JP5440450B2

JP5440450B2 - インクジェットヘッド、インクジェット記録装置およびインクジェットヘッドの製造方法

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Publication number: JP5440450B2
Application number: JP2010193143A
Authority: JP
Inventors: 繁一坂井
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2030-08-31
Also published as: JP2012051110A

Description

本発明はインクジェットヘッド、インクジェット記録装置およびインクジェットヘッドの製造方法に関する。

従来の高密度インクジェットヘッドでは、インクを貯留するインク室とヘッド基板との間に、アクチュエータに給電するための配線基板が設けられている。
配線基板の構成を簡単に説明すると、図８（ａ）に示すとおり、配線基板２００はＳｉ製の基板本体２０２を有している。基板本体２０２の端部にはインク流路２０４が形成されている。基板本体２０２の上部には絶縁膜２０６を介して上部配線２０８が形成され、基板本体２０２の下部には絶縁膜２１０を介して下部配線２１２が形成されている。下部配線２１２にははんだバンプ２１４が形成され、ヘッド基板との間で電気的に接続される。
このような構成を具備する基板本体２０２では、基板本体２０２を貫通する貫通孔２２０が形成され、貫通孔２２０を通じて上部配線２０８と下部配線２１２とが導通されている。絶縁膜２０６や上部配線２０８の上部には樹脂製のパシベーション２３０が形成され、パシベーション２３０上にインク室が設置される。

従来の配線基板では、その製造自体を容易とするため、貫通孔の内部が導電材料などで充填されることがあり、そのような例が特許文献１や特許文献２に開示されている。具体的に、特許文献１の配線基板では、基板に対し配線と電極とを接続するための貫通孔が形成され当該貫通孔が導電性ペースト（８７）で充填されている（段落００４０〜００４２，図７など参照）。特許文献２の配線基板（電気配線構造）では、基板に対し電極同士を接続するための貫通孔が形成され当該貫通孔もまた導電性ペースト（１０４）で充填されている（段落００７１，図５など参照）。ただ、貫通孔の内部を導電性材料で充填すると、配線基板の製造に時間がかかり、さらには導電性材料を多く使用し製造コストが増大する。
そこで、近年では、図８（ａ）に示すとおり、貫通孔２２０の内壁面に金属をめっきして上部配線２０８を形成しており、これにより製造時間の短縮と製造コストの低減を図っている。

特開２００９−２２０５２３号公報特開２００８−３４７１９号公報

しかしながら、この場合に、貫通孔２２０の上方がパシベーション２３０で覆われ貫通孔２２０の内部が空洞のまま封止されてしまうため、インクジェットヘッドの製造時（特に配線基板の製造時）や、製造後におけるインクジェットヘッドの使用時において、貫通孔２２０やその近傍に熱が加わると、貫通孔２２０の内部で空気の膨張，収縮が繰り返される。その結果、図８（ｂ）に示すとおり、貫通孔２２０の上方のパシベーション２３０が破れるという事態が発生し、インク室に貯留されたインクが貫通孔２２０の内部に流入してしまう。

したがって、本発明の主な目的は、インクジェットヘッドの製造時や使用時においてインクの配線基板の内部への流入を防止することができるインクジェットヘッド、インクジェット記録装置およびインクジェットヘッドの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため本発明の一態様によれば、
インクを吐出するノズルと、前記ノズルからインクを吐出するための駆動源となるアクチュエータとを、有するノズル基板と、
前記アクチュエータに対して給電するための配線を有する配線基板と、
前記配線基板上に設けられ、前記配線基板との間で内部にインクが貯留される共通インク室を形成するマニホールドと、
を備えるインクジェットヘッドにおいて、
前記配線基板が、
貫通孔を有する基板本体と、
前記基板本体の前記共通インク室側とは反対側の面に形成された第１の配線と、
前記基板本体の前記共通インク室側の面から前記貫通孔の内壁に沿って形成され、前記第１の配線と導通された第２の配線と、
前記貫通孔の前記共通インク室側の開口端をインクに対して被覆するパシベーションと、
を有し、
前記第１および第２の配線には、前記貫通孔を大気に開放させる開口部が、前記貫通孔の前記共通インク室側とは反対側の開口端に対応する位置に形成されていることを特徴とするインクジェットヘッドが提供される。

