(57)【要約】【課題】  ワイヤボンディング時の加熱温度が比較的低くてもリード電極と接続配線とを十分なボンディング強度で確実に接続できて信頼性を向上することができるアクチュエータ装置及び液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置を提供する。【解決手段】  圧電素子３００から圧力発生室１２の周壁に対向する領域まで延設された金属からなるリード電極９０を有し、リード電極９０の少なくともボンディングワイヤからなる接続配線１２０が接続される接続領域９０ａでは、金属の平均結晶粒面積が９０×１０-３μｍ２以上となっている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力発生室を有する基板と、該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を具備するアクチュエータ装置において、
前記圧電素子から前記圧力発生室の周壁に対向する領域まで延設された金属からなるリード電極を有し、該リード電極の少なくともボンディングワイヤからなる接続配線が接続される接続領域では、金属の平均結晶粒面積が９０×１０-３μｍ２以上であることを特徴とするアクチュエータ装置。
【請求項２】
請求項１のアクチュエータ装置の前記基板の他方面側に、前記圧力発生室に連通するノズル開口を有するノズルプレートが接合されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項３】
請求項２において、前記基板と前記ノズルプレートとが熱膨張係数の異なる材料からなることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項４】
請求項２又は３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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤボンディングにより駆動ＩＣとの電気的な接続が行われる圧電素子を具備するアクチュエータ装置及び液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電材料層に電圧を印加することにより変位させる圧電素子を具備するアクチュエータ装置は、例えば、液体噴射ヘッド等に搭載される。また、この液体噴射ヘッドとしては、例えば、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が知られている。
【０００３】
また、このようなアクチュエータ装置には、圧電素子を駆動するための駆動ＩＣ（半導体集積回路）等が必要となる。例えば、インクジェット式記録ヘッドにおいては、圧力発生室が形成された流路形成基板に接合される基板、例えば、リザーバ形成基板上に駆動ＩＣが搭載され、各圧電素子から引き出されたリード電極と駆動ＩＣとをボンディングワイヤからなる接続配線によってワイヤボンディング接続する構造が採用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ここで、このようなワイヤボンディング時の加熱温度は、例えば、約１５０℃〜２００℃程度とするのが一般的である（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、このような加熱条件で駆動ＩＣとリード電極とをワイヤボンディングによって接続すると、例えば、ヘッドが熱膨張係数の異なる部材からなる場合には、熱によってヘッドが破壊されるという問題がある。また、ヘッドが破壊されない加熱温度、例えば、約７０℃以下と比較的低い加熱温度でワイヤボンディングを行うと、リード電極と接続配線とのボンディング強度（ワイヤプル強度）が低下する傾向があり、所望のボンディング強度を確保できないという問題がある。なお、このような問題は、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドだけでなく、インク以外の液体を噴射する電極材料噴射ヘッド、生体有機物噴射ヘッド等の液体噴射ヘッドや、このような液体噴射ヘッドに搭載されるアクチュエータ装置においても同様に存在する。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１６０３６６号公報（第６頁、第１−２図）
【特許文献２】特開２０００―１２５９７号公報（第２頁、段落［０００３］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑み、ワイヤボンディング時の加熱温度が比較的低くてもリード電極と接続配線とを十分なボンディング強度で確実に接続できて信頼性を向上することができるアクチュエータ装置及び液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、圧力発生室を有する基板と、該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を具備するアクチュエータ装置において、前記圧電素子から前記圧力発生室の周壁に対向する領域まで延設された金属からなるリード電極を有し、該リード電極の少なくともボンディングワイヤからなる接続配線が接続される接続領域では、金属の平均結晶粒面積が９０×１０-３μｍ２以上であることを特徴とするアクチュエータ装置にある。
かかる第１の態様では、ワイヤボンディング時の加熱温度が比較的低くても、リード電極と接続配線とが十分なボンディング強度で接続される。
【０００８】
本発明の第２の態様は、第１の態様のアクチュエータ装置の前記基板の他方面側に、前記圧力発生室に連通するノズル開口を有するノズルプレートが接合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、ノズル開口から液体を噴射する液体噴射ヘッドが比較的容易に実現される。
【０００９】
本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記基板と前記ノズルプレートとが熱膨張係数の異なる材料からな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、ワイヤボンディング時の加熱温度が約１００℃以下でもリード電極と接続配線とを十分なボンディング強度で接合できるため、ヘッドの破壊が確実に防止される。
【００１０】
本発明の第４の態様は、第２又は３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４の態様では、信頼性を向上した液体噴射装置が比較的容易に実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
（実施形態１）
図１は、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、実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図及びそのＡ−Ａ’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、その一方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弾性膜５０が設けられている。
【００１３】
