JP2003118106A - 液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置 - Google Patents
液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置Info
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Abstract
低下している。 【解決手段】 圧電素子12をベース13に接合し、ベ
ース13には圧電素子12との接合面に対して垂直方向
の面にPCB基板14を接着剤を接合し、更に圧電素子
12の個別外部電極25とPCB基板14とをワイヤー
15で直接ワイヤーボンディングによって接続した。
Description
クジェット記録装置に関する。
ロッタ等の画像記録装置(画像形成装置)として用いる
インクジェット記録装置は、インク滴を吐出するノズル
と、このノズルが連通する液室(インク流路、吐出室、
圧力室、加圧液室、流路等とも称される。)と、この液
室内のインクを加圧するための駆動手段(圧力発生手
段)とを備えた液滴吐出ヘッドとしてのインクジェット
ヘッドを搭載したものである。なお、液滴吐出ヘッドと
しては例えば液体レジストを液滴として吐出する液滴吐
出ヘッド、DNAの試料を液滴として吐出する液滴吐出
ヘッドなどもあるが、以下ではインクジェットヘッドを
中心に説明する。
インクを加圧する圧力を発生するための駆動手段として
圧電素子などの電気機械変換素子を用いて、駆動手段の
変位で液室の壁面を形成する弾性変形可能な振動板を変
形させて液室内容積/圧力を変化させてインク滴を吐出
させるいわゆるピエゾ型のものが知られている(特開平
2−51734号公報参照)。
の場合、各圧電素子に駆動波形(電気信号)を与えるた
めに各圧電素子の電極はFPCを用いてPCB基板と電
気的に接続するのが一般的である。
圧電素子を用いたピエゾ型インクジェットヘッドにおい
て、多ノズル化、高集積化が進み、ヘッドの長さが長く
なってきている。従来は、全長20mm程度であった
が、300dpiで約400ノズル程度を考えた場合、
30〜40mm程度の長さとなる。
から電極を取り出すためにFPCを用いた場合、30m
mを超える幅のFPCを使用することになるが、このよ
うなFPCを用いると、FPC自体の吸水による寸法変
化及び加熱接合時の伸びにより、FPCの電極パターン
と圧電素子の電極の位置ズレが発生し、ショートやオー
プンが多発するという新たな課題が生じる。
であり、特に長尺ヘッドにおける圧電素子からの電極取
り出しの品質及び信頼性を向上することを目的とする。
め、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、圧電素子をベース
に接合し、このベースには圧電素子との接合面に対して
垂直方向にPCB基板を接合し、更に圧電素子の外部電
極とPCB基板とを直接ワイヤーボンディングによって
接続したものである。
とすることができる。また、ベースは金属材料であるこ
とが好ましい。さらに、金属材料は線膨張係数が10E
−6/℃以下であることが好ましい。
ためのドライバICを複数搭載して、圧電素子に与える
電気信号をドライバIC単位で設定可能にされているこ
とが好ましい。
るためのドライバICを搭載し、各加圧液室に液体を供
給する共通液室に液体を供給する液体供給路をドライバ
ICと少なくともベースを挟んで反対側に配置したこと
が好ましい。
本発明に係る液滴吐出ヘッドを搭載し、圧電素子を接合
したベースが記録装置本体との位置決めに使用されてい
るものである。
図面を参照して説明する。本発明の液滴吐出ヘッドの第
1実施形態に係るインクジェットヘッドについて図1を
参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの液室長手方
向に沿う断面説明図である。
コン基板で形成した流路基板(液室基板)1と、この流
路基板1の下面に接合した振動板2と、流路基板1の上
面に接合したノズル板3とを有し、これらによってイン
ク滴を吐出するノズル5がインク練通路5aを介して連
通する流路(インク液室)である加圧液室6、加圧液室
6に流体抵抗部となるインク供給路7を介してインクを
供給する共通液室8を形成している。
0)の単結晶シリコン基板を水酸化カリウム水溶液(K
OH)などのアルカリ性エッチング液を用いて異方性エ
ッチングすることで、各加圧液室6となる貫通穴、イン
ク供給路7となる溝部、共通液室8となる貫通穴をそれ
ぞれ形成している。
から形成したものであるが、この他、樹脂部材或いは樹
脂部材と金属部材の積層部材などで形成することができ
る。この振動板2は加圧液室6に対応する部分に変形を
容易にするための薄肉部21及び後述する圧電素子12
と接合するための中央厚肉部22を形成するとともに周
囲厚肉部23を形成して、平坦面側を流路基板1に接着
剤接合している。
10〜30μmのノズル5を形成し、流路基板1に接着
剤接合している。このノズル板3としては、ステンレ
ス、ニッケルなどの金属、金属とポリイミド樹脂フィル
ムなどの樹脂との組み合せ、、シリコン、及びそれらの
