JP4939140B2 - 圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造、並びに液体吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造、並びに液体吐出装置に関し、より詳しくは、圧電アクチュエータと、該圧電アクチュエータの圧電素子に駆動電圧を供給するための外部配線基板との接続部強度向上に好適な圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造、並びに液体吐出装置に関する。

近時、マルチメディアの発達に伴い、情報を高速で記録媒体に出カする記録装置の需要が高まってきている。その中で、インクジェット記録方式の高速化も市場からの要求が大きくなりつつあり、大判印刷や工業用印刷等の各種用途に対して高速吐出が可能なインクジェット記録ヘッドは大きな需要が期待できる。

高速吐出を実現する方法のひとつとして、インクジェット記録ヘッドのノズル（吐出口）配置密度を上げることが有効な手段である。ノズル配置密度を上げることは即ち、ノズルまでインクを送り込むための駆動部となる圧電素子の配置密度の向上も必要となり、圧電素子を平面板あるいは振動板上にマトリックス（多連多列）状に配置する方法が検討、実現されている。

マトリックス配置された圧電素子と、この圧電素子に駆動電圧を供給する外部配線基板との電気接続方法としては、圧電素子側の接続端子と、外部配線基板側のバンプとを加熱・加圧・振動によって接続する方法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

図９（ａ）は、特許文献１に記載されているような従来のマトリックス配置された圧電素子を具備する圧電アクチュエータと、前記圧電素子に駆動電圧を供給する外部配線基板とを示す概略図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）の圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造を示す概略図である。図１０は、図９の圧電アクチュエータを示す平面図であり、図１１は、図９の外部配線基板を示す平面図である。

図９（ａ）および図１０に示すように、圧電アクチュエータ１１１は、圧電素子１１０および振動板１０５で構成されている。圧電素子１１０は、共通電極１０４および表面電極１０２で圧電体層１０３を挟持してなり、振動板１０５上に複数の圧電素子１１０がマトリックス状（多連多列）に配置され、振動板１０５を介して剛体１０６上に配置される。さらに、圧電素子１１０上には、圧電素子１１０が振動しない箇所に接続端子１０１が形成される。

また、図９（ａ）および図１１に示すように、フレキシブル回路基板（ＦＰＣ）である外部配線基板１３０はベースフィルム１２１，配線パターン１２２およびカバーフィルム１２３で構成されており、ベースフィルム１２１に配線パターン１２２を形成したものがカバーフィルム１２３で覆われている。圧電素子１１０の接続端子１０１と対応する箇所のカバーフィルム１２３にはバンプ用穴が形成されており、このバンプ用穴を介して配線パターン１２２と導通するようにバンプ１２４が形成される。これにより、圧電素子１１０の接続端子１０１と対応する位置に、圧電素子１１０に駆動電圧を供給するためのバンプ１２４が配置される構成となる。バンプ１２４は、はんだ等の金属からなり、その表面には導電性の接合剤１２５が塗布される。

そして、圧電アクチュエータ１１１と外部配線基板１３０との接続は、図９（ｂ）に示すように、圧電素子１１０の接続端子１０１および外部配線基板１３０のバンプ１２４間が、導電性の接合剤１２５を介して電気的に接続されると共に、加熱・加圧等の既知の方法によって固化した接合剤１２５が接続部個々の強度を保持する構成となっている。
特開２００３−６９１０３号公報

しかしながら、ノズルの配置密度を上げるには、圧電アクチュエータ１１１の圧電素子１１０の配置密度を向上させる必要があり、そのためには圧電素子１１０、接続端子１０１、あるいはバンプ１２４のサイズを小型化する必要がある。接続端子１０１やバンプ１２４を小型化すると、接続部の接触面積が小さくなってしまい、接続部の強度不足に伴う断線不良の発生要因となる。

従って、本発明の課題は、圧電アクチュエータと外部配線基板との接続強度に優れた圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造、並びに該接続構造を備えた液体吐出装置を提供することである。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下の知見を得た。すなわち、圧電素子の接続端子と、外部配線基板のバンプとの接続部の強度向上を、導電性の接合剤の量を増加させて検討したが、接合剤の量を数倍程度に増やしても強度不足は解消されず、逆に、それ以上に増やすと接合時の加熱・加圧によって流れ出した接合剤が圧電素子に乗り上げて固化し、圧電素子の変形を妨害して変位特性を著しく低下させる問題が生じた。

