JP4845415B2 - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、記録媒体の被記録面に対してインクを吐出し、記録動作を行うインクジェット記録ヘッド用基板および該基板を用いるインクジェット記録ヘッドに関する。特に本発明は、インクを吐出するために利用されるエネルギを発生する素子が配列された、基板の表面とは反対側の面（裏面）から貫通して前記素子上にインクを導く長溝状の複数のインク供給口を持ち、前記素子の駆動に応じて該基板に対して垂直方向にインクを吐出し、長溝状のインク供給口の短辺に平行な基板外周の辺に沿って電極パッドをもつインクジェット記録ヘッドに適用して好適なものである。

図９および図１０はこのようなインクジェット記録装置に用いられるインクジェット記録ヘッド（以下、単に記録ヘッドともいう）の一従来例を示し、図９は吐出口等を形成する部材を一部破断し基板の一部を示す斜視図、図１０は記録ヘッドの基板上の主に電源配線を示す平面図である。

この型の記録ヘッドは図９に示すように、基板を貫通するインク供給口８０３を挟んだ両側において千鳥状に配置された複数の発熱部（以下、単にヒータともいう）８０２が基板８０５上に設けられる。また、これらの複数の発熱部８０２それぞれに対応してインクを吐出するためのインク吐出口８０１やインク流路８０４を形成するための部材が基板８０５上に形成されている。

図１０に示す基板８０５上には、複数のヒータ８０２のそれぞれを記録データに応じて選択的に駆動してインクを吐出するため、電源側に接続される共通配線９０２ａおよび９０２ｂ、各発熱部８０２に電力を供給するための電源配線９１０、トランジスタ等の駆動素子（図中ハッチングされている部分で、発熱部およびこれに関連した配線層の下層として基板に形成されている）、グランド（ＧＮＤ）側の共通配線９０４ａおよび９０４ｂ等の配線もしくは回路が設けられている。そして、電源側およびＧＮＤ側の各共通配線は電極パッド９０３を介して基板外と電気的接続を行うことができる。なお、図ではヒータ、電極配線および駆動素子を形成するための層に関連して配置される所要の層間絶縁膜やインクからの保護を行うための保護膜などの図示は省略されている。

以上の構成を有するインクジェット記録ヘッドにおいて、インクは各吐出口８０１の近傍でメニスカスを形成して保持され、この状態でヒータ８０２を記録データに応じて選択的に駆動させることにより、その発生する熱エネルギを利用して熱作用面上のインクを急激に加熱し、膜沸騰を生じさせ、その際に発生する気泡の圧力によってインクを吐出することができる。

ところで、インク吐出のためにヒータに投入される電気エネルギもしくは電力はインクの吐出状態を左右する重要なファクタの一つである。すなわち、投入される電気エネルギが変化すると、それに応じて発泡現象も変化し良好な吐出を行えないことがある。

例えば、投入された駆動エネルギが小さい場合には、エネルギ不足によりインクの膜沸謄現象が不安定になり易く、好ましい膜沸騰が生じなくなることでインク滴の吐出速度や吐出方向さらには吐出量の変動を招き、これらに起因して記録画像の画質劣化を招く場合がある。また逆に、投入された駆動エネルギが高い場合には、過剰な熱エネルギにより発熱部８０２に機械的なストレスを与えたり膜質に変化を生じさせてしまい、これらによっても上述のような吐出不良を起こしたり、ひどい場合には記録ヘッドを破損させてしまうこともある。このため、各ヒータについて投入されるエネルギは常に実質的に均一であることが望ましい。

一方、各ヒータに投入されるエネルギの変動要因として、一つの記録ヘッドで同時に駆動されるヒータの数が変わることによるものも知られている。すなわち、記録データ等に応じて同時駆動されるヒータの数が変化すると、それによって生じる電圧降下が異なり、結果として各ヒータの駆動エネルギが変化するためである。