本発明の他の態様によれば、
被記録材を支持するためのステージと、
請求項１または２に記載の前記インクジェットヘッドと、
前記ステージまたは前記インクジェットを移動させるための移動機構と、
を備えることを特徴とするインクジェット記録装置が提供される。

本発明の他の態様によれば、
インクを吐出するノズルと、前記ノズルからインクを吐出するための駆動源となるアクチュエータとを、有するノズル基板と、
前記アクチュエータに対して給電するための配線を有する配線基板と、
前記配線基板上に設けられ、前記配線基板との間で内部にインクが貯留される共通インク室を形成するマニホールドと、
を備えるインクジェットヘッドの製造方法において、
前記配線基板の基板本体の前記共通インク室側とは反対側の面に対し第１の配線を形成する工程と、
前記基板本体に対し貫通孔を形成する工程と、
前記基板本体の前記共通インク室側の面から前記貫通孔の内壁に沿って第２の配線を形成し、前記第１の配線と前記第２の配線とを導通させる工程と、
前記第１の配線と前記第２の配線とに対し前記貫通孔を大気に開放させる開口部を、前記貫通孔の前記共通インク室側とは反対側の開口端に対応する位置に形成する工程と、
前記貫通孔の前記共通インク室側の開口端をパシベーションでインクに対して被覆する工程と、
前記配線基板上に前記マニホールドを設けて前記パシベーション上に前記共通インク室を形成する工程と、
を備えることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法が提供される。

本発明によれば、第１の配線および第２の配線には貫通孔に連通する開口部がそれぞれ形成されている（または形成される）から、インクジェットヘッドの製造時や使用時において、貫通孔やその近傍に熱が加わっても、貫通孔の内部の空気は当該開口部を通じて外部に開放され、パシベーションの破裂によりインクが配線基板の内部（貫通孔の内部）に流入するのを防止することができる。

インクジェットヘッドの概略構成を示す断面図である。図１の一部を拡大分解した断面図である。（ａ）図１のＡ−Ａ線に沿う平面図であり、（ｂ）特定部位の拡大図である。インクジェットヘッドの製造方法を概略的に説明するための図面である。インクジェットヘッドの製造方法を概略的に説明するための図面である。インクジェットヘッドの製造方法を概略的に説明するための図面である。インクジェット記録装置の概略構成を示す斜視図である。従来の配線基板の構造を概略的に説明するための図面である。

以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について説明する。

図１，図２に示すとおり、インクジェットヘッド１は、ヘッド基板１０と配線基板２０とが、接着樹脂層３０によって積層一体化されている。配線基板２０の上面には箱型形状のマニホールド４０が設けられ、配線基板２０との間で、内部にインクが貯留される共通インク室４１を形成している。

ヘッド基板１０は、図１中下層側から、Ｓｉ（シリコン）基板によって形成されたノズルプレート１１、ガラス基板によって形成された中間プレート１２、Ｓｉ（シリコン）基板によって形成された圧力室プレート１３、ＳｉＯ_２薄膜によって形成された振動板１４を有している。ノズルプレート１１には下面にノズル１１ａが開口している。

圧力室プレート１３には、吐出のためのインクを収容する圧力室１３ａが形成されており、その上壁が振動板１４によって構成され、下壁が中間プレート１２によって構成されている。中間プレート１２には、圧力室１３ａの内部とノズル１１ａとを連通する連通路１２ａが貫通形成されている。

