JP4129614B2

JP4129614B2 - インクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置

Info

Publication number: JP4129614B2
Application number: JP2001257747A
Authority: JP
Inventors: 哲司高橋
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2001-08-28
Filing date: 2001-08-28
Publication date: 2008-08-06
Anticipated expiration: 2021-08-28
Also published as: JP2003063000A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク滴を吐出する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、この振動板の表面に圧電素子を形成して、圧電素子の変位によりインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インク滴を吐出する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には、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
前者は圧電素子の端面を振動板に当接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て、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、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るという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
【０００４】
これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。
【０００５】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、特開平５−２８６１３１号公報に見られるように、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、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各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案されている。
【０００６】
また、このような圧電素子は、例えば、圧力発生室が画成される流路形成基板に接合される接合基板、例えば、各圧力発生室の共通インク室となるリザーバが形成されるリザーバ形成基板上で外部配線と接続されている。すなわち、圧電素子を駆動するための駆動回路が接合基板上に設けられると共に、この駆動回路から延設された駆動配線にフレキシブルケーブル（ＦＰＣ）等の外部配線が接続されることにより、駆動配線を介して駆動回路と外部配線とが電気的に接続される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成のインクジェット式記録ヘッドでは、駆動配線が接合基板上に形成されているため、駆動配線と外部配線とを接合する際の熱によって接合基板が加熱されて反りが生じ、接合基板あるいは流路形成基板に割れが発生するという問題がある。
【０００８】
また、この熱が接合基板を介して放熱されてしまい、駆動配線と外部配線との接合強度が低下し、駆動回路と外部配線との間で接続不良が発生するという問題もある。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑み、駆動回路と外部配線とを良好に接続することができ、基板の割れを防止したインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室が画成される流路形成基板と、該流路形成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インクジェット式記録ヘッドにおいて、前記流路形成基板の前記圧電素子側に接合される接合基板を有すると共に、該接合基板上に前記圧電素子を駆動するための駆動回路が実装された外部配線が固定され、前記駆動回路と前記圧電素子から引き出された引き出し配線とがワイヤボンディングによって形成された接続配線を介して電気的に接続され、且つ前記外部配線に搭載された前記駆動回路が前記接合基板に固着されていると共に、前記外部配線の前記駆動回路に対向する領域に設けられた貫通孔によって当該駆動回路の前記外部配線との接続面側の前記接続配線で接続される部分が露出される露出部を有し、該露出部で前記接続配線が前記駆動回路に接続されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１１】
かかる第１の態様では、駆動回路及び外部配線を接合基板上に固定する際に加熱が必要なく、また接続配線を駆動回路に直接接続するようにしているため、流路形成基板及びリザーバ形成基板の加熱が抑えられ、これらの基板の変形及び割れの発生が防止される。また、外部配線の露出部で駆動回路に接続配線を直接接続するため、そのときの熱による接合基板及び流路形成基板の変形が防止される。
【００２２】
本発明の第２の態様は、前記駆動回路が搭載された外部配線がダイボンディングによって前記接合基板に固着されていることを特徴とする第１の態様のインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２３】
かかる第２の態様では、駆動回路が搭載された外部配線を接合基板に比較的低温で固着することができる。
【００２４】
本発明の第３の態様は、前記圧力発生室がシリコン単結晶基板に異方性エッチングにより形成され、前記圧電素子の各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されたものであることを特徴とする第１又は２の態様のインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２５】
かかる第３の態様では、高密度のノズル開口を有するインクジェット式記録ヘッドを大量に且つ比較的容易に製造することができる。
【００２６】
本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様のインクジェット式記録ヘッドを具備することを特徴とするインクジェット式記録装置にある。
【００２７】
かかる第４の態様では、ヘッドのインク吐出特性が安定し、信頼性を向上したインクジェット式記録装置を実現することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００２９】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す組立斜視図であり、図２は、図１の平面図及び断面図である。
【００３０】
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る。流路形成基板１０としては、通常、１５０〜３００μｍ程度の厚さのものが用いられ、望ましくは１８０〜２８０μｍ程度、より望ましくは２２０μｍ程度の厚さのものが好適である。これは、隣接する圧力発生室間の隔壁の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。
