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、記録媒体は記録用紙Pとして説明をする。また、記録用紙Pのインクジェット記録装置10における搬送方向を矢印PFで表す。また、図において、矢印UP、矢印LO、矢印PFが示されている場合は、それぞれ上方向、下方向、記録用紙搬送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。
インクジェット記録装置10は、図1に示すように、記録用紙を送り出す用紙供給部12と、記録用紙の姿勢を制御するレジ調整部14と、インク滴を吐出して記録用紙に画像形成する記録ヘッド部16と、記録ヘッド部16のメンテナンスを行なうメンテナンス部18とを備える記録部20と、記録部20で画像形成された記録用紙を排出する排出部22とから基本的に構成される。
用紙供給部12は、記録用紙が積層されてストックされているストッカ24と、ストッカ24から1枚ずつ取り出してレジ調整部14に搬送する搬送装置26とから構成されている。
レジ調整部14は、ループ形成部28と記録用紙の姿勢を制御するガイド部材29が備えられており、この部分を通過することによって記録用紙のコシを利用してスキューが矯正されると共に搬送タイミングが制御されて記録部20に進入する。
排出部22は、記録部20で画像が形成された記録用紙を排紙ベルト23を介してトレイ25に収納するものである。
記録ヘッド部16とメンテナンス部18の間には、記録用紙Pが搬送される用紙搬送路27が構成されている(搬送方向を矢印Hに示す)。スターホイール17と搬送ロール19とで記録用紙を挟持しつつ連続的に(停止することなく)搬送する。そして、この記録用紙Pに対して、記録ヘッド部16からインク滴が吐出され、記録用紙Pに画像が形成される。
メンテナンス部18は、インクジェット記録ユニット30に対して対向配置されるメンテナンス装置21で構成されており、インクジェット記録ヘッド32に対するキャッピングや、ワイピング、さらにダミージェットやバキューム等の処理を行うことができる。
図24に示すように、インクジェット記録ユニット30のそれぞれは、用紙搬送方向と直交する方向に配置された、支持部材31を備えており、この支持部材31に複数のインクジェット記録ヘッド32が取り付けられている。インクジェット記録ヘッド32には、マトリックス状に複数のノズル56が形成されており、記録用紙Pの幅方向には、インクジェット記録ユニット30全体として一定のピッチでノズル56が並んでいる。そして、用紙搬送路27を連続的に搬送される記録用紙Pに対し、ノズル56からインク滴を吐出することで、記録用紙P上に画像が記録される。なお、インクジェット記録ユニット30は、たとえば、いわゆるフルカラーの画像を記録するために、YMCKの各色に対応して、少なくとも4つ配置されている。
図25に示すように、それぞれのインクジェット記録ユニット30のノズル56による印字領域幅は、このインクジェット記録装置10での画像記録が想定される記録用紙Pの用紙最大幅PWよりも長くされており、インクジェット記録ユニット30を紙幅方向に移動させることなく記録用紙Pの全幅にわたる画像記録が可能とされている。ここで、印字領域とは、記録用紙Pの両端から印字しないマージンを引いた記録領域のうち最大のものが基本となるが、一般的には印字対象となる用紙最大幅PWよりも大きくとっている。これは、記録用紙が搬送方向に対して所定角度傾斜して(スキューして)搬送されるおそれがあること、また縁無し印字の要請が高いためである。
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は第1参考例の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3(A)はインクジェット記録ヘッド32の全体構成を示すものであり、図3(B)は1つの素子の構成を示すものである。また、図4(A)〜(C)はそれぞれの、図3の各部をA−A'線、B−B'線、C−C'線の断面にて示すものである。ただし、後述する流路基板72及びプール室部材39は省略している。さらに図5は、インクジェット記録ヘッド32を部分的に取り出して主要部分が明確になるように示す概略縦断面図である。
このインクジェット記録ヘッド32には、天板部材40が配置されている。本実施形態では、天板部材40を構成するガラス板製の天板41は板状で配線を有しており、インクジェット記録ヘッド32全体の天板となっている。天板部材40には、駆動IC60と、駆動IC60に通電するための金属配線90が設けられている。金属配線90は、樹脂保護膜92で被覆保護されている。
また、この駆動IC60の下面には、図6に示すように、複数のバンプ60Bがマトリックス状に所定高さ突設されており、天板41上の金属配線90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に対する高密度配線と低抵抗化が容易に実現可能であり、これによって、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。
駆動IC60の周囲は樹脂材58で封止されている。
天板部材40には、耐インク性を有する材料で構成されたプール室部材39が貼着されており、天板41との間に、所定の形状及び容積を有するインクプール室38が構成されている。プール室部材39には、インクタンクと連通するインク供給ポート36が所定箇所に穿設されており、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。
天板41には、後述する圧力室50と一対一で対応するインク供給用貫通口112が形成されており、その内部が第1インク供給路114Aとなっている。
