JP5309686B2 - インクジェットヘッド - Google Patents

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Description

本発明はインクジェットヘッドに関し、詳しくは、全てインクを吐出する吐出チャネルにより構成される複数のチャネル列を有するヘッドチップの駆動電極と駆動回路との間の電気的接続を容易に行い得るようにしたインクジェットヘッドに関する。
従来、チャネルを区画する駆動壁に形成した電極に電圧を印加することにより駆動壁をせん断変形させ、そのとき発生する圧力を利用してチャネル内のインクをノズルから吐出させるようにしたインクジェットヘッドとして、前面及び後面にそれぞれチャネルの開口部が配置された所謂ハーモニカ型のヘッドチップを有するものが知られている。
このようなハーモニカ型のヘッドチップでは、如何にして各駆動電極と駆動回路との電気的接続を行うかが課題となる。
例えば、従来、チャネルの上部を閉蓋するヘッドチップのカバー基板に貫通電極を設けることにより、各チャネル内の駆動電極をヘッドチップのカバー基板表面に引き出し、このカバー基板の表面においてFPC等によって各駆動電極と駆動回路との電気的接続を図るようにしたインクジェットヘッドが提案されている(特許文献1)。
しかし、カバー基板に貫通電極を設けることは、貫通孔の開設作業、貫通孔内への導電材の埋設作業等といった困難な作業を必要とする。このため、インクが吐出される面と反対側の面であるヘッドチップ後面に各駆動電極と導通する接続電極を引き出し形成し、このヘッドチップ後面に配線基板を接合させ、配線基板の端部にFPCを接合することにより、各駆動電極と駆動回路との電気的接続を行うようにしたインクジェットヘッドも提案されている(特許文献2)。
このようにヘッドチップの後面に駆動電極と導通する接続電極を各チャネルから引き出し形成することは、一般的な金属薄膜のパターニング方法を用いて行うことができるため、カバー基板に貫通電極を設けるものに比べ、簡単且つ高精度に接続電極を形成することが可能である。
特開2004−90374号公報 特開2006−82396号公報
しかし、複数のチャネルによって構成されるチャネル列が2列以上並設されることにより高密度化が図られたヘッドチップの場合、チャネル列が隣接しているために、接続電極をヘッドチップの端部まで引き出すことが難しい問題がある。例えばA列及びB列の2列のチャネル列を有するヘッドチップの場合、B列のチャネルからの接続電極は、A列を越えた側のヘッドチップの端部に引き出すことが難しい。A列のチャネル列を越えなくてはならないためである。
ここで、複数のチャネル列を有するヘッドチップの全てのチャネルがインクを吐出する吐出チャネルである場合、一般に、隣接するチャネル列同士の各チャネルは、互いにピッチが半ピッチずれるように配置される。この場合、B列のチャネルから延びる接続電極をA列の各チャネルの間を通して該A列側のヘッドチップ端部まで延長するようにパターニングすることも考えられるが、次のような問題がある。
接続電極をA列の各チャネルの間を通して該A列側のヘッドチップ端部まで延長するようにパターニングする場合、ヘッドチップの後面に臨む駆動壁表面に接続電極が密着形成されることになる。このため、駆動時に接続電極に駆動電圧が流れると、駆動壁はこの接続電極に流れる駆動電圧に起因する静電容量を持つ可能性がある。駆動壁が静電容量を持つようになると、駆動壁の変形速度が低下し、所期のインク吐出性能が得られなくなる問題がある。
また、チャネル間に接続電極をパターニングするには、接続電極の形成部位となるヘッドチップの後面に臨む駆動壁表面が露出するようにマスクを被覆形成した後、電極形成用金属を蒸着等によって積層形成するが、ヘッドチップの後面に臨む駆動壁表面の露出領域は、マスクの粘着領域を確保し、且つ、チャネル内に臨む駆動電極とのショートを避けるため、駆動壁の幅よりも幅狭に形成しなくてはならない。その結果、接続電極はチャネル間の幅に比べてかなり細幅状とならざるを得ず、断線を発生させる懸念がある。
そこで、本発明は、全て吐出チャネルからなるチャネル列が複数列設けられたハーモニカ型ヘッドチップ後面の端部に、各インクチャネルから引き出し形成された各接続電極を並設させることにより、FPC等との電気的接続時の容易化を図ることが可能なインクジェットヘッドを提供することを課題とする。
本発明の他の課題は、以下の記載により明らかとなる。
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
請求項1記載の発明は、チャネルと圧電素子からなる駆動壁が交互に並設されたチャネル列を複数有し、隣接するチャネル列同士で前記チャネルのピッチが半ピッチずれるように配列されると共に、前面及び後面にそれぞれ前記チャネルの開口部が配置されてなるヘッドチップを有し、前記チャネルは全てインクを吐出する吐出チャネルであり、前記チャネル内に形成された駆動電極に電圧を印加することによって前記駆動壁を変形させ、前記チャネル内のインクをノズルから吐出させるインクジェットヘッドであって、
前記複数のチャネル列のうちの前記ヘッドチップの端部側に位置するいずれかのチャネル列をA列、該A列に隣接するチャネル列をB列とするとき、
前記ヘッドチップの後面に、前記A列の各チャネルの駆動電極と導通するA列用接続電極が該チャネルから前記ヘッドチップの端部にかけて該A列の各チャネルと等ピッチで配列されると共に、前記B列の各チャネルの駆動電極と導通するB列用の第1の接続電極が前記A列のチャネル列と前記B列のチャネル列の間において、前記B列の各チャネルから前記A列側に向け、該A列の各チャネルの手前までの領域に、該B列の各チャネルと等ピッチで配列され、且つ、隣接する前記A列用接続電極の間において、前記A列の各チャネルよりも該A列側の前記ヘッドチップの端部側に、前記第1の接続電極と等ピッチでB列用の第2の接続電極が前記第1の接続電極とは分離して配列されており、
前記第1の接続電極と前記第2の接続電極とが配線によって電気的に接続されており、前記配線は、前記第1の接続電極及び前記第2の接続電極以外、前記ヘッドチップの後面とは接触していないことを特徴とするインクジェットヘッドである。
請求項2記載の発明は、前記チャネル列は4列であり、前記ヘッドチップの端部側に位置する2つのチャネル列をそれぞれA列、内側に位置する2つのチャネル列をそれぞれB列とすることを特徴とする請求項1記載のインクジェットヘッドである。
