JP6432737B2 - Memsデバイス、ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

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Description

本発明は、MEMSデバイス、MEMSデバイスを有するヘッド及びヘッドを具備する液体噴射装置に関する。
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスの一例であるインクジェット式記録ヘッドは、液滴を噴射するノズルに連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、流路形成基板の一方面側に設けられたピエゾ素子と、流路形成基板のピエゾ素子側に接合されて、ピエゾ素子を駆動する駆動回路が設けられた駆動回路基板と、を具備し、ピエゾ素子を駆動回路によって駆動することによって圧力発生室内の液体に圧力変化を生じさせることで、ノズルから液滴を噴射する。
このようなピエゾ素子としては、流路形成基板上に成膜及びリソグラフィー法によって形成した薄膜形のものが提案されている。このように薄膜形のピエゾ素子を用いることで、ピエゾ素子を高密度に配置することが可能となる反面、高密度に配置したピエゾ素子と駆動回路との電気的な接続が困難になる。
このため、駆動回路基板にバンプを設け、駆動回路基板と流路形成基板とを接着する接着層に凹部を設け、凹部内において駆動回路とピエゾ素子とをバンプ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1及び2等参照)。
このように駆動回路とピエゾ素子との接続にバンプを用いることで、高密度に配置したピエゾ素子と駆動回路とを容易に且つ低コストで接続することができる。
特開2014−51008号公報 特開2009−117544号公報
しかしながら、バンプの両側に設けられた接着層が離れて配置されていると、流路形成基板や駆動回路基板に反りが生じてしまうという問題がある。
このため接着層をバンプに近接して設けると、接着層がピエゾ素子の駆動領域に到達し、振動特性に悪影響を及ぼしてしまうという問題がある。
また、駆動回路基板と流路形成基板との接合強度が低いと、バンプとピエゾ素子との電気的な接続が安定しないという問題がある。
なお、このような問題は、インク等の液体を噴射するヘッドだけではなく、ヘッド以外のMEMS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、基板の反りを抑制して第1の電極と第2の電極とを確実に接続することができるMEMSデバイス、ヘッド及び液体噴射装置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、第1の電極を含むバンプが設けられた第1の基板と、感光性樹脂で形成された接着層によって形成された凹部の底面に第2の電極が設けられた第2の基板と、を具備し、前記第1の基板と前記第2の基板とが前記接着層によって接合されており、前記第1の電極は、前記バンプが前記凹部に挿入することで、前記第2の電極と電気的に接続され、前記バンプが、前記凹部に挿入する方向において、前記バンプの一部と前記凹部を形成する前記接着層とがオーバーラップしていることを特徴とするMEMSデバイスにある。
かかる態様では、高密度に配置された第1の電極と第2の電極とをバンプを介して確実に且つ低コストで接続することができる。また、凹部を形成する接着層とバンプとをオーバーラップさせることで、接着層をバンプに近接して設けることができ、基板の反りを抑制して第1の電極と第2の電極との接続不良を抑制することができる。また、接着層をバンプにオーバーラップさせることで、接着層を凹部の外側に広げる場合に比べて、基板の小型化を図ることができる。また、接着層を感光性樹脂で形成することで、接着層を所定形状に容易に且つ高精度に形成することができる。
ここで、前記バンプは、弾性を有するコア部と、該コア部の表面に設けられた金属膜とを有することが好ましい。これによれば、流路形成基板や駆動回路基板に反りやうねりがあっても、バンプのコア部が変形することによってバンプとピエゾ素子とを確実に接続することができる。
また、前記第1の基板には、前記第1の電極が複数設けられていると共に、前記バンプの前記コア部は、前記第1の電極毎に独立して設けられており、互いに隣り合う前記コア部の間には、前記接着層が設けられていることが好ましい。これによれば、基板を大型化することなく、接着層の接合面積を増大させて接合強度を向上することができる。
さらに、本発明の他の態様は、上記態様のMEMSデバイスの前記第2の基板には、ノズルに連通する圧力発生室が形成されており、当該第2の基板の前記第1の基板側には、前記第2の電極に接続されて前記圧力発生室内の液体に圧力変化を生じさせるピエゾ素子が接続されていることを特徴とするヘッドにある。
かかる態様では、凹部を形成する接着層とバンプとをオーバーラップさせることで、接着層をピエゾ素子側に延設することなく、接着層がピエゾ素子に付着するのを抑制して、接着層によってピエゾ素子の変位が阻害されるのを抑制することができる。
また、本発明の他の態様は、上記態様の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。
かかる態様では、電極の接続を確実に行って小型化すると共にピエゾ素子の変位が妨げられるのを抑制した液体噴射装置を実現できる。
本発明の他の態様は、第1の電極を含むバンプが設けられた第1の基板と、接着層によって形成された凹部の底面に第2の電極が設けられた第2の基板と、を具備し、前記第1の基板と前記第2の基板とが前記接着層によって接合されており、前記第1の電極は、前記バンプが前記凹部に挿入することで、前記第2の電極と電気的に接続され、前記バンプが、前記凹部に挿入する方向において、前記バンプの一部と前記凹部を形成する前記接着層とがオーバーラップしていることを特徴とするMEMSデバイスにある。