また、天板41には、後述する上部電極54に対応する位置に、電気接続用貫通口42が形成されている。天板41の金属配線90は電気接続用貫通口42内にまで延長されてその電気接続用貫通口42の内面を覆い、さらに上部電極54に接触している。これにより、金属配線90と上部電極54とが電気的に接続され、圧電素子基板70の個別配線が不要になっている。なお、電気接続用貫通口42の下部は金属配線90によって閉塞された底部42Bとなっており、電気接続用貫通口42は、上方にのみ開放された以外は閉じた空間となっている。
流路基板72には、インクプール室38から供給されたインクが充填される圧力室50が形成され、圧力室50と連通するノズル56からインク滴が吐出されるようになっている。そして、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。
流路基板72の、ノズル56が形成された側と反対の面には、圧電素子基板70が貼着されており、圧力室50の1つの面を構成している。圧電素子基板70は振動板48を有しており、振動板48の振動によって圧力室50の容積を増減させて圧力波を発生させることで、ノズル56からのインク滴の吐出が可能になる。
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、ガラスで成形され、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、SUS等の金属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。
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。
さらに、低透水性絶縁膜(SiOx膜)80上には、隔壁樹脂層119が積層されている。図3に示すように、隔壁樹脂層119は、圧電素子基板70と天板部材40との間の空間を区画している。
隔壁樹脂層119には、天板41のインク供給用貫通口112と連通するインク供給用貫通口44が形成されており、その内部が第2インク供給路114Bとなっている。第2インク供給路114Bは、第1インク供給路114Aの断面積D1よりも小さい断面積D2を有しており、インク供給路全体での流路抵抗が所定の値になるように調整されている。これに対し、第1インク供給路114Aの断面積D1はD2よりも十分に大きくされており、第2インク供給路114Bでの流路抵抗と比べて実質的に無視できる程度とされている。すなわち、インクプール室38から圧力室50へのインク供給路114の流路抵抗は、第2インク供給路114Bのみで規定される。また、このように隔壁樹脂層119に形成したインク供給用貫通口44でインクを供給するようにしたことで、供給途中でのインク漏れが防止されている。
なお、隔壁樹脂層119には大気連通孔116が形成されており、インクジェット記録ヘッド32の製造時や画像記録時における天板41と圧電素子基板70との空間の圧力変動を低減している。
また、電気接続用貫通口42に対応する位置にも隔壁樹脂層118が積層されている。図3から分かるように、隔壁樹脂層118には、金属配線90が貫通する貫通孔120が形成されており、金属配線90の下端を上部電極54に接触可能としている。なお、図3では、隔壁樹脂層118と隔壁樹脂層119が分離された位置での断面としているが、これらは、実際には部分的に繋がっている。
隔壁樹脂層118、119によって、天板部材40と圧電素子46(厳密には、圧電素子46上の低透水性絶縁膜(SiOx膜)80)との間に間隙が構成され、空気層となっている。この空気層により、圧電素子46の駆動や振動板48の振動に影響を与たりしないようになっている。
そして、電気接続用貫通口42の内部には、金属配線90に接触するようにして、半田86が充填されている。実質的に、金属配線90が補強されて上部電極54に対する接触状態(電気的な接続状態)が向上されており、たとえば、熱ストレスや機械的ストレスなどによって接触状態が低下しそうになった場合でも、半田86によって接触状態が良好に維持される。
したがって、駆動IC60からの信号が、天板部材40の金属配線90に通電され、さらに金属配線90から上部電極54に通電される。そして、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。
隔壁樹脂層119と隔壁樹脂層118とは、その上面の高さが一定、すなわち面一になるように構成されている。したがって、天板41から測った隔壁樹脂層119と隔壁樹脂層118の対向面の高さ(距離)も同一になっている。これにより、天板41が接触する際の接触性が高くなり、シール性も高くなっている。
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〜図14を基に詳細に説明する。
図7に示すように、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よりも先に天板部材40が結合(接合)される。
図8−1(A)に示すように、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、ガラス基板のブラスト加工および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。なお、この段階では、貫通孔76Aが第1支持基板76を貫通しないようにしておく。
そして、図8−1(B)に示すように、スパッタリングによりGe層78を形成する。このGe層78は接着層及び界面剥離層として機能する。
次に、図8−1(C)に示すように、ガラス基板88を、たとえば加熱・加圧接合等(一例として、900℃、2kg/cm2で10分間)を用いて接合する。
さらに、図8−1(D)に示すように、ガラス基板88をエッチング(たとえばHFエッチング)する。ガラス基板88の薄膜化により、所定の厚さ(たとえば20μm)の振動板48が形成される。また、貫通孔76Aにより支持基板76を貫通させる。
