JP2017132044A - 圧電デバイス、圧電デバイスの検査方法及び液体噴射ヘッド - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電体層の特性を高精度に測定することができる圧電デバイス、圧電デバイスの検査方法及び液体噴射ヘッドを提供する。
【解決手段】圧電体層70と第1電極60と第2電極とが積層した圧電素子を有する基板10と、基板に圧電素子を駆動する信号を与える駆動素子120を備えた配線基板30と、を備えた圧電デバイスであって、基板は、圧電素子の一部である検査用圧電素子が設けられた検査領域200を有し、配線基板は、検査用圧電素子に電気的に接続されると共に基板とは反対面側に設けられた検査用電極を含む検査用電極領域と、基板とは反対面301側に設けられて、フレキシブル基板125と接続されるフレキシブル基板実装領域310とを有し、基板と配線基板の積層方向Zからの平面視において、検査用電極領域及びフレキシブル基板実装領域の少なくとも一方と検査領域とは、少なくとも一部がオーバーラップしている。
【選択図】図7
【解決手段】圧電体層70と第1電極60と第2電極とが積層した圧電素子を有する基板10と、基板に圧電素子を駆動する信号を与える駆動素子120を備えた配線基板30と、を備えた圧電デバイスであって、基板は、圧電素子の一部である検査用圧電素子が設けられた検査領域200を有し、配線基板は、検査用圧電素子に電気的に接続されると共に基板とは反対面側に設けられた検査用電極を含む検査用電極領域と、基板とは反対面301側に設けられて、フレキシブル基板125と接続されるフレキシブル基板実装領域310とを有し、基板と配線基板の積層方向Zからの平面視において、検査用電極領域及びフレキシブル基板実装領域の少なくとも一方と検査領域とは、少なくとも一部がオーバーラップしている。
【選択図】図7
Description
本発明は、基板上に圧電素子を有する圧電デバイス、圧電デバイスの検査方法及び圧電デバイスを具備する液体噴射ヘッドに関する。
圧電素子は、電気機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した誘電材料からなる圧電体層を、2つの電極で挟んで構成されたものがある。このような圧電素子の変位量を測定するために、基板上にテストパターンを設け、テストパターンの変位量を測定することで、圧電素子の評価を行うようにしたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。また、テストパターンとして、圧電素子の一方の電極の抵抗値を測定することでその厚さを測定するようにしたものも提案されている(例えば、特許文献2参照)。
ここで、圧電素子は、電気特性が当該圧電素子としての特性を左右するが、電気特性を決定づける主要因として圧電体層の結晶構造、膜厚、膜組成、膜密度等が挙げられる。これらの特性は、主にX線などを用いた光学検査を行う機器分析から測定することができるが、特許文献1及び2のように、測定する部分に電極が設けられている構造では測定することができないという問題がある。
また、一方の電極上に圧電体層を形成した後、圧電体層の測定を行ったとしても、測定後の圧電体層上に他方の電極を形成した際に、圧電体層にはダメージが生じる。このため、測定結果には圧電体層の後の工程によるダメージが反映されていないものとなり、測定結果と圧電素子となった実際の圧電体層との間の特性に誤差が生じ、圧電体層を高精度に評価することができないという問題がある。
このため、圧電素子が形成される基板の製品領域ではない部分に検査領域を設けることも考えられるが、製品領域と検査領域との間に距離があると、製造上のばらつきから各製品領域の圧電体層と検査領域の測定結果とに差が生じ、製品領域の実際の圧電体層の高精度な評価を行うことができないという問題がある。
なお、このような問題はインクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッド等に用いられる圧電デバイスに限定されず、その他の圧電デバイスにおいても同様に存在する。
本発明はこのような事情に鑑み、圧電体層の特性を高精度に測定することができる圧電デバイス、圧電デバイスの検査方法及び液体噴射ヘッドを提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明の態様は、圧電体層と前記圧電体層を挟む第1電極と第2電極とが積層した圧電素子を有する基板と、前記基板に前記圧電素子を駆動する信号を与える駆動素子を備えた配線基板と、を備えた圧電デバイスであって、前記基板は、前記圧電素子の一部である検査用圧電素子が設けられた検査領域を有し、前記配線基板は、前記検査用圧電素子に電気的に接続されると共に前記基板とは反対面側に設けられた検査用電極を含む検査用電極領域と、前記基板とは反対面側に設けられて、フレキシブル基板と接続されるフレキシブル基板実装領域と、を有し、前記基板と前記配線基板の積層方向からの平面視において、前記検査用電極領域及び前記フレキシブル基板実装領域の少なくとも一方と、前記検査領域とは、少なくとも一部がオーバーラップしていることを特徴とする圧電デバイスにある。
かかる態様では、検査領域と、検査用電極領域及びフレキシブル基板実装領域の少なくとも一方との少なくとも一部をオーバーラップさせることで、検査領域を設けるための新たなスペースが不要となって、基板の大型化を抑制することができる。また、検査領域の圧電体層の電気特性を測定することで、圧電素子の圧電特性を高精度に評価することができる。さらに、基板に検査領域を設けることで、圧電素子の圧電体層と検査領域の圧電体層とを近接して設けることができ、検査領域において測定した圧電体層の特性と、圧電素子の圧電体層の特性との誤差を減少させることができる。さらに、配線基板の基板とは反対面川に検査用電極領域を設けることで、基板と配線基板とを分解することなく検査領域の検査用圧電素子の電気的な特性を容易に測定することができる。
かかる態様では、検査領域と、検査用電極領域及びフレキシブル基板実装領域の少なくとも一方との少なくとも一部をオーバーラップさせることで、検査領域を設けるための新たなスペースが不要となって、基板の大型化を抑制することができる。また、検査領域の圧電体層の電気特性を測定することで、圧電素子の圧電特性を高精度に評価することができる。さらに、基板に検査領域を設けることで、圧電素子の圧電体層と検査領域の圧電体層とを近接して設けることができ、検査領域において測定した圧電体層の特性と、圧電素子の圧電体層の特性との誤差を減少させることができる。さらに、配線基板の基板とは反対面川に検査用電極領域を設けることで、基板と配線基板とを分解することなく検査領域の検査用圧電素子の電気的な特性を容易に測定することができる。
ここで、前記検査用電極と前記検査用圧電素子とは、前記配線基板に設けられた貫通配線を介して接続されていることが好ましい。これによれば、配線を引き回すスペースが不要となって、さらなる小型化を図ることができる。
また、前記検査用電極が前記フレキシブル基板実装領域にまで延設されて、当該検査用電極と前記フレキシブル基板とが接続されていることが好ましい。これによれば、フレキシブル基板を介して検査領域の電気特性の測定を容易に行うことができる。
さらに、本発明の他の態様は、上記態様の圧電デバイスを具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、圧電体層を高精度に評価して小型化した液体噴射ヘッドを実現できる。
かかる態様では、圧電体層を高精度に評価して小型化した液体噴射ヘッドを実現できる。
また、本発明の他の態様は、圧電体層と前記圧電体層と積層配置された第1電極とを有する基板と、前記基板と積層配置された配線基板と、を備えた圧電デバイスの検査方法であって、前記基板と前記配線基板とは、前記第1電極、前記圧電体層、前記配線基板の順に設けられ、前記圧電体層の前記配線基板側に第2電極を形成する前に、前記圧電体層の物性を光学検査する光学検査工程を有することを特徴とする圧電デバイスの検査方法にある。
かかる態様では、圧電体層に第2電極を形成する前に光学検査工程を行うことで、圧電体層の光学検査における物性の高精度な評価を行うことができる。また、基板上に設けられた圧電体層の物性を検査することで、検査領域において測定した圧電体層の特性と、圧電素子の圧電体層の特性との誤差を減少させることができる。
かかる態様では、圧電体層に第2電極を形成する前に光学検査工程を行うことで、圧電体層の光学検査における物性の高精度な評価を行うことができる。また、基板上に設けられた圧電体層の物性を検査することで、検査領域において測定した圧電体層の特性と、圧電素子の圧電体層の特性との誤差を減少させることができる。
ここで、前記光学検査工程では、前記圧電体層の前記配線基板側に第2電極を形成した後、当該圧電体層の前記第2電極が形成されていない検査領域について、当該圧電体層の物性を光学検査することが好ましい。これによれば、第2電極を形成する工程によって、圧電体層の物性が変化したとしても、変化した後の圧電体層の物性を光学検査によって測定することができ、実際に使用する圧電素子の圧電体層と検査を行った際の圧電体層との誤差を低減することができ、高精度な評価を行うことができる。
また、前記光学検査工程において、光学検査に用いられる光線が入射される領域が前記基板の端部であることが好ましい。これによれば、端部における圧電体層の物性を検査することができる。
また、前記領域に前記第2電極を形成した後、前記配線基板を前記基板と接合し、前記第2電極は、前記配線基板に形成された貫通配線を介して前記配線基板に形成された検査用電極と電気的に接続し、前記検査用電極を介して前記領域に形成された圧電素子の電気特性を測定することが好ましい。これによれば、圧電素子の電気特性を測定することで、圧電素子の評価を高精度に行うことができる。また、配線を引き回すスペースが不要となって、さらなる小型化を図ることができる。さらに、検査領域が配線基板に覆われていたとしても、検査用電極を介して圧電素子の電気的な特性を分解することなく容易に測定することができる。
