JP4771042B2 - 圧電素子搭載装置、およびこれを用いた液滴吐出装置、画像出力装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子搭載装置、およびこれを用いた液滴吐出装置、画像出力装置に関する。

圧電素子（電歪素子）は、電気信号により変形・振動する素子、あるいは外力による変形・振動によって電気信号を発生する素子である。こうした圧電素子を搭載した装置の例として、特許文献１、特許文献２に記載されたものがある。

特許文献１には、圧電素子を搭載した圧電／電歪膜型アクチュエータの例が記載されている。図１６（ａ）は、このアクチュエータの構成を示す斜視図である。この圧電／電歪膜型アクチュエータは、薄肉基板６１、中間層６２、圧電／電歪膜６３、電極膜６４、電極取り出し部６５により構成されている。圧電／電歪膜６３は、電極膜６４と中間層６２との間に設置されており、図示されていない外部機器との接続は、それぞれ電極膜６４に対してはリード線を用い、中間層６２に対しては薄肉基板６１を経由して電極取り出し部６５を用いて接続している。そして、外部機器より出力された電気信号が、それぞれ電極膜６４および中間層６２に印加されることにより、圧電／電歪膜６３が変形・振動する。

図１６（ｂ）は、同文献記載の圧電／電歪膜型アクチュエータをインクジェットプリントヘッドへ適用した構成を示す斜視図である。このインクジェットプリントヘッド６０は、薄肉基板６１、中間層６２、圧電／電歪膜６３、電極膜６４、電極取り出し部６５、凹溝６６、隔壁６７により構成されている。薄肉基板６１より上の部分は、図１６（ａ）と同様の構成となっている。薄肉基板６１の下には凹溝６６、および隔壁６７が設置されている。

特許文献２には、圧電素子を搭載した圧電・電歪アクチュエータの例が記載されている。図１８は、この圧電・電歪アクチュエータの構成を示す平面図である。この圧電・電歪アクチュエータは、フレキシブルプリント配線基板７１、バンプ７８、電気配線７９、アクチュエータ素子７４により構成されている。

図１９は、図１８の圧電・電歪アクチュエータにおけるＸ−Ｘ’部分の断面図である。この圧電・電歪アクチュエータは、コア材７２、接合材７３、アクチュエータ素子７４、信号電極７５、共通電極７６、ステンレス薄板７７ａ、７７ｂにより構成されている。
特開平１１−１９１６４５号公報 特開２００３−６９１０３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の圧電／電歪膜型アクチュエータおよび特許文献２に記載の圧電／電歪アクチュエータを複数配置して、それぞれの動作を制御するためには、それぞれの圧電素子について別途トランジスタを含むスイッチング回路を設ける必要がある。このため、部品点数が増大することが避けられず、装置の小型化を図ることが困難であった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、圧電素子搭載装置の小型化を図ることにある。

本発明によれば、フレキシブル基板と、フレキシブル基板に設けられている圧電素子と、フレキシブル基板に設けられ、圧電素子と接続され、スイッチング素子として機能する薄膜トランジスタと、
を備える圧電素子搭載装置が提供される。

この発明において、薄膜トランジスタは圧電素子のスイッチング素子として機能し、薄膜トランジスタがオン状態のとき圧電素子が動作可能となる。したがって、フレキシブル基板に複数の圧電素子を配置した構成においては、上記薄膜トランジスタは、動作可能な圧電素子を選択するスイッチング素子として機能する。

本発明においては、上記のようにフレキシブル基板に圧電素子が設けられており、フレキシブル基板自体が振動板として機能する。圧電素子を駆動したとき、この圧電素子と一体化したフレキシブル基板が振動することとなる。すなわち、フレキシブル基板を振動板として機能させているため、この点で装置の小型化が図られる。

また本発明においては、上記フレキシブル基板に、圧電素子のスイッチング素子となる薄膜トランジスタを設けている。このため、フレキシブル基板の外部にスイッチング回路を設ける通常の構成に比べ、装置を小型化することができる。

また、本発明によれば、液体を格納する液体格納部と、液体格納部に格納されている液体に圧力を加え得るように構成されている圧電素子搭載装置と、を備え、この圧電素子搭載装置は上記の圧電素子搭載装置である液滴吐出装置が提供される。

さらに、本発明によれば、液滴を飛翔させて画像出力を行う画像出力装置であって、上記の液滴吐出装置を備える画像出力装置が提供される。

本発明によれば、液滴を吐出する圧力を加える圧電素子搭載装置として、上述の構成のものを用いている。このため、装置全体を小型化することができる。

本発明によれば、圧電素子および薄膜トランジスタをフレキシブル基板に設ける構成を採用しているため、装置全体を小型化することができる。

本発明に係る圧電素子搭載装置において、上記圧電素子は、フレキシブル基板にマトリクス状に複数配置されていてもよい。この構成によれば、フレキシブル基板上において、複数の圧電素子と外部回路との間の電気信号の授受を、薄膜トランジスタからなるスイッチング素子により、それぞれ個別に制御できる。

また、この圧電素子搭載装置は、フレキシブル基板を支持する支持部材をさらに備え、フレキシブル基板のうち、支持部材により支持される箇所に挟まれた領域に、圧電素子が設けられているように構成されていてもよい。この構成においては、支持部材により支持される箇所に挟まれた可動領域と圧電素子の動作とが連動し、当該可動領域が振動板として機能する。このため、支持部材によりフレキシブル基板を安定配置しつつ、支持部材間に振動板として機能する領域が確保されるので、小さいスペースを有効活用した装置構成を実現することができる。

