JP2006082393A - インクジェット記録ヘッド及びインクジェットプリンタ - Google Patents

Abstract

【課題】 液滴イジェクタを複数配設したイジェクタ基体と駆動回路基体との電気接続部をコンパクト化し、エネルギー効率が高いインクジェット記録ヘッドを提供する。
【解決手段】 ヘッドユニット１４のイジェクタ基体１６，１８には、多数の液滴イジェクタ３０が二次元配置されている。各液滴イジェクタ３０には、それぞれ圧力室５０とノズル２４が配設され、圧力室５０の振動板４８の上部に圧電素子４８が設けられている。イジェクタ基体１６，１８と対向する位置に駆動回路基体６０が配置され、電極端子６２と圧電素子４８上の電極パッド５６とがバネ状の導電部材５８によって接続されている。駆動回路基体６０から圧電素子４８に電圧が印加されると、振動板４８が変形してノズル２４からインク滴が吐出される。そのとき、バネ状の導電部材５８が伸縮し、圧電素子４８及び振動板４８の変形を拘束しない。
【選択図】 図４

Description

本発明は、駆動素子によって圧力室内のインクに圧力波を作用させてノズルからインク滴を吐出させるインクジェット記録ヘッド、及びこのインクジェット記録ヘッドが搭載されたインクジェットプリンタに関する。

従来、複数のノズルからインク滴を吐出し、用紙等の記録媒体に印字を行うインクジェット記録装置は、小型で安価、静寂性等の種々の利点があり、広く市販されている。

このようなインクジェット記録装置として、例えば、圧電素子からの加圧によって圧力室内のインクに圧力波を作用させ、ノズルからインク滴を吐出させるピエゾインクジェット方式がある。このピエゾインクジェット方式は、高速印字、高解像度が得られる等、多くの利点を有している。

このようなインクジェット記録装置は、１個のノズルと圧力室を備えた液滴イジェクタが２次元的に複数配列されたイジェクタ基体を備えている。このイジェクタ基体は駆動回路基体とフレキシブルケーブルで接続されており、電圧が印加されることによって個々の液滴イジェクタが駆動される。このフレキシブルケーブルを単層ケーブルにすると、配線を交差させることができず、ケーブルを細線にして狭ピッチ化しても、高密度化が困難である。また、フレキシブルケーブルは合成樹脂製であるため、伸縮により接続位置の精度確保が困難となる。一方、フレキシブルケーブルを多層ケーブルにすると、スルホールにより交差可能であるが、スルホールの寸法が大きくなり、狭ピッチ化が困難となる。また、多層ケーブルでは、コストが大幅に増加してしまう。

これに対して、イジェクタ基体と駆動回路基体とを対向させて熱圧着したリジッド接続によるインクジェット記録ヘッドが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このインクジェット記録ヘッドでは、イジェクタ基体と駆動回路基体とを熱圧着して固定するため、圧力室の振動板の上部に電極パッドを設けると振動板の変位を拘束してしまう。このため、電極パッドを圧力室の上部以外に設けなければならず、イジェクタ基体の面積が増大し、負荷容量や電流が増大してエネルギー効率が減少する。また、液滴イジェクタを２次元配列したイジェクタ基体では、複雑な流路構造となるため、剛性が小さくなり、メンテナンス時にイジェクタ基体が変形してしまう。このため、リジッドに固定されたイジェクタ基体と駆動回路基体との接続部に応力が集中し、接続不良（接続はがれなど）が発生する。
特開平１１−７８００３号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、イジェクタ基体と駆動回路基体との電気接続部をコンパクト化し、エネルギー効率が高いインクジェット記録ヘッド及びインクジェットプリンタを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係るインクジェット記録ヘッドは、駆動素子によって圧力室内のインクに圧力波を作用させてノズルからインク滴を吐出する液滴イジェクタと、前記液滴イジェクタが複数配列されたイジェクタ基体と、前記イジェクタ基体に対向して配置され、前記駆動素子を駆動して前記ノズルからインク滴を吐出させる駆動回路基体と、前記イジェクタ基体と前記駆動回路基体とを接続する伸縮性の導電部材と、を有することを特徴としている。