その後、図8−1(E)に示すように、薄膜化されたガラス基板88を再度エッチングし(たとえばホトリソグラフィー法によるレジスト形成、HFエッチング、酸素プラズマによるレジスト剥離)、孔部88Hを形成する。
そして、図8−1(F)に示すように、スパッタリングにより、たとえば厚み0.5μm程度のAu膜62を成膜する。
次いで、図8−2(G)に示すように、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、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8−2(H)に示すように、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8−2(I)に示すように、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。下部およ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8−2(J)に示すように、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を積層する。そして、パターニングにより、上部電極54と金属配線90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、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。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8−2(K)に示すように、隔壁樹脂層119及び隔壁樹脂層118をパターニングする。具体的には、隔壁樹脂層119、隔壁樹脂層118を構成する感光性樹脂を塗布し、露光・現像することでパターンを形成し、最後にキュアする。このとき、隔壁樹脂層119にインク供給用貫通口44を形成しておく。なお、隔壁樹脂層119と隔壁樹脂層118とは、同一膜であるが、設計パターンが異なっている。
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、例えばガラス板を支持体とする天板部材40が結合(接合)される。なお、以下の図9−1及び図9−2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。
天板部材40の製造においては、図9(A)に示すように、天板部材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)の天板41を含んでいるので、別途支持体を設ける必要がない。
この天板41に、図9(B)に示すように、天板41にインク供給用貫通口112及び電気接続用貫通口42を形成する。具体的には、ホトリソグラフィー法で感光性ドライフィルムのレジストをパターニングし、このレジストをマスクとしてサンドブラスト処理を行って開口を形成した後、レジストを酸素プラズマにて剥離する。
なお、インク供給用貫通口112及び電気接続用貫通口42はいずれも、断面で見たとき内面が下方に向かって次第に接近するようにテーパ状(漏斗状)に形成されている。
このようにしてインク供給用貫通口112及び電気接続用貫通口42が形成された天板41(天板部材40)を、図10−1(A)に示すように、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。隔壁樹脂層119と隔壁樹脂層118とは面一(同一高さ)になるように構成されているので、天板41が接触する際の接触性が高くなり、高いシール性で接合することができる。
そして、図10−1(B)に示すように、天板41の上面に金属配線90を成膜してパターニングする。具体的には、スパッタ法によるAl膜(厚さ1μm)の着膜、ホトリソグラフィー法によるレジストの形成、H3PO4薬液を用いたAl膜のウェットエッチング、酸素プラズマによるレジスト剥離である。貫通口の段差は非常に大きいので、ホトリソグラフィー工程ではレジストのスプレー塗布法と長焦点深度露光法を用いている。このとき、金属配線90の一部が、電気接続用貫通口42の内面から、上部電極54へと達するようにパターニングしておく。これにより、電気接続用貫通口42の底部42Bが金属配線90で閉塞され、電気接続用貫通口42は、上方にのみ開放された以外は閉じた空間となる。また、金属薄膜を貫通口深部まで厚く成膜したい場合には、スパッタ法よりも段差被覆性の良好なCVD法を採用すればよい。
そして、このように金属配線90がパターニングされた電気接続用貫通口42内(上記の空間)に、図10−1(C)に示すように半田86を搭載する。半田86は、本発明の「流動性導電材」の一例であり、常温では固体であるが、加熱されると溶融して流動性を有するようになる。搭載の方法としては、半田ボール86Bを電気接続用貫通口42内に直接搭載する半田ボール法を用いることができる。また、図10−4(A)に示すように、インクジェットの原理を応用した加熱溶融半田吐出供給法を用いてもよく、この方法では、天板41と非接触で、且つマスクを用いることなく半田を所定の位置に供給できる。さらに、図10−4(B)に示すように、スクリーン印刷法を用いて半田を供給してもよい。いずれの供給方法であっても、電気接続用貫通口42は断面で見て内面が下方に向かって次第に接近するようにテーパ状(漏斗状)に形成されているので、半田が電気接続用貫通口42の内面に付着しやすい。なお、この段階では、半田86が電気接続用貫通口42の底部42Bの金属配線90に接触している必要はないが、接触していてもよい。
次に、図10−2(D)に示すように、半田86をリフロー(たとえば280℃で10分間)し、電気接続用貫通口42の底部42Bにまで行き渡らせる。このとき、電気接続用貫通口42の底部42Bには、溶融した半田が流れ出る経路がないので、高温の環境下で半田86を十分に溶融させて、電気接続用貫通口42の底部42Bまで確実に充填し、底部42Bの金属配線90と接触させることができる。その後、常温(室温)環境下に放置すれば、半田86は固化する。