組み合わせからなるものを用いることができる。また、
ノズル面(吐出方向の表面:吐出面)には、インクとの
撥水性を確保するため、メッキ被膜、あるいは撥水剤コ
ーティングなどの周知の方法で撥水膜を形成している。
面側)に各加圧液室6に対応して駆動手段としての積層
型圧電素子12を接合している。この圧電素子12は圧
電材料層12aと内部電極12bとを交互に積層したも
のであり、内部電極12bを交互に引き出してそれぞれ
個別電極としての外部電極25及び共通電極としての外
部電極26に接続している。ここでは、1つの長尺の圧
電素子にスリットを形成することで各加圧液室6に対応
する複数の圧電素子2を形成している。なお、本明細書
において「圧電素子の全体の長さ」は各圧電素子2を形
成する元になった長尺の圧電素子の長さを意味するもの
とする。
d33方向の変位を用いて加圧液室6内インクを加圧す
る構成とすることも、圧電素子12の圧電方向としてd
31方向の変位を用いて加圧液室6内インクを加圧する
構成とすることもできる。
の反対側の面はベース13に接着剤27で接合して固定
している。このベース13には圧電素子12との接合面
に対して垂直方向の面にPCB基板14を接着剤を接合
し、更に圧電素子12の個別外部電極25とPCB基板
14とをワイヤー15で直接ワイヤーボンディングによ
って接続している。
B基板14の接合面を垂直方向にすることにより、それ
ぞれのボンディング面が平行となるので、圧電素子12
の外部電極25からPCB基板14に直接ワイヤーボン
ディングすることが可能となる。このとき、圧電素子1
2とベース13を接合する面は、圧電素子12と振動板
2を接合する面に平行になる。ベース13と接合する面
と振動板2と接合する面が平行に対向することにより、
ベース13が圧電素子12が発生する力を受け止めるの
に効果的である。
料を用いることが好ましい。ベース13の材質が金属で
あれば、圧電素子12の自己発熱による蓄熱を防止する
ことができる。圧電素子12とベース13は接着剤27
により接着接合しているが、チャンネル数が増えると、
圧電素子12の自己発熱により100℃近くまで温度が
上昇し、接合強度が著しく低下することになる。また、
自己発熱によりヘッド内部の温度上昇が発生し、インク
温度が上昇するが、インクの温度が上昇すると、インク
粘度が低下し、噴射特性に大きな影響を与える。したが
って、ベース13を金属材料で形成して圧電素子12の
自己発熱による蓄熱を防止することで、これらの接合強
度の低下、インク粘度の低下による噴射特性の劣化を防
止することができる
と、高温または低温でベース13と圧電素子12の接合
界面で接着剤27の剥離が発生することがある。すなわ
ち、従前は圧電素子の全長が長くなかったため、環境変
動による温度差で圧電素子とベース13が剥離するとい
う問題はほとんどなかったが、300dpiで約400
ノズル程度を有する全体で30〜40mm程度の長さの
圧電素子を用いることでこの問題が顕在化された。
膨張係数が10E−6/℃以下の材質を用いることが好
ましく、この線膨張係数の範囲にすることにより、環境
変動による温度差で、圧電素子との接合界面が剥離する
ことを防止できる。特に、圧電素子に接着接合される部
品の線膨張係数を全て10E−6/℃以下にすると、接
合界面の剥離に対し、非常に効果的であることを確認し
た。
(各加圧液室6に対応する)圧電素子12を駆動する駆
動波形(電気信号)を印加するためのドライバIC16
を複数搭載している。このように、PCB基板14に複
数のドライバIC16を搭載することにより、各ドライ
バIC16毎に電気信号を設定することができ、圧電素
子12の変位特性のばらつきを容易に補正することがで
きるようになる。
ンネル間の変位量ばらつきが大きくなることが顕在化し
てきているので、複数のドライバIC16を搭載するこ
とにより、長尺化した圧電素子12のチャンネル方向の
変位量ばらつきを電圧により補正して、噴射特性の均一
化を図ることができるようになる。
レーム17を接着剤で接合している。そして、このフレ
ーム17には、ドライバIC16と少なくともベース1
3を挟んで反対側に配置されるように、共通液室8に外
部からインクを供給するためのインク供給路18を形成
している。このインク供給路18は振動板2の貫通穴2
aを介して共通液室8に連通している。
外部電極26側からインクを供給することにより、ドラ
イバIC16とインク供給路18、共通液室8、流体抵
抗部7とを反対側に配置することが可能になり、ドライ
バIC16の発熱によるインクの温度上昇を防止するこ
とができる。
16の発熱は、チャンネル数や駆動波形によっても違い
があるが、圧電素子12の長尺化にともなって100℃
前後に達し、この発熱によってインクの温度が上昇する
と、インクの粘度が低下し、噴射特性に大きな影響を及
ぼすことになるので、ドライバIC16の温度上昇によ
るインク粘度の低下は絶対に避けなければならない。従
来は、チャンネル数が少ないため、ドライバICの発熱
はさほど大きな問題ではなかったが、ヘッドの長尺化に
伴って温度上昇によるインクの低粘度化が大きな問題と
なってきているので、上記構成を採用することによって
この問題を解決することができる。
