(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル開口に連通する圧力発生室が画成されるシリコン単結晶からなる流路形成基板と、
該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子と、を具備するインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、
前記流路形成基板上に二酸化シリコンからなる弾性膜で構成される振動板及び前記圧電素子を形成する工程と、
各圧電素子から前記弾性膜上まで引き出され金（Ａｕ）からなる引き出し配線を形成すると共に、該引き出し配線を分離することによって前記流路形成基板の一端部近傍に当該引き出し配線と同一層からなり外部配線が接続される実装部を形成する工程と、
該実装部に前記外部配線を加熱しながら押圧することによって接続した後に前記実装部と前記引き出し配線とをワイヤボンディングによって電気的に接続する工程と、
を有することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板の表面に圧電素子を形成して、圧電素子の変位によりインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド及びその製造方法並びにインクジェット式記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
前者は圧電素子の端面を振動板に当接させることにより圧力発生室の容積を変化させることができて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
【０００４】
これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。
【０００５】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、特開平５−２８６１３１号公報に見られるように、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案されている。
【０００６】
また、このような圧電素子は、例えば、圧力発生室が画成される流路形成基板上、あるいはこの流路形成基板の圧電素子側に接合され、圧力発生室の共通インク室となるリザーバが形成されたリザーバ形成基板上で外部配線と接続されている。すなわち、圧電素子から流路形成基板又はリザーバ形成基板の端部近傍に設けられた実装部まで配線電極が延設され、この実装部にＦＰＣ等の外部配線が接続されることにより、配線電極を介して圧電素子と外部配線とが電気的に接続される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成のインクジェット式記録ヘッドでは、実装部に外部配線を接続する際に加熱が必要なため、その熱によって流路形成基板あるいはリザーバ形成基板に反りが生じて基板に割れが発生するという問題がある。
【０００８】
詳しくは、流路形成基板又はリザーバ形成基板は、圧力発生室又はリザーバ等を高精度及び高密度に形成するために、例えば、シリコン単結晶基板等の比較的硬く割れが生じやすい材料が用いられる。一方、ノズル開口が設けられるノズルプレートは、例えば、ステンレス鋼等の金属材料で形成される。そして、外部配線を接続する際に加熱すると、各部材の熱膨張係数が異なるため反りが生じ、流路形成基板又はリザーバ形成基板に割れが生じてしまうという問題がある。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑み、基板の変形及び割れを防止したインクジェット式記録ヘッド及びその製造方法並びにインクジェット式記録装置を提供することを課題とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室が画成されるシリコン単結晶からなる流路形成基板と、
該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子と、を具備するインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、
前記流路形成基板上に二酸化シリコンからなる弾性膜で構成される振動板及び前記圧電素子を形成する工程と、
各圧電素子から前記弾性膜上まで引き出され金（Ａｕ）からなる引き出し配線を形成すると共に、該引き出し配線を分離することによって前記流路形成基板の一端部近傍に当該引き出し配線と同一層からなり外部配線が接続される実装部を形成する工程と、
該実装部に前記外部配線を加熱しながら押圧することによって接続した後に前記実装部と前記引き出し配線とをワイヤボンディングによって電気的に接続する工程と、
を有することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２３】
かかる第１の態様では、実装部に外部配線を接続する際には、実装部に圧電素子を駆動するための配線が接続されていないため、外部配線を接続する際の熱が配線を介して放熱されることがない。したがって、外部配線を実装部に効率的に接続することができると共に、そのときの熱によって流路形成基板等に変形や割れが発生するのを防止することができる。また、実装部と配線とを比較的容易に接続することができる。さらに、引き出し配線のパターニングと同時に実装部を容易に形成することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００２９】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及び断面図である。
【００３０】
図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなる。流路形成基板１０としては、通常、１５０〜３００μｍ程度の厚さのものが用いられ、望ましくは１８０〜２８０μｍ程度、より望ましくは２２０μｍ程度の厚さのものが好適である。これは、隣接する圧力発生室間の隔壁の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。
【００３１】
流路形成基板１０の一方の面は開口面となり、他方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。
【００３２】
一方、流路形成基板１０の開口面には、シリコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１により区画された圧力発生室１２が幅方向に並設され、その長手方向外側には、後述するリザーバ形成基板のリザーバ部に連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する連通部１３が形成され、各圧力発生室１２の長手方向一端部とそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。
