JP4585721B2

JP4585721B2 - Method for manufacturing ink jet recording head

Info

Publication number: JP4585721B2
Application number: JP2001278113A
Authority: JP
Inventors: 宏行亀井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2001-09-13
Filing date: 2001-09-13
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2021-09-13
Also published as: JP2003080704A

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その製造方法並びに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上、あるいはこの流路形成基板の圧電素子側に接合され、圧力発生室の共通インク室となるリザーバが形成された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、圧電素子から流路形成基板又はリザーバ形成基板の端部近傍に設けられた実装部まで配線電極が延設され、この実装部にＦＰＣ等の外部配線が接続されることにより、配線電極を介して圧電素子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、実装部に外部配線を接続する際に加熱が必要なため、その熱によって流路形成基板あるいはリザーバ形成基板に反りが生じて基板に割れが発生するという問題がある。
【０００８】
詳しくは、流路形成基板又はリザーバ形成基板は、圧力発生室又はリザーバ等を高精度及び高密度に形成するために、例えば、シリコン単結晶基板等の比較的硬く割れが生じやすい材料が用いられる。一方、ノズル開口が設けられるノズルプレートは、例えば、ステンレス鋼等の金属材料で形成される。そして、外部配線を接続する際に加熱すると、各部材の熱膨張係数が異なるため反りが生じ、流路形成基板又はリザーバ形成基板に割れが生じてしまうという問題がある。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑み、基板の変形及び割れを防止したインクジェット式記録ヘッド及びその製造方法並びに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。
【００２２】
【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シリコン単結晶からなる流路形成基板と、
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の製造方法において、
前記流路形成基板上に二酸化シリコンからなる弾性膜で構成される振動板及び前記圧電素子を形成する工程と、
各圧電素子から前記弾性膜上まで引き出され金（Ａｕ）からなる引き出し配線を形成すると共に、該引き出し配線を分離することによって前記流路形成基板の一端部近傍に当該引き出し配線と同一層からなり外部配線が接続される実装部を形成する工程と、
該実装部に前記外部配線を加熱しながら押圧することによって接続した後に前記実装部と前記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工程と、
を有す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。
【００２３】
かかる第１の態様では、実装部に外部配線を接続する際には、実装部に圧電素子を駆動するための配線が接続されていないため、外部配線を接続する際の熱が配線を介して放熱されることがない。したがって、外部配線を実装部に効率的に接続することができると共に、そのときの熱によって流路形成基板等に変形や割れが発生するのを防止することができる。また、実装部と配線とを比較的容易に接続することができる。さらに、引き出し配線のパターニングと同時に実装部を容易に形成することができる。
【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分解斜視図であり、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。
【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には、封止膜４１及び固定板４２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】
また、このリザーバ１００の長手方向略中央部外側のコンプライアンス基板４０上には、リザーバ１００にインクを供給するためのインク導入口３５が形成されている。さらに、リザーバ形成基板３０には、インク導入口３５とリザーバ１００の側壁とを連通するインク導入路３６が設けられている。
【００４２】
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。
【００４３】
そして、本実施形態では、圧電素子保持部３３内に密封された圧電素子３００の上電極膜８０の長手方向一端部近傍から圧電素子保持部３３の外側まで、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、このリード電極９０の端部の外側、すなわち、流路形成基板１０の端部近傍には、例えば、フレキシブルケーブル（ＦＰＣ）等の外部配線１１０が接続される実装部１２０が設けられ、この実装部１２０とリード電極９０とがワイヤボンディング等で延設された接続配線１３０を介して電気的に接続されている。
【００４４】
ここで、この実装部１２０は、本実施形態では、リード電極９０と同一層からなり、且つリード電極９０とは独立して設けられている。すなわち、リード電極をパターニングする際に、実装部１２０を同時に形成することができるため、製造工程を簡略化できる。なお、この実装部１２０は、勿論、リード電極９０とは別途に設けてもよいことは言うまでもない。
【００４５】
そして、この実装部１２０には、例えば、異方性導電剤（ＡＦＣ）或いは半田等からなる接着層１４０を介して外部配線１１０が接続される。このような外部配線１１０の接続工程は、何れのタイミングで行ってもよいが、リード電極９０と実装部１２０とを接続配線１３０によって電気的に接続する前に行うことが好ましい。これにより、外部配線１１０を実装部１２０に効率的且つ良好に接続することができる。
【００４６】
具体的には、図３（ａ）に示すように、実装部１２０上に、接着層１４０を介して外部配線１１０を配置し、この外部配線１１０上から接着層１４０を実装ツール（加熱装置）２００で加熱しながら押圧することによって外部配線１１０を実装部１２０に接続する。その後、図３（ｂ）に示すように、ワイヤボンディングすることによって、外部配線１１０が接続された実装部１２０と各リード電極９０とを接続配線１３０を介して電気的に接続する。