においては、圧電素子12に対して選択的に20〜50
Vの駆動パルス電圧を印加することによって、パルス電
圧が印加された圧電素子12が積層方向(d33方向を
用いる場合)に変位して振動板2をノズル5方向に変形
させ、加圧液室6の容積/体積変化によって加圧液室6
内のインクが加圧され、ノズル5からインク滴が吐出
(噴射)される。
6内の液圧力が低下し、このときのインク流れの慣性に
よって加圧液室6内には若干の負圧が発生する。この状
態の下において、圧電素子12への電圧の印加をオフ状
態にすることによって、振動板2が元の位置に戻って加
圧液室6が元の形状になるため、さらに負圧が発生す
る。このとき、インク供給路18から共通液室8、流体
抵抗部であるインク供給路7を経て加圧液室6内にイン
クが充填される。そこで、ノズル5のインクメニスカス
面の振動が減衰して安定した後、次のインク滴吐出のた
めに圧電素子12にパルス電圧を印加しインク滴を吐出
させる。
述したように圧電素子12の接合面とPCB基板14の
接合面を垂直方向にして圧電素子12の外部電極25か
らPCB基板14に直接ワイヤーボンディングしてい
る。これにより、長尺化した圧電素子に対する電極取り
出しが容易になり、品質が向上する。
程度を有する全体で30〜40mm程度の長さの圧電素
子から電極を取り出す場合、圧電素子の外部電極から直
接PCB基板にワイヤーボンディングで電極接続を行な
うことにより、ショートやオープンの発生が防止され、
接続品質を向上し、電極取り出しが容易になるとともに
品質も向上する。
形態に係るインクジェットヘッドについて図2を参照し
て説明する。なお、同図は同ヘッドの液室長手方向に沿
う断面説明図である。このヘッドにおいては、ベース1
3に凹部28を形成し、この凹部28内にPCB基板1
4を接着剤で接合している。この凹部28の深さはPC
B基板14の厚さとほぼ同一にしている。これにより、
圧電素子12の外部電極25とPCB基板14のワイヤ
ーボンディング面を略同一面上に配置することができ、
CCDカメラでのフォーカスが容易となり位置決め精度
の高精度化を図ることができる。
の外部電極とPCB基板を接続する場合に、接続部が大
きくずれていると、カメラによる画像処理で位置決めす
る場合にフォーカスが合いずらくなり、位置決め精度が
低下し、接合品質が低下することになるが、上述した構
成とすることにより、ワイヤーボンディング面を略同一
面上に配置することができて位置決め精度の高嬢による
接合品質の向上を図れる。
子14接合面までの距離を近づけるほど、つまり、ベー
ス13の隔壁部13aを薄くするほどワイヤー15の長
さが短くなるが、近づけ過ぎるとベース13の圧電素子
12を接合する隔壁部13aが薄くなり、剛性が低下
し、振動特性が劣化する。
12を接着接合することも考えられるが、このようにす
ると、PCB基板14の剛性不足で、振動特性が劣化す
ることを実験で確認した。これは、PCB基板14の材
質によるところが大きいが、通常のガラエポでは振動特
性が悪く、セラミックを使用すれば比較的振動特性が良
いことも確認されている。また、PCB基板14に圧電
素子12を直接接合した場合、PCB基板14の厚さば
らつきが大きいため、圧電素子12のスリット加工の深
さばらつきが大きくなるという問題も発生している。し
たがって、圧電素子12を接合する部材とドライバIC
16を実装する部材とは一体構造でない方が良い。
の組み立て及び記録装置への組み付けについて図3ない
し図5を参照して説明する。なお、図3は同ヘッドの平
面説明図、図4は図3の左側面一部破断説明図、図5は
図3の正面説明図である。まず、ヘッドにおいては、圧
電素子12を接着接合するベース13を基準にヘッドの
組立を行い、次に、このベース13を記録装置本体との
位置決めに使用する。ベース13には、X方向基準(図
3)、Y方向基準(図3)及びZ方向基準(図4)があ
り、これら基準を使用して各部の組立を行う。
して組み立てを行い、ベース13を基準として記録装置
本体への組み付けを行うことで、複数のヘッドを記録装
置に塔載する場合の各ヘッド間の位置決め精度を高くす
ることができ、色ズレの発生を防止して高品質な画像を
記録することができる。
かれていれば、位置決め精度はあまり大きな問題になら
ないが、そうでない場合で複数ヘッドを記録装置に搭載
する場合、ヘッドの記録装置への位置決め精度が悪い
と、色ズレが発生し、高品質な画像を得ることができな
くなるので、上述したようにベースを基準として組み付
けを行うことで、高品質画像が得られるようにする。
を塔載するためのインクジェット記録装置の一例につい
て図6及び図7を参照して説明する。なお、図6は同記
録装置の斜視説明図、図7は同記録装置の機構部の側面
説明図である。このインクジェット記録装置は、記録装
置本体51の内部に主走査方向に移動可能なキャリッ
ジ、キャリッジに搭載した本発明に係るインクジェット
ヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給
するインクカートリッジ等で構成される印字機構部52
等を収納し、装置本体51の下方部には前方側から多数
枚の用紙53を積載可能な給紙カセット(或いは給紙ト