【００３３】
ここで、異方性エッチングは、シリコン単結晶基板のエッチングレートの違いを利用して行われる。例えば、本実施形態では、シリコン単結晶基板をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度をなし且つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現し、（１１０）面のエッチングレートと比較して（１１１）面のエッチングレートが約１／１８０であるという性質を利用して行われる。かかる異方性エッチングにより、二つの第１の（１１１）面と斜めの二つの第２の（１１１）面とで形成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行うことができ、圧力発生室１２を高密度に配列することができる。
【００３４】
本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で形成している。この圧力発生室１２は、流路形成基板１０をほぼ貫通して弾性膜５０に達するまでエッチングすることにより形成されている。ここで、弾性膜５０は、シリコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵される量がきわめて小さい。また各圧力発生室１２の一端に連通する各インク供給路１４は、圧力発生室１２より浅く形成されており、圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。すなわち、インク供給路１４は、シリコン単結晶基板を厚さ方向に途中までエッチング（ハーフエッチング）することにより形成されている。なお、ハーフエッチングは、エッチング時間の調整により行われる。
【００３５】
また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。なお、ノズルプレート２０は、厚さが例えば、０．１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０-6／℃］であるガラスセラミックス、又は不錆鋼などからなる。ノズルプレート２０は、一方の面で流路形成基板１０の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。また、ノズルプレート２０は、流路形成基板１０と熱膨張係数が略同一の材料で形成するようにしてもよい。この場合には、流路形成基板１０とノズルプレート２０との熱による変形が略同一となるため、熱硬化性の接着剤等を用いて容易に接合することができる。
【００３６】
ここで、インク滴吐出圧力をインクに与える圧力発生室１２の大きさと、インク滴を吐出するノズル開口２１の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出スピード、吐出周波数に応じて最適化される。例えば、１インチ当たり３６０個のインク滴を記録する場合、ノズル開口２１は数十μｍの直径で精度よく形成する必要がある。
【００３７】
一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側の弾性膜５０の上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．１μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０、及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜６０は圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。
【００３８】
また、流路形成基板１０の圧電素子３００側には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有するリザーバ形成基板３０が接合されている。このリザーバ部３１は、本実施形態では、リザーバ形成基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。
【００３９】
このリザーバ形成基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。これにより、上述のノズルプレート２０の場合と同様に、熱硬化性の接着剤を用いた高温での接着であっても両者を確実に接着することができる。したがって、製造工程を簡略化することができる。
【００４０】
さらに、このリザーバ形成基板３０には、封止膜４１及び固定板４２からなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のリザーバ１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバ１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止され、内部圧力の変化によって変形可能な可撓部３２となっている。
【００４１】
また、このリザーバ１００の長手方向略中央部外側のコンプライアンス基板４０上には、リザーバ１００にインクを供給するためのインク導入口３５が形成されている。さらに、リザーバ形成基板３０には、インク導入口３５とリザーバ１００の側壁とを連通するインク導入路３６が設けられている。
【００４２】
一方、リザーバ形成基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で、その空間を密封可能な圧電素子保持部３３が設けられ、圧電素子３００はこの圧電素子保持部３３内に密封されている。
【００４３】
そして、本実施形態では、圧電素子保持部３３内に密封された圧電素子３００の上電極膜８０の長手方向一端部近傍から圧電素子保持部３３の外側まで、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が延設されている。さらに、このリード電極９０の端部の外側、すなわち、流路形成基板１０の端部近傍には、例えば、フレキシブルケーブル（ＦＰＣ）等の外部配線１１０が接続される実装部１２０が設けられ、この実装部１２０とリード電極９０とがワイヤボンディング等で延設された接続配線１３０を介して電気的に接続されている。
【００４４】
ここで、この実装部１２０は、本実施形態では、リード電極９０と同一層からなり、且つリード電極９０とは独立して設けられている。すなわち、リード電極をパターニングする際に、実装部１２０を同時に形成することができるため、製造工程を簡略化できる。なお、この実装部１２０は、勿論、リード電極９０とは別途に設けてもよいことは言うまでもない。
【００４５】