そこで、本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、圧電アクチュエータと外部配線基板との間を所定の弾性率を有する接合剤を所定の厚みで充填すれば、接合剤を充填することにより生じる圧電素子の変形妨害による著しい変位特性の低下を抑制でき、かつ圧電素子の接続端子と外部配線基板のバンプとの接続強度が向上し、その結果、接続強度に優れた圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造が得られるという新たな知見を見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明の圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造は、以下の構成からなる。
（１）振動板と、共通電極および表面電極で圧電体層を挟持してなる圧電素子とを備え、前記振動板の上に複数の圧電素子をマトリックス状に配列するとともに、前記圧電素子の表面に該圧電素子に駆動電圧を印加するための接続端子が形成された圧電アクチュエータと、前記接続端子と電気的に接続して駆動電圧を供給するための外部配線基板との接続構造であって、前記圧電アクチュエータと前記外部配線基板との間に、厚みが１０μｍ以上でかつ弾性率が０．０５ＧＰａ以下の接合剤を有することを特徴とする圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造。
（２）前記接合剤が、異方性導電樹脂、異方性導電シート、絶縁性樹脂および絶縁性シートから選ばれる少なくとも１種である前記（１）記載の圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造。
（３）前記接合剤がマトリックス状に配列された前記圧電素子と前記接続端子とを覆い、かつ、互いに隣接する圧電素子間の間隙と、前記外部配線基板との間に空隙を設けた前記（１）または（２）記載の圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造。
（４）下記式（Ｉ）から算出される圧電素子の変位低下率が１０％未満である前記（１）〜（３）のいずれかに記載の圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造。

本発明の液体吐出装置は、前記（１）〜（４）のいずれかに記載の圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造を、圧力発生室と、液体流路と、液体吐出口とを有する流路部材上に取り付けてなることを特徴とする。また、該液体吐出装置は、インクジェット記録ヘッドに用いるのが好ましい。

本発明によれば、圧電アクチュエータと外部配線基板との間に接合剤を有するので、圧電素子の接続端子と外部配線基板のバンプとの接続強度を高めることができる。しかも、接合剤の弾性率を所定の値以下とすると共に、その厚みを規定することで、充填された接合剤が圧電アクチュエータと外部配線基板との間（圧電素子上を含む）を埋める構成であっても、該接合剤が圧電素子の変形を妨害し、著しく変位特性が低下することはない。さらに、該接合剤を有することにより、圧電素子および該圧電素子の接続端子と外部配線基板のバンプとの接続部が封止されて露出しない構成となるので、駆動時に吐出されるインクのミスト、あるいは外気に含まれる水分等が圧電素子や圧電アクチュエータと外部配線基板との接続部周辺に付着するのを防止でき、インクや水分が付着した接続部への通電に伴う劣化や導通不良をなくすことができる。

また、上記（２）によれば、隣接する圧電素子（表面電極あるいは接続端子）同士の短絡を防止することができる。これは、接合時の加熱・加圧によって流れ出した接合剤が、隣接する圧電素子（表面電極、接続端子含む）同士を短絡させてしまうという知見に基づくものであり、接合剤が所定の樹脂またはそのシートからなる場合には、上記した短絡を防止することができる。
上記（３）によれば、互いに隣接する圧電素子間の間隙と、前記外部配線基板との間に空隙を設けたことにより、圧電アクチュエータと接合剤との熱膨張係数の差による応力が低減できるため、温度サイクルが加わった場合の接続信頼性を向上することができる。
上記（４）によれば、上記式（Ｉ）から算出される圧電素子の変位低下率が１０％未満であるので、著しく変位特性が低下することはない。

＜接続構造＞
以下、本発明の圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）は、マトリックス配置された圧電素子を具備する圧電アクチュエータと、前記圧電素子に駆動電圧を供給する外部配線基板とを示す概略図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造を示す概略図である。

（圧電アクチュエータ）
図１（ａ）に示すように、圧電アクチュエータ１１は、圧電素子１０および振動板５で構成されている。圧電素子１０は、共通電極４および表面電極２で圧電体層３を挟持してなり、振動板５上に複数の圧電素子１０がマトリックス状（多連多列）に配置されている。そして、振動板５を介して剛体６上に配置されている。また、圧電素子１０の表面には、圧電素子１０が振動しない箇所に接続端子１が形成されている。

振動板５および圧電体層３は圧電セラミックスからなるのが好ましく、さらに、振動板５および圧電体層３の主成分が略同一の材料からなるのがより好ましい。該主成分としてはＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉを含むことが、高い変位を得る上で好ましい。ここで、前記圧電セラミックスとは圧電性を示すセラミックスを意味し、例えばＢｉ層状化合物やタングステンブロンズ構造物質、Ｎｂ酸アルカリ化合物のペロブスカイト構造化合物、Ｐｂを含有するジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛等を含有するペロブスカイト構造化合物を例示できるが、これらの中でもＰｂを含むジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛が、電極との濡れ性を高め、電極との密着強度を高める点で好適である。

即ち、Ａサイト構成元素としてＰｂを含有し、且つＢサイト構成元素としてＺｒ及び／又はＴｉを含有する結晶であり、特にチタン酸ジルコン酸鉛系化合物であることが、より高いｄ定数を有する安定な圧電焼結体を得るために好ましい。