アクチュエータ１５は、薄膜ＰＺＴからなるアクチュエータ本体１５ａが上部電極１５ｂと下部電極１５ｃとで挟まれてなる。下部電極１５ｃは振動板１４の表面に形成されており、この下部電極１５ｃ上に、圧力室１３ａに１対１に対応するように個別にアクチュエータ本体１５ａとその上面の上部電極１５ｂとが積層されていると共に、上部電極１５ｂ上に金スタッドバンプ１６（融点１０６３℃）が配線基板２０に向けて突出形成されている。

配線基板２０は、Ｓｉ基板からなる基板本体２１の上面に、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜２２を介して上部配線２３が形成されている。この上部配線２３には、配線基板２０の端部において、駆動ＩＣ２７が実装されたＦＰＣ２８（フレキシブルプリント回路基板）がＡＣＦ（異方性導電フィルム）によって電気的に接続されている。

上部配線２３の一部は、絶縁膜２２ａを介して、基板本体２１に形成された貫通孔２１ａの内壁に沿っている。基板本体２１の下面にはＳｉＯ_２からなる絶縁膜２４が形成されており、絶縁膜２４の下面に下部配線２５が形成されている。貫通孔２１ａの内壁に沿う上部配線２３の一部が下部配線２５と接続されており、上部配線２３と下部配線２５とは導通した状態となっている。下部配線２５は第１の配線の一例であり、上部配線２３は第２の配線の一例である。下部配線２５はアクチュエータ１５に向けて露出しており、その露出した下部配線２５に、はんだバンプ２６がヘッド基板１０に向けて突出形成されている。はんだバンプ２６は、ここではＳｎ−Ｂｉ系共晶はんだ（融点１３９℃）によって形成されている。

絶縁膜２２および上部配線２３の上部には樹脂製のパシベーション５０が形成されており、基板本体２１の貫通孔２１ａの上方（開口端）がパシベーション５０で被覆されている。他方、貫通孔２１ａの内部に形成された上部配線２３と下部配線２５とには開口部２３ａ，２５ａがそれぞれ形成されており、貫通孔２１ａの下方は開口部２３ａ，２５ａを通じて大気開放されている。

これらヘッド基板１０と配線基板２０とは、各々別々に作製された後、ヘッド基板１０のアクチュエータ１５側の面と配線基板２０の下部配線２５側の面とを対面させ、接着樹脂層３０を介して積層一体化される。

接着樹脂層３０は、熱硬化性の感光性接着樹脂シート（ここでは硬化温度２００℃とする。）であり、ヘッド基板１０と配線基板２０との間に該接着樹脂層３０の厚み分の間隔を設けるべく、配線基板２０の絶縁膜２４の表面（下面）に対して予め貼着される。そして、この接着樹脂層３０付きの配線基板２０を、接着樹脂層３０の貼着面がヘッド基板１０側に向くようにして、ヘッド基板１０の振動板１４表面に形成されている下部電極１５ｃの上面に対して積層した後、所定の硬化温度に加熱され及び圧着されることによって、ヘッド基板１０と配線基板２０とが接着樹脂層３０を介して接着される。接着樹脂層３０は、配線基板２０への貼着後でヘッド基板１０との積層前に、アクチュエータ１５及びその周囲に相当する領域が露光、現像によって除去される。これにより、ヘッド基板１０と配線基板２０との間に、アクチュエータ１５（アクチュエータ本体１５ａと上部電極１５ｂ）の収容空間３１が形成される。

接着樹脂層３０には、予め上下に貫通する貫通孔３２が同じく露光、現像によって形成されており、その一端（上端）は、配線基板２０に形成されているインク供給路２９と連通し、他端（下端）は、ヘッド基板１０の振動板１４に形成された開口１４ａを通して圧力室１３ａの内部と連通している。インク供給路２９は配線基板２０の上面に開口しており、その開口部２９ａから共通インク室４１内のインクを流入させて圧力室１３ａ内に供給可能としている。

圧力室１３ａ内に供給されたインクは、配線基板２０の下部配線２５を介して駆動ＩＣ２７から与えられる駆動信号によってアクチュエータ１５が変形し、振動板１４が振動することで、吐出のための圧力が付与され、連通路１２ａを通ってノズル１１ａから微小液滴として吐出される。

