JP5679713B2 - 液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、インク等の液体を吐出して記録動作を行う液体吐出ヘッドおよびその製造方法に関するものである。

近年、インクジェット記録装置においてはさらなる高速記録の要求により、インクジェット記録装置に用いられる液体吐出ヘッドの幅を紙などの被記録媒体の幅と同等にする、いわゆるフルライン型の液体吐出ヘッドの検討が進んでいる。

このようなフルライン型の液体吐出ヘッドとして特許文献１の図１には、インクを吐出するためのエネルギー発生素子や吐出口を備える素子基板を複数備えた構成が開示されている。このような液体吐出ヘッドの構成としては、支持部材上に複数の素子基板とフレキシブルな配線基板とが設けられ、配列された複数の素子基板と配線基板とを電気的に接続するものである。この配線基板は、素子基板に対して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、素子基板を組み込むための開口部を有し、支持部材の主面に接着固定されている。このようにフルライン型の液体吐出ヘッドにおいては、複数の素子基板と比較的大面積の配線基板とを電気接続するが、その際に、製造工程や記録時に受ける熱の影響により配線基板は膨張および収縮する場合がある。このような配線基板の膨張および収縮の影響により素子基板と配線基板との電気接続が切断されることを軽減するために配線基板と素子基板とを金等のワイヤーを用いた所謂ワイヤーボンディング技術により電気的に接続することが好ましい。

特開２００７−２９６６３８

このようなフレキシブルな配線基板は柔軟性をもたせるために薄い材料で構成されている。このように厚みの薄い配線基板を支持部材に接着し、素子基板とのワイヤーボンディングを行ったところ以下の課題を見出した。

配線基板と支持部材との間に設けた接着剤の量が多い場合、両者を接着するために配線基板を支持部材に押圧した際に、接着剤が両者の間からはみ出して配線基板の上面にはい上がる場合があった。配線基板の厚みは例えば０．１５ｍｍ程度と非常に薄いので、接着剤が配線基板の開口部の端面を這い上がり、配線基板の電極端子を伝わって、ボンディングを行うためのワイヤーのボンディングポイントまで広がる場合があった。このようにボンディングポイントを接着剤が覆ってしまうとその後のワイヤーボンディングに影響が及んでしまう。

またこのような接着剤のはみ出しを考慮して接着剤の塗布量を少なくした場合、接着剤が配線基板の開口部の縁まで広がらず、配線基板と支持部材との間に接着剤がない空間が形成されてしまう場合がある。このような空間がボンディングポイントの近傍にあると、ワイヤーボンディングの際に超音波エネルギーが空間部で分散してしまいワイヤーボンディングに影響がでてしまう場合があった。以上のような影響を考慮すると接着剤の塗布量を厳密に管理する必要があるが、そのような厳密な管理は製造工程において生産性を悪化させることにもつながり好ましくない。

また、インクジェット記録において、液体吐出ヘッドの吐出口面と被記録媒体である紙との間隔（紙間距離）が小さいほうが、吐出される液滴の着弾精度が向上する高画質記録の為には好適である。しかしながら上述したようなワイヤーボンディングによる電気接続は、そのワイヤーが円弧形状を有するため、紙間距離が大きくなる傾向にある。

そこで本発明は、液体吐出ヘッドと紙との間隔の増大を抑制しつつ、配線基板と支持部材の接着を良好に行い、信頼性の高い素子基板と配線基板のワイヤーボンディングによる液体吐出ヘッドの提供を目的とするものである。

吐出口から液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子を備える素子基板と、接着剤を介して前記記録素子基板を支持する支持部材と、前記素子基板を収容する開口を備え、該開口の内面が前記素子基板の側端部と隣接するように前記支持部材上に接着剤を介して設けられた、複数のシートを貼り合わせた積層構造からなるシート部材と、前記素子基板を収容する開口を備え、該開口の内面が前記素子基板の側端部と隣接するように前記シート部材上に接着剤を介して設けられ、前記エネルギー発生素子と電気的に接続された配線を備える配線基板と、前記配線基板と前記素子基板との電気接続部を封止する封止材と、を具備する液体吐出ヘッドであって、
前記配線基板の前記シート部材と接する面とは逆の面の前記支持部材に対する高さは、前記素子基板の前記支持部材と接する面とは逆の面の前記支持部材に対する高さよりも低いことを特徴とする。