また、この段階では、半田86が基板41の下面(金属配線90が形成されていない面)よりも、電気接続用貫通口42内に位置しており、電気接続用貫通口42内の金属配線90に確実に接触するようになっている。特に、金属配線90の底部、すなわち上部電極54と接触している部位は、金属配線90を構成しているAl膜が薄くなることがあり、しかも、隔壁樹脂層119の熱膨張等で機械的ストレスを受けて、金属配線90が断線しているおそれがある。しかし、このような場合でも、底部42Bに充填された半田86が、底部42Bと電気接続用貫通口42内の金属配線90を接続しているので、半田86による導通確保が可能となる。また、溶融した半田86が流れ出ないので、電気接続用貫通口42の近傍部分を半田86が不用意に短絡させてしまうこともない。
なお、この段階で溶融した半田86が、天板41の上面(厳密には、金属配線90の上面)よりも上方に位置しないように、充填する半田量はあらかじめ所定量に決められている。
次いで、図10−2(E)に示すように、金属配線90が形成された面に樹脂保護膜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、第1インク供給路114Aを樹脂保護膜92が覆わないようにする。なお、この樹脂保護膜92としても、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、耐インク性を有しておればよい。
さらに、図10−2(F)に示すように、金属配線90に駆動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。さらに、駆動IC60の周囲を樹脂材58で封止し、駆動IC60を水分等の外部環境から保護できるようにする。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。
そして、図10−3(G)に示すように、Ge層78をエッチング(たとえばH2O2による80℃、60分間の処理)によって除去し、第1支持基板76を剥離する。
以上により、図10−3(H)に示すように、天板部材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、天板部材40の天板41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)に示すように、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、ガラス基板のブラスト加工および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)に示すように、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)に示すように、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)に示すように、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)に示すように、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12−1(A)に示すように、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。接合時には、圧電素子基板70を、たとえば上方の図示しない保持部材と、下方の流路基板72とで挟むようにして接合する。このとき、半田86が、天板41の上面よりも上方に位置しないように調整することで、電気接続用貫通口42から突出しなくなるので、接合部分等に不用意な力が作用したり、接合に不具合が生じたりすることはなく、確実に接合できる。
そして次に、図12−1(B)に示すように、第2支持基板100の貫通孔100Aから有機エタノールアミン処理により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12−2(C)に示すように、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12−2(D)に示すように、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。
そして、図12−3(E)に示すように、天板部材40(天板41)の上面にプール室部材39を装着して、これらの間にインクプール室38を構成することにより、インクジェット記録ヘッド32が完成し、図12−3(F)に示すように、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。
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、ストッカ24から記録用紙Pが1枚ピックアップされ、搬送装置26により搬送される。
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からインク供給ポート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、インク供給路114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、記録用紙Pを搬送しながら、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、記録用紙P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、記録用紙Pに、画像データに基づく画像が完全に記録されたら、排紙ベルト23により記録用紙Pをトレイ25に排出する。これにより、記録用紙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や天板部材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90の長さが短くて済み、これによって、駆動IC60から圧電素子46まで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、天板41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、天板41の金属配線90が、樹脂保護膜92によって被覆されているので、インク110による金属配線90の腐食を防止することができる。