なお、図３に示すとおり、樹脂接着層３０が貼着された配線基板２０を平面視すると、樹脂接着層３０の貫通孔３２と、下部配線２５の開口部２５ａ（上部配線２３の開口部２３ａ）と、下部配線２５に形成されたはんだバンプ２６とは、直線状に配置されている。

続いて、図４〜図６を参照しながら、配線基板２０を中心としたインクジェットヘッド１の製造方法について説明する。

図４（ａ），（ｂ）に示すとおり、Ｓｉ基板からなる基板本体２１を準備し、その上面と下面とに対しＳｉＯ_２を蒸着して絶縁膜２２，２４をそれぞれ形成する。その後、図４（ｃ）に示すとおり、絶縁膜２４の下面に対し所定金属をスパッタリングし、公知のフォトリソグラフィ技術を用いた一連の操作（レジスト形成，露光，現像，金属層のエッチング，不要なレジストの剥離）をおこない、所定パターンの下部配線２５を形成する。
その後再度、図４（ｄ）に示すとおり、公知のフォトリソグラフィ技術を用いた一連の操作（レジスト形成，露光，現像，基板本体２１のエッチング，不要なレジストの剥離）をおこない、貫通孔２１ａおよびインク供給路２９を形成する。

その後、図５（ａ）に示すとおり、貫通孔２１ａおよびインク供給路２９に対しＳｉＯ_２を蒸着して絶縁膜２２ａを形成し、図５（ｂ）に示すとおり、貫通孔２１ａの底部であって下部配線２５上に形成された絶縁膜２２ａに対し公知のフォトリソグラフィ技術を用いた一連の操作（レジスト形成，露光，現像，絶縁膜２２ａのエッチング，不要なレジストの剥離）をおこない、貫通孔２１ａの底部で下部配線２５を露出させる。
その後、図５（ｃ）に示すとおり、絶縁膜２２に対し公知のフォトリソグラフィ技術を用いた一連の操作（レジスト形成，露光，現像，金属めっき，不要なレジストの剥離）をおこない、絶縁膜２２および貫通孔２１ａの内壁（詳しくは絶縁膜２２ａの内壁）に上部配線２３を形成し、上部配線２３と下部配線２５とを導通させる。
この場合に、上部配線２３の各部位のうち、貫通孔２１ａの内壁に形成される部位の上部配線２３を構成する金属めっきの厚さＴを、貫通孔２１ａの半径Ｒ（詳しくは貫通孔２１ａの絶縁膜２２ａの内径の１／２）より小さくする。これにより、貫通孔２１ａの内部に空洞が形成され、貫通孔２１ａが導電性材料で充填されることによる製造時間や製造コストの問題を回避することができる。
その後、図５（ｄ）に示すとおり、貫通孔２１ａの底部の上部配線２３や下部配線２５に対し公知のフォトリソグラフィ技術を用いた一連の操作（レジスト形成，露光，現像，貫通孔２１ａの底部の上部配線２３や下部配線２５のエッチング，不要なレジストの剥離）をおこない、上部配線２３には開口部２３ａを、下部配線２５には開口部２５ａをそれぞれ形成する。

その後、図６（ａ）に示すとおり、下部配線２５に対しはんだをスクリーン印刷してこれをリフローし、はんだバンプ２６を形成する。その後、図６（ｂ）に示すとおり、すでに形成された絶縁膜２２および上部配線２３上にドライフィルムをラミネートして樹脂製のパシベーション５０を形成し、パシベーション５０を露光・現像して開口部２９ａを形成する。その結果、配線基板２０の製造が完了する。