請求項3記載の発明は、前記配線は、絶縁層の一方の面に積層されて積層体を構成しており、前記絶縁層が前記ヘッドチップの後面に接するように前記積層体が前記第1の接続電極と前記第2の接続電極とに亘って接着されていることを特徴とする請求項1又は2記載のインクジェットヘッドである。
請求項4記載の発明は、前記積層体は、前記第1の接続電極と重なる領域及び前記第2の接続電極と重なる領域において、それぞれ前記絶縁層を貫通する貫通電極を有しており、該貫通電極によって前記配線が前記第1の接続電極及び前記第2の接続電極とそれぞれ導通することで、前記第1の接続電極と前記2の接続電極とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項3記載のインクジェットヘッドである。
請求項5記載の発明は、前記積層体は、前記第1の接続電極と重なる領域及び前記第2の接続電極と重なる領域において、前記絶縁層の少なくとも一部が除去されており、該絶縁層が除去された部位において前記配線が前記第1の接続電極及び前記第2の接続電極とそれぞれ直接接触して導通することで、前記第1の接続電極と前記第2の接続電極とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項3記載のインクジェットヘッドである。
請求項6記載の発明は、前記積層体は、前記第1の接続電極と重なる領域及び前記第2の接続電極と重なる領域に、前記配線が前記第1の接続電極及び前記第2の接続電極とそれぞれ導通するように導電性接着剤又は半田が塗布されることで、前記第1の接続電極と前記第2の接続電極とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項3記載のインクジェットヘッドである。
請求項7記載の発明は、前記積層体は、前記第1の接続電極と重なる領域及び前記第2の接続電極と重なる領域において、前記積層体の端部が前記ヘッドチップの後面側に向けて折り曲げられ、該折り曲げられた部位において前記配線が前記第1の接続電極及び前記第2の接続電極とそれぞれ導通することで、前記第1の接続電極と前記第2の接続電極とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項3記載のインクジェットヘッドである。
請求項8記載の発明は、前記積層体の前記絶縁層は、ドライエッチング可能な有機フィルムからなることを特徴とする請求項3〜7のいずれかに記載のインクジェットヘッドである。
請求項9記載の発明は、前記配線は、ワイヤーボンディング法による配線であることを特徴とする請求項1又は2記載のインクジェットヘッドである。
請求項10記載の発明は、前記ヘッドチップは、前記ワイヤーボンディング法による配線のボンディング部に相当する領域が、非圧電材料で形成されていることを特徴とする請求項9記載のインクジェットヘッドである。
請求項11記載の発明は、前記配線は、表面がパラキシリレン及びその誘導体による膜によってコーティングされていることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載のインクジェットヘッドである。
本発明によれば、全て吐出チャネルからなるチャネル列が複数列設けられたハーモニカ型ヘッドチップ後面の端部に、各インクチャネルから引き出し形成された各接続電極を並設させることにより、FPC等との電気的接続時の容易化を図ることが可能なインクジェットヘッドを提供することができる。
特に本発明によれば、4列のチャネル列を有するインクジェットヘッドでも、FPC等との電気的接続時の容易化を図ることが可能であり、高解像度且つ高速記録が可能なインクジェット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用いて説明する。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係るインクジェットヘッドを後面側から見た分解斜視図、図2(a)は、図1の(i)−(i)線断面図、図2(b)は図1の(ii)−(ii)線断面図である。なお、断面図において接着剤層は図示省略している。
図中、1はヘッドチップ、2はヘッドチップ1の前面に接合されたノズルプレート、21はノズルプレート2に形成されたノズルである。
なお、本明細書においては、ヘッドチップからインクが吐出される側の面を「前面」といい、その反対側の面を「後面」という。また、ヘッドチップにおいて並設されるチャネルを挟んで図示上下に位置する外側面をそれぞれ「上面」及び「下面」という。
ヘッドチップ1には、圧電素子からなる駆動壁11とチャネル12とが交互に並設されたチャネル列が、図示上下に2列に配列されている。各チャネル列のチャネル数は何ら限定されない。
ここでは、図示下側に位置するチャネル列をA列、上側に位置するチャネル列をB列とする。
このヘッドチップ1は、各チャネル列のチャネル12は全てインクを吐出する吐出チャネルとされたヘッドチップであり、A列の各チャネル12とB列の各チャネル12は、ピッチが互いに半ピッチずれて配列されている。すなわち、ヘッドチップ1を図示上下方向に見た場合、A列のチャネル12とB列のチャネル12は同一線上にはなく、A列の各チャネル12の間とB列の各チャネル12又はA列の各チャネルとB列の各チャネル12の間とが同一線上に配置される関係となっている。
各チャネル12の形状は、両側壁がヘッドチップ1の上面及び下面に対してほぼ垂直方向に延びており、そして互いに平行である。ヘッドチップ1の前面及び後面には、それぞれ各チャネル12の前面側の開口部121と後面側の開口部122とが対向している。各チャネル12は、その後面側の開口部122から前面側の開口部121に亘る長さ方向で大きさと形状がほぼ変わらないストレートタイプである。
各チャネル12の内面に臨む少なくとも駆動壁11の壁面には、それぞれNi、Au、Cu、Al等の金属膜からなる駆動電極13が密着形成されている。ここではチャネル12の内面全面に駆動電極13を形成したものを示している。
ヘッドチップ1の後面には、A列の各チャネル12内の駆動電極13と電気的に接続するA列用接続電極14Aが、該チャネル12からチャネル列と直交する方向(図示上下方向)のうちの図示下方のヘッドチップ端部にかけて、該A列の各チャネルと等ピッチで個別に引き出すように並列形成されている。
