形成される圧電素子と、流路形成基板の圧電素子側の面に接着されて圧電素子を封止する圧電素子保持部を有する封止基板とを有するものがある（例えば、特許文献１参照）。

このインクジェット式記録ヘッドでは、封止基板上に駆動回路を実装し、この駆動回路と圧電素子から流露形成基板上に引き出された引き出し配線とをボンディングワイヤ等の接続配線を介して電気的に接続している。

しかしながら、引き出し配線と駆動回路とを電気的に接続する接続配線は、引き出し配線や駆動回路にワイヤボンディングにより１本ずつ接続されるため、接続に時間がかかると共に歩留まりが悪いという問題がある。

なお、このような問題は、インク滴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２００４−８２７２２号公報（第９頁、第１図及び第８図）

本発明はこのような事情に鑑み、駆動回路と圧電素子との接続を容易に行って組立時間を短縮すると共に歩留まりを向上した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、液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形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、前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に接合された保護基板と、を具備すると共に、リジット配線が設けられたリジット基板とフレキシブル配線が設けられたフレキシブル基板とが積層されて構成されたリジットフレキシブル配線基板に実装された駆動回路が、前記保護基板上方に設けられており、前記リジットフレキシブル配線基板の前記リジット基板が前記保護基板の貫通孔に相対向する領域に設けられており、前記リジット配線が前記リジット基板を貫通して設けられており、前記リジットフレキシブル配線基板の前記リジット基板の前記リジット配線が、前記圧電素子から前記流路形成基板上に引き出された引き出し配線に電気的に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１の態様では、リジットフレキシブル配線基板によって、保護基板上に設けられた駆動回路と、この保護基板とは段差のある流路形成基板上の引き出し配線とを接続することができると共に、リジットフレキシブル配線基板と引き出し配線とを一括して接続することができるため、接続時間を短縮して製造コストを低減することができる。また、リジットフレキシブル基板のリジット基板を引き出し配線に接続することにより、リジット基板が異種材料の線膨張差を緩衝することができ、実装時のピッチずれを低減することができる。
また、前記引き出し配線にリジット基板のリジット配線を接続することにより、リジット基板が流路形成基板の表面と保護基板の表面との段差を減少させて、フレキシブル基板の曲がりを減少させることができ、リジットフレキシブル配線基板の取り回しを容易に行うことができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記駆動回路が前記リジットフレキシブル配線基板の前記フレキシブル基板のみで構成されるフレキシブル領域に実装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２の態様では、フレキシブル領域に駆動回路を実装することができる。

本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記圧電素子の前記引き出し配線と前記リジットフレキシブル配線基板とが、熱溶着により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３の態様では、リジットフレキシブル配線基板と引き出し配線とを電気的に確実に接続できる。

本発明の第４の態様は、第１〜３の何れか一つの態様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にある。

かかる第４の態様では、製造コスト及び信頼性を向上した液体噴射装置を実現できる。

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斜視図であり、図２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断面図及び要部拡大断面図である。

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列形成され、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、圧力発生室１２を形成する際のマスクとして用いられた保護膜等を介して、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が常温下で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ステンレス鋼（ＳＵＳ）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。

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。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。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２（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）等からなるリード電極９０が接続されている。

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が接着剤３４を介して接合されている。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。この圧電素子保持部３２は、複数の圧電素子３００を一体的に覆う大きさで形成されており、各圧電素子３００は、この圧電素子保持部３２内に配置されている。これにより、各圧電素子３００は外部環境の影響を殆ど受けない状態に保護されている。なお、圧電素子保持部３２は、必ずしも密封されている必要はない。

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の上電極膜８０から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、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上には、圧電素子３００を駆動するための駆動回路１１０が実装されたリジットフレキシブル配線基板１２０が固定され、駆動回路１１０と圧電素子３００から引き出された引き出し配線であるリード電極９０とがリジットフレキシブル配線基板１２０を介して電気的に接続されている。

詳しくは、リジットフレキシブル配線基板１２０は、可撓性を有するフレキシブル基板１２１と、ガラスエポキシ等からなる硬質のリジット基板１２２とが積層されて構成されており、リジットフレキシブル配線基板１２０には、駆動回路１１０とリード電極９０とを電気的に接続する接続配線１２３が設けられている。