また、上記圧電セラミックスがＳｒ、Ｂａ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｙｂ及びＴｅのうち少なくとも１種を含むことが好ましい。これによって、より安定した圧電焼結体（圧電アクチュエータ１１）を得ることができ、例えば副成分としてＰｂ（Ｚｎ_1/3Ｓｂ_2/3）Ｏ₃及びＰｂ（Ｎｉ_1/2Ｔｅ_1/2）Ｏ₃とを固溶してなるものを例示できる。

特に、Ａサイト構成元素として、さらにアルカリ土類元素を含有することが望ましい。アルカリ土類元素としては、特にＢａ、Ｓｒが高い変位を得られる点で好ましく、Ｂａを０．０２〜０．０８モル、Ｓｒを０．０２〜０．１２モル含むことが特に耐応力性が高く、大きな変位を得るのに有効である。

上記のような圧電セラミックとしては、例えば、Ｐｂ_1-x-yＳｒ_xＢａ_y（Ｚｎ_1/3Ｓｂ_2/3）_a（Ｎｉ_1/2Ｔｅ_1/2）_bＺｒ_1-a-b-cＴｉ_cＯ₃＋αｗｔ％Ｐｂ_1/2ＮｂＯ₃（０≦x≦０．１４、０≦ｙ≦０．１４、０．０５≦ａ≦０．１、０．００２≦ｂ≦０．０１、０．４４≦ｃ≦０．５０、α＝０．１〜１．０）で表されものが挙げられる。

共通電極４は、導電性を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｎｉの単独又はこれらの少なくとも１種以上を主成分とする合金を用いることができ、合金としては、例えばＡｇ−Ｐｄ合金等が例示できる。また、共通電極４の高さは、導電性を有しかつ変位を妨げない程度である必要があり、一般に０．５〜５μｍ程度、好ましくは１〜３μｍであるのがよい。

表面電極２は、導電性を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば上記共通電極４で例示したものと同じものが挙げられる。特に、本発明では、Ａｕが好ましい。表面電極２の高さは、導電性を有しかつ変位を妨げない程度である必要があり、例えば０．１〜２μｍ程度、好ましくは０．１〜１．０μｍ、より好ましくは０．１〜０．５μｍであるのがよい。

接続端子１は、導電性を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば上記共通電極４で例示したものと同じものが挙げられる。特に、本発明では、Ａｇが好ましい。接続端子１の高さは、外部配線基板３０との接続信頼性を向上させるために、例えば５μｍ以上、好ましくは５〜１５μｍであるのがよい。

剛体６は、特に限定されるものではないが、例えば後述する流路部材における圧力発生室を構成する圧力室プレート等が挙げられ、その材質としては、例えばＳＵＳ（ステンレス鋼）材等が挙げられる。

（外部配線基板）
図１（ａ）に示すように、フレキシブル回路基板（ＦＰＣ）である外部配線基板３０は、ベースフィルム２１，配線パターン２２およびカバーフィルム２３で構成されており、ベースフィルム２１に配線パターン２２を形成したものがカバーフィルム２３で覆われている。また、圧電素子１０の接続端子１と対応する箇所のカバーフィルム２３にはバンプ用穴が形成されており、このバンプ用穴を介して配線パターン２２と導通するようにバンプ２４が形成されている。これにより、圧電素子１０の接続端子１と対応する位置に、圧電素子１０に駆動電圧を供給するためのバンプ２４が配置される。

ここで、ベースフィルム２１は、例えばポリイミド等からなり、その厚みは２５〜５０μｍであるのが好ましい。また、カバーフィルム２３は、例えばポリイミドもしくはエポキシ等からなり、その厚みは２５〜５０μｍであるのが好ましい。配線パターン２２は、導電性を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば上記共通電極４で例示したものと同じものが挙げられる。

バンプ２４は、はんだ、銅、ニッケル等の金属からなる。また、バンプ２４は加熱・加圧等によって圧電素子１０の接続端子１と電気的に接続できるものであればよく、単独あるいは複合金属のどちらを用いてもよい。バンプ２４の厚みは、圧電素子１０の接続端子１と、外部配線基板３０のバンプ２４とを接続した状態で、圧電アクチュエータ１１と外部配線基板３０との間隔が１０μｍ以上、すなわち、この間隔に充填される接合剤２５の厚みが１０μｍ以上となるように１０〜１００μｍの範囲とすることが好ましい。また、バンプ２４の径は、隣接する圧電素子１０同士が、バンプ２４によって短絡するのを防止するため３０〜１００μｍの範囲とすることが好ましい。