以上の構成によれば、液体吐出ヘッドと紙との距離の増大を抑えつつ、素子基板と配線基板とを安定したワイヤーボンディングによる接続が可能となり、信頼性の高い液体吐出ヘッドの提供が可能となる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態の液体吐出ヘッドの一部の断面図、（ｂ）はワイヤーボンディング部を示す液体吐出ヘッドの一部の斜視図。 （ａ）は本発明の第２の実施形態の液体吐出ヘッドの一部の断面図、（ｂ）はワイヤーボンディング部を示す液体吐出ヘッドの一部の斜視図。 液体吐出ヘッドの分解斜視図。 本発明の第２の実施形態の変形例を示す液体吐出ヘッドの断面図。 本発明の第３の実施形態の変形例を示す液体吐出ヘッドの断面図。

（第１の実施形態）
はじめに本発明のインクジェット液体吐出ヘッド（以下、液体吐出ヘッドとも称す）の全体構成を図３の分解斜視図を用いて説明する。図３に示すように本発明の第１の実施形態の液体吐出ヘッドは主として、配線基板１３００、シート部材１７００、素子基板１１００、支持部材１２００、フィルター部材１６００から構成される。

以下、各構成を詳細に説明する。素子基板１１００には、インク等の液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子、およびインクを吐出する吐出口等が形成されており、支持部材１２００上に位置決めされて設けられている。本実施形態においては、４枚の素子基板１１００が支持部材の上面に千鳥状に配列されており、紙等の記録媒体の幅と同等の幅を有する、所謂フルライン型の液体吐出ヘッドを構成している。本実施形態において素子基板１１００は、０．６〜０．８ｍｍ程度の厚みのＳｉ基板からなり、素子基板の端部近傍の表面には後述する配線基板と電気的な接続を行う電極１１０３（図１）が形成されている。

支持部材１２００はアルミナ等のセラミックス材料からなり、素子基板１１００にインクを供給するためのインク供給口１２０１が形成され、第１の接着剤１２０２により素子基板１１００が接着固定される。

配線基板１３００は、厚みが０．０２５〜０．０５０ｍｍのポリイミド樹脂フィルムの表裏両面に、厚みが０．０１〜０．０２ｍｍの銅の配線体がパタ−ニングされており、素子基板１１００が組み込まれる開口１３０６が形成されている。本実施形態の配線基板１３００は、支持部材１２００側に形成される第一層と、支持部材側とは反対の配線基板１３００の表面側に形成される第二層との２層の積層構造からなる。第一層の構成としては、支持部材１２００側から順に、４μｍ程度のアラミド樹脂からなるカバーフィルム、接着剤層を介して２０μｍ程度の銅からなる配線層、接着剤層を介して２５μｍ程度のポリイミド樹脂からなるベースフィルムにより構成されている。このようなフレキシブルな配線基板１３００の開口１３０６の端部（縁部）には、素子基板１１００と電気的な接続を行うための電極端子１３０２が形成されている。この電極端子１３０２と、記録装置の電気接点と接続される外部信号入力端子１３０１とが配線により電気的に接続されている。配線基板１３００は、電極端子１３０２となる部分以外は防食のため厚みが０．００４〜０．０５０ｍｍの樹脂フィルムで被覆されている。また電極端子１３０２には腐食防止のため金メッキが施されている。

本液体吐出ヘッドにおいて、複数の素子基板１１００は支持部材上の決められた位置に配置、固定され、配線基板１３００はその電極端子が素子基板１１００の電極と位置合わせされ、熱圧着などの方法により、シート部材１７００を介して支持部材に接着固定される。その後、素子基板１１００の電極端子と配線基板の電極端子とは金ワイヤーによるワイヤ−ボンディングにより電気接続される。その後ワイヤ−ボンディング部は封止材１３０５により封止され保護される。

次に図１および図３を用いて本実施形態における特徴的な部分を詳細に説明する。本実施形態では配線基板１３００と支持部材１２００との間にシート部材１７００を設けている。このシート部材１７００には素子基板１１００を収容及び露出させるための開口１７０２が形成されており、配線基板１３００の開口１３０６と対応する位置、大きさとなっている。つまり、シート部材の開口の内面と素子基板の側端部とが隣接するように形成されている。図１に示すように、このシート部材１７００の厚みは、支持部材１２００の上面に対して、素子基板１１００の上面に形成された電極１１０３と配線基板１３００の上面に形成された電極端子１３０２との高さの差ｈが０．３ｍｍ程度となる厚さとした。またシート部材１７００の材料は、配線基板を形成している部材と同じポリイミドフィルムを複数貼り合わせたものとした。このシート部材１７００の材料は、熱による線膨張の差による剥がれやしわの発生を抑えるために、配線基板を形成している材料と同じ材料が望ましいが、これに限られず線膨張率が同程度の材料を使用してもよい。また複数のフィルムを貼り合わせたものではなく、単一の板材を使用してもよい。