また、前記検査用電極は、前記配線基板とフレキシブル基板とが接続する端子に接続され、前記領域に形成された圧電素子は、前記フレキシブル基板を介して電気特性を測定することが好ましい。これによれば、フレキシブル基板を介して圧電素子の電気的な特性を分解することなく容易に測定することができる。
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)
本発明を実施形態1に基づいて詳細に説明する。本実施形態では、液体噴射ヘッドの一例としてインクを吐出するインクジェット式記録ヘッド(以下、単に記録ヘッドとも言う)について説明する。
(実施形態1)
本発明を実施形態1に基づいて詳細に説明する。本実施形態では、液体噴射ヘッドの一例としてインクを吐出するインクジェット式記録ヘッド(以下、単に記録ヘッドとも言う)について説明する。
図1は本実施形態に係る記録ヘッドの分解斜視図であり、図2は記録ヘッドの平面図(液体噴射面20a側の平面図)であり、図3は図2のA−A′線断面図であり、図4は図3の要部を拡大した断面図であり、図5は流路形成基板の平面図であり、図6は図2のB−B′線断面図であり、図7は図2のC−C′断面図である。
図示するように、本実施形態の記録ヘッド1は、本実施形態の基板である流路形成基板10、連通板15、ノズルプレート20、本実施形態の配線基板である駆動回路基板30、コンプライアンス基板45等の複数の部材を備える。
流路形成基板10は、詳しくは後述するが、圧電素子が設けられた圧電素子基板であり、その材料は、ステンレス鋼やNiなどの金属、ZrO2あるいはAl2O3を代表とするセラミック材料、ガラスセラミック材料、MgO、LaAlO3のような酸化物などを用いることができる。本実施形態では、流路形成基板10は、シリコン単結晶基板からなる。この流路形成基板10には、一方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁によって区画された圧力室12がインクを吐出する複数のノズル21が並設される方向に沿って並設されている。すなわち、流路形成基板10が圧力室形成基板に相当する。なお、圧力室12の並設された方向を圧力室12の並設方向、又は第1の方向Xと称する。また、流路形成基板10には、圧力室12が第1の方向Xに並設された列が複数列、本実施形態では、2列設けられている。この圧力室12が第1の方向Xに沿って形成された圧力室12の列が複数列設された列設方向を、以降、第2の方向Yと称する。さらに、第1の方向X及び第2の方向Yの双方に交差する方向を本実施形態では、第3の方向Zと称する。各図に示した座標軸は第1の方向X、第2の方向Y、第3の方向Zを表しており、矢印の向かう方向を正(+)方向、反対方向が負(−)方向ともいう。なお、本実施形態では、各方向(X、Y、Z)の関係を直交とするが、各構成の配置関係が必ずしも直交するものに限定されるものではない。
流路形成基板10には、圧力室12の第2の方向Yの一端部側に、当該圧力室12よりも開口面積が狭く、圧力室12に流入するインクの流路抵抗を付与する供給路等が設けられていてもよい。
流路形成基板10の一方面側(駆動回路基板30とは反対側であって−Z方向)には、主に図3に示すように、連通板15とノズルプレート20とが順次積層されている。すなわち、流路形成基板10の一方面に設けられた連通板15と、連通板15の流路形成基板10とは反対面側に設けられたノズル21を有するノズルプレート20と、を具備する。
連通板15には、圧力室12とノズル21とを連通するノズル連通路16が設けられている。連通板15は、流路形成基板10よりも大きな面積を有し、ノズルプレート20は流路形成基板10よりも小さい面積を有する。このように連通板15を設けることによってノズルプレート20のノズル21と圧力室12とを離せるため、圧力室12の中にあるインクは、ノズル21付近のインクで生じるインク中の水分の蒸発による増粘の影響を受け難くなる。また、ノズルプレート20は圧力室12とノズル21とを連通するノズル連通路16の開口を覆うだけでよいので、ノズルプレート20の面積を比較的小さくすることができ、コストの削減を図ることができる。なお、本実施形態では、ノズルプレート20のノズル21が開口されて、インク滴が吐出される面を液体噴射面20aと称する。
また、連通板15には、マニホールド100の一部を構成する第1マニホールド部17と、第2マニホールド部18とが設けられている。
第1マニホールド部17は、連通板15を厚さ方向(連通板15と流路形成基板10との積層方向)に貫通して設けられている。第2マニホールド部18は、連通板15を厚さ方向に貫通することなく、連通板15のノズルプレート20側に開口して設けられている。
さらに、連通板15には、圧力室12の第2の方向Yの一端部に連通する供給連通路19が、圧力室12毎に独立して設けられている。この供給連通路19は、第2マニホールド部18と圧力室12とを連通する。
このような連通板15としては、ステンレスやNiなどの金属、またはジルコニウムなどのセラミックなどを用いることができる。なお、連通板15は、流路形成基板10と線膨張係数が同等の材料が好ましい。すなわち、連通板15として流路形成基板10と線膨張係数が大きく異なる材料を用いた場合、加熱や冷却されることで、流路形成基板10と連通板15との線膨張係数の違いにより反りが生じてしまう。本実施形態では、連通板15として流路形成基板10と同じ材料、すなわち、シリコン単結晶基板を用いることで、熱による反りや熱によるクラック、剥離等の発生を抑制することができる。
ノズルプレート20には、各圧力室12とノズル連通路16を介して連通するノズル21が形成されている。このようなノズル21は、第1の方向Xに並設され、この第1の方向Xに並設されたノズル21の列が第2の方向Yに2列形成されている。
このようなノズルプレート20としては、例えば、ステンレス鋼(SUS)等の金属、ポリイミド樹脂のような有機物、又はシリコン単結晶基板等を用いることができる。なお、ノズルプレート20としてシリコン単結晶基板を用いることで、ノズルプレート20と連通板15との線膨張係数を同等として、加熱や冷却されることによる反りや熱によるクラック、剥離等の発生を抑制することができる。
一方、図4等に示すように、流路形成基板10の連通板15とは反対面側(駆動回路基板30側であって+Z方向)には、振動板50が形成されている。本実施形態では、振動板50として、流路形成基板10側に設けられた酸化シリコンからなる弾性膜51と、弾性膜51上に設けられた酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜52と、を設けるようにした。なお、圧力室12等の液体流路は、流路形成基板10を一方面側(連通板15が接合された面側)から異方性エッチングすることにより形成されており、圧力室12等の液体流路の他方面は、弾性膜51によって画成されている。もちろん、振動板50は、特にこれに限定されるものではなく、弾性膜51と絶縁体膜52との何れか一方を設けるようにしてもよく、その他の膜が設けられていてもよい。
流路形成基板10の振動板50上には、本実施形態の圧力室12内のインクに圧力変化を生じさせる圧電素子150が設けられている。上述したように、流路形成基板10には、圧力室12が第1の方向Xに沿って複数並設され、圧力室12の列が第2の方向Yに沿って2列並設されている。圧電素子150は、実質的な駆動部である活性部151が第1の方向Xに並設されて列を構成し、この圧電素子150の活性部151の列が第2の方向Yに2列並設されている。
圧電素子150は、圧電体層70と、圧電体層70を挟む第1電極60と第2電極80とを積層して構成されている。第1電極60は、圧電体層70の振動板50側に設けられており、第2電極80は、振動板50とは反対面側に設けられている。本実施形態では、圧電素子150を構成する第1電極60は、圧力室12毎に切り分けられており、圧電素子150の実質的な駆動部である活性部151毎に独立する個別電極を構成する。このような第1電極60の材料は、導電性材料であれば特に限定されず、例えば、白金(Pt)、イリジウム(Ir)等の金属材料や、LaNiO3、SuRuO3などの導電性酸化物が好適に用いられる。
圧電体層70は、第2の方向Yが所定の幅となるように第1の方向Xに亘って連続して設けられている。圧力室12の第2の方向Yの一端部側(マニホールド100とは反対側)における圧電体層70の端部は、第1電極60の端部よりも外側に位置している。すなわち、第1電極60の端部は圧電体層70によって覆われている。また、圧力室12の第2の方向Yのマニホールド100側である他端側における圧電体層70の端部は、第1電極60の端部よりも内側(圧力室12側)に位置しており、第1電極60のマニホールド100側の端部は、圧電体層70に覆われていない。
圧電体層70は、第1電極60上に形成される分極構造を有する酸化物の圧電材料からなり、例えば、一般式ABO3で示されるペロブスカイト形酸化物からなることができる。圧電体層70に用いられるペロブスカイト形酸化物としては、例えば、鉛を含む鉛系圧電材料や鉛を含まない非鉛系圧電材料などを用いることができる。
また、図5及び図6に示すように、圧電体層70には、圧力室12の間の各隔壁に対応する位置に凹部71が形成されている。このように圧電体層70に凹部71を設けることで、圧電素子150を良好に変位させることができる。
