JP2013248836A - 液体吐出ヘッドおよび液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液体吐出ヘッドの厚みを抑え、小型化を実現することが可能な液体吐出ヘッドおよび液体吐出ヘッドの製造方法を実現すること。
【解決手段】貫通電極が設けられた発熱素子基板２０５とプリント配線基板２０２とを同一面で支持するベースプレート２０３に溝を設けて、その溝内のバンプ２１０とＴＡＢ２１１とで発熱素子基板２０５とプリント配線基板２０２とを接続する。
【選択図】図４

Description

本発明は液体吐出ヘッドの製造方法に関し、特に液体を吐出するためのエネルギーを発生する素子が複数形成された基板と、その基板に接合される天板と、を具えた液体吐出ヘッドおよび液体吐出ヘッドの製造方法に関する。

インクジェット記録装置（以下、単に記録装置ともいう）などに用いられている液体吐出ヘッドは、一般的に流路を満たした液体（以下、インクともいう）にエネルギーを作用させてインクを吐出させる。そのため液体吐出ヘッドは、インクをインク供給口から共通液室を介して液路へと導き、液路でエネルギーを発生素子からインクに作用させる。インクにエネルギーを作用させることで、液路の先端に設けられた吐出口からインクを例えば滴として吐出させ、そのインクにより記録媒体上にドットを形成して記録が行われる。

インクに作用させるエネルギーとしては複数あるが、中でも熱エネルギーを利用してインクを吐出する液体吐出ヘッドは、吐出口、液路およびエネルギー発生素子である発熱素子を高密度に多数配置することが可能である。以下、これらの吐出口、液路、発熱素子の集合をノズルと総称する。発熱素子を高密度に多数配置することが可能であるため、記録装置の全体的なコンパクト化も容易であること等の利点から、熱エネルギーを利用して吐出する液体吐出ヘッドは、パーソナルまたはオフィスユースの記録装置として広く用いられている。

特許文献１には熱エネルギーを利用した液体吐出ヘッドが開示されている。図８は、特許文献１で開示されている液体吐出ヘッドの構成例を示す側断面図である。液体吐出ヘッドは、その主要部としてチップ状の発熱素子基板２０５と天板２０６を有し、これらはセラミック製のベースプレート２０３によって支持されている。発熱素子基板２０５と天板２０６は接合されることによって、液路（図示せず）や共通液室２０７などが画成される。共通液室２０７に対しては、異方性エッチング等により天板２０６に設けられた開口２０８を介し、インク流路形成部材２０４からインクが導入される。ベースプレート２０３上に設けられた発熱素子基板２０５の後方（図の右側）には、プリント配線基板２０２が支持されている。そして、発熱素子基板２０５とプリント配線基板２０２は、各々の配線に対応してボンディングワイヤ２１２により電気的に接続されている。

特開２０１０−０９４９００号公報

近年、液体吐出ヘッドの小型化、軽量化が望まれているが、特許文献１に示された液体吐出ヘッドでは、発熱素子基板の表面とプリント配線基板間との表面をボンディングワイヤで接続している。そのため、発熱素子基板の表面とプリント基板表面の高さを揃える必要があり、プリント配線基板とインク流路形成部材との間にデッドスペースが生まれ、液体吐出ヘッドの厚さを薄くするのに限界があった。

よって本発明は、液体吐出ヘッドの厚みを抑え、小型化を実現することが可能な液体吐出ヘッドおよび液体吐出ヘッドの製造方法を実現することを目的とする。

そのため本発明の液体吐出ヘッドは、プリント配線基板を介して発熱素子基板に伝えられた信号によって、前記発熱素子基板に設けられた発熱素子が発熱することで液体を吐出する液体吐出ヘッドにおいて、前記発熱素子基板と前記プリント配線基板とは、ベースプレートの同一面によって支持され、前記発熱素子基板を貫通して表面から裏面へと電気的接続が可能な貫通電極を介して、前記ベースプレートが当接して支持する前記発熱素子基板の面と前記プリント配線基板の面とが電気的に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、液体吐出ヘッドの発熱素子基板とプリント配線基板とは、ベースプレートの同一面によって支持されている。そして、発熱素子基板を貫通して表面から裏面へと電気的接続が可能な貫通電極を介して、ベースプレートが当接して支持する発熱素子基板の面とプリント配線基板の面とが電気的に接続されている。これによって、液体吐出ヘッドの厚みを抑え、小型化を実現することが可能な液体吐出ヘッドを実現することができる。

プリントシステムの一例を模式的に示す正面図である。 図１のプリントシステムの電気的な系統を示すブロック図である。 本発明の液体吐出ヘッドの構成例を説明するための分解斜視図である。 液体吐出ヘッドの構成例を示す側断面図である。 （ａ）〜（ｇ）は、発熱素子基板の貫通電極の製造工程を順に示した図であり、発熱素子基板の側断面を示している。 第２の実施形態の液体吐出ヘッドの構成例を示す図である。 第３の実施形態の液体吐出ヘッドの構成例を示す図である。 特許文献１で開示されている液体吐出ヘッドの構成例を示す側断面図である。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本実施形態を適用可能なプリントシステム１０の一例を模式的に示す正面図である。プリントシステム１０は、カットされた様々な記録媒体を搬送して記録を行う画像形成装置３００を備えたシステムであり、搬送装置２６、プリントユニット９０、インクタンクユニット９２、インク供給ユニット（図示せず）等により構成されている。画像形成装置３００には画像情報を送るホストＰＣ（パソコン）１２が接続されている。プリントユニット９０には４つ（４本）の液体吐出ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙがカットされた記録媒体Ｐの搬送方向（矢印Ａ方向）に沿って配置されている。４つの液体吐出ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙからはそれぞれ黒、シアン、マゼンタ、イエローの各色のインクが吐出される。これら４つの液体吐出ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙは、所謂ラインヘッドであり、図１の紙面に直交する方向（矢印Ａ方向に直交する方向）に延びている。また、これら４つの液体吐出ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙは、画像形成中は固定されて動かない。

４つの液体吐出ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙから安定してインクを吐出させるために、吐出状態を回復させる回復ユニット４０がプリントユニット９０には組み込まれている。この回復ユニット４０によって、液体吐出ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙからのインク吐出状態は初期のインク吐出状態に回復する。回復ユニット４０には、回復動作のときに４つの液体吐出ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙのインク吐出口形成面２２Ｋｓ、２２Ｃｓ、２２Ｍｓ、２２Ｙｓからインクを除去するキャッピング機構５０が備えられている。キャッピング機構５０は、各液体吐出ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙに独立して設けられており、図１の例では４色分（即ち、４つのキャッピング機構５０）が示されているが、液体吐出ヘッド数に応じて設けられる。キャッピング機構５０は、周知のブレード、インク除去部材、ブレード保持部材、キャップ等から構成されている。

カットされた記録媒体Ｐは、搬送装置２６によって矢印Ａ方向に搬送されてくる。本実施形態では、図示せぬ駆動モータにより駆動ローラ２６ｂを回転させ、駆動ローラ２６ｂと従動ローラ２６ｃとの間に張られた搬送ベルト２６ａの背面に当接させた状態でカットされた記録媒体Ｐを搬送する。また、搬送ベルト２６ａには微細な複数の穴（不図示）が形成されており、図示せぬ減圧ファンにより空気を吸引することで、記録媒体Ｐを吸着し、記録媒体Ｐの搬送ベルト２６ａに対する移動を防止している。

記録媒体Ｐに画像を形成する際には、搬送中の記録媒体Ｐの記録開始位置がブラックの液体吐出ヘッド２２Ｋの下に到達した後に、記録データ（画像情報）に基づいて液体吐出ヘッド２２Ｋからブラックインクを選択的に吐出する。同様に液体吐出ヘッド２２Ｃ、液体吐出ヘッド２２Ｍ、液体吐出ヘッド２２Ｙの順に、各液体吐出ヘッドの下に記録媒体Ｐが来た際に各色のインクを吐出してカラー画像を記録媒体Ｐに形成する。尚、記録媒体Ｐの先端位置は、先端検知センサによって検知され、各液体吐出ヘッドからのインク吐出開始タイミングが決定される。また、吐出開始からの吐出タイミングは搬送ベルト２６ａの駆動ローラ２６ｂと同軸にとりつけられるエンコーダー（図示せず）の出力信号と同期している。

プリントシステム１０には、上記の部品、部材の他、各液体吐出ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙに適正な負圧を付与したり、クリーニング動作をするための各種ポンプを備えた各液体吐出ヘッドに対応するインク供給ユニット（不図示）が備えられている。またプリントシステム１０は、各インク供給ユニットへ供給されるインクを貯蔵するインクタンク２８Ｋ、２８Ｃ、２８Ｍ、２８Ｙと、各液体吐出ヘッドのクリーニング時に発生する廃液を廃インクタンクへ輸送するポンプを備えた廃インクユニットを備えている。

図２は、図１のプリントシステム１０の電気的な系統を示すブロック図である。図２を参照してプリントシステム１０の電気的な系統を説明する。ホストＰＣ１２から送信された記録データやコマンドは、インターフェイスコントローラ１０２を介してＣＰＵ１００に受信される。ＣＰＵ１００は、プリントシステム1０の記録データの受信、記録動作等全般の制御を掌る演算処理装置である。ＣＰＵ１００では、受信したコマンドを解析した後に、記録データの各色成分のイメージデータをイメージメモリ１０６にビットマップ展開して描画する。記録前の動作処理としては、出力ポート１１４、モータ駆動部１１６を介してキャッピングモータ１２２とヘッドアップダウンモータ１１８を駆動する。そして、各液体吐出ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙをキャッピング機構５０から離して記録位置（画像形成位置：図１矢印Ｂ方向）に移動させる。その後、カットされた記録媒体Ｐを搬送装置２６に移動させるとともに、搬送モータ１２１を駆動し、記録媒体Ｐを搬送していく。

インクを吐出し始めるタイミング（記録タイミング）は先端検知センサで記録媒体Ｐの先端位置を検出する。その後、エンコーダ（図示せず）からの出力信号により記録媒体Ｐの搬送に同期して、ＣＰＵ１００はイメージメモリ１０６から対応する色の記録データを順次に読み出す。そして、読み出したデータを各液体吐出ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙに液体吐出ヘッド制御回路１１２経由して（介して）転送する。

尚、先端検知センサ及びエンコーダは搬送装置２６に設置され、搬送装置に設置される搬送コントローラ１２５から画像形成装置側に設けられる搬送装置インターフェース１１１に情報を伝達する。また画像形成装置３００、搬送装置２６いずれかに何らかのエラーが発生した場合にもここで情報の伝達がなされる。

ＣＰＵ１００の動作は、プログラムＲＯＭ１０４に記憶された処理プログラムに基づいて実行される。プログラムＲＯＭ１０４には、制御フローに対応する処理プログラム及びテーブルなどが記憶されている。また、作業用のメモリとしてワークＲＡＭ１０８を使用する。各液体吐出ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙのクリーニングや回復動作時に、ＣＰＵ１００は、出力ポート１１４、モータ駆動部１１６を介してポンプモータ１２４を駆動し、インクの加圧、吸引等の制御を行う。

図３は、本発明の液体吐出ヘッドの構成例を説明するための分解斜視図である。本実施形態の液体吐出ヘッドは、インクジェット記録装置に用いられるインクジェット液体吐出ヘッド２００である。ベースプレート２０３上には、後述するように吐出エネルギー発生素子、インク流路、および共通液室などを備えた吐出エレメント２０１と、プリント配線基板２０２と、が配置される。流路形成部材２０４には、吐出エレメント２０１内の共通液室に接続されるインク供給路と、そのインク供給路に連通しかつインクタンクに接続されるインク供給口が形成されている。インクタンクのインクはインク供給路を通して共通液室に供給される。

図４は、本実施形態の液体吐出ヘッドの構成例を示す側断面図である。発熱素子基板２０５の後方（図の右側）には貫通電極２０９が設けられて、発熱素子基板２０５の裏面とプリント配線基板２０２の裏面とがバンプ２１０とＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）２１１で電気的に接続されている。つまり、ベースプレート２０３における同一高さの面（以下、基準面という）に載置されていることで同一高さとなった、発熱素子基板２０５とプリント配線基板２０２との各裏面をバンプ２１０とＴＡＢ２１１で電気的に接続する。ベースプレート２０３には（バンプ２１０高さ）＋（ＴＡＢ２１１の厚さ）を深さとする溝が設けられており、その溝内のバンプ２１０とＴＡＢ２１１とで、発熱素子基板２０５とプリント配線基板２０２とは接続される。

次に、本発明の実施形態に係る発熱素子基板の貫通電極（ＴＳＶ：Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｖｉａ）の製造方法を説明する。図５（ａ）〜（ｇ）は、発熱素子基板の貫通電極の製造工程を順に示した図であり、発熱素子基板の側断面を示している。図５（ａ）に示すシリコン基板（発熱素子基板）４０１に半導体製造工程で用いられるものと同様の製造装置を用いてＢｏｓｃｈプロセス（ボッシュプロセス）などにより図５（ｂ）に示すようなトレンチ４０２を形成する。次に、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により図５（ｃ）に示すようにトレンチ４０２内壁に例えばＳｉＯ２からなる絶縁膜４０３を形成する。次に、ＣＶＤにより図５（ｄ）に示すように例えばＣｕからなる導電体４０４をトレンチ内に充填する。次に、図５（ｅ）に示すようにＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）によりシリコン基板表面に形成された導電体４０４を削る。次に図５（ｆ）に示すようにバックグラインドとＣＭＰによりシリコン基板４０１の裏面を削る。そして、図５（ｇ）に示すように電解メッキによりシリコン基板４０１の裏面にバンプ２１０を形成する。このようにして発熱素子基板２０５の貫通電極を形成することができる。この貫通電極を利用することで、発熱素子基板２０５とプリント配線基板２０２とを裏面で接続することが可能となる。

このように、貫通電極が設けられた発熱素子基板２０５とプリント配線基板２０２とを同一面で支持するベースプレート２０３に溝を設けて、その溝内のバンプ２１０とＴＡＢ２１１とで発熱素子基板２０５とプリント配線基板２０２とを接続する。これによって、従来存在していたプリント配線基板２０２とインク流路形成部材２０４との間のデッドスペースを小さくすることができ、液体吐出ヘッドの厚みを抑え、小型化を実現することができた。

（第２の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第１の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成についてのみ説明する。

図６は、本願発明の第２の実施形態を示す図である。第１の実施形態では、発熱素子基板２０５の裏面とプリント配線基板２０２の裏面とをバンプ２１０とＴＡＢ２１１で電気的に接続した。本実施形態では、図６に示したように発熱素子基板２０５の裏面とプリント配線基板２０２の裏面とをボンディングワイヤで直接接続している。このように接続することでも第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

このように、ベースプレート２０３に溝を設けて、その溝内で発熱素子基板２０５とプリント配線基板２０２とをボンディングワイヤで接続する。これによって、従来存在していたプリント配線基板２０２とインク流路形成部材２０４との間のデッドスペースを小さくすることができ、液体吐出ヘッドの厚みを抑え、小型化を実現することができた。

（第３の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第３の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第１の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成についてのみ説明する。

図７は、本願発明の第３の実施形態を示す図である。本発明では発熱素子基板２０５に設けられた貫通電極を介して発熱素子基板２０５の裏面から電気的接続をとるため、従来必要であった天板２０６の短冊カットは不要となり工程を省略できる。また、天板２０６の短冊カットが不要となった分だけ共通液室２０７およびインク流路部材内のインク流路を広く取ることができ、リフィル性能を向上させることができる。

（その他の実施形態）
また本発明は、インクを吐出する液体吐出ヘッドの他、種々の液体を吐出する液体吐出ヘッドとして広く適用可能であり、そのような液体吐出ヘッドは、インクジェット記録装置以外の種々の液体吐出装置に用いることができる。また、液体流路内の液体を吐出させるための吐出エネルギー発生素子は、発熱素子（ヒーター）のみに特定されず、ピエゾ素子などを用いてもよい。

このように発熱素子基板に貫通電極を設けて、発熱素子基板の裏面とプリント配線基板の裏面とを電気的接続することで、液体吐出ヘッドの厚さを抑え、小型化を実現することができた。

１０ プリントシステム
１００ ＣＰＵ
２０２ プリント配線基板
２０３ ベースプレート
２０５ 発熱素子基板
２０６ 天板
２０７ 共通液室
２０９ 貫通電極
２１０ バンプ
２１１ ＴＡＢ

Claims (4)

1. プリント配線基板を介して発熱素子基板に伝えられた信号によって、前記発熱素子基板に設けられた発熱素子が発熱することで液体を吐出する液体吐出ヘッドにおいて、
   前記発熱素子基板と前記プリント配線基板とは、ベースプレートの同一面によって支持され、
   前記発熱素子基板を貫通して表面から裏面へと電気的接続が可能な貫通電極を介して、前記ベースプレートが当接して支持する前記発熱素子基板の面と前記プリント配線基板の面とが電気的に接続されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記発熱素子基板と前記プリント配線基板との電気的接続は、バンプとＴＡＢによって接続されていることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記発熱素子基板と前記プリント配線基板との電気的接続は、ボンディングワイヤによって接続されていることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
4. プリント配線基板を介して発熱素子基板に伝えられた信号によって、前記発熱素子基板に設けられた発熱素子が発熱することで液体を吐出する液体吐出ヘッドの製造方法において、
   前記発熱素子基板と前記プリント配線基板とを、ベースプレートの同一面によって支持する工程と、
   前記発熱素子基板を貫通して表面から裏面へと電気的接続が可能な貫通電極を介して、前記ベースプレートが当接して支持する前記発熱素子基板の面と前記プリント配線基板の面とを電気的に接続する工程と、を備えること特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。

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