駆動IC60と上部電極54とは、天板41に形成された電気接続用貫通口42内の金属配線90で接続されるが、さらに電気接続用貫通口42内は半田86が充填されており、底部42B(図10−1(B)参照)が補強されている。このため、底部42Bへ熱ストレスや機械的ストレスが作用した場合でも金属配線90と上部電極54との接触状態を確実に維持できる。万が一、金属配線90が断線した場合であっても、半田86によって導通状態を確保できる。また、径が小さい電気接続用貫通口42に対しスパッタ法等の段差被覆性があまり良好でない成膜法を適用した場合には、図13に示すように、金属薄膜(金属配線90)が電気接続用貫通口42の上部領域にしか成膜されないことがある。しかし、このような場合でも本方法であれば半田86が上下の配線(金属配線90と上部電極54)を接続するので、導通状態を確実に確保できる。電気接続用貫通口42の微細化、すなわち、小径の電気接続用貫通口42が必要な場合には、このような接続形態を採ることもある。
また、天板41の裏面(下面)に、配線やバンプを形成することなく、天板部材40を圧電素子基板70とを電気的に接続できる。すなわち、天板41に対して片面(上面)のみに加工を施せばよいので、製造が容易になる。
しかも、たとえばバンプ等によって金属配線90と上部電極54とを電気的に接続する場合には、バンプの高さに大きなばらつきがあると接合が困難になることがあるが、本実施形態では、半田の量にばらつきがあっても、過分の半田は電気接続用貫通口42内に収容されるので、天板部材40と圧電素子基板70とを接合できる。半田量のばらつきのマージンを大きくとれるので、この点においても製造が容易になる。
また、金属配線90と上部電極54との接続部分では、実質的に、これら金属配線90と上部電極54、及び半田のみが存在しており、これらは高温耐性がある。このため、後工程(上記の製造過程では、流路基板72を接合する工程等)においても、加工方法や材料選択の自由度が高くなる。
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41によって支持されるので(天板41が支持体とされるので)、その剛性は確保される。
その他、上記実施形態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用紙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、記録用紙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、FWAを例に挙げたが、主走査機構と副走査機構を有するPartial Width Array(PWA)に本発明を適用してもよい。
次に、以下において、本発明の第2〜第7参考例のインクジェット記録ヘッドを説明する。これらのインクジェット記録ヘッドにおいて、第1参考例と同一の構成要素、部材等は同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
図14(C)には、本発明の第2参考例のインクジェット記録ヘッド132が示されている。第2参考例のインクジェット記録ヘッド132では、金属配線90が電気接続用貫通口42の内面には形成されているが底部42Bを閉塞しておらず、その下方において上部電極54には接触していない。そして、半田86が電気接続用貫通口42内の金属配線90と上部電極54に接触して、これらを電気的に接続している。なお、金属配線90は、図14(A)に示すように、電気接続用貫通口42内において、全周に渡って形成されていてもよいし、図14(B)に示すように、電気接続用貫通口42内で周方向に部分的にのみ形成されていてもよい。
この第2参考例のインクジェット記録ヘッド132の製造にあたっては、第1参考例と同様にして圧電素子基板70を製造するが、天板部材40の製造工程が、第1参考例と異なっている。すなわち、図15(A)に示すように、支持体となる程度の厚みを有する天板41に対し、図15(B)に示すようにインク供給用貫通口112及び電気接続用貫通口42を形成する点は第1参考例と同様であるが、その後、天板部材40を圧電素子基板70に接合する前に、図15(C)に示すように、天板41に金属配線90を形成する。このようにして得られた天板部材40を、図16−1(A)に示すように、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。
そして、図16−2(B)に示すように、電気接続用貫通口42内に半田を搭載する。この方法としては、第1参考例と同様に、半田ボール法、加熱溶融半田吐出供給法、スクリーン印刷法のいずれであっても適用できる。
次いで、図16−2(C)に示すように、半田をリフローすると、溶融した半田86が上部電極54に達する。
なお、上記の説明から分かるように、第2参考例のインクジェット記録ヘッド132の製造方法では、天板41に金属配線90を形成した後、圧電素子基板70と接合しており、この点において、天板41を圧電素子基板70と接合した後、天板41に金属配線90を形成した第1参考例のインクジェット記録ヘッド32の製造方法と異なっている。