さらに、この薄膜トランジスタは、フレキシブル基板のうち、支持部材により支持される箇所に設けられていてもよい。

本発明においては、フレキシブル基板が振動板として機能するため、薄膜トランジスタをフレキシブル基板に設けるにあたっては、薄膜トランジスタの動作信頼性が損なわれないように配慮することが重要な技術的課題となる。上記構成においては、フレキシブル基板のうち支持部材により支持される動作の少ない箇所に薄膜トランジスタが設けられているため、薄膜トランジスタの破損が効果的に抑制される。

本発明において、フレキシブル基板は薄化処理されたものであってもよい。薄化されて柔軟性が向上したフレキシブル基板は、振動板として良好に機能する。

本発明において、薄膜トランジスタは、フレキシブル基板の内部に設けてもよい。こうすることにより、フレキシブル基板全体の厚みを低減できる上、薄膜トランジスタの動作信頼性を向上させることができる。

本発明の圧電素子搭載装置は、圧電素子に接して設けられた、フレキシブル基板とは別の振動板をさらに備えてもよい。また、本発明の圧電素子搭載装置は、圧電素子に電気信号を送信し、圧電素子の動作を制御する回路をさらに備え、薄膜トランジスタは、圧電素子とこの回路との間において、スイッチング素子として機能するように構成してもよい。

また、本発明の圧電素子搭載装置は、圧電素子から電気信号を受信し、圧電素子の動作を読取る回路をさらに備え、薄膜トランジスタは、圧電素子とこの回路との間において、スイッチング素子として機能するように構成してもよい。この構成によれば、回路からの信号により、それぞれの圧電素子に対応するスイッチング素子のＯＮ、ＯＦＦを制御し、それぞれの圧電素子の動作により生じる電気信号を、個別に読み取ることができる。このため、圧電素子から生じる電気信号を精度よく読み取ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

<実施形態１>
図１は、本実施形態に係る圧電素子搭載装置（フレキシブル電子デバイス１０）の構成を示す斜視図である。フレキシブル電子デバイス１０は、フレキシブル基板１、圧電素子２、支持台１５により構成される。圧電素子２は、フレキシブル基板１のうち、支持台１５に支持されている箇所に囲まれた領域の表面上に設けられている。すなわち、フレキシブル基板１のうち圧電素子２直下の領域は、支持台１５に支持されていない。また、圧電素子２は、フレキシブル基板１の表面上に、マトリクス状に複数配置され、その動作がアクティブマトリクス方式により制御されるようになっている。なお、圧電素子２には、電歪素子が含まれるものとする。

なお、図示しないが、フレキシブル基板１の内部には、後述するように、薄膜トランジスタを含む回路が形成されている。そして、この薄膜トランジスタは、フレキシブル基板１のうち支持台１５に支持されている箇所に設けられている。

図２は、図１におけるフレキシブル電子デバイス１０の一部を示す拡大断面図である。支持台１５の上にフレキシブル基板１が設置され、フレキシブル基板１の上面に複数の圧電素子２が設置されている。圧電素子２の両端面には、信号電極９と共通電極１１とが、それぞれ電気接続点４ａ、４ｂを介して電気的に接続されている。

図３は、図１におけるフレキシブル基板１の積層構造を示す拡大断面図である。フレキシブル基板１は、絶縁基板６と、絶縁基板６上に形成されている薄膜トランジスタ回路５とにより構成される。

フレキシブル基板１は、図４のように、絶縁基板６と、絶縁基板６上に形成されている薄膜トランジスタ回路５と、絶縁基板６のうち薄膜トランジスタ回路５が形成されている面とは反対側の面に積層されているフィルム７とを含む構成としてもよい。

図５は、図１における圧電素子２の構成を示す断面図である。圧電素子２は、圧電・電歪材料８と信号電極９と共通電極１１とが積層されてなる。圧電・電歪材料８は、信号電極９と共通電極１１とに挟まれるように積層されている。すなわち、圧電素子２は、圧電・電歪材料８が、対向する面から伸びる信号電極９と共通電極１１とに互い違いに挟まれる、ジグザグ状の積層構造を備える。

圧電・電歪材料８は、上記信号電極９と共通電極１１との間で発生した電界により、自身が変形する材料で構成されている。このような材料としては、たとえばジルコン酸チタン酸鉛セラミックス（以下、適宜ＰＺＴと記載する）が望ましいが、他の材料であっても、所望の変形が可能な材料であればさしつかえない。

図６は、図３における薄膜トランジスタ回路５の一部を拡大して示す斜視図である。この薄膜トランジスタ回路５は、制御信号線９ｃ、データ信号線９ａ、９ｂ、スイッチ回路１２、共通線１３、制御回路１４により構成される。この薄膜トランジスタ回路５において、フレキシブル基板１上に設置されている圧電素子２の信号電極９は、電気接続点４ａを介してデータ信号線９ｂと接続されている。共通電極１１は、共通線１３とそれぞれ電気接続点４ｂにより接続されている。制御信号線９ｃ、データ信号線９ａ、共通線１３はそれぞれ制御回路１４に接続されている。

制御回路１４は、外部機器からの制御信号を受けて、その制御信号自身あるいは新たに生成された制御信号を、制御信号線９ｃへ供給するためのドライバ回路（不図示）を含む。また、制御回路１４は、外部機器からのデータ信号を受けて、そのデータ信号自身あるいは新たに生成されたデータ信号を、データ信号線９ａへ供給するためのドライバ回路（不図示）を含む。また、制御回路１４は、共通線に任意の電圧を安定して供給するための電源回路（不図示）を含む。