【００３１】
流路形成基板１０の一方の面は開口面となり、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なる、厚さ１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。
【００３２】
一方、流路形成基板１０の開口面には、シリコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１により区画された圧力発生室１２が幅方向に並設され、その長手方向外側には、後述するリザーバ形成基板のリザーバ部に連通して各圧力発生室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、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。
【００３３】
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ものである。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。
【００３４】
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は、圧力発生室１２より浅く形成されており、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。すなわち、インク供給路１４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）することにより形成されている。なお、ハーフエッチングは、エッチング時間の調整により行われる。
【００３５】
また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で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、０．１〜１ｍｍ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、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。
【００３６】
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。
【００３７】
一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側の弾性膜５０の上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．１μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、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。
【００３８】
また、流路形成基板１０の圧電素子３００側には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有するリザーバ形成基板３０が接合されている。このリザーバ部３１は、本実施形態では、リザーバ形成基板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、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。
【００３９】
このリザーバ形成基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、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。これにより、上述のノズルプレート２０の場合と同様に、熱硬化性の接着剤を用いた高温での接着であっても両者を確実に接着することができる。したがって、製造工程を簡略化することができる。
【００４０】
さらに、このリザーバ形成基板３０の各リザーバ部３１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のポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３１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、内部圧力の変化によって変形可能な可撓部３２となっている。
【００４１】
一方、リザーバ形成基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で、その空間を密封可能な圧電素子保持部３３が設けられ、圧電素子３００はこの圧電素子保持部３３内に密封されている。
【００４２】
また、本実施形態では、リザーバ形成基板３０の圧電素子保持部３３に対応する領域に、各圧電素子３００を駆動するための、例えば、回路基板あるいは半導体集積回路（ＩＣ）等の駆動回路１１０が固定されている。さらに、この駆動回路１１０上には、例えば、フレキシブルケーブル（ＦＰＣ）等の外部配線１２０が接続されている。この駆動回路１１０は、外部配線１２０に予め実装されており、例えば、半田あるいは異方性導電剤（ＡＣＦ）からなる接着層１１１によって電気的に接続されている。
【００４３】
また、駆動回路１１０と各圧電素子３００とは、駆動回路１１０の外部配線１２０との接続面側の一部が露出された露出部を介して延設された接続配線１３０によって電気的に接続されている。具体的には、本実施形態では、外部配線１２０の駆動回路１１０に対向する領域には、駆動回路１１０を露出させる貫通孔１２１が設けられている。一方、圧電素子３００の上電極膜８０の長手方向一端部近傍から弾性膜５０上に亘って、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が延設されている。さらに、リザーバ形成基板３０のリード電極９０の端部近傍に対応する領域には、このリザーバ形成基板３０を貫通する貫通溝３４が形成されている。そして、ワイヤボンディングによって接続配線１３０がこの貫通溝３４及び外部配線１２０の貫通孔１２１を介して延設され、駆動回路１１０とリード電極９０とが電気的に接続されている。すなわち、接続配線１３０の一端部は、駆動回路１１０に直接接続されている。
【００４４】
このようなインクジェット式記録ヘッドの組立手順としては、まず、流路形成基板１０の一方面側に弾性膜５０及び圧電素子３００を形成し、その後、図３（ａ）に示すように、流路形成基板１０にノズルプレート２０、リザーバ形成基板３０及びコンプライアンス基板４０を接着剤等によって接合する。
【００４５】
次いで、図３（ｂ）に示すように、駆動回路１１０が実装された外部配線１２０をリザーバ形成基板３０上に固定する。例えば、本実施形態では、ダイボンディングによって駆動回路１１０をリザーバ形成基板３０に固着した。なお、この固着方法としては、特に限定されないが、比較的低温で固着できる方法を用いることが好ましい。
【００４６】
その後、図３（ｃ）に示すように、外部配線１２０の貫通孔１２１及びリザーバ形成基板３０の貫通溝３４を介してワイヤボンディングによって接続配線１３０を形成することにより、リード電極９０と駆動回路１１０とを電気的に接続する。
【００４７】
このように本実施形態では、駆動回路１１０を外部配線１２０に予め実装し、且つワイヤボンディングによって延設された接続配線１３０によって、圧電素子３００と駆動回路１１０とを電気的に接続するようにした。すなわち、駆動回路１１０をリザーバ形成基板３０に固着する際には電気的な接続が行われないため、加熱することなく比較的容易に固着することができる。したがって、駆動回路１１０をリザーバ形成基板３０上に固定する際に、流路形成基板１０及びリザーバ形成基板３０等が加熱されることがない。