請求項１に記載の発明では、ノズルからインク滴を吐出する液滴イジェクタがイジェクタ基体に複数配列されている。このイジェクタ基体に対向して駆動回路基体が配置され、イジェクタ基体と駆動回路基体とが伸縮性の導電部材で接続されている。駆動回路基体から伸縮性の導電部材を通してイジェクタ基体に電圧が印加されると、各液滴イジェクタの駆動素子によって圧力室内のインクに圧力波が作用してノズルからインク滴が吐出される。その際、イジェクタ基体は、伸縮性の導電部材によって駆動回路基体に拘束されないため、駆動素子が駆動されるときに液滴イジェクタの動作が拘束されない。このため、イジェクタ基体と駆動回路基体の接続の自由度が増加するので、イジェクタ基体の面積を小さくすることができ、負荷容量や電流の増大によるエネルギー効率の減少を防止できる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記導電部材はバネ状に形成され、前記導電部材の伸縮方向が、前記イジェクタ基体の板厚方向であることを特徴としている。

請求項２に記載の発明によれば、導電部材はバネ状に形成されており、導電部材がイジェクタ基体の板厚方向に伸縮する。このため、液滴イジェクタの駆動素子の変形方向に導電部材が伸縮し、駆動素子の変形が拘束されるのを防止できる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記液滴イジェクタは、前記駆動素子で振動板を変位させて前記圧力室内のインクに圧力波を作用させるものであり、前記駆動素子の可動部の上部に、前記導電部材と接続される電極パッドが配設されていることを特徴としている。

請求項３に記載の発明によれば、液滴イジェクタは、駆動素子によって振動板を変位させ、圧力室内のインクに圧力波を作用させてノズルからインク滴を吐出させる。その際、駆動素子による可動部の上部に電極パッドを配設しても、導電部材が伸縮するため、可動部の変形を拘束しない。このため、振動板と電極パッドを効率良く配置してイジェクタ基体（液滴イジェクタ）の面積をより一層小さくできる。

請求項４に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記液滴イジェクタは、前記駆動素子で振動板を変位させて前記圧力室内のインクに圧力波を作用させるものであり、前記圧力室の上部に、前記導電部材と接続される前記駆動素子の電極パッドが配設されていることを特徴としている。

請求項４に記載の発明によれば、圧力室の上部に電極パッドを配設しても、導電部材が伸縮するため、駆動素子による振動板の変形を拘束しない。このため、振動板と電極パッドを効率良く配置してイジェクタ基体（液滴イジェクタ）の面積をより一層小さくできる。

請求項５に記載の発明に係るインクジェットプリンタは、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッドを備えたことを特徴としている。

請求項５に記載の発明によれば、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッドを備えているので、イジェクタ基体の面積を小さくして小型化を実現できると共に、負荷容量や電流の増大によるエネルギー効率の減少を防止できる。

本発明は上記のように構成したので、イジェクタ基体と駆動回路基体との電気接続部をコンパクト化し、イジェクタ基体の面積を小さくすることができ、エネルギー効率が高いインクジェット記録ヘッド及びインクジェットプリンタを実現できる。

以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態であるインクジェット記録ヘッド１０を示す概略斜視図である。

図１に示すように、このインクジェット記録ヘッド１０は、記録媒体Ｐの最大幅に対応する長さに設定されたヘッドバー１２を備えている（図５参照）。このヘッドバー１２には、支持部材１３に複数のヘッドユニット１４が一列に繋ぎ合わされ、二次元的に配置されている。個々のヘッドユニット１４は、支持部材１３にねじ（図示せず）で締結されており、個別に交換が可能となっている。

図２に示すように、各ヘッドユニット１４は、略平行四辺形の両端部が外側に直線状に張り出した延設部２０Ａ，２０Ｂを備えている。ヘッドユニット１４の略平行四辺形部分には、液滴イジェクタ群からなる２つのイジェクタ基体１６，１８が配設されている。２つのイジェクタ基体１６，１８は略台形形状であり、ヘッドユニット１４内に、略台形形状の同じ長さの斜辺（本実施形態では、短い斜辺）が向かい合うように配置されている。ヘッドユニット１４の両側には、イジェクタ基体１６，１８にインクを供給するインク供給口２２が設けられている。