また、同じくヘッドチップ1の後面には、B列の各チャネル12内の駆動電極13と電気的に接続するB列用の第1の接続電極14Bが、該チャネル12からA列側に向け、該A列のチャネル12の手前までにかけて、B列の各チャネル12と等ピッチで個別に引き出すように形成されていると共に、ヘッドチップ端部において隣接するA列用接続電極14Aの間に位置するように、B列の各チャネル12に対応するB列用の第2の接続電極14Bが個別に引き出し形成され、A列用接続電極14Aと交互に配置されるように並列している。このB列用の第2の接続電極14Bの形成領域は、A列のチャネル12よりも該A列側のヘッドチップの端部側に形成されており、A列の各チャネル12間の駆動壁11にはかかっていない。
これら第1の接続電極14Bと第2の接続電極14Bは、B列の各チャネル12内の駆動電極13に駆動電圧の印加を行うための接続電極である。すなわち、ヘッドチップ1の後面において、B列の各チャネル12内の駆動電極13と電気的に接続される接続電極は、第1の接続電極14Bと第2の接続電極14Bとに分離して配列されている。従って、これら第1の接続電極14Bと第2の接続電極14Bとを電気的に接続する必要がある。このため、本発明では、第1の接続電極14BからA列を跨いで第2の接続電極14Bに亘り、配線32を用いて両者を電気的に接続している。
本実施形態に示す配線32は、図2(a)に示すように、絶縁層31の一方の面の全面に形成され、該絶縁層31と共に積層体3を構成している。積層体3は、絶縁層31がヘッドチップ1の後面側に位置するように配置され、B列の各チャネル12に対応して、該B列のチャネル12の数と同数が個別に接着されている。
各積層体3の両端部近傍には、B列用の第1の接続電極14Bと配線32とが重なる領域及び第2の接続電極14Bと配線32とが重なる領域において、それぞれ絶縁層31を貫通する貫通電極33が形成されている。従って、配線32は、これら貫通電極33、33によってそれぞれ第1の接続電極14B、第2の接続電極14Bと導通し、第1の接続電極14Bと第2の接続電極14Bとを電気的に接続しているが、これら第1の接続電極14Bと第2の接続電極14B以外の何ものとも電気的に接続しておらず、また、ヘッドチップ1の後面に対しても直に接触していない。貫通電極33は、導通の信頼性を上げるため、積層体3の両端部近傍にそれぞれ複数個ずつ形成してもよい。
なお、図2(a)における符号34は、積層体3におけるヘッドチップ1との接合面側において、ヘッドチップ1のB列用の第1の接続電極14Bと第2の接続電極14Bにそれぞれ対応する位置に積層形成された積層電極であり、貫通電極33と導通することで、B列用の第1の接続電極14B及び第2の接続電極14Bとの電気的接続の確実性を図り得るようにしており、本発明において好ましい態様を示している。
これら積層体3に形成された配線32、貫通電極33、好ましく設けられる積層電極34によって、B列の各チャネル12内の駆動電極13と電気的に接続するB列用接続電極が、A列のチャネル12の間を通り、A列用接続電極14Aと同じヘッドチップ端部において、該A列用接続電極14Aと並列するように引き出し形成されることになる。すなわち、配線32、貫通電極33、好ましく設けられる積層電極34によって、本発明においてB列用の第1の接続電極14B及び第2の接続電極14Bとを電気的に接続する配線を構成している。
次に、このようなインクジェットヘッドにおけるヘッドチップ1の製造例を図3〜図7に基づいて以下に説明する。
まず、1枚の基板100上に、分極処理(分極の方向を図中矢印で示す)されたPZT等からなる圧電素子基板101をエポキシ系接着剤を用いて接合し、更に、その圧電素子基板101の表面にドライフィルム102を貼着する(図3(a))。
次いで、そのドライフィルム102の側から、ダイシングブレード等を用いて複数の平行な溝103を研削する。各溝103は圧電素子基板101の一方の端から他方の端に亘り、且つ、基板100にほぼ至る程度の一定の深さで研削することで、長さ方向で大きさと形状がほぼ変わらないストレート状に形成する(図3(b))。
次いで、溝103を研削した側から、Ni、Au、Cu、Al等の電極形成用金属をスパッタリング法、蒸着法等によって適用し、削り残されたドライフィルム102の上面及び各溝103の内面に金属膜104を形成する(図3(c))。
その後、ドライフィルム102をその表面に形成された金属膜104と共に除去することにより、各溝103の内面のみに金属膜104が形成された基板105を得る。そして、同様に形成された基板105を2枚用意し、各基板105の溝103同士が互いに合致するように位置合わせして、エポキシ系接着剤等を用いて接合する(図3(d))。
次いで、このようにして得られたヘッド基板106を2枚用意して重ね合わせて接着し、溝103の長さ方向と直交する方向に沿って切断することにより、2列のチャネル列を有する複数個のハーモニカ型のヘッドチップ1を一度に作成する。各溝103はチャネル12となり、各溝103内の金属膜104は駆動電極13となり、隣接する溝103の間は駆動壁11となる。カットラインC、C…間の幅は、それによって作製されるヘッドチップ1、1…のチャネル12の駆動長(L長)を決定するものであり、この駆動長に応じて適宜決定される(図3(e))。
次いで、これにより得られたヘッドチップ1の後面にドライフィルム200を貼着し、A列用接続電極14Aを形成するための開口201Aと、B列用の第1の接続電極14B及び第2の接続電極14Bを分離形成するための開口201B、201Bとを露光、現像によりそれぞれ形成する(図4)。
そして、このドライフィルム200の側から、真空蒸着により電極形成用金属として例えばAlを適用し、各開口201A、201B、201B内にそれぞれAl膜を選択的に形成する。このAl膜により、ヘッドチップ1の後面に、それぞれA列用接続電極14A及びB列用の第1の接続電極14B、第2の接続電極14Bが形成される。
各チャネル12内の駆動電極13との接続を確実にするためには、蒸着は方向を変えて2度行うことが望ましい。具体的には、図示面に垂直な方向から、上下に各30度の方向から行うことが望ましい。更に、図3(d)に示すように上下に分かれている金属膜104同士の接続を確実にするためには、右又は左30度の方向からの蒸着を行うことが望ましい。