かかる態様では、高密度に配置された第1の電極と第2の電極とをバンプを介して確実に且つ低コストで接続することができる。また、凹部を形成する接着層とバンプとをオーバーラップさせることで、接着層をバンプに近接して設けることができ、基板の反りを抑制して第1の電極と第2の電極との接続不良を抑制することができる。また、接着層をバンプにオーバーラップさせることで、接着層を凹部の外側に広げる場合に比べて、基板の小型化を図ることができる。
ここで、前記バンプは、弾性を有するコア部と、該コア部の表面に設けられた金属膜とを有することが好ましい。これによれば、流路形成基板や駆動回路基板に反りやうねりがあっても、バンプのコア部が変形することによってバンプとピエゾ素子とを確実に接続することができる。
また、前記第1の基板には、前記第1の電極が複数設けられていると共に、前記バンプの前記コア部は、前記第1の電極毎に独立して設けられており、互いに隣り合う前記コア部の間には、前記接着層が設けられていることが好ましい。これによれば、基板を大型化することなく、接着層の接合面積を増大させて接合強度を向上することができる。
また、前記接着層が感光性樹脂で形成されていることが好ましい。これによれば、接着層を所定形状に容易に且つ高精度に形成することができる。
さらに、本発明の他の態様は、上記態様の前記第2の基板には、ノズルに連通する圧力発生室が形成されており、当該第2の基板の前記第1の基板側には、前記第2の電極に接続されて前記圧力発生室内の液体に圧力変化を生じさせるピエゾ素子が接続されていることを特徴とするヘッドにある。
かかる態様では、凹部を形成する接着層とバンプとをオーバーラップさせることで、接着層をピエゾ素子側に延設することなく、接着層がピエゾ素子に付着するのを抑制して、接着層によってピエゾ素子の変位が阻害されるのを抑制することができる。
また、本発明の他の態様は、上記態様の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。
かかる態様では、電極の接続を確実に行って小型化すると共にピエゾ素子の変位が妨げられるのを抑制した液体噴射装置を実現できる。
実施形態1に係るヘッドの分解斜視図である。 実施形態1に係るヘッドの平面図である。 実施形態1に係る流路形成基板の要部平面図である。 実施形態1に係るヘッドの断面図である。 実施形態1に係るヘッドの要部を拡大した断面図である。 実施形態1に係る駆動回路基板の平面図である。 実施形態1に係る流路形成基板の要部斜視図である。 実施形態1に係る流路形成基板の要部斜視図である。 実施形態1に係る接着層の製造方法を示す断面図である。 実施形態2に係るヘッドの要部を拡大した断面図である。 一実施形態に係る記録装置の概略図である。
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に係るヘッドの一例であ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、インクジェット式記録ヘッドの平面図である。また、図3は、流路形成基板の要部平面図であり、図4は、図2のA−A′線断面図であり、図5は、図4の要部を拡大した断面図である。
図示するように、本実施形態のヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッド1は、第2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、第1の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、ステンレス鋼やNiなどの金属、ZrOあるいはAlを代表とするセラミック材料、ガラスセラミック材料、MgO、LaAlO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、図4及び図5に示すように、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発生室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。以降、この方向を圧力発生室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、圧力発生室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。この圧力発生室12が第1の方向Xに沿って形成された圧力発生室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。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。
また、流路形成基板10には、圧力発生室12の第2の方向Yの一端部側に、当該圧力発生室12よりも開口面積が狭く、圧力発生室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。
また、流路形成基板10の一方面側(積層方向であって−Z方向)には、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、圧力発生室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と圧力発生室12とを離せるため、圧力発生室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は圧力発生室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良いので、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。
