JP4586427B2 - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

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Description

本発明は、インク滴を吐出するノズルと、ノズルと連通するとともにインクが充填される圧力室と、圧力室の一部を構成する振動板と、圧力室へインク流路を介して供給するインクをプールするインクプール室と、振動板を変位させる圧電素子と、を有するインクジェット記録ヘッドに関する。
従来から、主走査方向に往復移動するインクジェット記録ヘッド(以下、単に「記録ヘッド」という場合がある)の複数のノズルから選択的にインク滴を吐出し、副走査方向に搬送されて来る記録紙等の記録媒体に文字や画像等を印刷するインクジェット記録装置は知られている。
このようなインクジェット記録装置において、その記録ヘッドには圧電方式やサーマル方式等がある。例えば圧電方式の場合には、図14、図15で示すように、インクタンクからインクプール室202を経てインク200が供給される圧力室204に、圧電素子(電気エネルギーを機械エネルギーに変換するアクチュエーター)206が設けられ、その圧電素子206が圧力室204の体積を減少させるように凹状に撓み変形して中のインク200を加圧し、圧力室204に連通するノズル208からインク滴200Aとして吐出させるように構成されている。
このような構成のインクジェット記録ヘッドにおいて、近年では、低コストで小型でありながら、高解像度な印刷が可能とされることが求められている。この要求に応えるためには、ノズルを高密度に配設することが必要となるが、現状の記録ヘッドでは、図示するように、ノズル208の隣に(ノズル208とノズル208の間に)インクプール室202が設けられているため、ノズル208を高密度に配設することにも限界があった。
また、インクジェット記録ヘッドには、所定の圧電素子に電圧を印加する駆動ICを設けるが、従来は、図16で示すように、FPC(フレキシブルプリント配線基板)210で実装していた。つまり、振動板214上に設けられた圧電素子206上面の金属電極表面に、FPC210に形成したバンプ212を接合することによって接続していた。このFPC210には駆動IC(図示省略)が実装されているため、この段階で圧電素子206と駆動ICが電気的に接続されることになる。
また、記録ヘッドの外部表面に設けられた電極端子と、駆動ICが実装された実装基板上の電極端子をワイヤーボンディング法で接続するという方法がある(例えば、特許文献1参照)。更に、記録ヘッドの外部表面に設けられた電極端子に駆動ICを接合して接続した後、その記録ヘッドに設けられた引き出し配線の電極端子にFPCを接合して接続するという方式がある(例えば、特許文献2参照)。
しかしながら、何れの場合も、ピッチが微細(例えば、10μmピッチ以下)な配線を形成することができないため、ノズル密度が高くなると、実装基板やFPCのサイズが大きくなり、小型化を阻害したり、コストをアップさせたりする問題がある。また更に、ノズル密度が高くなった場合には、所望の抵抗値を有する配線を引き回せないという問題がある。つまり、配線密度の制限によるノズル高密度化の限界がある。
特開平2−301445号公報 特開平9−323414号公報
そこで、本発明は、このような問題点に鑑み、ノズルの高密度化と、それに伴う微細ピッチ配線の形成を実現可能にして高解像度化が図れるようにするとともに、小型化も図れるようにしたインクジェット記録ヘッドを得ることを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項1に記載のインクジェット記録ヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、前記ノズルと連通し、インクが充填される圧力室と、前記圧力室の一部を構成する振動板と、前記振動板を間に置いて前記圧力室と反対側に設けられ、前記圧力室へインク流路を介して供給するインクをプールするインクプール室と、前記振動板を変位させる圧電素子と、を有、前記振動板を含んで形成された圧電素子基板に、前記圧電素子に電圧を印加する駆動IC実装されるとともに、前記駆動ICが、前記振動板と前記インクプール室の天板との間に配設されていることを特徴としている。
請求項1に記載の発明では、圧力室を互いに近接して配設することができるので、圧力室毎に設けられるノズルを高密度に配設することができる。また、圧電素子から引き出す金属配線の形成に、半導体プロセスのホトリソグラフィー技術を用いることで、10μmピッチ以下の微細配線を形成することができ、更に、圧電素子の近傍で駆動ICと接続することで、配線長を短くすることができる(配線の低抵抗化に寄与できる)。つまり、これらの構成により、実用的な配線抵抗値で、ノズルの高密度化に対応できる。したがって、高解像度化を実現することができる。
また、駆動ICが、振動板とインクプール室の天板との間に配設される。これにより、記録ヘッドの外部に駆動ICを実装する場合に比べて、圧電素子と駆動ICとの間の配線の長さを短くすることができ、ひいては配線抵抗を低くすることができる。したがって、ノズルの高密度化に適した構成であると言える。また、駆動ICが記録ヘッド内に内蔵されるため、記録ヘッドの小型化を実現することができる。