第2電極80は、圧電体層70の第1電極60とは反対面側に設けられており、複数の活性部151に共通する共通電極を構成する。本実施形態では、図6に示すように、圧電体層70の凹部71内にも第2電極80が設けられているが、特にこれに限定されず、凹部71内に第2電極80を設けないようにしてもよい。
このような第1電極60、圧電体層70及び第2電極80を有する圧電素子150は、第1電極60と第2電極80との間に電圧を印加することで変位が生じる。すなわち両電極の間に電圧を印加することで、第1電極60と第2電極80とで挟まれている圧電体層70に圧電歪みが生じる。そして、両電極に電圧を印加した際に、圧電体層70に圧電歪みが生じる部分(第1電極60と第2電極80とで挟まれた領域)を活性部151と称する。これに対して、圧電体層70に圧電歪みが生じない部分を非活性部と称する。ちなみに、圧電素子150の圧力室12に対向して可変可能な部分を可撓部と称し、圧力室12の外側の部分を非可撓部と称する。
上述したように、圧電素子150は、第1電極60を複数の活性部151毎に独立して設けることで個別電極とし、第2電極80を複数の活性部151に亘って連続して設けることで共通電極とした。もちろん、このような態様に限定されず、第1電極60を複数の活性部151に亘って連続して設けることで共通電極とし、第2電極を活性部151毎に独立して設けることで個別電極としてもよい。また、振動板50としては、弾性膜51及び絶縁体膜52を設けずに、第1電極60のみが振動板として作用するようにしてもよい。また、圧電素子150自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。本実施形態では、圧電素子150の活性部151は、圧力室12に対応して第1の方向Xに並設されており、このように第1の方向Xに並設された活性部151の列が、第2の方向Yに2列設けられていることになる。
また、流路形成基板10の圧電素子150の活性部151の並設方向である第1の方向Xの一端部側(+X側)には、検査用圧電素子152が設けられた検査領域200が設けられている。検査用圧電素子152は、複数の活性部151を有する圧電素子150から連続して設けられた第1電極60と、圧電素子150の圧電体層70と同一層からなるが不連続な圧電体層70と、を具備する。この検査用圧電素子152における圧電体層70の表面には、第2電極80が設けられていない。つまり、検査用圧電素子152は、流路形成基板10上に、振動板50を介して設けられた第1電極60と圧電体層70とを有する。なお、本実施形態では、検査用圧電素子152を構成する第1電極60は、活性部151を有する圧電素子150を構成する第1電極60と連続するものとしたが、特にこれに限定されず、例えば、検査用圧電素子152の第1電極60と、活性部151を有する圧電素子150の第1電極60とを不連続としてもよい。ただし、検査用圧電素子152を構成する圧電体層70の電気特性を測定する際に、第1電極60には電圧を印加する必要があるため、圧電素子150の第1電極60と検査用圧電素子152の第1電極60とは不連続であっても電気的に接続するのが好ましい。また、検査用圧電素子152の圧電体層70と、活性部151を有する圧電素子150の圧電体層70とは、連続するものであってもよい。本実施形態では、1つの又は複数の検査用圧電素子152が設けられた流路形成基板10の領域を検査領域200と称する。
また、本実施形態では、活性部151が第1の方向Xに並設された列毎に、第1の方向Xの+X側に検査領域200として1つの検査用圧電素子152を設けるようにした。もちろん、検査用圧電素子152の数は特にこれに限定されず、活性部151の列毎に2つ以上の複数の検査用圧電素子152が設けられていてもよい。
このような検査領域200に設けられた検査用圧電素子152は、詳しくは後述するが、駆動回路基板30の流路形成基板10とは反対面側に設けられた検査用電極391に電気的に接続されて、検査用電極391を介して検査用圧電素子152の電気特性が測定可能となっている。
また、図3及び図4に示すように、圧電素子150の第1電極60からは、引き出し配線である個別リード電極91が引き出されている。個別リード電極91は、各列の活性部151から第2の方向Yにおいて列の外側に引き出されている。
さらに、圧電素子150の第2電極80からは、引き出し配線である共通リード電極92が引き出されている。本実施形態では、共通リード電極92は、2列の圧電素子150のそれぞれの第2電極80に導通している。また、共通リード電極92は、複数の活性部151に対して1本の割合で設けられている。
流路形成基板10の圧電素子150側の面には、本実施形態の配線基板である駆動回路基板30が接合されている。駆動回路基板30は、流路形成基板10と略同じ大きさを有する。
駆動回路基板30は、流路形成基板10と線膨張係数が近い材料が好ましく、本実施形態では、流路形成基板10と同じ材料、すなわち、シリコン単結晶基板からなる。駆動回路基板30を流路形成基板10と略同じ線膨張係数の材料とすることで、温度変化による反りや破壊を抑制することができる。
駆動回路基板30は、本実施形態では、流路形成基板10とは反対側の面(+Z)を第1主面301とし、流路形成基板10側の面(−Z)を第2主面302と称する。そして、駆動回路基板30の第1主面301には、圧電素子150を駆動するための信号を出力する駆動素子である駆動IC(ドライバーICとも言う)などの駆動回路120が実装されている。
このような駆動回路基板30は、圧電素子150の各列の活性部151の並設方向である第1の方向Xが長尺となるように設けられている。すなわち、駆動回路基板30は、第1の方向Xが長手方向となり、第2の方向Yが短手方向となるように配置されている。
また、駆動回路基板30の第1主面301には、第1個別配線31と、供給配線32とが設けられている。
第1個別配線31は、第2の方向Yの両端部のそれぞれに、第1の方向Xに複数並設されている。また、第1個別配線31は、第2の方向Yに沿って延設されており、一端部において駆動回路120の各端子121と電気的に接続され、他端部において駆動回路基板30を厚さ方向である第3の方向Zに貫通する第1貫通配線33と電気的に接続されている。
ここで、第1貫通配線33は、駆動回路基板30を厚さ方向である第3の方向Zに貫通して設けられた第1貫通孔303の内部に設けられたものであり、第1主面301と第2主面302との間を中継する配線である。第1貫通配線33が設けられた第1貫通孔303は、駆動回路基板30をレーザー加工、ドリル加工、ドライエッチング加工(Bosch法、非Bosch法、イオンミリング)、ウェットエッチング加工、サンドブラスト加工等を行うことで形成することができる。このような第1貫通孔303内に第1貫通配線33が充填して形成されている。なお、第1貫通配線33は、銅(Cu)等の金属からなり、電解めっき、無電解めっきなどによって形成することができる。
また、第1貫通配線33は、第2主面302において、第2個別配線35と電気的に接続されており第2個別配線35は、圧電素子150の活性部151毎に独立した個別電極である第1電極60に接続された個別リード電極91とそれぞれ電気的に接続されている。すなわち、第1個別配線31と第1貫通配線33と第2個別配線35とは、圧電素子150の第1電極60と同数設けられている。なお、第1個別配線31及び第2個別配線35は、例えば、スパッタリング法等によって形成することができる。
供給配線32は、可撓性を有する基板、所謂、フレキシブル基板125から駆動回路120の電源、グランド(GND)、駆動信号(COM)、駆動回路120の制御信号、圧電素子150の共通電極である第2電極80に印加するバイアス電圧(vbs)などを供給するためのものであり、圧電素子150の活性部151の並設方向である第1の方向Xの一端部から他端部に向かって帯状に形成されたものが、第2の方向Yに複数設けられている。なお、供給配線32のそれぞれは、第1の方向Xに沿った直線状に形成されていてもよく、また、第1の方向Xに対して傾斜して設けられていてもよい。すなわち、供給配線32が、圧電素子150の活性部151の並設方向において一端側から他端側に向かって形成されているとは、供給配線32の延設方向が、第1の方向Xに向かう成分(ベクトル)が存在することを言う。ただし、駆動回路120は、活性部151の並設方向に亘ってその端子121と第1個別配線31とが接続可能なように配置されるため、このように配置された駆動回路120に接続される供給配線32は、上述したように活性部151の並設方向に亘って帯状に設けられているのが好ましい。このため、供給配線32を第1の方向Xに射影した際の長さが、第2の方向Yに射影した際の長さよりも長いことが好ましい。すなわち、供給配線32は、第1の方向Xに向かう成分の方が、第2の方向Yに向かい成分よりも大きい方が好ましい。これにより、活性部151の並設方向に亘って設けられた駆動回路120に接続可能な供給配線32を省スペースに設けることができる。もちろん、供給配線32は、延設途中で屈曲していてもよい。なお、供給配線32は、例えば、第1個別配線31と同時に形成することができる。このように、第1個別配線31と供給配線32とを同時に形成することで、製造工程を簡略化してコストを低減することができる。
