JP2013144360A - インクジェット式記録ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子の周囲の空気が自由に流動し得るようにして放熱効果を高めることができると共に、圧電素子の高密度配置が可能なインクジェット式記録ヘッドの提供。
【解決手段】ノズル１１１と、圧力室１３１と、圧電素子を設けてなるヘッド基板１０と、圧電素子に対して給電するための配線と、配線と電極とが電気的に接続されるように接合される配線基板２０と、共通インク室４１と、配線基板２０を貫通して圧力室１３１の各々に供給するための個別流路６０とを備えたインクジェット式記録ヘッド１であって、ヘッド基板１０と配線基板２０との間が、複数の支柱３０によって所定の間隙を形成して接合されており、複数の支柱３０は相互に間隔をおいて個別に配置され、ヘッド基板１０と配線基板２０との間隙が支柱３０の部分以外では互いに連通していると共に、個別流路６０がそれぞれ支柱３０内を通って形成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明はインクジェット式記録ヘッドに関し、詳しくは、圧電素子の放熱効果を高め、圧電素子の高密度配置が可能なインクジェット式記録ヘッドに関する。

微細なノズルからインクを吐出して各種記録媒体に画像を形成するインクジェット式記録ヘッドとして、画像の高精度、高精細化及び印刷速度の高速化の要望に応えるため、ノズルを２次元に高密度配置するものが知られている。

このようなインクジェット式記録ヘッドは、ノズルに対応して設けられる圧力室内のインクに吐出のための圧力変化を付与するために、圧力室の上壁を構成する振動板の上面にそれぞれ圧電素子が配置されるが、この圧電素子も高密度に配置されることになるため、この圧電素子を駆動させるための電気信号を印加する電気配線も必然的に高密度にならざるを得ず、この電気配線の配線スペースの確保に工夫を要する。

このため、従来、圧電素子の上部に配線基板を積層し、この配線基板から個々の圧電素子に対してバンプを介して電気配線の接続を行う方法が提案されている（特許文献１〜３）。これによってノズル及び圧電素子を２次元的に高密度に配置しても、個々の圧電素子に対する配線スペースを確保することが容易となる。

また、このような配線基板を有するインクジェット式記録ヘッドでは、更なるヘッドの小型化を進めるため、各圧力室にインクを供給する共通インク室が配線基板の上部に設けられている。共通インク室内のインクは、配線基板を貫通するように設けられる個別の流路によって各圧力室内に供給されるようになっている。

ところで、圧電素子の上部及び周囲には、圧電素子の機械的な変形動作を阻害しないように、所定の空間が確保される必要がある。このため、特許文献１では、圧電素子を有する基板と配線基板との間に、図６に示すように、圧電素子１００１を取り囲むように隔壁１００２を設けることで、圧電素子１００１の上部及び周囲に空間が形成されるように両基板を積層している。

なお、図中、１００３は電気配線との電気的接続部であるバンプ、１００４は配線基板の上部に配置された共通インク室内のインクを圧電素子１００１の下方に配置される各圧力室に供給するべく隔壁１００２を貫通するように形成されたインク供給路、１００５は圧電素子１００１の駆動時等の隔壁１００２で囲まれた空間内の圧力変動を低減するために隔壁１００２に形成された大気連通孔である。

特開２００６−２６４３２２号公報 特開２００３−６９１０３号公報 特開２００７−３０３６１号公報

高精度、高精細化のために１ヘッドに多くの圧力室、圧電素子が高密度に配置されたインクジェット式記録ヘッドでは、必然的に隣接する圧電素子間の距離が近くなり、このため高速駆動を行うときの単位面積当たりの発熱が大きくなる。また、同時に印刷速度の高速化の要望から、駆動周波数を高速化することが求められており、圧電素子自身の発熱量も増大する傾向にある。このような圧電素子の駆動による発熱は、圧電特性の変化やインクの粘度特性の変化をもたらし、射出特性に影響を及ぼすこととなり、高精度、高精細な画像形成に少なからず影響を与える問題がある。このため、インクジェット式記録ヘッドには十分な放熱構造が求められる。

