JP2011178055A - インクジェットヘッド、インクジェット記録装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】インクジェットヘッドにおけるノズル穴からの吐出液滴の着弾位置精度の向上、ノズルプレートの破損防止および低コスト化を実現することのできる技術を提供する。
【解決手段】基板と、基板上に所定のインク吐出方向と直交する方向に配列され、複数のノズル穴それぞれに対応する複数の圧力室の隔壁を構成する複数の圧電素子隔壁と、複数の圧電素子隔壁が配列される方向に延び、複数の圧電素子隔壁の頂面に架橋されるように接着され、複数のノズル穴が形成されるノズルプレートと、基板上に配置され、圧電素子隔壁を包囲する枠部材と、ノズルプレートの圧電素子隔壁に対向しない側の面および枠部材の頂面に接着され、複数のノズル穴に対応する位置に開口を有する封止部材と、を有する。
【選択図】図３
【解決手段】基板と、基板上に所定のインク吐出方向と直交する方向に配列され、複数のノズル穴それぞれに対応する複数の圧力室の隔壁を構成する複数の圧電素子隔壁と、複数の圧電素子隔壁が配列される方向に延び、複数の圧電素子隔壁の頂面に架橋されるように接着され、複数のノズル穴が形成されるノズルプレートと、基板上に配置され、圧電素子隔壁を包囲する枠部材と、ノズルプレートの圧電素子隔壁に対向しない側の面および枠部材の頂面に接着され、複数のノズル穴に対応する位置に開口を有する封止部材と、を有する。
【選択図】図３
Description
本発明は、インクジェットヘッドにおけるノズルプレートの配置構造に関する。
従来、基板上に圧電素子からなる突起部を形成し、この突起部に複数の溝を形成することにより複数の圧力室と複数の圧電アクチュエータを形成し、さらに同基板上の平面部に枠部材を接合し、枠部材の上面と突起部の頂部上面とにノズルプレートを接着したインクジェットヘッドが開示されている（例えば、特許文献１を参照。）。
このインクジェットヘッドは、基板と枠部材と突起部とノズルプレートとにより構成される空間を、インク供給路あるいはインク排出路として利用している。このインクジェットヘッドではインク供給路から圧力室にインクを強制的に供給し、ノズルから吐出しなかったインクを圧力室からインク排出路に排出させることが可能である。したがって、ノズルからのインクの吐出の有無にかかわらず圧力室内のインクを強制対流させることが可能である。強制対流により圧力室内に気泡や異物が混入しても強制的に排出することができるため、気泡や異物の要因によりインクが吐出しなくなる不良を最小限に抑えることができる。
また、材質が単結晶シリコンであるノズルプレートを採用する構成も開示されている（例えば、特許文献２を参照。）。ノズルプレートにはドライエッチングにより加工されたノズル穴が多数あけられている。ノズルプレートの材質を単結晶シリコンにすることでドライエッチングのような半導体微細加工技術を容易に適用することができ、高精度なノズル穴を形成することができる。また、ノズル穴を高精度に加工することで、ノズル穴から吐出する液滴の着弾位置精度を向上させることができる。このため、印字品質を向上させることができる。あるいは、インクジェットヘッドを例えばフラットパネルディスプレイのような電子デバイスの製造に応用する場合、製造工程の歩留まりを向上させることができる。
本願の発明者は、特許文献１記載のインクジェットヘッドに特許文献２記載のノズルプレートを適用する場合、以下の２つの課題が生じることを発見した。
１つ目の課題は、安価にインクジェットヘッドを提供することが困難であることである。特許文献１におけるノズルプレートは、圧力室だけでなくインク供給路を封止する機能を有しているので、大面積であることが必要である。一方、特許文献２に記載のノズルプレートは半導体微細加工技術によりノズルを形成するので、その製造コストはノズルプレートの面積が大きくなるほど高くなってしまう。