接合剤２５は、外部配線基板３０のカバーフィルム２３側全域を覆う形で形成されている。ここで、本発明にかかる接合剤は異方性導電樹脂、異方性導電シート、絶縁性樹脂および絶縁性シートから選ばれる少なくとも１種であるのが好ましい。これにより、隣接する圧電素子１０間で発生する短絡不良を防止することができる。

前記異方性導電樹脂とは、厚み方向に高い導電性を有しかつ平面方向には高い絶縁性を示す特性を有する樹脂を意味し、例えば酸無水物硬化型、フェノール硬化型、アミン硬化型などのエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂中に導電性粒子が分散したものである。導電性粒子としては、例えば金、銀、ニッケル等の金属粒子や表面に金めっき等が施された樹脂粒子等が用いられる。導電性粒子の粒径は３〜１５μｍ程度、好ましくは５〜１０μｍ程度であるのがよい。熱硬化性樹脂中における導電性粒子の配合量は１〜２５質量％程度であるのがよい。

前記絶縁性樹脂は、例えばエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の絶縁性を有する熱硬化性樹脂等が挙げられる。また、異方性導電シートは、前記異方性導電樹脂をシート状の形態にしたものであり、絶縁性樹脂シートは、前記絶縁性樹脂をシート状の形態にしたものである。ここで、異方性導電シートおよび絶縁性樹脂シートの厚みは、圧電アクチュエータ１１および外部配線基板３０の間に充填された状態で１０μｍ以上となる厚みであり、好ましくは１０〜１００μｍ、より好ましくは３０〜６０μｍであるのがよい。また、複数の異方性導電シート・絶縁性樹脂シートを重ね合わせて所定の厚さとしてもよい。

本実施形態の接合剤２５は、異方性導電樹脂、絶縁性樹脂または異方性導電シートからなる。ここで、接合剤２５が異方性導電樹脂または異方性導電シートからなる場合には、図１（ｂ）に示すように、圧電素子１０の接続端子１と外部配線基板３０のバンプ２４とは、接合剤２５を介して電気的に接続されている。そして、加熱・加圧等の既知の方法によって固化された接合剤２５が、圧電アクチュエータ１１と外部配線基板３０との間に充填された構成となり、接続部の強度が保持される。

接合剤２５が絶縁性樹脂からなる場合には、該絶縁性樹脂が接続端子１とバンプ２４との電気的接続を阻害しないようにする。具体的には、接続端子１とバンプ２４との接続は、絶縁性樹脂からなる接合剤２５を介さず電気的に接続される。なお、この構成であっても、固化した接合剤２５が、圧電アクチュエータ１１と外部配線基板３０との間に充填された構成となるので、接続部の強度が保持される。

ここで、本発明にかかる接合剤は、弾性率が０．０５ＧＰａ以下、好ましくは０．０５〜０．０１ＧＰａであり、かつ厚みが１０μｍ以上、好ましくは３０μｍ以上となるように、圧電アクチュエータと外部配線基板との間に充填されるものである。これにより、圧電アクチュエータ１１と外部配線基板３０との間（圧電素子１０上を含む）に接合剤２５を充填する構成であっても、圧電素子１０の変形を妨害して、著しく変位特性が低下することはない。具体的には、下記で説明する変位低下率を１０％未満とすることができる。また、前記厚みの上限値としては、１００μｍ以下程度であるのが好ましい。

一方、前記弾性率および厚みが所定の範囲内にないと、圧電素子の振動を大きく妨げ、著しく変位特性を低下させることになる。具体的には、前記弾性率が０．０５ＧＰａより大きい、例えば２ＧＰａ程度（エポキシ樹脂同等）であると、圧電素子の振動を大きく妨げ、著しく変位特性を低下させることになる。また、前記厚みが１０μｍより薄いと、下記変位低下率が１０％以上となる。さらに、前記厚みが１００μｍより大きいと、前記接続部の強度を保持できないおそれがある。

本発明の接合剤の弾性率を０．０５ＧＰａ以下とするには、例えば接合剤のガラス転移点を下げればよい。また、形態がシート状である場合には、弾性率が０．０５ＧＰａ以下となるように、シートの厚みを調製してもよい。本発明の弾性率は、試験片を用いた引っ張りあるいは曲げ弾性率測定から得られる値である。

本発明では、圧電素子１０上に振動を妨害する樹脂等が何もない（自由に振動できる）状態を１００とした場合の変位特性に対して、特性低下が１０％未満であるのが好ましく、具体的には、上記式（Ｉ）から算出される変位低下率が１０％未満であるのがよい。この変位低下率が１０％未満であれば、著しく変位特性が低下することはない。これに対し、該変位低下率が１０％以上であると、所定の変位特性を示すことができないおそれがある。