図４に示すように、２つのイジェクタ基体１６，１８には、多数の液滴イジェクタ３０が二次元配置されており、各液滴イジェクタ３０にはそれぞれ１つのノズル２４が設けられている。すなわち、図３に示すように、ヘッドユニット１４の表面には、イジェクタ基体１６，１８に対応して複数のノズル２４が形成されている。イジェクタ基体１６，１８は、例えば、５１２個の液滴イジェクタ３０を３２段に２次元配置しており、左右で非対称となっている。全部の液滴イジェクタ３０を駆動して１ラインをプリントすると、重ならないような配置となっている。

図５に示すように、インクジェット記録ヘッド１０をインクジェット記録装置１００に搭載する際には、各ヘッドユニット１４のノズル２４（図３参照）が下方を向くように支持基体１０２に配設される。このインクジェット記録装置１００は、インクジェット記録ヘッド１０のほか、インクジェット記録ヘッド１０に対向配置されたメンテナンス装置１０４と、インクジェット記録ヘッド１０とメンテナンス装置１０４の間に記録媒体Ｐを矢印方向に搬送する搬送手段１０６とで主要部が構成されている。

インクジェット記録ヘッド１０は、各ヘッドユニット１４（図１参照）が一列に配置されることによって記録媒体Ｐの最大幅に対応する印字領域を有しており、インクジェット記録ヘッド１０を走査させることなく記録媒体Ｐの全幅に印字可能である。すなわち、インクジェット記録ヘッド１０の下を記録媒体Ｐが１回通過するだけで印字が完了する構成である。

また、搬送手段１０６は、記録媒体Ｐの搬送方向においてインクジェット記録ヘッド１０と異なる位置に配置されている。これは、インクジェット記録ヘッド１０と対向する位置にメンテナンス装置１０４を配設するためである。搬送手段１０６は、例えば、記録媒体Ｐの裏面に当接して記録媒体Ｐに駆動力を付与する搬送ローラ１０８と、搬送ローラ１０８に対して記録媒体Ｐを押しつける付勢手段１１０とから構成されている。付勢手段１１０としては、記録媒体Ｐに対して付勢部材が直接接触して付勢する方式と、記録媒体Ｐに対して直接接触しない方式が適用可能である。後者の例としては、例えば、エアーの吹き付け等が適用可能であり、印字された記録媒体Ｐに付勢手段１１０が接触しない点で優れている。また、メンテナンス装置１０４は、図示しないが、インクジェット記録ヘッド１０のノズル２４をキャップするキャップ部材と、ノズル２４をクリーニングするワイピング部材とから構成されている。

図４に示すように、ヘッドユニット１４を構成するイジェクタ基体１６，１８には、ノズルプレート３２に複数のノズル２４が形成されている。ノズルプレート３２の上方には、流路形成プレート３４と、連通孔プレート４２と、圧力室プレート４４と、振動板（第１電極）４６とが位置合わせして積層され、接着剤などの接合手段によって接合されている。

流路形成プレート３４には、ノズル２４と通じる複数の連通孔３８が形成されている。また、連通孔プレート４２には、複数の連通孔５２が形成されている。これらのノズル２４、連通孔３８、及び連通孔５２は互いに連通し、圧力室プレート４４に形成された圧力室５０に繋がっている。

一方、流路形成プレート３４には、複数のインクプール４０が形成されており、図２に示すインク供給口２２からインクが供給されるように構成されている。また、連通孔プレート４２には、インクプール４０と連結するように複数の供給孔５４が形成されている。これらのインクプール４０、供給孔５４及び圧力室５０は、流路形成プレート３４と連通孔プレート４２と圧力室プレート４４が積層された状態で連通している。

圧力室５０は、各液滴イジェクタ３０にそれぞれ設けられており、振動板４６の上部には、各圧力室５０の上方に圧電素子４８が取り付けられている。圧電素子４８の上には電極パッド（第２電極）５６が設けられている。

イジェクタ基体１６，１８の上部には、イジェクタ基体１６，１８を駆動する駆動回路基体６０が対向して配置されている。駆動回路基体６０には、圧電素子４８と対応する位置に電極端子６２が設けられており、電極端子６２と電極パッド５６とが伸縮性の導電部材５８で接続されている。駆動回路基体６０には、ＳＯＧ（System On Glass）のような大面積半導体基板や、小面積半導体基板（駆動ＩＣ）を複数実装したプリント基板などが用いられる。駆動回路基体６０とイジェクタ基体１６，１８とは、それぞれ図示しない支持部材に装着されており、導電部材５８に駆動回路基体６０とイジェクタ基体１６，１８の一方を支持する役割を持たせない。