２つ目の課題は、ノズルプレートの接着工程においてノズルプレートを破損しやすいことである。特許文献１に記載のインクジェットヘッドを製造する工程は、まず基板を切削加工して突起部を形成し、続いて当該突起部に複数の溝を形成して複数の圧力室と複数の圧電アクチュエータを形成する。続いて、基板に枠部材を接着し、最後にノズルプレートを突起部と枠部材の上面に接着する。しかしながら、特許文献２に記載の単結晶シリコン製のノズルプレートはきわめて脆い材料であるため、突起部の頂面と枠部材の上面の高さ位置に差があると、ノズルプレートを接着するときにノズルプレートに応力が生じて割れてしまう場合がある。突起部の頂面と枠部材の上面を同時に研磨し、段差が生じないようにすることも考えられるが、突起部の頂面には多数の柱状の圧電アクチュエータが圧力室間に形成されているので、研磨加工時にこれらの圧電アクチュエータが折損してしまうおそれがある。また、突起部と枠部材を研磨加工した後に突起部に溝を形成することも困難である。なぜなら、切削加工に用いることのできる回転刃の径は突起部と枠部材との間隔に比べて大きいため、突起部を溝加工すると枠部材まで加工されてしまうためである。
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、インクジェットヘッドにおけるノズル穴からの吐出液滴の着弾位置精度の向上、ノズルプレートの破損防止および低コスト化を実現することのできる技術を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の一態様は、基板と、前記基板上に所定のインク吐出方向と直交する方向に配列され、複数のノズル穴それぞれに対応する複数の圧力室の隔壁を構成する複数の圧電素子隔壁と、前記複数の圧電素子隔壁が配列される方向に延び、前記複数の圧電素子隔壁の頂面に架橋されるように接着され、前記複数のノズル穴が形成されるノズルプレートと、前記基板上に配置され、前記圧電素子隔壁を包囲する枠部材と、
前記ノズルプレートの前記圧電素子隔壁に対向しない側の面および前記枠部材の頂面に接着され、前記複数のノズル穴に対応する位置に開口を有する封止部材と、を備えるインクジェットヘッドに関する。
前記ノズルプレートの前記圧電素子隔壁に対向しない側の面および前記枠部材の頂面に接着され、前記複数のノズル穴に対応する位置に開口を有する封止部材と、を備えるインクジェットヘッドに関する。
また、本発明の一態様は、上述のような構成のインクジェットヘッドと、前記インクジェットヘッドにインクを供給するとともに、前記インクジェットヘッドから排出されるインクを再度前記インクジェットヘッドに環流させるインク還流機構と、を備えるインクジェット記録装置 に関する。
以上に詳述したように、本発明によれば、インクジェットヘッドにおけるノズル穴からの吐出液滴の着弾位置精度の向上、ノズルプレートの破損防止および低コスト化を実現することのできる技術を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の実施の形態によるインクジェットヘッド１の外観斜視図である。
インクジェットヘッド１は、インクを吐出するノズル２を有するヘッド基板３と、駆動信号を発生するドライバーＩＣ４と、インク供給口６とインク排出口７とを有するマニホールド５と、を備えている。
インクジェットヘッド１は、インク供給口６から供給されるインクを駆動回路４で発生させた駆動信号に応じてノズル２から吐出させる。インク供給口６から流入したインクのうち、ノズル２から吐出しなかったインクはインク排出口７から排出させる。
図２は、本発明の実施の形態によるインクジェットヘッドの概略平面図である。図３は、本発明の実施の形態によるインクジェットヘッドのＡ−Ａ断面図である。図４は、本発明の実施の形態によるインクジェットヘッドのＢ−Ｂ断面図である。
ヘッド基板３は、圧電部材１４、ベース基板１５（基板）、ノズルプレート１６、枠部材１７、封止部材２７を備えている。ベース基板１５、圧電部材１４および封止部材２７で囲まれた中央部の空間は、圧力室に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。枠部材１７は、ベース基板１５上に接着され、圧電部材１４等を包囲している。