しかし、特許文献１のように圧電素子の周囲を隔壁で仕切った形態のヘッドでは、隔壁が空気の流通を阻害してしまう。隔壁には、一部に圧力変動を低減するための大気連通孔が形成されるが、大気連通孔は一部分にすぎず、圧電素子の周囲は大部分が隔壁で囲まれた構造となっている。従って、圧電素子を高密度に配置した場合や高速駆動を行う場合に十分な放熱がなされず、また、圧電素子の駆動／非駆動チャネルの温度差が大きくなることによって、駆動特性のばらつきも大きくなり、吐出精度が悪化する問題があった。

また、隔壁が圧電素子の高密度配置を阻害することとなり、更なる高密度化を図る上で障害となっていた。

そこで、本発明は、圧電素子の周囲の空気が自由に流動し得るようにして放熱効果を高めることができると共に、圧電素子の高密度配置が可能なインクジェット式記録ヘッドを提供することを課題とする。

本発明の他の課題は、以下の記載により明らかとなる。

上記課題は、以下の各発明によって解決される。

請求項１記載の発明は、インクを吐出する複数のノズルと、前記ノズルに連通する複数の圧力室とを有し、前記圧力室の上壁を構成する振動板の上面に、該圧力室内のインクを前記ノズルから吐出させるための力を付与する圧電素子を設けてなるヘッド基板と、
前記圧電素子表面の電極に対して給電するための配線を有し、前記ヘッド基板に対して、前記配線と前記電極とが電気的に接続されるように接合される配線基板と、
前記配線基板における前記ヘッド基板側とは反対側の面に設けられ、前記圧力室の各々に対して供給するインクを貯留する共通インク室と、
前記共通インク室内のインクを前記配線基板を貫通して前記圧力室の各々に供給するための個別流路とを備えたインクジェット式記録ヘッドであって、
前記ヘッド基板と前記配線基板との間が、複数の支柱によって所定の間隙を形成して接合されており、
前記複数の支柱は相互に間隔をおいて個別に配置され、前記ヘッド基板と前記配線基板との間隙が前記支柱の部分以外では互いに連通していると共に、前記個別流路がそれぞれ前記支柱内を通って形成さ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である。

請求項２記載の発明は、前記支柱は、前記圧電素子に１対１に対応するように設けられていることを特徴とする請求項１記載のインクジェット式記録ヘッドである。

請求項３記載の発明は、前記支柱は、感光性樹脂の構造体であることを特徴とする請求項１又は２記載のインクジェット式記録ヘッドである。

本発明によれば、圧電素子の周囲の空気が自由に流動し得るようにして放熱効果を高めることができると共に、圧電素子の高密度配置が可能なインクジェット式記録ヘッドを提供することができる。

本発明に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図 本発明に係るインクジェット式記録ヘッドの部分拡大断面図 圧電素子と支柱との配置構造を示す平面図 ヘッド基板の平面図 本発明に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明する図 従来のインクジェット式記録ヘッドにおける圧電素子と隔壁の配置構造を示す平面図

本発明のインクジェットヘッドは、ヘッド基板と配線基板とが接合された積層体構造を有する。ヘッド基板は、インクを吐出する複数のノズルと、ノズルにそれぞれ対応して配設され、該ノズルに連通する複数の圧力室とを有している。各圧力室は上壁が振動板によって構成されており、その振動板の上面にそれぞれ対応して、圧力室内のインクをノズルから吐出させるための力を付与するＰＺＴ等の圧電素子が設けられている。

なお、本明細書において、圧力室内のインクがノズルから吐出される方向を基準とし、そのインクが吐出される方向を下、その反対方向を上とする。従って、下方に向いた面が下面、上方に向いた面が上面と定義される。

圧電素子はヘッド基板の表面に位置する圧力室の上壁の外側に積層形成されており、ヘッド基板と接する面に設けられた下部電極と、その反対面に設けられた上部電極とを有している。圧電素子は、これら電極間に所定の駆動信号が印加されることによって機械的に変形し、圧力室の上壁によって形成される振動板を振動させることにより、圧力室内のインクにノズルから吐出させるための圧力を付与する。

配線基板は、圧電素子表面に露出する上部電極に対して給電するための配線を有しており、この配線基板がヘッド基板の圧電素子側の表面に対して接合され、この接合と同時に、圧電素子表面の上部電極と配線基板の配線とが電気的に接続される。