図７は、図３における薄膜トランジスタ回路５の一部を示す回路図である。この回路図のうち、スイッチ回路１２には、制御信号線９ｃとデータ信号線９ａとデータ信号線９ｂとがそれぞれ接続されている。そして、スイッチ回路１２は、制御信号線９ｃを経由してスイッチ回路１２へ転送された制御信号により、データ信号線９ａとデータ信号線９ｂとを導通、あるいは非導通状態に制御する機能を有する。

図８は、図３における薄膜トランジスタ回路５の一部を示す断面図である。スイッチ回路１２には、薄膜トランジスタ１６が含まれている。データ信号線９ｂは、圧電素子２の電気接続点４ａに接続されている。共通線１３は、圧電素子２の電気接続点４ｂに接続されている。

電気接続点４ａ、４ｂは、薄膜トランジスタ回路５に含まれるデータ信号線９ｂおよび共通線１３と、圧電素子２の信号電極９および共通電極１１と、をそれぞれ電気的に接続するための手段であり、球状はんだにより構成される。これにより、圧電素子２へデータ信号を確実に転送し所望の動作をさせること、多数の圧電素子２に対して確実に電気接続を行うことができる。

また、上記のスイッチ回路１２は、図７あるいは図８に示した構成以外にも、入力されたデータ信号を増幅する手段を有する別の構成でも良い。この場合、フレキシブル電子デバイス１０に対して外部機器から入力されるデータ信号は、より小さい振幅の信号で構わない。この構成によれば、外部機器に大出力の増幅回路を設ける必要性が低減され、低コスト化を図ることができる。また、フレキシブル基板１上の配線を通過する際の振幅が小さくなり、低消費電力化も実現できる。このため、たとえば電池で駆動する携帯機器に好適に適用される。

また、上記のデータ信号は圧電素子２の変位を規定するものであるが、圧電素子２の変位が駆動時と非駆動時の２つの状態で構わない場合は、入力するデータ信号は２値のデジタル信号であればよい。圧電素子２の変位を経時的に変化させる必要がある場合には、アナログ信号を圧電素子２に供給してもよい。

本実施形態に係るフレキシブル電子デバイス１０の動作について以下に述べる。

図６に示す制御回路１４に外部機器からの制御信号およびデータ信号が転送されると、制御回路１４内で、制御信号線９ｃに制御信号が供給され、データ信号線９ａにデータ信号が供給される。制御信号は、制御信号線９ｃを経由して接続されているスイッチ回路１２に転送されると、スイッチ回路１２がオン状態となってデータ信号線９ａとデータ信号線９ｂとが導通状態となる。これにより、圧電素子２内の信号電極９にデータ信号が供給される。

図９は、図１におけるフレキシブル電子デバイス１０の動作を説明するための断面図である。圧電素子２にデータ信号が供給されると、圧電素子２に含まれる圧電・電歪材料は、圧電素子２内に発生した電界により変形する。その結果、圧電素子２全体も変形するため、圧電素子２の変形に連動してフレキシブル基板１は、支持台１５を支点とした上下方向の振動動作を行う。

このとき、圧電素子２は、フレキシブル基板１のうち支持台１５に支持されている箇所に挟まれた領域に設けられているため、圧電素子２の動作がフレキシブル基板１に直接伝達され、フレキシブル基板１の可動領域が振動する。また、薄膜トランジスタは、フレキシブル基板１のうち支持台１５に支持されている箇所に設けられているため、上下方向の振動動作による破損が抑制される。

本実施形態に係るフレキシブル基板の製造方法について以下に述べる。

図１０は、図３におけるフレキシブル基板１の製造プロセスを説明するための工程断面図である。この工程断面図は、ガラス基板上にポリシリコンを用いて薄膜トランジスタ回路５を製造するプロセスを表している。

はじめに、ガラス基板１００上に、酸化シリコン膜１０１を形成した後、アモルファスシリコン膜１０２を成長させる。ここに酸化シリコン膜１０１は、ガラス基板１００と、アモルファスシリコン膜１０２との間に介在することにより、ガラス基板１００がアモルファスシリコン膜１０２に与える影響を軽減するための層である。次に、エキシマレーザを用いてアニールし、アモルファスシリコンをポリシリコン化させる（図１０（ａ））。

次に、フォトレジストを形成し、フォトレジストを露光、現像してレジストパターンを形成する。そして、レジストパターンをマスクとして、エッチングプロセスにより、ポリシリコン膜１０２をパターニングする（図１０（ｂ））。

さらに、フォトレジスト１０３を塗布後、フォトレジスト１０３を露光、現像してパターニングする。そして、パターニングされたフォトレジスト１０３をマスクとして、リン（Ｐ）をドーピングすることにより、ｎチャネルのソースとドレイン領域（不図示）を形成する（図１０（ｃ））。

次に、膜厚がたとえば９０ｎｍの酸化シリコン膜１０４を成長させた後、たとえばマイクロクリスタルシリコン（μ−ｃ−Ｓｉ）、タングステンシリサイド（ＷＳｉ）で構成された層を成長させる。そして、この層をパターニングすることによりゲート電極１０５を形成する（図１０（ｄ））。

次に、フォトレジスト１０６を塗布した後、フォトレジスト１０６を露光、現像して、フォトレジスト１０６がｎチャネル領域をマスクするようにパターニングする。そして、パターニングされたフォトレジスト１０６をマスクとして、ボロン（Ｂ）をドーピングし、ｐチャネルのソース領域とドレイン領域（不図示）とを形成する（図１０（ｅ））。