この問題の対応策の一つとして、従来は図１０に示すように、ヒータ８０２と電極パッドとの間、および駆動素子と電極パッドとの間の共通配線を、いくつかの発熱部および駆動素子の組を単位として複数に分割し、かつ、各共通配線９０２ａ、９０２ｂ、９０４ａ、９０４ｂについて配線抵抗値をほぼ等しくする構成が採られてきた（例えば特許文献１）。この構成によれば、それぞれの単位ごとの共通配線について全てのヒータを駆動する時と、一つのヒータを駆動する時との電圧降下の差を小さくすることができる。さらに、それぞれの共通配線に接続されるヒータについて同時に駆動する数を一つのヒータにすることによって、全部のヒータを駆動する場合と一つのヒータを駆動する場合との電圧降下の差をなくすことができ、各ヒータに対して常に一定の駆動エネルギを投入することができる。

この構成は、ヒータを駆動する際に生ずる電圧降下のうち、特にすべてのヒータについて一括した共通配線を施す場合における、ヒータ毎の共通配線の長さがヒータの位置によって異なってしまうことによる電圧降下を小さくすることを前提とするものである。このため、特許文献１の構成では共通配線の幅をできるだけ大きくしてその配線抵抗を小さくし、その上で、図１０に示す共通配線の幅Ａ、Ｂのように各単位への配線の長さに応じて配線の幅を異ならせることにより各電極配線間の配線抵抗を等しくするようにしていた。

特開平１０−４４４１６号公報

しかしながら近年のインクジェット記録装置では、高解像度、高画質の画像を高速に得るため、一つの基板内に複数のインク供給口を持ち、前記インク供給口に付随して複数のヒータを高密度で集積する記録ヘッドを用いるのが主流である。そのため、前述の従来技術において、高速記録を実現するために同時駆動数を増やすと、分割配線による接続では、配線幅が大幅に増加し、基板サイズの急激な増加に伴いコストアップを招いてしまう。

一方で記録ヘッド等は小型化の傾向があり、このように記録ヘッドのサイズを容易に大きくできないという制約の下で、従来のような分割配線による接続では基板サイズの小型化は非常に困難な状況となっている。

そこで、前記分割した配線を低抵抗の共通配線とすることによって、基板サイズの増大を抑えることが可能である。低抵抗化を達成するためには、共通配線を厚膜、幅広の形状とするのが一般的である。また、インクジェット記録ヘッド用基板を外部に電気的に接続するには、前記インクジェット記録ヘッド用基板の端部に配置した電極パッドを介して行うのが一般的である。

しかしながら、インクジェット記録ヘッド用基板には、上記共通配線のほか、記録データに応じ各ヒータを個別に駆動するための配線も必要であり、そのため電極パッドを多数配置しなければならない。従って、基板端部における電極パッドの面積が制限されるため、たとえ基板の面上で共通配線の幅を広くしたとしても、これを電極パッドに接続するためには、電極パッドの近傍にて共通配線の幅を電極パッドの幅以下のサイズまで狭める必要があった。（図１１参照）このため、前記インクジェット記録ヘッド用基板端部での配線抵抗値が増加してしまい、低抵抗化を図るために共通配線の幅を大とする利点が滅却されてしまうという問題があった。

よって本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、共通配線低抵抗化のための構成を損なうことのない外部との接続構成を提供することにある。

また、本発明インクジェット記録ヘッドは、複数の記録素子と、該複数の記録素子を個別に駆動するための駆動回路と、前記複数の記録素子を共通に電源に接続するための共通電源配線と、前記複数の記録素子を共通にグランドに接続するための共通グランド配線と、前記駆動回路に駆動信号を付与するための、前記共通グランド配線より下層に配線される駆動信号配線と、所定方向に配列される複数の電極パッドと、を具える基板と、前記共通電源配線および前記共通グランド配線にそれぞれ接続される共通配線用の電極リード線と、前記電極パッドに接続される駆動回路用の電極リード線と、を備える配線部材と、を有するインクジェット記録ヘッドであって、前記駆動信号配線は前記電極パッドと接続される一方、前記共通電源配線および前記共通グランド配線は、複数の前記電極パッドの間を通る前記共通配線用電極リード線の複数と直接接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、共通配線（共通電源配線および前記共通グランド配線）を外部の電極リード線と直接接続する構成であるので、基板端部の電極パッド近傍で配線幅を狭める必要がなく、従って共通配線の特徴である低抵抗化を損なうことがない。