このように、インクジェット記録ヘッドを製造するための各工程の順序は、最終的に所望の構成のインクジェット記録ヘッドが得られるのであれが限定されないが、特に、以下に示す4つの製造フローを例として挙げることができる。
(1)天板41と圧電素子基板70とを接合→金属配線90となる金属膜の成膜→金属膜のパターニング→半田充填
(2)天板41と圧電素子基板70とを接合→金属配線90となる金属膜の成膜→半田充填→金属膜のパターニング
(3)金属配線90となる金属膜の成膜→金属膜のパターニング→天板41と圧電素子基板70とを接合→半田充填
(4)金属配線90となる金属膜の成膜→天板41と圧電素子基板70とを接合→金属膜のパターニング→半田充填
(5)天板41と圧電素子基板70とを接合→半田充填→金属配線90となる金属膜の成膜→金属膜のパターニング
特に、上記(5)の製造工程の一部を、図18−1〜図18−3に示す。また、図17には、この製造工程によって得られた本発明の第3参考例のインクジェット記録ヘッド122を示す。
図18−1(A)に示すように、この製造工程では、図10−1(A)に示した製造工程と同様に、天板41(天板部材40)と圧電素子基板70とを熱圧着により結合(接合)するが、その後、金属配線90をパターニングする前に、図18−1(B)に示すように、電気接続用貫通口42内に半田86を搭載する。搭載方法としては、半田ボール86Bを電気接続用貫通口42内に直接搭載する半田ボール法の他、加熱溶融半田吐出供給法や、スクリーン印刷法を用いることができる。
次に、図18−2(C)に示すように、半田86をリフロー(たとえば280℃で10分間)し、電気接続用貫通口42の底部42Bにまで行き渡らせて、上部電極54に接触させる。
その後、図18−2(D)に示すように、天板41及び半田86の上面に金属配線90を成膜してパターニングする。
次いで、図18−2(E)に示すように、金属配線90が形成された面に樹脂保護膜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。
さらに、図18−3(F)に示すように、Ge層78をエッチング(たとえばH2O2による80℃、60分間の処理)によって除去し、第1支持基板76を剥離する。
以上により、図18−3(G)に示すように、天板部材40が結合(接合)された圧電素子基板70が完成する。この段階では、駆動IC60が搭載されていないが、たとえば、図10−2(F)に示した方法と同様にして、金属配線90に駆動IC60をフリップチップ実装すればよい。
以後は、図11〜図12−3に示した工程と同様の工程で、インクジェット記録ヘッド122が得られる。このインクジェット記録ヘッド122では、図17からも分かるように、半田86の上部にも金属配線90が形成される。
図19には、本発明の第4参考例のインクジェット記録ヘッド142が示されている。第4参考例では、複数の積層流路基板148と樹脂フィルム146とを積層した構造の流路基板144を用いている点が、第1参考例と異なっている。すなわち、流路基板144の構造に関係なく、半田86によって金属配線90と上部電極54との接合状態を良好に維持できる。なお、積層流路基板148としては、SUSを適用でき、これを振動板48として用いることも可能である。また、圧電素子46としては、バルクピエゾの接着接合法で形成してもよい。
図20には、本発明の第5参考例のインクジェット記録ヘッド152が示されている。第5参考例では、天板41に、第1参考例の駆動IC60に代えて薄膜トランジスタ(TFT)154が配設されて、天板部材40が構成されている。このように、天板41上に配設する部材としては限定されない。なお、天板部材40の製造方法としては、通常のTFTプロセスによって天板41(ガラス基板)上に薄膜トランジスタ154を配設した後、感光性ドライフィルムによるレジストをマスクとして、電気接続用貫通口42及びインク供給用貫通口112を形成し、その後、金属配線90を設ければよい。
図21には、本発明の第6参考例のインクジェット記録ヘッド162が示されている。第6参考例では、駆動IC60がインクプール室38の外に配置されており、インク110からより確実に保護できるようになっている。
図22には、本発明の第7参考例のインクジェット記録ヘッド172が示されている。第7参考例では、天板41とは別体で設けられたプリント配線基板174に駆動IC60が実装されており、プリント配線基板174と金属配線90とが、フレキシブルプリント配線板176で電気的に接続されている。なお、駆動IC60をフレキシブルプリント配線板176に実装してもよい。
図23(A)及び(B)には、本発明の第8参考例のインクジェット記録ヘッド182が部分的に示されている。第8参考例のうち、特に図23(A)に示す例では、電気接続用貫通口42の近傍の隔壁樹脂層118、119(図5参照)が形成されておらず、この点が第1参考例と異なっている。また、図23(B)に示す例では、電気接続用貫通口42の近傍の隔壁樹脂層118が形成されていない。このように、インクジェット記録ヘッドを構成する各層のうち一部が省略されているものであっても、本発明を適用できる。なお、第8参考例において、インクジェット記録ヘッドの全体構成は、第1〜第7参考例のいずれかと同様とされる。
上記では、本発明の電気接続基板を、インクジェット記録ヘッド内の基板として適用した例を挙げたが、本発明はこれに限定されず、複数の被接続部材を電気的に接続する場合に広く適用できる。以下では、インクジェット記録ヘッド以外への本発明の適用例を示す。
図24には、本発明の第1実施形態に係る基板積層体212が示されている。第1実施形態の基板積層体212では、回路218及び金属配線220が絶縁保護膜222又は樹脂保護膜224で保護されたICチップとしての第1基板(下部基板)214の上に、同じく回路228及び金属配線230が絶縁保護膜232、233及び樹脂保護膜234で保護されたICチップとしての第2基板(上部基板)216が積層されており、全体として基板積層体212は2層構造とされている。