また、請求項2に記載のインクジェット記録ヘッドは、請求項1に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記ノズルが、マトリックス状に配設されていることを特徴としている。
請求項2に記載の発明では、ノズルがマトリックス状に配設されている。つまり、上記請求項1に記載の発明により、ノズルは高密度なマトリックス状に配設可能となっている。したがって、高解像度化を実現することができる。
また、請求項3に記載のインクジェット記録ヘッドは、請求項1又は請求項2に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記駆動ICが、前記圧電素子基板に表面実装されることを特徴としている。
請求項3に記載の発明では、駆動ICが、圧電素子基板に表面実装されるので、高密度の電気接続が容易にでき、それによって、記録ヘッドの小型化を実現することができる。なお、駆動ICは高密度の電気接続に対応できるように、2次元に配置された接続端子を有する。
例えば、Ball Grid Array(BGA)実装やフリップチップ実装である。要求される接続端子ピッチにより、これら方式を選択すればよい。但し、本発明の場合には、駆動ICを薄くできる点と、より高密度ピッチの接続端子を形成できるという点から、フリップチップ実装が最も好適である。
そして、請求項に記載のインクジェット記録ヘッドは、請求項1〜請求項3の何れか1項に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記振動板と前記天板との間で、かつ前記駆動ICが配置されている空間の隙間が、樹脂材で埋められていることを特徴としている。
請求項に記載の発明では、振動板と天板との間で、かつ駆動ICが配置されている空間の隙間が、樹脂材で埋められているので、天板と圧電素子基板の接合強度が増す。また、駆動ICが樹脂材で封止されることになるので、水分等の外部環境から、駆動ICを保護することができる。
また、請求項に記載のインクジェット記録ヘッドは、請求項1請求項の何れか1項に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記圧電素子基板に設けられ、前記圧電素子と前記駆動ICとを接続する配線が、樹脂材で被覆されていることを特徴としている。
請求項に記載の発明では、圧電素子と駆動ICとを接続する配線が、樹脂材で被覆されているので、インクによる配線の腐食を防止することができる。
更に、請求項に記載のインクジェット記録ヘッドは、請求項に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記配線が、熱膨張率の略等しい2つの樹脂層で挟まれることによって被覆されていることを特徴としている。
請求項に記載の発明では、圧電素子と駆動ICとを接続する配線が、熱膨張率の略等しい2つの樹脂層で挟まれることによって被覆されているので、熱応力の発生が少ない。
以上、何れにしても本発明によれば、ノズルの高密度化と、それに伴う微細ピッチ配線の形成が実現可能となって高解像度化が図れ、かつ小型化も図れるインクジェット記録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を図面に示す実施例を基に詳細に説明する。なお、記録媒体は記録紙Pとして説明をする。また、記録紙Pのインクジェット記録装置10における搬送方向を副走査方向として矢印Sで表し、その搬送方向と直交する方向を主走査方向として矢印Mで表す。また、図において、矢印UP、矢印LOが示されている場合は、それぞれ上方向、下方向を示すものとし、上下の表現をした場合は、上記各矢印に対応しているものとする。
まず、最初にインクジェット記録装置10の概要を説明する。図1で示すように、インクジェット記録装置10は、ブラック、イエロー、マゼンタ、シアンの各インクジェット記録ユニット30(インクジェット記録ヘッド32)を搭載するキャリッジ12を備えている。このキャリッジ12の記録紙Pの搬送方向上流側には一対のブラケット14が突設されており、そのブラケット14には円形状の開孔14A(図2参照)が穿設されている。そして、その開孔14Aに、主走査方向に架設されたシャフト20が挿通されている。
また、主走査方向の両端側には、主走査機構16を構成する駆動プーリー(図示省略)と従動プーリー(図示省略)が配設されており、その駆動プーリーと従動プーリーに巻回されて、主走査方向に走行するタイミングベルト22の一部がキャリッジ12に固定されている。したがって、キャリッジ12は主走査方向に往復移動可能に支持される構成である。
また、このインクジェット記録装置10には、画像印刷前の記録紙Pを束にして入れておく給紙トレイ26が設けられており、その給紙トレイ26の上方には、インクジェット記録ヘッド32によって画像が印刷された記録紙Pが排出される排紙トレイ28が設けられている。そして、給紙トレイ26から1枚ずつ給紙された記録紙Pを所定のピッチで副走査方向へ搬送する搬送ローラー及び排出ローラーからなる副走査機構18が設けられている。