また、共通配線用の電極パッドを持たない構成であるため、インクジェット記録ヘッド用基板のサイズの増加を抑えることが可能となり、コストアップを防ぐことができる。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）および（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る記録ヘッドＨ１００１を適用可能な記録ヘッドカートリッジＨ１０００を示す斜視図である。

本実施形態の記録ヘッド（インクジェット記録用ヘッド）Ｈ１００１は、これらの図からわかるように、記録ヘッドカートリッジＨ１０００を構成する一構成要素となっている。この記録ヘッドカートリッジＨ１０００は、記録ヘッドＨ１００１と、記録ヘッドＨ１００１に着脱自在に設けられたインクタンクＨ１９０１，Ｈ１９０２，Ｈ１９０３およびＨ１９０４（以下、特定しない場合は符号Ｈ１９００で参照する）とから構成されている。これらのインクタンクは、例えば、ブラック、シアン、マゼンタおよびイエローの各色のインク（記録液）に対応したものとすることができる。記録ヘッドＨ１００１は、インクタンクＨ１９００から供給されるインクを記録情報に応じて吐出口から吐出する。

この記録ヘッドカートリッジＨ１０００は、インクジェット記録装置本体に載置されているキャリッジ（不図示）の位置決め手段および電気的接点によって固定支持されると共に、前記キャリッジに対して着脱可能となっている。記録ヘッドＨ１００１は、電気信号に応じて膜沸騰をインクに対して生じさせるための熱エネルギを生成する発熱抵抗体を用いて記録を行うサイドシュータ型の記録ヘッドである。

図２は記録ヘッドＨ１００１の分解斜視図である。この図に示すように、記録ヘッドＨ１００１は、記録素子ユニットＨ１００２と、インク供給ユニット（記録液供給手段）Ｈ１００３と、タンクホルダＨ２０００とから構成されている。なお、記録素子ユニットＨ１００２のインク連通口とインク供給ユニットＨ１００３のインク連通口とをインクの漏洩が生じることなく連通させるため、それぞれの連通口周辺に圧着するジョイントシール部材Ｈ２３００が介挿され、記録ヘッドユニットＨ１００２の２箇所のビス固定位置Ｈ１２０７を通して、インク供給ユニットＨ１００３のビス止めボス部１５１７にビスＨ２４００を螺着することで固定する。

図３は記録素子ユニットＨ１００２の分解斜視図である。記録素子ユニットＨ１００２は、２種類のインクジェット記録ヘッド用基板Ｈ１１００、支持部材である第１プレートＨ１２００、可撓性の配線基板である電気配線テープＨ１３００、電気コンタクト基板Ｈ２２００、および記録素子基板の収容部をなす第２の支持部材である第２のプレートＨ１４００から構成されている。

２種類のインクジェット記録ヘッド用基板Ｈ１１００は、第１のプレートＨ１２００に接着され固定されている。第１プレートＨ１２００には開口部を有する第２のプレートＨ１４００が接着され固定されており、さらにこの第２のプレートＨ１４００には電気配線テープＨ１３００が接着され固定されて、インクジェット記録ヘッド用基板Ｈ１１００に対して位置関係が保持されている。この電気配線テープＨ１３００は、インクジェット記録ヘッド用基板Ｈ１１００にインクを吐出するための電気信号を印加するものであり、インクジェット記録ヘッド用基板Ｈ１１００に対応する電気配線を持ち、インクジェット記録装置本体からの電気信号を受け取る外部信号入力端子Ｈ１３０１を有する電気コンタクト基板Ｈ２２００と接続している。電気コンタクト基板Ｈ２２００は、インク供給ユニットＨ１００３に、端子位置決め穴Ｈ１３０９（２ヶ所）により位置決めされ、固定されている。