ベース基板１５、圧電部材１４、枠部材１７および封止部材２７で囲まれた空間は、圧力室からインクを排出するためのインク排出路１９を形成している。
ベース基板１５には、圧力室２４の内壁に形成された電極２１（図４を参照）とドライバーＩＣ４とを電気的に接続する配線電極２０が形成されている。また、ベース基板１５には、インク供給路１８に連通するインク供給穴２２とインク排出路１９に連通するインク排出穴２３が形成されている。インク供給穴２２は、マニホールド５（図１を参照）によりインク供給口６に流体的に接続している。インク排出穴２３は、マニホールド５によりインク排出口７に流体的に接続している。
ベース基板１５は、誘電率が小さく、かつ圧電部材との熱膨張率の差が小さい材料から形成されることが望ましい。ベース基板１５の材質としては、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などを採用することが可能である。本実施の形態では、一例として、低誘電率のＰＺＴを採用した構成を示している。
ベース基板１５上には、ｘ軸方向に延びる圧電部材１４が接合されている。圧電部材１４は、板厚方向に沿って互いに方向が反対向きに分極された圧電部材１４ａと圧電部材１４ｂを積層することにより形成されている。圧電部材１４には、インク供給路１８からインク排出路１９へと繋がる複数の長溝が並列に形成されており、その各長溝の内面には電極２１が形成されている（図４を参照）。これら長溝と、圧電部材１４上に設けられた長溝を覆うノズルプレート１６の一面で囲まれた空間が圧力室２４となる。このように、ノズルプレート１６は、複数の圧電素子隔壁が配列される方向に延びており（図２を参照）、複数の圧電素子隔壁の頂面に架橋されるように接着され（図４を参照）、複数のノズル穴が形成される（図２を参照）。
なお、ノズルプレート１６は、複数の圧電素子隔壁それぞれの矩形の頂面の全領域を覆うように接着されている。このように圧電素子隔壁それぞれの頂面の広い範囲に密着するようにノズルプレート１６を接着することにより、ノズルプレート１６を複数の圧電素子隔壁に対して強固に接着することができる。
これにより、ベース基板１５上には、圧電素子からなる複数の圧電素子隔壁が立設され、これら圧電素子隔壁はベース基板１５上に所定のインク吐出方向と直交する方向に配列される。複数の圧電素子隔壁は、複数のノズル穴それぞれに対応する複数の圧力室の隔壁を構成する。
また、本実施の形態では、複数の圧電素子隔壁は、平行な複数列（ここでは２列）を構成するように配列され、ノズルプレート１６は、複数列における各列に対応して２列に分割配置されている。
電極２１は、配線電極２０を通してドライバーＩＣ４に接続されている。隣接する圧力室２４の間の圧電部材１４は、各圧力室２４に設けられた電極２１によって挟まれ、アクチュエータ２５を形成している（図４を参照）。
ドライバーＩＣ４にて生成された駆動信号によりアクチュエータ２５に電界が印加されると、アクチュエータ２５は、圧電部材１４ａと圧電部材１４ｂの接合部を頂部として「くの字型」にせん断変形する。このアクチュエータ２５の変形によって、圧力室２４の容積は変化し、圧力室２４の内部にあるインクが加圧される。圧力室２４内で加圧されたインクは、ノズル２から吐出される。
具体的に、圧電部材１４は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）などから構成することができる。本実施の形態では、一例として、圧電定数が比較的高いチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を採用している。
