JP2002103602A - インクジェット式プリントヘッド及びインクジェット式プリンタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電素子の駆動回路を確実かつ高精度に位置
決めすることができる小型なインクジェット式プリント
ヘッド及びインクジェット式プリンタを提供すること。 【解決手段】 並設される圧電素子２０とその駆動回路
６０との間に配置される基板４０に、前記圧電素子２０
の配置面側から前記駆動回路６０の配置面側に貫通して
おり、前記圧電素子２０と前記駆動回路６０とを電気的
に接続する複数のバンプ６２を収納する貫通溝４４を形
成する。そして、前記貫通溝４４における前記バンプ６
２の収納部分の形状を、当該バンプ６２を位置決め可能
な形状に形成する。これにより、駆動回路６０の位置決
めが確実かつ高精度となるため、バンプ６２の接続ミス
の発生を防止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子の駆動変
位によりインク滴を吐出させるインクジェット式プリン
トヘッド及びそのヘッドを用いて情報を記録媒体に印刷
するインクジェット式プリンタに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、インクジェット式プリントヘッ
ドは、ノズル開口と、このノズル開口に連通されてお
り、一部が振動板で構成されている圧力発生室と、この
圧力発生室の振動板に連接されている圧電素子を備えて
いる。このような構成において、圧電素子を駆動，変位
させて振動板を変形させ、圧力発生室内のインクを加圧
してノズル開口からインク滴を吐出させることにより、
情報を記録媒体に印刷するようになっている。

【０００３】上記インクジェット式プリントヘッドとし
ては、軸方向に伸長・収縮する縦振動モードの圧電素子
を使用した方式のものが実用化されている。この方式の
インクジェット式プリントヘッドによれば、圧電素子の
端面を振動板に接触させることにより圧力発生室の容積
を変化させることができるので、高密度印刷に適したも
のとすることができる。ところが、圧電素子を振動板に
配設する製造工程において、圧電素子をノズル開口の配
列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分け、切り分けた圧
電素子を圧力発生室に位置決めして固定するという複雑
かつ困難な作業が必要になるという問題がある。

【０００４】一方、他の方式のインクジェット式プリン
トヘッドとしては、たわみ振動モードの圧電素子を使用
した方式のものが実用化されている。この方式のインク
ジェット式プリントヘッドによれば、圧電材料でなるグ
リーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し焼成
するのみという比較的簡単な作業で圧電素子を振動板に
配設することができるので、上記問題を解消することが
できる。ところが、たわみ振動を利用しているため、圧
電素子の面積がある程度必要であり、高密度配列が困難
であるという問題がある。

【０００５】そこで、この問題を解消すべく成膜技術を
利用したインクジェット式プリントヘッドが提案されて
いる。すなわち、振動板の表面全面にわたって圧電材料
層を均一に成膜し、この圧電材料層をリソグラフィ法に
より圧力発生室に対応する形状に切り分けて圧電素子を
各圧力発生室毎に独立するように形成する。これによれ
ば、リソグラフィ法という精密で簡便な手法により圧電
素子を振動板に配設することができるので、圧電素子を
振動板に貼付する作業が不要となり、さらに圧電素子の
厚みが薄くなって高速駆動が可能になるという利点があ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した成
膜技術を利用したインクジェット式プリントヘッドで
は、通常は圧電素子とその駆動回路とはワイヤボンディ
ングにより電気的に接続しているが、駆動回路が圧電素
子の駆動変位時に干渉しないように、圧電素子とその駆
動回路との間に基板を介在させている。このため、基板
における駆動回路の配置外周部にはワイヤボンディング
をスムーズに行うことができる程度の大きさの貫通溝を
設けておく必要があり、基板の小型化、すなわちインク
ジェット式プリントヘッドの小型化に限界が生じてい
た。

【０００７】一方、駆動回路として例えばＢＧＡ（Ｂａ
ｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）を用い、圧電素子とその
駆動回路とをバンプ（金またははんだボール）により電
気的に接続するようにすれば、基板における駆動回路の
配置内周部にバンプを収納できる程度の大きさの貫通溝
を設けておけばよく、基板の小型化、すなわちインクジ
ェット式プリントヘッドの小型化を図ることができる。
しかし、その駆動回路はフェースダウンで実装する必要
があるため、駆動回路の位置決めが非常に困難であり、
バンプの接続ミスが生じるおそれがあるという問題があ
った。

【０００８】本発明は、上記のような種々の課題に鑑み
なされたものであり、その目的は、圧電素子の駆動回路
を確実かつ高精度に位置決めすることができる小型なイ
ンクジェット式プリントヘッド及びそのヘッドを備えた
インクジェット式プリンタを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、本
発明の請求項１に係るインクジェット式プリントヘッド
では、並設される圧電素子とその駆動回路との間に配置
される基板であって、前記圧電素子の配置面側から前記
駆動回路の配置面側に貫通しており、前記圧電素子と前
記駆動回路とを電気的に接続する複数のバンプを収納す
る貫通溝が形成されている基板を備え、前記貫通溝にお
ける前記バンプの収納部分の形状を、当該バンプを位置
決め可能な形状に形成するようにしている。

【００１０】これにより、駆動回路をフェースダウンで
実装する際に駆動回路の位置決めが確実かつ高精度とな
るため、バンプの接続ミスの発生を防止することがで
き、また、小型なインクジェット式プリントヘッドを構
成することができる。

【００１１】請求項２に係る発明では、前記貫通溝にお
ける少なくとも３個の前記バンプの各収納部分の形状
が、当該各バンプと接触して位置決めする形状に形成さ
れていることを特徴としている。これにより、バンプを
接触位置決めする高精度な形状を少なくとも３箇所の収
納部分のみに形成すればよいので、製造コストの低減化
を図ることが可能となる。

【００１２】請求項３に係る発明では、前記貫通溝の内
壁の形状が、複数の前記バンプと接触して位置決めする
凹凸状に形成されていることを特徴としている。

【００１３】請求項４に係る発明では、前記貫通溝の内
壁に形成されている凹部は、その形成ピッチが前記バン
プの配置ピッチとほぼ同一となるように形成されている
ことを特徴としている。これにより、各凹部内に各バン
プを確実に収納することができ、駆動回路の位置決め精
度を向上させることができる。

【００１４】請求項５に係る発明では、前記基板が、面
方位（１１０）のシリコン単結晶基板で成ることを特徴
としている。面方位が（１１０）のシリコン単結晶基板
を用いることにより、エッチングにより貫通溝を形成す
る際に貫通溝の内壁を容易に凹凸状に形成することがで
きる。

【００１５】請求項６に係る発明では、請求項１〜５の
何れか一項に記載のインクジェット式プリントヘッドを
備え、そのヘッドを用いて情報を記録媒体に印刷するこ
とを特徴としている。上述した各作用により、導通不良
の無い良好で小型なプリンタを提供することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態について詳細に説明する。

【００１７】図１は、本発明の実施の形態に係るインク
ジェット式プリンタの構成例を示す斜視図である。この
インクジェット式プリンタは、本体１０１内にインクジ
ェット式プリントヘッド１００、ヘッド駆動機構１０
２、オートシートフィーダ（自動連続給紙機構）１０３
が配設され、本体１０１上部後方にトレイ１０４が配設
されている。

【００１８】インクジェット式プリントヘッド１００
は、例えばイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの計
４色のインクカートリッジ１０５を備えており、フルカ
ラー印刷が可能なように構成されている。そして、イン
クジェット式プリントヘッド１００のインク吐出タイミ
ング及びヘッド駆動機構１０２の走査が、本体１０１に
内蔵されている専用コントローラボード等により制御さ
れ、高精度なインクドット制御、ハーフトーン処理等が
実行されるようになっている。

【００１９】また、トレイ１０４に給紙されている記録
用紙１０６は、オートシートフィーダ１０３により自動
的に送り出され、本体１０１正面に設けられている排紙
口１０７から排出されるようになっている。この記録用
紙１０６としては、普通紙、専用紙、推奨ＯＨＰシー
ト、光沢紙、光沢フィルム、ラベルシート、官製葉書等
が利用できる。

【００２０】図２は、図１のインクジェット式プリント
へッド１００の概略構成例を示す分解斜視図である。な
お、この図では便宜上、１色分のヘッドのみを示してい
る。このインクジェット式プリントへッド１００は、ノ
ズルプレート１０の上に圧電素子２０が形成された流路
形成基板３０が接合され、流路形成基板３０の上にリザ
ーバ形成基板４０が接合され、リザーバ形成基板４０の
上に封止板５０及び圧電素子２０の駆動回路（ドライバ
ＩＣ）６０が接合され、これらがケースヘッド７０で覆
われた構成となっている。

【００２１】図３は、図２のインクジェット式プリント
へッド１００を組み立てたときの詳細を示す断面図であ
る。なお、この図でも便宜上、１色分のヘッドのみを示
している。ノズルプレート１０は、厚さが例えば０．１
ｍｍ〜１ｍｍ、線膨張係数が例えば３００゜Ｃ以下で
２．５〜４．５（×１０^-6／゜Ｃ）であるガラスセラミ
ックスや不錆鋼等で作製されている。このノズルプレー
ト１０には、図３に示すように、２列に並んだ複数のノ
ズル開口１１が穿孔されている。

【００２２】流路形成基板３０は、厚さが例えば１５０
μｍ〜３００μｍ、面方位が（１１０）のシリコン単結
晶基板で作製されている。図３に示すように、この流路
形成基板３０の一方の面は開口面として形成され、他方
の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンから
成る厚さ１μｍ〜２μｍの図示しない弾性膜が形成さ
れ、図２にも示すように、さらに圧電素子２０が形成さ
れている。

【００２３】流路形成基板３０の開口面には、図３に示
すように、複数の隔壁で区画された圧力発生室３１が異
方性エッチングにより幅方向に並設され、その長手方向
外側には、図２及び図３に示すように、後述するリザー
バ形成基板４０のリザーバ部４１に連通して各圧力発生
室３１の共通のインク室となるリザーバ８０の一部を構
成する連通部３２が異方性エッチングにより形成され、
各圧力発生室３１の長手方向一端部とそれぞれインク供
給路３３を介して連通されている。なお、このインク供
給路３３も圧力発生室３１と同様に隔壁によって区画さ
れている。

【００２４】そして、この流路形成基板３０の開口面側
には、図３に示すように、各圧力発生室３１のインク供
給路３３とは反対側で連通するノズル開口１１が穿設さ
れたノズルプレート１０が接着剤や熱溶着フイルム等を
介して固着されている。このため、ノズルプレート１０
は、一方の面で流路形成基板３０の一面を全面的に覆っ
て衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たすことに
なる。なお、ノズルプレート１０を流路形成基板３０と
熱膨張係数が略同一の材料で形成してもよく、この場合
はノズルプレート１０と流路形成基板３０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
容易かつ確実に接合することが可能となる。

【００２５】一方、流路形成基板３０の開口面とは反対
側の弾性膜の上には、図２及び図３に示すように、厚さ
が例えば約０．２μｍの下電極膜と、厚さが例えば約１
μｍの圧電体層と、厚さが例えば約０．１μｍの上電極
膜とで成る圧電素子２０が、薄膜形成プロセスで積層形
成されている。一般的には、圧電素子２０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を各圧
力発生室３１毎にパターニングして構成する。そして、
圧電素子２０の上電極膜の長手方向一端部近傍からリー
ド電極２１が圧力発生室３１の周壁に対向する領域に延
設されている。

【００２６】リザーバ形成基板４０は、厚さが例えば１
５０μｍ〜３００μｍ、面方位が（１１０）のシリコン
単結晶基板で作製されている。これにより、上述のノズ
ルプレート１０の場合と同様に、流路形成基板３０とリ
ザーバ形成基板４０とを熱硬化性の接着剤等を用いて容
易かつ確実に接着することが可能となる。

【００２７】このリザーバ形成基板４０には、図２及び
図３に示すように、上述した流路形成基板３０の各圧力
発生室３１の共通のインク室となるリザーバ８０の一部
を構成する連通部３２に連通したリザーバ部４１が異方
性エッチングにより幅方向に並設され、図３に示すよう
に、さらに後述する封止板５０のインク導入ロ５１に連
通するインク導入路４２が異方性エッチングにより形成
されている。

【００２８】また、リザーバ形成基板４０の圧電素子２
０に対応する領域には、図３に示すように、圧電素子２
０の運動を阻害しない程度の密封可能な空間４３が異方
性エッチングにより形成され、さらにこの空間４３と外
部とを連通する図示しない連通孔が異方性エッチングに
より設けられている。また、この空間４３の形成面とは
反対側の面には、図２及び図３に示すように、圧電素子
２０の駆動回路６０、すなわちバンプ（金またははんだ
ボール）６２を有する例えばＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄ
Ａｒｒａｙ）及び配線パターン６１が配設されてい
る。

【００２９】上記空間４３内には例えば不活性ガス等の
乾燥流体が連通孔を介して充填され封止されている。こ
の空間４３内は大気よりも低い気圧で密封されており、
これにより圧電素子２０は乾燥流体雰囲気中に確実に密
封されて外部環境と遮断される。なお、乾燥流体として
は、不活性ガスの他、還元性ガスを用いることもできる
が、逆に、酸化性ガスを含有させることにより、圧電体
層の劣化を防止する環境を形成することができる。ま
た、このような不活性ガスを用いる場合には、その中の
水の蒸気圧（分圧）をできるだけ低くするのが望まし
い。

【００３０】そして、リザーバ形成基板４０のリザーバ
部４１と空間４３の形成部との間には、図２及び図３に
示すように、圧電素子２０の配置面側から駆動回路６０
の配置面側に貫通しており、圧電素子２０のリード電極
２１と駆動回路６０とを電気的に接続する複数のバンプ
６２を収納する貫通溝４４が異方性エッチングにより形
成されている。そして、詳細は後述するが、本発明の特
徴的な部分として、貫通溝４４におけるバンプ６２の収
納部分の形状が、当該バンプ６２を位置決め可能な形状
に形成されている。

【００３１】封止板５０は、例えばＰＰＳフィルムとス
テンレス鋼板の積層板で作製されている。この封止板５
０はリザーバ８０を封止する役目を有している。また、
図３に示すように、封止板５０には上述したようにリザ
ーバ形成基板４０のインク導入路４２に連通するインク
導入ロ５１が形成されている。ケースヘッド７０は、上
記各部を覆って保護し、また図３に示すように、駆動回
路６０とバンプ６２の封止樹脂７１の注入空間部を形成
する役目を有している。

【００３２】図４は、リザーバ形成基板４０の外形を示
す斜視図であり、図５（Ａ）は、図４のＡ部、すなわち
貫通溝４４におけるバンプ６２の収納部分の平面形状を
示す拡大図である。この例での貫通溝４４におけるバン
プ６２の収納部分の平面形状は、溝端部４４ａがバンプ
６２の略径を一辺とする正方形状に形成され、その他の
部分は溝幅がバンプ６２の略径の長さより広くなるよう
に形成されている。

【００３３】このように、溝端部４４ａのみをバンプ６
２の略径を一辺とする正方形状に形成することにより、
図５（Ｂ）に示すように、溝端部４４ａに収納される駆
動回路６０の端部に位置するバンプ６２ａは、溝端部４
４ａを構成する３つの内壁面により３点で接触支持され
て位置決めされることになる。そして、このようなバン
プ６２ａの位置決めが可能な溝端部４４ａを少なくとも
３個、すなわち並設された貫通溝４４のうち一方の貫通
溝４４の両端部と他方の貫通溝４４の一端部の少なくと
も合計３個形成することにより、駆動回路６０を確実に
位置決めすることが可能となる。

【００３４】なお、この例では、貫通溝４４の端部をバ
ンプ６２の位置決め可能な形状に形成するようにした
が、特にこれに限定されるものではなく、貫通溝４４の
任意の少なくとも３箇所、すなわち並設された貫通溝４
４のうち一方の貫通溝４４の任意の２箇所と他方の貫通
溝４４の任意の１箇所をバンプ６２の位置決め可能な形
状に形成すれば、駆動回路６０を確実に位置決めするこ
とが可能となる。また、バンプ６２の位置決め可能な形
状は正方形状に限定されるものではなく、バンプ６２を
接触支持して位置決めすることが可能であれば、例えば
三角形状や五角形状以上の多角形状、楕円形状等でよ
い。

【００３５】図６（Ａ）は、図４のＡ部、すなわち貫通
溝４４におけるバンプ６２の収納部分の別の平面形状を
示す拡大図である。この例での貫通溝４４におけるバン
プ６２の収納部分の平面形状は、貫通溝４４の対向する
内壁面が長手方向に半周期ずれた三角波状に形成されて
いる。

【００３６】このように、貫通溝４４の対向する内壁の
形状を凹凸状に形成し、さらに図６（Ｂ）に示すよう
に、凹部４４ｂの形成ピッチＰ１をバンプ６２の配置ピ
ッチＰ１１とほぼ同一となるように形成することによ
り、対向する各凹部４４ｂ内に収納される駆動回路６０
の各バンプ６２は、対向する各凹部４４ｂを構成する４
つの内壁面により４点で接触支持されて位置決めされる
ことになるので、駆動回路６０を確実に位置決めするこ
とが可能となる。なお、この例では、貫通溝４４の対向
する内壁面を三角波状に形成したが、これに限定される
ものではなく、例えばサイン波、パルス波、鋸波形状等
でもよい。

【００３７】図７（Ａ）は、リザーバ形成基板４０に上
記凹部４４ｂを異方性エッチングにより形成するための
マスクの一例を示す平面図である。このマスク１は斜線
部分がマスキング部分であり、白抜き部分が貫通溝４４
を形成する部分である。凹部４４ｂを形成したい部分が
斜めに突出した部分１ａを有する鋸歯１ｂの形状に形成
されている。

【００３８】ここで、異方性エッチングは、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゜の角度をなし、
かつ上記（１１０）面と約３５゜の角度をなす第２の
（１１１）面とが出現するが、このときの（１１０）面
のエッチングレートは（１１１）面のエッチングレート
と比較して約１／１８０となるという性質を利用して行
われるものである。

【００３９】かかる異方性エッチングにより、２つの第
ｌの（１１１）面と斜めの２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る。なお、貫通していない溝等を
形成するときは、シリコン単結晶基板を厚さ方向に途中
までエッチング（ハーフエッチング）すればよく、この
制御はエッチング時間の調整により行われる。

【００４０】このような異方性エッチングを行うと、図
７（Ｂ）に示すように、シリコン単結晶基板は、先ずマ
スク１の斜めに突出した部分１ａで覆われている部分の
先端側から次第にエッチングされ（図７（Ｂ）のａ〜
ｂ）、斜めに突出した部分１ａで覆われている部分が無
くなると（図７（Ｂ）のｃ）、次に鋸歯１ｂで覆われて
いる部分の先端側から次第にエッチングされ（図７
（Ｂ）のｄ）、最終的に貫通溝４４における対向する内
壁の形状を凹凸状に容易に形成することができる（図７
（Ｂ）のｅ）。