次にシート部材１７００の作用について説明する。配線基板１３００と支持部材１２００とを直接接着する場合、接着剤の量が多すぎると配線基板の電極端子部に接着剤があふれ出しワイヤーボンディングの障害となる。また、接着剤が少なすぎると配線基板とシート部材の間に隙間が発生し、この隙間でボンディング時の超音波エネルギーが分散してしまいワイヤーボンディングの障害となる。

次にシート部材が接着された配線基板を、支持部材１２００上に接着固定する際の効果は以下のとおりである。配線基板１３００を接着する接着剤１２０３の塗布量が多すぎると、接着剤の一部がシート部材の開口１７０２内にはみ出す。しかし、シート部材の厚みは０．３ｍｍ程度あるため、はみ出した接着剤１２０４は配線基板の上面に上がってくることなく、配線基板の裏側に留まる。そのため、あふれ出た接着剤がワイヤー１３０３のボンディングポイント１２０６に広がることを抑制できる。また、接着剤の塗布量が少なすぎた場合は、接着剤１２０３がシート部材の開口端部まで広がらず、シート部材の下に空間が発生する可能性がある。しかしながら、配線基板に比べて厚みが厚く、剛性の高いシート部材により、ワイヤーボンディング時のエネルギーを受けやすくなり、ワイヤー接続性が向上する。したがって、接着剤１２０３の塗布量の許容範囲が広がり、製造工程が安定する。

（第２の実施形態）
次に第２の実施形態について図２を用いて説明する。図２において図１の第１の実施形態と異なる点は、配線基板１３００の素子基板１１００側の端面が、全周に渡ってシート部材１７００の端面に対して素子基板側に張り出している点である。本実施形態では、シート部材の開口に対して、配線基板の端面が０．３ｍｍ突出して張り出している。このような構成により、シート部材と支持部材との間の接着が溢れ出したとしても配線部材が張り出しているため、接着剤が配線部材の上面に上がってくることを、さらに効果的に抑制できる。

また前述のように、シート部材と配線基板とを互いに接着したものを、支持部材上に貼りつける製造方法とは別に、図４に示すように、シート部材１７００、配線基板１３００を個別に支持部材１２００上に積層することも可能である。この場合はまず、支持部材上にシート部材を接着固定する。シート部材には電極端子がないためシート部材の開口に接着剤１２０４がはみだしても許容できる。よって接着剤１２０３を多めに塗布することが可能となる、シート部材接着面の接着剤充填不足による空間の発生が防止できる。そして、接着剤１２０３を硬化させた後に配線基板をシート部材上に接着固定する。このとき配線基板の開口１３０６はシート部材の開口１７０２より小さいため、つまり配線基板がシート部材に対して張り出しているため、接着剤がシート部材の開口部にはみ出す程度の量の接着剤を塗布することができる。はみ出した接着剤はシート部材の開口側に落ちるため、配線基板の電極端子に接着剤が広がることを抑制できる。

また、本発明ではシート部材の厚みは、素子基板の電極部の高さよりも配線基板の端子部の高さが低くなるようにしている。つまり、シート部材と配線基板とを合わせた厚みが素子基板の厚みより小さくなるように、シート部材の厚みを選択している。インクジェットの液体吐出ヘッドは、吐出口と紙等のメディアの間隔が狭いほどインクの着弾精度がよく、印字品位が向上する。配線基板の高さは、吐出口が設けられた面と同等の高さに設定することも可能であるが、メディアとの間隔を狭くするためには、金ワイヤーを吐出口面とほぼ平行に直線的に形成する必要がある。その場合、素子基板の電極１１０３と配線基板の電極端子１３０２、そして、両者をつなぐ金ワイヤー１３０３がほぼ一直線上に配置される。そのように形成された金ワイヤー１３０３は温度変化が生じた場合、各部材の線膨脹差を吸収しきれずに接続部が外れ、電気不良を起こしてしまう恐れがある。したがって、素子基板の電極の高さよりも配線基板の電極端子の高さが低くなるようにシート部材の厚みを設定することにより、金ワイヤーが吐出口面よりも大きくはみ出さない範囲で長さに余裕のある形状を形成できる。そのため、線膨脹差による電気接続部の外れを防止することが可能となり信頼性が向上する。