その他、このインクジェット記録装置10には、印刷時において各種設定を行うコントロールパネル24と、メンテナンスステーション(図示省略)等が設けられている。メンテナンスステーションは、キャップ部材、吸引ポンプ、ダミージェット受け、クリーニング機構等を含んで構成されており、吸引回復動作、ダミージェット動作、クリーニング動作等のメンテナンス動作を行うようになっている。
また、各色のインクジェット記録ユニット30は、図2で示すように、インクジェット記録ヘッド32と、それにインクを供給するインクタンク34とが一体に構成されたものであり、インクジェット記録ヘッド32の下面中央のインク吐出面32Aに形成された複数のノズル56(図3参照)が、記録紙Pと対向するようにキャリッジ12上に搭載されている。したがって、インクジェット記録ヘッド32が主走査機構16によって主走査方向に移動しながら、記録紙Pに対してノズル56から選択的にインク滴を吐出することにより、所定のバンド領域に対して画像データに基づく画像の一部が記録される。
そして、主走査方向への1回の移動が終了すると、記録紙Pは、副走査機構18によって副走査方向に所定ピッチ搬送され、再びインクジェット記録ヘッド32(インクジェット記録ユニット30)が主走査方向(前述とは反対方向)に移動しながら、次のバンド領域に対して画像データに基づく画像の一部が記録されるようになっており、このような動作を複数回繰り返すことによって、記録紙Pに画像データに基づく全体画像がフルカラーで記録される。
以上のような構成のインクジェット記録装置10において、次にインクジェット記録ヘッド32について詳細に説明する。図3はインクジェット記録ヘッド32の構成を示す概略平面図であり、図4は図3のX−X線概略断面図である。この図3、図4で示すように、インクジェット記録ヘッド32には、インクタンク34と連通するインク供給ポート36が設けられており、そのインク供給ポート36から注入されたインク110は、インクプール室38に貯留される。
インクプール室38は天板40と隔壁42とによって、その容積が規定されており、インク供給ポート36は、天板40の所定箇所に複数、列状に穿設されている。また、列をなすインク供給ポート36の間で、天板40よりも内側のインクプール室38内には、圧力波を緩和する樹脂膜製エアダンパー44(後述する感光性ドライフィルム96)が設けられている。
天板40の材質は、例えばガラス、セラミックス、シリコン、樹脂等、インクジェット記録ヘッド32の支持体になり得る強度を有する絶縁体であれば何でもよい。また、天板40には、後述する駆動IC60へ通電するための金属配線90が設けられている。この金属配線90は、樹脂膜92で被覆保護されており、インク110による侵食が防止されるようになっている。
隔壁42は樹脂(後述する感光性ドライフィルム98)で成形され、インクプール室38を矩形状に仕切っている。また、インクプール室38は、圧電素子46と、その圧電素子46によって上下方向に撓み変形させられる振動板48を介して、圧力室50と上下に分離されている。つまり、圧電素子46及び振動板48が、インクプール室38と圧力室50との間に配置される構成とされ、インクプール室38と圧力室50とが同一水平面上に存在しないように構成されている。
したがって、圧力室50を互いに接近させた状態に配置することが可能であり、ノズル56をマトリックス状に高密度に配設することが可能となっている。また、このような構成にしたことにより、キャリッジ12の主走査方向への1回の移動で、広いバンド領域に画像を形成することができるので、その走査時間が短くて済む。すなわち、少ないキャリッジ12の移動回数及び時間で記録紙Pの全面に亘って画像形成を行う高速印刷が実現可能となっている。
圧電素子46は、圧力室50毎に振動板48の上面に接着されている。振動板48は、SUS等の金属で成形され、少なくとも上下方向に弾性を有し、圧電素子46に通電されると(電圧が印加されると)、上下方向に撓み変形する(変位する)構成になっている。なお、振動板48は、ガラス等の絶縁性材料であっても差し支えはない。圧電素子46の下面には一方の極性となる下部電極52が配置され、圧電素子46の上面には他方の極性となる上部電極54が配置されている。そして、この上部電極54に駆動IC60が金属配線86により電気的に接続されている。
また、圧電素子46は、低透水性絶縁膜(SiOx膜)80で被覆保護されている。圧電素子46を被覆保護している低透水性絶縁膜(SiOx膜)80は、水分透過性が低くなる条件で着膜するため、水分が圧電素子46の内部に侵入して信頼性不良となること(PZT膜内の酸素を還元することにより生ずる圧電特性の劣化)を防止できる。なお、下部電極52と接触する金属(SUS等)製の振動板48は、低抵抗なGND配線としても機能するようになっている。
更に、圧電素子46は、その低透水性絶縁膜(SiOx膜)80の上面が、樹脂膜82で被覆保護されている。これにより、圧電素子46において、インク110による侵食の耐性が確保されるようになっている。また、金属配線86も、樹脂保護膜88で被覆保護され、インク110による侵食が防止されるようになっている。