また、供給配線32は、駆動回路基板30の第1の方向Xの一端部(+X側)近傍まで延設されており、延設された端部においてFPC等のフレキシブル基板125が電気的に接続される。すなわち、供給配線32の駆動回路基板30の一端部が、フレキシブル基板125の接続される電極パッド32aが設けられたフレキシブル基板実装領域310となっているつまり、フレキシブル基板実装領域310とは、駆動回路基板30のフレキシブル基板125が接続される電極パッド32aが設けられた領域のことを言う。なお、フレキシブル基板125は、特に図示していないが制御回路等の制御素子に接続されており、上述のように、制御素子から電源、グランド(GND)、駆動信号(COM)、駆動回路120の制御信号、圧電素子150の共通電極である第2電極80に印加するバイアス電圧(vbs)などを供給配線32に供給する。ちなみに、本実施形態では、バイアス電圧を圧電素子150の第2電極80に供給する供給配線32は、駆動回路120に接続されずに、圧電素子150の共通電極である第2電極80に電気的に接続される。また、その他の供給配線32は、駆動回路120に電気的に接続されて、駆動回路120の高電圧回路用や低電圧回路用の電源、グランド(GND)、駆動信号(COM)、駆動回路120の制御信号等をフレキシブル基板125から駆動回路120に供給するのに用いられる。
また、バイアス電圧を供給する供給配線32は、図7に示すように、駆動回路基板30に設けられた第2貫通配線34に電気的に接続されている。
第2貫通配線34は、第3の方向Zに貫通して設けられた第2貫通孔305内に形成されている。そして、第2貫通配線34の第1主面301側の端面を供給配線32が覆うことで両者は電気的に接続されている。なお、第2貫通配線34は、上述した第1貫通配線33と同様に銅(Cu)等の金属を電界めっき、無電界めっき等によって形成することができる。また、第1貫通配線33と第2貫通配線34とは、同時に形成することで、製造工程を簡略化してコストを低減することができる。
このように駆動回路基板30の第1主面301に設けられた第1個別配線31及び供給配線32には、駆動回路120が実装されている。すなわち、駆動回路120の端子121が第1個別配線31及び供給配線32に電気的に接続されている。そして、フレキシブル基板125に接続される電極パッド32aが設けられたフレキシブル基板実装領域310は、駆動回路120と、駆動回路120から圧電素子150につながる配線である第1個別配線31や供給配線32とが形成される領域の第1の方向Xにおける外側(+X側)に設けられている。
一方、図3、図4及び図7に示すように、駆動回路基板30の第2主面302には、第1貫通配線33に接続された第2個別配線35と、第2貫通配線34に接続された接続配線36とが設けられている。
そして、これら第2個別配線35と接続配線36とは、バンプ電極37によってそれぞれ個別リード電極91と共通リード電極92とに電気的に接続されている。
ここで、バンプ電極37は、例えば、弾性を有する樹脂材料で形成されたコア部371と、コア部371の表面の少なくとも一部を覆うバンプ配線372と、を有する。
コア部371は、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、シリコーン変性ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂などの感光性絶縁樹脂や熱硬化性絶縁樹脂で形成されている。
また、コア部371は、駆動回路基板30と流路形成基板10とを接続する前において、ほぼ蒲鉾状に形成されている。ここで、蒲鉾状とは、駆動回路基板30に接する内面(底面)が平面であると共に、非接触面である外面側が湾曲面となっている柱状形状をいう。具体的に、ほぼ蒲鉾状とは、横断面がほぼ半円状、ほぼ半楕円状、ほぼ台形状であるものなどが挙げられる。
そしてコア部371は、駆動回路基板30と流路形成基板10とが相対的に近接するように押圧されることで、その先端形状が個別リード電極91及び共通リード電極92の表面形状に倣うように弾性変形している。これにより、駆動回路基板30や流路形成基板10に反りやうねりがあっても、コア部371がこれに追従して変形することにより、バンプ電極37と個別リード電極91及び共通リード電極92とを確実に接続することができる。
コア部371は、第1の方向Xに沿って直線状に連続して形成されている。そして、このコア部371は、図3に示すように、第2の方向Yに複数並設されている。本実施形態では、コア部371は、第2の方向Yにおいて、圧電素子150の活性部151の2列の外側のそれぞれに1本ずつの計2本と、圧電素子150の活性部151の2列の間に1本と、の合計3本が設けられている。そして、2列の圧電素子150の活性部151の外側に設けられた各コア部371が、第2個別配線35を個別リード電極91に接続するためのバンプ電極37を構成する。また、2列の圧電素子150の活性部151の間に設けられたコア部371が、接続配線36と2列の圧電素子150の共通リード電極92とを接続するためのバンプ電極37を構成する。このようなコア部371は、フォトリソグラフィー技術やエッチング技術によって形成することができる。
バンプ配線372は、コア部371の少なくとも表面の一部を被覆している。このようなバンプ配線372は、例えばAu、TiW、Cu、Cr(クロム)、Ni、Ti、W、NiV、Al、Pd(パラジウム)、鉛フリーハンダなどの金属や合金で形成されており、これらの単層であっても、複数種を積層したものであってもよい。そして、バンプ配線372は、コア部371の弾性変形によって第1個別配線31及び供給配線32の表面形状に倣って変形しており、個別リード電極91及び共通リード電極92のそれぞれと電気的に接合されている。本実施形態では、駆動回路基板30と流路形成基板10との間に接着層140を設け、接着層140によって駆動回路基板30と流路形成基板10とを接合することで、バンプ電極37と個別リード電極91及び共通リード電極92との接続状態を維持するようにした。
なお、本実施形態では、第2個別配線35を個別リード電極91に接続するためのバンプ電極37を構成するバンプ配線372は、第2個別配線35をコア部371上まで延設することで構成している。同様に、接続配線36を共通リード電極92に接続するためのバンプ電極37を構成するバンプ配線372は、接続配線36をコア部371上まで延設することで構成している。もちろん、第2個別配線35及び接続配線36と各バンプ配線372とを別の配線として、両者の一部を積層することで電気的に接続するようにしてもよい。
ここで、図7に示すように、接続配線36は、第1の方向Xに沿って所定の間隔で複数箇所においてコア部371上まで延設されている。つまり、接続配線36と共通リード電極92を接続するバンプ電極37は、第1の方向Xに亘って所定の間隔で複数設けられている。このような接続配線36は、第2貫通配線34を介して第1主面301の供給配線32の1つと電気的に接続されている。このため、接続配線36が接続された供給配線32の電気抵抗値を実質的に低下させることができる。すなわち、接続配線36は、電流容量が少ない配線に接続することで、当該配線の電気抵抗値を低下させることができる。また、接続配線36は、供給配線32の1つと、第1の方向Xに所定の間隔で複数設けられた第2貫通配線34を介して電気的に接続されている。このため、供給配線32及び接続配線36の第1の方向Xにおける電圧降下を抑制することができる。また、接続配線36は、バンプ電極37を介して共通リード電極92と第2の方向Yの複数箇所で電気的に接続されているため、第2電極80の第1の方向Xにおける電圧降下が抑制され、各活性部151へのバイアス電圧の印加ばらつきを抑制して、各活性部151の変位特性のばらつきを抑制することができる。
なお、第2個別配線35及び接続配線36と、個別リード電極91及び共通リード電極92との電気的な接続は、上述したバンプ電極37に限定されず、例えば、金(Au)等による金属バンプであってもよい。また、第2個別配線35及び接続配線36と、個別リード電極91及び共通リード電極92との接続は、半田接続などの溶接、異方性導電性接着剤(ACP、ACF)、非導電性接着剤(NCP、NCF)を介在させて圧着することで接続してもよい。さらに、上述した駆動回路120の端子121と、第1個別配線31及び供給配線32との接続も同様に、上述したバンプ電極37と同様にコア部とバンプ配線とを有するバンプ電極を用いた接続であってもよく、金属バンプであってもよい。また、駆動回路120の端子121と第1個別配線31及び供給配線32との接続は、半田接続などの溶接、異方性導電性接着剤(ACP、ACF)、非導電性接着剤(NCP、NCF)を介在させて圧着することで接続してもよい。
このように第2個別配線35を個別リード電極91に接続することで、駆動回路120の端子121は、第1個別配線31、第1貫通配線33、第2個別配線35及び個別リード電極91を介して各活性部151の第1電極60に電気的に接続されて、駆動回路120からの駆動信号が各活性部151に供給される。また、接続配線36を共通リード電極92に接続することで、フレキシブル基板125からのバイアス電圧は、圧電素子150の第2電極80に供給される。
また、駆動回路基板30の流路形成基板10とは反対面である第1主面301側には、検査用圧電素子152に電気的に接続された検査用電極391が設けられた検査用電極領域311を有する。ここで、検査用電極391が検査用圧電素子152に電気的に接続されているとは、検査用圧電素子152の圧電体層70の電気特性を、検査用電極391を介して測定可能に接続されていることを言う。本実施形態では、図6に示すように、駆動回路基板30の第2主面302にバンプ電極38を設け、バンプ電極38を検査用圧電素子152の圧電体層70の表面に当接させている。そして、第2主面302に設けられたバンプ電極38と第1主面301に設けられた検査用電極391とは、駆動回路基板30を第3の方向Zに貫通する第3貫通配線39を介して電気的に接続するようにした。
ここで、バンプ電極38は、上述したバンプ電極37と同様の構成を有する。すなわち、バンプ電極38は、弾性を有する樹脂材料で形成されたコア部381と、コア部381の表面の少なくとも一部を覆うバンプ配線382と、を有する。
コア部381は、断面がほぼ蒲鉾状に形成されており、本実施形態では、第2の方向Yに沿って延設されている。