第2基板216には電気接続用貫通口236が形成されており、貫通配線238が金属配線230から電気接続用貫通口236の内面を経て、第1基板214の金属配線220へと達している。電気接続用貫通口236内には半田240が充填されて底部236Bが補強されているので、底部42Bへ熱ストレスや機械的ストレスが作用した場合でも金属配線220と貫通配線238との接触状態を確実に維持できる。また、底部42Bにおいて貫通配線238が断線した場合であっても、半田240によって第1基板214の金属配線220との導通状態を確保できる。
なお、第2基板216には、樹脂保護膜234の一部が開口されて貫通配線238が露出しており、外部端子接続パッド250とされている。
図25〜図27―2には、第1実施形態の基板積層体212の製造工程が示されている。
まず、第1基板214の製造では、図25(A)に示すようにSi基板242を用意し、その上にいわゆるLSIプロセスを行って図25(B)に示すように回路218及び金属配線220を形成すると共に、絶縁保護膜222でこれらを保護する。そして、図25(C)に示すように、感光性樹脂によって樹脂保護膜224を形成する。
次に、第2基板216を製造する。図26−1(A)に示すように、Si基板242を用意し、その上にいわゆるLSIプロセスを行って、図25−1(B)に示すように回路228及び金属配線230を形成すると共に、絶縁保護膜232でこれらを保護する。そして、図26−1(C)に示すように、ホトリソグラフィー法で感光性ドライフィルムのレジスト244を形成する。
さらに、図26−1(D)に示すようにサンドブラスト処理によって電気接続用貫通口236を形成した後、図26−2(E)に示すようにレジスト244を剥離し、さらに図26−2(F)に示すように、プラズマCVD法でSi酸化膜(SiOx膜)を着膜させて絶縁保護膜232を形成する。この絶縁保護膜232に対し、ホトリソグラフィーによるレジスト形成・RIE法によるエッチング・レジスト剥離を順次行い、図26−2(G)に示すように、絶縁保護膜232をパターニングする。
そして、図27−1(A)に示すように、第1基板214上に第2基板216を搭載し、熱圧着(一例として、350℃、2kg/cm2で20分間)にてこれらを接合した後、図27−1(B)に示すように、貫通配線238をパターニングする。具体的には、スパッタ法によるAl膜(厚さ1μm)の着膜、ホトリソグラフィー法によるレジストの形成、H3PO4薬液を用いたAl膜のウェットエッチング、酸素プラズマによるレジスト剥離である。貫通口の段差は非常に大きいので、ホトリソグラフィー工程ではレジストのスプレー塗布法と長焦点深度露光法を用いている。このとき、貫通配線238の一部が、電気接続用貫通口236の内面から、第1基板214の金属配線220へと達するようにパターニングしておく。これにより、電気接続用貫通口236の底部42Bが貫通配線238で閉塞され、電気接続用貫通口236は、上方にのみ開放された以外は閉じた空間となる。この空間に、図27−1(C)に示すように半田240を搭載する。この方法としては、図示した半田ボール240Bを使用する半田ボール法のほか、加熱溶融半田吐出供給法やスクリーン印刷法を用いることができる。
次に、図27−2(D)に示すように、半田240をリフロー(たとえば280℃で10分間)し、電気接続用貫通口236の底部にまで行き渡らせる。このとき、電気接続用貫通口236の底部42Bには、溶融した半田が流れ出る経路がないので、高温の環境下で半田を十分に溶融させて、電気接続用貫通口236の底部42Bまで確実に充填することができる。
最後に、図27−2(E)に示すように、感光性樹脂をパターニングして樹脂保護膜234を形成し、第1実施形態の基板積層体212が得られる。
なお、第1実施形態では、図24に示した2層構造のものだけでなく、図28に示すように、第1基板214上に複数の第2基板216を積層した多層構造とすることも可能である。
また、貫通配線238が電気接続用貫通口236の底部42Bを閉塞している必要はなく、図29に示すように、半田240が電気接続用貫通口236の底部42Bにおいて金属配線220に接触する構成でもよい。
図30には、本発明の第2実施形態に係る基板積層体312が示されている。第2実施形態の基板積層体312では、第1集積回路318及び第1配線320が実装されると共に第1配線320が絶縁保護膜322又は樹脂保護膜324で保護された第1プリント配線基板314の上に、第2集積回路328及び第2配線330が実装されると共に、第2配線330が絶縁保護膜332で、第2集積回路328が絶縁保護膜334でそれぞれ保護された第2プリント配線基板316が積層された2層構造とされている。
第2プリント配線基板316には電気接続用貫通口336が形成されており、貫通配線338が第2配線330から電気接続用貫通口336の内面を経て、第1プリント配線基板314の第1配線320へと達している。電気接続用貫通口336内には半田340が充填されて底部336Bが補強されており、底部336Bへ熱ストレスや機械的ストレスが作用した場合でも第1配線320と貫通配線338との接触状態を確実に維持できる。また、底部336Bにおいて貫通配線338が断線した場合であっても、半田340によって導通状態を確保できる。
図31〜図33−2には、第2実施形態の基板積層体312の製造工程が示されている。
まず、第1プリント配線基板314の製造では、図31(A)に示すように支持体基板342を用意し、Cuの第1配線320と、ポリイミドの絶縁保護膜322を形成する。そして、図31(B)に示すように、第1集積回路318をフリップチップ実装し、さらに図31(C)に示すように、感光性樹脂によって樹脂保護膜324を形成する。