なお、図示の例では、例えばブラックインク用のものと、シアン、マゼンタおよびイエローのインク用のものとの、２種類の記録素子基板Ｈ１１００を有する構成が示されており、前者はブラックインクのインク供給口の両側に発熱部列が配列されたもの、後者はシアン、マゼンタおよびイエローインク用の各インク供給口の両側にそれぞれ発熱部列が配列されたものとなっている。以下では後者の基板についての配線を例示するが、用いるインクの色や種類の数、あるいは１つの記録素子基板上の発熱部の配列はこれに限られない。

図４は本実施形態の記録素子基板Ｈ１１００の構成を模式的に示す平面図、図５はこれに配列される発熱部群のうち１つの発熱部周辺の部分Ｐを拡大して模式的に示す平面図、図６は図４において符号Ｃで示す部分（基板Ｈ１１００の電極パッド部分）を拡大して詳細に示す平面図である。この記録素子基板Ｈ１１００はイエロー、マゼンタおよびシアンの３色に対して各２列ずつの発熱部列を一体に有したものである。以下、この記録素子基板Ｈ１１００上の配線について例示するが、基本的な配線構造はブラックインク用の記録素子基板にも適用可能であることは勿論である。

インクジェット記録ヘッド用基板Ｈ１１００は、例えば厚さ０．５〜１ｍｍのＳｉ基体を含み、その片面にはインクを吐出するための複数の発熱部８０２（図５）が形成されている。さらに、各発熱部８０２にインクの吐出口が対向するよう、吐出口形成部材（不図示）が配置される。図９の一般的構成と同様、吐出口は吐出口形成部材に設けたインク流路を介し、基板Ｈ１１００上に開口するインク供給口Ｈ１１０４に連通している。インク供給口Ｈ１１０４は吐出口ないし発熱部８０２の配列に対応した範囲にわたる長溝状であり、基板Ｈ１１００を貫通してその裏面側にも開口している。その裏面側の開口が第１のプレートＨ１２００に形成されたインク連通口Ｈ１２０１に対応し、インク供給を受けるようになっている。従ってインク供給口Ｈ１１０４から供給されたインクは、発熱部８０２の発熱作用によって発生した気泡により吐出口から吐出される。

発熱部８０２は、インク供給口Ｈ１１０４を挟んだ両側にそれぞれ１列ずつ、配列ピッチを１／２だけ図４において縦方向にずらした千鳥状に配列されている。かかる複数の発熱部８０２は、これらを選択的に駆動するためのスイッチングトランジスタ等の半導体素子でなる駆動素子を含む駆動回路を予め作り込こんでおいた基体Ｈ１１００上に、発熱部列Ｈ１１０３を形成し、さらに各発熱部８０２に対する電極配線（ヒータ配線）８０３を形成するための電極配線層を積層した後に、これらにエッチングを連続的に施して所要のパターニングを行い、さらに電極配線層を部分的に除去してその部分の発熱抵抗体層を露出させることで、形成することができる。

発熱部８０２の一端はヒータ配線８０３の一方の部分を介して電源共通配線Ｈ１１０１に接続される。発熱部８０２の他端はヒータ配線８０３の他方の部分から例えばスルーホールを介して、下層に形成された駆動回路に接続され、さらにそこからＧＮＤ共通配線Ｈ１１０２に接続されている。

ここで、本実施形態では、各インク供給口Ｈ１１０４の長辺に沿って発熱部列Ｈ１１０３が設けられ、この発熱部列Ｈ１１０３の外側に電源共通配線Ｈ１１０１が、さらにその外側にＧＮＤ共通配線Ｈ１１０２が延在している。これらの共通配線は低抵抗化のために金めっきによって厚膜・幅広に形成され、発熱部列Ｈ１１０３と直交する方向の基板側端部付近まで配線幅を狭めることなくレイアウトされている。そして、図６に示すように、これらの共通配線には電気配線テープＨ１３００端部の電極リード線Ｈ１１０７Ａが例えば超音波併用熱圧着法等を用いて直接接続される。なお、図６は電源共通配線Ｈ１１０１に係る図４の部分Ｃに対応した接続構成を示すものであるが、ＧＮＤ側共通配線Ｈ１１０２に関しても同様の接続構成が採用される。従って、以下では電源共通配線およびＧＮＤ側共通配線を共通配線と総称し、符合Ｈ１１０６で参照する。