レイでもよい。)54を抜き差し自在に装着することが
でき、また、用紙53を手差しで給紙するための手差し
トレイ55を開倒することができ、給紙カセット54或
いは手差しトレイ55から給送される用紙53を取り込
み、印字機構部52によって所要の画像を記録した後、
後面側に装着された排紙トレイ56に排紙する。
に横架したガイド部材である主ガイドロッド61と従ガ
イドロッド62とでキャリッジ63を主走査方向(図1
2で紙面垂直方向)に摺動自在に保持し、このキャリッ
ジ63にはイエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ
(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を吐出する
本発明に係る液滴吐出ヘッドである複数のインクジェッ
トヘッドからなるヘッド64を複数のインク吐出口を主
走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を
下方に向けて装着している。またキャリッジ63にはヘ
ッド64に各色のインクを供給するための各インクカー
トリッジ65を交換可能に装着している。
通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインク
を供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔
質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェ
ットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持し
ている。また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド
64を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズル
を有する1個のヘッドでもよい。
送方向下流側)を主ガイドロッド61に摺動自在に嵌装
し、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッド6
2に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ
63を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ6
7で回転駆動される駆動プーリ68と従動プーリ69と
の間にタイミングベルト70を張装し、このタイミング
ベルト70をキャリッジ63に固定しており、主走査モ
ーター67の正逆回転によりキャリッジ63が往復駆動
される。
53をヘッド64の下方側に搬送するために、給紙カセ
ット54から用紙53を分離給装する給紙ローラ71及
びフリクションパッド72と、用紙53を案内するガイ
ド部材73と、給紙された用紙53を反転させて搬送す
る搬送ローラ74と、この搬送ローラ74の周面に押し
付けられる搬送コロ75及び搬送ローラ74からの用紙
53の送り出し角度を規定する先端コロ76とを設けて
いる。搬送ローラ74は副走査モータ77によってギヤ
列を介して回転駆動される。
動範囲に対応して搬送ローラ74から送り出された用紙
53を記録ヘッド64の下方側で案内する用紙ガイド部
材である印写受け部材79を設けている。この印写受け
部材79の用紙搬送方向下流側には、用紙53を排紙方
向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ81、拍車
82を設け、さらに用紙53を排紙トレイ56に送り出
す排紙ローラ83及び拍車84と、排紙経路を形成する
ガイド部材85,86とを配設している。
がら画像信号に応じて記録ヘッド64を駆動することに
より、停止している用紙53にインクを吐出して1行分
を記録し、用紙53を所定量搬送後次の行の記録を行
う。記録終了信号または、用紙53の後端が記録領域に
到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ
用紙53を排紙する。
記録領域を外れた位置には、ヘッド64の吐出不良を回
復するための回復装置87を配置している。回復装置8
7はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有し
ている。キャリッジ63は印字待機中にはこの回復装置
87側に移動されてキャッピング手段でヘッド64をキ
ャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことにより
インク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中
などに記録と関係しないインクを吐出することにより、
全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性
能を維持する。
ング手段でヘッド64の吐出口を密封し、チューブを通
して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い
