JP2008238691A - 液体吐出ヘッド、および液体吐出記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】印刷品位を大幅に向上させ、信頼性の高い、安価で高性能な液体吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】液体吐出基板２００の表面側に液体吐出口３０１および液体供給流路溝２０４が形成されている。さらに、液体吐出基板２００の裏面に、支持部材上の電気配線基板と導通をとるための電極２０２（破線で示す。）が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、インク等の液体を吐出して記録動作を行う液体吐出記録装置に搭載される液体吐出ヘッド、特に、この液体吐出ヘッドに適用される液体吐出基板と電気配線基板との電気接続に関するものである。

インクジェット記録装置における代表的なインク吐出方式としては、インクに圧力を付与して、微小な吐出口から微少な液滴を吐出させるものとなっている。このような記録装置は、一般に、液滴を形成するための液体吐出ヘッドと、この液体吐出ヘッドに対してインクを供給する供給系とから構成される。また、液体吐出ヘッドは、吐出エネルギー発生手段が形成された基板上にノズル（流路や吐出口など）を設けてなる液体吐出基板と、この液体吐出基板の吐出エネルギー発生手段を電気的に駆動するための電気配線基板とを有する。

この液体吐出ヘッドに適用される液体吐出基板と電気配線基板との接続に関しては、特許文献１や特許文献２等にて開示されている。すなわち、液体吐出基板の表面側に形成された吐出エネルギー発生手段としての電気熱変換素子に繋がる電極と、液体吐出基板に対して電気制御信号と駆動電力を供給する電気配線基板の電極とが導体を介して電気的に接続されている。この電気接続部は絶縁樹脂により完全に覆われている。また、液体吐出基板の裏面を支持する支持部材は、液体吐出基板の温度上昇によりインクの吐出性能が低下しない様に、アルミナ等の液体吐出基板と同等の熱伝導率を有する材料で形成されている。

また、特許文献３には、液体吐出基板の電極を液体吐出基板の裏面側に配置して、電気配線基板等と接続し、導通をとる方式が開示されている。

一方、特許文献４には、液体吐出基板の表面側の一部を掘り込む方法で溝を形成し、その溝に液体を流し入れて液室内に供給する方式が開示されている。
特公平０８−０２５２７２号公報 特開平１０−０４４４１８号公報 特開平１１−１９２７０５号公報 特公平０６−００４３３０号公報

しかしながら、上述した液体吐出ヘッドに於いては、以下に述べる各種問題点がある。

１）液体吐出基板と電気配線基板の電極接続部を樹脂でシールした部分は、液体吐出基板の吐出口が形成された面（以下、吐出口形成面と略す）より必ず突出する事になり、この突出部の分だけ、液体吐出ヘッドと被記録媒体とのスキマを広く取らなければならない。そのため、印刷品位を大きく左右するインクの被記録媒体への着弾精度を低下させる事になる。さらに、突出部は、吐出口形成面に付着したインク滴や紙紛等のゴミを除去するためのゴムブレードによる拭き取り動作に関して、弊害を生じさせる場合がある。その場合、印刷品位の低下等の悪影響を及ぼす。

２）超高速印字（例えば５３０行／分）に対応させるためには、液体吐出基板のノズル(インク吐出口)、および、電気熱変換素子を増やす必要があり、それに伴い、電極数も増やす必要がある。しかしながら、ゴムブレードによる拭き取りの方向により、上記の突出部の領域が制限されてしまう。そのため、現状の主流製品では突出部の領域は、液体吐出基板の短手側の端部（エッジ近傍付近）の極小エリアに限定されている。その極小エリア内で、高密度で確実な接合・接続を行うためには、高価なＩＬＢ(Ｉｎｎｅｒ Ｌｅａｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ)装置等の接合用設備が必要となるため、コストアップとなっている。