電極２１は、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）の２層構造になっている。電極２１は、メッキ法によって、圧電部材１４に形成されている長溝内に均一に成膜されている（図４を参照）。電極２１の形成方法としては、メッキ法以外にも、スパッタ法や蒸着法などを採用することも可能である。ここでの圧力室２４は、深さ３００μｍ幅８０μｍの形状となっており、１６９μｍのピッチで平行に配列されている。
図５は、本発明の実施の形態によるノズルをｚ−ｘ平面で切断した縦断面図である。ノズルプレート１６には、圧力室２４の長手方向（ｙ軸方向）の中央部から３周期毎にオフセットされた位置に、ノズル２が形成されている。ノズル２は、インク吐出側に小さい穴２ａを有し、圧力室２４側に大きい穴２ｂを有する。ノズル２ａと２ｂはドライエッチングやウエットエッチングなどで高精度に形成することができる。ノズルプレート１６の材質には、本実施の形態では一例として単結晶シリコンを採用している。
なお、ノズルプレート１６の材質としては、ニッケルを採用し、電鋳法によりノズルプレートを形成することもできる。ノズルプレート１６の大きさは圧力室２４の開口部を覆うための最小限の大きさ（ここでは、例えば、ｙ軸方向における幅２ｍｍ、ｚ軸方向の厚さ５０μｍ、ｘ軸方向における長さ５０ｍｍ〜６０ｍｍ）になっている。ノズルプレート１６の大きさを抑えることにより、ドライエッチングやウエットエッチングによるノズル穴形成工程において１回の作業から得られるノズルプレートの数を多くすることができるので、ノズルプレート１６の製造コストを低減させることができる。
ノズルプレート１６の圧電素子隔壁に対向しない側の面および枠部材１７の頂面には封止部材２７が接着されている。封止部材２７はインク供給路１８とインク排出路１９の上面を封止している。封止部材２７にはノズル２（複数のノズル穴）に対応する位置に開口部が設けられている。
封止部材２７は、例えばポリイミドフィルムやステンレス板などの可撓性の材料から形成されている。そのためノズルプレート１６の圧力室２４に対向しない側の面と枠部材１７の頂面に段差が生じていても接着することができる。封止部材２７には撥液性のコーティングがなされている。
続いて、ヘッド基板３の製造方法について述べる。
まず、インク供給穴２２とインク排出穴２３が設けられたベース基板１５に、互いに反対方向に分極された状態で接着された圧電部材１４を接着する。ベース基板１５への圧電部材１４の接着には、エポキシ系接着剤を用いる。これ以降の各部材の接着処理にも同様にエポキシ系接着剤を用いるものとする。
続いて、台形状の断面を有する回転刃で圧電部材１４とベース基板１５を切削加工し、ベース基板１５に圧電部材１４の突起を台形状に形成する。本実施の形態では、圧電部材１４のベース基板１５表面からのｚ軸方向における高さは、５００μｍ程度となっている。続いて、ベース基板１５の上面にフォトリソグラフィーの手法により配線電極のマスクを形成する。続いて、台形状の圧電部材１４の突起にダイサーにより溝を加工し、圧力室２４とアクチュエータ２５を形成する。続いて、ベース基板１５と圧電部材１４に無電解ニッケルメッキを施す。
さらに、無電解ニッケルメッキの上に電解金メッキを施す。続いて、圧電部材１４の突起の頂面に、あらかじめノズル２が多数加工されているノズルプレート１６を接着する。続いて、ベース基板１５の上面に枠部材１７を接着する。続いて、枠部材１７の頂面とノズルプレート１６の圧力室２４に対向しない側の面に封止部材２７を接着する。
このような構成とすることにより、枠部材１７の頂面とノズルプレート１６の圧力室２４と対向しない側の面との間にｚ軸方向における高さ位置の差があっても可撓性の封止部材２７が変形するため、封止部材２７の枠部材１７およびノズルプレート１６への接着作業を容易にすることができる。
図６は、本発明の実施の形態によるインクジェットヘッドを備えるインクジェット記録装置の概略構成図である。
同図に示すように、本実施の形態によるインクジェット記録装置では、インク環流機構を用いて、インクジェットヘッド１にインクを供給するとともに、インクジェットヘッド１から排出されるインクを再度インクジェットヘッド１に環流させる。