次に、酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜で形成された層間膜１０７を積層する（図１０（ｆ））。その後、上記層間膜１０７中に設けられ、ポリシリコン膜１０２またはゲート電極１０５に達するコンタクトホール１０８を形成する（図１０（ｇ））。

次に、アルミニウムあるいはクロムなどで形成された電極層１０９を、たとえばスパッタリング法で形成し、所定の形状にパターニングを行う（図１０（ｈ））。

このようにして、ｎチャネルＴＦＴ、ｐチャネルＴＦＴ、容量素子を備えるフレキシブル基板１を作製する。本実施形態では、ポリシリコン膜の形成に、エキシマレーザを用いるが、他のレーザ、たとえば連続発振するＣＷレーザ等を用いてもよいし、熱処理による固層成長を用いても良い。

このようにして、図１０に示した工程により、ガラス基板１００（絶縁基板６）上にポリシリコンによる薄膜トランジスタ回路５が形成される。

上記のようにして、薄膜トランジスタ回路５が形成された絶縁基板６（ガラス基板１００）を、さらに、たとえばフッ酸と塩酸の混合液に浸す。このとき、薄膜トランジスタ回路５が形成されている面を表面とした場合、裏側から上記混合液に浸すことにより絶縁基板６（ガラス基板１００）をエッチングする。このときのエッチングプロセスの条件については、経済性や生産性を考慮して選ばれることが望ましい。このようにして、エッチングにより絶縁基板６（ガラス基板１００）を薄化処理することにより、フレキシブル基板１全体の厚みを低減し、柔軟性を向上することができる。これにより、フレキシブル基板１は、振動板として良好に機能する。また、フレキシブル基板１の破損が抑制されるため、フレキシブル基板１に設けられている圧電素子および薄膜トランジスタの破損も抑制される。

上記プロセスにより、図３に示すフレキシブル基板１が作製されるが、上記プロセス後に絶縁基板６の薄膜トランジスタ回路５が形成されていない面にフィルム７を張り合わせれば、図４に示すフレキシブル基板１が作製される。

次に、フレキシブル基板１上の薄膜トランジスタ回路５上に、複数の圧電素子２を、たとえば加圧・振動等により設置・固定する。そして、圧電素子２を設置した後、図８に示す圧電素子２の信号電極９とデータ信号線９ｂとを球状ハンダで接続し、共通電極１１と共通線１３とを球状ハンダで接続して、フレキシブル電子デバイス１０（圧電素子搭載装置）を得る。

本実施形態に係るフレキシブル電子デバイス１０の作用効果を以下に述べる。

第一に、フレキシブル電子デバイス１０は、小型化が可能である。すなわち、フレキシブル電子デバイス１０では、フレキシブル基板１の内部に薄膜トランジスタ１６を含む薄膜トランジスタ回路が設けられており、フレキシブル基板１の表面上に圧電素子２が設けられている。このように、必要な素子をフレキシブル基板１上に配置しているため、装置全体を小型化することができる。

また、フレキシブル基板１は、薄化処理を施されているため柔軟性に優れるので、圧電素子２の振動を伝達する手段として良好に機能する。このため、フレキシブル電子デバイス１０は、薄膜トランジスタ回路５をフレキシブル基板１の外部に別途設ける必要がなく、圧電素子２の振動を伝達する手段を別途設ける必要もないので、この点からも装置の小型化が図られる。

また、本実施形態に係るフレキシブル電子デバイス１０は、シリコン加工プロセスを適用した方法により作製することができ、この点からも装置の小型化が図られる。さらに、薄膜トランジスタ回路５をフレキシブル基板１中に埋設する形態で形成でき、デバイスの低背化を図ることができる。

第二に、フレキシブル電子デバイス１０によれば、装置における圧電素子の配置の高密度化および圧電素子の制御の高速化を実現できる。すなわち、フレキシブル電子デバイス１０では、個々の圧電素子２に対応するスイッチング素子を、個々の圧電素子２の近傍に形成するため、圧電素子２とスイッチング素子との間を接続する配線を多数引き回さなくても済む。このため、圧電素子２同士の間隔を狭くすることができるので、大面積のフレキシブル基板１に圧電素子２を高密度に配置できる。また、圧電素子２とスイッチング素子との間の配線距離が短縮されるので、個々の圧電素子２を高速制御することができる。

本実施形態のフレキシブル電子デバイス１０では、薄化処理されたフレキシブル基板１に圧電素子２および薄膜トランジスタ回路５を設けているため、上記の優れた作用効果を得ることができる。こうした効果は、従来技術では実現困難である。たとえば、従来技術の項で述べた特許文献１、２は、圧電素子を制御する回路を別途設ける必要があるため、素子全体が大型化することが避けられなかった。この点、本実施形態では、圧電素子をフレキシブル基板に配置するとともに、かかる配置を実現するため、フレキシブル基板の材料（ガラス等）を好適に選択してシリコンプロセスの適用を可能とし、さらにフレキシブル基板を薄化している。また、薄膜トランジスタの配設位置を最適化している。基板材料としてセラミックスを用いる特許文献１やポリイミドを用いる特許文献２記載の技術では、このような効果を得ることは困難である。

<実施形態２>
図１１は、本実施形態に係る圧電素子搭載装置の構成を示す斜視図である。本実施形態に係る圧電素子搭載装置であるフレキシブル電子デバイス１０は、支持台１５、フレキシブル基板１、圧電素子２、振動板３により構成されている。振動板３を備えている点が実施形態１と異なる。