３）液体吐出基板の吐出口形成面側には、電気配線基板との電極接続部が存在しており、常に液体雰囲気中に置かれている。電極接続部は、電気的トラブルを防止するため、樹脂によりシール処理されている。しかし、もし外的要因によるトラブルや、系時的な劣化等により、シール部分にクラックや、剥がれ・メクレ等が生じてしまった場合、その部分から電気接続部に液体が浸入・浸蝕する虞がある。その場合、致命的な電気的トラブルを引き起こし、液体吐出ヘッドの故障を招くかもしれない。また、最悪の場合は、液体吐出ヘッドが取り付けられる記録装置までもが致命的な電気的トラブルを引き起こす虞がある。そうならないように電極接続部を注意深くシール処理していた。

４）液体吐出基板では、その基板の表面側に形成された液室に液体を供給する液体供給口をその基板の裏面より形成されている。このような基板を貫通する液体供給口を形成する方法として、異方性エッチング製法を用いるが、異方性エッチング製法は、工程管理が非常に難しく、安定性に乏しい。そのため、同一ロット内、さらには、同一基板内であっても、品質がばらつきやすく、歩留まりを大きく左右させている。

５）液体吐出ヘッドの製造工程に於いては、高温による加熱・加温処理が数回必要となる。液体吐出基板は、その都度、熱によるストレスを受ける事になり、線膨張による伸縮を繰り返す。そのため、液体吐出基板上に形成・接着されているオリフィスプレート（液体吐出口、液室、流路などを形成する部材）との線膨張率の差により、液体吐出口の剥がれ・変形等、不具合が発生する虞が非常に高い。液体を供給するための貫通する液体供給口を有する液体吐出基板に対しては、特に留意する必要がある。また、上記２）に述べた様に、近年の超高速印字化を達成させるために、近年はノズル数を大幅に増やして対応させる傾向がある。ノズル数が増えると、必然的に増えた分だけ、液体吐出基板も長尺化／大型化される事になるが、長尺化／大型化されると線膨張による伸縮の度合は、より大きくなるため、さらに不具合が発生する恐れが高くなる。

６）上述した４）、および、５）の問題を解決であろう技術として特許文献４に開示された構成がある。しかし、この構成に於いては、液体を供給・流動するための溝と電極接続部が、液体吐出基板の表面側（吐出エネルギー発生素子が形成された面側）に必然的に同居してしまう事になる。そのため、上述した３）の問題が発生する虞が高い。また、電極接続部を形成・配置するスペースがさらに狭くなるため、先述した２）の問題についての制限がさらに厳しくなる。

７）先述した、特許文献３に開示された構成では、液体吐出基板裏面の液体供給口の開口部周囲が十分にシールされていないと、電極の接合部分が常にインクにさらされる事になる。そのため、電極の接合部分の腐食、インクの特性の変質、電気的ショート・リーク等、予期せぬトラブルが発生する虞が大きい。

以上の問題点を図面に基づいて説明する。

図１３は、液体吐出基板２００に液体供給口２０６を形成した場合（従来例）である。この場合、液体供給口２０６は、液体吐出基板２００の表面側と裏面側を貫通する大口径の孔になっている。そのため、先述した問題点の４）、および、５）がある。

図１４は、図１３に示される構成の問題点を改善した場合である。この場合、液体供給流路溝２０４を形成した分だけ、電極２０２を形成する面積が狭くなり、先述した問題点の２）がある。

図１５は、図１４に示される構成の問題点を改善した場合である。この場合、ゴムブレード４００が液体吐出基板２００の拭き動作が行なわれる度毎に、ゴムブレード４００がシール部（電極）２０２に触れる事になるため、シール部２０２が擦られる事になり、磨耗していく事になる。そのため、先述した問題点の１）、および、３）が発生する懸念が大きい。

なお、図１３、図１４、および、図１５に於いて、ノズル３０１は、液体吐出基板２００上の電極２０２の領域を除いた領域に接合された例えば透明樹脂からなるオリフィスプレート（不図示）により形成されている。そして、電極２０２はＴＡＢ（不図示）と呼ばれる電気配線フィルムのリード（不図示）と接合されている。さらに、接合部分は封止絶縁材（不図示）で覆われ、保護されているが、その最大高さは、ノズル３０１の高さよりも僅かに高い。そのため、ゴムブレード４００での拭き動作の際は、その封止絶縁材（不図示）部分である電極２０２部を避ける様にして動作させなければならない。また、ノズル３０１の高さより、封止絶縁材（不図示）部分である電極２０２部の方が高いため、被記録媒体とノズル３０１の距離を必然的に広くとらなければならない。この事は、印字品位、および、歩留まりを大きく左右し、コストを大きく左右する重要なファクターとなっている。