また、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、圧力発生室12の第2の方向Yの一端部に連通する供給連通路19が、圧力発生室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と圧力発生室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ようにした。
ノズルプレート20には、各圧力発生室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、流路形成基板10の連通板15とは反対面側には、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、圧力発生室12等の液体流路は、流路形成基板10を一方面側(ノズルプレート20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、圧力発生室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。
また、流路形成基板10の振動板50上には、本実施形態のピエゾ素子である圧電アクチュエーター300が設けられている。圧電アクチュエーター300は、振動板50側から順次積層された第1電極60、圧電体層70及び第2電極80を有する。圧電アクチュエーター300を構成する第1電極60は、本実施形態では、圧力発生室12毎に切り分けられており、圧電アクチュエーター300の実質的な駆動部である能動部毎に独立する個別電極を構成する。この第1電極60は、圧力発生室12の第1の方向Xにおいては、圧力発生室12の幅よりも狭い幅で形成されている。すなわち圧力発生室12の第1の方向Xにおいて、第1電極60の端部は、圧力発生室12に対向する領域の内側に位置している。また、圧力発生室12の第2の方向Yにおいては、第1電極60の両端部は、それぞれ圧力発生室12の外側まで延設されている。このような第1電極60の材料は、金属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。圧電体層70の第2の方向Yの幅は、圧力発生室12の第2の方向Yの幅よりも広い。このため、圧力発生室12の第2の方向Yでは、圧電体層70は圧力発生室12の外側まで設けられている。
圧力発生室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、圧力発生室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(圧力発生室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ABO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。
このような圧電体層70には、各隔壁に対応する凹部71が形成されている。この凹部71の第1の方向Xの幅は、各隔壁の第1の方向Xの幅と略同一、もしくはそれよりも広くなっている。これにより、振動板50の圧力発生室12の第2の方向Yの端部に対抗する部分(いわゆる振動板50の腕部)の剛性が押さえられるため、圧電アクチュエーター300を良好に変位させることができる。また、変位を良好にするために圧電体層70に凹部71が形成されることとしたが、特にこれに限定されず、圧電アクチュエーター300が凹部71を形成しなくとも所望の変位を得ることができればよい。
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、複数の能動部に共通する共通電極を構成する。また、第2電極80は、凹部71の内面、すなわち、圧電体層70の凹部71の側面内に設けるようにしても良く、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で構成される圧電アクチュエーター300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を能動部と称する。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能動部と称する。
また、図3、図4及び図5に示すように、圧電アクチュエーター300の第1電極60からは、引き出し配線である個別配線91が引き出されている。本実施形態では、第1の方向Xに並設された圧電アクチュエーター300(能動部)の列が第2の方向Yに2列設けられており、各列の圧電アクチュエーター300からは、第2の方向Yにおいて列の外側に引き出されている。また、圧電アクチュエーター300の第2電極80からは、引き出し配線である共通配線92が引き出されている。本実施形態では、共通配線92は、2列の圧電アクチュエーター300のそれぞれの第2電極80に導通している。また、共通配線92は、複数の能動部に対して1本の割合で設けられている。本実施形態では、圧電アクチュエーター300の第1電極60から引き出された個別配線91及び第2電極80から引き出された共通配線92を第2の電極と称する。すなわち、第2の基板である流路形成基板10には、第2の電極である個別配線91及び共通配線92が設けられていることになる。
また、流路形成基板10の圧電アクチュエーター300側の面には、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が接合されている。
ここで、本実施形態の第1の基板である駆動回路基板30について、図4、図5及び図6を参照して説明する。なお、図6は、駆動回路基板を流路形成基板側から平面視した際の平面図である。