圧電素子２は、フレキシブル基板１のうち、支持台１５に支持されている箇所に囲まれた領域の表面上に設けられている。すなわち、フレキシブル基板１のうち圧電素子２直下の領域は、支持台１５に支持されていない。また、圧電素子２は、フレキシブル基板１の表面上にマトリクス状に複数配置され、その動作はアクティブマトリクス方式により制御されるようになっている。

なお、図示しないが、フレキシブル基板１の内部には、後述するように、薄膜トランジスタを含む回路が形成されている。そして、この薄膜トランジスタは、フレキシブル基板１のうち支持台１５に支持されている箇所に設けられている。

図１２は、図１１におけるフレキシブル電子デバイス１０の構成を示す断面図である。なお、図１２は、図１１と上下を反転させて記載している。フレキシブル電子デバイス１０は、支持台１５、フレキシブル基板１、圧電素子２、振動板３を含み、圧電素子２の上下の面には信号電極９と共通電極１１とが設けられている。ここで、フレキシブル基板１は、図３に示すように絶縁基板６上に薄膜トランジスタ回路５が形成されているものでも良いし、図４に示すように、薄膜トランジスタ回路５が形成された絶縁基板６のうち、薄膜トランジスタ回路５とは反対側の面にフィルム７が積層されている構成でも良い。

図１３は、図１１における圧電素子２の構成を示す断面図である。圧電素子２は、圧電・電歪材料８、信号電極９、共通電極１１で構成されており、構成要素の材質等は実施形態１と同様である。

図１４は、図１１におけるフレキシブル基板１の一部を示す拡大断面図である。

本実施形態では、図１１におけるフレキシブル基板１中に含まれる薄膜トランジスタ回路５の構成についても、実施形態１と同様である。しかし、本実施形態では、圧電素子２の構成が実施形態１と異なるため、データ信号線９ｂと信号電極９との接続、振動板３（共通線を兼ねる）と共通電極１１との接続は、図１４に示すとおりである。

また、振動板３は、圧電素子２の変形による振動を受けて、自身も振動するプレートである。本実施形態においては、振動板３は、実施形態１における共通線１３の役割を担うため、金属板などの導電性を有する部材からなる。このように導電性を有するため、振動板３は、圧電素子２の電極に電気信号を授受する機能を兼ね備えることとなる。

本実施形態における圧電素子２の動作は、実施形態１で述べたのと同様である。すなわち、実施形態１と同様に、圧電素子２の動作（変形・振動）に連動して、フレキシブル基板１が変形・振動する。また、圧電素子２の動作（変形・振動）に対応して、フレキシブル基板１とは別に設けた振動板３も、同様に変形・振動する。

実施形態２のフレキシブル基板１の製造方法において、圧電素子２や薄膜トランジスタ回路５を製造する点では実施形態１と同様である。実施形態２のフレキシブル電子デバイス１０の製造方法では、振動板３を導入しているため、圧電素子２や薄膜トランジスタ回路５を製造した後の組み立てや電気接続の点で実施形態１と異なる。

フレキシブル電子デバイス１０を製造するには、圧電素子２の両電極を、フレキシブル基板１の薄膜トランジスタ５の接続箇所と、振動板３の表面と、それぞれ接着させる。その際、圧電素子２の共通電極１１の面を、振動板３に対し、たとえば加圧などにより密着させた状態で、フレキシブル基板１の薄膜トランジスタ回路５の接続箇所と接着させる。このとき、データ信号線９ｂと、圧電素子２の信号電極９とが密着するように設置される。

本実施形態に係るフレキシブル電子デバイス１０は、実施形態１で説明したものにくわえ以下の作用効果をさらに有する。すなわち、本実施形態に係るフレキシブル電子デバイス１０では、振動板３は導電性を有するため、圧電素子２に接続する配線としても機能する。このため、圧電素子２のうち薄膜トランジスタ回路５の反対側の面には、別途配線を設ける必要がない。したがって、フレキシブル基板１とは別に振動板３を設けても、フレキシブル電子デバイス１０全体の小型化が可能である。

<実施形態３>
本実施形態は、圧電素子を受動デバイスとして用いる例について示す。本実施形態のフレキシブル電子デバイス１０は、実施形態１と同様に、図１の電子デバイス１０の構成を備える。また、図２のフレキシブル電子デバイス１０の断面構造を備える。

本実施形態のフレキシブル電子デバイス１０は、以下に説明するように、実施形態１の場合と動作方法が異なる。

実施形態１では、圧電素子２は外部から与えられた電気信号によって変形・振動する機能を利用している。一方、本実施形態では、圧電素子２は、外部からの物理的な作用により、圧電素子２自身が変形することにより、電気信号を出力する機能を利用している。すなわち、本実施形態のフレキシブル電子デバイス１０は、上記機能を利用して、外力を電気信号に変換するデバイスである。

すなわち、本実施形態のフレキシブル電子デバイス１０は、圧電素子２を用いた受動デバイスであって、実施形態１または実施形態２の能動デバイスと異なる点は、外部からの物理的作用による圧電素子２の変形・振動が、圧電・電歪材料８へ伝達されたときに発生する電気信号を、図示されていない外部機器へ転送する点である。