また、圧電素子46の上方は、樹脂膜82で被覆保護され、樹脂保護膜88が被覆されない構成になっている。樹脂膜82は、柔軟性がある樹脂層であるため、このような構成により、圧電素子46(振動板48)の変位阻害が防止されるようになっている(上下方向に好適に撓み変形可能とされている)。つまり、圧電素子46上方の樹脂層は、薄い方がより変位阻害の抑制効果が高くなるので、樹脂保護膜88を被覆しないようにしている。
駆動IC60は、隔壁42で規定されたインクプール室38の外側で、かつ天板40と振動板48との間に配置されており、振動板48や天板40から露出しない(突出しない)構成とされている。したがって、インクジェット記録ヘッド32の小型化が実現可能となっている。
また、その駆動IC60の周囲は樹脂材58で封止されている。この駆動IC60を封止する樹脂材58の注入口40Bは、図5で示すように、製造段階における天板40において、各インクジェット記録ヘッド32を仕切るように格子状に複数個穿設されており、後述する圧電素子基板70と流路基板72とを結合(接合)後、樹脂材58によって封止された(閉塞された)注入口40Bに沿って天板40を切断することにより、マトリックス状のノズル56(図3参照)を有するインクジェット記録ヘッド32が1度に複数個製造される構成になっている。
また、この駆動IC60の下面には、図4、図6で示すように、複数のバンプ62がマトリックス状に所定高さ突設されており、振動板48上に圧電素子46が形成された圧電素子基板70の金属配線86にフリップチップ実装されるようになっている。したがって、圧電素子46に対する高密度接続が容易に実現可能であり、駆動IC60の高さの低減を図ることができる(薄くすることができる)。これによっても、インクジェット記録ヘッド32の小型化が実現可能となっている。
また、図3において、駆動IC60の外側には、バンプ64が設けられている。このバンプ64は、天板40に設けられる金属配線90と、圧電素子基板70に設けられる金属配線86とを接続しており、当然ながら、圧電素子基板70に実装された駆動IC60の高さよりも高くなるように設けられている。
したがって、インクジェット記録装置10の本体側から天板40の金属配線90に通電され、その天板40の金属配線90からバンプ64を経て金属配線86に通電され、そこから駆動IC60に通電される構成である。そして、その駆動IC60により、所定のタイミングで圧電素子46に電圧が印加され、振動板48が上下方向に撓み変形することにより、圧力室50内に充填されたインク110が加圧されて、ノズル56からインク滴が吐出する構成である。
インク滴を吐出するノズル56は、圧力室50毎に1つずつ、その所定位置に設けられている。圧力室50とインクプール室38とは、圧電素子46を回避するとともに、振動板48に穿設された貫通孔48Aを通るインク流路66と、圧力室50から図4において水平方向へ向かって延設されたインク流路68とが連通することによって接続されている。このインク流路68は、インクジェット記録ヘッド32の製造時に、インク流路66とのアライメントが可能なように(確実に連通するように)、予め実際のインク流路66との接続部分よりも少し長めに設けられている。
以上のような構成のインクジェット記録ヘッド32において、次に、その製造工程について、図7乃至図13を基に詳細に説明する。図7で示すように、このインクジェット記録ヘッド32は、圧電素子基板70と流路基板72とを別々に作成し、両者を結合(接合)することによって製造される。そこで、まず、圧電素子基板70の製造工程について説明するが、圧電素子基板70には、流路基板72よりも先に天板40が結合(接合)される。
図8(A)で示すように、まず、貫通孔76Aが複数穿設されたガラス製の第1支持基板76を用意する。第1支持基板76は撓まないものであれば何でもよく、ガラス製に限定されるものではないが、ガラスは硬い上に安価なので好ましい。この第1支持基板76の作製方法としては、ガラス基板のフェムト秒レーザー加工や、感光性ガラス基板(例えば、HOYA株式会社製PEG3C)を露光・現像する等が知られている。
そして、図8(B)で示すように、その第1支持基板76の上面(表面)に接着剤78を塗布し、図8(C)で示すように、その上面に金属(SUS等)製の振動板48を接着する。このとき、振動板48の貫通孔48Aと第1支持基板76の貫通孔76Aとは重ねない(オーバーラップさせない)ようにする。なお、振動板48の材料として、ガラス等の絶縁性基板を用いても差し支えない。
ここで、振動板48の貫通孔48Aは、インク流路66の形成用とされる。また、第1支持基板76に貫通孔76Aを設けるのは、後工程で薬液(溶剤)を第1支持基板76と振動板48との界面に流し込むためで、接着剤78を溶解して、その第1支持基板76を振動板48から剥離するためである。更に、第1支持基板76の貫通孔76Aと振動板48の貫通孔48Aとを重ねないようにするのは、製造中に使用される各種材料が第1支持基板76の下面(裏面)から漏出しないようにするためである。
次に、図8(D)で示すように、振動板48の上面に積層された下部電極52をパターニングする。具体的には、金属膜スパッタ(膜厚500Å〜3000Å)、ホトリソグラフィー法によるレジスト形成、パターニング(エッチング)、酸素プラズマによるレジスト剥離である。この下部電極52が接地電位となる。次に、図8(E)で示すように、下部電極52の上面に、圧電素子46の材料であるPZT膜と上部電極54を順にスパッタ法で積層し、図8(F)で示すように、圧電素子46(PZT膜)及び上部電極54をパターニングする。