また、発熱部８０２の列の配列方向と直交する方向の基板側部の対向縁部に沿って電極パットＨ１１０５が配列される。電極パットＨ１１０５は、各色用の複数の発熱部をそれぞれ記録データに応じて駆動するための駆動データや駆動タイミングを定めるためのデータなどの駆動信号を、ロジック回路で構成される駆動回路に与えるための比較的低電圧用（３〜５Ｖ）の配線（ロジック配線）Ｈ１１０８が接続され、さらに電極パッドＨ１１０５上に形成されたバンプ（不図示）には、電気配線テープＨ１３００の電極リード線Ｈ１１０７Ｂが例えば超音波併用熱圧着法等を用いて接合される。

上述のように、共通配線Ｈ１１０６は、インクジェット記録ヘッド用基板Ｈ１１００側端部にて電極リード線Ｈ１１０７Ａと、電極パッドＨ１１０５を介さずに直接接続されている。そして電極リード線Ｈ１１０７Ａは、ロジック配線Ｈ１１０８用の電極パッドＨ１１０５の間を通すように配線されている。

ここで、従来は共通配線の膜厚が０．２〜０．６μｍ程度であったため、本実施形態のように電極リード線を直接当接させると、下層に配置されているロジック配線層を破壊してしまう恐れがあった。これに対し、本実施形態では、めっき技術を利用して共通配線を形成したことで、その膜厚は数μｍ〜数十μｍ程度となり、電極リード線Ｈ１１０７Ａを共通配線Ｈ１１０６に直接当接させて接続することによっても、下層に配されたロジック配線Ｈ１１０８が破壊されることはない。また、前記めっき形成を行うことで、電極パッド上にもめっきを付けることが可能となり、後工程でのバンプ形成は不要となる。さらに、共通配線Ｈ１１０６用の電極パッドを不要としたことは電極パッド数を減らす上で有効である。

以上のように、厚膜化した共通配線Ｈ１１０６と電極リード線Ｈ１１０７とを直接接続することにより、共通配線の低抵抗接続が可能となるが、より低抵抗の接続が必要であれば、１本の共通配線Ｈ１１０６に対し複数の電極リード線を接続してもよい。実際に図６では１本の共通配線Ｈ１１０６に２本のＨ１１０７を接続した例が示されている。

（第２の実施形態）
近年では記録の高速化および高精細化の要望が高く、多数のインク吐出口ないし発熱部の高密度（例えば１２００ｄｐｉ以上のピッチ）の実装化が進んでいる。また、これに伴ってロジック配線ないし電極パッドを小面積に多数配置しなければならなくなってきている。かかる状況下、上述の第１の実施形態のように電極リード線Ｈ１１０７Ａの端部を延在させて共通配線Ｈ１１０６に接続する構成では、これが電極パッドＨ１１０５上のバンプに接触してしまう恐れがあるので、本実施形態はこれを解決せんとするものである。

図７は本発明の第２の実施形態を示す模式的平面図であり、図８は図７におけるVIII−VIII部の模式的断面図を示す。

本実施形態では、図８に示すように電気配線テープＨ１３００を２段構成とし、上段に電極リード線Ｈ１１０７Ａを、下段に電極リード線Ｈ１１０７Ｂを配置している。そして電極リード線Ｈ１１０７Ａを電気配線テープ側から見て奥側にある共通配線Ｈ１１０６に接続し、電極リード線Ｈ１１０７Ｂを電気配線テープ側から見て手前側にある電極パッド上のバンプＨ１１０９に接続する。

この構成によれば、手前側に位置する電極パッドおよびバンプＨ１１０９の配設部位の上を通り越して電極リード線Ｈ１１０７Ａを共通配線Ｈ１１０６に接続することができるため、電極パッドＨ１１０７が密に配置されているインクジェット記録ヘッド用基板Ｈ１１００においても、電極パッド上のバンプと電極リード線とが接触する恐れを無くすことが可能である。