【００４７】
このように、圧電素子３００を駆動するための配線であるリード電極９０とは独立して実装部１２０を設け、この実装部１２０とリード電極９０とをワイヤボンディングによって電気的に接続することにより、実装部１２０に外部配線１１０を接続する際の熱によって流路形成基板１０に変形や割れが発生するのを防止することができる。
【００４８】
すなわち、実装部１２０に圧電素子３００を駆動するための配線が直接接続されていないため、接着層１４０を実装ツール２００で加熱した際に、その熱が配線を介して放熱されるのを抑えることができる。特に、本実施形態では、実装部１２０とリード電極９０とを接続配線１３０によって接続する前に、外部配線１１０を実装部１２０に接続するようにしているため、実装部１２０からの放熱をより確実に抑えることができる。
【００４９】
このため、実装ツール２００による加熱温度を下げても、外部配線１１０を接続可能な程度に実装部１２０の温度を局所的に上昇させることができ、且つ実装部１２０に外部配線１１０を接続する際の流路形成基板１０の温度上昇を著しく抑えることができる。また、実装部１２０からの放熱が抑えられるため、外部配線１１０を短時間で効率的に接続することができる。
【００５０】
したがって、流路形成基板１０に変形や割れ等を発生させることなく、実装部１２０に外部配線１１０を良好に接続することができる。
【００５１】
例えば、従来は実装ツールによって３４０℃で３０秒程度加熱することによって実装部に外部配線を接続していたが、本実施形態では、３００℃で１０秒程度加熱することによって、実装部１２０に外部配線１１０を確実に接合することができた。
【００５２】
なお、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と接続したインク導入口３５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。
【００５３】
（実施形態２）
図４は、実施形態２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。
【００５４】
本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、圧電素子３００を駆動するための駆動回路１５０を実装するようにした例である。すなわち、本実施形態では、図４に示すように、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１５０がリザーバ形成基板３０上に搭載されている。また、この駆動回路１５０と各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０とは、例えば、ワイヤボンディング等によって延設された接続配線１３０Ａを介して接続されている。
【００５５】
また、リザーバ形成基板３０上には、この駆動回路１５０に信号を供給するための駆動配線１６０が駆動回路１５０からリザーバ形成基板３０の端部近傍まで延設されている。さらに、この駆動配線１６０の外側には、外部配線１１０が接続される実装部１２０Ａが駆動配線１６０とは独立して形成されており、駆動配線１６０と実装部１２０Ａとがワイヤボンディングによって延設された接続配線１３０Ｂによって電気的に接続されている。
【００５６】
このような本実施形態の構成としても、圧電素子３００を駆動するための配線、すなわち駆動配線１６０と実装部１２０Ａとがワイヤボンディングによって電気的に接続されているため、実施形態１と同様、リザーバ形成基板３０或いは流路形成基板１０に変形又は割れ等を発生させることなく、外部配線１１０を実装部１２０Ａに良好に接続することができる。
【００５７】
（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。
【００５８】
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。
【００５９】
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５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。
【００６０】
図５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。
【００６１】
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。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、流路形成基板又は流路形成基板に接合される接合基板上に外部配線が接続される実装部を設け、且つこの実装部と圧電素子を駆動するための配線とをワイヤボンディングによって電気的に接続されているようにしたので、実装部に外部配線を接続する際の熱が、配線を介して放熱されるのを抑えることができるため、この熱による流路形成基板又は接合基板の変形又は割れの発生を防止することができる。
【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分解斜視図である。
【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製造工程を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態２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５】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外部配線
１２０，１２０Ａ実装部
１３０，１３０Ａ，１３０Ｂ接続配線
１４０接着層
１５０駆動回路
２００実装ツール
３００圧電素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
According to the present invention, a part of a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for ejecting ink droplets is constituted by a diaphragm, and a piezoelectric element is formed on the surface of the diaphragm, and ink droplets are ejected by displacement of the piezoelectric element. The present invention relates to an ink jet recording head, a manufacturing method thereof, and an ink jet recording apparatus.