次にワイヤーボンディング部の封止について説明する。本実施形態においては、素子基板と配線基板の電気接続部は二種類の封止材にて封止を行っている。一つは電気接続部であるワイヤーの裏側を封止するもので、もう一つはワイヤーの表側を封止するものである。裏側の封止は３０Ｐａ・Ｓ以下の低粘度封止材１３０４を用いて、素子基板と配線基板およびシート部材で形成される隙間に封止材を塗布する。金のワイヤーのある両辺は金ワイヤー下の空間が満たされない程度に少なく封止材を塗布するか、もしくは、塗布を行わず、金ワイヤーのない両辺に多めに塗布し、その部分から金ワイヤー下に自然に流れ込ませて充填する。シート部材により素子基板の周囲に十分な深さの溝が形成されるため、その溝を伝って金ワイヤー下に封止材が流れ込みやすくなる。また、シート部材の厚みによりシート部材がないときに比べ金ワイヤーの形状における高低差が減少する。そのため、充填される低粘度の封止材が自重で周囲に漏れだしたり、上側にある素子基板の電極部まで届かず、金ワイヤー下に空間が残ってしまうという可能性が減る。また、金ワイヤー間でメニスカスを張って封止材が留まりやすくなる。従来の構成においては、金ワイヤーの下の空間を低粘度の封止材で全て埋めようとすると、周囲に漏れ出してしまう恐れがあった。そのような場合、漏れ出した封止材により次工程の封止材が滑り安定して塗布できないため、次工程の前に該低粘度封止材を硬化させる必要があった。また、金ワイヤーの下に空間が残ってしまう場合においては、次工程の封止材の塗布速度を落とし、金ワイヤーの裏まで回り込むようにゆっくり塗布する必要があった。しかし本構成により、このような工程時間を延ばす要因も解決することが可能となる。塗布する封止材１３０４の量は、金ワイヤー間で封止材がメニスカスを張り、金ワイヤー裏が満たされる程度とする。そして、金ワイヤーのない両辺では素子基板と配線基板およびシート部材で形成される溝が満たされる程度の量とする。そうすることにより、図３に示すように、金ワイヤーの裏側以外の周囲をあまり封止材で濡らすことなく、次の封止材の塗布工程に移ることができる。低粘度封止材の塗布や金ワイヤー裏への充填の際には、支持部材を５０℃程度に加温することにより、気泡の抱き込みを防止しスムーズに流れ込ませることができる。

そして、次の工程では、金ワイヤーの表側を含む電気接続部に、７０Ｐａ・Ｓ以上の高粘度の封止材１３０５を塗布し封止を行う。低粘度封止材１３０４は金ワイヤーでメニスカスを張り、周囲にはあまり広がらないので、低粘度封止材が充填されている溝以外は、ほぼドライの状態である。よって、高粘度封止材１３０５が低粘度封止材によって滑ることなく、配線基板や素子基板上に塗布される。したがって、低粘度封止材を事前に硬化させる工程は不要となり製造タクトを向上できるので好ましい。このように塗布した低粘度封止材と高粘度封止材を同時に加熱処理することにより硬化させ、製造工程を短縮することができる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態の液体吐出ヘッドを説明する断面図である。本実施形態は、図５の断面図に示すように、支持部材１２００の素子基板との接着面１２０７と、シート部材との接着面１２０８の高さを段違いにし、シート部材の接着面を素子基板の接着面の高さより、さらに低くしたものである。

このようにシート部材の接着面の高さを低くすることで、シート部材１７００の厚みの自由度が増し剛性を調整することができる。また、素子基板の電極１１０３と配線基板の電極端子１３０２の段差ｈを調整しやすくなる。段差ｈは、低粘度封止材１３０４を充填した際に金ワイヤー１３０３間でメニスカスを張ることができる範囲であればよい。温度変化が生じた場合、段差ｈが大きいほど、素子基板１１００と配線基板１３００の線膨脹方向に対して金ワイヤー１３０３の長さに余裕があるため、電気接続部が外れにくくなる。

以上の構成によれば、シート部材の厚みを増し、剛性を高めることができるので、ワイヤーボンディングにおける電気接続の信頼性を向上することが可能となる。また、金ワイヤーの長さに余裕を持たせることができるため、温度変化に対する電気的信頼性を向上させることが可能となる。

なお、本発明は、一般的なプリント装置のほか、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリント部を有するワードプロセッサ等の装置、さらには、各種処理装置と複合的に組み合わされた産業用記録装置に適用することができる。