その後、図６（ｃ）に示すとおり、配線基板２０の絶縁膜２４の下面に対し熱硬化性の感光性接着樹脂シートをラミネートし、そのシート中でヘッド基板１０のアクチュエータ１５及びその周囲（収容空間３１）に相当する領域と貫通孔３２に相当する領域とを、露光，現像によって除去し、接着樹脂層３０を形成する。
その後、図６（ｄ）に示すとおり、接着樹脂層３０付きの配線基板２０を、接着樹脂層３０の貼着面がヘッド基板１０側に向くようにして、ヘッド基板１０の振動板１４表面に形成されている下部電極１５ｃの上面に対して積層し、所定の硬化温度で加熱・圧着し、ヘッド基板１０と配線基板２０とを接着する。
その後、パシベーション５０上にマニホールド４０を積層してインクジェットヘッド１の製造が完了する。

続いて、図７を参照しながら、かかるインクジェットヘッド１を搭載したインクジェット記録装置の一例について説明する。

インクジェット記録装置１００は、装置基台１０１上に、インクジェット記録を行うためのインクジェットヘッド１、上面に被記録材Ｗを載置して支持するためのステージ１０２、ステージ１０２をθ方向に回転移動させるためのθ回転機構１０３、ステージ１０２及びθ回転機構１０３を共にＹ方向に沿って直線移動させるＹ移動機構１０４、ステージ１０２及びθ回転機構１０３を共にＸ方向に沿って直線移動させるＸ移動機構１０５をそれぞれ備えている。Ｘ方向とＹ方向とは水平面上で互いに直交する方向である。

インクジェットヘッド１は、装置基台１０１上の端部近傍においてＸ方向に沿って平行に架設されたガントリ１０６に、スライダ１０７及びθ回転機構１０８を介して、そのノズル面が下面となるように取り付けられ、その下方に配置されるステージ１０２上の被記録材Ｗの表面と平行に対向するように配置されている。インクジェットヘッド１は、スライダ１０７がガントリ１０６に沿ってスライド移動することによりＸ方向に沿って往復移動し、また、θ回転機構１０８によって、Ｘ、Ｙ方向と直交する法線方向であるＺ方向に沿う方向を軸としてθ方向に回転移動し、更に、Ｚ移動機構１０９によってθ回転機構１０８と共にＺ方向に昇降移動することができるようになっている。

ステージ１０２は、Ｘ方向に沿って延びるＸ移動機構１０５上に、θ回転機構１０３を介して設けられた平面視矩形状の定盤であり、その上面は被記録材Ｗを載置するための水平な載置面とされ、該載置面がインクジェットヘッド１のノズル面に対して所定の高さ位置となるように配設されている。このステージ１０２は、θ回転機構１０３と共にＸ移動機構１０５に沿ってスライド移動することによってＸ方向に沿って直線移動し、このＸ移動機構１０５が、それぞれＹ方向に沿って延びるＹ移動機構１０４に沿ってスライド移動することによって、θ回転機構１０３と共にＹ方向に沿って直線移動し、更に、θ回転機構１０３によって、インクジェットヘッド１のノズル面に対して平行を維持したまま、Ｚ方向に沿う方向を軸としてθ方向に回転移動することができるようになっている。

インクジェット記録装置１００は、インクジェットヘッド１とステージ１０２とを相対的に移動させ、そのときの各位置情報に応じて、所定の吐出パターンデータに基づいてインクジェットヘッド１からの液滴の吐出を制御し、ステージ１０２上の被記録材Ｗ表面に着弾させることで、所望の記録を行う。

以上の本実施形態によれば、配線基板２１の貫通孔２１ａの内部に形成された上部配線２３には開口部２３ａを、下部配線２５の貫通孔２１ａに対応する部位には開口部２５ａをそれぞれ形成するから、インクジェットヘッド１の製造時や使用時において、貫通孔２１ａやその近傍に熱が加わっても、貫通孔２１ａの内部の空気は開口部２３ａ，２５ａを通じて収容空間２３に開放される。したがって、貫通孔２１ａを被覆するパシベーション５０が破れることはなく、共通インク室４１に貯留されたインクが配線基板２０の内部（貫通孔２１ａの内部）に流入するのを防止することができる。