（接続方法）
次に、本実施形態にかかる圧電アクチュエータ１１および外部配線基板３０の接続方法について説明する。まず、圧電素子１０に駆動電圧を供給するための外部配線基板３０を準備する。具体的には、ベースフィルム２１上に所定の配線パターン２２を形成し、この配線パターン２２を覆うようにしてカバーフィルム２３を被着し、外部配線基板３０を作製する。

また、カバーフィルム２３の所定の位置に上記したバンプ用穴を形成し、このバンプ用穴を介して配線パターン２２と導通するようにバンプ２４を形成する。これにより、圧電素子１０の接続端子１と対応する位置に、圧電素子１０に駆動電圧を供給するためのバンプ２４が配置される構成となる。バンプ２４の形成方法としては、例えば印刷やめっき等の各種の公知の方法が採用可能である。

ついで、バンプ２４を形成した外部配線基板３０側に接合剤２５を形成する。ここで、接合剤２５が異方性導電樹脂あるいは絶縁性樹脂からなる場合には、外部配線基板３０のカバーフィルム２３全域に印刷、塗布あるいは転写等の方法によって形成するのが、作業性の面から好ましい。この際には、圧電アクチュエータ１１と外部配線基板３０との間隔に充填された接合剤の厚みが１０μｍ以上となるように形成する。また、接合剤２５が異方性導電樹脂からなる場合には、該接合剤２５はバンプ２４を被覆するようにして形成してもよい。

また、接合剤２５が異方性導電シートからなる場合には、外部配線基板３０のカバーフィルム２３全域に接着等の方法によって貼着することが、作業性の面から好ましい。なお、この場合には、異方性導電シートからなる接合剤２５がバンプ２４を被覆した状態でカバーフィルム２３全域に貼着していてもよい。

次に、マトリックス配置された圧電素子１０を具備する圧電アクチュエータ１１を準備する。具体的には、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を圧電セラミックスとして用いた場合には、原料として純度９９％、平均粒子径１μｍ以下のＰＺＴ粉末を圧電性セラミックス粉末として準備する。この圧電セラミックス粉末に、適当な有機バインダーを添加してテープ状に成形し、ついで、作製したグリーンシートの一部に共通電極４としてＡｇ−Ｐｄペーストを塗布し、この共通電極４上にグリーンシートを積層し、さらに、１０〜５０ＭＰａの圧力で加圧した後、所定の形状にカットする。これを、４００℃程度で脱バインダーを行い、その後焼成する。焼成後、表面に複数の表面電極２を形成し、分極して積層圧電体である圧電アクチュエータ１１が得られる。

なお、グリーンシートを積層して積層体を作製する場合には、該グリーンシートと実質的に同一組成の圧電セラミックスと、有機組成物からなる拘束シートとを、上記積層体の両面若しくは片面に配置し、加圧密着を行うことが好ましい。このように、拘束シートで外側のグリーンシートの収縮を抑制することによって、積層体のソリを低減するという効果が期待できる。

さらに、焼結前生密度が４．５ｇ／ｃｍ²以上であることが好ましい。焼結体密度を４．５ｇ／ｃｍ²以上に上げることにより、より低温での焼成が可能であり、さらに生密度を上げると、Ｐｂの蒸発を抑制することが可能である。

圧電アクチュエータ１１と外部配線基板３０との接合は、加熱・加圧等の既知の方法によって行う。ここで、前記加熱・加圧は、外部配線基板３０のベースフィルム２１側面から、加熱治具を押付ける方式で行うのが好ましい。

加熱温度は、バンプ２４にはんだを用いる場合には、圧電素子１０の接続端子１および外部配線基板３０のバンプ２４に伝達される温度を考慮し、はんだが十分に溶けて接続端子１と接続できる２５０〜３３０℃、特に２６０〜３００℃の温度設定が安定した接続を行う上で好ましい。

また、バンプ２４にはんだ以外の金属を用いる場合には、圧電素子１０の接続端子１と、外部配線基板３０のバンプ２４とが電気的に接続され、且つ接合剤２５が完全に硬化して接続部を十分に保持できる状態となる温度設定であれば、先の温度範囲外でも何ら問題はない。

前記加熱治具を押付ける際の加圧力および加圧時間は、バンプ２４の材質に関係なく、圧電素子１０の接続端子１と、外部配線基板３０のバンプ２４とが、電気的に接続できる条件であれば良い。具体的には、例えば加圧力は０．５〜２．０ｋｇｆ／ｃｍ²、加圧時間は１０〜６０秒の範囲内であれば接続は可能であり、最適条件は接続状態を見ながら決定すれば良い。