また、電極形成用の金属膜の形成方法としては蒸着に限らず、一般の薄膜形成方法を採用することができる。また、導電性ペーストをインクジェットで塗布する方法を用いることもできる。特にスパッタ法が、飛来する金属粒子の方向がランダムなため、特に方向を変えなくてもチャネル内部まで金属膜を形成できるので好適である。金属膜の形成後、溶剤でドライフィルム200を溶解剥離することで、ドライフィルム200上に形成されていた金属膜は除去され、ヘッドチップ1の後面には、A列用接続電極14A、B列用の第1の接続電極14B、第2の接続電極14Bのみが残存する(図5)。
なお、ドライフィルム200の現像工程・水洗工程での作業性を考え、ドライフィルム200はチャネル12の全面においても開口していることが望ましい。図4中、202はチャネル12の全面を開口させる開口部である。チャネル12の全面において開口していることにより、チャネル12内の現像液、洗浄水の除去が容易となる。
一方、積層体3を形成するため、絶縁層31となるフィルムの両面に、予め配線32と積層電極34とを形成すると共に、これら配線32と積層電極34とを導通させるための貫通電極33を形成する。
図6(a)は、ヘッドチップ1への接合前の大判のままの積層体3を配線32側から見た平面図、 図6(b)は同積層体3を積層電極34側から見た平面図である。
ヘッドチップ1の後面に接合する前の積層体3は、大判の絶縁層31の各面の配線32及び積層電極34と、これら配線32と積層電極34とを導通させる貫通電極33が予め形成してある。
ここで、絶縁層31となるフィルムとしては有機フィルムを用いることが好ましい。有機フィルムとしては、一般的なドライエッチングによってパターニングが可能な有機フィルムであることが好ましく、例えばポリイミド、液晶ポリマー、アラミド、ポリエチレンテレフタレート等の種々の樹脂からなるフィルムが挙げられる。中でも、エッチング性の良好なポリイミドフィルムが好ましい。また、ドライエッチングを容易にするためには、できるだけ薄いフィルムを用いることが望ましいが、強度が高くて薄くても強度を保つことができるアラミドフィルムを使用することも好ましい。
また、ドライエッチング可能な絶縁層31として、シリコン基板を用いることもできる。但し、シリコンのドライエッチングにはCFやSF等の特殊ガスを使用する必要があり、装置も特殊になるので一般的にはコスト高となる。
絶縁層31の厚さは、強度の確保とドライエッチングの容易性の観点から、3〜100μmとすることが好ましい。
この絶縁層31に形成される配線32は、貫通電極33及び好ましく設けられる積層電極34を介してB列用の第1の接続電極14Bと第2の接続電極14Bとを電気的に接続する機能を果たすと同時に、後工程であるドライエッチング工程時におけるマスク材としても機能する。これら配線32、積層電極34に使用可能な金属としては、Al、Cu、Ni、W、Ti、Au等が挙げられるが、中でも、Cuは安価であり、パターニングも容易であることから好ましく、Cuをスパッタで形成し、通常の薄膜パターニング技術によりパターニングを行うことで形成することができる。
この配線32及び積層電極34の厚さは、耐ドライエッチング性とパターニングの容易性の観点から、0.1〜50μmとすることが好ましい。
貫通電極33の形成方法としては、例えば絶縁層31にレーザードドリリングで貫通孔を形成しておき、スルーホールめっきすることにより形成することができる。この他、ポリイミドフィルム上にCu等の金属膜が形成されたFPC基板を用いることもできる。この場合、貫通電極33は、金属膜と反対側からレーザードドリリングでポリイミドフィルムに金属膜に達する孔を開け、めっき法により金属膜から金属を貫通孔内に成長させることにより形成できる。積層電極34を形成しない場合は、貫通電極33は、ポリイミドフィルム上面より飛び出して成長させ、いわゆるバンプとすることが、以下に示す加圧接着で電気的接続を取る場合に、接続を確実とすることができるので好ましい。
ここでは、絶縁層31として、予め貫通電極33を形成した厚さ25μmのポリイミドフィルムにCuをスパッタ装置で5μm厚で形成した。
次いで、このようにして形成した大判の積層体3を、積層電極34が形成されている面がヘッドチップ1の後面に接し、且つ、各積層電極34が対応するB列用の第1の接続電極14B、第2の接続電極14Bと電気的に接続するように位置合わせして、接着剤を用いて接着する(図7)。
ここでは、接着剤としてエポキシ系接着剤(エポキシテクノロジー社製、エポテック353ND)を使用し、硬化条件は温度100℃、30分で、圧力10kg/cm2とした。
かかる積層体3の接着時における積層電極34とB列用の第1の接続電極14B、第2の接続電極14Bとの導通は、金属膜同士を接着剤で加圧接着することにより電気的接続をとるNCP法(Non Conductive Paste:非導電性ペースト法)によってなされる。この場合、エポキシ系接着剤が、積層体3の接着剤として機能すると共に、NCPとしても機能する。NCP法の場合、金属膜の表面が酸化していると接続が困難な場合もあるので、B列用の第1の接続電極14B、第2の接続電極14Bの表面はAu、Pt等の酸化しにくい金属であることが望ましく、金属膜を複層にすることで実現できる。
また、接着剤中に金属粒子を分散した接着剤を用いるACP法(Anisotropic Conductive Paste:異方性導電ペースト法)を用いることもできる。この場合、金属粒子が金属膜の表面の酸化膜を突き破って接続を取るので、第1の接続電極14B、第2の接続電極14BがAl等の表面が酸化し易い金属でも、確実な電気的接続を取り易い。
特に、本発明は、B列用接続電極14Bと積層体3のB列用引き出し配線32Bとの導通を、絶縁層31に貫通電極33を形成し、接着剤として金属粒子(導電性粒子)を含有する接着剤を使用することによって確保することが、両者の電気的接続の確実性を図る上で最も好ましい。
なお、このように大判の絶縁層31の表面に各配線32をパターニングした後の大判のままの積層体3をヘッドチップ1の後面に接着する方法の他に、配線32をパターニングする前のCu等の金属膜が一面に形成されている積層体3をヘッドチップ1の後面に接着してから各配線32をエッチングによりパターニングして個別に形成するようにしてもよい。この場合でも貫通電極33及び積層電極34は予め形成しておく。