バンプ配線382は、コア部381の表面から第1の方向Xにおいて活性部151側に引き出されている。
このようなコア部381及びバンプ配線382を有するバンプ電極38は、コア部371及びバンプ配線372を有するバンプ電極37と同時に形成することができる。これにより製造工程を簡略化してコストを低減することができる。
また、バンプ電極38と検査用電極391とを電気的に接続する第3貫通配線39は、駆動回路基板30を第3の方向Zに貫通する第3貫通孔306の内部に設けられている。なお、第3貫通孔306及び第3貫通配線39は、上述した第1貫通孔303及び第2貫通孔305と第1貫通配線33及び第2貫通配線34と同時に形成することができる。
そして、駆動回路基板30の第1主面301において、バンプ電極38と第3貫通配線39を介して電気的に接続された検査用電極391が設けられた部分が検査用電極領域311となっている。本実施形態では、各活性部151の列毎にそれぞれ検査用圧電素子152を設けたため、検査用圧電素子152毎に検査用電極391が独立して設けられている。すなわち、本実施形態の駆動回路基板30の第1主面301には、2つの検査用電極391が設けられている。そして、このような2つの検査用電極391が設けられた駆動回路基板30の第1主面301の部分を検査用電極領域311と称する。
また、本実施形態では、検査用電極391は、駆動回路基板30の第1の方向X(+X方向)の一端部まで延設されており、延設された端部においてフレキシブル基板125と接続されている。すなわち、検査用電極391の+X側の端部は、フレキシブル基板125が接続されるフレキシブル基板実装領域まで延設されており、この延設された端部391aにおいて、フレキシブル基板125と電気的に接続されている。
このように、検査領域200に設けられた検査用圧電素子152の圧電体層70にバンプ電極38を当接し、バンプ電極38を第3貫通配線39によって第1主面301に引き出して検査用電極391と電気的に接続することで、検査用圧電素子152の圧電体層70の電気特性を、検査用電極391を介して容易に測定することができる。つまり、駆動回路基板30と流路形成基板10との接合を解除、すなわち分解することなく、検査用電極391を介して検査用圧電素子152の電気特性を容易に測定することができる。なお、検査用圧電素子152の圧電体層70の電気特性の測定としては、ヒステリシス特性、電流−電圧特性(I−V特性)、電流−時間特性(I−t特性)及び容量−電圧特性(C−V特性)などが挙げられる。
また、本実施形態では、検査用電極391をフレキシブル基板125と接続することで、フレキシブル基板125を介して接続された制御素子(図示なし)を介して検査用圧電素子152の電気特性を容易に測定することができる。すなわち、検査用圧電素子152の圧電体層70の電気特性を測定するために、記録ヘッド1やこの記録ヘッド1を有するユニット化されたヘッドユニット、記録ヘッド1やヘッドユニットが保持された記録装置などを分解する必要がなく、検査用圧電素子152の圧電体層70の電気特性の測定を所望のタイミングで分解することなく容易に行うことができる。したがって、圧電素子150の高精度な評価を行うことができると共に、圧電素子150の電気特性に適した駆動を行わせることが可能である。なお、本実施形態では、検査用電極391とフレキシブル基板125とを電気的に接続するようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、検査用電極391には、駆動回路120に電源や駆動信号等を供給するフレキシブル基板125とは異なるフレキシブル基板を接続してもよい。ただし、本実施形態のように、1本のフレキシブル基板125に供給配線32と検査用電極391とを接続することで部品点数を減少させてコストを低減することができる。また、本実施形態では、検査用電極391をフレキシブル基板125と接続するようにしたが、特にこれに限定されず、検査用電極391は、フレキシブル基板125と接続しなくてもよい。すなわち、測定用のプローブを検査用電極391に当接させて検査用圧電素子152の圧電体層70の電気特性を測定してもよい。
そして、このような駆動回路基板30の検査用電極391が設けられた検査用電極領域311及びフレキシブル基板実装領域310との少なくとも一方と、流路形成基板10の検査用圧電素子152が設けられた検査領域200とは、駆動回路基板30と流路形成基板10との積層方向である第3の方向Zから平面視した際に少なくとも一部がオーバーラップして配置されている。本実施形態では、検査領域200と、検査用電極領域311及びフレキシブル基板実装領域310の両方とが、第3の方向Zから平面視した際に少なくとも一部がオーバーラップして設けられている。これは、上述したように、本実施形態では検査用電極391が、フレキシブル基板実装領域310まで延設されているためである。なお、検査領域200と検査用電極領域311及びフレキシブル基板実装領域310の少なくとも一方とが、少なくとも一部がオーバーラップする位置に配置されているとは、検査領域200と検査用電極領域311及びフレキシブル基板実装領域310の少なくとも一方との何れか一方が他方に完全に含まれるようにオーバーラップすることも、両方の一部のみがオーバーラップすることも含むものである。ちなみに、検査用電極391をフレキシブル基板実装領域310まで延設しない場合には、検査領域200と、フレキシブル基板実装領域310とがオーバーラップすることなく、検査領域200と検査用電極領域311との少なくとも一部がオーバーラップしていてもよい。また、検査用電極391をフレキシブル基板実装領域310まで延設しない場合には、検査領域200と、検査用電極領域311とがオーバーラップすることなく、検査領域200とフレキシブル基板実装領域310との少なくとも一部がオーバーラップしていてもよい。もちろん、検査用電極391をフレキシブル基板実装領域310まで延設しない場合であっても、検査領域200の少なくとも一部と、検査用電極領域311及びフレキシブル基板実装領域310の両方とがオーバーラップしてもよい。
このように、駆動回路基板30の検査用電極391が設けられた検査用電極領域311及びフレキシブル基板実装領域310との少なくとも一方と、流路形成基板10の検査用圧電素子152が設けられた検査領域200とは、第3の方向Zから平面視した際に少なくとも一方がオーバーラップして配置することで、流路形成基板10の小型化を図ることができ、記録ヘッド1の小型化を図ることができる。すなわち、本実施形態では、駆動回路基板30及び流路形成基板10は、活性部151の列が形成された領域に対して、フレキシブル基板125を接続するためのフレキシブル基板実装領域310が第1の方向Xの一端部側(+X側)に設けられている。このフレキシブル基板実装領域310は、駆動回路基板30の第1主面301側に必要なものであり、フレキシブル基板実装領域310における駆動回路基板30と流路形成基板10との間はデッドスペースとなっていた。このため、本実施形態では、圧電体層70の電気特性を測定する検査用圧電素子152をこのデッドスペースに設けることで、流路形成基板10に検査用圧電素子152を設ける検査領域200を新たに設ける必要をなくして、流路形成基板10の小型化を図ることができる。また、フレキシブル基板実装領域310は、駆動回路120と、駆動回路120から圧電素子150につながる配線である第1個別配線31や供給配線32とが形成された領域の第1の方向Xにおける外側(+X側)に設けられている。このため、検査用圧電素子152が設けられた検査領域200の少なくとも一部を、第3の方向Zから平面視した際に、検査用電極領域311及びフレキシブル基板実装領域310の少なくとも一方とオーバーラップするように配置することで、駆動回路120から圧電素子150につながる最適となる配線に影響を与えることなく、検査領域200を配置することができる。すなわち、検査領域200を設けることによって、駆動回路120から圧電素子150への最適な配線の取り回しを変更することがない。このため、配線の取り回しを変更することによる流路形成基板10及び駆動回路基板30の大型化や配線抵抗の増大等を抑制することができる。そして、上述したように記録ヘッド1の小型化を図ると共に、各記録ヘッド1に検査用圧電素子152を設けることで、記録ヘッド1毎の圧電体層70の電気特性の測定及び検査が可能となり、記録ヘッド1の品質管理を高精度に行うことができる。
また、本実施形態では、本実施形態では、フレキシブル基板実装領域310と検査領域200とをオーバーラップする位置に配置したとしても、検査領域200の検査用圧電素子152に当接するバンプ電極38と、検査用電極391とを第3貫通配線39によって電気的に接続することができる。したがって、第1主面301のバンプ電極38と第2主面302の検査用電極391とを接続する配線を取り回すためのスペースが不要となり、さらなる小型化を図ることができる。
また、このような流路形成基板10と駆動回路基板30とは、接着層140によって間に圧電素子150が配置された空間である保持部160が形成された状態で接着されている。
ちなみに、図6に示すように、検査領域200に設けられた検査用圧電素子152の圧電体層70と駆動回路基板30との間にも接着層140が設けられている。ただし、接着層140を検査用圧電素子152の圧電体層70の表面の全てに亘って設けると、駆動回路基板30のバンプ電極38を検査用圧電素子152の圧電体層70に当接させることができなくなると共に、バンプ電極37、38のコア部371、381に印加する圧力が低下する。したがって、検査用圧電素子152の圧電体層70と駆動回路基板30とを接着層140で接着する場合には、接着層140を検査用圧電素子152の圧電体層70の表面の一部の領域のみに設けるのが好ましい。