本発明の目的は、上記の各問題を解決し、印刷品位を大幅に向上させ、信頼性の高い、安価で高性能な液体吐出ヘッドを提供する事にある。

本発明は、一方の面側に液体吐出口、および電気信号に応じて該液体吐出口から液体を吐出させるためのエネルギーを発生するエネルギー発生手段を複数備える液体吐出基板と、
前記液体吐出基板に対して電気制御信号と駆動電力を供給する電気配線基板と、
前記液体吐出基板を支持し、液体を供給する支持部材とを備える液体吐出ヘッドにおいて、以下の特徴を備えることで、上記課題が解決される。

すなわち、本発明の液体吐出ヘッドは、
前記液体吐出基板の前記一方の面側に形成された、前記液体吐出口に前記液体を供給するための液体供給流路溝と、
前記液体吐出基板の対向する２辺近傍に形成された、前記一方の面側とこの反対面側とを電気的に導通させるための貫通スルーホールと、
前記貫通スルーホールの前記反対面側に形成された、前記電気配線基板との導通をとるための電極と、を有し
前記液体を前記液体吐出基板の短手側端部より供給し、前記液体供給流路溝に流入させる構成にしたことを特徴とする。

上記電極は、前記貫通スルーホールとの導通をとるために前記電気配線基板に形成されていてもよい。

本発明によれば、印刷品位を大幅に向上させ、信頼性の高い、安価で高性能な液体吐出ヘッドを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、図１５に示される従来例の問題点を解決した本発明に於ける構成の概略図である。この構成に於いては、表面側に液体供給流路溝２０４が形成された液体吐出基板２００の裏面に電極２０２（破線で示す。）を配置する事により、ゴムブレード４００の拭き動作に於ける問題点を、すべて解決する事ができる。

以下に基本となる実施形態１について、図２から図７を用いて説明する。

図２、および、図３は、支持部材１００に液体吐出基板２００が接合された状態を示している。図２は、液体吐出基板２００の短手側方向から見た場合を示す図であり、図３は、液体吐出基板２００の長手側方向から見た場合を示す図である。液体吐出基板２００は対向する２辺近傍に、表面側と裏面側を電気的に導通させるための、絶縁層を具備する貫通スルーホール２０１を有している。貫通スルーホール２０１の裏面側（ヒーター２０３の形成面とは反対面側）には電極２０２が形成されている。また、液体吐出基板２００の表面には、液体に対して吐出エネルギーを与えるためのヒーター２０３、および、液体をヒーター２０３に流入させるための液体供給流路溝２０４が設けられている。ヒーター２０３は液体供給流路溝２０４を挟んで対向する位置にそれぞれ、液体供給流路溝２０４の長手方向に複数配置されている。支持部材１００は、液体吐出基板２００に液体を供給するための液体供給口１０２を有しており、液体吐出基板２００に電気制御信号と駆動電力を与えるための電気配線基板１０１を具備している。液体吐出基板２００は、支持部材１００に対して固定される。このとき、液体供給口１０２と液体供給流路溝２０４、および、電気配線基板１０１と電極２０２とが、それぞれ位置が合う様に精密に位置決めされ、電気配線基板１０１と電極２０２が電気的に導通する様、金属接合されている。接合した後に発生する隙間は、熱伝導率に優れるシール剤２０５が充填され、密封されている。ここで、電極２０２は、金バンプ等が好適である。また、電極２０２は、電気配線基板１０１側に形成しても良い。

図４、および、図５は、液体吐出基板２００に接合されるオリフィスプレート３００の概略構成を示している。図４は、液体吐出基板２００の短手側方向から見た図であり、図５は、液体吐出基板２００の長手側方向から見た図である。オリフィスプレート３００は、液体吐出口３０１と、液体吐出口３０１と連通する液体流路の液体流路壁３０２と、支持部材１００の液体供給口１０２と接続される液体導入流路壁３０３とで構成されている。さらに、支持部材１００と接合する面が接着部３０４になり、液体吐出基板２００と接合する面が接着部３０５になっている。