図示するように、本実施形態の第1の基板である駆動回路基板30は、半導体基板にトランスミッションゲート等のスイッチング素子を有する集積回路である駆動回路31を半導体製造プロセスによって作り込んだものであり、例えば、別途形成した半導体集積回路を基板に設けられた配線に実装したものではない。
このような駆動回路基板30は、駆動回路31が流路形成基板10に相対向する面側に一体的に形成されている。そして、駆動回路基板30と流路形成基板10とは、接着層35を介して接合されている。
ここで、駆動回路基板30の駆動回路31と流路形成基板10の個別配線91及び共通配線92とは、バンプ32を介して接続されている。本実施形態では、駆動回路基板30の流路形成基板10に相対向する面に駆動回路31の各端子31aと電気的に接続された第1の電極を含むバンプ32を設け、バンプ32と個別配線91及び共通配線92とを電気的に接続することで、駆動回路31と圧電アクチュエーター300の第1電極60及び第2電極80とが電気的に接続されている。
このようなバンプ32は、例えば、弾性を有する樹脂材料で形成されたコア部33と、コア部33の表面に形成された金属膜34とを備える。金属膜34は、コア部33の表面から駆動回路基板30の流路形成基板10側の面に達するまで設けられており、金属膜34が駆動回路基板30の駆動回路31の端子31aに電気的に接続されている。すなわち、本実施形態では、第1の電極として金属膜34が設けられている。
コア部33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33は、駆動回路基板30と流路形成基板10とを接合する前において、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33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配線91及び共通配線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33がこれに追従して変形することにより、バンプ32と個別配線91及び共通配線92とを確実に接続することができる。
なお、コア部33は、本実施形態では、第1の方向Xに直線上に連続して配置されている。すなわち、コア部33は、第2の方向Yにおいて、2列の圧電アクチュエーター300の外側に2本と、2列の圧電アクチュエーター300の間に1本と、の合計3本が設けられている。そして、2列の圧電アクチュエーター300の外側に設けられた各コア部33が、圧電アクチュエーター300の各列の個別配線91と接続されるバンプ32を構成し、2列の圧電アクチュエーター300の間に設けられたコア部33が、2列の圧電アクチュエーター300の共通配線92に接続されるバンプ32を構成する。
このようなコア部33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。
金属膜34は、コア部33の表面を被覆している。金属膜34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、金属膜34は、コア部33の弾性変形によって個別配線91及び共通配線92の表面形状に倣って変形しており、個別配線91及び共通配線92と金属接合している。なお、個別配線91に接続される金属膜34は、コア部33の表面に個別配線91と同じピッチで第1の方向Xに配設されている。また、共通配線92に接続される金属膜34は、コア部33の表面に共通配線92と同じピッチで第1の方向Xに配設されている。
このようなバンプ32、本実施形態では、コア部33の表面に設けられた金属膜34と個別配線91及び共通配線92とは常温接合されている。具体的には、本実施形態の駆動回路基板30と流路形成基板10とは、接着層35によって接合されることで、バンプ32と個別配線91及び共通配線92とは互いに当接した状態で固定されている。ここで接着層35は、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、スチレン樹脂等を主成分とする樹脂を有する一定の粘着性を持つ接着剤やレジスト材料などを用いることができる。特に、フォトレジストなどに用いられる感光性樹脂を用いることで、接着層35を容易に且つ高精度に形成することができる。すなわち、接着層35として、粘度の低い接着剤を用いた場合、接着剤が圧電アクチュエーター300の能動部及び能動部が設けられた振動板50上等に流出し、接着剤が圧電アクチュエーター300の変形を阻害してしまう虞があるが、接着層35としてフォトレジストなどに用いられる感光性樹脂を用いることで、接着層35を所望の領域のみに形成して、接着剤の流れ出しによる圧電アクチュエーター300の変形の阻害を抑制することができる。なお、感光性樹脂としては、例えば、SU−8_3000(日本化薬株式会社製)、SU−8_3000CF(日本化薬株式会社製)、TMMR_s2000(東京応化工業株式会社製)などが挙げられる。
本実施形態では、各バンプ32の両側、すなわち、バンプ32を挟んだ第2の方向Yの両側に接着層35を設けるようにした。すなわち、2つの接着層35の間に凹部36を形成し、凹部36の底面、つまり流路形成基板10の振動板50上に第2の電極である個別配線91及び共通配線92を設け、凹部36内において、バンプ32と個別配線91及び共通配線92とをそれぞれ接続するようにした。本実施形態では、第1の方向Xに延設されたバンプ32は、第2の方向Yに3本設けられているため、接着層35は、各バンプ32毎に凹部36を形成するように、各バンプ32の第2の方向Yの両側に第1の方向Xに沿って延設されている。つまり、第1の方向Xに延設された接着層35は、第2の方向Yに6本設けられている。また、第2の方向Yで並設された接着層35は、第1の方向Xの両端部において端部同士が連続するように設けられている。すなわち、接着層35は、圧電アクチュエーター300の各列の周囲に亘って、当該圧電アクチュエーター300の各列を囲むように平面視した際に矩形の額縁状となるように形成されている。