１０００ 液体吐出ヘッド
１１００ 電極
１２００ 支持部材
１２０１ インク供給口
１２０２ 第１の接着剤
１２０３ 第２の接着剤
１２０４ はみ出した接着剤
１２０６ ボンディングポイント
１２０７ 素子基板の接着面
１２０８ シート部材の接着面
１３００ 配線基板
１３０１ 外部信号入力端子
１３０２ 電極端子
１３０３ 金ワイヤー
１３０４ 第１の封止材
１３０５ 第２の封止材
１３０６ 開口
１５００ インク供給部材
１６００ フィルター部材
１６０１ 第４の接着剤
１７００ シート部材
１７０１ 接着フィルム
１７０２ 開口

Claims (10)

1. 吐出口から液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子を備える素子基板と、
   接着剤を介して前記記録素子基板を支持する支持部材と、
   前記素子基板を収容する開口を備え、該開口の内面が前記素子基板の側端部と隣接するように前記支持部材上に接着剤を介して設けられた、複数のシートを貼り合わせた積層構造からなるシート部材と、
   前記素子基板を収容する開口を備え、該開口の内面が前記素子基板の側端部と隣接するように前記シート部材上に接着剤を介して設けられ、前記エネルギー発生素子と電気的に接続された配線を備える配線基板と、
   前記配線基板と前記素子基板との電気接続部を封止する封止材と、
   を具備する液体吐出ヘッドであって、
   前記配線基板の前記シート部材と接する面とは逆の面の前記支持部材に対する高さは、前記素子基板の前記支持部材と接する面とは逆の面の前記支持部材に対する高さよりも低いことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記支持部材の前記シート部材との接着面は、前記支持部材の前記素子基板との接着面よりも低い位置に形成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. 前記配線基板の前記開口を形成する側端部は、前記シート部材の前記開口を形成する側端部に対して、前記素子基板側に張り出していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記支持部材には複数の前記素子基板が配列されており、前記配線基板には複数の前記素子基板を収容する複数の開口部を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
5. 吐出口から液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子を備える素子基板と、
   前記素子基板を接着剤を介して支持する支持部材と、
   前記素子基板を収容する開口を備え複数のシートを貼り合わせた積層構造からなる、前記支持部材上に設けられたシート部材と、
   前記素子基板を収容する開口を備え、前記エネルギー発生素子と電気的に接続された配線を備える配線基板と、
   を具備する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
   素子基板の側端部とシート部材の開口の内面とが隣接するように前記素子基板と前記シート部材とを支持部材上に接着する工程と、
   配線基板の開口の内面が前記素子基板の側端部と隣接するように接着剤を介して前記シート部材上に設けられた前記配線基板と、前記素子基板と、を電気接続する工程と、
   を有し、
   前記配線基板の、前記シート部材と接する面とは逆の面の前記支持部材に対する高さは、前記素子基板の、前記支持部材と接する面とは逆の面の前記支持部材に対する高さよりも低いことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
6. 前記支持部材上に設けられた前記シート部材に対して前記配線基板を接着することを特徴とする請求項５に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
7. 前記シート部材と前記配線基板とを接着した後に、前記シート部材を前記支持部材に接着することを特徴とする請求項５に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
8. 前記配線基板の前記開口を形成する側端部は、前記シート部材の前記開口を形成する側端部に対して、前記素子基板側に張り出していることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
9. 前記素子基板と前記配線基板とをワイヤーボンディングによって電気接続することを特徴とする請求項５乃至請求項８のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
10. 吐出口から液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子を備える素子基板と、
    前記素子基板を接着剤を介して支持する支持部材と、
    前記素子基板を収容する開口を備え、該開口の内面が前記素子基板の側端部と隣接するように前記支持部材上に接着剤を介して設けられたシート部材と、
    ベースフィルムと、カバーフィルムと、前記ベースフィルムと前記カバーフィルムとの間に配される、前記エネルギー発生素子と電気的に接続された配線と、前記素子基板を収容する開口とを備え、該開口の内面が前記素子基板の側端部と隣接するように前記シート部材上に接着剤を介して設けられる配線基板と、
    前記配線基板と前記素子基板との電気接続部を封止する封止材と、
    を具備する液体吐出ヘッドであって、
    前記シート部材と前記ベースフィルムとは同じ材料で形成されており、
    前記配線基板の前記シート部材と接する面とは逆の面の前記支持部材に対する高さは、前記素子基板の前記支持部材と接する面とは逆の面の前記支持部材に対する高さよりも低いことを特徴とする液体吐出ヘッド。

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