具体的には、PZT膜スパッタ(膜厚3μm〜15μm)、金属膜スパッタ(膜厚500Å〜3000Å)、ホトリソグラフィー法によるレジスト形成、パターニング(エッチング)、酸素プラズマによるレジスト剥離である。下部及び上部の電極材料としては、例えば圧電素子であるPZT材料との親和性が高く、耐熱性がある、Au、Ir、Ru、Pt等が挙げられる。
その後、図8(G)で示すように、上面に露出している下部電極52と上部電極54の上面に低透水性絶縁膜(SiOx膜)80を積層し、更に、その低透水性絶縁膜(SiOx膜)80の上面に、耐インク性と柔軟性を有する樹脂膜82、例えばポリイミド系、ポリアミド系、エポキシ系、ポリウレタン系、シリコン系等の樹脂膜を積層して、それらをパターニングすることで、圧電素子46と金属配線86を接続するための開口84(コンタクト孔)を形成する。
具体的には、Chemical Vapor Deposition(CVD)法にてダングリングボンド密度が高い低透水性絶縁膜(SiOx膜)80を着膜する、感光性ポリイミド(例えば、富士フイルムアーチ社製の感光性ポリイミド Durimide7520)を塗布・露光・現像することでパターニングを行う、CF4系ガスを用いたReactive Ion Etching(RIE)法で上記感光性ポリイミドをマスクとしてSiOx膜をエッチングする、という加工を行う。なお、ここでは低透水性絶縁膜としてSiOx膜を用いたが、SiNx膜、SiOxNy膜等であってもよい。
次いで、図8(H)で示すように、開口84内の上部電極54と樹脂膜82の上面に金属膜を積層し、金属配線86をパターニングする。具体的には、スパッタ法にてAl膜(厚さ1μm)を着膜する、ホトリソグラフィー法でレジストを形成する、塩素系のガスを用いたRIE法にてAl膜をエッチングする、酸素プラズマにてレジスト膜を剥離する、という加工を行い、上部電極54と金属配線86(Al膜)とを接合する。なお、図示しないが、下部電極52の上にも開口84が設けられ、上部電極5と同様に金属配線86と接続されている。
そして更に、図8(I)で示すように、金属配線86及び樹脂膜82の上面に樹脂保護膜88(例えば、富士フイルムアーチ社製の感光性ポリイミド Durimide7320)を積層してパターニングする。この樹脂保護膜88は、樹脂膜82と同種の樹脂材料で構成される。また、このとき、圧電素子46の上方で、金属配線86がパターニングされていない部位には、樹脂保護膜88を積層しないようにする(樹脂膜82のみが積層されるようにする)。
ここで、圧電素子46の上方(樹脂膜82の上面)に樹脂保護膜88を積層しないのは、振動板48(圧電素子46)の変位(上下方向の撓み変形)が阻害されるのを防止するためである。また、圧電素子46の上部電極54から引き出す(上部電極54に接続される)金属配線86が樹脂製の保護膜88で被覆されると、その樹脂保護膜88は、金属配線86が積層される樹脂膜82と同種の樹脂材料で構成されているため、金属配線86を被覆するそれらの接合力が強固になり、界面からのインク110の侵入による金属配線86の腐食を防止することができる。
なお、この樹脂保護膜88は、隔壁42(感光性ドライフィルム98)とも同種の樹脂材料となっているため、この隔壁42(感光性ドライフィルム98)に対する接合力も強固になっている。したがって、その界面からのインク110の侵入がより一層防止される構成である。また、このように、同種の樹脂材料で構成されると、それらの熱膨張率が略等しくなるので、熱応力の発生が少なくて済む利点もある。
次に、図8(J)で示すように、金属配線86にバンプ62を介して駆動IC60をフリップチップ実装する。このとき、駆動IC60は、予め半導体ウエハプロセスの終りに実施されるグラインド工程にて、所定の厚さ(70μm〜300μm)に加工されている。駆動IC60が厚すぎると、隔壁42のパターニングやバンプ64の形成が困難になったりする。
駆動IC60を金属配線86にフリップチップ実装するためのバンプ62の形成方法には、電界メッキ、無電界メッキ、ボールバンプ、スクリーン印刷等が適用できる。こうして、圧電素子基板70が製造され、この圧電素子基板70に、例えばガラス製の天板40が結合(接合)される。なお、以下の図9では、説明の便宜上、配線形成面を下面として説明するが、実際の工程では上面になる。
ガラス製天板40の製造においては、図9(A)で示すように、天板40自体が支持体となる程度の強度を確保できる厚み(0.3mm〜1.5mm)を持っているので、別途支持体を設ける必要がない。まず、図9(B)で示すように、天板40の下面に金属配線90を積層してパターニングする。具体的には、スパッタ法にてAl膜(厚さ1μm)を着膜する、ホトリソグラフィー法でレジストを形成する、塩素系のガスを用いたRIE法にてAl膜をエッチングする、酸素プラズマにてレジスト膜を剥離する、という加工である。
そして、図9(C)で示すように、金属配線90が形成された面に樹脂膜92(例えば、富士フイルムアーチ社製の感光性ポリイミド Durimide7320)を積層してパターニングする。なお、このとき、一部の金属配線90には、バンプ64を接合するため、樹脂膜92を積層しないようにする。