次に第2プリント配線基板316を製造する。図32(A)に示すように、あらかじめ電気接続用貫通口336が形成された支持体基板344を用意し、Cuの第2配線330と、ポリイミドの絶縁保護膜322を形成する。そして、図32(B)に示すように、第2集積回路328をフリップチップ実装し、さらに図32(C)に示すように、プラズマCVD法でSi酸化膜(SiOx膜)を着膜させて絶縁保護膜334を形成する。この絶縁保護膜334に対し、ホトリソグラフィーによるレジスト形成・RIE法によるエッチング・レジスト剥離を順次行い、図32(D)に示すように、絶縁保護膜334をパターニングする。
そして、図33−1(A)に示すように、第1プリント配線基板314上に第2プリント配線基板316を搭載し、熱圧着(一例として、250℃、10kg/cm2で20分間)にてこれらを接合した後、図33−1(B)に示すように、貫通配線338をパターニングする。具体的には、スパッタ法によるAl膜(厚さ1μm)の着膜、ホトリソグラフィー法によるレジストの形成、H3PO4薬液を用いたAl膜のウェットエッチング、酸素プラズマによるレジスト剥離である。貫通口の段差は非常に大きいので、ホトリソグラフィー工程ではレジストのスプレー塗布法と長焦点深度露光法を用いている。このとき、貫通配線338の一部が、電気接続用貫通口336の内面から、第1プリント配線基板314の第1配線320へと達するようにパターニングしておく。これにより、電気接続用貫通口336の底部336Bが貫通配線338で閉塞され、電気接続用貫通口336は、上方にのみ開放された以外は閉じた空間となる。この空間に、図33−2(C)に示すように半田340を搭載する。この方法としては、図示した加熱溶融半田吐出供給法のほか、半田ボール法やスクリーン印刷法を用いることができる。
次に、図33−2(D)に示すように、半田340をリフロー(たとえば280℃で10分間)し、電気接続用貫通口336の底部にまで行き渡らせる。このとき、電気接続用貫通口336の底部336Bには、溶融した半田が流れ出る経路がないので、高温の環境下で半田を十分に溶融させて、電気接続用貫通口336の底部336Bまで確実に充填することができる。
以上により、第2実施形態の基板積層体312が得られる。
なお、第2実施形態においても、図30に示した2層構造のものだけでなく、図34に示すように、第1プリント配線基板314上に、複数の第2プリント配線基板316を積層した多層構造とすることが可能である。
また、第2実施形態においても、貫通配線338が電気接続用貫通口336の底部336Bを閉塞している必要はなく、図35に示すように、半田340が電気接続用貫通口336の底部336Bにおいて、第1配線320に接触する構成でもよい。
上記各実施形態では、基板上に搭載する部品として、駆動IC、回路、集積回路等を挙げたが、これら以外にも、各種の機能素子を搭載し、いわゆるMEMS(Micro Electro Mechanical System)パッケージとして使用できる。機能素子としては、静電モーターや可動ミラー等の各種マイクロアクチュエーターや圧力センサー等の各種マイクロセンサー、さらに受光素子や面発光ダイオード等の各種受発光素子を挙げることができる。この場合、図36に示すように、機能素子416及び配線418が絶縁保護膜420や樹脂保護膜422、424等で保護された基板412上に、硬質板状の保護基板414を積層すれば、機能素子416を外界からの異物(たとえば、加工工程での切削片や水分等)から保護できる。特に、機能素子416が受発光素子である場合には、保護基板414として光を透過するもの(透明なガラス板あるいは樹脂板)とすれば、受光や発光に影響が出ないので好ましい。いずれの構成であっても、保護基板414の貫通口426内の貫通配線428と、半田430によって、機能素子416に対する信号の送受信や電力供給等を行うことができる。
また、上記いずれの実施形態においても、電気接続用貫通口42、236、336をテーパ状(漏斗状)に形成することで、開口部が広くなり、薄膜形成時の段差被覆性が改善するので、これら貫通口内の金属配線膜を深部まで厚く形成することができる。これにより半田が貫通口の上方部まで充填されなくても、下層部の金属配線膜が半田と接触するために良好な電気接続を実現できる。たとえば、図37(A)に示す段付きの電気接続用貫通口442や、図37(B)に示すように、この段が多数形成された階段状の電気接続用貫通口444であってもよい。このような段階形状は例えば感光性ガラスの多重露光法等で実現できる。また、図37(C)に示すように、電気接続用貫通口446のように、内面が傾斜すると共に外側に凸に湾曲しているもの、あるいは、図37(D)に示す電気接続用貫通口448のように内側に凸に湾曲しているものでもよい。このような形状は例えばガラス基板のウェットエッチング法(特に、図37(C)に示す形状)やガラス基板のレーザー加工(特に、(図37(D)に示す形状)で実現できる。
本発明に係る流動性導電材料としても、上記した半田に限定されず、溶融金属、導電性ペースト(金属ペースト)、導電性接着剤等を挙げることができる。これらの材料に求められる抵抗率は、素子に要求される特性に応じて異なってくるため、コストや工程マッチング(耐熱温度等)を考慮して適宜選択すればよい。
なお、上記では、本発明の液滴吐出ヘッドとして、ブラック、イエロー、マゼンタ、シアンの各色のインク滴を吐出するインクジェット記録ヘッドを挙げ、液滴吐出装置としても、インクジェット記録ヘッドを備えたインクジェット記録装置を挙げたが、本発明の液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置は、記録用紙P上へ画像(文字を含む)を記録するものに限定されない。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したりする等、工業用に用いられる液滴吐出装置全般が広く含まれる。
また、これらの液滴吐出装置では、FWAに限らず、主走査機構と副走査機構を有するPartial Width Array(PWA)に本発明を適用してもよい。