[0002]
[Prior art]
A part of the pressure generation chamber communicating with the nozzle opening for discharging ink droplets is constituted by a vibration plate, and the vibration plate is deformed by a piezoelectric element to pressurize the ink in the pressure generation chamber to discharge ink droplets from the nozzle opening. Two types of ink jet recording heads have been put into practical use: those using a longitudinal vibration mode piezoelectric actuator that extends and contracts in the axial direction of the piezoelectric element, and those using a flexural vibration mode piezoelectric actuator.
[0003]
The former can change the volume of the pressure generation chamber by bringing the end face of the piezoelectric element into contact with the vibration plate, and it is possible to manufacture a head suitable for high-density printing, while the piezoelectric element is arranged in an array of nozzle openings. There is a problem that the manufacturing process is complicated because a difficult process of matching the pitch into a comb-like shape and an operation of positioning and fixing the cut piezoelectric element in the pressure generating chamber are necessary.
[0004]
On the other hand, the latter can flexibly vibrate, although a piezoelectric element can be built on the diaphragm by a relatively simple process of sticking a green sheet of piezoelectric material according to the shape of the pressure generation chamber and firing it. There is a problem that a certain amount of area is required for the use of, and high-density arrangement is difficult.
[0005]
On the other hand, in order to eliminate the inconvenience of the latter recording head, a uniform piezoelectric material layer is formed by a film forming technique over the entire surface of the diaphragm as seen in Japanese Patent Laid-Open No. 5-286131. A material in which a piezoelectric layer is formed so that a material layer is cut into a shape corresponding to a pressure generation chamber by a lithography method and is independent for each pressure generation chamber has been proposed.
[0006]
In addition, such a piezoelectric element is, for example, bonded to a flow path forming substrate in which a pressure generating chamber is defined or a piezoelectric element side of the flow path forming substrate, and a reservoir serving as a common ink chamber of the pressure generating chamber is provided. It is connected to external wiring on the formed reservoir forming substrate. That is, a wiring electrode extends from the piezoelectric element to a mounting portion provided near the end of the flow path forming substrate or the reservoir forming substrate, and an external wiring such as an FPC is connected to the mounting portion to The piezoelectric element and the external wiring are electrically connected via each other.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the ink jet recording head having such a configuration, heating is required when connecting the external wiring to the mounting portion, and the heat causes warping of the flow path forming substrate or the reservoir forming substrate, and the substrate is cracked. There is a problem of doing.
[0008]
Specifically, the flow path forming substrate or the reservoir forming substrate is made of, for example, a relatively hard and easily cracked material such as a silicon single crystal substrate in order to form the pressure generating chamber or the reservoir with high accuracy and high density. . On the other hand, the nozzle plate provided with the nozzle openings is made of a metal material such as stainless steel, for example. Further, if heating is performed when connecting the external wiring, there is a problem that warpage occurs because the thermal expansion coefficient of each member is different, and the flow path forming substrate or the reservoir forming substrate is cracked.
