(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と該圧力発生室の長手方向一端部に連通するインク供給路が複数の隔壁によって画成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備するインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記流路形成基板の前記圧電素子側には当該圧電素子を駆動するための駆動回路が設けられると共に前記圧電素子から延設されたリード電極の接続部と前記駆動回路とがボンディングワイヤからなる駆動配線を介して接続され、前記リード電極の接続部が前記流路形成基板上の隣接する圧力発生室の間の隔壁又は隣接するインク供給路の間の隔壁に対向する位置に設けられていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項２】
前記流路形成基板には前記インク供給路を介して前記圧力発生室に連通するリザーバの少なくとも一部を構成する連通部を有し、前記流路形成基板上の前記リード電極が隣接するインク供給路の間の隔壁上まで延設されて前記駆動配線との接続部となっ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式記録ヘッド。
【請求項３】
前記流路形成基板の前記圧電素子側に接合される接合基板を有し、前記駆動回路が当該接合基板上に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項４】
前記接合基板が、前記圧電素子に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で当該空間を密封可能な圧電素子保持部を有することを特徴とする請求項３に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項５】
前記駆動回路が前記接合基板上に直接形成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【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に振動板を介して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、圧電素子が軸方向に伸長、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】
これによれば圧電素子を振動板に貼付ける作業が不要となって、リソグラフィ法という精密で、かつ簡便な手法で圧電素子を作り付けることができるばかりでなく、圧電素子の厚みを薄くできて高速駆動が可能になるという利点がある。
【０００７】
また、このようなインクジェット式記録ヘッドでは、何れにしても圧電素子を駆動するための半導体集積回路（ＩＣ）等の駆動回路が必要であり、この駆動回路はインクジェット式記録ヘッド近傍に搭載されている。そして、圧電素子から流路形成基板上に延設された電極配線と駆動回路から延設された、例えば、ボンディングワイヤ等の外部配線とを接続することにより、これら圧電素子と駆動回路とが電気的に接続されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成では、電極配線と外部配線との接続部の下側には、流路形成基板に形成されたインク流路が存在している。そのため、ボンディングワイヤを接着する際に付加をかけることにより、流路形成基板が割れ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、流路形成基板の破壊を防止したインクジェット式記録ヘッド及び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。
【００１０】
【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と該圧力発生室の長手方向一端部に連通するインク供給路が複数の隔壁によって画成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備するインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記流路形成基板の前記圧電素子側には当該圧電素子を駆動するための駆動回路が設けられると共に前記圧電素子から延設されたリード電極の接続部と前記駆動回路とがボンディングワイヤからなる駆動配線を介して接続され、前記リード電極の接続部が前記流路形成基板上の隣接する圧力発生室の間の隔壁又は隣接するインク供給路の間の隔壁に対向する位置に設けられてい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。
【００１１】
かかる第１の態様では、接続部の下側にインクの流路が存在しないため、ボンディングワイヤからなる駆動配線を接続する際に、その負荷によって流路形成基板に割れ等が発生するのを防止できる。また、リード電極を延設することにより、隔壁に対向する領域に接続部を容易に形成できる。
【００１４】
本発明の第２の態様は、前記流路形成基板には前記インク供給路を介して前記圧力発生室に連通するリザーバの少なくとも一部を構成する連通部を有し、前記流路形成基板上の前記リード電極が隣接するインク供給路の間の隔壁上まで延設されて前記駆動配線との接続部となっていることを特徴とする第１の態様のインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１５】
かかる第２の態様では、接続部を圧力発生室の長手方向端部よりも外側に配置することにより接続部を露出させやすく、駆動配線の接続が容易となる。
【００１６】
本発明の第３の態様は、前記流路形成基板の前記圧電素子側に接合される接合基板を有し、前記駆動回路が当該接合基板上に設けられていることを特徴とする第１又は２の態様のインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１７】
かかる第３の態様では、流路形成基板の圧電素子側に駆動回路を容易に配置することができる。
【００１８】
本発明の第４の態様は、前記接合基板が、前記圧電素子に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で当該空間を密封可能な圧電素子保持部を有することを特徴とする第３の態様のインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１９】
かかる第４の態様では、外部環境に起因する圧電素子の破壊が防止される。
【００２０】
本発明の第５の態様は、前記駆動回路が前記接合基板上に直接形成されていることを特徴とする第３又は４の態様のインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２１】
かかる第５の態様では、駆動回路を比較的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。なお、このインク供給路１４も圧力発生室１２と同様に隔壁１１によって区画されている。
【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ものである。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】