次に、図9(D)で示すように、天板40の金属配線90が形成された面に、ホトリソグラフィー法でレジストをパターニングする。金属配線90が形成されていない面は、保護用レジスト94で全面を覆う。ここで、保護用レジスト94を塗布するのは、次のウエット(SiO2)エッチング工程で、天板40が金属配線90を形成した面の裏面からエッチングされるのを防止するためである。なお、天板40に感光性ガラスを用いた場合には、この保護用レジスト94の塗布工程を省略することができる。
次いで、図9(E)で示すように、天板40にHF溶液によるウエット(SiO2)エッチングを行い、その後、保護用レジスト94を酸素プラズマにて剥離する。そして、図9(F)で示すように、天板40に形成された開口40A部分に感光性ドライフィルム96(例えば、日立化成工業株式会社製Raytec FR−5025:25μm厚)を露光・現像によりパターニングする(架設する)。この感光性ドライフィルム96が圧力波を緩和するエアダンパー44となる。
そして次に、図9(G)で示すように、樹脂膜92に感光性ドライフィルム98(100μm厚)を積層して露光・現像によりパターニングする。この感光性ドライフィルム98がインクプール室38を規定する隔壁42となる。なお、隔壁42は、感光性ドライフィルム98に限定されるものではなく、樹脂塗布膜(例えば、化薬マイクロケム社のSU−8レジスト)としてもよい。このときには、スプレー塗布装置にて塗布し、露光・現像をすればよい。
そして最後に、図9(H)で示すように、樹脂膜92が積層されていない金属配線90にバンプ64をメッキ法等で形成する。このバンプ64が駆動IC60側の金属配線86と電気的に接続するため、図示するように、感光性ドライフィルム98(隔壁42)よりもその高さが高くなるように形成されている。
こうして、天板40の製造が終了したら、図10(A)で示すように、この天板40を圧電素子基板70に被せて、両者を熱圧着により結合(接合)する。すなわち、感光性ドライフィルム98(隔壁42)を感光性樹脂層である樹脂保護膜88に接合し、バンプ64を金属配線86に接合する。
このとき、感光性ドライフィルム98(隔壁42)の高さよりもバンプ64の高さの方が高いので、感光性ドライフィルム98(隔壁42)を樹脂保護膜88に接合することにより、バンプ64が金属配線86に自動的に接合される。つまり、半田バンプ64は高さ調整が容易なので(潰れやすいので)、感光性ドライフィルム98(隔壁42)によるインクプール室38の封止とバンプ64の接続が容易にできる。
隔壁42とバンプ64の接合が終了したら、図10(B)で示すように、駆動IC60に封止用樹脂材58(例えば、エポキシ樹脂)を注入する。すなわち、天板40に穿設されている注入口40B(図5参照)から樹脂材58を流し込む。このように樹脂材58を注入して駆動IC60を封止すると、駆動IC60を水分等の外部環境から保護できるとともに、圧電素子基板70と天板40との接着強度を向上させることができ、更には、後工程でのダメージ、例えば、できあがった圧電素子基板70をダイシングによってインクジェット記録ヘッド32に分割する際の水や研削片によるダメージを回避することができる。
次に、図10(C)で示すように、第1支持基板76の貫通孔76Aから接着剤剥離溶液を注入して接着剤78を選択的に溶解させることで、その第1支持基板76を圧電素子基板70から剥離処理する。これにより、図10(D)で示すように、天板40が結合(接合)された圧電素子基板70が完成する。そして、この状態から、天板40が圧電素子基板70の支持体となる。
一方、流路基板72は、図11(A)で示すように、まず、貫通孔100Aが複数穿設されたガラス製の第2支持基板100を用意する。第2支持基板100は第1支持基板76と同様、撓まないものであれば何でもよく、ガラス製に限定されるものではないが、ガラスは硬い上に安価なので好ましい。この第2支持基板100の作製方法としては、ガラス基板のフェムト秒レーザー加工や、感光性ガラス基板(例えば、HOYA株式会社製PEG3C)を露光・現像する等が知られている。
そして、図11(B)で示すように、その第2支持基板100の上面(表面)に接着剤104を塗布し、図11(C)で示すように、その上面(表面)に樹脂基板102(例えば、厚さ0.1mm〜0.5mmのアミドイミド基板)を接着する。そして次に、図11(D)で示すように、その樹脂基板102の上面を金型106に押し付け、加熱・加圧処理する。その後、図11(E)で示すように、金型106を樹脂基板102から離型処理することにより、圧力室50やノズル56等が形成される流路基板72が完成する。
こうして、流路基板72が完成したら、図12(A)で示すように、圧電素子基板70と流路基板72とを熱圧着により結合(接合)する。そして次に、図12(B)で示すように、第2支持基板100の貫通孔100Aから接着剤剥離溶液を注入して接着剤104を選択的に溶解させることで、その第2支持基板100を流路基板72から剥離処理する。