[0009]
In view of such circumstances, it is an object of the present invention to provide an ink jet recording head that prevents deformation and cracking of a substrate, a manufacturing method thereof, and an ink jet recording apparatus.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
A first aspect of the present invention that solves the above problems is a flow path forming substrate made of a silicon single crystal in which a pressure generation chamber communicating with a nozzle opening is defined;
In a method for manufacturing an ink jet recording head, comprising: a piezoelectric element that is provided on one side of the flow path forming substrate via a vibration plate and causes a pressure change in the pressure generating chamber.
Forming a diaphragm composed of an elastic film made of silicon dioxide and the piezoelectric element on the flow path forming substrate;
A lead-out wiring made of gold (Au) is formed from each piezoelectric element to the elastic film, and the lead-out wiring is separated into one layer near the one end of the flow path forming substrate. Forming a mounting portion to which external wiring is connected;
Electrically connecting the mounting part and the lead-out wiring by wire bonding after being connected to the mounting part by pressing the external wiring while heating ;
An ink jet recording head characterized by comprising:
[0023]
In the first aspect, when the external wiring is connected to the mounting portion, the wiring for driving the piezoelectric element is not connected to the mounting portion, so the heat when connecting the external wiring is transmitted through the wiring. There is no heat dissipation. Therefore, it is possible to efficiently connect the external wiring to the mounting portion, and it is possible to prevent the flow path forming substrate or the like from being deformed or cracked by the heat at that time. Further, the mounting portion and the wiring can be connected relatively easily. Furthermore, the mounting portion can be easily formed simultaneously with the patterning of the lead wiring.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
[0029]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an ink jet recording head according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view of FIG.
[0030]
As shown in the drawing, the flow path forming substrate 10 is composed of a silicon single crystal substrate having a plane orientation (110) in this embodiment. As the flow path forming substrate 10, one having a thickness of about 150 to 300 μm is usually used, preferably about 180 to 280 μm, more preferably about 220 μm. This is because the arrangement density can be increased while maintaining the rigidity of the partition between adjacent pressure generating chambers.
[0031]
One surface of the flow path forming substrate 10 is an opening surface, and an elastic film 50 having a thickness of 1 to 2 μm made of silicon dioxide previously formed by thermal oxidation is formed on the other surface.
[0032]
On the other hand, pressure generation chambers 12 partitioned by a plurality of partition walls 11 are arranged in parallel in the width direction on the opening surface of the flow path forming substrate 10 by anisotropic etching of the silicon single crystal substrate. Are formed with a communicating portion 13 that forms part of the reservoir 100 that communicates with a reservoir portion of a reservoir forming substrate, which will be described later, and serves as a common ink chamber for each pressure generating chamber 12. The one end portion communicates with each other via the ink supply path 14.
[0033]
Here, the anisotropic etching is performed by utilizing the difference in etching rate of the silicon single crystal substrate. For example, in this embodiment, when a silicon single crystal substrate is immersed in an alkaline solution such as KOH, the first (111) plane perpendicular to the (110) plane is gradually eroded, and the first (111) plane. And a second (111) plane that forms an angle of about 70 degrees with the (110) plane and an angle of about 35 degrees appears, and the (111) plane is compared with the etching rate of the (110) plane. This is performed using the property that the etching rate is about 1/180. By this anisotropic etching, precision processing can be performed based on the parallelogram depth processing formed by two first (111) surfaces and two oblique second (111) surfaces. The pressure generating chambers 12 can be arranged with high density.