この場合、フォトマスクを用いてパターンを転写するが、ヘッドチップ1に対するフォトマスクの位置合わせは、露光装置を用いて行い、数μの位置精度で合わせることが可能であり、他の方法では得られない高い精度が得られる。しかも、この方法によれば、一面に形成されている金属膜の存在によって、大判の積層体3の接着時の加熱、加圧によって絶縁層31に伸びが発生しても、その後に配線32を所定位置にパターニングするので第1の接続電極14B、第2の接続電極14Bとの位置ずれが生ずるおそれがない利点がある。
次に、このヘッドチップ1の後面に対してドライエッチングを行い、大判の積層体3の不要な絶縁層31を除去する。具体的なドライエッチングの手段としては、絶縁層31に用いられる樹脂に応じて適宜選択できる。例えば本実施形態のようにポリイミドフィルムを用いた場合は酸素プラズマを用いてドライエッチングすることが可能である。ここでは酸素プラズマ装置として平行平板型RFプラズマ装置を用い、真空排気後、酸素ガスを50sccm導入し、バルブを調整して圧力を10Paにした。周波数13.56MHz、パワー500Wの高周波を投入し、発生する酸素プラズマによりポリイミドを分解し除去した。約10分でポリイミドを除去することができる。このとき、表面の各配線32は酸素プラズマによっては分解されないため、これら配線32がマスクとなって、その下側の絶縁層31はエッチングされないで残存する。
エッチングにはウェットエッチングも使用可能であるが、一般にウェットエッチング液は酸性やアルカリ性であり、駆動電極13を侵すおそれがあるため、ドライエッチングが好ましい。しかも、万一、大判の積層体3の接着時に接着剤の滲み出し等が発生しても、ドライエッチングする際に同時に不要な接着剤も分解除去できるので、余剰の接着剤がチャネルを塞いだり、電極表面を覆ったりする問題も解消する。
また、配線32でマスクされた部位以外の絶縁層31はドライエッチングによって全て除去されるため、ヘッドチップ1の後面に対して接着する段階では、絶縁層31の外形はヘッドチップ1の後面よりも大きくすることが可能であり、図6、図7に示すようにヘッドチップ1の外側にはみ出す程度の大判に形成することで、絶縁層31がはみ出す部分を持って接合作業することができ、格段に作業性に優れる利点がある。図示例では、積層体3の絶縁層31がヘッドチップ1の後面から見て右側にはみ出すように形成されているが、図示上下左右のいずれか1方向又は2方向以上にはみ出すようにしてもよい。
更に、ドライエッチング方法は以上の方法に限定されず、適宜選択することができる。
これにより、ヘッドチップ1の後面には、ドライエッチングにより残存した絶縁層31、配線32、貫通電極33及び積層電極34からなる積層体3が、図1に示すようにB列のチャネル12毎に個別に独立して配列され、B列用の第1の接続電極14Bと第2の接続電極14Bとを、A列の各チャネル12の間を通って電気的に接続する。
なお、図5及び図7では駆動電極13は図示省略している。
このようなヘッドチップ1の後面の一方端部に並列するA列用接続電極14A及びB列用の第2の接続電極14Bと駆動回路(図示せず)との電気的接続を行う具体的手段は特に問わず、様々な手段を採用することができる。例えば図2中に示したように配線基板4を接合することにより、ヘッドチップ1の後面に引き出し形成されたA列用接続電極14A及びB列用の第2の接続電極14Bと駆動回路(図示せず)との間の電気的接続を行うことができる。
配線基板4としては、非分極のPZTやAlN−BN、AlN等のセラミックス材料からなる板状の基板によって形成することができる。また、低熱膨張のプラスチックやガラス等を用いることもできる。更には、ヘッドチップ1に使用されている圧電素子基板と同一の基板材料を脱分極して用いると好ましい。また、熱膨張率の差に起因するヘッドチップ1の歪み等の発生を抑えるため、ヘッドチップ1との熱膨張係数の差が±1ppm以内となるように材料を選定することが更に好ましい。配線基板4を構成する材料は1枚板に限らず、薄板状の基板材料を複数枚積層して所望の厚みとなるように形成してもよい。
配線基板4は、ヘッドチップ1のチャネル列方向と直交する方向(図2における上下方向)に延び、ヘッドチップ1の上面及び下面からそれぞれ大きく張り出した張り出し部41a、41bを有している。また、ヘッドチップ1の後面と接合される面には、その幅方向(チャネル列方向)に亘って延びる1本の凹部42が形成されている。この凹部42は、ヘッドチップ1のA列及びB列の両チャネル列方向に沿って全てのチャネル12の後面側の開口部122を覆うことができる大きさに溝加工されており、A列及びB列の各チャネル12に対して共通にインクを供給するインク共通室を構成している。
すなわち、凹部42の図示上下方向の高さは、ヘッドチップ1の後面のA列とB列の各チャネル列に亘る高さよりも大きく、ヘッドチップ1のチャネル列方向と直交する方向の厚さよりも小さい。これにより、配線基板4をヘッドチップ1の後面に接合すると、凹部42内にA列及びB列の各チャネル列の全てのチャネル12が収まる。また、各積層体3もこの凹部42内に収まるようになっている。
配線基板4の図示下方の張り出し部41bには、ヘッドチップ1の後面の下端部に並設されたA列用接続電極14A及びB列用の第2の接続電極14Bと同数及び同ピッチで配線電極43が形成されている。配線基板4は、各配線電極43の凹部42側の端部とA列用接続電極14A及びB列用の第2の接続電極14Bとが電気的に接続するように異方性導電ペースト等によってヘッドチップ1の後面に接合される。駆動回路と各チャネル12の駆動電極13とは、この配線基板4の張り出し部41bにおいて各配線電極43の下端部に、配線51が形成されたFPC5等を電気的に接合することによって行うことができる。
なお、凹部42へのインクの供給は、配線基板4をヘッドチップ1の後面に接合した際に凹部42の両端又はいずれか一方端から行うことができるが、この配線基板4の背面側に図示しないインクマニホールドを更に接合することもできる。
このように本発明によれば、A列の各チャネル12内の駆動電極13と導通するA列用接続電極14Aと配線32及び第1の接続電極14BによってB列の各チャネル12内の駆動電極13と導通する第2の接続電極14Bとが、ヘッドチップ1の後面の一方端部に一列に配線されるので、A列及びB列の全てのチャネル12内の駆動電極13と駆動回路との電気的接続は、このヘッドチップ1の後面の一方端部のみに対して行うだけで可能となる。