その後、図12(C)で示すように、第2支持基板100が剥離された面を、アルミナを主成分とする研磨材を使用した研磨処理又は酸素プラズマを用いたRIE処理することにより、表面層が取り除かれ、ノズル56が開口される。そして、図12(D)で示すように、そのノズル56が開口された下面に撥水剤としてのフッ素材108(例えば、旭ガラス社製のCytop)を塗布することにより、インクジェット記録ヘッド32が完成し、図12(E)で示すように、インクプール室38や圧力室50内にインク110が充填可能とされる。
なお、感光性ドライフィルム96(エアダンパー44)は、天板40の内側のインクプール室38内に設けられるものに限定されるものではなく、例えば図13で示すように、天板40の外側に設けられる構成としてもよい。すなわち、インク110の充填工程の直前に、インクプール室38の外側から天板40に感光性ドライフィルム96(エアダンパー44)を貼り付ける構成としてもよい。
以上のようにして製造されるインクジェット記録ヘッド32を備えたインクジェット記録装置10において、次に、その作用を説明する。まず、インクジェット記録装置10に印刷を指令する電気信号が送られると、給紙トレイ26から記録紙Pが1枚ピックアップされ、副走査機構18により、所定の位置へ搬送される。
一方、インクジェット記録ユニット30では、すでにインクタンク34からインク供給ポート36を介してインクジェット記録ヘッド32のインクプール室38にインク110が注入(充填)され、インクプール室38に充填されたインク110は、インク流路66、68を経て圧力室50へ供給(充填)されている。そして、このとき、ノズル56の先端(吐出口)では、インク110の表面が圧力室50側に僅かに凹んだメニスカスが形成されている。
そして、キャリッジ12に搭載されたインクジェット記録ヘッド32が主走査方向に移動しながら、複数のノズル56から選択的にインク滴を吐出することにより、記録紙Pの所定のバンド領域に、画像データに基づく画像の一部を記録する。すなわち、駆動IC60により、所定のタイミングで、所定の圧電素子46に電圧を印加し、振動板48を上下方向に撓み変形させて(面外振動させて)、圧力室50内のインク110を加圧し、所定のノズル56からインク滴として吐出させる。
こうして、記録紙Pに画像データに基づく画像の一部が記録されたら、副走査機構18により、記録紙Pを所定ピッチ搬送させ、上記と同様に、インクジェット記録ヘッド32を主走査方向に移動しながら、再度複数のノズル56から選択的にインク滴を吐出することにより、記録紙Pの次のバンド領域に、画像データに基づく画像の一部を記録する。そして、このような動作を繰り返し行い、記録紙Pに画像データに基づく画像が完全に記録されたら、副走査機構18により、記録紙Pを最後まで搬送し、排紙トレイ28上に記録紙Pを排出する。これにより、記録紙Pへの印刷処理(画像記録)が完了する。
ここで、このインクジェット記録ヘッド32は、インクプール室38が、振動板48(圧電素子46)を間に置いて圧力室50の反対側(上側)に設けられている。換言すれば、インクプール室38と圧力室50の間に振動板48(圧電素子46)が配置され、インクプール室38と圧力室50が同一水平面上に存在しないように構成されている。したがって、圧力室50が互いに近接配置され、ノズル56が高密度に配設されている。
また、圧電素子46に電圧を印加する駆動IC60は、振動板48と天板40との間に配設され、振動板48や天板40より外部へ露出しない(突出しない)構成とされている(インクジェット記録ヘッド32内に内蔵されている)。したがって、インクジェット記録ヘッド32の外部に駆動IC60を実装する場合に比べて、圧電素子46と駆動IC60の間を接続する金属配線86の長さが短くて済み、これによって、金属配線86の低抵抗化が実現されている。
つまり、実用的な配線抵抗値で、ノズル56の高密度化、即ちノズル56の高密度なマトリックス状配設が実現されており、これによって、高解像度化が実現可能になっている。しかも、その駆動IC60は、振動板48に圧電素子46等が形成されてなる圧電素子基板70上にフリップチップ実装されているので、高密度の配線接続が容易にでき、更には駆動IC60の高さの低減も図れる(薄くできる)。したがって、インクジェット記録ヘッド32の小型化も実現される。
具体的には、従来のFPC方式による電気接続では、ノズル解像度は600npi(nozzle per pitch)が限界であったが、本発明の方式では、容易に1200npi配列が可能となった。また、サイズについては、600npiのノズル配列を例にとって比較した場合、FPCを用いなくて済むため、1/2以下にすることが可能となった。
また、この駆動IC60の周囲の隙間は、樹脂材58で埋められているため、天板40と圧電素子基板70の接合強度が増し、更には、その樹脂材58によって駆動IC60が封止されているので、水分等の外部環境から駆動IC60を保護することができる。また、圧電素子46と駆動IC60とを接続する圧電素子基板70上の金属配線86が、樹脂保護膜88によって被覆されているので、インク110による金属配線86の腐食を防止することができる。しかも、その金属配線86を挟むようにして被覆する樹脂保護膜88と樹脂膜82とが同種の樹脂材料とされているので、熱膨張率が略等しく、これによって、熱応力の発生も少ない。