また、接着層35は、第3の方向Zにおいて、バンプ32の一部とオーバーラップしている。具体的には、図5に示すように、接着層35は、第2の方向Yの幅が、流路形成基板10とバンプ32とが第3の方向Zで相対向する間の領域wまで広がっている。すなわち、接着層35がバンプ32の一部とオーバーラップするとは、第3の方向Zから平面視した際に、接着層35の一部とバンプ32の一部とが重なることを言う。なお、ここで言うバンプ32とは、本実施形態では、駆動回路基板30から流路形成基板10側に突出して設けられた部分のことであり、コア部33とコア部33の表面に設けられた金属膜34とを含む領域wのことである。また、接着層35は、横断面、つまり第2の方向Yの断面形状が、流路形成基板10側が幅広で、駆動回路基板30側が幅狭となる台形状となっている。つまり、接着層35は、凹部36を形成する内側面35aが、第3の方向Zに対して傾斜して設けられている。本実施形態では、内側面35aは、流路形成基板10側がバンプ32に近づく方向に傾斜して設けられることで、バンプ32の領域w内に接着層35の一部が配置されている。さらに、接着層35は、凹部36の内側面とバンプ32とが互いに接触しないように内側面35aが傾斜して設けられている。これは、例えば、接着層35がバンプ32と接触してしまうと、硬化した接着層35がバンプ32の変形を阻害してしまう虞がある。つまり、接着層35が、バンプ32の側面に接触すると、バンプ32の個別配線91及び共通配線92に倣った変形が阻害されてしまい、個別配線91及び共通配線92との接触面積が減少して接続不良が発生する虞がある。また、接着層35がバンプ32の一部に接触して硬化すると、接着層35が接触していないバンプ32に変形の荷重がかかり、バンプ32と個別配線91及び共通配線92との複数の接続部分において同様の荷重で接続することができなくなってしまう。本実施形態では、接着層35がバンプ32と接触しないように接着層35とバンプ32との間に空間を配することで、接着層35がバンプ32の変形を阻害するのを抑制して、バンプ32と個別配線91及び共通配線92との電気的な接続を確実に行うことができる。
このように、凹部36の内側面35aを傾斜させることで、バンプ32と接着層35の流路形成基板10との接合領域とが近づくことになり、バンプ32が当接される領域において流路形成基板10の反りを抑制することができる。ちなみに、バンプ32と凹部36を形成する接着層35の流路形成基板10との接合領域とが遠い場合、凹部36の間でバンプ32の押圧する圧力によって流路形成基板10に反りが生じ、バンプ32と個別配線91及び共通配線92との接続不良が発生する虞がある。本実施形態では、流路形成基板10の反りを抑制して、バンプ32と個別配線91及び共通配線92との接続不良の発生を抑制することができる。
また、本実施形態では、接着層35の凹部36とは反対側の外側面35bは、第3の方向Zに沿った面、つまり、流路形成基板10の表面に対して垂直面となっている。これにより、接着層35は、駆動回路基板30との接合面積よりも広い面積で流路形成基板10と接合されている。なお、接着層35の外側面35bを凹部36の内側面35aと同様に傾斜させてもよいが、外側面35bを凹部36の内側面35aと同じ方向に傾斜させると、接着層35と流路形成基板10との接着面積が減少してしまう。また、接着層35の外側面35bを内側面35aとは反対方向となるように傾斜させると、接着層35と流路形成基板10との接着面積は増大させることができるものの、流路形成基板10の圧電アクチュエーター300の能動部や振動板50の能動部が設けられた領域等に接着層35が付着する虞があり、圧電アクチュエーター300や振動板50の変形を阻害してしまう虞がある。また、接着層35が圧電アクチュエーター300の能動部や振動板50の能動部が設けられた領域に接着層35が接触しないようにするには、流路形成基板10及び駆動回路基板30が大型化してしまう。本実施形態では、凹部36の内側面35aを傾斜させて接着層35とバンプ32とを第3の方向Zでオーバーラップさせると共に外側面35bを第3の方向Zに沿って形成することで、接着層35の接着面積を増加させて、流路形成基板10と駆動回路基板30との接合強度を向上することができると共に、接着層35が圧電アクチュエーター300の能動部や振動板50の能動部が形成される領域等に接触するのを抑制して、圧電アクチュエーター300の変位が阻害されることによるインクの噴射不良や噴射特性の劣化を抑制することができる。また、接着層35を設ける領域を最小限に抑えて、ヘッドの小型化を図ることができる。
なお、本実施形態では、接着層35による凹部36は、図7に示すように、第1の方向Xに並設された個別配線91に亘って連続して設けられている。もちろん、接着層35は、特にこれに限定されず、例えば、図8に示すように、第1の方向Xで隣り合う個別配線91の間で連続するように延設した延設部37を設けるようにしてもよい。すなわち、隣り合うコア部33の間には、接着層35の延設部37が設けられており、凹部36が個別配線91毎に独立して設けられていてもよい。この図8に示すように、接着層35に延設部37を設けた場合には、接着層35と流路形成基板10及び駆動回路基板30との接着面積が増大するため、流路形成基板10と駆動回路基板30との接合強度をさらに向上させることができる。また、流路形成基板10と駆動回路基板30とは、コア部33の周囲に亘って接合されるため、流路形成基板10及び駆動回路基板30の凹部36内での反りを抑制することができる。なお、図7及び図8は、流路形成基板10の要部を示す斜視図である。