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形成され、隔壁１１によって区画された複数の圧力発生室１２が並設されている。また、圧力発生室１２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、この連通部１３は各圧力発生室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。
【００１４】
ここで、異方性エッチングは、シリコン単結晶基板のエッチングレートの違いを利用して行われる。例えば、本実施形態では、シリコン単結晶基板をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度をなし且つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現し、（１１０）面のエッチングレートと比較して（１１１）面のエッチングレートが約１／１８０であるという性質を利用して行われる。かかる異方性エッチングにより、二つの第１の（１１１）面と斜めの二つの第２の（１１１）面とで形成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行うことができ、圧力発生室１２を高密度に配列することができる。
【００１５】
本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で形成している。この圧力発生室１２は、流路形成基板１０をほぼ貫通して弾性膜５０に達するまでエッチングすることにより形成されている。ここで、弾性膜５０は、シリコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵される量がきわめて小さい。また各圧力発生室１２の一端に連通する各インク供給路１４の断面積は、圧力発生室１２のそれより小さく形成されており、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。
【００１６】
このような流路形成基板１０の厚さは、圧力発生室１２の配列密度に合わせて最適な厚さを選択すればよく、圧力発生室１２の配列密度が、例えば、１インチ当たり１８０個（１８０ｄｐｉ）程度であれば、流路形成基板１０の厚さは、２２０μｍ程度であればよいが、例えば、２００ｄｐｉ以上と比較的高密度に配列する場合には、流路形成基板１０の厚さは１００μｍ以下と比較的薄くするのが好ましい。これは、隣接する圧力発生室１２間の隔壁１１の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。
【００１７】
また、流路形成基板１０の開口面側には、圧力発生室１２等を異方性エッチングする際のマスクパターンとなる二酸化シリコン膜５１を介して、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に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、シリコン単結晶基板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。
ここで、インク滴吐出圧力をインクに与える圧力発生室１２の大きさと、インク滴を吐出するノズル開口２１の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出スピード、吐出周波数に応じて最適化される。例えば、１インチ当たり３６０個のインク滴を記録する場合、ノズル開口２１は数十μｍの直径で精度よく形成する必要がある。
【００１８】
一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように、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、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、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層７０と、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。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。
【００１９】
このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、圧電素子３００に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保可能な圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が接着剤３５によって接着されている。これにより、圧電素子３００は、圧電素子保持部３１内に形成されているため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護されている。
【００２０】
また、このような保護基板３０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３２が設けられている。このリザーバ部３２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、弾性膜５０及び絶縁体膜５５に設けられた連通孔を介して流路形成基板１０の連通部１３と連通され、各圧力発生室１２の列毎の共通のインク室となるリザーバ１００をそれぞれ構成している。なお、このような保護基板３０としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等が挙げられるが、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることがより好ましく、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、このような保護基板３０の圧電素子保持部３１とリザーバ部３２との間の領域には、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。
【００２１】
そして、このような保護基板３０の貫通孔３３内には、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０がそれぞれ露出されている。このリード電極９０は、各圧電素子３００の個別電極である各上電極膜８０から引き出され、例えば、チタンタングステン合金（ＴｉＷ）からなり一端がインク供給路１４に対向する領域まで延設される密着層９１と、この密着層９１上に設けられ、例えば、金（Ａｕ）からなる金属層９２とを有する。
【００２２】
一方、保護基板３０の表面、すなわち、圧電素子保持部３１側とは反対側の面上には、圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ１１０（半導体集積回路）が実装されている。そして、各圧電素子３００と駆動ＩＣ１１０とは、各圧電素子３００から貫通孔３３内に引き出されたリード電極９０とボンディングワイヤからなり貫通孔３３内に延設される接続配線１２０とによって電気的に接続されている。例えば、本実施形態では、熱と超音波とを併用しながら接合を行う、いわゆる熱併用超音波接合により金（Ａｕ）からなる接続配線１２０とリード電極９０とを電気的に接続した。このようなワイヤボンディング時の加熱温度は、例えば、約１５０℃〜２００℃程度とするのが一般的であるが、熱によるヘッドの破壊を防止するためには、好ましくは約１００℃以下、さらに好ましくは、約７０℃以下とするのがよい。
【００２３】
ここで、上述したように、リード電極９０は、保護基板３０の貫通孔３３内に引き出されて露出されており、この貫通孔３３内に露出された部分が、駆動ＩＣ１１０に一端が接続された接続配線１２０の他端がワイヤボンディングによって接続される接続領域９０ａとなっている。そして、本発明では、このようなリード電極９０の少なくとも接続領域９０ａでは、リード電極９０を形成する金属の平均結晶粒面積が９０×１０-３μｍ２以上となっている。
【００２４】
このように、リード電極９０の接続領域９０ａの平均結晶粒面積を９０×１０-３μｍ２以上とすることにより、リード電極９０（金属層９２）と接続配線１２０とを十分なボンディング強度で接続することができる。特に、低温でワイヤボンディングを行う際に有効であり、例えば、ワイヤボンディング時の加熱温度が約７０℃以下と低くても、リード電極９０と接続配線１２０とを十分なボンディング強度で接続することができる。また、ワイヤボンディング時の加熱温度が低くても、リード電極９０と接続配線１２０とを十分なボンディング強度で接続できるため、熱によるヘッドの破壊を確実に防止することができる。なお、このようなリード電極９０の平均結晶粒面積の大きさは、例えば、リード電極９０をスパッタリング法で形成する場合には、基板加熱温度を制御することによって調整することができる。
【００２５】
また、保護基板３０のリザーバ部３２に対応する領域には、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３２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。
【００２６】
以上説明した本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、図示しないインク供給手段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ＩＣ１１０からの駆動信号に従い、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との間に駆動電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、下電極膜６０及び圧電体層７０を変位させることにより、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。
【００２７】
（試験例）
所定基板の一方面上に厚さ約０．１〜０．３μｍのチタンタングステン合金（ＴｉＷ）からなる密着層を形成し、この密着層上に厚さ約１．０〜１．２μｍの金（Ａｕ）からなる金属層を所定の基板加熱温度でスパッタリングにより形成して、得られた平均結晶粒面積の異なる下記表１に示す実施例１及び比較例１〜３のリード電極に対して、ワイヤボンディング時の加熱温度を約６５℃とし、荷重を約１５ｇとした熱併用超音波接合によって金（Ａｕ）からなる接続配線をワイヤボンディングし、リード電極と接続配線とのボンディング強度の測定を行った。ここで、ボンディング強度の測定は、接続配線にフックをかけて鉛直方向上方に引っ張り、破断した時の荷重値を測定するセミスタンダード（ＳＥＭＩＳＴＡＮＤＡＲＤ  Ｇ７３−０９９７）に準じて行った。その結果を下記表１に示す。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
上記表１に示すように、平均結晶粒面積が大きくなるにつれてボンディング強度が高くなることが分かり、平均結晶粒面積が９０×１０-３μｍ２以上の実施例１が最もボンディング強度が高かった。また、ヘッドの信頼性の面では、リード電極と接続配線とが３．０ｇ以上のボンディング強度で接続されているのが好ましく、この条件を満たすものは、実施例１だけであった。この結果から、リード電極の平均結晶粒面積を９０×１０-３μｍ２以上とすることにより、ワイヤボンディング時の加熱温度が約６５℃と比較的低くても、リード電極と接続配線とを十分なボンディング強度で確実に接続することができる。
【００３０】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、上電極膜８０の面上から引き出されたリード電極９０と接続配線１２０とを電気的に接続した場合について説明したが、これに限定されず、下電極膜から保護基板の貫通孔内にリード電極を引き出し、そのリード電極と接続配線とを電気的に接続する場合に本発明を適用するようにしてもよい。また、密着層の材料としてチタンタングステン合金を用い、密着層上の金属層の材料として金を用いて説明したが、この他の金属を利用することも可能である。さらに、上述の実施形態では、成膜及びリソグラフィプロセス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。
【００３１】
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３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３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上に搬送されるようになっている。
【００３２】
また、本発明は、圧力発生室を有する基板と、この基板の一方面側に振動板を介して設けられて圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子とを具備するアクチュエータ装置の全般を対象としたものである。上述した実施形態においては、このようなアクチュエータ装置の一例として、基板の他方面側に圧力発生室に連通するノズル開口を有するノズルプレートが接合されたインクジェット式記録ヘッドを例示して説明したが、勿論、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも本発明を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。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。
【図２】実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【図３】一実施形態に係る記録装置の概略図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  流路形成基板、  １２  圧力発生室、  １３  連通部、  １４  インク供給路、  ２０  ノズルプレート、  ２１  ノズル開口、  ３０  保護基板、  ３１  圧電素子保持部、  ３２  リザーバ部、  ３５  接着剤、  ４０  コンプライアンス基板、  ５０  弾性膜、  ６０  下電極膜、  ７０  圧電体層、  ８０  上電極膜、  ９０  リード電極、  ９１  密着層、  ９２  金属層、  １００  リザーバ、１１０  駆動ＩＣ、  １２０  接続配線、  ３００  圧電素子
【図１】
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【図２】
2005153370.tif 000005
【図３】
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