この流路形成基板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３２０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いる。そして、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と弾性膜５０に形成された貫通孔５１を介して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、例えば、ガラス、セラミック材料等の流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料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、両者を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と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。なお、本実施形態では、一つのインク導入口３５及びインク導入路３６によって、リザーバ１００にインクを供給するようにしているが、これに限定されず、例えば、所望のインク供給量に応じて、複数のインク導入口及びインク導入路を設けるようにしてもよいし、あるいはインク導入口の開口面積を大きくしてインク流路を拡大するようにようにしてもよい。
【００４２】
また、リザーバ形成基板３０は、圧電素子３００を外部環境と遮断する封止板を兼ねており、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が設けられている。そして、圧電素子３００の少なくとも圧電体能動部３２０が、この圧電素子保持部３３内に密封されている。
【００４３】
このようなリザーバ形成基板３０上には、圧電素子３００を駆動するための駆動回路１１０が搭載され、ボンディングワイヤからなる駆動配線１２０を介して圧電素子３００と電気的に接続されている。なお、この駆動回路１１０は、回路基板あるいは駆動回路を含む半導体集積回路（ＩＣ）であってもよい。
【００４４】
ここで、圧電素子３００と駆動回路１１０との配線構造について詳しく説明する。
【００４５】
図２（ａ）に示すように、圧電素子３００の上電極膜８０の長手方向一端部近傍から圧力発生室１２の周壁に対向する領域にはリード電極９０が延設され、その先端部は圧力発生室１２等を区画する隔壁１１上、例えば、本実施形態では、インク供給路１４に対応する領域の隔壁１１上に位置している。
【００４６】
また、リザーバ形成基板３０には、このリード電極９０の先端部に対向する領域に、厚さ方向に貫通する貫通溝３７が圧力発生室１２の列に亘って設けられており、駆動配線１２０は、この貫通溝３７を介して、一端部が駆動回路１１０と接続されると共に他端部がリード電極９０の先端部に接続されている。すなわち、圧電素子３００から延設されたリード電極９０と駆動配線１２０との接続部９０ａが隔壁１１に対向する領域に設けられている。
【００４７】
このように、隔壁１１に対向する領域に圧電素子３００から延設されたリード電極９０と駆動配線１２０との接続部９０ａを設けることにより、リード電極９０にボンディングワイヤからなる駆動配線１２０を接続する際にかかる負荷によって、流路形成基板１０に割れ等の破壊が発生するのを防止でき、歩留まりを向上することができると共に、信頼性を向上したヘッドを実現することができる。
【００４８】
また、本実施形態では、接続部９０ａが、インク供給路１４に対応する領域の隔壁１１上、すなわち、圧力発生室１２の長手方向端部よりも外側に設けられているため、貫通溝３７によって接続部９０ａを容易に露出させることができ、駆動配線１２０を比較的容易に接続することができる。
【００４９】
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、図示しない外部の駆動回路からの記録信号に従い、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。
【００５０】
なお、本実施形態では、圧電素子３００から延設されたリード電極９０と駆動配線１２０との接続部９０ａをインク供給路１４に対応する領域の隔壁１１上に設けるようにしたが、勿論、圧力発生室１２に対応する領域の隔壁１１上であってもよい。
【００５１】
また、本実施形態では、リード電極９０を圧電素子３００の長手方向端部から隔壁１１に対向する領域まで延設するようにしたが、このリード電極の配置は、特に限定されず、例えば、図３に示すように、圧電素子３００の幅方向端面略中央部から隔壁１１に対向する領域に延設するようにしてもよい。なお、この場合には、リード電極９０が延設される領域の下電極膜６０を除去する必要がある。
【００５２】
何れにしても、圧電素子３００と駆動配線１２０との接続部９０ａを隔壁１１上、すなわち、インクの流路に対向する部分以外の領域に設けることにより、上述のように流路形成基板１０の破壊を防止することができる。
【００５３】
（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。
【００５４】
例えば、上述の実施形態では、流路形成基板１０にリザーバ形成基板３０を接合し、このリザーバ形成基板３０に駆動回路１１０を設けるようにしたが、これに限定されず、流路形成基板１０の圧電素子３００側に駆動回路１１０が設けられていれば何れの構造であってもよい。
【００５５】
なお、上述の実施形態では、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。
【００５６】
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４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。
【００５７】
図４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。
【００５８】
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に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、圧電素子と駆動回路とをボンディングワイヤからなる駆動配線で接続し、この駆動配線と圧電素子との接続部を隔壁上に設けるようにした。これにより、駆動配線を圧電素子に接続する際に、その負荷によって流路形成基板に割れ等が発生するのを防止でき、歩留まりが向上すると共に信頼性を向上したヘッドを製造することができる。
【００６０】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態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他の例を示す要部平面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１０  流路形成基板
１１  隔壁
１２  圧力発生室
２０  ノズルプレート
３０  リザーバ形成基板
４０  コンプライアンス基板
５０  弾性膜
６０  下電極膜
７０  圧電体層
８０  上電極膜
９０  リード電極
１１０  駆動回路
１２０  駆動配線
３００  圧電素子
【図１】
0003953703.tif 000002
【図２】
0003953703.tif 000003
【図３】
0003953703.tif 000004
【図４】
0003953703.tif 000005