１：インクジェットヘッド
１０：ヘッド基板
１１：ノズルプレート
１１ａ：ノズル
１２：中間プレート
１２ａ：連通路
１３：圧力室プレート
１３ａ：圧力室
１４：振動板
１４ａ：開口部
１５：アクチュエータ
１５ａ：アクチュエータ本体
１５ｂ：上部電極
１５ｃ：下部電極
１６：金スタッドバンプ（第１のバンプ）
２０：配線基板
２１：基板本体
２１ａ：貫通孔
２２，２２ａ：絶縁膜
２３：上部配線
２３ａ：開口部
２４：絶縁膜
２５：下部配線
２５ａ：開口部
２６：はんだバンプ
２７：駆動ＩＣ
２８：ＦＰＣ
２９：インク供給路
２９ａ：開口部
３０：接着樹脂層
３１：収容空間
４０：マニホールド
４１：共通インク室
５０パシベーション
１００：インクジェット記録装置
１０１：装置基台
１０２：ステージ
１０３：θ回転機構
１０４：Ｙ移動機構
１０５：Ｘ移動機構
１０６：ガントリ
１０７：スライダ
１０８：θ回転機構
１０９：Ｚ移動機構
Ｗ：被記録材
２００：配線基板
２０２：基板本体
２０４：インク流路
２０６：絶縁膜
２０８：上部配線
２１０：絶縁膜
２１２：下部配線
２１４：はんだバンプ
２２０：貫通孔
２３０：パシベーション

Claims

インクを吐出するノズルと、前記ノズルからインクを吐出するための駆動源となるアクチュエータとを、有するノズル基板と、
前記アクチュエータに対して給電するための配線を有する配線基板と、
前記配線基板上に設けられ、前記配線基板との間で内部にインクが貯留される共通インク室を形成するマニホールドと、
を備えるインクジェットヘッドにおいて、
前記配線基板が、
貫通孔を有する基板本体と、
前記基板本体の前記共通インク室側とは反対側の面に形成された第１の配線と、
前記基板本体の前記共通インク室側の面から前記貫通孔の内壁に沿って形成され、前記第１の配線と導通された第２の配線と、
前記貫通孔の前記共通インク室側の開口端をインクに対して被覆するパシベーションと、
を有し、
前記第１および第２の配線には、前記貫通孔を大気に開放させる開口部が、前記貫通孔の前記共通インク室側とは反対側の開口端に対応する位置に形成されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
請求項１に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記第２の配線の前記貫通孔の内壁に形成された部位の厚さが、前記貫通孔の半径より小さいことを特徴とするインクジェットヘッド。
被記録材を支持するためのステージと、
請求項１または２に記載の前記インクジェットヘッドと、
前記ステージまたは前記インクジェットを移動させるための移動機構と、
を備えることを特徴とするインクジェット記録装置。
インクを吐出するノズルと、前記ノズルからインクを吐出するための駆動源となるアクチュエータとを、有するノズル基板と、
前記アクチュエータに対して給電するための配線を有する配線基板と、
前記配線基板上に設けられ、前記配線基板との間で内部にインクが貯留される共通インク室を形成するマニホールドと、
を備えるインクジェットヘッドの製造方法において、
前記配線基板の基板本体の前記共通インク室側とは反対側の面に対し第１の配線を形成する工程と、
前記基板本体に対し貫通孔を形成する工程と、
前記基板本体の前記共通インク室側の面から前記貫通孔の内壁に沿って第２の配線を形成し、前記第１の配線と前記第２の配線とを導通させる工程と、
前記第１の配線と前記第２の配線とに対し前記貫通孔を大気に開放させる開口部を、前記貫通孔の前記共通インク室側とは反対側の開口端に対応する位置に形成する工程と、
前記貫通孔の前記共通インク室側の開口端をパシベーションでインクに対して被覆する工程と、
前記配線基板上に前記マニホールドを設けて前記パシベーション上に前記共通インク室を形成する工程と、
を備えることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。