【００４８】
また、接続配線１３０は、ワイヤボンディングによって形成され、且つその一端部は、駆動回路１１０上に直接接続されている。すなわち、接続配線１３０がリザーバ形成基板３０上で接続されていないため、接続配線１３０を形成する際の熱による流路形成基板１０及びリザーバ形成基板３０の加熱が抑えられる。
【００４９】
したがって、駆動回路１１０及び外部配線１２０の実装の熱によって、流路形成基板１０又はリザーバ形成基板３０が変形して割れが発生するのを防止することができ、歩留まりを著しく向上することができる。
【００５０】
また、駆動回路１１０を外部配線１２０に予め実装しておくことにより、比較的高温で駆動回路１１０を外部配線１２０に実装することができるため、駆動回路１１０と外部配線１２０との接合強度を向上することができる。
【００５１】
例えば、半田からなる接着層１１１を介して駆動回路１１０を実装する場合、１８０℃〜２１０℃程度に加熱することが好ましく、接着層１１１として異方性導電剤（ＡＣＦ）を用いる場合には、約１７０℃程度に加熱するのが好ましい。リザーバ形成基板上に駆動回路と外部配線とを実装する場合には、各基板の接合温度を考慮して加熱温度を決定する必要があるが、本実施形態のように、外部配線に駆動回路を予め実装することにより、所望の温度で駆動回路を良好に実装することができる。
【００５２】
なお、本実施形態では、接続配線１３０は露出されているが、例えば、図４に示すように、エポキシ樹脂等からなる絶縁部材１４０を駆動回路１１０及び外部配線１２０を覆って設け、接続配線１３０の電気絶縁を図るようにしてもよい。勿論、この絶縁部材１４０は、接続配線１３０が形成された領域のみに設けるようにしてもよいが、駆動回路１１０及び外部配線１２０を覆って設けることにより、接続配線１３０の電気絶縁を図ると共に、駆動回路１１０及び外部配線１２０をリザーバ形成基板３０により確実に固定することができる。
【００５３】
また、本実施形態では、外部配線１２０に実装された駆動回路１１０をリザーバ形成基板３０に固着するようにしたが、これに限定されず、例えば、図５に示すように、外部配線１２０の駆動回路１１０とは反対側の面をリザーバ形成基板３０に固着するようにしてもよい。
【００５４】
また、本実施形態では、外部配線１２０に貫通孔１２１を設けて駆動回路１１０を露出させ、この貫通孔１２１内で接続配線１３０を駆動回路１１０に接続するようにしたが、これに限定されず、例えば、図６に示すように、駆動回路１１０の中央部で外部配線１２０との実装を行い、駆動回路１１０の外周部に対向する領域に駆動回路１１０を露出させる露出部１１５を設けると共に、この露出部１１５で駆動回路１１０と接続配線１３０とを接続してもよい。また、例えば、アース線などの駆動回路１１０を介さなくてもよい配線は、ワイヤボンディング等によって外部配線１２０に直接接続するようにしてもよい。
【００５５】
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、図示しない外部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、図示しない駆動回路からの記録信号に従い、外部配線を介して圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、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。
【００５６】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。
【００５７】
例えば、上述の各実施形態では、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。
【００５８】
また、これら各実施形態の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７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。
【００５９】
図７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。
【００６０】
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上を搬送されるようになっている。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、駆動回路が実装された外部配線を接合基板に固定すると共に、駆動回路と圧電素子から引き出された引き出し配線とをワイヤボンディングによって電気的に接続するようにしたので、駆動回路及び外部配線を実装する際に熱によって流路形成基板及び接合基板が変形して割れが発生するのを防止することができる。また、駆動回路を外部配線に予め実装することにより、比較的高温で駆動回路を外部配線に実装することができ、駆動回路と外部配線との接合強度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの組立工程を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの他の例を示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの他の例を示す断面図である。
【図６】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの他の例を示す断面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。
【符号の説明】
１０流路形成基板
１２圧力発生室
２０ノズルプレート
２１ノズル開口
３０リザーバ形成基板
４０コンプライアンス基板
６０下電極膜
７０圧電体層
８０上電極膜
１００リザーバ
１１０駆動回路
１２０外部配線
１２１貫通孔
１３０接続配線
１４０絶縁部材
３００圧電素子

Claims

ノズル開口に連通する圧力発生室が画成される流路形成基板と、該流路形成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インクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記流路形成基板の前記圧電素子側に接合される接合基板を有すると共に、該接合基板上に前記圧電素子を駆動するための駆動回路が実装された外部配線が固定され、前記駆動回路と前記圧電素子から引き出された引き出し配線とがワイヤボンディングによって形成された接続配線を介して電気的に接続され、且つ前記外部配線に搭載された前記駆動回路が前記接合基板に固着されていると共に、前記外部配線の前記駆動回路に対向する領域に設けられた貫通孔によって当該駆動回路の前記外部配線との接続面側の前記接続配線で接続される部分が露出される露出部を有し、該露出部で前記接続配線が前記駆動回路に接続されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
前記駆動回路が搭載された外部配線がダイボンディングによって前記接合基板に固着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記録ヘッド。
前記圧力発生室がシリコン単結晶基板に異方性エッチングにより形成され、前記圧電素子の各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のインクジェット式記録ヘッド。
請求項１〜３の何れかのインクジェット式記録ヘッドを具備することを特徴とするインクジェット式記録装置。