[0034]
In the present embodiment, the long side of each pressure generating chamber 12 is formed by the first (111) plane and the short side is formed by the second (111) plane. The pressure generation chamber 12 is formed by etching until it substantially passes through the flow path forming substrate 10 and reaches the elastic film 50. Here, the amount of the elastic film 50 that is affected by the alkaline solution for etching the silicon single crystal substrate is extremely small. In addition, each ink supply path 14 communicating with one end of each pressure generation chamber 12 is formed shallower than the pressure generation chamber 12, and the flow path resistance of the ink flowing into the pressure generation chamber 12 is kept constant. That is, the ink supply path 14 is formed by etching the silicon single crystal substrate halfway in the thickness direction (half etching). Half etching is performed by adjusting the etching time.
[0035]
Further, a nozzle plate 20 having a nozzle opening 21 communicating with the side opposite to the ink supply path 14 of each pressure generating chamber 12 on the opening surface side of the flow path forming substrate 10 is an adhesive, a heat-welded film, or the like. It is fixed through. The nozzle plate 20 has a thickness of, for example, 0.1 to 1 mm and a linear expansion coefficient of 300 ° C. or less, for example, 2.5 to 4.5 [× 10 ⁻⁶ / ° C.], or Made of non-rust steel. The nozzle plate 20 entirely covers one surface of the flow path forming substrate 10 on one surface, and also serves as a reinforcing plate that protects the silicon single crystal substrate from impact and external force. Further, the nozzle plate 20 may be formed of a material having substantially the same thermal expansion coefficient as that of the flow path forming substrate 10. In this case, since the deformation by heat of the flow path forming substrate 10 and the nozzle plate 20 is substantially the same, it can be easily joined using a thermosetting adhesive or the like.
[0036]
Here, the size of the pressure generation chamber 12 that applies ink droplet discharge pressure to the ink and the size of the nozzle opening 21 that discharges the ink droplet are optimized according to the amount of ink droplet to be discharged, the discharge speed, and the discharge frequency. The For example, when recording 360 ink droplets per inch, the nozzle opening 21 needs to be accurately formed with a diameter of several tens of μm.
[0037]
On the other hand, on the elastic film 50 opposite to the opening surface of the flow path forming substrate 10, a lower electrode film 60 having a thickness of, for example, about 0.2 μm and a piezoelectric layer having a thickness of, for example, about 1 μm. 70 and an upper electrode film 80 having a thickness of, for example, about 0.1 μm are laminated by a process described later to constitute the piezoelectric element 300. Here, the piezoelectric element 300 refers to a portion including the lower electrode film 60, the piezoelectric layer 70, and the upper electrode film 80. In general, one electrode of the piezoelectric element 300 is used as a common electrode, and the other electrode and the piezoelectric layer 70 are patterned for each pressure generating chamber 12. In addition, here, a portion that is configured by any one of the patterned electrodes and the piezoelectric layer 70 and in which piezoelectric distortion is generated by applying a voltage to both electrodes is referred to as a piezoelectric active portion. In this embodiment, the lower electrode film 60 is a common electrode of the piezoelectric element 300, and the upper electrode film 80 is an individual electrode of the piezoelectric element 300. However, there is no problem even if this is reversed for the convenience of the drive circuit and wiring. In either case, a piezoelectric active part is formed for each pressure generating chamber. Further, here, the piezoelectric element 300 and the vibration plate that is displaced by driving the piezoelectric element 300 are collectively referred to as a piezoelectric actuator.
[0038]
A reservoir forming substrate 30 having a reservoir portion 31 constituting at least a part of the reservoir 100 is joined to the flow path forming substrate 10 on the piezoelectric element 300 side. In this embodiment, the reservoir portion 31 is formed across the reservoir forming substrate 30 in the thickness direction and across the width direction of the pressure generating chamber 12, and as described above, the communication portion of the flow path forming substrate 10 is formed. The reservoir 100 is connected to the pressure generation chamber 12 and serves as a common ink chamber for the pressure generation chambers 12.