導電部材５８はジグザグ状に形成され、図４中の上下方向、すなわちイジェクタ基体１６，１８の法線方向に伸縮が可能となっている。

次に、イジェクタ基体１６，１８と駆動回路基体６０とを接続する伸縮性の導電部材５８の製造方法について説明する。

導電部材５８は、例えば、半導体製造プロセスを利用して製造する。導電部材５８の材料には、例えば、銅、金、ニッケル、などメッキに使用できる材料が用いられる。メッキによる製造方法では、高速着膜が可能である。

図６（Ａ）に示すように、下地には、駆動回路基体６０が用いられる。なお、下地には、ダミー基体やイジェクト基体１６，１８を用いても良い。

駆動回路基体６０の上に電極端子６２を積層し、次いで金属からなる犠牲層７０を着膜する。そして、犠牲層７０を図示しないマスクを介してパターニングし、図６（Ｂ）に示すように、不用部分を除去して導電層７２Ａを着膜し、平坦化する。次いで、図６（Ｃ）に示すように、犠牲層７０の着膜、パターニング、導電層７２Ｂの着膜、平坦化を繰り返すことによって、各犠牲層７０に導電層７２Ｂ，７２Ｃ，７２Ｄを順次形成する。このとき、図６（Ｄ）に示すように、導電層７２Ａ，７２Ｂ，７２Ｃ，７２Ｄをジグザグ状に積層していくことによって、連続した導電層７２が形成される。各犠牲層７０及び導電層７２の層厚は、約２０μｍ以内で、数十層が積層される（図６では簡略化するために積層数を少なくしたものが図示されている）。

そして、図６（Ｅ）に示すように、全ての犠牲層７０及び導電層７２を積層した後、犠牲層７０を一括除去することで、ジグザグ状の導電層７２からなる導電部材５８が完成する。この導電部材５８は、ジグザグ状に形成されているため、駆動回路基体６０の法線方向に伸縮し、例えば、約１ｍｍ程度のたわみ性が得られる。

なお、最上層又は最下層（電極端子に相当）は、駆動回路基体６０及びイジェクタ基体１６，１８における端子面積以内で平板パターンとして良い。

なお、導電部材５８は、図６に示す製造方法に限るものではなく、導電層７２を着膜し、パターニングして不用部分を除去し、犠牲層を着膜して平坦化するという順序で繰り返して製造しても良い。

次に、上記インクジェット記録ヘッド１０の作用について説明する。

インクジェット記録ヘッド１０の各ヘッドユニット１４では、図４に示すように、インクプール４０から供給孔５４、圧力室５０、連通孔５２、連通孔３８及びノズル２４へと連続するインクの通路が形成されており、インク供給口２２から供給されインクプール４０に貯留されたインクは、供給孔５４を経て圧力室５０内に充填される。そして、駆動回路基体６０の電極端子６２から導電部材５８を通して個々の圧電素子４８に駆動電圧が印加される。圧電素子４８に駆動電圧が印加されると、圧電素子４８とともに振動板４６がたわみ変形して圧力室５０を膨張又は圧縮させる。これによって、圧力室５０に体積変化が生じ、圧力室５０内に圧力波が発生する。この圧力波の作用によってインクが運動し、ノズル２４から外部へインク滴が吐出される。

そのとき、圧電素子４８及び振動板４６の変形によって導電部材５８がイジェクタ基体１６，１８の板厚方向（法線方向）に伸縮する。駆動回路基体６０とイジェクタ基体１６，１８とは、それぞれ図示しない支持部材に装着されており、互いに拘束されない支持状態に保たれている。このため、圧電素子４８及び振動板４６の変形を拘束しない。したがって、圧電素子４８及び振動板４６の変位量が減少するのを防止でき、エネルギー効率が高くなる。

このようなインクジェット記録ヘッド１０では、液滴イジェクタ３０を二次元配置して、振動板４６の上方の圧電素子４８上に電極パッド５６を配設することができるため、イジェクタ基体１６，１８に電極パッド５６を効率良く配置することができる。これにより、イジェクタ基体１６，１８の面積が増大するのを防止でき、小型で高密度のインクジェット記録ヘッド１０を実現できる。