本実施形態に係る記録ヘッド1は、保持部160内に圧電素子150が収容され、駆動回路基板30の第2主面302側に駆動回路120が設けられている。駆動回路120は、圧電素子150とは反対側に面した、いわゆるフェイスアップ配置である。そして、これらの圧電素子150と駆動回路120とは、駆動回路基板30を貫通して第3の方向Zに延びる第1貫通配線33及び第2貫通配線34により電気的に接続されている。このため、駆動回路基板30の第1主面301に実装された駆動回路120と、駆動回路基板30の第2主面302側に配置された圧電素子150とを接続する配線の引き回しのために、駆動回路基板30及び流路形成基板10が大型化するのを抑制して記録ヘッド1の小型化を図ることができる。
また、本実施形態では、検査領域200に設けられた検査用圧電素子152には、第2電極80を設けないようにした。このため、流路形成基板10に駆動回路基板30を接着する前において、検査用圧電素子152の圧電体層70の光学検査を行うことができる。ちなみに、検査用圧電素子152の大きさは、圧電体層70の特性を測定する方法や測定に用いる測定装置によって必要な圧電体層70の表面積によって決まる。例えば、検査用圧電素子152の圧電体層70をX線回折(XRD)によって測定する場合、検査領域200の表面に対してX線を斜めに入射するため、入射光が円形であれば、測定面積は楕円形状となる。したがって、検査用圧電素子152として、一定以上の圧電体層70が露出された表面積が必要となる。例えば、照射するビームのスポット径が10μm以上の場合、検査用圧電素子152において必要な圧電体層70の表面は、1mm×1mm以上であることが好ましい。ちなみに、活性部151及びその周囲に第2電極80が設けられていない領域が存在したとしても、露出される圧電体層70の表面積は狭く、圧電体層70の特性を測定するのは困難である。つまり、活性部151及びその周囲に第2電極80が設けられていない領域が広く配置されていると、記録ヘッド1が大型化してしまうため、最小限に抑える必要がある。本実施形態では、活性部151の並設方向の一端部側(+X側)に比較的広い面積で検査用圧電素子152を配置することができる。流路形成基板10の検査用圧電素子152が設けられる検査領域200は、上述したように、駆動回路基板30のフレキシブル基板125が接続されるフレキシブル基板実装領域310を設けるために延設された部分において流路形成基板10と駆動回路基板30との間に形成されたデッドスペースであるため、この検査領域200に検査用圧電素子152光線を用いた光学検査に必要な大きさで設けることができる。したがって、検査用圧電素子152の光学検査においても確実に圧電体層70の物性を測定して検査することができる。
なお、検査用圧電素子152の圧電体層70の検査方法としては、例えば、X線回折法(XRD)、蛍光X線回折法(XRF)、X線反射率法(XRR)などX線を用いた方法やエリプソ式膜厚測定法のような光線を用いた光学式方法が挙げられる。また、流路形成基板10に駆動回路基板30を接着する前であっても、検査用圧電素子152の圧電体層70に電極を当接して、検査用圧電素子152の圧電体層70の電気特性を測定することも可能である。検査用圧電素子152の圧電体層70の電気特性の測定としては、上述したように、ヒステリシス特性、電流−電圧特性(I−V特性)、電流−時間特性(I−t特性)及び容量−電圧特性(C−V特性)などが挙げられる。
このような流路形成基板10、駆動回路基板30、連通板15及びノズルプレート20の接合体には、図1〜図3に示すように、複数の圧力室12に連通するマニホールド100を形成するケース部材40が固定されている。ケース部材40は、平面視において上述した連通板15と略同一形状を有し、駆動回路基板30に接合されると共に、上述した連通板15にも接合されている。具体的には、ケース部材40は、駆動回路基板30側に流路形成基板10及び駆動回路基板30が収容される深さの凹部41を有する。この凹部41は、駆動回路基板30の流路形成基板10に接合された面よりも広い開口面積を有する。そして、凹部41に流路形成基板10等が収容された状態で凹部41のノズルプレート20側の開口面が連通板15によって封止されている。また、ケース部材40には、凹部41の第2の方向Yの両側に凹形状を有する第3マニホールド部42が形成されている。この第3マニホールド部42と、連通板15に設けられた第1マニホールド部17及び第2マニホールド部18とによって本実施形態のマニホールド100が構成されている。
ケース部材40の材料としては、例えば、樹脂や金属等を用いることができる。ちなみに、ケース部材40として、樹脂材料を成形することにより、低コストで量産することができる。
連通板15のノズルプレート20側の面には、コンプライアンス基板45が設けられている。このコンプライアンス基板45が、第1マニホールド部17と第2マニホールド部18のノズルプレート20側の開口を封止している。このようなコンプライアンス基板45は、本実施形態では、封止膜46と、固定基板47と、を具備する。封止膜46は、可撓性を有する薄膜(例えば、ポリフェニレンサルファイド(PPS)やステンレス鋼(SUS)等により形成された厚さが20μm以下の薄膜)からなり、固定基板47は、ステンレス鋼(SUS)等の金属等の硬質の材料で形成される。この固定基板47のマニホールド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48となっているため、マニホールド100の一方面は可撓性を有する封止膜46のみで封止された可撓部であるコンプライアンス部49となっている。
ケース部材40には、マニホールド100に連通して各マニホールド100にインクを供給するための導入路44が設けられている。また、ケース部材40には、駆動回路基板30が露出し、フレキシブル基板125が挿通される接続口43が設けられており、接続口43に挿入されたフレキシブル基板125が駆動回路基板の供給配線32と接続されている。
このような構成の記録ヘッド1では、インクを噴射する際に、インクが貯留された液体貯留手段から導入路44を介してインクを取り込み、マニホールド100からノズル21に至るまで流路内部をインクで満たす。その後、駆動回路120からの信号に従い、圧力室12に対応する各圧電素子150に電圧を印加することにより、圧電素子150と共に振動板50をたわみ変形させる。これにより、圧力室12内の圧力が高まり所定のノズル21からインク滴が噴射される。
ここで、本実施形態の記録ヘッド1の製造方法について、図8〜図16を参照して説明する。なお、図8〜図16は、本実施形態の記録ヘッドの製造方法を示す第1の方向Xの断面図である。
まず、図8に示すように、シリコンウェハーであり複数の流路形成基板10が一体的に形成される流路形成基板用ウェハー110の表面に振動板50を形成する。本実施形態では、流路形成基板用ウェハー110を熱酸化することによって形成した二酸化シリコン(弾性膜51)と、スパッタリング法で成膜後、熱酸化することによって形成した酸化ジルコニウム(絶縁体膜52)との積層からなる振動板50を形成した。
次に、図9に示すように、振動板50上の全面に第1電極60を形成すると共に所定形状にパターニングする。なお、第1電極60に圧電体層70の結晶成長を制御するための制御層を形成してもよい。本実施形態では、特に図示していないが、圧電体層70(PZT)の結晶制御としてチタンを使用している。チタンは、圧電体層70の成膜時に圧電体層70内に取り込まれるため、圧電体層70形成後には膜として存在していない。本実施形態では、図6に示す各活性部151を構成する第1電極60と、検査用圧電素子152を構成する第1電極60とを形成する。
次に、図10に示すように、第1電極60上に圧電体層70を形成すると共に所定形状にパターニングする。ここで、本実施形態では、金属錯体を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層70を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて圧電体層70を形成している。なお、圧電体層70の製造方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、例えば、MOD(Metal-Organic Decomposition)法やスパッタリング法又はレーザーアブレーション法等のPVD(Physical Vapor Deposition)法等を用いてもよい。すなわち、圧電体層70は液相法、気相法の何れで形成してもよい。また、圧電体層70のパターニングは、例えば、反応性イオンエッチングやイオンミリング等のドライエッチング、ウェットエッチングが挙げられる。この圧電体層70のパターニングでは、圧電体層70に凹部71を形成すると共に、検査用圧電素子152となる部分に圧電体層70を残留させる。
次に、図11に示すように、パターニングした圧電体層70及び振動板50上に亘って第2電極80を形成すると共に所定形状にパターニングする。すなわち、検査用圧電素子152の圧電体層70上に第2電極80を形成した後、検査用圧電素子152の圧電体層70上の第2電極80を除去する。なお、本実施形態では、圧電体層70をパターニングした後に第2電極80を形成するようにしたが、特にこれに限定されない。例えば、第2電極80を圧電体層70側に設けられた第1層と、第1層の圧電体層70とは反対側に設けられた第2層とを積層した場合、圧電体層70をパターニングする前に圧電体層70上に第1層を形成した後、圧電体層70を再加熱処理(ポストアニール)することで、圧電体層70に第1層を形成した際のダメージを回復させて、圧電体層70の圧電特性を向上することができる。そして、圧電体層70上に第1層を形成して再加熱処理した後、圧電体層70及び第1層をパターニングし、その後、第1層上に第2層を形成すればよい。もちろん、第1層及び第2層の第2電極80を形成した後、再加熱してもよい。