フレキシブル基板１２１は、保護基板３０の上面を覆う大きさを有するポリイミド等からなる。

リジット基板１２２は、フレキシブル基板１２１に保護基板３０の貫通孔３３に相対向する領域に固定されている。本実施形態ではリジット基板１２２をフレキシブル基板１２１のリード電極９０側及びその反対側に設け、２枚のリジット基板１２２によってフレキシブル基板１２１を挟み込んだ構造となっている。なお、リジット基板１２２は、保護基板３０の貫通孔３３よりも小さい面積を有し、リジット基板１２２は、貫通孔３３内に挿入可能となっている。

このようなリジットフレキシブル配線基板１２０は、フレキシブル基板１２１のみで構成される可撓可能なフレキシブル領域１２１ａと、フレキシブル基板１２１とリジット基板１２２とで構成される可撓不能なリジット領域１２２ａとを有する。そして、リジットフレキシブル配線基板１２０は、リジット基板１２２が保護基板３０の貫通孔３３に相対向する領域に設けられているため、リジット基板１２２が設けられたリジット領域１２２ａが貫通孔３３内でリード電極９０と接続されるようになっている。

また、本実施形態のリジットフレキシブル配線基板１２０は、リジット基板１２２が設けられていないフレキシブル基板１２１のみで構成されるフレキシブル領域１２１ａが、貫通孔３３に相対向する領域以外の領域となっており、このフレキシブル領域１２１ａの保護基板３０に接合される部分に駆動回路１１０が実装されている。すなわち、駆動回路１１０は、保護基板３０上にリジットフレキシブル配線基板１２０のフレキシブル基板１２１を介して固定されていることになる。なお、本実施形態では、リジットフレキシブル配線基板１２０の駆動回路１１０が実装される領域をフレキシブル基板１２１のみで構成し、駆動回路１１０がフレキシブル領域１２１ａに実装するようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、リジットフレキシブル配線基板１２０の駆動回路１１０が実装される領域にリジット基板を設け、駆動回路１１０がリジット領域１２２ａに実装されるようにしてもよい。

ここで、実際に駆動回路１１０とリード電極９０とを接続する接続配線１２３は、フレキシブル基板１２１に設けられたフレキシブル配線１２４と、リジット基板１２２に設けられたリジット配線１２５とで構成されている。

フレキシブル配線１２４は、フレキシブル基板１２１の保護基板３０に接合される面側に設けられている。また、リジット配線１２５は、リジット基板１２２を貫通して設けられており、フレキシブル配線１２４とリード電極９０とを電気的に接続している。そして、駆動回路１１０とリード電極９０とは、接続配線１２３を介して電気的に接続されている。

このようなリジットフレキシブル配線基板１２０を用いることにより、駆動回路１１０が固定される保護基板３０上と、圧電素子３００から引き出されたリード電極９０が設けられる流路形成基板１０上とに段差があったとしても、ボンディングワイヤ等を用いることなく、容易に且つ確実に両者を電気的に接続することができる。

なお、リジットフレキシブル配線基板１２０のフレキシブル基板１２１は、図１に示すように、そのまま外部の駆動信号などが入力される外部配線となるように延設されている。これにより、外部配線を接続する工程が不要となり、作業工程を簡略化することができると共に、部品点数を減らすことができる。勿論、リジットフレキシブル配線基板１２０に外部配線を接続するようにしてもよく、駆動回路１１０に外部配線を接続するようにしてもよい。

また、リジットフレキシブル配線基板１２０に実装される駆動回路１１０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）などを挙げることができる。このようなリジットフレキシブル配線基板１２０に駆動回路１１０は、例えば、フリップチップ実装で搭載されている。また、駆動回路１１０のリジットフレキシブル配線基板１２０への実装方式としては、金（Ａｕ）−金（Ａｕ）接続、金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）接続などの金属接続や、ＡＣＦ（異方性導電ペースト）、ＡＣＰ（異方性導電膜）、半田バンプ接続などを用いることができる。

また、リジットフレキシブル配線基板１２０の接続配線１２３とリード電極９０とは、例えば、ＡＣＦ、ＡＣＰにより接続することができる。このようなリジットフレキシブル配線基板１２０とリード電極９０との接続では、リード電極９０にリジットフレキシブル配線基板１２０を所定の圧力で押圧した状態で、加熱して溶着させることで行われる。このため、フレキシブル基板１２１が流路形成基板１０や保護基板３０が加熱された際に、線膨張係数の違いにより実装時のピッチずれを起こすが、リード電極９０と接続される領域にリジット基板１２２を設けてリジット領域１２２ａとすることで、リジット基板１２２が線膨張差を緩衝して、実装時のピッチずれを防止することができ、信頼性を向上することができる。