（その他）
なお、上記実施形態においては、電極リード線と電極パッドとの接続、および、電極リード線と共通配線との接続の方法の一例として超音波併用熱圧着法を挙げたが、他の接続方法を採るものでもよい。

また、上記実施形態において、共通配線は金めっきによって形成されたものとしたが、他の材質を使用してもよく、また所望の厚膜化が達成できるものであれば他の形成方法を採用してもよい。

さらに、上記実施形態では基板平面に対して直交する方向にインクを吐出する所謂サイドシュータ型のインクジェット記録ヘッドおよび該ヘッド用基板に本発明を適用した場合について説明した。しかし本発明は、基板に平行な方向にインク吐出を行う所謂エッジシュータ型のインクジェット記録ヘッドおよび該ヘッド用基板への適用を排除するものではなく、これに対しても有効に適用できるものである。

本発明の一実施形態に係る記録ヘッドを用いた記録ヘッドカートリッジの構成を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の分解斜視図である。 図１に示した記録ヘッドの分解斜視図である。 図２に示した記録素子ユニットの分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態によるインクジェット記録ヘッド用基板の模式的平面図である。 図４の基板における発熱部近傍を拡大して示す模式的平面図である。 図４の基板における電極パッド近傍の模式的平面図である。 本発明の第２の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド用基板の模式的平面図である。 図７におけるVIII−VIII部の模式的断面図である。 インクジェット記録ヘッドの一般的構成例を説明するために記録ヘッドの一部を破断して示す模式的斜視図である。 図１の記録ヘッドに用いられる従来の基板構成を説明するための模式的平面図である。 従来のインクジェット記録ヘッド用基板における電極パッド近傍の構成を示す模式的平面図である。

符号の説明

８０２ 発熱部
８０５ 記録素子基板（インクジェット記録ヘッド用基板）
９０２ａ,９０２ｂ 電源共通配線
９０３ 電極パッド
９０４ａ,９０４ｂ ＧＮＤ共通配線
Ｈ１００１ 記録ヘッド（インクジェット記録ヘッド）
Ｈ１１００ 記録素子基板（インクジェット記録用基板）
Ｈ１１０１ 電源共通配線
Ｈ１１０２ グランド共通配線（ＧＮＤ共通配線）
Ｈ１１０３ 発熱部列
Ｈ１１０５ 電極パッド
Ｈ１１０６ 共通配線
Ｈ１１０７Ａ、Ｈ１１０７Ｂ 電極リード
Ｈ１１０８ ロジック配線
Ｈ１３００ 電気配線テープ
Ｈ１９００ インクタンク

Claims (5)

1. 複数の記録素子と、該複数の記録素子を個別に駆動するための駆動回路と、前記複数の記録素子を共通に電源に接続するための共通電源配線と、前記複数の記録素子を共通にグランドに接続するための共通グランド配線と、前記駆動回路に駆動信号を付与するための、前記共通グランド配線より下層に配線される駆動信号配線と、所定方向に配列される複数の電極パッドと、を具える基板と、
   前記共通電源配線および前記共通グランド配線にそれぞれ接続される共通配線用の電極リード線と、前記電極パッドに接続される駆動回路用の電極リード線と、を備える配線部材と、を有するインクジェット記録ヘッドであって、
   前記駆動信号配線は前記電極パッドと接続される一方、前記共通電源配線および前記共通グランド配線は、複数の前記電極パッドの間を通過して延在する前記共通配線用電極リード線の複数と前記電極パッドを介さずに直接接続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. 前記共通電源配線および前記共通グランド配線は、前記記録素子の配列方向と平行に、それぞれ前記基板の異なる側端部近傍まで延在し、前記電極パッドは前記側端部に沿って配列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. 前記共通電源配線および前記共通グランド配線はめっきが施されて形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド。
4. 金めっきを施すことで前記共通電源配線および前記共通グランド配線が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のインクジェット記録ヘッド。
5. 前記共通配線用の電極リード線と前記駆動回路用の電極リード線とが、段差を持って前記配線部材に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。

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