このように形成した検査用圧電素子152の圧電体層70について、当該圧電体層70の物性を光学検査する(光学検査工程)。すなわち、第2電極80のパターニングによって形成された活性部151には、第2電極80が形成されているため、圧電体層70の物性を光学検査することができない。また、活性部151及びその周囲には、圧電体層70の表面が十分に露出された部分がないため、圧電体層70の測定を行うことができない。本実施形態では、検査用圧電素子152において圧電体層70の表面を十分に露出させることができるため、圧電体層70の光学検査を容易に行うことができる。なお、圧電体層70の光学検査としては、例えば、X線回折法(XRD)、蛍光X線回折法(XRF)、X線反射率法(XRR)などのX線を用いた方法やエリプソ式膜厚測定法が挙げられる。ちなみに、流路形成基板用ウェハー110の図1に示すチップ(流路形成基板10)となる領域以外に検査用圧電素子152を設ける構成も考えられるが、検査用圧電素子152がチップ毎に形成されず、チップ単位での品質の管理を高精度に行うことができない。また、流路形成基板用ウェハー110の面内方向において、圧電体層70の物性に製造上のばらつきが生じるため、流路形成基板10となる領域と検査用圧電素子152が設けられた検査領域200との距離が離れていると、流路形成基板10上の圧電体層70の物性と検査領域200の検査用圧電素子152の圧電体層70の物性とに誤差が生じ、圧電体層70の高精度な評価を行うことができない。また、例えば、上述した1チップの流路形成基板10に加えて、さらに検査用圧電素子152を設けるための検査領域200を新たに設けると、1枚の流路形成基板用ウェハー110から流路形成基板10を同時に形成できる数、いわゆる取り数が減少してしまう。本実施形態では、上述したように、フレキシブル基板125が接続されるために延設された流路形成基板10のデッドスペースに検査用圧電素子152を設けた検査領域200を配置したため、チップ(流路形成基板10)毎に圧電体層70の測定を行う検査用圧電素子152を設けることができる。また、チップ毎に検査用圧電素子152を設けることで、活性部151の圧電素子150の圧電体層70と検査用圧電素子152の圧電体層70とを近接して設けることができ、検査用圧電素子152の圧電体層70の物性と、活性部151を有する圧電素子150の圧電体層70の特性との誤差を低減して、検査用圧電素子152の圧電体層70の物性を測定することで、活性部151を有する圧電素子150の圧電体層70の高精度な評価を行うことができる。さらに、デッドスペースに検査用圧電素子152を設けることで、流路形成基板10が大型化するのを抑制することができ、1枚の流路形成基板用ウェハー110からの流路形成基板10の取り数が減少するのを抑制してコストを低減することができる。
ちなみに、検査用圧電素子152を設けずに、図10に示す第2電極80を形成する前の工程で、露出された圧電体層70の特性を測定する方法も考えられるが、活性部151を形成するには、圧電体層70をパターニングする工程や、第2電極80を成膜及びパターニングする工程が必要で、このような後の工程によって圧電体層70の特性は変化するため、実際の完成した圧電素子150の圧電体層70の物性と、測定結果とに誤差が生じてしまう。本実施形態では、圧電素子150を形成する工程を経た後、すなわち、第2電極80を形成する工程を経た後に、検査用圧電素子152の圧電体層70の物性を測定するため、活性部151を有する圧電素子150の圧電体層70と同等の工程を経た検査用圧電素子152の圧電体層70の物性を測定することができる。したがって、検査用圧電素子152の圧電体層70の物性を測定することで、活性部151を有する圧電素子150の圧電体層70の高精度な評価を行うことができる。もちろん、図10に示す第2電極80を形成する前の圧電体層70の物性の測定と、図11に示す第2電極80を形成した後の検査用圧電素子152の圧電体層70の物性の測定と、の両方を行うようにしてもよい。
また、圧力室12を異方性エッチングによって形成する前に、圧電体層70の物性を測定することで、不良品判定を行うことができるため、不良品について、後の工程を行う必要がなく、コストを低減することができる。また、圧電体層70の物性を測定することで、圧電体層70の物性に悪影響を及ぼす工程が特定し易く、製造工程のトラブルを回避することができる。
次に、図12に示すように、金(Au)からなる個別リード電極91及び共通リード電極92を形成すると共に所定形状にパターニングする。なお、検査用圧電素子152の圧電体層70の光学検査は、個別リード電極91及び共通リード電極92を成膜及びパターニングした後に行ってもよい。
このように個別リード電極91及び共通リード電極92を形成した後は、図13に示すように、第1個別配線31、供給配線32、第1貫通配線33、第2貫通配線34、第2個別配線35、接続配線36、バンプ電極37及び38、第3貫通配線39、検査用電極391等が予め形成された駆動回路基板用ウェハー130を、流路形成基板用ウェハー110の圧電素子150側に接着層140を介して接合する。これにより、個別リード電極91及び共通リード電極92が、バンプ電極37を介して第2個別配線35及び接続配線36に接続される。また、バンプ電極38が圧電体層70の検査領域200に当接される。
次に、図14に示すように、駆動回路基板用ウェハー130が接合された流路形成基板用ウェハー110を所定の厚みに薄くする。
次に、図14に示すように、流路形成基板用ウェハー110にマスク膜53を新たに形成し、所定形状にパターニングする。
次に、図15に示すように、流路形成基板用ウェハー110を、マスク膜53を介してアルカリ性水溶液を用いた異方性エッチング(ウェットエッチング)することにより、圧電素子150に対応する圧力室12を形成する。
その後は、流路形成基板用ウェハー110と駆動回路基板用ウェハー130とが接合された接合体を、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及び駆動回路基板30となるように分割した後、図3に示すように、流路形成基板10の駆動回路基板30とは反対側の面にノズル連通路16等が形成された連通板15と、ノズル21が形成されたノズルプレート20と、コンプライアンス基板45とを順次接合する。また、駆動回路基板30と連通板15とにケース部材40を接合することで、本実施形態の記録ヘッド1とする。
このように形成した記録ヘッド1は、検査用圧電素子152が設けられた検査領域200が駆動回路基板30によって覆われているため、記録ヘッド1が組み立てられた後では、検査用圧電素子152の電気特性の検査を行うことができない。しかしながら、本実施形態では、バンプ電極38を検査用圧電素子152の圧電体層70に当接させると共に、バンプ電極38を、第3貫通配線39を介して駆動回路基板30の第1主面301側に引き出して検査用電極391に接続しているため、流路形成基板10と駆動回路基板30との接合状態を分解することなく、検査用電極391を介して検査用圧電素子152の圧電体層70の電気特性の測定及び検査を行うことができる。したがって、圧電素子150の電気特性を把握して、品質管理を高精度に行うことができると共に、実際の圧電素子150の電気特性に適した駆動を行うことができる。すなわち、検査用圧電素子152において、電気特性の測定を行うことで、流路形成基板用ウェハー110に圧力室12を形成した際に発生する水素等による圧電体層70へのダメージを把握して、圧電体層70の評価を行うことができる。
このように本実施形態に係る記録ヘッド1の製造方法によれば、流路形成基板10及び駆動回路基板30を小型化し、記録ヘッド1の小型化が可能となる。そして、記録ヘッド1は小型化が可能であるので、ノズル21の高密度にも対応することができ、高密度にインクを吐出することができる記録ヘッド1を製造することができる。
(他の実施形態)
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の基本的な構成は上述したものに限定されるものではない。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の基本的な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、検査領域200に設けた検査用圧電素子152の圧電体層70に電極としてバンプ電極38を当接し、バンプ電極38を第3貫通配線39によって第1主面301に引き出して検査用電極391と接続するようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、検査用圧電素子152の圧電体層70の表面に電極を当接させなくてもよい。すなわち、例えば、検査用圧電素子152として、圧電体層70上に第2電極80を設けてもよい。このような場合には、第2電極60を検査用電極391と電気的に接続すればよい。また、検査領域200には、上述した実施形態1と同様の第2電極60を設けていない検査用圧電素子152と、第2電極60を設けた検査用圧電素子との両方を設けるようにしてもよい。これにより、製造途中で光学検査を行うことができると共に製造後において検査用圧電素子の電気特性の測定との両方を行うことができる。
さらに、上述した実施形態1では、流路形成基板10と駆動回路基板30とのフレキシブル基板125を接続するために延設したデッドスペースを検査領域200として、検査用圧電素子152を設けるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、このデッドスペースに実施形態1の検査用圧電素子152とは別の他の測定用パターンを形成してもよい。また、検査用圧電素子152は、流路形成基板10の第1の方向Xの両側に設けるようにしてもよい。ただし、検査用圧電素子152をフレキシブル基板125が接続される端部とは反対側の端部にも設けることで、実施形態1に比べて流路形成基板10及び駆動回路基板30の第1の方向Xが大型化する。