また、リジットフレキシブル配線基板１２０を用いた接続では、リード電極９０と駆動回路１１０とをボンディングワイヤなどの接続配線で接続する必要がなく、ワイヤボンディングによる接続不良や歩留まりの低下を防止することができる。

さらに、リジットフレキシブル配線基板１２０によって、駆動回路１１０とリード電極９０とを一括して接続、いわゆるギャングボンディングできるため、製造工程を簡略化することができると共に製造時間を短縮して、製造コストを低減することができる。

また、本実施形態のリジットフレキシブル配線基板１２０は、フレキシブル基板１２１のリード電極９０側にリジット基板１２２を設けるようにしたため、リジット基板１２２の厚さにより、フレキシブル基板１２１の曲げ量を減少させることができる。すなわち、フレキシブル基板１２１を流路形成基板１０の表面まで屈曲させる必要がなく、接続配線１２３の断線等を確実に防止することができると共に、リジットフレキシブル配線基板１２０とリード電極９０との接続を容易に行うことができる。

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、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、本発明の実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図及び要部拡大断面図である。

図３に示すように、本実施形態のリジットフレキシブル配線基板１２０Ａは、フレキシブル基板１２１のリード電極９０とは反対側にリジット基板１２２Ａが接合されて構成されている。また、フレキシブル基板１２１のリジット基板１２２Ａとは反対側の面にフレキシブル配線１２４が設けられており、このフレキシブル配線１２４が直接リード電極９０と接続されている。すなわち、本実施形態では、フレキシブル配線１２４が接続配線１２３Ａとなっている。

このようなリジットフレキシブル配線基板１２０Ａを用いても、リジット基板１２２Ａによってフレキシブル基板１２１の線膨張差を緩衝することができ、実装時のピッチずれの発生を低減させることができる。

（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、上述した実施形態１及び２では、フレキシブル基板１２１の保護基板３０と接合される側にフレキシブル配線１２４を設けるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、フレキシブル基板１２１の駆動回路１１０が実装される面側にフレキシブル配線１２４を設けるようにしてもよい。勿論、フレキシブル基板１２１の両面にフレキシブル配線１２４を設けてもよい。

また、例えば、上述した実施形態１及び２では、保護基板３０に圧電素子保持部３２を設け、この圧電素子保持部３２内に圧電素子３００を形成するようにしたが、これに限定されず、保護基板３０に圧電素子保持部３２を設けなくてもよい。この場合には、圧電素子３００の表面をアルミナなどの無機材料からなる保護膜によって覆い、水分（湿気）に起因する圧電体層７０の破壊を防止するようにすればよい。勿論、保護膜により覆われた圧電素子３００を圧電素子保持部３２内に設けるようにしてもよい。

さらに、例えば、上述した実施形態１及び２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。

さらに、このような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斜視図である。本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの断面図である。本発明の実施形態２に係る記録ヘッドの断面図である。一実施形態に係る記録装置の一例を示す概略図である。

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、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、１２０リジットフレキシブル配線基板、１２１フレキシブル基板、１２２リジット基板、１２１ａフレキシブル領域、１２２ａリジット領域、１２３接続配線、３００圧電素子

Claims

液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形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、
前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に接合された保護基板と、を具備すると共に、リジット配線が設けられたリジット基板とフレキシブル配線が設けられたフレキシブル基板とが積層されて構成されたリジットフレキシブル配線基板に実装された駆動回路が、前記保護基板上方に設けられており、
前記リジットフレキシブル配線基板の前記リジット基板が前記保護基板の貫通孔に相対向する領域に設けられており、
前記リジット配線が前記リジット基板を貫通して設けられており、
前記リジットフレキシブル配線基板の前記リジット基板の前記リジット配線が、前記圧電素子から前記流路形成基板上に引き出された引き出し配線に電気的に接続されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
前記駆動回路が前記リジットフレキシブル配線基板の前記フレキシブル基板のみで構成されるフレキシブル領域に実装されていることを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッド。
前記圧電素子の前記引き出し配線と前記リジットフレキシブル配線基板とが、熱溶着により接続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。