[0039]
As the reservoir forming substrate 30, it is preferable to use a material substantially the same as the coefficient of thermal expansion of the flow path forming substrate 10, for example, glass, ceramic material, etc. In this embodiment, the same material as the flow path forming substrate 10 is used. It was formed using a silicon single crystal substrate. Thereby, like the case of the above-mentioned nozzle plate 20, even if it is the adhesion | attachment at high temperature using a thermosetting adhesive agent, both can be adhere | attached reliably. Therefore, the manufacturing process can be simplified.
[0040]
Further, a compliance substrate 40 including a sealing film 41 and a fixing plate 42 is bonded to the reservoir forming substrate 30. Here, the sealing film 41 is made of a material having low rigidity and flexibility (for example, a polyphenylene sulfide (PPS) film having a thickness of 6 μm), and the sealing film 41 seals one surface of the reservoir unit 31. It has been stopped. The fixing plate 42 is made of a hard material such as metal (for example, stainless steel (SUS) having a thickness of 30 μm). Since the region of the fixing plate 42 facing the reservoir 100 is an opening 43 that is completely removed in the thickness direction, one surface of the reservoir 100 is sealed only with a flexible sealing film 41. Thus, the flexible portion 32 is deformable by a change in internal pressure.
[0041]
An ink introduction port 35 for supplying ink to the reservoir 100 is formed on the compliance substrate 40 on the outer side of the central portion in the longitudinal direction of the reservoir 100. Further, the reservoir forming substrate 30 is provided with an ink introduction path 36 that allows the ink introduction port 35 and the side wall of the reservoir 100 to communicate with each other.
[0042]
On the other hand, in a region facing the piezoelectric element 300 of the reservoir forming substrate 30, a piezoelectric element holding portion 33 capable of sealing the space is provided in a state where a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 300 is secured. The element 300 is sealed in the piezoelectric element holding portion 33.
[0043]
In this embodiment, from the vicinity of one end in the longitudinal direction of the upper electrode film 80 of the piezoelectric element 300 sealed in the piezoelectric element holding portion 33 to the outside of the piezoelectric element holding portion 33, for example, gold (Au) or the like is used. A lead electrode 90 is extended. Further, a mounting portion 120 to which an external wiring 110 such as a flexible cable (FPC) is connected is provided outside the end portion of the lead electrode 90, that is, in the vicinity of the end portion of the flow path forming substrate 10. The mounting part 120 and the lead electrode 90 are electrically connected via a connection wiring 130 extended by wire bonding or the like.
[0044]
Here, in the present embodiment, the mounting portion 120 is formed of the same layer as the lead electrode 90 and is provided independently of the lead electrode 90. That is, when patterning the lead electrode, the mounting portion 120 can be formed at the same time, so that the manufacturing process can be simplified. Needless to say, the mounting portion 120 may be provided separately from the lead electrode 90.
[0045]
Then, the external wiring 110 is connected to the mounting portion 120 via an adhesive layer 140 made of, for example, an anisotropic conductive agent (AFC) or solder. Such a connection step of the external wiring 110 may be performed at any timing, but is preferably performed before the lead electrode 90 and the mounting portion 120 are electrically connected by the connection wiring 130. Thereby, the external wiring 110 can be efficiently and satisfactorily connected to the mounting portion 120.
[0046]
Specifically, as shown in FIG. 3A, the external wiring 110 is disposed on the mounting portion 120 via the adhesive layer 140, and the adhesive layer 140 is mounted on the external wiring 110 by a mounting tool (heating device). The external wiring 110 is connected to the mounting part 120 by pressing while heating at 200. Thereafter, as shown in FIG. 3B, the mounting portion 120 to which the external wiring 110 is connected and each lead electrode 90 are electrically connected through the connection wiring 130 by wire bonding.