さらに、上述した実施形態1では、駆動回路基板30の第2主面302にバンプ電極37、38を設けるようにしたが、特にこれに限定されず、流路形成基板10側にバンプ電極を設けるようにしてもよい。また、バンプ電極37、38の位置についても上述した実施形態1に限定されるものではない。
また、実施形態1では、2列の圧電素子150に対して1つの駆動回路120を設けたが、特にこれに限定されない。例えば、1列の圧電素子150の列毎に駆動回路120を設けてもよく、1列の圧電素子150の列に対して、第1の方向Xで2以上に分割された複数の駆動回路120を設けるようにしてもよい。
さらに、実施形態1では、接続配線36を共通リード電極92に接続するバンプ電極37は、2つの接続配線36を1つのコア部371の表面の一部を覆うように設けたが、特にこれに限定されず、例えば、接続配線36毎にコア部371を設けるようにしてもよい。また、接続配線36用のバンプ電極37のコア部371と、第2個別配線35用のバンプ電極37のコア部371とを共通化してもよい。
また、上述した実施形態1では、圧力室12に圧力変化を生じさせる圧電素子として、薄膜型の圧電素子150を用いて説明したが、特にこれに限定されず、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圧電素子や、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型の圧電素子などを使用することができる。
さらに、上述した実施形態1では、第2主面302の各配線を第1貫通配線33、第2貫通配線34、第3貫通配線39を介して第1主面301に引き出すことで、記録ヘッド1の小型化を図るようにしたが、第2主面302の各配線を第1主面301側に引き出す配線は第1貫通配線33、第2貫通配線34、第3貫通配線39に限定されるものではあい。もちろん、駆動回路120は、第2主面302に設けるようにしてもよい。
さらに、上述した実施形態1の記録ヘッド1を複数用いてヘッドユニットを構成してもよい。この場合、ヘッドユニットを構成する記録ヘッドの全てを上述した検査用圧電素子152が設けられた検査領域200を有する記録ヘッド1としてもよく、ヘッドユニットを構成する複数の記録ヘッドのうち、少なくとも1つが上述した検査用圧電素子152が設けられた検査領域200を有する記録ヘッド1としてもよい。
なお、成就した実施形態1の記録ヘッド1は、液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置に搭載される。図17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。
図示するように、インクジェット式記録装置Iにおいて、記録ヘッド1は、インク供給手段を構成するカートリッジ2が着脱可能に設けられ、記録ヘッド1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。
そして、駆動モーター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1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には搬送手段としての搬送ローラー8が設けられており、紙等の記録媒体である記録シートSが搬送ローラー8により搬送されるようになっている。なお、記録シートSを搬送する搬送手段は、搬送ローラーに限られずベルトやドラム等であってもよい。
なお、上述したインクジェット式記録装置Iでは、記録ヘッド1がキャリッジ3に搭載されて主走査方向に移動するものを例示したが、特にこれに限定されず、例えば、記録ヘッド1が固定されて、紙等の記録シートSを副走査方向に移動させるだけで印刷を行う、所謂ライン式記録装置にも本発明を適用することができる。
また、上述した例では、インクジェット式記録装置Iは、液体貯留手段であるカートリッジ2がキャリッジ3に搭載された構成であるが、特にこれに限定されず、例えば、インクタンク等の液体貯留手段を装置本体4に固定して、貯留手段と記録ヘッド1とをチューブ等の供給管を介して接続してもよい。また、液体貯留手段がインクジェット式記録装置に搭載されていなくてもよい。
さらに、本発明は、広くヘッド全般を対象としたものであり、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種のインクジェット式記録ヘッド等の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレイ、FED(電界放出ディスプレイ)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にも適用することができる。
また、本発明は、広く圧電デバイスを対象としたものであり、記録ヘッド以外の圧電デバイスにも適用することができる。圧電デバイスとしては、外部からの信号を検知し、検知前後において電流値が変化するものが挙げられる。このような圧電デバイスの一例としては、超音波デバイス、モーター、圧力センサー、焦電素子、強誘電体素子などが挙げられる。また、これらの圧電デバイスを利用した完成体、たとえば、上記ヘッドを利用した液体等噴射装置、上記超音波デバイスを利用した超音波センサー、上記モーターを駆動源として利用したロボット、上記焦電素子を利用したIRセンサー、強誘電体素子を利用した強誘電体メモリーなども、圧電デバイスに含まれる。
I…インクジェット式記録装置(液体噴射装置)、1…インクジェット式記録ヘッド(液体噴射ヘッド)、10…流路形成基板(基板)、12…圧力室、20…ノズルプレート、30…駆動回路基板(配線基板)、31…第1個別配線、32…供給配線、32a…電極パッド、33…第1貫通配線、34…第2貫通配線、35…第2個別配線、36…接続配線、37…バンプ電極、38…バンプ電極(検査用電極)、39…第3貫通配線、60…第1電極(導電性電極)、70…圧電体層、80…第2電極(導電性電極)、91…個別リード電極、92…共通リード電極、100…マニホールド、120…駆動回路(駆動素子)、121…端子、125…フレキシブル基板、140…接着層、150…圧電素子(圧電素子)、151…活性部、152…検査用圧電素子、160…保持部、200…検査領域、301…第1主面、302…第2主面、303…第1貫通孔、305…第2貫通孔、306…第3貫通孔、310…フレキシブル基板実装領域、311…検査用電極領域、371、381…コア部、372、382…バンプ配線、391…検査用電極
Claims (9)
- 圧電体層と前記圧電体層を挟む第1電極と第2電極とが積層した圧電素子を有する基板と、
前記基板に前記圧電素子を駆動する信号を与える駆動素子を備えた配線基板と、を備えた圧電デバイスであって、
前記基板は、前記圧電素子の一部である検査用圧電素子が設けられた検査領域を有し、
前記配線基板は、前記検査用圧電素子に電気的に接続されると共に前記基板とは反対面側に設けられた検査用電極を含む検査用電極領域と、前記基板とは反対面側に設けられて、フレキシブル基板と接続されるフレキシブル基板実装領域と、を有し、
前記基板と前記配線基板の積層方向からの平面視において、前記検査用電極領域及び前記フレキシブル基板実装領域の少なくとも一方と、前記検査領域とは、少なくとも一部がオーバーラップしていることを特徴とする圧電デバイス。 - 前記検査用電極と前記検査用圧電素子とは、前記配線基板に設けられた貫通配線を介して接続されていることを特徴とする請求項1記載の圧電デバイス。
- 前記検査用電極が前記フレキシブル基板実装領域にまで延設されて、当該検査用電極と前記フレキシブル基板とが接続されていることを特徴とする請求項1又は2記載の圧電デバイス。
- 請求項1〜3の何れか一項に記載の圧電デバイスを具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
- 圧電体層と前記圧電体層と積層配置された第1電極とを有する基板と、
前記基板と積層配置された配線基板と、を備えた圧電デバイスの検査方法であって、
前記基板と前記配線基板とは、前記第1電極、前記圧電体層、前記配線基板の順に設けられ、
前記圧電体層の前記配線基板側に第2電極を形成する前に、前記圧電体層の物性を光学検査する光学検査工程を有することを特徴とする圧電デバイスの検査方法。 - 前記光学検査工程では、前記圧電体層の前記配線基板側に第2電極を形成した後、当該圧電体層の前記第2電極が形成されていない検査領域について、当該圧電体層の物性を光学検査することを特徴とする請求項5記載の圧電デバイスの検査方法。
- 前記光学検査工程において、光学検査に用いられる光線が入射される領域が前記基板の端部であることを特徴とする請求項5又は6記載の圧電デバイスの製造方法。
- 前記領域に前記第2電極を形成した後、前記配線基板を前記基板と接合し、
前記第2電極は、前記配線基板に形成された貫通配線を介して前記配線基板に形成された検査用電極と電気的に接続し、
前記検査用電極を介して前記領域に形成された圧電素子の電気特性を測定することを特徴とする請求項5〜7の何れか一項に記載の圧電デバイスの検査方法。 - 前記検査用電極は、前記配線基板とフレキシブル基板とが接続する端子に接続され、
前記領域に形成された圧電素子は、前記フレキシブル基板を介して電気特性を測定することを特徴とする請求項8記載の圧電デバイスの検査方法。
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