このように流路形成基板10と駆動回路基板30とを接合する接着層35によって、流路形成基板10と駆動回路基板30との間には、内部に圧電アクチュエーター300が配置された空間である保持部38が形成されている。本実施形態では、接着層35は、圧電アクチュエーター300の各列の周囲に亘って連続して設けるようにしたため、流路形成基板10と駆動回路基板30との間には、圧電アクチュエーター300の列毎に対応して保持部38が独立して設けられている。このような保持部38は、密封していても、また密封していなくても良い。なお、接着層35として、感光性樹脂を用いることで、封止空間である保持部38を容易に且つ確実に形成することができる。
なお、駆動回路基板30への外部配線の接続は、特に限定されず、例えば、駆動回路基板30に貫通電極を設けて、駆動回路基板30の流路形成基板10に相対向する面とは反対面で貫通電極に外部配線を接続するようにしてもよい。また、駆動回路基板30の流路形成基板10に相対向する面において、駆動回路31が形成された領域から保持部38の外側に至るまで配線を設け、保持部38の外側において配線と外部配線とを接続するようにしてもよい。さらに、駆動回路基板30に貫通孔を設け、貫通孔内に挿入した外部配線と駆動回路31とを接続するようにしてもよい。
このように、本実施形態では、駆動回路31が形成された駆動回路基板30を直接流路形成基板10に接合することで、駆動回路31と圧電アクチュエーター300とを電気的に接続することができるため、高密度に配置された圧電アクチュエーター300の個別配線91及び共通配線92と駆動回路31とを確実に且つ低コストで接続することができる。
ここで、流路形成基板10と駆動回路基板30とを接合する接着層35の製造方法について図9を参照して説明する。
図9(a)に示すように、流路形成基板10の一方面の全面に亘って接着層35となる感光性接着剤135を塗布し、焼成して溶剤成分を揮発させる。その後、感光性接着剤135の上方に開口部201を有するガラスマスク200を配置し、斜め方向から紫外線を照射する。これにより、開口部201によって遮られなかった紫外線が感光性接着剤135に斜めに照射されて、感光性接着剤135の紫外線が斜めに照射された部分が露光される。この斜めに露光された感光性接着剤135が、凹部36の内側面35aとなる。
次に図9(b)に示すように、ガラスマスク200に対して垂直方向から紫外線を照射する。これにより、開口部201によって遮られなかった紫外線が感光性接着剤135に垂直に照射されて、感光性接着剤135の紫外線が垂直に照射された部分が露光される。この垂直に露光された感光性接着剤135が、凹部36の外側面35bとなる。
その後、図9(b)に示すように、感光性接着剤135の露光されていない部分を除去することにより、一方の内側面35aが傾斜し、他方の外側面35bが垂直な方向に形成された接着層35を形成することができる。なお、上述した例では、凹部36を形成する一方の接着層35の製造方法を例示したが、凹部36を形成する他方の接着層35についても上述した例と同様の製造方法によって形成することができる。このように、接着層35を、感光性接着剤135を用いてガラスマスク200でパターニングする、いわゆるフォトレジスト工程を用いることで、接着層35を容易に且つ高精度に形成することができる。また、接着層35をフォトレジスト工程によって高精度に形成することで、接着層35がバンプ32に接触しない位置及び幅で形成することができる。
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4に示すように、複数の圧力発生室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。
なお、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。
また、連通板15の第1マニホールド部17及び第2マニホールド部18が開口する面には、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の液体噴射面20a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。
なお、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の流路形成基板10とは反対側の面を露出して図示しない外部配線が挿通される接続口43が設けられており、接続口43に挿入された外部配線が駆動回路基板30と電気的に接続されている。
このような構成のインクジェット式記録ヘッド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31からの信号に従い、圧力発生室12に対応する各圧電アクチュエーター300に電圧を印加することにより、圧電アクチュエーター300と共に振動板50をたわみ変形させる。これにより、圧力発生室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。
(実施形態2)
図10は、本発明の実施形態2に係るヘッドの要部断面図である。なお、上述した実施形態1と同様の部材には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。
図10に示すように、本実施形態の接着層35は、凹部36の内側面35a、すなわち、バンプ32側の内側面35aが第3の方向Zに対して傾斜して設けられており、外側面35cが内側面35aと同じ方向に傾斜して設けられている。
このような接着層35では、流路形成基板10との接着面積は、内側面及び外側面を第3の方向Zに沿って、すなわち、流路形成基板10の表面に対して垂直面で形成した場合と同じであるが、接着層35と流路形成基板10との接合位置が、バンプ32に近くなる。したがって、凹部36内において流路形成基板10及び駆動回路基板30の反りを抑制して、バンプ32と個別配線91及び共通配線92との接続不良を抑制することができる。
なお、本実施形態においても、上述した実施形態1の図7及び図8と同様に、隣り合うバンプ32の間に接着層35を設けないようにしてもよく、隣り合うバンプ32の間に接着層35を延設した延設部37を設けるようにしてもよい。
(他の実施形態)
以上、本発明の各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。
上述した実施形態1及び2では、バンプ32を駆動回路基板30に設けるようにしたが、特にこれに限定されず、バンプ32を流路形成基板10に設けるようにしてもよい。この場合には、第3の方向Zにおいてバンプ32に相対向する接着層35は、駆動回路基板30側に設けるようにすればよい。また、バンプ32及び接着層35が設けられる流路形成基板10上の個別配線91及び共通配線92は、例えば、圧電アクチュエーター300の圧電体層70を延設し、延設した圧電体層70上に設けるようにしてもよい。これにより、駆動回路基板30に凹部等を設けることなく、駆動回路基板30と流路形成基板10との間の保持部38の第3の方向Zの高さを確保することができ、圧電アクチュエーター300が変位した際に駆動回路基板30に当接するのを抑制することができる。また、保持部38の高さを確保するために、バンプ32を大きく形成することや接着層35の幅を広く形成する必要がなく、バンプ32及び接着層35の設置面積を減少させてコストの低減及び小型化を図ることができる。
また、上述した実施形態1及び2では、バンプ32として、弾性可能な樹脂材料のコア部33と、コア部33の表面に設けられた金属膜34とを用いるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、バンプ32として、内部のコア部も金属で形成されたバンプを用いるようにしてもよい。このように、コア部が金属で形成されたバンプを用いた場合には、バンプが変形可能なように、比較的柔らかい材料を用いるのが好ましく、例えば、ハンダや金(Au)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)等を用いることができる。
さらに、上述した実施形態1及び2では、第1電極60を各能動部の個別電極とし、第2電極80を複数の能動部の共通電極としたが、特にこれに限定されず、例えば、第1電極を複数の能動部の共通電極とし、第2電極を各能動部の個別電極としてもよい。さらに、上述した実施形態1及び2では、振動板50が弾性膜51及び絶縁体膜52で構成されたものを例示したが、特にこれに限定されるものではなく、例えば、振動板50として弾性膜51及び絶縁体膜52の何れか一方を設けたものであってもよく、また、振動板50として、その他の膜を有するものであってもよい。さらに、振動板50として弾性膜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、圧電アクチュエーター300自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。
また、上述した実施形態1及び2では、駆動回路基板30の流路形成基板10に相対向する面側に駆動回路31を設けるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、駆動回路基板30の流路形成基板10とは反対側の面に駆動回路31を設けるようにしてもよい。この場合、バンプ32と駆動回路31とは、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貫通電極、例えば、シリコン貫通電極(TSV)を設け、貫通電極を介して駆動回路31とバンプ32とを接続するようにしてもよい。
さらに、上述した実施形態1及び2では、駆動回路31が半導体プロセスによって形成された駆動回路基板30を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、駆動回路基板30には、トランスミッションゲート等のスイッチング素子が設けられていなくてもよい。すなわち、駆動回路基板30は、スイッチング素子が設けられておらず、スイッチング素子が設けられた駆動回路が実装される配線が設けられたものであってもよい。つまり、駆動回路基板30とは、必ずしも駆動回路31が半導体プロセスによって一体的に形成されたものに限定されるものではない。
また、上述した実施形態1及び2では、駆動回路31と共通配線92とを接続するバンプ32の第2の方向Yの両側にも接着層35を設けるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、共通配線92と接続されるバンプ32の両側には、接着層35を設けないようにしてもよい。このような場合であっても、上述した実施形態1及び2では、共通配線92と接続されるバンプ32の第2の方向Yの両側には、個別配線91と接続されるバンプ32の両側に接着層35が設けられているため、バンプ32と共通配線92とは接着層35がなくても確実に接続することができる。