以上、何れにしても、このインクジェット記録ヘッド32を構成する圧電素子基板70及び流路基板72は、常に硬い支持基板76、100上でそれぞれ製造され、かつ、それらの製造工程において、支持基板76、100がそれぞれ不要となった時点で、各支持基板76、100が取り除かれるという製造方法が採用されているので、極めて製造しやすい構成となっている。なお、製造された(完成した)インクジェット記録ヘッド32は、天板40によって支持されるので(天板40が支持体とされるので)、その剛性は確保される。
その他、上記実施例のインクジェット記録装置10では、ブラック、イエロー、マゼンタ、シアンの各色のインクジェット記録ユニット30がそれぞれキャリッジ12に搭載され、それら各色のインクジェット記録ヘッド32から画像データに基づいて選択的にインク滴が吐出されてフルカラーの画像が記録紙Pに記録されるようになっているが、本発明におけるインクジェット記録は、記録紙P上への文字や画像の記録に限定されるものではない。
すなわち、記録媒体は紙に限定されるものでなく、また、吐出する液体もインクに限定されるものではない。例えば、高分子フィルムやガラス上にインクを吐出してディスプレイ用カラーフィルターを作成したり、溶接状態の半田を基板上に吐出して部品実装用のバンプを形成するなど、工業的に用いられる液滴噴射装置全般に対して、本発明に係るインクジェット記録ヘッド32を適用することができる。
また、上記実施例のインクジェット記録装置10では、主走査機構16と副走査機構18を有するPartial Width Array(PWA)の例で説明したが、本発明におけるインクジェット記録は、これに限定されず、紙幅対応のいわゆるFull Width Array(FWA)であってもよい。むしろ、本発明は、高密度ノズル配列を実現するのに有効なものであるため、1パス印字を必要とするFWAには好適である。
インクジェット記録装置を示す概略斜視図 キャリッジに搭載されたインクジェット記録ユニットを示す概略斜視図 インクジェット記録ヘッドの構成を示す概略平面図 図3のX−X線概略断面図 インクジェット記録ヘッドとして切断される前の天板を示す概略平面図 駆動ICのバンプを示す概略平面図 インクジェット記録ヘッドを製造する全体工程の説明図 圧電素子基板を製造する工程(A)〜(F)を示す説明図 圧電素子基板を製造する工程(G)〜(J)を示す説明図 天板を製造する工程(A)〜(D)を示す説明図 天板を製造する工程(E)〜(H)を示す説明図 圧電素子基板に天板を接合する工程(A)〜(B)を示す説明図 圧電素子基板に天板を接合する工程(C)〜(D)を示す説明図 流路基板を製造する工程を示す説明図 圧電素子基板に流路基板を接合する工程(A)〜(B)を示す説明図 圧電素子基板に流路基板を接合する工程(C)〜(E)を示す説明図 エアダンパーの配置が異なるインクジェット記録ヘッドを示す説明図 従来のインクジェット記録ヘッドの構造を示す概略断面図 従来のインクジェット記録ヘッドの構造を示す概略平面図 従来のインクジェット記録ヘッドの構造を示す概略斜視図
符号の説明
10 インクジェット記録装置
30 インクジェット記録ユニット
32 インクジェット記録ヘッド
36 インク供給ポート
38 インクプール室
40 天板
42 隔壁
44 エアダンパー
46 圧電素子
48 振動板
50 圧力室
56 ノズル
60 駆動IC
66 インク流路
68 インク流路
70 圧電素子基板
72 流路基板
76 第1支持基板
86 金属配線
90 金属配線
100 第2支持基板
110 インク

Claims (6)

  1. インク滴を吐出するノズルと、
    前記ノズルと連通し、インクが充填される圧力室と、
    前記圧力室の一部を構成する振動板と、
    前記振動板を間に置いて前記圧力室と反対側に設けられ、前記圧力室へインク流路を介して供給するインクをプールするインクプール室と、
    前記振動板を変位させる圧電素子と、
    を有
    前記振動板を含んで形成された圧電素子基板に、前記圧電素子に電圧を印加する駆動IC実装されるとともに、前記駆動ICが、前記振動板と前記インクプール室の天板との間に配設されていることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
  2. 前記ノズルは、マトリックス状に配設されていることを特徴とする請求項1に記載のインクジェット記録ヘッド。
  3. 前記駆動ICは、前記圧電素子基板に表面実装されることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のインクジェット記録ヘッド。
  4. 前記振動板と前記天板との間で、かつ前記駆動ICが配置されている空間の隙間は、樹脂材で埋められていることを特徴とする請求項1請求項3の何れか1項に記載のインクジェット記録ヘッド。
  5. 前記圧電素子基板に設けられ、前記圧電素子と前記駆動ICとを接続する配線は、樹脂材で被覆されていることを特徴とする請求項1〜請求項4の何れか1項に記載のインクジェット記録ヘッド。
  6. 前記配線は、熱膨張率が略等しい2つの樹脂層で挟まれることによって被覆されていることを特徴とする請求項に記載のインクジェット記録ヘッド。
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