上記のようにして外部配線基板３０のカバーフィルム２３の表面に形成された接合剤２５は、圧電素子１０の接続端子１と、外部配線基板３０のバンプ２４とが、加熱、加圧等の方法によって接続されることにより、圧電アクチュエータ１１と外部配線基板３０との間に充填された構成となる。これにより、圧電素子１０の接続端子１と、外部配線基板３０のバンプ２４との接続部を回りから保持する構成となり、圧電アクチュエータ１１と外部配線基板３０との接続強度に優れた圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造が形成される。

次に、本発明の圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造にかかる他の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図２（ａ）は、本実施形態にかかる外部配線基板を示す概略図であり、図２（ｂ）は、図１の圧電アクチュエータと図２（ａ）の外部配線基板との接続構造を示す概略図である。なお、図２においては、前述した図１の構成と同一または同等な部分には同一の符号を付して説明は省略する。

図２（ａ）に示すように、本実施形態にかかる接合剤２７は絶縁性シートからなる。この接合剤２７には、外部配線基板３０に形成されるバンプ２４の位置に、予めバンプ２４の径と同等の径の貫通孔が形成されている。これにより、接合剤２７を外部配線基板３０のカバーフィルム２３全域に貼着すると、前記貫通孔からバンプ２４の表面が露出する構成となる。

上記構成により、接続端子１とバンプ２４との接続は、図２（ｂ）に示すように、絶縁性シートからなる接合剤２７を介さず電気的に接続されるので、接続端子１とバンプ２４との電気的接続が接合剤２７で阻害されることはない。また、この構成であっても、固化した接合剤２７が、圧電アクチュエータ１１と外部配線基板３０との間に充填された構成となるので、接続部の強度は保持される。
なお、上記した以外の構成は、上記で説明した実施形態と同じであるので説明を省略する。

次に、本発明の接続構造にかかるさらに他の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図３は、本実施形態の接続構造を示す概略図である。図４は、図３のＡ−Ａ線断面図である。なお、図３および図４においては、前述した図１および図２の構成と同一または同等な部分には同一の符号を付して説明は省略する。

本実施形態では、互いに隣接する圧電素子間の間隙と、前記外部配線基板との間に空隙を設けた点で、上記で説明した実施形態と異なる。すなわち、図３，図４に示すように、本実施形態の接続構造は、接合剤２５がマトリックス状に配列された圧電素子１０と接続端子１とを覆い、かつ、互いに隣接する圧電素子１０間の間隙と、外部配線基板３０との間に空隙２６を設けたものである。このような構成であっても、上記で説明した実施形態と同様に接続部の強度を保持することができると共に、圧電素子１０および接続端子１と外部配線基板３０のバンプ２４との接続部が封止されて露出しない構成となるので、駆動時に吐出されるインクのミスト等が圧電素子や接続部周辺に付着するのを防止することができる。特に、互いに隣接する圧電素子１０間の間隙と、外部配線基板３０との間に空隙２６を設けたことにより、圧電アクチュエータ１１と接合剤２５との熱膨張係数の差による応力が低減できるため、温度サイクルが加わった場合の接続信頼性を向上することができる。

図４に示すように、圧電素子１０の間の接合剤２５のない部分の幅Ｗは２０〜５０μｍであることが好ましい。幅Ｗを５０μｍ以下にすることにより、表面電極２の配置密度を高くすることができる。また、幅Ｗを２０μｍ以上にすることにより、接続時に接合剤２５の異動や変形があっても、隣接する接合剤２５を分離して形成でき、温度サイクルが加わった場合の接続信頼性が向上する。また、マトリックス状に配列された圧電素子１０の全体の外側に、圧電素子１０と接続端子１とを覆う接合剤２５とは分離して接合剤２５を形成することにより、さらに温度サイクルが加わった場合の接続信頼性が向上する。さらに、圧電素子１０の全体の外側に形成する接合剤２５と圧電素子１０と接続端子１とを覆う接合剤２５との空隙の幅を幅Ｗと同一にすることにより、マトリックス状に配列された圧電素子１０の中で最外部の圧電素子１０と内部の圧電素子１０とで周囲の接続状態の差により圧電素子１０の変形特性に差が生じて液体吐出状態が変わることを抑制できる。
なお、上記した以外の構成は、上記で説明した実施形態と同じであるので説明を省略する。

＜液体吐出装置＞
次に、本発明の圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造を備えた液体吐出装置について、図面を参照して詳細に説明する。図５は、本発明の圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造を備えた液体吐出装置を示す概略図である。図６は、図５の液体吐出装置をノズル口側から見た平面図である。なお、図５においては、前述した図１〜図４の構成と同一または同等な部分には同一の符号を付して説明は省略する。

図５に示すように、この液体吐出装置は、流路部材５０の上に圧電アクチュエータ１１および外部配線基板３０の接続構造を取り付けて構成されている。具体的には、液体流路部材５０は、ノズルプレート４１と、プールプレート４２と、供給口プレート４３と、封止プレート４４と、圧力室プレート４５とを積層して構成されている。そして、振動板５上に複数の圧電素子１０がマトリックス状（多連多列）に配置されており、共通電極４と表面電極２との間に、外部電極基板３０から供給された駆動電圧の印加によって、表面電極２直下の圧電体層３に振動（変形）が発生する構成となっている。