しかも、配線32は、A列のチャネル列の隣接するチャネル12の間を通ってヘッドチップ1の端部まで引き出されるが、A列のチャネル12間の駆動壁11との間には絶縁層31が介在するため、配線32が直接駆動壁11と接することはなく、駆動壁11が配線32に印加される電圧に起因する静電容量を持つようなことはない。また、A列のチャネル12内の駆動電極13とも接することはないため、配線32を必要以上に細幅に形成する必要はなく、断線を生ずるおそれも低減できる。
ところで、ヘッドチップ1において、各チャネル12内の駆動電極13は、インクと直に接触するため、水系のインクを使用する場合は駆動電極13の表面に保護膜が必要となる。また、外面に露出しているA列用接続電極14Aの一部、B列用の第1の接続電極14Bの一部、第2の接続電極14Bの一部及び配線32も直にインクと接触するため、溶剤系のインクを使用する場合には、これらを溶剤から保護するために保護膜が必要となる。そこで、ヘッドチップ1の後面に積層体3を接合した後は、ヘッドチップ1の全面、すなわち各駆動電極13の表面及び積層体3の表面に対して保護膜を形成することが好ましい。
保護膜としては、パラキシリレン及びその誘導体からなる被膜(以下、パリレン膜という。)を用いてコーティングすることが好ましい。パリレン膜は、ポリパラキシリレン樹脂及び/又はその誘導体樹脂からなる樹脂被膜であり、固体のジパラキシリレンダイマー又はその誘導体を蒸着源とする気相合成法(Chemical Vaper Deposition:CVD法)により形成する。すなわち、ジパラキシリレンダイマーが気化、熱分解して発生したパラキシリレンラジカルが、ヘッドチップ1の表面に吸着して重合反応し、被膜を形成する。
パリレン膜には、種々のパリレン膜があり、必要な性能等に応じて、各種のパリレン膜やそれら種々のパリレン膜を複数積層したような多層構成のパリレン膜等を所望のパリレン膜として適用することもできる。パリレン膜の膜厚は、1μm〜10μmとすることが好ましい。
パリレン膜は微細な領域にも浸透し、被膜を形成することができるので、ノズルプレート2を接合する前のヘッドチップ1に対して被覆形成することで、駆動電極13はもちろんのこと、外面に露出するA列用接続電極14Aの一部、B列用の第1の接続電極14Bの一部、第2の接続電極14Bの一部及び積層体3の配線32も、パリレン膜によって被覆されてインクから保護される。このパリレン膜の形成により、積層体3の表面は保護され、その耐久性を大きく向上させることができる。
このようにしてパリレン膜を形成する場合は、その後にノズルプレート2を接合する。
また、ヘッドチップ1の後面に配線基板4を接合する場合は、ノズルプレート2をヘッドチップ1に接合する前であって、配線基板4をヘッドチップ1に接合した後に、上述したパリレン膜を形成する。これにより、各電極同士の電気的接続を確保できると共に、配線基板4とヘッドチップ1の接着層を保護することができる。
(第2の実施形態)
図8は、第2の実施形態に係るインクジェットヘッドを後面側から見た分解斜視図である。図1と同一符号は同一構成を示しているため、詳細な説明は省略する。
この第2の実施形態では、積層体3が個別に分離されておらず、ヘッドチップ1の後面に開口する全てのチャネル12を被覆する程度の一枚の大判状のままでヘッドチップ1の後面に接合されている。
このため、ヘッドチップ1の後面に開口する全てのチャネル12は、積層体3の絶縁層31によって閉塞されることになるが、ヘッドップ1は第1の実施形態と同様、全てのチャネル12がインクを吐出する吐出チャネルであるため、各チャネル12内にインクを流入させるためのインク流入孔35が、レーザー加工、エッチング加工等によってチャネル12毎に個別に開設されている。インク流入孔35の大きさ、形状は特に問わない。インク流入孔35の開口面積をチャネル12の開口面積よりも小さくすることによって、チャネル12内へのインクの流入を規制することができる。この場合のインク流入孔35は、チャネル12内へのインクの流路を規制する流路規制孔としても機能させることができる。
この第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様の効果に加えて、積層体3の絶縁層31を利用して、各チャネル12へのインク流入を規制する流路規制孔を簡単に形成することができる利点がある。
(第3の実施形態)
図9は、第3の実施形態に係るインクジェットヘッドの背面図、図10は、図9の(iii)−(iii)線に沿う断面図である。図1と同一符号は同一構成を示しているため、詳細な説明は省略する。また、断面図において接着剤層は図示省略している。
この第3の実施形態に係るインクジェットヘッドのヘッドチップ1’は、第1の実施形態に係るインクジェットヘッドのチャネル列が4列に構成された態様である。4列のチャネル列の場合、外側に位置する2つのチャネル列がそれぞれA列、これら2つのA列のチャネル列に挟まれた内側に位置する2つのチャネル列がそれぞれB列となり、ヘッドチップ1’の上下両端部に、それぞれA列用接続電極14A及びB列用の第2の接続電極14Bが並列形成されている。
従って、各チャネル内の駆動電極に対する駆動回路からの駆動電圧を印加するための駆動用配線の電気的接続は、ヘッドチップ1’の上下両端部側でそれぞれ行うことができる。この場合、配線基板4には、ヘッドチップ1の上下から張り出す各張り出し部41a、41bにそれぞれ配線電極43を形成することで、FPC5との接続を配線基板4の上下両端部でそれぞれ行うことができる。
なお、この配線基板4の凹部42は、ヘッドチップ1’の2列ずつのチャネル列をそれぞれ含むように2つ分かれて形成されている。従って、2つの凹部42、42内に異なる色のインクを供給すれば、1つのヘッドチップ1’から2色の異なるインクを吐出することができる。ここでは、各凹部42、42には、それぞれ開口44、44が設けられ、この開口44、44によって、独立したインクマニホールド45、45からインクがそれぞれ供給されるようになっている。ヘッドチップ1’が1色のインクを吐出するだけでよい場合は、4列のチャネル列を全て収めることができる大きさの凹部42を、配線基板4に1つだけ形成するようにするか、あるいは、配線基板4の後面に、2つの凹部42、42とそれぞれ連通する2つの開口44、44を含む大きなインクマニホールドを1つだけ接合するようにすればよい。
なお、第2の実施形態についても、同様にして4列のチャネル列を有するインクジェットヘッドを構成することができる。