図６および図７は、図２および図３に示される支持部材１００と液体吐出基板２００との接合体に、図４および図５に示されるオリフィスプレート３００を組み合わせた、本実施形態の液体吐出ヘッドの構成を示している。図６は、液体吐出基板２００の短手側方向から見た場合を示す図であり、図７は、液体吐出基板２００の長手側方向から見た場合を示す図である。オリフィスプレート３００は、液体吐出基板２００に対して、ヒーター２０３と液体吐出口３０１との位置が合う様に精密に位置決めされており、液体吐出基板２００との接着部３０５で接着され、隙間が密封されている。同時に、支持部材１００に対しても液体吐出基板２００は、液体供給口１０２と液体導入流路壁３０３との位置が合う様に精密に位置決めされており、支持部材１００との接着部３０４で接着され、隙間が密封されている。

この構成に於いて、液体は、支持部材１００の液体供給口１０２より供給され、液体吐出基板２００の基板短手側端部付近の、オリフィスプレート３００の液体導入流路壁３０３を通過する。その後、液体吐出基板２００の液体供給流路溝２０４を流れ、液体流路壁３０２でヒーター２０３ごとに仕切られた液室３０６内に充填される。そして、ヒーター２０３に電気信号を印加する事によって、ヒーター２０３の熱でヒーター２０３上のインク等の液体が発泡し、その発泡圧で液体吐出口３０１より液滴が吐出される。なお、本明細書に添付した図面の全ての図において液体流路壁３０２を簡単に示しているが、上記のように液体供給流路溝２０４内の液体が各々のヒーター２０３上を通って、対応する吐出口３０１に案内されるよう、液体流路壁３０２が形成されている。

以上の説明は、１種類の液体に対応する液体吐出ヘッドについての場合であるが、２種類以上の液体を用いる場合についても基本的には同様である。つまり、図６および図７に示されるオリフィスプレート３００と液体吐出基板２００からなるユニットを、並列に複数ユニットを並べて配置する事により、多色印刷用ヘッドなどのマルチヘッド（不図示）を構成する事が可能である（実施形態２）。

また、多種類の液体を吐出できるマルチヘッドは、上記実施形態２を構成するユニットを複数並べるのではなく、一つのユニットで構成することも可能である。具体的には、図８に示すように、一つの液体吐出基板２００に複数種類分の液体に対応する様に、ヒーター２０３、貫通スルーホール２０１、電極２０２、および、液体供給流路溝２０４が形成されている。また、このような液体吐出基板２００の構成部分に対応する様に、液体吐出口３０１、記録流路壁３０２、および、液体導入流路壁３０３を形成した一つのオリフィスプレート３００が、液体吐出基板２００に対して、精密に位置決めされ、接着されている。

以上、本発明に於ける基本的な構成・概要について説明した。

なお、電極２０２を液体吐出基板２００の裏面側（ヒーター２０３が形成されている側とは反対側）に形成した場合、電気配線基板１０１との電気接合は、フリップチップボンダー等の装置で接合する事になる。これは、ＩＬＢ(Ｉｎｎｅｒ Ｌｅａｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ)装置で電極２０２を１箇所毎にＴＡＢ（不図示）のリードと接合していく方式とは違い、電気配線基板１０１に液体吐出基板２００を、電極２０２を介して１アクションで接合する方式である。このため、先述した従来例の問題点の２）が解消される事になり、接合エリアについての制限が基本的に解消される。したがって、本発明によれば、電極２０２を、液体吐出基板２００の裏面側に任意の辺に沿って形成し配置する事が可能である。