[0047]
In this way, by providing the mounting part 120 independently of the lead electrode 90 that is a wiring for driving the piezoelectric element 300, and electrically connecting the mounting part 120 and the lead electrode 90 by wire bonding, It is possible to prevent the flow path forming substrate 10 from being deformed or cracked by heat when the external wiring 110 is connected to the mounting part 120.
[0048]
That is, since the wiring for driving the piezoelectric element 300 is not directly connected to the mounting portion 120, when the adhesive layer 140 is heated by the mounting tool 200, the heat is prevented from being radiated through the wiring. Can do. In particular, in the present embodiment, the external wiring 110 is connected to the mounting portion 120 before the mounting portion 120 and the lead electrode 90 are connected by the connection wiring 130, so that heat radiation from the mounting portion 120 is more reliably performed. Can be suppressed.
[0049]
For this reason, even when the heating temperature by the mounting tool 200 is lowered, the temperature of the mounting portion 120 can be locally increased to the extent that the external wiring 110 can be connected, and when the external wiring 110 is connected to the mounting portion 120. The temperature rise of the flow path forming substrate 10 can be remarkably suppressed. In addition, since heat dissipation from the mounting portion 120 is suppressed, the external wiring 110 can be efficiently connected in a short time.
[0050]
Therefore, the external wiring 110 can be satisfactorily connected to the mounting portion 120 without causing deformation or cracking in the flow path forming substrate 10.
[0051]
For example, in the past, external wiring was connected to the mounting portion by heating at 340 ° C. for about 30 seconds with a mounting tool, but in this embodiment, the mounting portion 120 is externally connected by heating at 300 ° C. for about 10 seconds. The wiring 110 could be reliably joined.
[0052]
The ink jet recording head according to the present embodiment takes in ink from an ink introduction port 35 connected to an external ink supply unit (not shown), fills the interior from the reservoir 100 to the nozzle opening 21 with ink, In accordance with a recording signal from a drive circuit (not shown), a voltage is applied between the lower electrode film 60 and the upper electrode film 80 corresponding to the pressure generation chamber 12 via an external wiring, and the elastic film 50 and the lower electrode film 60 are applied. In addition, by bending and deforming the piezoelectric layer 70, the pressure in each pressure generation chamber 12 is increased, and ink droplets are ejected from the nozzle openings 21.
[0053]
(Embodiment 2)
4A and 4B are a plan view and a cross-sectional view of the ink jet recording head according to the second embodiment.
[0054]
The ink jet recording head of this embodiment is an example in which a drive circuit 150 for driving the piezoelectric element 300 is mounted. That is, in the present embodiment, as shown in FIG. 4, for example, a drive circuit 150 such as a circuit board or a semiconductor integrated circuit (IC) for driving the piezoelectric element 300 is mounted on the reservoir forming substrate 30. . Further, the drive circuit 150 and the lead electrode 90 drawn from each piezoelectric element 300 are connected via a connection wiring 130 </ b> A extended by, for example, wire bonding.
[0055]
On the reservoir forming substrate 30, a driving wiring 160 for supplying a signal to the driving circuit 150 extends from the driving circuit 150 to the vicinity of the end of the reservoir forming substrate 30. Further, a mounting portion 120A to which the external wiring 110 is connected is formed outside the driving wiring 160 independently of the driving wiring 160, and the driving wiring 160 and the mounting portion 120A are extended by wire bonding. The connection wiring 130B is electrically connected.
[0056]
Also in this configuration of the present embodiment, the wiring for driving the piezoelectric element 300, that is, the driving wiring 160 and the mounting portion 120A are electrically connected by wire bonding. The external wiring 110 can be satisfactorily connected to the mounting portion 120A without causing deformation or cracking in the formation substrate 30 or the flow path formation substrate 10.
[0057]
(Other embodiments)
While the embodiments of the present invention have been described above, the basic configuration of the ink jet recording head is not limited to that described above.