図２を用いて、本実施形態の動作について説明する。振動板３に何らかの外力がかかったとき、対面する圧電素子２は、振動板（不図示）が静止している状態と比べて、上記外力に対応する変位で変形する。このとき、圧電素子２から電気接続点４ａ、４ｂを経由して、フレキシブル基板１上の薄膜トランジスタ回路５へ電気信号が出力される。本実施形態のフレキシブル電子デバイス１０の製造方法については、実施形態１のフレキシブル電子デバイス１０の製造方法と同様である。

本実施形態に係るフレキシブル電子デバイス１０の作用効果は、実施形態１の場合と基本的に同様である。能動デバイスと受動デバイスとの違いはあっても、同様の装置構成を備えるので、同様に装置全体の小型化が可能であるためである。

<実施形態４>
本実施形態のフレキシブル電子デバイス１０は、実施形態２と同様に、図１１の電子デバイス１０の構成を備える。また、図１２のフレキシブル電子デバイス１０の断面構造を備える。

本実施形態のフレキシブル電子デバイス１０は、以下に説明するように、実施形態１１の場合と動作方法が異なる。

実施形態２のフレキシブル電子デバイス１０の動作は、圧電素子２が外部から与えられた電気信号によって変形・振動する機能を利用したものである。一方、本実施形態の圧電素子２は、外部からの物理的な作用により、圧電素子２自身が変形することにより、電気信号を出力する機能を行う。すなわち、本実施形態のフレキシブル電子デバイス１０は、上記機能を利用して、外力を電気信号に変換するデバイスである。

図１１を用いて、本実施形態のフレキシブル電子デバイス１０の動作について説明する。振動板３に何らかの外力がかかったとき、対面する圧電素子２は、振動板３が静止している状態と比べて、上記外力に対応する変位で変形する。このとき、圧電素子２から電気接続点を経由して、フレキシブル基板１上の薄膜トランジスタ回路５へ電気信号が出力される。

本実施形態のフレキシブル電子デバイス１０の製造方法については、実施形態２のフレキシブル電子デバイス１０の製造方法と同様である。

本実施形態に係るフレキシブル電子デバイス１０の作用効果は、実施形態２の場合と基本的に同様である。能動デバイスと受動デバイスとの違いはあっても、同様の装置構成を備えるので、同様に装置全体の小型化が可能であるためである。

<実施形態５>
本実施形態は、上記動作を行うフレキシブル電子デバイス１０をインクジェットプリントヘッドに応用したものである。

図１５は、本実施形態に係るインクジェットプリントヘッドの構成を示す断面図である。本実施形態のインクジェットプリントヘッド３０は、フレキシブル電子デバイス１０、インク室／流路３１、圧力室３２、ノズル３３により構成される。

フレキシブル電子デバイス１０は、実施形態１の場合は、図２におけるフレキシブル基板１側が、圧力室３２に接するように設置される。また、実施形態２の場合は、図１２における振動板３側が、圧力室３２に接するように設置される。実施形態１のフレキシブル基板１または実施形態２の振動板３は、それぞれ圧電素子２の動作により、変形・振動するが、その運動を圧力室３２へ伝達するのに適している。

インク室／流路３１は、吐出するインクを圧力室３２へ安定して供給するように構成されている。圧力室３２は、フレキシブル電子デバイス１０内の圧電素子２による変形・振動を、インクへ伝達して、ノズル３３へインクを流すように構成されている。圧力室３２の内壁部分は、効率良く圧力をインクへ伝達するために剛性が高い材料を用いる。

ノズル３３は、圧力室３２から流れてきたインクを、インクジェットプリントヘッド３０から、印刷対象物へ吐出させるように構成されている。ノズル３３は、フレキシブル電子デバイス１０内の圧電素子２に対応して設置される。また、各ノズル３３の形状は、吐出能力のばらつきに影響するため、定められた規格範囲内に収まっている。

本実施形態のフレキシブル電子デバイス１０の製造方法については、実施形態１のフレキシブル電子デバイス１０の製造方法と同様である。

本実施形態のインクジェットプリントヘッドの動作について以下に説明する。本実施形態におけるフレキシブル電子デバイス１０の動作は、実施形態１または実施形態２で説明したものと同様である。すなわち、フレキシブル電子デバイス１０内の圧電素子２が外部回路からの電気信号を受信して変形・振動を行うことにより、フレキシブル電子デバイス１０全体も変形・振動を行う。

圧電素子２の変形・振動により、圧力室３２内のインクの圧力が上昇する。上昇した圧力により、ノズル３３より、インクが吐出する。次に圧力室３２内のインクの圧力が低下すると、インクの吐出動作は終了する。このため、インクの流出が途切れるため、インクは液滴となって飛翔する。このインク滴が印刷対象物に着弾することにより所望の印刷が可能となる。

上記インクジェットプリントヘッド３０は、図１７（ａ）に示すように、インクが吐出する方向を、印刷対象３４へ対向させて設置されている。図中の駆動システム６８は、インクジェットプリントヘッド３０を、図中のＡ、あるいはＢ方向へ移動するためのシステムであり、主要な構成要素としてモーターやガイドレールなどによって構成されている。

図１７（ａ）は、本実施形態に係るインクジェットプリンヘッドの構成を示す斜視図である。インクジェットプリントヘッド３０の大きさは、一般的に印刷対象３４よりも小さいために、インクジェットプリントヘッド３０をＡ−Ｂ方向に走査することにより、印刷対象３４の全面へインク滴を着弾させることにより印刷動作を行っている。そして、インクジェットプリントヘッド３０から吐出されたインク滴は、それぞれ対面している印刷対象３４に着弾する。

印刷結果は、着弾したインク滴の単位面積あたりの着弾数が高いほど、すなわち密度が高いほど高精細印刷が可能となる。また、着弾するインク滴の単位面積あたりの数を変えることにより階調表現が行えることから、密度が高いことにより多階調印刷も可能となる。よって、インクジェットプリントヘッド３０上に設けられる圧電素子２の高密度化により、高精細・多階調な印刷が可能になる。

なお、インクジェットプリントヘッド３０に伝達する電気信号のビット数を向上させても、同様に印刷の多階調化を実現することができる。この場合、圧電素子２へ転送する電気信号が多大となるため単位時間当たりの処理する電気信号量が大きくなる。さらに一般的に印刷機器には印刷速度の向上という達成すべき技術課題があり、上記電気信号の処理速度の向上が求められる。ここで、インクジェットプリントヘッド３０内に備わる圧電素子搭載装置では、上述のように、スイッチング素子がフレキシブル基板の内部に形成されており、個々の圧電素子への電気信号の伝達のＯＮ、ＯＦＦ制御が高速で行えるため、処理速度の向上の要請を満たしている。

次いで、本実施形態に係るインクジェットプリントヘッド３０の作用効果について、特許文献１または特許文献２に記載の圧電素子を備えるアクチュエータを用いたものと対比して、以下説明する。

特許文献１においては、図１６（ａ）に示すように、導電性を有する薄肉基板６１と、圧電／電歪膜６３と、中間層６２と、電極膜６４と、を備える圧電素子が開示されている。特許文献１記載の圧電素子をインクジェットプリンタヘッドに適用すると、図１６（ｂ）のような構成になるものと考えられる。図１６（ｂ）において、図示されていない外部機器からの電気信号により、圧電／電歪膜６３、および薄肉基板６１が変形する。このとき、隔壁６７は支点となるため、凹溝６６の上部に位置する薄肉基板６１のみ変形する。これにより凹溝６６内の圧力が変化する。この圧力の変化によってインク液を吐出する動作が行えることが示唆されている。同文献に記載の構成では、図１６（ｂ）に示すように、導電性を有する薄肉基板６１が、圧電／電歪膜６３に対する一方の電極および配線の役目を果たす。しかし、他方の電極膜６４に対しては、それぞれ配線を接続し、それらの配線を別途外部に設ける制御回路に接続する必要性が高いため、大面積・高密度・高速のインクジェットプリンタヘッドに適用することは困難である。

一方、特許文献２には、図１８および図１９に示すように、コア材７２および接合材７３が設けられているフレキシブル配線基板７１と、アクチュエータ素子７４と、を備える圧電素子が示唆されている。かかる構成では、フレキシブル配線基板７１にコア材７２および接合材７３が設けられているため、フレキシブル配線基板７１の製造コストが上昇する。さらに、フレキシブルプリント配線基板７１には、バンプ７８と電気配線７９に加えて、各アクチュエータ素子７４に電気信号を供給するためのスイッチＩＣが個々のアクチュエータ素子７４の近傍には設けられていない。そのため、アクチュエータ素子７４の数が増えると、アクチュエータ素子７４とスイッチＩＣとの間を接続する電気配線規模が増大する。そのため、フレキシブルプリント配線基板７１に、配線を引き回す領域を確保する必要があるので、アクチュエータ素子７４を高密度に配置することが困難になる。

これに対して、本実施形態に係るインクジェットプリントヘッド３０は、図１５に示すように、フレキシブル電子デバイス１０を用いている。そして、フレキシブル電子デバイス１０は、フレキシブル基板１に圧電素子２および薄膜トランジスタ回路５が設けられているため、薄膜トランジスタ回路５をフレキシブル基板１の外部に別途設ける必要がないので、小型化が可能となる効果を奏する。

また、本実施形態においては、実施形態１または実施形態２で説明したフレキシブル電子デバイス１０を用いたインクジェットプリントヘッド３０を用いるため、スイッチング素子がフレキシブル基板１の内部に形成されており、個々の圧電素子への電気信号の伝達のＯＮ、ＯＦＦ制御が高速で行うことができ、インクジェットプリントヘッド３０を高速駆動できる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

たとえば、上記実施形態で説明したインクジェットプリンタは、インクを何らかのエネルギーにより吐出して印刷対称物に滴下させる動作を応用した印刷機であるが、最近ではインクに限らず、たとえば導電性の高い液体を吐出して、基板等に滴下させてそれを電気配線にするような回路基板作製プロセスにも応用されている。よって、上記実施形態の説明では、一例としてインクを噴射する構成を挙げているが、印刷目的に応じた他の液体を代用しても構わない。

また、上記実施形態で説明したインクジェットプリンヘッドは、図１７（ｂ）に示すような構成であってもよい。このように、インクジェットプリントヘッド３０が印刷対象３４に対して十分な大きさをもっていれば、図１７（ａ）に示すＡ−Ｂ方向の走査の必要性が低減するため、駆動システム６８の必要性も低減する。これにより、印刷の高速化が図られるだけでなく、Ａ−Ｂ方向の走査に必要な駆動機構が不要となる点から、低コスト化、小型化も実現できる。

実施形態１に係る圧電素子搭載装置の構成を示す斜視図である。 実施形態１に係る圧電素子搭載装置の構成を示す断面図である。 実施形態１に係るフレキシブル基板の構成を示す断面図である。 実施形態１に係るフレキシブル基板の構成の変形例を示す断面図である。 実施形態１に係る圧電素子の構成を示す断面図である。 実施形態１に係る薄膜トランジスタ回路の一部を拡大した斜視図である。 実施形態１に係る薄膜トランジスタ回路の一部を示す回路図である。 実施形態１に係る薄膜トランジスタ回路の一部を示す断面図である。 実施形態１に係る圧電素子搭載装置の動作を説明するための断面図である。 実施形態１に係るフレキシブル基板の製造プロセスを説明するための工程断面図である。 実施形態２係る圧電素子搭載装置の構成を示す斜視図である。 実施形態２係る圧電素子搭載装置の構成を示す断面図である。 実施形態２に係る圧電素子の構成を示す断面図である。 実施形態２に係る薄膜トランジスタ回路の一部を示す断面図である。 本実施形態５に係るインクジェットプリントヘッドの構成を示す断面図である。 図１６（ａ）は、公知の圧電素子の構成を示す斜視図である。図１６（ｂ）は、公知の圧電素子をインクジェットプリントヘッドへ適用した場合の構成を示す斜視図である。 図１７（ａ）は、実施形態５に係るインクジェットプリンヘッドの構成を示す斜視図である。図１７（ｂ）は、実施形態５に係るインクジェットプリンヘッドの変形例の構成を示す斜視図である。 公知の圧電・電歪アクチュエータの構成を示す平面図である。 公知の圧電・電歪アクチュエータの一部を拡大して示す断面図である

符号の説明

１ フレキシブル基板
２ 圧電素子
３ 振動板
４、４ａ、４ｂ 電気接続点
５ 薄膜トランジスタ回路
６ 絶縁基板
７ フィルム
８ 圧電・電歪材料
９ 信号電極
９ａ、９ｂ データ信号線
１０ フレキシブル電子デバイス
１１ 共通電極
１２ スイッチ回路
１３ 共通線
１４ 制御回路
１５ 支持台
３０，６０ インクジェットプリントヘッド
３１ インク室／流路
３２ 圧力室
３３ ノズル
３４ 印刷対象
６１ 薄肉基板
６２ 中間層
６３ 圧電／電歪膜
６４ 電極膜
６５ 電極取り出し部
６６ 凹溝
６７ 隔壁
６８ 駆動システム
７１ フレキシブルプリント配線基板
７２ コア材
７３ 接合材
７４ アクチュエータ素子
７５ 信号電極
７６ 共通電極
７７ａ、ｂ ステンレス薄板
７８ バンプ
７９ 電気配線
１００ ガラス基板
１０１，１０４ 酸化シリコン膜
１０２ シリコン膜
１０３，１０６ フォトレジスト
１０５ ゲート電極
１０７ 層間膜
１０８ コンタクトホール

Claims (10)

1. フレキシブル基板と、
   前記フレキシブル基板に設けられている圧電素子と、
   前記フレキシブル基板に設けられ、前記圧電素子と接続され、スイッチング素子として機能する薄膜トランジスタと、
   前記圧電素子に接して設けられた、前記フレキシブル基板とは別の振動板と、
   を備えることを特徴とする圧電素子搭載装置。
2. フレキシブル基板と、
   前記フレキシブル基板に設けられている圧電素子と、
   前記フレキシブル基板に設けられ、前記圧電素子と接続され、スイッチング素子として機能する薄膜トランジスタと、
   前記フレキシブル基板を支持する支持部材と、を備え、
   前記圧電素子は、前記フレキシブル基板のうち、前記支持部材により支持される箇所に挟まれた領域に設けられ、
   前記薄膜トランジスタは、前記フレキシブル基板のうち、前記支持部材により支持される箇所に設けられていることを特徴とする圧電素子搭載装置。
3. 請求項２に記載の圧電素子搭載装置において、
   前記圧電素子に接して設けられた、前記フレキシブル基板とは別の振動板を備えることを特徴とする圧電素子搭載装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電素子搭載装置において、
   前記圧電素子は、前記フレキシブル基板にマトリクス状に複数配置されていることを特徴とする圧電素子搭載装置。
5. 請求項１乃至４いずれかに記載の圧電素子搭載装置において、
   前記フレキシブル基板は、薄化処理されたものであることを特徴とする圧電素子搭載装置。
6. 請求項１乃至５いずれかに記載の圧電素子搭載装置において、
   前記圧電素子は、前記フレキシブル基板の表面上に設けられており、前記薄膜トランジスタは、前記フレキシブル基板の内部に設けられていることを特徴とする圧電素子搭載装置。
7. 請求項１乃至６いずれかに記載の圧電素子搭載装置において、
   前記圧電素子に電気信号を送信し、前記圧電素子の動作を制御する回路をさらに備え、
   前記薄膜トランジスタは、前記圧電素子と前記回路との間において、スイッチング素子として機能することを特徴とする圧電素子搭載装置。
8. 請求項１乃至７いずれかに記載の圧電素子搭載装置において、
   前記圧電素子から電気信号を受信し、前記圧電素子の動作を読取る回路をさらに備え、
   前記薄膜トランジスタは、前記圧電素子と前記回路との間において、スイッチング素子として機能することを特徴とする圧電素子搭載装置。
9. 液体を格納する液体格納部と、
   前記液体格納部に格納されている前記液体に圧力を加え得るように構成されている圧電素子搭載装置と、を備え、
   前記圧電素子搭載装置は、請求項１乃至８いずれかに記載の圧電素子搭載装置であることを特徴とする液滴吐出装置。
10. 液滴を飛翔させて画像出力を行う画像出力装置であって、
    請求項９に記載の液滴吐出装置を備えることを特徴とする画像出力装置。

Images