つまり、先に述べた実施形態３では電極２０２を液体吐出基板２００の裏面側に基板長手方向端部の辺に沿って形成し配置した場合を示したが、液体吐出基板２００の裏面の電極２０２を基板短手方向端部の辺に沿って形成し配置することも可能である。この場合の構成を図９に実施形態４として示した。図９は実施形態４の液体吐出ヘッドを、液体吐出基板短手側方向から見た概略図である。ここで、図９に於ける支持部材１００の上面図・正面（断面）図を図１０（Ａ）・（Ｂ）に示す。また、液体吐出基板２００の上面図・正面（断面）図を図１１（Ａ）・（Ｂ）に示し、さらに、オリフィスプレート３００の上面図・正面（断面）図を図１２（Ａ）・（Ｂ）に示した。図１０〜図１２に示される支持部材１００と電気配線基板１０１と液体吐出基板２００とオリフィスプレート３００を互いに接合して組み合わせることで、図９に示される実施形態４の液体吐出ヘッドが完成する。

以上各実施形態を挙げて説明したとおりの構成によれば、次のような効果が得られる。

i）液体吐出基板表面側の電極接続部が不要になるために、シールも不要になる。つまり、液体吐出基板表面側には、オリフィスプレート以外は、存在しない事になるため、液体吐出ヘッドと被記録媒体との間の距離を大幅に狭める事ができ、また、ゴムブレードによるゴミ等の拭き取り動作の制限もなくなる。その結果、ゴムブレードの拭き取り効率が向上するため、被記録部材への液体の着弾精度が飛躍的に向上する。したがって、印刷品位を大幅に高める事ができる。

ii）液体吐出基板の表面側の高密度な電気的接続をなくす事ができるため、ＩＬＢ(Ｉｎｎｅｒ Ｌｅａｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ)装置等、高価な接続関連装置・設備が不要になり、コストを下げる事ができる。

iii）液体吐出基板の裏面側に電極２０２を配置する事により、表面側に電気接続部が存在しない事になるため、電気接続部のシール処理も不要になる。また、電気接続部を、常に液体雰囲気中に置かれている液体吐出基板の表面側と完全に分離できるため、電気的ショート等のトラブルの発生もなくす事ができる。

iv）液体吐出基板に液体供給流路溝２０４を形成する事により、液体吐出口３０１に液体を供給するために液体吐出基板に貫通する液体供給口２０６を形成する異方性エッチング工程をなくす事ができる。そのため、品質歩留まりを安定的に向上させる事ができる。

v）液体供給流路溝２０４を形成する事により、貫通する液体供給口２０６を形成する必要がなくなる。そのため、液体吐出ヘッドの製造時に於いて、熱ストレスによる伸縮を大幅に緩和させる事ができるため、液体吐出口の剥がれ・変形等の不具合の発生を大幅に抑える事ができる。

vi）液体吐出基板の表面側に液体供給流路溝２０４を形成し、裏面側に電極接続部（電極２０２など）を形成する事で、液体雰囲気面と電極接続部とを、完全に分離する事ができるため、干渉による不具合の発生を防ぐ事ができる。また、電極接続部を表面側に形成する必要がないため、スペース制約がなくなる。結果として、設計自由度を高める事ができる。

vii）電極接続部を液体吐出基板の裏面側に配置し、その部分を、熱伝導率に優れ、かつ、インク等の物質に対して耐性のあるシール剤２０５でシールする事により、電極接続部の電気的トラブル、腐食、インクの性質変化等の不具合を防止できる。また、液体吐出基板内より生ずる熱をよりいっそう効率的に放熱させる事ができる。

本発明による構成を実施する事により、上記の効果を得る事ができる。結果として、印字品位を大幅に向上させ、信頼性の高い、安価で高性能な液体吐出ヘッドを提供する事が可能になる。

なお、吐出エネルギー発生手段としてヒーターなどの電気熱変換素子を用いた液体吐出ヘッドを例示したが、本発明はこれに限られない。例えば、振動素子によってインクを吐出する等、その他の吐出方式を適用したものであってもよい。また、上述した各実施形態では、電気熱変換素子が配列された基板に対して垂直方向に液体を吐出させる方式(サイドシューター方式)を示したが、電気熱変換素子が配列された基板に対して平行方向に液体を吐出させる方式(エッジシューター方式)でもよい。

本発明は、一般的なプリンター・プリント装置の他、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリント部を有するワードプロセッサー等の装置、さらには、各種処理装置と複合的に組み合わされた産業用記録装置等、幅広く適用する事ができる。