さらに、上述した実施形態1及び2では、駆動回路基板30は流路形成基板10側の面が平坦面となる平板状のものを例示したが、特にこれに限定されず、例えば、駆動回路基板30の流路形成基板10側の面の圧電アクチュエーター300に対向する領域に凹部を設けるようにしてもよい。これにより、圧電アクチュエーター300と駆動回路基板30との間隔を広げて、圧電アクチュエーター300が変位した際に駆動回路基板30と当接するのを抑制することができる。ちなみに、駆動回路基板30に凹部を形成するには、駆動回路基板30を削ることにより形成してもよく、駆動回路基板30に凹部が形成されるように凸部を樹脂や成膜等によって形成してもよい。なお、駆動回路基板30を削ることで凹部を形成する場合には、駆動回路31を凹部の底面に一体的に形成するのは困難であることから、駆動回路31を流路形成基板10とは反対面側に一体的に形成するのが好ましい。また、凹部は、2列の圧電アクチュエーター300に対して1つの共通する凹部を設けるようにしてもよく、圧電アクチュエーター300の列毎に凹部を設けるようにしてもよい。
また、上述した実施形態1及び2では、1つの流路形成基板10に対して1つの駆動回路基板30を設けるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、圧電アクチュエーター300の列毎に独立して駆動回路基板30を設けるようにしてもよい。ただし、上述した実施形態1のように、1つの流路形成基板10に対して1つの駆動回路基板30を設けた方が、部品点数を減少させることができると共に、共通配線92と駆動回路基板30との接続を2列の圧電アクチュエーター300に共通して行うことができ、接続箇所を減少させることができる。したがって、上述した実施形態1のように1つの流路形成基板10に対して1つの駆動回路基板30を設けた方がコストを低減して小型化することができる。
さらに、上述した実施形態1及び2では、圧電アクチュエーター300の列が第2の方向Yに2列設けられた構成を例示したが、圧電アクチュエーター300の列の数は特にこれに限定されず、1列であっても、また、3列以上であってもよい。
また、これら実施形態のインクジェット式記録ヘッド1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インクジェット式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11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11に示すインクジェット式記録装置Iにおいて、インクジェット式記録ヘッド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、インクジェット式記録ヘッド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、インクジェット式記録ヘッド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、インクジェット式記録ヘッド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、インクジェット式記録ヘッド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、貯留手段とインクジェット式記録ヘッド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MEMSデバイスを対象としたものであり、ヘッド以外のMEMSデバイスにも適用することができる。MEMS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MEMS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、MEMS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(ヘッド)、 10 流路形成基板(第2の基板)、 15 連通板、 20 ノズルプレート、 20a 液体噴射面、 21 ノズル、 30 駆動回路基板(第1の基板)、 31 駆動回路、 31a 端子、 32 バンプ、 33 コア部、 34 金属膜(第1の電極)、 35 接着層、 36 凹部、 37 延設部、 38 保持部、 40 ケース部材、 45 コンプライアンス基板、 50 振動板、 60 第1電極、 70 圧電体層、 80 第2電極、 91 個別配線(第2の電極)、 92 共通配線、 100 マニホールド、 300 圧電アクチュエーター(ピエゾ素子)

Claims (5)

  1. 第1の電極を含むバンプが設けられた第1の基板と、
    感光性樹脂で形成された接着層によって形成された凹部の底面に第2の電極が設けられた第2の基板と、を具備し、
    前記第1の基板と前記第2の基板とが前記接着層によって接合されており、
    前記第1の電極は、前記バンプが前記凹部に挿入することで、前記第2の電極と電気的に接続され、
    前記バンプが、前記凹部に挿入する方向において、前記バンプの一部と前記凹部を形成する前記接着層とがオーバーラップしていることを特徴とするMEMSデバイス。
  2. 前記バンプが、弾性を有するコア部と、該コア部の表面に設けられた金属膜と、を有することを特徴とする請求項1記載のMEMSデバイス。
  3. 前記第1の基板には、前記第1の電極が複数設けられていると共に、前記バンプの前記コア部は、前記第1の電極毎に独立して設けられており、互いに隣り合う前記コア部の間には、前記接着層が設けられていることを特徴とする請求項2記載のMEMSデバイス。
  4. 請求項1〜の何れか一項に記載のMEMSデバイスの前記第2の基板には、ノズルに連通する圧力発生室が形成されており、当該第2の基板の前記第1の基板側には、前記第2の電極に接続されて前記圧力発生室内の液体に圧力変化を生じさせるピエゾ素子が接続されていることを特徴とするヘッド。
  5. 請求項に記載のヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。
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