そして、この実装部１２０には、例えば、異方性導電剤（ＡＦＣ）或いは半田等からなる接着層１４０を介して外部配線１１０が接続される。このような外部配線１１０の接続工程は、何れのタイミングで行ってもよいが、リード電極９０と実装部１２０とを接続配線１３０によって電気的に接続する前に行うことが好ましい。これにより、外部配線１１０を実装部１２０に効率的且つ良好に接続することができる。
【００４６】
具体的には、図３（ａ）に示すように、実装部１２０上に、接着層１４０を介して外部配線１１０を配置し、この外部配線１１０上から接着層１４０を実装ツール（加熱装置）２００で加熱しながら押圧することによって外部配線１１０を実装部１２０に接続する。その後、図３（ｂ）に示すように、ワイヤボンディングすることによって、外部配線１１０が接続された実装部１２０と各リード電極９０とを接続配線１３０を介して電気的に接続する。
【００４７】
このように、圧電素子３００を駆動するための配線であるリード電極９０とは独立して実装部１２０を設け、この実装部１２０とリード電極９０とをワイヤボンディングによって電気的に接続することにより、実装部１２０に外部配線１１０を接続する際の熱によって流路形成基板１０に変形や割れが発生するのを防止することができる。
【００４８】
すなわち、実装部１２０に圧電素子３００を駆動するための配線が直接接続されていないため、接着層１４０を実装ツール２００で加熱した際に、その熱が配線を介して放熱されるのを抑えることができる。特に、本実施形態では、実装部１２０とリード電極９０とを接続配線１３０によって接続する前に、外部配線１１０を実装部１２０に接続するようにしているため、実装部１２０からの放熱をより確実に抑えることができる。
【００４９】
このため、実装ツール２００による加熱温度を下げても、外部配線１１０を接続可能な程度に実装部１２０の温度を局所的に上昇させることができ、且つ実装部１２０に外部配線１１０を接続する際の流路形成基板１０の温度上昇を著しく抑えることができる。また、実装部１２０からの放熱が抑えられるため、外部配線１１０を短時間で効率的に接続することができる。
【００５０】
したがって、流路形成基板１０に変形や割れ等を発生させることなく、実装部１２０に外部配線１１０を良好に接続することができる。
【００５１】
例えば、従来は実装ツールによって３４０℃で３０秒程度加熱することによって実装部に外部配線を接続していたが、本実施形態では、３００℃で１０秒程度加熱することによって、実装部１２０に外部配線１１０を確実に接合することができた。
【００５２】
なお、このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口３５からインクを取り込み、リザーバ１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、図示しない駆動回路からの記録信号に従い、外部配線を介して圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。
【００５３】
（実施形態２）
図４は、実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【００５４】
本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、圧電素子３００を駆動するための駆動回路１５０を実装するようにした例である。すなわち、本実施形態では、図４に示すように、圧電素子３００を駆動するための、例えば、回路基板あるいは半導体集積回路（ＩＣ）等の駆動回路１５０がリザーバ形成基板３０上に搭載されている。また、この駆動回路１５０と各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０とは、例えば、ワイヤボンディング等によって延設された接続配線１３０Ａを介して接続されている。
【００５５】
また、リザーバ形成基板３０上には、この駆動回路１５０に信号を供給するための駆動配線１６０が駆動回路１５０からリザーバ形成基板３０の端部近傍まで延設されている。さらに、この駆動配線１６０の外側には、外部配線１１０が接続される実装部１２０Ａが駆動配線１６０とは独立して形成されており、駆動配線１６０と実装部１２０Ａとがワイヤボンディングによって延設された接続配線１３０Ｂによって電気的に接続されている。
【００５６】
このような本実施形態の構成としても、圧電素子３００を駆動するための配線、すなわち駆動配線１６０と実装部１２０Ａとがワイヤボンディングによって電気的に接続されているため、実施形態１と同様、リザーバ形成基板３０或いは流路形成基板１０に変形又は割れ等を発生させることなく、外部配線１１０を実装部１２０Ａに良好に接続することができる。
【００５７】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。
【００５８】
例えば、上述の各実施形態では、成膜及びリソグラフィプロセスを応用して製造される薄膜型のインクジェット式記録ヘッドを例にしたが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型のインクジェット式記録ヘッドにも本発明を採用することができる。
【００５９】
また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図５は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
【００６０】
図５に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
【００６１】
そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８上を搬送されるようになっている。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、流路形成基板又は流路形成基板に接合される接合基板上に外部配線が接続される実装部を設け、且つこの実装部と圧電素子を駆動するための配線とをワイヤボンディングによって電気的に接続されているようにしたので、実装部に外部配線を接続する際の熱が、配線を介して放熱されるのを抑えることができるため、この熱による流路形成基板又は接合基板の変形又は割れの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。
【符号の説明】
１０  流路形成基板
１２  圧力発生室
２０  ノズルプレート
２１  ノズル開口
３０  リザーバ形成基板
４０  コンプライアンス基板
６０  下電極膜
７０  圧電体層
８０  上電極膜
１００  リザーバ
１１０  外部配線
１２０，１２０Ａ  実装部
１３０，１３０Ａ，１３０Ｂ  接続配線
１４０  接着層
１５０  駆動回路
２００  実装ツール
３００  圧電素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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