(積層体の他の形態)
以上の実施形態では、B列用の第1の接続電極14B及び第2の接続電極14Bと配線32との導通を貫通電極33、好ましくは貫通電極33及び積層電極34によって確保するようにしたが、これに限定されず、両者の導通が確保できれば、その他の様々な方法を採ることもできる。
例えば、図11、図12に示すようにB列用の第1の接続電極14Bと積層体3の配線32とが重なる領域及び第2の接続電極14Bと積層体3の配線32とが重なる領域において、積層体3の絶縁層31の少なくとも一部を除去し、該絶縁層31が除去された除去部31aを形成するようにしてもよい。
図11(a)は絶縁層31の一部を分断するように除去することにより除去部31aを形成した例の積層体3の断面図、図11(b)はその部分平面図を示しており、図12(a)は絶縁層31の一部に矩形状の開口を形成するように除去することにより除去部31aを形成した例の積層体3の断面図、図12(b)はその部分平面図である。このように積層体3に除去部31aを形成することにより、除去部31aには絶縁層31の上面の配線32が絶縁層31の下面に臨むようになる。
除去部31aは、絶縁層31上に配線32をパターン形成した後に、絶縁層31側から選択的にエッチングを行うことで形成することができる。
このような除去部31aを有する積層体3によってB列用の第1の接続電極14B、第2の接続電極14Bとの導通を図る方法を図13に示す。
まず、積層体3の除去部31aをB列用の第1の接続電極14B、第2の接続電極14B上に位置合わせして重ねた後(図13(a))、除去部31aの上方を加熱、加圧して、除去部31aを通して配線32と第1の接続電極14B、第2の接続電極14Bとを直接接触させる(図13(b))。その後、ドライエッチングして、不要な絶縁層31を除去する(図13(c))。これにより、絶縁層31に貫通電極33を形成しなくても、B列用の第1の接続電極14B、第2の接続電極14Bと配線32との導通を図ることができる。
この積層体3に除去部31aを形成する方法では、絶縁層31に除去部31aを形成すると、該除去部31aには配線32だけが残った状態となるため、配線32にはある程度の膜厚と強度が必要となる。この場合の配線32を形成する金属膜は、Cuを20μm程度の膜厚で形成することが好ましい。更に接続の信頼性を向上させるためには、Ni/Auめっきが施されていることが好ましい。
また、B列用の第1の接続電極14B及び第2の接続電極14Bと配線32との導通を図る他の方法として、図14に示すように、貫通電極を持たない積層体3をヘッドチップ1の後面に接着し、ドライエッチングして不要な絶縁層31を除去した後、積層体3の端部に、配線32とB列用の第1の接続電極14B、第2の接続電極14Bに亘って導電性接着剤36を塗布することによって両者の導通を図ることもできる。導電性接着剤36としては、耐溶剤性があるものが好ましく、エポキシ系接着剤を成分とするものが好ましい。また、導電性接着剤36に代えて、低融点半田を同様に塗布することによって導通を図ることもできる。
更に、他の方法として、図15に示すように、積層体3の端部を、表面に配線32が露出するように絶縁層31を内側にして折り曲げて折曲部3aを形成してもよい。B列用の第1の接続電極14B、第2の接続電極14B上に折曲部3aを位置合わせして接続することで、図13の場合と同様に、導通を図ることができる。
これらの積層体3は、チャネル12毎に個別に分離するものに限らず、ヘッドチップ1の後面に大判状の1枚の積層体3によって形成するようにしてもよい。
(配線の他の形態)
図16は、B列用の第1の接続電極14Bと第2の接続電極14Bを電気的に接続するための更に他の態様を示しており、両者がワイヤーボンディング法による配線6によってそれぞれ電気的に接続されたヘッドチップ1’’を示している。このような配線6をワイヤーボンディング法によって形成することによって、B列用の第1の接続電極14Bと第2の接続電極14Bとの間を所定のループ高さで配線することができるので、B列用の第1の接続電極14Bと第2の接続電極14B以外、ヘッドチップ1’’の後面と直に接触することはなく、A列のチャネル列の駆動壁11が静電容量を持ったり、他の電極とのショートを生じたりするおそれはない。
ワイヤーボンディング法としては、ボールボンディング、ウェッジボンディングのいずれでもよい。また、配線6には、これらのワイヤーボンディングが可能な一般的な金属線を用いることができ、例えば、Al、Cu、Au、Ni等が挙げられる。
このように配線6をワイヤーボンディング法によって形成する場合、ヘッドチップ1’’において、配線6の端部がB列用の第1の接続電極14B及び第2の接続電極14Bとそれぞれ接合しているボンディング部6aに相当する領域が、非圧電材料で形成されていることが好ましい。これらボンディング部6aは、ボンディング時にキャピラリーやウェッジツールが衝突することにより形成されるため、この領域が衝撃に弱い圧電材料である場合、ヘッドチップ1の損傷を招くおそれがあるためである。これはヘッドチップ1’’の製造時、図3に示す基板100に非圧電材料を用いることによって可能である。
非圧電材料としては、一般にはセラミックス材料からなる板状の基板を用いることができるが、低熱膨張のプラスチックやガラス等を用いることもできる。更に、熱膨張率の差に起因するヘッドチップ1の歪み等の発生を抑えるため、各駆動壁11を形成している圧電材料との熱膨張係数の差が±1ppm以内となるように材料を選定することが更に好ましい。
このように配線6をワイヤーボンディング法によって形成した場合も、これら配線6の表面に、前述したパラキシリレン及びその誘導体による膜をコーティングすることによって保護膜を形成しておくことが好ましい。
以上の各実施形態は、駆動壁11をせん断変形させることによりチャネル12内のインクを吐出するシェアモードタイプのインクジェットヘッドについて説明したが、本発明は駆動壁11をせん断変形させるものに何ら限定されない。