本発明の基本構成を示す概略図である。 本発明の液体吐出ヘッドの実施形態１における支持部材と液体吐出基板の接合状態を、液体吐出基板短手側方向から見た概略図である。 本発明の液体吐出ヘッドの実施形態１における支持部材と液体吐出基板の接合状態を、液体吐出基板長手側方向から見た概略図である。 本発明の液体吐出ヘッドの実施形態１における液体吐出基板と接合されるオリフィスプレートを、液体吐出基板短手側方向から見た概略図である。 本発明の液体吐出ヘッドの実施形態１における液体吐出基板と接合されるオリフィスプレートを、液体吐出基板長手側方向から見た概略図である。 本発明の液体吐出ヘッドの実施形態１を示しており、支持部材と液体吐出基板とオリフィスプレートを接合した状態を液体吐出基板短手側方向から見た概略図である。 本発明の液体吐出ヘッドの実施形態１を示しており、支持部材と液体吐出基板とオリフィスプレートを接合した状態を液体吐出基板長手側方向から見た概略図である。 本発明の液体吐出ヘッドの実施形態３を示す、液体吐出基板短手側方向から見た概略図である。 本発明の液体吐出ヘッドの実施形態４を示す、液体吐出基板短手側方向から見た概略図である。 実施形態４に於ける支持部材の上面概略図、および、正面（断面）概略図である。 実施形態４に於ける液体吐出基板の上面概略図、および、正面（断面）概略図である。 実施形態４に於けるオリフィスプレートの上面概略図、および、正面（断面）概略図である。 従来例の概略図である。 図１３に示される液体供給口に替えて液体吐出基板に液体供給流路溝を形成した場合の概略図である。 図１４に示される電極配置に替えて電極を液体吐出基板の長手側方向に配置した場合の概略図である。

符号の説明

１００ 支持部材
１０１ 電気配線基板
１０２ 液体供給路
２００ 液体吐出基板
２０１ 貫通スルーホール
２０２ 電極（シール部）
２０３ ヒーター
２０４ 液体供給流路溝
２０５ シール剤
３００ オリフィスプレート
３０１ 液体吐出口
３０２ 液体流路壁
３０３ 液体導入流路壁
３０４ 支持部材との接着部
３０５ 液体吐出基板との接着部
３０６ 液室
４００ ゴムブレード

Claims (3)

1. 一方の面側に液体吐出口、および電気信号に応じて該液体吐出口から液体を吐出させるためのエネルギーを発生するエネルギー発生手段を複数備える液体吐出基板と、
   前記液体吐出基板に対して電気制御信号と駆動電力を供給する電気配線基板と、
   前記液体吐出基板を支持し、液体を供給する支持部材とを備える液体吐出ヘッドにおいて、
   前記液体吐出基板の前記一方の面側に形成され、前記液体吐出口に前記液体を供給する液体供給流路溝と、
   前記液体吐出基板の対向する２辺近傍に形成され、前記一方の面側とこの反対面側とを電気的に導通させる貫通スルーホールと、
   前記貫通スルーホールの前記反対面側に形成され、前記電気配線基板との導通をとる電極と、を有し
   前記液体を前記液体吐出基板の短手側端部より供給し、前記液体供給流路溝に流入させる構成にしたことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 一方の面側に液体吐出口、および電気信号に応じて該液体吐出口から液体を吐出させるためのエネルギーを発生するエネルギー発生手段を複数備える液体吐出基板と、
   前記液体吐出基板に対して電気制御信号と駆動電力を供給する電気配線基板と、
   前記液体吐出基板を支持し、液体を供給する支持部材とを備える液体吐出ヘッドにおいて、
   前記液体吐出基板の前記一方の面側に形成され、前記液体吐出口に前記液体を供給する液体供給流路溝と、
   前記液体吐出基板の対向する２辺近傍に形成され、前記一方の面側とこの反対面側とを電気的に導通させる貫通スルーホールと、
   前記電気配線基板に形成され、前記貫通スルーホールとの導通をとる電極と、を有し
   前記液体を前記液体吐出基板の短手側端部より供給し、前記液体供給流路溝に流入させる構成にしたことを特徴とする液体吐出ヘッド。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の液体吐出ヘッドが搭載された液体吐出記録装置。

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