【００４１】以上により、圧電素子２０のリード電極２
１と駆動回路６０のバンプ６２とを電気的に接続するフ
ェースダウン実装工程において、駆動回路６０の位置決
めが確実かつ高精度となるため、バンプ６２の接続ミス
の発生を防止することができる。以上、本発明を種々の
実施形態に関して述べたが、本発明は以上の実施形態に
限られるものではなく、特許請求の範囲に記載された発
明の範囲内で、他の実施形態についても適用されるのは
勿論である。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るイン
クジェット式プリントヘッド及びインクジェット式プリ
ンタによれば、バンプを有する駆動回路を確実かつ高精
度に位置決めすることができ、フェースダウンでの実装
が簡易となる。このため、バンプの接続ミスの無い良好
で、かつ小型なインクジェット式プリントヘッド及びイ
ンクジェット式プリンタを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るインクジェット式プ
リンタの構成例を示す斜視図である。

【図２】図１のインクジェット式プリントへッドの概略
構成例を示す分解斜視図である。

【図３】図２のインクジェット式プリントへッドを組み
立てたときの詳細を示す断面図である。

【図４】図２のインクジェット式プリントへッドのリザ
ーバ形成基板の外形を示す斜視図である。

【図５】図４のリザーバ形成基板のＡ部、すなわち貫通
溝におけるバンプの収納部分の平面形状を示す拡大図で
ある。

【図６】図４のリザーバ形成基板のＡ部、すなわち貫通
溝におけるバンプの収納部分の別の平面形状を示す拡大
図である。

【図７】図６の貫通溝におけるバンプの収納部分の凹部
を異方性エッチングにより形成するためのマスクの一例
を示す平面図及びエッチング経過を示す図である。

【符号の説明】

１ マスク １０ ノズルプレート １１ ノズル開口 ２０ 圧電素子 ３０ 流路形成基板 ３１ 圧力発生室 ３２ 連通部 ３３ インク供給路 ４０ リザーバ形成基板 ４１ リザーバ部 ４２ インク導入路 ４３ 空間 ４４ 貫通溝 ４４ａ 溝端部 ４４ｂ 凹部 ５０ 封止板 ５１ インク導入ロ ６０ 駆動回路（ドライバＩＣ） ６２ バンプ ７０ ケースヘッド ７１ 封止樹脂 ８０ リザーバ １００ インクジェット式プリントヘッド １０１ 本体 １０２ ヘッド駆動機構 １０３ オートシートフィーダ（自動連続給紙機
構） １０４ トレイ １０５ インクカートリッジ １０６ 記録用紙 １０７ 排紙口

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電素子の駆動変位によりインク滴を吐
   出させるインクジェット式プリントヘッドにおいて、 並設される前記圧電素子とその駆動回路との間に配置さ
   れる基板であって、前記圧電素子の配置面側から前記駆
   動回路の配置面側に貫通しており、前記圧電素子と前記
   駆動回路とを電気的に接続する複数のバンプを収納する
   貫通溝が形成されている基板を備え、前記貫通溝におけ
   る前記バンプの収納部分の形状が、当該バンプを位置決
   め可能な形状に形成されていることを特徴とするインク
   ジェット式プリントヘッド。
2. 【請求項２】 前記貫通溝における少なくとも３個の前
   記バンプの各収納部分の形状が、当該各バンプと接触し
   て位置決めする形状に形成されていることを特徴とする
   請求項１に記載のインクジェット式プリントヘッド。
3. 【請求項３】 前記貫通溝の内壁の形状が、複数の前記
   バンプと接触して位置決めする凹凸状に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のインクジェット式プ
   リントヘッド。
4. 【請求項４】 前記貫通溝の内壁に形成されている凹部
   は、その形成ピッチが前記バンプの配置ピッチとほぼ同
   一となるように形成されていることを特徴とする請求項
   ３に記載のインクジェット式プリントヘッド。
5. 【請求項５】 前記基板が、面方位（１１０）のシリコ
   ン単結晶基板で成ることを特徴とする請求項１〜４の何
   れか一項に記載のインクジェット式プリントヘッド。
6. 【請求項６】 請求項１〜５の何れか一項に記載のイン
   クジェット式プリントヘッドを備え、そのヘッドを用い
   て情報を記録媒体に印刷することを特徴とするインクジ
   ェット式プリンタ。