ノズルプレート４１には、液体を噴出させるための液体吐出口であるノズル口５１が形成され、ノズル口５１は、プールプレート４２、供給孔プレート４３および封止プレート４４内に設けられている液体流路であるノズル連通口５２を介して、圧力室プレート４５に設けられている圧力発生室である圧力室５３とつながっており、圧力室５３は、封止プレート４４に形成されている供給連通路５４と供給口プレート４３に形成されている供給口５５とを介して、プールプレート４２に形成されている液体プール５６に接続している。つまり、液体プール５６から、供給口５５、供給連通路５４、圧力室５３、ノズル連通口５２を通ってノズル口５１に至るまで、液体流路が形成されている。

このような構成の流体流路が流体流路部材５０に複数設けられており、図６に示すように、ノズルプレート４１には複数のノズル口５１が形成されている。そして、圧電素子１０の駆動によって振動板５が振動し、圧力室５３の容積を変化させ、ノズル口５１から液滴を噴出させることができる。圧電素子１０は、液滴噴出がノズル口５１ごとに制御可能とするため、互いに独立している。このような構成の液体吐出装置は、インクジェット記録ヘッドとして好適に用いることができる。

なお、各プレートの組み合わせや層構成等については、図５に限定されるものではなく、どのような組み合わせでも良い。また、圧電発生部として用いた圧電素子１０は、圧力室の容積を変化させることができ、液滴をノズル口５１から吐出させることができれば、どのようなものでも使用できる。更に、静電方式や加熱方式といった、圧電素子以外の圧力発生部を使用することも可能である。
なお、各プレートの接合に関しては、互いの位置を基準となるマーカー等で合わせた上で接着等の方法で行うことは、言うまでもない。

また、上記で説明した実施形態では、圧電アクチュエータとして図１に示すように、圧電体層３および共通電極４が個々に独立した構成のものについて説明したが、本発明にかかる圧電アクチュエータはこれに限定されるものではなく、例えば図７に示すように、圧電アクチュエータ１１を構成する複数の圧電素子１０において、圧電体層３および共通電極４が一体の構成であってもよい。

以下、実施例を挙げて本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

図８に示すような圧電アクチュエータおよび外部配線基板を作製した。
＜外部配線基板の作製＞
まず、外部配線基板３０を準備し、ついで、バンプ２４としてＰｂ−Ｓｎからなるはんだを用い、該はんだを印刷方式にて、外部配線基板３０のカバーフィルム２３側に形成した。その後、異方性導電樹脂からなる接合剤２５を、カバーフィルム２３とバンプ２４全域を覆うように転写方式で形成した。

＜圧電アクチュエータの作製＞
ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）からなるセラミックス材の振動板５上にＡｇを主成分とする共通電極４を印刷し、その上に振動板５と同じ材質からなる圧電体層３を積層し、焼成によって一体化させた。その後、Ａｕからなる表面電極２およびＡｇを主成分とする接続端子１を、印刷および焼成の繰り返しによって各圧電素子１０として形成し、ステンレス金属からなる圧力室と同等の穴を有する剛体６に、接着によって接合した。

＜圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接合＞
圧電素子１０の接続端子１と、対応する外部配線基板側のバンプ２４との位置合わせを行い、加熱部を外部配線基板３０のベースフィルム２１側から押付ける加熱加圧方式によって、接続端子１とバンプ２４との接続を実施した。この際、はんだバンプ２４を溶かして圧電素子１０の接続端子１と十分に接続でき、且つ異方性導電樹脂からなる接合剤２５を固化することで接続を保持できる条件として、加熱温度は３００℃、加圧力は１．５ｋｇｆ／ｃｍ²、加圧時間は３０秒に設定した。

＜接合剤の弾性率と厚み＞
圧電アクチュエータ１１と、外部配線基板３０との間に充填する接合剤２５の弾性率は０．０２〜１．０ＧＰａの範囲で、また接合剤２５の厚みは３〜５０μｍの範囲でパラメータを変更し、それぞれの組み合わせによる試作を行った。各パラメータの組み合わせを表１に示す（表１中の試料Ｎｏ．１〜１４）。

＜圧電素子の変位特性測定＞
圧電素子の各変位特性を以下に示す方法で測定した。その結果を表１に併せて示す。
（変位）
外部配線基板３０側から各圧電素子１０に駆動電圧を印加し、各圧電素子１０の位置に対応する振動板５側面の振動による変位量をレーザードップラー振動計にて測定した。
（変位低下率）
上記で測定した変位量を上記式（Ｉ）に当てはめて変位低下率を算出した。