共通インク室は、配線基板におけるヘッド基板側とは反対側の面に設けられている。共通インク室には、圧力室の各々に対して共通に供給するためのインクが貯留される。このため、共通インク室と各圧力室の内部は、配線基板を貫通する個別流路によって連通しており、この個別流路によって共通インク室のインクが各圧力室に供給される。

本発明における支柱は、圧電素子の上部に、該圧電素子の機械的な変形動作を阻害しない程度の所定の間隙を形成するようにヘッド基板と配線基板との間に各々個別に複数設けられ、ヘッド基板と配線基板との間を接合している。複数の支柱は相互に間隔をおいて個別に配置されており、ヘッド基板と配線基板との間の空間は、この支柱の部分以外では互いに連通している。支柱は中空状の構造体によって形成され、配線基板を貫通した個別流路は、それぞれこの支柱内を通っている。

このように構成された本発明に係るインクジェット式記録ヘッドは、ヘッド基板と配線基板との間における圧電素子の周囲に、支柱の部分以外、空気の流動を妨げるものがないため、圧電素子の駆動時等に、その周囲の空気が自由に流動することが可能となり、放熱効果が高められる。また、隣接する圧電素子との間が、従来のような隔壁によって仕切られることもないため、この隔壁がない分、圧電素子をより一層高密度に配置することも可能となる。

支柱は圧電素子に１対１に対応するように、該圧電素子の近傍に配置される。このような支柱は、感光性樹脂の構造体であることが好ましい。感光性樹脂を用いることで、露光、現像処理によって、中空状で且つ各々個別の支柱を容易に形成することができる。

感光性樹脂は接着性を有するものが好ましく用いられる。接着性を有する感光性樹脂は、ヘッド基板と配線基板との間に設けられることで、支柱を構成すると共に両基板間を接着することができる。このような接着性を有する感光性樹脂としては感光性接着樹脂シートを用いることができる。具体的な感光性接着樹脂シートとしては、例えば東レ社製感光性ポリイミド接着シート、デュポン社製ＰｅｒＭＸシリーズ（商品名）等を用いることができる。

以下、本発明の具体例について図面を用いて更に説明する。

図１は、本発明に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図、図２はその部分拡大断面図、図３は、圧電素子と支柱との配置構造を示す平面図である。

インクジェットヘッド１は、それぞれ平面視矩形状のヘッド基板１０と配線基板２０とが、間に設けられた支柱３０を介して積層一体化されている。配線基板２０の上面には箱型形状のマニホールド４０が設けられ、配線基板２０の上面との間で、内部にインクが貯留される共通インク室４１を形成している。

ヘッド基板１０は、図中下層側から、Ｓｉ（シリコン）基板によって形成されたノズルプレート１１、ガラス基板によって形成された中間プレート１２、Ｓｉ（シリコン）基板によって形成された圧力室プレート１３、ＳｉＯ_２薄膜によって形成された振動板１４と有している。ノズルプレート１１には下面にノズル１１１が開口している。

圧力室プレート１３には、吐出のためのインクを収容する圧力室１３１が上下に貫通するように形成されている。従って、圧力室１３１の上壁は振動板１４によって形成され、下壁は中間プレート１２によって構成されている。中間プレート１２には、圧力室１３１の内部とノズル１１１とを連通する連通路１２１が貫通形成されている。

圧電素子１５は薄膜ＰＺＴからなり、上部電極１５１と下部電極１５２とで挟まれている。下部電極１５２は振動板１４の表面に形成されており、この下部電極１５２上に、圧力室１３１に１対１に対応するように個別に圧電素子１５とその上面の上部電極１５１とが積層されていると共に、上部電極１５１上に金等によって形成されたスタッドバンプ１５３が配線基板２０に向けて突出形成されている。

配線基板２０には、Ｓｉ基板からなる基板本体２１の上面に、ＳｉＯ_２からなる絶縁層２２を介して上部配線２３が形成されている。この上部配線２３には、配線基板２０の端部において、駆動ＩＣ５０が実装されたＦＰＣ（フレキシブルプリント回路基板）５１が例えばＡＣＦ（異方性導電フィルム）によって電気的に接続されている。上部配線２３の上面には、ＳｉＯ_２からなる配線保護層２４が積層されている。

上部配線２３の一部は、基板本体２１に形成された貫通孔２１１によって基板本体２１の下面に臨んでおり、該基板本体２１の下面にＳｉＯ_２からなる絶縁層２５を介して形成された下部配線２６と導通している。圧電素子１５に面するＳｉＯ_２からなる配線保護層２７には、下部配線２６の一部が露出しており、その露出した下部配線２６に、例えばＳｎ−Ｂｉ系共晶はんだによって形成されたはんだバンプ２６１がヘッド基板１０に向けて突出形成されている。

支柱３０は、熱硬化性の感光性接着樹脂シートによって露光、現像によって形成された中空状の構造体である。ここでは中空の円柱構造であるが、支柱３０は中空状であれば角柱構造、その他の柱状構造体であってもよい。

ヘッド基板１０と配線基板２０との間は、この支柱３０によって、その支柱３０の高さ分の間隙３００が設けられている。すなわち、ヘッド基板１０と配線基板２０は、共にこの支柱３０に対して、所定温度で加熱され、所定圧力で圧着されることによって接着しており、これによって間隙３００を形成して積層一体化されている。この積層一体化と同時に、ヘッド基板１０側のスタッドバンプ１５３と配線基板２０側のはんだバンプ２６１とが互いに接触し、配線２６を介して各圧電素子１５の上部電極１５１に対して駆動ＩＣ５０からの給電が可能となっている。

間隙３００を形成する支柱３０の高さは、圧電素子１５の厚さ（高さ）よりも十分に大きく、このため圧電素子１５の上方には、配線基板２０との間に十分な間隔が形成され、圧電素子１５の機械的な変形動作を阻害しないようにしている。

支柱３０は、圧電素子１５の近傍に該圧電素子１５に１対１に対応するように配置されている。各支柱３０は個別に設けられており、相互に間隔をおいて独立している。このため、ヘッド基板１０と配線基板２０との間の間隙３００は、圧電素子１５の周囲が隔壁によって仕切られることはなく、図３に示すように、この支柱３０の部分以外開放された構造となり、隣接する圧電素子１５の間がＸＹ方向に連通する。この間隙３００は、図４に示すように、インクジェットヘッド１のＸＹ方向における少なくとも対向する２つの側部１ａ、１ａにおいて、支柱３０以外の部分で全体的に開放されており、該側部１ａ、１ａ全体に亘って外気と連通している。

なお、図４中の符号３２は、支柱３０と同じ感光性接着樹脂シートからなる支持層である。各支持層３２は、インクジェットヘッド１の対向する２つの側部１ｂ、１ｂにそれぞれ帯状に配置され、支柱３０と共にヘッド基板１０と配線基板２０を接着すると共に両者間を支持している。この支持層３２は、支柱３０を露光、現像によって形成する際に同時に形成される。

これにより、ヘッド基板１０と配線基板２０との間に形成される間隙３００内の空気はＸＹ方向に自由に流動することが可能となる。この間隙３００は、インクジェットヘッド１の側部１ａ、１ａから外部に開放されて大気と連通し、圧電素子１５の駆動等によって発生した熱は、この間隙３００内を自由に流動して外気と交換され、効率的に放熱されるようになる。

支柱３０は中空状であるため、その内部は上下に貫通する貫通孔３１となっており、その上端は、配線基板２０を上下に貫通する貫通孔２８と連通し、下端は、ヘッド基板１０の下部電極１５２及び振動板１４を貫通するように形成された開口１４１を通して、圧力室プレート１３を上下に貫通する貫通孔１３２と連通している。中間プレート１２の表面（圧力室プレート１３との接合面）には、この貫通孔１３２と圧力室１３１の内部と連通する連通路１２２が凹設されており、これら貫通孔２８、貫通孔３１、貫通孔１３２及び連通路１２２によって、共通インク室４１のインクを各圧力室１３１に供給するための個別流路６０がそれぞれ構成される。すなわち、一つの個別流路６０は一つの支柱３０内を通っている。

この個別流路６０を通して、該個別流路６０に１対１に対応する圧力室１３１内に供給されたインクは、配線基板２０の下部配線２６を介して駆動ＩＣ５０から与えられる駆動信号によって圧電素子１５が変形し、振動板１４が振動することで、吐出のための圧力が付与され、連通路１２１を通ってノズル１１１から微小液滴として吐出される。

これらヘッド基板１０と配線基板２０とは、各々別々に作製された後、ヘッド基板１０の圧電素子１５側の面と配線基板２０の配線保護層２７側の面とを対面させ、支柱３０を介して積層一体化される。

本発明に係るインクジェット式記録ヘッド１は、図５に示すように、ヘッド基板１０と配線基板２０とをそれぞれ個別に作製しておき、両者を積層一体化することによって製造される。

支柱３０の作製方法としては、配線基板２０の下面（ヘッド基板１０と対向する面）に、熱硬化性の感光性接着樹脂シートをラミネートし、露光・現像処理によってパターニングを行い、貫通孔２８を円形状に取り囲む部位を残して該感光性接着樹脂シートを除去することにより、貫通孔２８と連通する貫通孔３１を有する感光性接着樹脂シートからなる中空円柱状の支柱３０をそれぞれ個別に形成する。

その後、下部配線２６の表面に低融点はんだペーストを付与することによってはんだバンプ２６１を突出するように形成する。

そして、ヘッド基板１０の上方に配線基板２０の支柱３０側を対面させ、ヘッド基板１０の貫通孔１３２と支柱３０の貫通孔３１が一致すると共に、ヘッド基板１０のスタッドバンプ１５３と配線基板２０のはんだバンプ２６１とが一致するように両者を位置合わせした後、所定の加熱温度で加熱すると共に所定の圧力で圧着し、ヘッド基板１０と配線基板２０とを感光性接着樹脂シートからなる支柱３０によって一体に接着する。これにより配線基板２０の上面から圧力室１３１を通ってノズル１１１に至る個別流路６０が形成され、また、加熱圧着時に、スタッドバンプ１５３とはんだバンプ２６１とが溶融して一体に接合し、両者が電気的に接続される。

このようにしてヘッド基板１０と配線基板２０とを支柱３０によって積層一体化した後は、図１に示すように配線基板２０の上面にマニホールド４０を接着して共通インク室４１を形成することで、インクジェット式記録ヘッド１が完成する。

１：インクジェット式記録ヘッド
１ａ：側部
１０：ヘッド基板
１１：ノズルプレート
１１１：ノズル
１２：中間プレート
１２１：連通路
１２２：連通路
１３：圧力室プレート
１３１：圧力室
１３２：貫通孔
１４：振動板
１４１：開口
１５：圧電素子
１５１：上部電極
１５２：下部電極
１５３：スタッドバンプ
２０：配線基板
２１：基板本体
２１１：貫通孔
２２：絶縁層
２３：上部配線
２４：配線保護層
２５：絶縁層
２６：下部配線
２６１：はんだバンプ
２７：配線保護層
２８：貫通孔
３０：支柱
３１：貫通孔
４０：マニホールド
４１：共通インク室
５０：駆動ＩＣ
５１：ＦＰＣ
６０：個別流路

Claims (3)

1. インクを吐出する複数のノズルと、前記ノズルに連通する複数の圧力室とを有し、前記圧力室の上壁を構成する振動板の上面に、該圧力室内のインクを前記ノズルから吐出させるための力を付与する圧電素子を設けてなるヘッド基板と、
   前記圧電素子表面の電極に対して給電するための配線を有し、前記ヘッド基板に対して、前記配線と前記電極とが電気的に接続されるように接合される配線基板と、
   前記配線基板における前記ヘッド基板側とは反対側の面に設けられ、前記圧力室の各々に対して供給するインクを貯留する共通インク室と、
   前記共通インク室内のインクを前記配線基板を貫通して前記圧力室の各々に供給するための個別流路とを備えたインクジェット式記録ヘッドであって、
   前記ヘッド基板と前記配線基板との間が、複数の支柱によって所定の間隙を形成して接合されており、
   前記複数の支柱は相互に間隔をおいて個別に配置され、前記ヘッド基板と前記配線基板との間隙が前記支柱の部分以外では互いに連通していると共に、前記個別流路がそれぞれ前記支柱内を通って形成さ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。
2. 前記支柱は、前記圧電素子に１対１に対応するように設けられていることを特徴とする請求項１記載のインクジェット式記録ヘッド。
3. 前記支柱は、感光性樹脂の構造体であることを特徴とする請求項１又は２記載のインクジェット式記録ヘッド。
   
   
   
   
   
   

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