次に、本発明の第２実施形態のインクジェット記録ヘッドに用いられる導電部材について説明する。

図７（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、本実施形態の導電部材８２は螺旋状に形成されており、以下の製造方法によって製造される。なお、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の矢印Ａ方向から見た図である。

駆動回路基体６０の上に電極端子６２を積層し、次いで金属からなる犠牲層８０を着膜する。そして、犠牲層８０を図示しないマスクを介してパターニングし、不用部分を除去して導電層８２Ａを着膜し、平坦化する。同様に、犠牲層８０を着膜、パターニングした後、線状の導電層８２Ｂを略３／４周するように着膜し、平坦化する。さらに、同様の工程を繰り返すことによって上層の導電層８２Ｃを接続し、その上層に線状の導電層８２Ｄを略３／４周するように接続する。このように各犠牲層８０に導電層８２Ｂ，８２Ｃ，８２Ｄを順次形成していくことによって、図７（Ａ）に示すように、各層が連続した螺旋状の導電層８２Ｂ，８２Ｃ，８２Ｄが形成される。そして、図７（Ｂ）に示すように、犠牲層８０を一括除去することで、螺旋状の導電部材８２が完成する。この導電部材８２は、駆動回路基体６０の法線方向に伸縮し、例えば、約１ｍｍ程度のたわみ性が得られる。

なお、第１及び第２実施形態では、導電部材はジグザク状、螺旋状であったが、これらの形状に限定されるものではなく、伸縮性のある形状であれば適宜に設定できる。

以上のような実施形態で説明したインクジェット記録ヘッドは、記録媒体Ｐ上へ画像（文字を含む）を記録するものであったが、これに限定されるものではない。すなわち、記録媒体は紙に限定されるものでなく、また、吐出する液体もインクに限定されるものではない。例えば、高分子フィルムやガラス上にインクを吐出してディスプレイ用カラーフィルターを作成したり、溶接状態の半田を基板上に吐出して部品実装用のバンプを形成したりする等、工業用的に用いられる液滴噴射装置全般に含まれる。

本発明の第１実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す斜視図である。 図１に示すインクジェット記録ヘッドを構成するヘッドユニットのイジェクタ基体を示す平面図である。 図１に示すインクジェット記録ヘッドを構成するヘッドユニットのノズル面を示す平面図である。 図１に示すインクジェット記録ヘッドを構成するヘッドユニットのイジェクタ基体と駆動回路基体とを接続する導電部材を示す断面図である。 図１に示すインクジェット記録ヘッドが搭載されるインクジェット記録装置の主要部分を示す斜視図である。 図１に示すインクジェット記録ヘッドのイジェクタ基体と駆動回路基体とを接続する導電部材の製造方法を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係るインクジェット記録ヘッドのイジェクタ基体と駆動回路基体とを接続する導電部材の製造方法を説明する図である。

符号の説明

１０ インクジェット記録ヘッド
１４ ヘッドユニット
１６，１８ イジェクタ基体
２４ ノズル
３０ 液滴イジェクタ
４６ 振動板
４８ 圧電素子（駆動素子）
５０ 圧力室
５６ 電極パッド
５８ 導電部材
６０ 駆動回路基体
８２ 導電部材
１００ インクジェット記録装置（インクジェットプリンタ）

Claims (5)

1. 駆動素子によって圧力室内のインクに圧力波を作用させてノズルからインク滴を吐出する液滴イジェクタと、
   前記液滴イジェクタが複数配列されたイジェクタ基体と、
   前記イジェクタ基体に対向して配置され、前記駆動素子を駆動して前記ノズルからインク滴を吐出させる駆動回路基体と、
   前記イジェクタ基体と前記駆動回路基体とを接続する伸縮性の導電部材と、
   を有することを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 前記導電部材はバネ状に形成され、
   前記導電部材の伸縮方向が、前記イジェクタ基体の板厚方向であることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
3. 前記液滴イジェクタは、前記駆動素子で振動板を変位させて前記圧力室内のインクに圧力波を作用させるものであり、
   前記駆動素子の可動部の上部に、前記導電部材と接続される電極パッドが配設されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド。
4. 前記液滴イジェクタは、前記駆動素子で振動板を変位させて前記圧力室内のインクに圧力波を作用させるものであり、
   前記圧力室の上部に、前記導電部材と接続される前記駆動素子の電極パッドが配設されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッドを備えたことを特徴とするインクジェットプリンタ。

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