出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニン
グ手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸
引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜
(不図示)に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体
に吸収保持される。
ッドをベースを基準として組みつけて搭載しているの
で、安定して高画質記録を行うことができる。
ヘッドとしてインクジェットヘッドに適用した例で説明
したが、インクジェットヘッド以外の液滴吐出ヘッドと
して、例えば、液体レジストを液滴として吐出する液滴
吐出ヘッド、DNAの試料を液滴として吐出する液滴吐
出ヘッドなどの他の液滴吐出ヘッドにも適用できる。
振動板変位方向と液滴吐出方向が同じになるサイドシュ
ータ方式のヘッドに適用したが、振動板変位方向とイン
ク滴吐出方向とが直交するエッジシュータ方式のヘッド
にも同様に適用することができる。
吐出ヘッドによれば、圧電素子をベースに接合し、この
ベースには圧電素子との接合面に対して垂直方向にPC
B基板を接合し、更に圧電素子の外部電極とPCB基板
とを直接ワイヤーボンディングによって接続したので、
圧電素子からの電極取り出しの品質と信頼性が向上す
る。
とすることで、ワイヤーボンディングを略同一面とする
ことができ、位置決め精度の向上を図ることができる。
また、ベースは金属材料とすることで、圧電素子の自己
発熱による蓄熱を抑制することができる。さらに、金属
材料は線膨張係数が10E−6/℃以下とすることで、
圧電素子とベースの線膨張係数差による剥離を防止する
ことができる。
ためのドライバICを複数搭載して、圧電素子に与える
電気信号をドライバIC単位で設定可能にされているこ
とで、長尺ヘッドのおける吐出特性のばらつきを容易に
補正することができる。
るためのドライバICを搭載し、各加圧液室に液体を供
給する共通液室に液体を供給する液体供給路をドライバ
ICと少なくともベースを挟んで反対側に配置すること
で、ドライバICの放熱による液粘度の上昇を防止する
ことができる。
れば、本発明に係る液滴吐出ヘッドを搭載し、圧電素子
を接合したベースが記録装置本体との位置決めに使用さ
れているので、高画質記録が行うことができる。
インクジェットヘッドの液室長手方向に沿う断面説明図
インクジェットヘッドの液室長手方向に沿う断面説明図
の組み付けの説明に供するヘッドの平面説明図
示す斜視説明図
ル、6…加圧液室、7…流体抵抗部、8…共通液室、1
2…圧電素子、13…ベース、14…PCB基板、15
…ワイヤー、16…ドライバIC、17…フレーム、1
8…インク供給路。
Claims (7)
- 【請求項1】 ノズルが連通する加圧液室に対応させて
配置した積層型圧電素子を駆動して前記加圧液室内の液
体を加圧することで前記ノズルから液滴を噴射させる液
滴吐出ヘッドにおいて、前記圧電素子をベースに接合
し、このベースには前記圧電素子との接合面に対して垂
直方向にPCB基板を接合し、更に前記圧電素子の外部
電極と前記PCB基板とを直接ワイヤーボンディングに
よって接続したことを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 【請求項2】 請求項1に記載の液滴吐出ヘッドにおい
て、前記ベースのPCB基板接合部を凹部としたことを
特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 【請求項3】 請求項1又は2に記載の液滴吐出ヘッド
において、前記ベースは金属材料であることを特徴とす
る液滴吐出ヘッド。 - 【請求項4】 請求項3に記載の液滴吐出ヘッドにおい
て、前記金属材料は線膨張係数が10E−6/℃以下で
あることを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 【請求項5】 請求項1乃至4のいずれかに記載の液滴
吐出ヘッドにおいて、前記PCB基板には前記圧電素子
を駆動するためのドライバICを複数搭載して、前記圧
電素子に与える電気信号をドライバIC単位で設定可能
にされていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 【請求項6】 請求項1乃至4のいずれかに記載の液滴
吐出ヘッドにおいて、前記PCB基板には前記圧電素子
を駆動するためのドライバICを搭載し、前記各加圧液
室に液体を供給する共通液室に液体を供給する液体供給
路を前記ドライバICと少なくとも前記ベースを挟んで
反対側に配置したことを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 【請求項7】 請求項1乃至6のいずれかに記載の液滴
吐出ヘッドを搭載したインクジェット記録装置におい
て、前記液滴吐出ヘッドの圧電素子を接合したベースが
記録装置本体との位置決めに使用されていることを特徴
とするインクジェット記録装置。
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