[0058]
For example, in each of the above-described embodiments, the thin film type ink jet recording head manufactured by applying the film forming and lithography processes is taken as an example. However, the present invention is not limited to this example. The present invention can be applied to a thick film type ink jet recording head formed by such a method.
[0059]
In addition, the ink jet recording heads of these embodiments constitute a part of a recording head unit having an ink flow path communicating with an ink cartridge or the like, and are mounted on the ink jet recording apparatus. FIG. 5 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.
[0060]
As shown in FIG. 5, in the recording head units 1A and 1B having the ink jet recording head, cartridges 2A and 2B constituting ink supply means are detachably provided, and a carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted. Is provided on a carriage shaft 5 attached to the apparatus body 4 so as to be movable in the axial direction. The recording head units 1A and 1B, for example, are configured to eject a black ink composition and a color ink composition, respectively.
[0061]
The driving force of the driving motor 6 is transmitted to the carriage 3 via a plurality of gears and timing belt 7 (not shown), so that the carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted is moved along the carriage shaft 5. The On the other hand, the apparatus body 4 is provided with a platen 8 along the carriage shaft 5, and a recording sheet S, which is a recording medium such as paper fed by a paper feed roller (not shown), is conveyed on the platen 8. It is like that.
[0062]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the mounting portion to which the external wiring is connected is provided on the flow path forming substrate or the bonding substrate bonded to the flow path forming substrate, and the mounting portion and the piezoelectric element are driven. Because the heat when connecting the external wiring to the mounting portion can be prevented from being dissipated through the wiring. Deformation or cracking of the flow path forming substrate or the bonded substrate can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of an ink jet recording head according to a first embodiment of the invention.
2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view of the ink jet recording head according to the first embodiment of the invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the ink jet recording head according to the first embodiment of the invention.
4A and 4B are a plan view and a cross-sectional view of an ink jet recording head according to Embodiment 2 of the invention.
FIG. 5 is a schematic view of an ink jet recording apparatus according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Flow path forming substrate 12 Pressure generating chamber 20 Nozzle plate 21 Nozzle opening 30 Reservoir forming substrate 40 Compliance substrate 60 Lower electrode film 70 Piezoelectric layer 80 Upper electrode film 100 Reservoir 110 External wiring 120, 120A Mounting portions 130, 130A, 130B Connection Wiring 140 Adhesive layer 150 Drive circuit 200 Mounting tool 300 Piezoelectric element

Claims

ノズル開口に連通する圧力発生室が画成されるシリコン単結晶からなる流路形成基板と、
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の製造方法において、
前記流路形成基板上に二酸化シリコンからなる弾性膜で構成される振動板及び前記圧電素子を形成する工程と、
各圧電素子から前記弾性膜上まで引き出され金（Ａｕ）からなる引き出し配線を形成すると共に、該引き出し配線を分離することによって前記流路形成基板の一端部近傍に当該引き出し配線と同一層からなり外部配線が接続される実装部を形成する工程と、
該実装部に前記外部配線を加熱しながら押圧することによって接続した後に前記実装部と前記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工程と、
を有することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法。A flow path forming substrate made of a silicon single crystal in which a pressure generating chamber communicating with the nozzle opening is defined;
In a method for manufacturing an ink jet recording head, comprising: a piezoelectric element that is provided on one side of the flow path forming substrate via a vibration plate and causes a pressure change in the pressure generating chamber.
Forming a diaphragm composed of an elastic film made of silicon dioxide and the piezoelectric element on the flow path forming substrate;
A lead-out wiring made of gold (Au) is formed from each piezoelectric element to the elastic film, and the lead-out wiring is separated into one layer near the one end of the flow path forming substrate. Forming a mounting portion to which external wiring is connected;
Electrically connecting the mounting part and the lead-out wiring by wire bonding after being connected to the mounting part by pressing the external wiring while heating ;
A method of manufacturing an ink jet recording head, comprising: