JP3611782B2 - インクジェットヘッド - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数のインク室から記録媒体上にインクを吐出することにより画像形成を行なうインクジェットプリンタにおけるインクジェットヘッドに関し、特に、各インク室に形成された電極に対して基板に実装された駆動回路を直接接続して構成したインクジェットプリンタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェットプリンタに用いられるインクジェットヘッドとして、圧電材料のアクチュエータに形成した溝状のインク室において互いに対向する一対の内側面に電極を設け、この電極に画像データに基づく駆動パルスを駆動回路から印加することにより、インク室の側面を剪断変形させてインク室内に収納されたインクを加圧して吐出するようにしたものがある。
【０００３】
このようなインクジェットヘッドにおいて、従来は、導線を用いたワイヤボンディングによるか、又は、フレキシブル基板を介してアクチュエータの電極と駆動回路の接続端子とを電気的に接続するようにしていた。例えば、フレキシブル基板を介してアクチュエータの電極と駆動回路の接続端子とを接続する場合、アクチュエータにおいてインク室内の電極を接続性の良い平坦面まで引出し、この部分にフレキシブル基板の電極パターンとを半田等を用いて接続する。
【０００４】
ところが、ワイヤボンディング法及びフレキシブル基板を用いる方法では、画像の高解像度化の要請に基づいて、インク室の形成数の多数化、並びに、インク室及びその形成間隔の狭小化を伴うアクチュエータの高集積化を実現する際に、製造コストの著しい高騰を招く問題がある。
【０００５】
そこで、特開平８−３００６５０号公報には、駆動回路の接続端子の引出しパターンを形成した基板をアクチュエータプレートに接着し、接合体を構成する基板及びアクチュエータプレートにインク室となる多数の溝部を形成した後、溝の側面の一部において基板及びアクチュエータプレートにわたって斜め蒸着法及び電界メッキ法により駆動電極となる導電膜を引出しパターンに電気的に接続して形成するようにした構成が開示されている。この構成により、高集積化したインクジェットヘッドの製造コストを低廉化できるとされている。
【０００６】
また、特開平１１−３０９８６２号公報には、印字ヘッドの前端で各アクチュエータの各々に接続された駆動側導電体を印字ヘッドの側面に沿って後端に延長するとともに、印字ヘッドの後端で各アクチュエータに共通に接続された共通側導電体を後端面の周囲に延長し、それぞれを後端面の周囲近傍に並んで形成された複数の接続電極に接続する一方、基板において印字ヘッドの後端面に臨む開口を形成するとともに、この開口の周囲に複数の接続端子及び共通端子を配置し、印字ヘッド側の接続電極が基板の接続端子及び共通端子に当接した状態で、印字ヘッドの後端面の周囲近傍を基板に固着し、後端面に開口を通じてマニホールド部材を接続した構成が開示されている。この構成により、印字ヘッドを基板に取り付ける際に、印字ヘッドの基板への取付作業と同時にこれらの電気的接続をフレキシブル基板を用いることなく簡単に行うことができるとされている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平８−３００６５０号公報に開示された構成では、インクを吐出するアクチュエータと駆動回路への引出しパターンを備えた基板との２つの部材を接着した接合体に対してインク室となる溝部の形成、及び、駆動電極となる導電膜の形成を行うため、これらの工程における接合体の取り扱いが困難で製造作業が煩雑化する問題がある。
【０００８】
また、特開平１１−３０９８６２号公報に開示された構成では、アクチュエータに対して駆動回路との配線パターンを形成した基板を低温ろう付け又は導電接着剤によって接続するようにしているため、基板と駆動回路との接続が別途必要になるとともに、低温ろう付けでは煩雑な温度管理が必要となり、導電接着剤を用いる場合には配線の短絡を発生し易い問題がある。
【０００９】
さらに、いずれの構成においても、インクの吐出状態に大きな影響を与えるインクジェットヘッドの温度を正確に検出するための構成に関して考慮されていない。
【００１０】
この発明の目的は、駆動回路を実装した基板をインク室を形成したアクチュエータ部に接着することにより、アクチュエータの電極と駆動回路との電気的な接続を容易かつ安価に行うことができ、高集積化への対応が容易なインクジェットヘッドを提供することにある。
【００１１】
また、この発明の別の目的は、アクチュエータ部に接着される基板上に温度検出回路を実装することにより、アクチュエータ部の温度を正確に検出することができるインクジェットヘッドを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を解決するための手段として、以下の構成を備えている。
【００１３】
(1) 圧電材料に複数の溝状のインク室を形成するとともに、各インク室の互いに対向する一対の内側面のそれぞれに電極を形成したアクチュエータ部と、各電極に電気的に接続された駆動回路と、を備え、駆動回路からアクチュエータ部の電極に駆動パルスを印加し、互いに隣接するインク室間の隔壁を変形させることにより各インク室内のインクを加圧して一方向に吐出するインクジェットヘッドにおいて、
アクチュエータ部側の開口幅がインク室の開口幅に比較して接続端子によって形成されるアクチュエータ部の端面と基板との間の間隙寸法の２倍以上大きい貫通孔を備えるとともにインクジェットヘッドを駆動するための駆動回路と外部接続端子とを含む半導体基板を、その外部接続端子とアクチュエータ部の電極とを電気的に接続した状態で、アクチュエータ部におけるインク吐出方向の上流側の端面に、両者の間に毛細管現象によって流入する接着剤を介して接合したことを特徴とする。
【００１４】
この構成においては、アクチュエータ部の電極に対して駆動パルスを印加する駆動回路及び外部接続端子を含む半導体基板が、アクチュエータ部のインク吐出方向の上流側の端面に接合される。したがって、アクチュエータ部の端面に半導体基板を接合する作業によって、インク室におけるインク吐出方向の上流側の閉塞と、アクチュエータ部の電極と駆動回路との電気的接続と、が同時に行われ、アクチュエータ部の電極と駆動回路とをワイヤボンディング法又はフレキシブル基板により接続する構成に比較して、部品点数及び作業工程数が削減される。
【００１５】
また、複数のインクジェットヘッドに対応する複数の半導体基板を形成したウエハに、電極を備えたインク室を形成した後の複数のアクチュエータ部を接合することにより、ダイシング等によって分離するまでの間において複数のインクジェットヘッドが単一のウエハ上で同時に取り扱われ、製造工程がさらに簡略化される。
さらに、アクチュエータ部の端面に接合される半導体基板に、特定色のインクを収納する複数のインク室に対向するとともに、アクチュエータ部側の開口幅がインク室の開口幅に比較して外部接続端子によって形成されるアクチュエータ部の端面と半導体基板との間の間隙寸法の２倍以上大きい貫通孔が形成されている。したがって、アクチュエータ部に半導体基板を接合すると、アクチュエータ部の特定色に割り当てられた複数のインク室が共通の貫通孔に連通し、貫通孔によって共通インク室が形成される。
加えて、貫通孔のアクチュエータ部側の開口幅がインク室の開口幅に比較して外部接続端子によって形成されるアクチュエータ部の端面と半導体基板との間の間隙寸法の２倍以上大きくされているため、アクチュエータ部の端面と半導体基板との間に充填される接着剤がインク室内に流入することがなく、各インク室からのインクの吐出状態に誤差を生じることがない。
【００１６】
(2) 前記半導体基板の接続端子は、圧電材料のキュリー温度未満の温度でアクチュエータ部の電極に電気的に接続されることを特徴とする。
【００１７】
この構成においては、アクチュエータ部の素材となる圧電材料のキュリー温度未満の環境下でアクチュエータ部の電極と半導体基板の外部接続端子とが電気的に接続される。したがって、電極と外部接続端子とを電気的に接続する際に、アクチュエータ部において脱分極や過大な残留応力を生じることがなく、駆動回路からの駆動パルスの印加によってアクチュエータ部が正確に動作するようにして製品の性能が安定化して信頼性が向上する。
【００２１】
(3) 前記インク室は、開口部の深さ及び幅を外部接続端子によって形成されるアクチュエータ部の端面と半導体基板との間の間隙寸法より大きいことを特徴とする。
【００２２】
この構成においては、アクチュエータ部に形成されるインク室の深さ及び幅が、アクチュエータ部の端面と半導体基板との間の間隙寸法より大きくされる。したがって、アクチュエータ部の端面と半導体基板との間に毛細管現象によって充填される接着剤がインク室内に流入することがなく、各インク室からのインクの吐出状態に誤差を生じることがない。
【００２３】
(4) 前記半導体基板は、アクチュエータ部の温度を検出する温度検出回路を実装したことを特徴とする。
【００２４】
この構成においては、アクチュエータ部の端面に接合される半導体基板にアクチュエータ部の温度を検出する温度検出回路が実装される。したがって、アクチュエータ部の温度が、これに接合した半導体基板に実装されている温度検出回路によって正確に検出される。
【００２５】
(5) 前記温度検出回路は、半導体基板においてアクチュエータ部に対向する面に実装されていることを特徴とする。
【００２６】
この構成により、アクチュエータ部の端面に接合される半導体基板にはアクチュエータ部に対向する状態で温度検出回路が実装される。したがって、アクチュエータ部に最も近接する状態で温度検出回路が配置され、アクチュエータ部の温度がより正確に検出される。
【００２７】
(6) 前記アクチュエータ部は、複数のインク室を複数列に配列して形成したことを特徴とする。
【００２８】
この構成においては、半導体基板に接合される単一のアクチュエータ部に、複数のインク室が複数列に配列されて形成される。したがって、単一のアクチュエータにより多数のインク室が形成され、インク室の高集積化が図られる。
【００２９】
(7) (6) の構成において、より好ましくは、２列のインク室について、一方の列に含まれるインク室を他方の列に含まれるインク室間に配置することができる。
【００３０】
この構成により、形成される画像の解像度を２倍にすることができる。
【００３１】
(8) 前記アクチュエータ部が接合された前記半導体基板を複数個組み合わせて別の接合基板に接合したことを特徴とする。
【００３２】
この構成においては、単一の接合基板（別のプリント基板）に対してアクチュエータを実装した半導体基板が複数接合される。したがって、画像の解像度やインクの色数の変化に対応した種々の仕様が容易に実現される。
【００３３】
(9)前記接合基板は、アクチュエータにおける複数のインク室の形成方向について、それぞれに接合された各アクチュエータのインク室が互いに重複することなく連続する複数の位置に配置されていることを特徴とする。
【００３４】
この構成においては、複数の接合基板が、アクチュエータにおける複数のインク室の形成方向について、それぞれに接合された半導体基板上の各アクチュエータのインク室を互いに重複することなく連続して配置される。したがって、それぞれに単一又は複数の半導体基板が接合された複数の接合基板により、画像形成範囲における記録媒体の搬送方向に直交する方向の全範囲にインク室が対向するライン型のインクジェットヘッドが容易に形成される。
【００３５】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの構成を示す組立図である。この実施形態に係るインクジェットヘッド１は、基板２（この発明の半導体基板である。）上にアクチュエータ部３及びノズルプレート４をこの順に配置して互いに接合することによって構成されている。基板２は、駆動回路２ａ及び温度検出回路２ｂを実装しており、略中央部に矩形の貫通孔２ｃが形成されている。また、基板２のアクチュエータ部３に対向する表面には、駆動回路２ａと貫通孔２ｃとの間に駆動回路２ａの出力パッドである接続端子５（この発明の外部接続端子である。）が貫通孔２ｃの長手方向に沿って所定数並設されている。さらに、基板２の表面において長手方向の両端部におけるアクチュエータ部３に対向しない範囲には駆動回路２ａの入力パッド２ｄ、及び、温度検出回路２ｂの入出力パッド２ｅが複数個ずつ設けられている。基板２に実装された駆動回路２ａは、入力パッド２ｄを介して入力された画像データに基づいて、接続端子５を介して後述するアクチュエータ部３の電極に駆動パルスを印加する。また、温度検出回路２ｂは、アクチュエータ部３の温度を検出し、検出信号を入出力パッド２ｅを介して外部に出力する。
【００３６】
なお、駆動回路２ａ、入力パッド２ｄ及び入出力パッド２ｅは、基板２の裏面に配置することもできる。但し、接続端子５は基板２の表面に対向するアクチュエータ部３の電極に接続するものであるために基板２の表面に露出して配置する必要があり、温度検出回路２ｂはアクチュエータ部３の温度を検出するものであるために基板２の表面に配置することが好ましい。
【００３７】
また、基板２において貫通孔２ｃは、サンドブラスト又はＳｉによる異方性エッチング等の方法によって形成することができる。
【００３８】
アクチュエータ部３は、メインプレート３ａ及びカバープレート３ｂを含み、略中央部において長手方向に所定数のインク室６が形成されている。メインプレート３ａは、一例として強誘電性のチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電材料の平板を素材とし、長手方向の一方の側面における複数の位置に溝部を形成した後、各溝部に互いに独立した電極を形成したものである。カバープレート３ｂは、メインプレート３ａにおいて溝部を形成した側面に密着して接合される。これによって、メインプレート３ａの各溝部は、一方の開放面が閉塞され、アクチュエータ部３の表裏面を貫通する形状のインク室６が形成される。基板２の表面にアクチュエータ部３の裏面を接合した状態で、アクチュエータ部３に形成された複数のインク室６の全ては基板２の貫通孔２ｃの開口範囲内に位置し、各接続端子５は各インク室６に形成された電極においてメインプレート３ａ及びカバープレート３ｂの裏面に露出した接続部に当接する。カバープレート３ｂは、一般に、メインプレート３ａとの間で熱変形状態が同一となるようにメインプレート３ａと同一材料を素材として形成されるが、セラミック系材料又は樹脂系材料が用いられる場合もある。
【００３９】
ノズルプレート４は、一般に樹脂系材料を素材とし、略中央部において長手方向に所定数のノズル孔７が形成されている。アクチュエータ部３の表面にノズルプレート４の裏面を接合した状態で、各ノズル孔７は各インク室６の開口部に対向する。
【００４０】
以上の構成において、基板２に形成された貫通孔２ｃは、アクチュエータ部３に形成された所定数のインク室６の全てが対向することから、インク室６の全てに対してインクを供給する共通インク室として機能する。
【００４１】
図２は、上記第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの要部の構成を示す側面断面図である。上述のとおり、インクジェットヘッド１は、基板２、アクチュエータ部３及びノズルプレート４を互いに接合して構成されている。ここで、基板２とアクチュエータ部３との接合は、基板２の表面に突出した接続端子５とアクチュエータ部３の裏面に露出した電極の接続部とを電気的に接続することを目的としている。但し、接続端子５及び電極の接続部により、基板２とアクチュエータ部３との間には幅Ｄの間隙が形成される。そこで、基板２とアクチュエータ部３とを接合する場合には、両者の間隙の間に例えばエポキシ系の接着剤８を介在させ、接続端子５と電極の接続部との電気的接続を補強するとともに、貫通孔（共通インク室）２ｃ及びインク室６からのインクの漏出を防止するようにしている。このとき、基板２の接続端子５をアクチュエータ３の電極の接続部に当接された状態で、基板２とアクチュエータ部３との間隙における毛細管現象を用いて接着剤８を充填する。
【００４２】
基板２に形成された貫通孔２ｃは、アクチュエータ部３に対向する基板２の表面における開口幅が基板２の裏面における開口幅より大きくされており、基板２の側面断面において台形形状を呈している。この貫通孔２ｃの基板２の表面における開口幅Ｌ２は、アクチュエータ部３のインク室６の開口幅Ｌ１に比較して、基板２とアクチュエータ部３との間隙の幅Ｄの２倍以上大きくされている。また、インク室６の開口幅Ｌ１及びアクチュエータ部３の長手方向の幅（図３の紙面に垂直な方向）は、基板２とアクチュエータ部３との間隙の幅Ｄよりも大きくされている。したがって、基板２とアクチュエータ部３との間隙の間隔は、上下両端部から中央部に向かう間に、貫通孔２ｃによって基板２側に拡大した後、インク室６によってアクチュエータ部３側に拡大する。このため、基板２とアクチュエータ部３との間隙に毛細管現象によって接着剤８を充填する際に、上下両端部から中央部に向かう接着剤８は貫通孔２ｃとインク室６との間において略４５度の傾斜面を形成し、接着剤８がインク室６内に流入することがない。
【００４３】
図３（Ａ）及び（Ｂ）は、上記第１の実施形態に係るインクジェットヘッドのアクチュエータ部の要部の構成を示す側面断面図及び背面図である。メインプレート３ａに形成された溝部は、上面の開口部をカバープレート３ｂによって閉塞されるとともに、前面の開口部をノズルプレート４によって閉塞され、さらに、互いに対向する一対の内側面のそれぞれにおける上側の１／２の範囲に電極９を形成してインク室６とされる。電極９は、メインプレート３ａの裏面及びカバープレート３ｂの裏面に形成された接続部９ａに電気的に接続される。この接続部９ａに背面側から基板２の接続端子５が接合される。これによって、インク室６内の電極９が接続部９ａを介して接続端子５に電気的に接続され、基板２の駆動回路２ａが接続端子５から出力した駆動パルスが電極９に印加される。
【００４４】
基板２の接続端子５とアクチュエータ部３の接続部９ａとを電気的に接続する具体的な方法としては、以下の方法がある。
【００４５】
（１） 常温接合
接合部を真空中でＡｒクリーニングし、さらに真空中で接合面同士を圧接することにより、接合部の金属を互いに融合させる方法である。
【００４６】
（２） 超音波接合
接合部を圧接し、超音波振動させることによって接合する。接合部は表面酸化膜が殆どないか、又は、塑性変形によって容易に酸化膜を破壊できるＡｕ−Ａｕ接合又はＡｕ−Ａｌ接合が好ましい。
【００４７】
（３） 圧接及び接着剤による接合
接合部を圧接している状態で、周囲を接着剤によって固定する。接着剤には画像形成時の温度範囲で常に接合部を引き合わせる方向の応力が作用している。この場合に、接着剤の熱膨張による接続不良を生じる可能性があるときは、接合部分に弾性導電樹脂によるバンプ（接続端子）を形成してもよい。
【００４８】
この実施形態に係るインクジェットヘッド１では、上記のいずれかの方法により、１５０°Ｃ以下の温度、より好ましくは常温で、基板２の接続端子５とアクチュエータ部３の接続部９ａとの電気的接合が行われる。これは、以下の理由による。
【００４９】
即ち、アクチュエータ部３を構成する圧電材料は、キュリー温度（約２００°Ｃ）以上の高温に晒されると、一旦分極された双極子が完全に方向性を失って脱分極を起こすため、圧電特性を示さなくなる。また、キュリー温度以下であっても高温中は部分的に脱分極を生じる場合があり、高温状態が長時間継続すると圧電特性の劣化を生じる。さらに、高温下で接合を行うと接合部分に熱応力による残留応力が発生し、接合強度の低下を招く。そこで、基板２の接続端子５とアクチュエータ部３の接続部９ａとの電気的接合を低温度状態で実行することにより、圧電材料の脱分極の発生を防止して所望の圧電特性を得ることができるとともに、接合部分に十分な強度を確保することができるようにしている。
【００５０】
したがって、基板２の接続端子５とアクチュエータ部３の接続部９ａとの電気的接合は、アクチュエータ部３を構成する圧電材料に脱分極を生じないとともに、接合部分に熱応力による残留応力を発生しない温度環境下で実行されることを条件として、上記の方法以外の方法を用いて行うことができる。
【００５１】
メインプレート３ａにおいて、インク室６は一定間隔を設けて複数形成されており、各インク室６の間にはメインプレート３ａの素材である圧電材料によって構成された隔壁１０が存在する。この圧電材料は、図３（Ｂ）における上下方向に分極されており、駆動回路２ａから接続端子５及び接続部９ａを介して電極９に駆動パルスを印加すると、隔壁１０に剪断変形を生じ、インク室６の容積が変化する。
【００５２】
図４は、同アクチュエータ部の動作を示す背面図である。図４（Ａ）に示す連続した３個のインク室６−１〜６−３において、インク室６−２内に形成された電極８−２に駆動パルスを印加すると、同図（Ｂ）に示すようにインク室６−２を挟む隔壁１０−２及び１０−３が互いに離間する方向に剪断変形し、インク室６−２の容積が拡大する。これによって共通インク室である基板２の貫通孔２ｃからインク室６−２内にインクが流入する。次いで、インク室６−１及び６−３内に形成された電極９−１及び９−３に駆動パルスを印加すると、同図（Ｃ）に示すように隔壁１０−２及び１０−３が互いに接近する方向に剪断変形し、インク室６−２の容積が縮小する。
【００５３】
このように、各インク室６に形成された電極８に対して駆動パルスを選択的に印加することにより、特定のインク室６を挟む隔壁１０に生じる剪断変形によってそのインク室６の容積を変化させることにより、インク室６内のインクを加圧してノズル孔７から記録媒体に対して吐出させることができる。
【００５４】
図５は、この発明の第２の実施形態に係るインクジェットヘッドの構成を示す組立図である。この実施形態に係るインクジェットヘッド１１は、基板１２の略中央部に複数の貫通孔１２ｃ−１〜１２ｃ−３を形成するとともに、複数の貫通孔１２ｃのそれぞれに対向する位置に接続端子１５を形成したものである。その他の構成は、図１に示した第１の実施形態に係るインクジェットヘッド１と同様である。
【００５５】
この構成により、複数の貫通孔１２ｃのそれぞれを互いに異なる色のインクを収納する共通インク室とし、各貫通孔１２ｃに対向するインク室６から互いに異なる色のインクを吐出させてカラー画像を形成することができる。
【００５６】
なお、基板１２における貫通孔１２ｃの形成数は、３個に限るものではなく、使用するインクの色数に応じて増減できる。
【００５７】
図６は、この発明の第３の実施形態に係るインクジェットヘッドの構成を示す組立図である。また、図７は、同第３の実施形態に係るインクジェットヘッドのアクチュエータ部の要部の構成を示す部分正面図である。この実施形態に係るインクジェットヘッド２１は、アクチュエータ部２３の略中央部に、インク室２６を互いに平行な２列に配列して形成し、これにともなって、基板２２に２個の駆動回路２２ａ−１及び２２ａ−２を実装し、２個の貫通孔２２ｃ−１及び２２ｃ−２を平行に形成し、貫通孔２２ｃ−１及び２２ｃ−２のそれぞれに対向する位置に所定数の接続端子２５を形成し、さらに、ノズルプレート２４に互いに平行な２列に配列して所定数のノズル孔２７を形成したものである。その他の構成は、図１に示した第１の実施形態に係るインクジェットヘッド１と同様である。
【００５８】
なお、アクチュエータ２３におけるインク室２６の２列の配列方法として、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示す２種類がある。図７（Ａ）に示す配列方法は、各列に含まれるインク室２６をアクチュエータ２３の長手方向について互いに同じ位置に配置したものであり、各列毎に異なる色のインクをインク室２６から吐出させる場合に用いられる。一方、図７（Ｂ）に示す配列方法は、各列に含まれるインク室２６をアクチュエータ２３の長手方向について互いに異なる位置に配置したものであり、各列に同一色のインクをインク室２６から吐出させることによって画像の解像度を２倍にすることができる。
【００５９】
この場合に、メインプレート２３ａの長手方向の２側面のそれぞれに所定数の溝を形成するとともに、この２側面のそれぞれにカバープレート２３ｂ−１及び２３ｂ−２を接合することにより、使用するメインプレート２３ａを１枚のみにして部品点数の削減及び装置の小型化を実現することができる。また、基板２２には、アクチュエータ部２３におけるインク室２６の各列の間に対向する単一の温度検出回路２２ｂが実装されている。アクチュエータ部２３の温度を検出する機能上、インク室２６の配列数に対応して複数設ける必要がないからである。
【００６０】
図８は、上記第３の実施形態に係るインクジェットヘッドの使用状態を説明する図である。同図に示す例では、各２列のインク室２６、貫通孔２２ｃ及び接続端子２５を形成した４個のインクジェットヘッド２１（各インクジェットヘッド２１は、プリント基板にアクチュエータ部を接合して構成されている。）を、表面にコネクタ３２及び接続パッド３３を含む電子部品を実装した別のプリント基板３１（この発明の接合基板に相当する。）に実装する。プリント基板３１には、開口部３４が形成されており、この開口部３４から各インクジェットヘッド２１のアクチュエータ部２３を記録媒体の搬送面に露出させた状態で、図示しない入力パッド２２ｄ及び入出力パッド２２ｅを接続パッド３３に接合する。
【００６１】
この構成により、画像のカラー化及び高解像度化に対応してインク室２６を高集積化したインクジェットプリンタを容易に構成することができる。また、プリント基板３１を複数のインクジェットヘッド２１を保持するためのシャシーとして用いることができる。なお、プリント基板３１におけるインクジェットヘッド２１の実装数は４個に限るものではなく、使用するインク色数及び要求される解像度に応じて増減することができる。
【００６２】
図９（Ａ）〜（Ｄ）は、上記プリント基板に実装されるインクジェットヘッドの組合せ状態を示す図である。カラー画像について高い色調再現性が要求されるカラープリンタでは、図９（Ａ）に示すように、２列のインク室２６を図７（Ａ）に示した状態に配置した３個のインクジェットヘッド２１をプリント基板３１に実装して６列のインク室２６を構成し、各列のインク室２６にＢｋ、Ｙ、Ｃ、Ｍ、ＬＣ（薄いＣ）及びＬＭ（薄いＬ）の各色のインクを供給する。テキスト画像についての画像形成枚数が多いカラープリンタでは、図９（Ｂ）に示すように、２列のインク室２６を図７（Ａ）に示した状態に配置した３個のインクジェットヘッド２１をプリント基板３１に実装して６列のインク室２６を構成し、各列のインク室２６にＢｋ、Ｂｋ、Ｂｋ、Ｙ、Ｃ及びＭの各色のインクを供給する。
【００６３】
また、低コストのカラープリンタでは、図９（Ｃ）に示すように、２列のインク室２６を図７（Ａ）に示した状態に配置した２個のインクジェットヘッド２１をプリント基板３１に実装して４列のインク室２６を構成し、各列のインク室２６にＢｋ、Ｙ、Ｃ及びＭの各色のインクを供給する。画像形成速度の高速化が要求されるカラープリンタでは、図９（Ｄ）に示すように、２列のインク室２６を図７（Ａ）に示した状態に配置した４個のインクジェットヘッド２１をプリント基板３１に実装して８列のインク室２６を構成し、各列のインク室２６にＢｋ、Ｂｋ、Ｙ、Ｙ、Ｃ、Ｃ、Ｍ及びＭの各色のインクを供給する。
【００６４】
このように、プリント基板３１におけるインクジェットヘッド２１の実装数、及び、各列のインク室２６に供給するインクの色を適宜選択することにより、種々の仕様に適した構成を容易に実現することができる。なお、２列のインク室２６の両方に同色のインクが供給されるインクジェットヘッド２１として図７（Ｂ）に示した構成のものを用いることにより、画像の解像度を向上することができる。
【００６５】
図１０は、上記インクジェットヘッドを実装したプリント基板を用いたシリアルプリンタの要部を示す斜視図である。複数のインクジェットヘッド２１を実装したプリント基板３１は、カシメ４２等によってキャリッジ４１に固定して搭載されるとともに、コネクタ３２に一端をプリンタ本体の制御部に接続したフレキシブルフラットケーブル４３の他端が接続される。これによって、キャリッジ４１が、記録媒体の搬送方向（副走査方向）に直交する主走査方向に往復移動する間に、プリンタ本体の制御部からケーブル４３を介して供給される画像データに基づいてインクジェットヘッド２１の各インク室２６に形成された電極に駆動パルスが選択的に印加され、記録媒体に対してノズルからインクが吐出される。
【００６６】
図１１は、上記インクジェットヘッドを実装したプリント基板を用いたラインプリンタの要部を示す図である。このラインプリンタ５１では、各々が複数のインクジェットヘッド２１を実装した複数のプリント基板３１（この発明の接合基板に相当する。）を、記録媒体Ｐの搬送方向（副走査方向）に直交する主走査方向において、それぞれが実装するインクジェットヘッド２１のインク室が互いに重複することなく主走査方向における画像形成範囲の全域にわたって連続するように、副走査方向に交互に並べて配置している。
【００６７】
このように、シリアルプリンタのプリンタヘッドを構成するインクジェットヘッドを用いてラインプリンタを構成することができ、シリアルプリンタとラインプリンタとの間で部品を共用化することにより、コストの低廉化を実現することができる。
【００６８】
【発明の効果】
この発明によれば、以下の効果を奏することができる。
【００６９】
(1) アクチュエータ部の電極に対して駆動パルスを印加する駆動回路を実装した半導体基板を、アクチュエータ部のインク吐出方向の上流側の端面に接合することにより、アクチュエータ部の端面に半導体基板を接合する作業によって、インク室におけるインク吐出方向の上流側の閉塞と、アクチュエータ部の電極と駆動回路との電気的接続と、を同時に行うことができ、アクチュエータ部の電極と駆動回路とをワイヤボンディング法又はフレキシブル基板により接続する構成に比較して、部品点数及び作業工程数を削減することができ、製造工程の簡略化によるコストダウンを実現できる。
【００７０】
また、複数のインクジェットヘッドに対応する複数の半導体基板を形成したウエハに、電極を備えたインク室を形成した後の複数のアクチュエータ部を接合することにより、ダイシング等によって分離するまでの間において複数のインクジェットヘッドが単一のウエハ上で同時に取り扱うことができ、製造工程をさらに簡略化することができる。
さらに、アクチュエータ部の端面に接合される半導体基板に、特定色のインクを収納する複数のインク室に対向するとともに、アクチュエータ部側の開口幅がインク室の開口幅に比較して外部接続端子によって形成されるアクチュエータ部の端面と半導体基板との間の間隙寸法の２倍以上大きい貫通孔を形成することにより、アクチュエータ部に半導体基板を接合してアクチュエータ部の特定色に割り当てられた複数のインク室を共通の貫通孔に連通させることができ、貫通孔によって共通インク室を形成することができる。
加えて、貫通孔のアクチュエータ部側の開口幅をインク室の開口幅に比較して外部接続端子によって形成されるアクチュエータ部の端面と半導体基板との間の間隙寸法の２倍以上大きくすることにより、アクチュエータ部の端面と半導体基板との間に充填される接着剤がインク室内に流入することがなく、各インク室からのインクの吐出状態に誤差を生じることを防止して、画像を正確に形成することができる。
【００７１】
(2) アクチュエータ部の素材となる圧電材料のキュリー温度未満の環境下でアクチュエータ部の電極と半導体基板の接続端子とを電気的に接続することにより、電極と外部接続端子とを電気的に接続する際に、アクチュエータ部において脱分極や過大な残留応力を生じることがなく、駆動回路からの駆動パルスの印加によってアクチュエータ部が正確に動作するようにして製品の性能の安定化及び信頼性の向上を実現することができる。
【００７４】
(3) アクチュエータ部に形成されるインク室の深さ及び幅を、アクチュエータ部の端面と半導体基板との間の間隙寸法より大きくすることにより、アクチュエータ部の半導体端面と基板との間に毛細管現象によって充填される接着剤がインク室内に流入することがなく、各インク室からのインクの吐出状態に誤差を生じることを防止して、画像を正確に形成することができる。
【００７５】
(4) アクチュエータ部の端面に接合される半導体基板にアクチュエータ部の温度を検出する温度検出回路を実装することにより、アクチュエータ部の温度を、これに接合した半導体基板に実装されている温度検出回路によって正確に検出することができる。
【００７６】
(5) アクチュエータ部の端面に接合される半導体基板にアクチュエータ部に対向する状態で温度検出回路を実装することにより、アクチュエータ部に最も近接する状態で温度検出回路を配置することができ、アクチュエータ部の温度をより正確に検出できる。
【００７７】
(6) 半導体基板に接合される単一のアクチュエータ部に、複数のインク室を複数列に配列して形成することにより、単一のアクチュエータによって多数のインク室を形成することができ、インク室の高集積化を容易に実現することができる。
【００７８】
(7) ２列のインク室について、一方の列に含まれるインク室を他方の列に含まれるインク室間に配置することで、解像度を２倍にすることができる。
【００７９】
(8) 単一の接合基板に対してアクチュエータが実装された半導体基板を複数接合することにより、画像の解像度やインクの色数の変化に対応した種々の仕様を容易に実現できる。
【００８０】
(9)複数の接合基板を、アクチュエータにおける複数のインク室の形成方向について、それぞれに接合された半導体基板上の各アクチュエータのインク室が互いに重複することがないように連続して配置することにより、それぞれに単一又は複数の半導体基板が接合された複数の接合基板を用いて、画像形成範囲における記録媒体の搬送方向に直交する方向の全範囲にインク室が対向するライン型のインクジェットヘッドを容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの構成を示す組立図である。
【図２】上記第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの要部の構成を示す側面断面図である。
【図３】上記第１の実施形態に係るインクジェットヘッドのアクチュエータ部の要部の構成を示す側面断面図及び背面図である。
【図４】同アクチュエータ部の動作を示す背面図である。
【図５】この発明の第２の実施形態に係るインクジェットヘッドの構成を示す組立図である。
【図６】この発明の第３の実施形態に係るインクジェットヘッドの構成を示す組立図である。
【図７】同第３の実施形態に係るインクジェットヘッドのアクチュエータ部の要部の構成を示す部分正面図である。
【図８】上記第３の実施形態に係るインクジェットヘッドの使用状態を説明する図である。
【図９】上記プリント基板に実装されるインクジェットヘッドの組合せ状態を示す図である。
【図１０】上記インクジェットヘッドを実装したプリント基板を用いたシリアルプリンタの要部を示す斜視図である。
【図１１】上記インクジェットヘッドを実装したプリント基板を用いたラインプリンタの要部を示す図である。
【符号の説明】
１−インクジェットヘッド
２−基板
２ａ−駆動回路
２ｂ−温度検出回路
２ｃ−貫通孔
３−アクチュエータ部
５−接続端子
６−インク室
７−ノズル孔
８−接着剤
９−電極
９ａ−接続部
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数のインク室から記録媒体上にインクを吐出することにより画像形成を行なうインクジェットプリンタにおけるインクジェットヘッドに関し、特に、各インク室に形成された電極に対して基板に実装された駆動回路を直接接続して構成したインクジェットプリンタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェットプリンタに用いられるインクジェットヘッドとして、圧電材料のアクチュエータに形成した溝状のインク室において互いに対向する一対の内側面に電極を設け、この電極に画像データに基づく駆動パルスを駆動回路から印加することにより、インク室の側面を剪断変形させてインク室内に収納されたインクを加圧して吐出するようにしたものがある。
【０００３】
このようなインクジェットヘッドにおいて、従来は、導線を用いたワイヤボンディングによるか、又は、フレキシブル基板を介してアクチュエータの電極と駆動回路の接続端子とを電気的に接続するようにしていた。例えば、フレキシブル基板を介してアクチュエータの電極と駆動回路の接続端子とを接続する場合、アクチュエータにおいてインク室内の電極を接続性の良い平坦面まで引出し、この部分にフレキシブル基板の電極パターンとを半田等を用いて接続する。
【０００４】
ところが、ワイヤボンディング法及びフレキシブル基板を用いる方法では、画像の高解像度化の要請に基づいて、インク室の形成数の多数化、並びに、インク室及びその形成間隔の狭小化を伴うアクチュエータの高集積化を実現する際に、製造コストの著しい高騰を招く問題がある。
【０００５】
そこで、特開平８−３００６５０号公報には、駆動回路の接続端子の引出しパターンを形成した基板をアクチュエータプレートに接着し、接合体を構成する基板及びアクチュエータプレートにインク室となる多数の溝部を形成した後、溝の側面の一部において基板及びアクチュエータプレートにわたって斜め蒸着法及び電界メッキ法により駆動電極となる導電膜を引出しパターンに電気的に接続して形成するようにした構成が開示されている。この構成により、高集積化したインクジェットヘッドの製造コストを低廉化できるとされている。
【０００６】
また、特開平１１−３０９８６２号公報には、印字ヘッドの前端で各アクチュエータの各々に接続された駆動側導電体を印字ヘッドの側面に沿って後端に延長するとともに、印字ヘッドの後端で各アクチュエータに共通に接続された共通側導電体を後端面の周囲に延長し、それぞれを後端面の周囲近傍に並んで形成された複数の接続電極に接続する一方、基板において印字ヘッドの後端面に臨む開口を形成するとともに、この開口の周囲に複数の接続端子及び共通端子を配置し、印字ヘッド側の接続電極が基板の接続端子及び共通端子に当接した状態で、印字ヘッドの後端面の周囲近傍を基板に固着し、後端面に開口を通じてマニホールド部材を接続した構成が開示されている。この構成により、印字ヘッドを基板に取り付ける際に、印字ヘッドの基板への取付作業と同時にこれらの電気的接続をフレキシブル基板を用いることなく簡単に行うことができるとされている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平８−３００６５０号公報に開示された構成では、インクを吐出するアクチュエータと駆動回路への引出しパターンを備えた基板との２つの部材を接着した接合体に対してインク室となる溝部の形成、及び、駆動電極となる導電膜の形成を行うため、これらの工程における接合体の取り扱いが困難で製造作業が煩雑化する問題がある。
【０００８】
また、特開平１１−３０９８６２号公報に開示された構成では、アクチュエータに対して駆動回路との配線パターンを形成した基板を低温ろう付け又は導電接着剤によって接続するようにしているため、基板と駆動回路との接続が別途必要になるとともに、低温ろう付けでは煩雑な温度管理が必要となり、導電接着剤を用いる場合には配線の短絡を発生し易い問題がある。
【０００９】
さらに、いずれの構成においても、インクの吐出状態に大きな影響を与えるインクジェットヘッドの温度を正確に検出するための構成に関して考慮されていない。
【００１０】
この発明の目的は、駆動回路を実装した基板をインク室を形成したアクチュエータ部に接着することにより、アクチュエータの電極と駆動回路との電気的な接続を容易かつ安価に行うことができ、高集積化への対応が容易なインクジェットヘッドを提供することにある。
【００１１】
また、この発明の別の目的は、アクチュエータ部に接着される基板上に温度検出回路を実装することにより、アクチュエータ部の温度を正確に検出することができるインクジェットヘッドを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を解決するための手段として、以下の構成を備えている。
【００１３】
(1) 圧電材料に複数の溝状のインク室を形成するとともに、各インク室の互いに対向する一対の内側面のそれぞれに電極を形成したアクチュエータ部と、各電極に電気的に接続された駆動回路と、を備え、駆動回路からアクチュエータ部の電極に駆動パルスを印加し、互いに隣接するインク室間の隔壁を変形させることにより各インク室内のインクを加圧して一方向に吐出するインクジェットヘッドにおいて、
アクチュエータ部側の開口幅がインク室の開口幅に比較して接続端子によって形成されるアクチュエータ部の端面と基板との間の間隙寸法の２倍以上大きい貫通孔を備えるとともにインクジェットヘッドを駆動するための駆動回路と外部接続端子とを含む半導体基板を、その外部接続端子とアクチュエータ部の電極とを電気的に接続した状態で、アクチュエータ部におけるインク吐出方向の上流側の端面に、両者の間に毛細管現象によって流入する接着剤を介して接合したことを特徴とする。
【００１４】
この構成においては、アクチュエータ部の電極に対して駆動パルスを印加する駆動回路及び外部接続端子を含む半導体基板が、アクチュエータ部のインク吐出方向の上流側の端面に接合される。したがって、アクチュエータ部の端面に半導体基板を接合する作業によって、インク室におけるインク吐出方向の上流側の閉塞と、アクチュエータ部の電極と駆動回路との電気的接続と、が同時に行われ、アクチュエータ部の電極と駆動回路とをワイヤボンディング法又はフレキシブル基板により接続する構成に比較して、部品点数及び作業工程数が削減される。
【００１５】
また、複数のインクジェットヘッドに対応する複数の半導体基板を形成したウエハに、電極を備えたインク室を形成した後の複数のアクチュエータ部を接合することにより、ダイシング等によって分離するまでの間において複数のインクジェットヘッドが単一のウエハ上で同時に取り扱われ、製造工程がさらに簡略化される。
さらに、アクチュエータ部の端面に接合される半導体基板に、特定色のインクを収納する複数のインク室に対向するとともに、アクチュエータ部側の開口幅がインク室の開口幅に比較して外部接続端子によって形成されるアクチュエータ部の端面と半導体基板との間の間隙寸法の２倍以上大きい貫通孔が形成されている。したがって、アクチュエータ部に半導体基板を接合すると、アクチュエータ部の特定色に割り当てられた複数のインク室が共通の貫通孔に連通し、貫通孔によって共通インク室が形成される。
加えて、貫通孔のアクチュエータ部側の開口幅がインク室の開口幅に比較して外部接続端子によって形成されるアクチュエータ部の端面と半導体基板との間の間隙寸法の２倍以上大きくされているため、アクチュエータ部の端面と半導体基板との間に充填される接着剤がインク室内に流入することがなく、各インク室からのインクの吐出状態に誤差を生じることがない。
【００１６】
(2) 前記半導体基板の接続端子は、圧電材料のキュリー温度未満の温度でアクチュエータ部の電極に電気的に接続されることを特徴とする。
【００１７】
この構成においては、アクチュエータ部の素材となる圧電材料のキュリー温度未満の環境下でアクチュエータ部の電極と半導体基板の外部接続端子とが電気的に接続される。したがって、電極と外部接続端子とを電気的に接続する際に、アクチュエータ部において脱分極や過大な残留応力を生じることがなく、駆動回路からの駆動パルスの印加によってアクチュエータ部が正確に動作するようにして製品の性能が安定化して信頼性が向上する。
【００２１】
(3) 前記インク室は、開口部の深さ及び幅を外部接続端子によって形成されるアクチュエータ部の端面と半導体基板との間の間隙寸法より大きいことを特徴とする。
【００２２】
この構成においては、アクチュエータ部に形成されるインク室の深さ及び幅が、アクチュエータ部の端面と半導体基板との間の間隙寸法より大きくされる。したがって、アクチュエータ部の端面と半導体基板との間に毛細管現象によって充填される接着剤がインク室内に流入することがなく、各インク室からのインクの吐出状態に誤差を生じることがない。
【００２３】
(4) 前記半導体基板は、アクチュエータ部の温度を検出する温度検出回路を実装したことを特徴とする。
【００２４】
この構成においては、アクチュエータ部の端面に接合される半導体基板にアクチュエータ部の温度を検出する温度検出回路が実装される。したがって、アクチュエータ部の温度が、これに接合した半導体基板に実装されている温度検出回路によって正確に検出される。
【００２５】
(5) 前記温度検出回路は、半導体基板においてアクチュエータ部に対向する面に実装されていることを特徴とする。
【００２６】
この構成により、アクチュエータ部の端面に接合される半導体基板にはアクチュエータ部に対向する状態で温度検出回路が実装される。したがって、アクチュエータ部に最も近接する状態で温度検出回路が配置され、アクチュエータ部の温度がより正確に検出される。
【００２７】
(6) 前記アクチュエータ部は、複数のインク室を複数列に配列して形成したことを特徴とする。
【００２８】
この構成においては、半導体基板に接合される単一のアクチュエータ部に、複数のインク室が複数列に配列されて形成される。したがって、単一のアクチュエータにより多数のインク室が形成され、インク室の高集積化が図られる。
【００２９】
(7) (6) の構成において、より好ましくは、２列のインク室について、一方の列に含まれるインク室を他方の列に含まれるインク室間に配置することができる。
【００３０】
この構成により、形成される画像の解像度を２倍にすることができる。
【００３１】
(8) 前記アクチュエータ部が接合された前記半導体基板を複数個組み合わせて別の接合基板に接合したことを特徴とする。
【００３２】
この構成においては、単一の接合基板（別のプリント基板）に対してアクチュエータを実装した半導体基板が複数接合される。したがって、画像の解像度やインクの色数の変化に対応した種々の仕様が容易に実現される。
【００３３】
(9)前記接合基板は、アクチュエータにおける複数のインク室の形成方向について、それぞれに接合された各アクチュエータのインク室が互いに重複することなく連続する複数の位置に配置されていることを特徴とする。
【００３４】
この構成においては、複数の接合基板が、アクチュエータにおける複数のインク室の形成方向について、それぞれに接合された半導体基板上の各アクチュエータのインク室を互いに重複することなく連続して配置される。したがって、それぞれに単一又は複数の半導体基板が接合された複数の接合基板により、画像形成範囲における記録媒体の搬送方向に直交する方向の全範囲にインク室が対向するライン型のインクジェットヘッドが容易に形成される。
【００３５】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの構成を示す組立図である。この実施形態に係るインクジェットヘッド１は、基板２（この発明の半導体基板である。）上にアクチュエータ部３及びノズルプレート４をこの順に配置して互いに接合することによって構成されている。基板２は、駆動回路２ａ及び温度検出回路２ｂを実装しており、略中央部に矩形の貫通孔２ｃが形成されている。また、基板２のアクチュエータ部３に対向する表面には、駆動回路２ａと貫通孔２ｃとの間に駆動回路２ａの出力パッドである接続端子５（この発明の外部接続端子である。）が貫通孔２ｃの長手方向に沿って所定数並設されている。さらに、基板２の表面において長手方向の両端部におけるアクチュエータ部３に対向しない範囲には駆動回路２ａの入力パッド２ｄ、及び、温度検出回路２ｂの入出力パッド２ｅが複数個ずつ設けられている。基板２に実装された駆動回路２ａは、入力パッド２ｄを介して入力された画像データに基づいて、接続端子５を介して後述するアクチュエータ部３の電極に駆動パルスを印加する。また、温度検出回路２ｂは、アクチュエータ部３の温度を検出し、検出信号を入出力パッド２ｅを介して外部に出力する。
【００３６】
なお、駆動回路２ａ、入力パッド２ｄ及び入出力パッド２ｅは、基板２の裏面に配置することもできる。但し、接続端子５は基板２の表面に対向するアクチュエータ部３の電極に接続するものであるために基板２の表面に露出して配置する必要があり、温度検出回路２ｂはアクチュエータ部３の温度を検出するものであるために基板２の表面に配置することが好ましい。
【００３７】
また、基板２において貫通孔２ｃは、サンドブラスト又はＳｉによる異方性エッチング等の方法によって形成することができる。
【００３８】
アクチュエータ部３は、メインプレート３ａ及びカバープレート３ｂを含み、略中央部において長手方向に所定数のインク室６が形成されている。メインプレート３ａは、一例として強誘電性のチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電材料の平板を素材とし、長手方向の一方の側面における複数の位置に溝部を形成した後、各溝部に互いに独立した電極を形成したものである。カバープレート３ｂは、メインプレート３ａにおいて溝部を形成した側面に密着して接合される。これによって、メインプレート３ａの各溝部は、一方の開放面が閉塞され、アクチュエータ部３の表裏面を貫通する形状のインク室６が形成される。基板２の表面にアクチュエータ部３の裏面を接合した状態で、アクチュエータ部３に形成された複数のインク室６の全ては基板２の貫通孔２ｃの開口範囲内に位置し、各接続端子５は各インク室６に形成された電極においてメインプレート３ａ及びカバープレート３ｂの裏面に露出した接続部に当接する。カバープレート３ｂは、一般に、メインプレート３ａとの間で熱変形状態が同一となるようにメインプレート３ａと同一材料を素材として形成されるが、セラミック系材料又は樹脂系材料が用いられる場合もある。
【００３９】
ノズルプレート４は、一般に樹脂系材料を素材とし、略中央部において長手方向に所定数のノズル孔７が形成されている。アクチュエータ部３の表面にノズルプレート４の裏面を接合した状態で、各ノズル孔７は各インク室６の開口部に対向する。
【００４０】
以上の構成において、基板２に形成された貫通孔２ｃは、アクチュエータ部３に形成された所定数のインク室６の全てが対向することから、インク室６の全てに対してインクを供給する共通インク室として機能する。
【００４１】
図２は、上記第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの要部の構成を示す側面断面図である。上述のとおり、インクジェットヘッド１は、基板２、アクチュエータ部３及びノズルプレート４を互いに接合して構成されている。ここで、基板２とアクチュエータ部３との接合は、基板２の表面に突出した接続端子５とアクチュエータ部３の裏面に露出した電極の接続部とを電気的に接続することを目的としている。但し、接続端子５及び電極の接続部により、基板２とアクチュエータ部３との間には幅Ｄの間隙が形成される。そこで、基板２とアクチュエータ部３とを接合する場合には、両者の間隙の間に例えばエポキシ系の接着剤８を介在させ、接続端子５と電極の接続部との電気的接続を補強するとともに、貫通孔（共通インク室）２ｃ及びインク室６からのインクの漏出を防止するようにしている。このとき、基板２の接続端子５をアクチュエータ３の電極の接続部に当接された状態で、基板２とアクチュエータ部３との間隙における毛細管現象を用いて接着剤８を充填する。
【００４２】
基板２に形成された貫通孔２ｃは、アクチュエータ部３に対向する基板２の表面における開口幅が基板２の裏面における開口幅より大きくされており、基板２の側面断面において台形形状を呈している。この貫通孔２ｃの基板２の表面における開口幅Ｌ２は、アクチュエータ部３のインク室６の開口幅Ｌ１に比較して、基板２とアクチュエータ部３との間隙の幅Ｄの２倍以上大きくされている。また、インク室６の開口幅Ｌ１及びアクチュエータ部３の長手方向の幅（図３の紙面に垂直な方向）は、基板２とアクチュエータ部３との間隙の幅Ｄよりも大きくされている。したがって、基板２とアクチュエータ部３との間隙の間隔は、上下両端部から中央部に向かう間に、貫通孔２ｃによって基板２側に拡大した後、インク室６によってアクチュエータ部３側に拡大する。このため、基板２とアクチュエータ部３との間隙に毛細管現象によって接着剤８を充填する際に、上下両端部から中央部に向かう接着剤８は貫通孔２ｃとインク室６との間において略４５度の傾斜面を形成し、接着剤８がインク室６内に流入することがない。
【００４３】
図３（Ａ）及び（Ｂ）は、上記第１の実施形態に係るインクジェットヘッドのアクチュエータ部の要部の構成を示す側面断面図及び背面図である。メインプレート３ａに形成された溝部は、上面の開口部をカバープレート３ｂによって閉塞されるとともに、前面の開口部をノズルプレート４によって閉塞され、さらに、互いに対向する一対の内側面のそれぞれにおける上側の１／２の範囲に電極９を形成してインク室６とされる。電極９は、メインプレート３ａの裏面及びカバープレート３ｂの裏面に形成された接続部９ａに電気的に接続される。この接続部９ａに背面側から基板２の接続端子５が接合される。これによって、インク室６内の電極９が接続部９ａを介して接続端子５に電気的に接続され、基板２の駆動回路２ａが接続端子５から出力した駆動パルスが電極９に印加される。
【００４４】
基板２の接続端子５とアクチュエータ部３の接続部９ａとを電気的に接続する具体的な方法としては、以下の方法がある。
【００４５】
（１） 常温接合
接合部を真空中でＡｒクリーニングし、さらに真空中で接合面同士を圧接することにより、接合部の金属を互いに融合させる方法である。
【００４６】
（２） 超音波接合
接合部を圧接し、超音波振動させることによって接合する。接合部は表面酸化膜が殆どないか、又は、塑性変形によって容易に酸化膜を破壊できるＡｕ−Ａｕ接合又はＡｕ−Ａｌ接合が好ましい。
【００４７】
（３） 圧接及び接着剤による接合
接合部を圧接している状態で、周囲を接着剤によって固定する。接着剤には画像形成時の温度範囲で常に接合部を引き合わせる方向の応力が作用している。この場合に、接着剤の熱膨張による接続不良を生じる可能性があるときは、接合部分に弾性導電樹脂によるバンプ（接続端子）を形成してもよい。
【００４８】
この実施形態に係るインクジェットヘッド１では、上記のいずれかの方法により、１５０°Ｃ以下の温度、より好ましくは常温で、基板２の接続端子５とアクチュエータ部３の接続部９ａとの電気的接合が行われる。これは、以下の理由による。
【００４９】
即ち、アクチュエータ部３を構成する圧電材料は、キュリー温度（約２００°Ｃ）以上の高温に晒されると、一旦分極された双極子が完全に方向性を失って脱分極を起こすため、圧電特性を示さなくなる。また、キュリー温度以下であっても高温中は部分的に脱分極を生じる場合があり、高温状態が長時間継続すると圧電特性の劣化を生じる。さらに、高温下で接合を行うと接合部分に熱応力による残留応力が発生し、接合強度の低下を招く。そこで、基板２の接続端子５とアクチュエータ部３の接続部９ａとの電気的接合を低温度状態で実行することにより、圧電材料の脱分極の発生を防止して所望の圧電特性を得ることができるとともに、接合部分に十分な強度を確保することができるようにしている。
【００５０】
したがって、基板２の接続端子５とアクチュエータ部３の接続部９ａとの電気的接合は、アクチュエータ部３を構成する圧電材料に脱分極を生じないとともに、接合部分に熱応力による残留応力を発生しない温度環境下で実行されることを条件として、上記の方法以外の方法を用いて行うことができる。
【００５１】
メインプレート３ａにおいて、インク室６は一定間隔を設けて複数形成されており、各インク室６の間にはメインプレート３ａの素材である圧電材料によって構成された隔壁１０が存在する。この圧電材料は、図３（Ｂ）における上下方向に分極されており、駆動回路２ａから接続端子５及び接続部９ａを介して電極９に駆動パルスを印加すると、隔壁１０に剪断変形を生じ、インク室６の容積が変化する。
【００５２】
図４は、同アクチュエータ部の動作を示す背面図である。図４（Ａ）に示す連続した３個のインク室６−１〜６−３において、インク室６−２内に形成された電極８−２に駆動パルスを印加すると、同図（Ｂ）に示すようにインク室６−２を挟む隔壁１０−２及び１０−３が互いに離間する方向に剪断変形し、インク室６−２の容積が拡大する。これによって共通インク室である基板２の貫通孔２ｃからインク室６−２内にインクが流入する。次いで、インク室６−１及び６−３内に形成された電極９−１及び９−３に駆動パルスを印加すると、同図（Ｃ）に示すように隔壁１０−２及び１０−３が互いに接近する方向に剪断変形し、インク室６−２の容積が縮小する。
【００５３】
このように、各インク室６に形成された電極８に対して駆動パルスを選択的に印加することにより、特定のインク室６を挟む隔壁１０に生じる剪断変形によってそのインク室６の容積を変化させることにより、インク室６内のインクを加圧してノズル孔７から記録媒体に対して吐出させることができる。
【００５４】
図５は、この発明の第２の実施形態に係るインクジェットヘッドの構成を示す組立図である。この実施形態に係るインクジェットヘッド１１は、基板１２の略中央部に複数の貫通孔１２ｃ−１〜１２ｃ−３を形成するとともに、複数の貫通孔１２ｃのそれぞれに対向する位置に接続端子１５を形成したものである。その他の構成は、図１に示した第１の実施形態に係るインクジェットヘッド１と同様である。
【００５５】
この構成により、複数の貫通孔１２ｃのそれぞれを互いに異なる色のインクを収納する共通インク室とし、各貫通孔１２ｃに対向するインク室６から互いに異なる色のインクを吐出させてカラー画像を形成することができる。
【００５６】
なお、基板１２における貫通孔１２ｃの形成数は、３個に限るものではなく、使用するインクの色数に応じて増減できる。
【００５７】
図６は、この発明の第３の実施形態に係るインクジェットヘッドの構成を示す組立図である。また、図７は、同第３の実施形態に係るインクジェットヘッドのアクチュエータ部の要部の構成を示す部分正面図である。この実施形態に係るインクジェットヘッド２１は、アクチュエータ部２３の略中央部に、インク室２６を互いに平行な２列に配列して形成し、これにともなって、基板２２に２個の駆動回路２２ａ−１及び２２ａ−２を実装し、２個の貫通孔２２ｃ−１及び２２ｃ−２を平行に形成し、貫通孔２２ｃ−１及び２２ｃ−２のそれぞれに対向する位置に所定数の接続端子２５を形成し、さらに、ノズルプレート２４に互いに平行な２列に配列して所定数のノズル孔２７を形成したものである。その他の構成は、図１に示した第１の実施形態に係るインクジェットヘッド１と同様である。
【００５８】
なお、アクチュエータ２３におけるインク室２６の２列の配列方法として、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示す２種類がある。図７（Ａ）に示す配列方法は、各列に含まれるインク室２６をアクチュエータ２３の長手方向について互いに同じ位置に配置したものであり、各列毎に異なる色のインクをインク室２６から吐出させる場合に用いられる。一方、図７（Ｂ）に示す配列方法は、各列に含まれるインク室２６をアクチュエータ２３の長手方向について互いに異なる位置に配置したものであり、各列に同一色のインクをインク室２６から吐出させることによって画像の解像度を２倍にすることができる。
【００５９】
この場合に、メインプレート２３ａの長手方向の２側面のそれぞれに所定数の溝を形成するとともに、この２側面のそれぞれにカバープレート２３ｂ−１及び２３ｂ−２を接合することにより、使用するメインプレート２３ａを１枚のみにして部品点数の削減及び装置の小型化を実現することができる。また、基板２２には、アクチュエータ部２３におけるインク室２６の各列の間に対向する単一の温度検出回路２２ｂが実装されている。アクチュエータ部２３の温度を検出する機能上、インク室２６の配列数に対応して複数設ける必要がないからである。
【００６０】
図８は、上記第３の実施形態に係るインクジェットヘッドの使用状態を説明する図である。同図に示す例では、各２列のインク室２６、貫通孔２２ｃ及び接続端子２５を形成した４個のインクジェットヘッド２１（各インクジェットヘッド２１は、プリント基板にアクチュエータ部を接合して構成されている。）を、表面にコネクタ３２及び接続パッド３３を含む電子部品を実装した別のプリント基板３１（この発明の接合基板に相当する。）に実装する。プリント基板３１には、開口部３４が形成されており、この開口部３４から各インクジェットヘッド２１のアクチュエータ部２３を記録媒体の搬送面に露出させた状態で、図示しない入力パッド２２ｄ及び入出力パッド２２ｅを接続パッド３３に接合する。
【００６１】
この構成により、画像のカラー化及び高解像度化に対応してインク室２６を高集積化したインクジェットプリンタを容易に構成することができる。また、プリント基板３１を複数のインクジェットヘッド２１を保持するためのシャシーとして用いることができる。なお、プリント基板３１におけるインクジェットヘッド２１の実装数は４個に限るものではなく、使用するインク色数及び要求される解像度に応じて増減することができる。
【００６２】
図９（Ａ）〜（Ｄ）は、上記プリント基板に実装されるインクジェットヘッドの組合せ状態を示す図である。カラー画像について高い色調再現性が要求されるカラープリンタでは、図９（Ａ）に示すように、２列のインク室２６を図７（Ａ）に示した状態に配置した３個のインクジェットヘッド２１をプリント基板３１に実装して６列のインク室２６を構成し、各列のインク室２６にＢｋ、Ｙ、Ｃ、Ｍ、ＬＣ（薄いＣ）及びＬＭ（薄いＬ）の各色のインクを供給する。テキスト画像についての画像形成枚数が多いカラープリンタでは、図９（Ｂ）に示すように、２列のインク室２６を図７（Ａ）に示した状態に配置した３個のインクジェットヘッド２１をプリント基板３１に実装して６列のインク室２６を構成し、各列のインク室２６にＢｋ、Ｂｋ、Ｂｋ、Ｙ、Ｃ及びＭの各色のインクを供給する。
【００６３】
また、低コストのカラープリンタでは、図９（Ｃ）に示すように、２列のインク室２６を図７（Ａ）に示した状態に配置した２個のインクジェットヘッド２１をプリント基板３１に実装して４列のインク室２６を構成し、各列のインク室２６にＢｋ、Ｙ、Ｃ及びＭの各色のインクを供給する。画像形成速度の高速化が要求されるカラープリンタでは、図９（Ｄ）に示すように、２列のインク室２６を図７（Ａ）に示した状態に配置した４個のインクジェットヘッド２１をプリント基板３１に実装して８列のインク室２６を構成し、各列のインク室２６にＢｋ、Ｂｋ、Ｙ、Ｙ、Ｃ、Ｃ、Ｍ及びＭの各色のインクを供給する。
【００６４】
このように、プリント基板３１におけるインクジェットヘッド２１の実装数、及び、各列のインク室２６に供給するインクの色を適宜選択することにより、種々の仕様に適した構成を容易に実現することができる。なお、２列のインク室２６の両方に同色のインクが供給されるインクジェットヘッド２１として図７（Ｂ）に示した構成のものを用いることにより、画像の解像度を向上することができる。
【００６５】
図１０は、上記インクジェットヘッドを実装したプリント基板を用いたシリアルプリンタの要部を示す斜視図である。複数のインクジェットヘッド２１を実装したプリント基板３１は、カシメ４２等によってキャリッジ４１に固定して搭載されるとともに、コネクタ３２に一端をプリンタ本体の制御部に接続したフレキシブルフラットケーブル４３の他端が接続される。これによって、キャリッジ４１が、記録媒体の搬送方向（副走査方向）に直交する主走査方向に往復移動する間に、プリンタ本体の制御部からケーブル４３を介して供給される画像データに基づいてインクジェットヘッド２１の各インク室２６に形成された電極に駆動パルスが選択的に印加され、記録媒体に対してノズルからインクが吐出される。
【００６６】
図１１は、上記インクジェットヘッドを実装したプリント基板を用いたラインプリンタの要部を示す図である。このラインプリンタ５１では、各々が複数のインクジェットヘッド２１を実装した複数のプリント基板３１（この発明の接合基板に相当する。）を、記録媒体Ｐの搬送方向（副走査方向）に直交する主走査方向において、それぞれが実装するインクジェットヘッド２１のインク室が互いに重複することなく主走査方向における画像形成範囲の全域にわたって連続するように、副走査方向に交互に並べて配置している。
【００６７】
このように、シリアルプリンタのプリンタヘッドを構成するインクジェットヘッドを用いてラインプリンタを構成することができ、シリアルプリンタとラインプリンタとの間で部品を共用化することにより、コストの低廉化を実現することができる。
【００６８】
【発明の効果】
この発明によれば、以下の効果を奏することができる。
【００６９】
(1) アクチュエータ部の電極に対して駆動パルスを印加する駆動回路を実装した半導体基板を、アクチュエータ部のインク吐出方向の上流側の端面に接合することにより、アクチュエータ部の端面に半導体基板を接合する作業によって、インク室におけるインク吐出方向の上流側の閉塞と、アクチュエータ部の電極と駆動回路との電気的接続と、を同時に行うことができ、アクチュエータ部の電極と駆動回路とをワイヤボンディング法又はフレキシブル基板により接続する構成に比較して、部品点数及び作業工程数を削減することができ、製造工程の簡略化によるコストダウンを実現できる。
【００７０】
また、複数のインクジェットヘッドに対応する複数の半導体基板を形成したウエハに、電極を備えたインク室を形成した後の複数のアクチュエータ部を接合することにより、ダイシング等によって分離するまでの間において複数のインクジェットヘッドが単一のウエハ上で同時に取り扱うことができ、製造工程をさらに簡略化することができる。
さらに、アクチュエータ部の端面に接合される半導体基板に、特定色のインクを収納する複数のインク室に対向するとともに、アクチュエータ部側の開口幅がインク室の開口幅に比較して外部接続端子によって形成されるアクチュエータ部の端面と半導体基板との間の間隙寸法の２倍以上大きい貫通孔を形成することにより、アクチュエータ部に半導体基板を接合してアクチュエータ部の特定色に割り当てられた複数のインク室を共通の貫通孔に連通させることができ、貫通孔によって共通インク室を形成することができる。
加えて、貫通孔のアクチュエータ部側の開口幅をインク室の開口幅に比較して外部接続端子によって形成されるアクチュエータ部の端面と半導体基板との間の間隙寸法の２倍以上大きくすることにより、アクチュエータ部の端面と半導体基板との間に充填される接着剤がインク室内に流入することがなく、各インク室からのインクの吐出状態に誤差を生じることを防止して、画像を正確に形成することができる。
【００７１】
(2) アクチュエータ部の素材となる圧電材料のキュリー温度未満の環境下でアクチュエータ部の電極と半導体基板の接続端子とを電気的に接続することにより、電極と外部接続端子とを電気的に接続する際に、アクチュエータ部において脱分極や過大な残留応力を生じることがなく、駆動回路からの駆動パルスの印加によってアクチュエータ部が正確に動作するようにして製品の性能の安定化及び信頼性の向上を実現することができる。
【００７４】
(3) アクチュエータ部に形成されるインク室の深さ及び幅を、アクチュエータ部の端面と半導体基板との間の間隙寸法より大きくすることにより、アクチュエータ部の半導体端面と基板との間に毛細管現象によって充填される接着剤がインク室内に流入することがなく、各インク室からのインクの吐出状態に誤差を生じることを防止して、画像を正確に形成することができる。
【００７５】
(4) アクチュエータ部の端面に接合される半導体基板にアクチュエータ部の温度を検出する温度検出回路を実装することにより、アクチュエータ部の温度を、これに接合した半導体基板に実装されている温度検出回路によって正確に検出することができる。
【００７６】
(5) アクチュエータ部の端面に接合される半導体基板にアクチュエータ部に対向する状態で温度検出回路を実装することにより、アクチュエータ部に最も近接する状態で温度検出回路を配置することができ、アクチュエータ部の温度をより正確に検出できる。
【００７７】
(6) 半導体基板に接合される単一のアクチュエータ部に、複数のインク室を複数列に配列して形成することにより、単一のアクチュエータによって多数のインク室を形成することができ、インク室の高集積化を容易に実現することができる。
【００７８】
(7) ２列のインク室について、一方の列に含まれるインク室を他方の列に含まれるインク室間に配置することで、解像度を２倍にすることができる。
【００７９】
(8) 単一の接合基板に対してアクチュエータが実装された半導体基板を複数接合することにより、画像の解像度やインクの色数の変化に対応した種々の仕様を容易に実現できる。
【００８０】
(9)複数の接合基板を、アクチュエータにおける複数のインク室の形成方向について、それぞれに接合された半導体基板上の各アクチュエータのインク室が互いに重複することがないように連続して配置することにより、それぞれに単一又は複数の半導体基板が接合された複数の接合基板を用いて、画像形成範囲における記録媒体の搬送方向に直交する方向の全範囲にインク室が対向するライン型のインクジェットヘッドを容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの構成を示す組立図である。
【図２】上記第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの要部の構成を示す側面断面図である。
【図３】上記第１の実施形態に係るインクジェットヘッドのアクチュエータ部の要部の構成を示す側面断面図及び背面図である。
【図４】同アクチュエータ部の動作を示す背面図である。
【図５】この発明の第２の実施形態に係るインクジェットヘッドの構成を示す組立図である。
【図６】この発明の第３の実施形態に係るインクジェットヘッドの構成を示す組立図である。
【図７】同第３の実施形態に係るインクジェットヘッドのアクチュエータ部の要部の構成を示す部分正面図である。
【図８】上記第３の実施形態に係るインクジェットヘッドの使用状態を説明する図である。
【図９】上記プリント基板に実装されるインクジェットヘッドの組合せ状態を示す図である。
【図１０】上記インクジェットヘッドを実装したプリント基板を用いたシリアルプリンタの要部を示す斜視図である。
【図１１】上記インクジェットヘッドを実装したプリント基板を用いたラインプリンタの要部を示す図である。
【符号の説明】
１−インクジェットヘッド
２−基板
２ａ−駆動回路
２ｂ−温度検出回路
２ｃ−貫通孔
３−アクチュエータ部
５−接続端子
６−インク室
７−ノズル孔
８−接着剤
９−電極
９ａ−接続部
Claims (9)
- 圧電材料に複数の溝状のインク室を形成するとともに、各インク室の互いに対向する一対の内側面のそれぞれに電極を形成したアクチュエータ部と、各電極に電気的に接続された駆動回路と、を備え、駆動回路からアクチュエータ部の電極に駆動パルスを印加し、互いに隣接するインク室間の隔壁を変形させることにより各インク室内のインクを加圧して一方向に吐出するインクジェットヘッドにおいて、
アクチュエータ部側の開口幅がインク室の開口幅に比較して接続端子によって形成されるアクチュエータ部の端面と基板との間の間隙寸法の２倍以上大きい貫通孔を備えるとともにインクジェットヘッドを駆動するための駆動回路と外部接続端子とを含む半導体基板を、その外部接続端子とアクチュエータ部の電極とを電気的に接続した状態で、アクチュエータ部におけるインク吐出方向の上流側の端面に、両者の間に毛細管現象によって流入する接着剤を介して接合したことを特徴とするインクジェットヘッド。 - 前記半導体基板の外部接続端子は、圧電材料のキュリー温度未満の温度でアクチュエータ部の電極に電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
- 前記インク室は、開口部の深さ及び幅を接続端子によって形成されるアクチュエータ部の端面と半導体基板との間の間隙寸法より大きい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ヘッド。
- 前記半導体基板は、アクチュエータ部の温度を検出する温度検出回路を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
- 前記温度検出回路は、半導体基板においてアクチュエータ部に対向する面に実装されていることを特徴とする請求項４に記載のインクジェットヘッド。
- 前記アクチュエータ部は、複数のインク室を複数列に配列して形成したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
- 前記複数列に配列された複数のインク室は、各列のインク室か互いに重複しない位置に配置されていることを特徴とする請求項６に記載のインクジェットヘッド。
- 前記アクチュエータ部が接合された前記半導体基板を複数個組み合わせて別の接合基板に接合したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
- 前記接合基板は、アクチュエータにおける複数のインク室の形成方向について、それぞれに接合された各アクチュエータのインク室が互いに重複しない複数の位置に配置されていることを特徴とする請求項８に記載のインクジェットヘッド。
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