第1の実施形態に係るインクジェットヘッドを後面側から見た斜視図 (a)は図1の(i)−(i)線断面図、(b)は図1の(ii)−(ii)線断面図 ヘッドチップの製造例を説明する図 ヘッドチップの製造例を説明する図 ヘッドチップの製造例を説明する図 ヘッドチップの製造例を説明する図 ヘッドチップの製造例を説明する図 第2の実施形態に係るインクジェットヘッドを後面側から見た斜視図 第3の実施形態に係るインクジェットヘッドの背面図 (a)は図9の(iii)−(iii)線断面図 (a)は除去部を形成した積層体を示す断面図、(b)はその平面図 (a)は除去部を形成した積層体の他の態様を示す断面図、(b)はその平面図 (a)〜(c)は図11、図12に示す積層体によって導通を図る様子を説明する断面図 積層体によって導通を図る他の態様を説明する断面図 積層体によって導通を図る更に他の態様を説明する断面図 B列用の第1の接続電極と第2の接続電極とを電気的に接続するための他の態様を示すインクジェットヘッドのヘッドチップ部分を後面側から見た斜視図
符号の説明
1、1’:ヘッドチップ
11:駆動壁
12:チャネル
121:前面側の開口部
122:後面側の開口部
13:駆動電極
14A:A列用接続電極
14B:B列用の第1の接続電極
14B:B列用の第2の接続電極
2:ノズルプレート
21:ノズル
3:積層体
31:絶縁層
31a:除去部
32:配線
33:貫通電極
34:積層電極
35:インク流入孔
36:導電性接着剤
4:配線基板
41a、41b:張り出し部
42:凹部
43:配線電極
44:開口
45:インクマニホールド
5:FPC
51:FPCの配線
6:ボンディングワイヤの配線
6a:ボンディング部

Claims (11)

  1. チャネルと圧電素子からなる駆動壁が交互に並設されたチャネル列を複数有し、隣接するチャネル列同士で前記チャネルのピッチが半ピッチずれるように配列されると共に、前面及び後面にそれぞれ前記チャネルの開口部が配置されてなるヘッドチップを有し、前記チャネルは全てインクを吐出する吐出チャネルであり、前記チャネル内に形成された駆動電極に電圧を印加することによって前記駆動壁を変形させ、前記チャネル内のインクをノズルから吐出させるインクジェットヘッドであって、
    前記複数のチャネル列のうちの前記ヘッドチップの端部側に位置するいずれかのチャネル列をA列、該A列に隣接するチャネル列をB列とするとき、
    前記ヘッドチップの後面に、前記A列の各チャネルの駆動電極と導通するA列用接続電極が該チャネルから前記ヘッドチップの端部にかけて該A列の各チャネルと等ピッチで配列されると共に、前記B列の各チャネルの駆動電極と導通するB列用の第1の接続電極が前記A列のチャネル列と前記B列のチャネル列の間において、前記B列の各チャネルから前記A列側に向け、該A列の各チャネルの手前までの領域に、該B列の各チャネルと等ピッチで配列され、且つ、隣接する前記A列用接続電極の間において、前記A列の各チャネルよりも該A列側の前記ヘッドチップの端部側に、前記第1の接続電極と等ピッチでB列用の第2の接続電極が前記第1の接続電極とは分離して配列されており、
    前記第1の接続電極と前記第2の接続電極とが配線によって電気的に接続されており、前記配線は、前記第1の接続電極及び前記第2の接続電極以外、前記ヘッドチップの後面とは接触していないことを特徴とするインクジェットヘッド。
  2. 前記チャネル列は4列であり、前記ヘッドチップの端部側に位置する2つのチャネル列をそれぞれA列、内側に位置する2つのチャネル列をそれぞれB列とすることを特徴とする請求項1記載のインクジェットヘッド。
  3. 前記配線は、絶縁層の一方の面に積層されて積層体を構成しており、
    前記絶縁層が前記ヘッドチップの後面に接するように前記積層体が前記第1の接続電極と前記第2の接続電極とに亘って接着されていることを特徴とする請求項1又は2記載のインクジェットヘッド。
  4. 前記積層体は、前記第1の接続電極と重なる領域及び前記第2の接続電極と重なる領域において、それぞれ前記絶縁層を貫通する貫通電極を有しており、該貫通電極によって前記配線が前記第1の接続電極及び前記第2の接続電極とそれぞれ導通することで、前記第1の接続電極と前記2の接続電極とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項3記載のインクジェットヘッド。
  5. 前記積層体は、前記第1の接続電極と重なる領域及び前記第2の接続電極と重なる領域において、前記絶縁層の少なくとも一部が除去されており、該絶縁層が除去された部位において前記配線が前記第1の接続電極及び前記第2の接続電極とそれぞれ直接接触して導通することで、前記第1の接続電極と前記第2の接続電極とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項3記載のインクジェットヘッド。
  6. 前記積層体は、前記第1の接続電極と重なる領域及び前記第2の接続電極と重なる領域に、前記配線が前記第1の接続電極及び前記第2の接続電極とそれぞれ導通するように導電性接着剤又は半田が塗布されることで、前記第1の接続電極と前記第2の接続電極とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項3記載のインクジェットヘッド。
  7. 前記積層体は、前記第1の接続電極と重なる領域及び前記第2の接続電極と重なる領域において、前記積層体の端部が前記ヘッドチップの後面側に向けて折り曲げられ、該折り曲げられた部位において前記配線が前記第1の接続電極及び前記第2の接続電極とそれぞれ導通することで、前記第1の接続電極と前記第2の接続電極とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項3記載のインクジェットヘッド。
  8. 前記積層体の前記絶縁層は、ドライエッチング可能な有機フィルムからなることを特徴とする請求項3〜7のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
  9. 前記配線は、ワイヤーボンディング法による配線であることを特徴とする請求項1又は2記載のインクジェットヘッド。
  10. 前記ヘッドチップは、前記ワイヤーボンディング法による配線のボンディング部に相当する領域が、非圧電材料で形成されていることを特徴とする請求項9記載のインクジェットヘッド。
  11. 前記配線は、表面がパラキシリレン及びその誘導体による膜によってコーティングされていることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
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