表１から明らかなように、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．３，４，７，８，１１，１２は、接合剤が圧電素子に乗り上げた構成であっても、変位低下率が１０％未満であるのがわかる。これに対し、本発明の範囲外である試料Ｎｏ．１，２，５，６，９，１０，１３，１４は、変位低下率が悪いのがわかる。

外部配線基板３０を圧電アクチュエータと接合した際に、接合剤２５がマトリックス状に配列された圧電素子１０と接続端子１とを覆い、かつ、互いに隣接する圧電素子１０間の間隙と、外部配線基板３０との間に空隙が形成されるように、接合剤２５を外部配線基板３０に転写方式で形成した以外は、上記実施例１と同様にして外部配線基板３０を作製した。

ついで、上記実施例１と同様にして圧電アクチュエータを得、この圧電アクチュエータと上記で得た外部配線基板３０とを、上記実施例１と同様にして接合した。すなわち、圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接合構造は、圧電アクチュエータが図８に示す構成である以外は、図３および図４に示す状態である。圧電素子１０の間の接合剤２５のない部分の幅Ｗは３０μｍであった。接合剤２５の弾性率および厚みを表２に示す（表２中の試料Ｎｏ．１５，１６）。

上記で接合した試料Ｎｏ．１５，１６について、上記実施例１と同様にして変位および変位低下率を測定した。その結果を表２に併せて示す。
表２から明らかなように、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．１５は、接続構造が図３および図４に示す状態であっても、高い変位を有しているのがわかる。これに対し、本発明の範囲外である試料Ｎｏ．１６は、変位低下率が悪いのがわかる。

（ａ）は、本発明の一実施形態にかかる圧電アクチュエータと外部配線基板とを示す概略図であり、（ｂ）は、（ａ）の圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造を示す概略図である。 （ａ）は、本発明の他の実施形態にかかる外部配線基板を示す概略図であり、（ｂ）は、図１の圧電アクチュエータと図２（ａ）の外部配線基板との接続構造を示す概略図である。 本発明のさらに他の実施形態にかかる接続構造を示す概略図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造を備えた液体吐出装置を示す概略図である。 図５の液体吐出装置をノズル口側から見た平面図である。 本発明にかかる他の圧電アクチュエータを示す概略図である。 実施例で作製した圧電アクチュエータおよび外部配線基板を示す概略図である。 （ａ）は、従来の圧電アクチュエータ外部配線基板を示す概略図であり、（ｂ）は、（ａ）の圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造を示す概略図である。 図９の圧電アクチュエータを示す平面図である。 図９の外部配線基板を示す平面図である。

符号の説明

１ 接続端子
２ 表面電極
３ 圧電体層
４ 共通電極
５ 振動板
６ 剛体
１０ 圧電素子
１１ 圧電アクチュエータ
２１ ベースフィルム
２２ 配線パターン
２３ カバーフィルム
２４ バンプ
２５，２７ 接合剤
２６ 空隙
４１ ノズルプレート
４２ プールプレート
４３ 供給口プレート
４４ 封止プレート
４５ 圧力室プレート
５０ 液体流路部材
５１ ノズル口
５２ ノズル連通口
５３ 圧力室
５４ 供給連通路
５５ 供給口
５６ 液体プール

Claims (6)

1. 振動板と、共通電極および表面電極で圧電体層を挟持してなる圧電素子とを備え、前記振動板の上に複数の圧電素子をマトリックス状に配列するとともに、前記圧電素子の表面に該圧電素子に駆動電圧を印加するための接続端子が形成された圧電アクチュエータと、前記接続端子と電気的に接続して駆動電圧を供給するための外部配線基板との接続構造であって、
   前記圧電アクチュエータと前記外部配線基板との間に、厚みが１０μｍ以上でかつ弾性率が０．０５ＧＰａ以下の接合剤を有することを特徴とする圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造。
2. 前記接合剤が、異方性導電樹脂、異方性導電シート、絶縁性樹脂および絶縁性シートから選ばれる少なくとも１種である請求項１記載の圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造。
3. 前記接合剤がマトリックス状に配列された前記圧電素子と前記接続端子とを覆い、かつ、互いに隣接する圧電素子間の間隙と、前記外部配線基板との間に空隙を設けた請求項１または２記載の圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造。
4. 下記式（Ｉ）から算出される圧電素子の変位低下率が１０％未満である請求項１〜３のいずれかに記載の圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造。
   
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の圧電アクチュエータおよび外部配線基板の接続構造を、圧力発生室と、液体流路と、液体吐出口とを有する流路部材上に取り付けてなることを特徴とする液体吐出装置。
6. インクジェット記録ヘッドに用いる請求項５記載の液体吐出装置。