具体的に、インク環流機構は、供給側インクタンク９と、排出側インクタンク１０と、供給側圧力調整ポンプ１１と、輸送ポンプ１２と、排出側圧力調整ポンプ１３と、これらを流体的に接続するチューブと、を備えている。
供給側圧力調整ポンプ１１と排出側圧力調整ポンプ１３は、各々供給側インクタンク９の圧力と排出側インクタンク１０の圧力を調整する。供給側インクタンク９は、インクジェットヘッド１のインク供給口６にインクを供給する。排出側インクタンク１０は、インクジェットヘッド１のインク排出口７から排出されたインクを一時的に貯蔵する。輸送ポンプ１２は、排出側インクタンク１０に貯蔵されたインクを供給側インクタンク９に還流させる。
また、本実施の形態によるインクジェット記録装置は、シート等の記録媒体への画像形成動作終了時などにメンテナンスモードに移行し、メンテナンス動作の一部として例えばサクション（吸引）動作やワイピング（拭き取り）動作等を実行する。ワイピング動作時には、封止部材２７は、ゴム等の弾性部材からなるブレードによってワイピングされる。
封止部材２７に形成されている開口は、ノズルプレート１６に形成されるノズル穴２からのインクの吐出を妨げず、且つ弾性部材によってワイピングされる際に弾性変形する当該弾性部材をノズルプレート１６表面に接触させない形状に形成されている。これにより、ワイピング動作において弾性部材からならブレードがノズルプレート１６表面に接触することがなく、ノズルプレート１６表面のノズル穴を傷つきや破損等から保護することができる。
本発明の実施の形態によるインクジェットヘッドおよびこれを備えたインクジェット記録装置によれば、ノズルの微細加工が必要なノズルプレート１６の面積を必要最小限に抑えることができる。そのため、気泡や異物の要因によりインクが吐出しなくなる不良を最小限に抑えることができ、なおかつ高い着弾位置精度を有するインクジェット記録装置を安価に提供することができる。
また、本実施の形態のように圧電部材１４を複数列配置する場合には、複数列形成される各圧電部材に対して別個独立なノズルプレート１６を個別に接着するため、何らかの外力や熱膨張等の影響によって複数列の圧電部材１４の相対位置が変化した場合でも、ノズルプレート１６に無理な力が加わることがなく、ノズルプレート１６の破損を防止することができる。
また、封止部材２７を可撓性材料から構成することにすることにより、枠部材１７の頂面とノズルプレート１６の圧電素子隔壁に面しない側の面との間にｚ軸方向における高さ位置の差があっても、封止部材２７が破損することがない。そのため、気泡や異物の要因によりインクが吐出しなくなる不良の発生を最小限に抑えることができ、なおかつ高い着弾位置精度を有するインクジェット記録装置を高い歩留まりで製造することができる。
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。そのため、前述の実施の形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する全ての変形、様々な改良、代替および改質は、すべて本発明の範囲内のものである。
１ インクジェットヘッド、２ ノズル、３ ヘッド基板、４ ドライバーＩＣ、５ マニホールド、６ インク供給口、７ インク排出口、８ インク供給装置、９ 供給側インクタンク、１０ 排出側インクタンク、１１ 供給側圧力調整ポンプ、１２ 輸送ポンプ、１３ 排出側圧力調整ポンプ、１４ 圧電部材、１５ ベース基板、１６ ノズルプレート、１７ 枠部材、１８ インク供給路、１９ インク排出路、２０ 配線電極、２１ 電極、２２ インク供給穴、２３ インク排出穴、２４ 圧力室、２５ アクチュエータ、２６ チャンネル、２７ 封止部材、Ｓ 駆動信号。
Claims (7)
- 基板と、
前記基板上に所定のインク吐出方向と直交する方向に配列され、複数のノズル穴それぞれに対応する複数の圧力室の隔壁を構成する複数の圧電素子隔壁と、
前記複数の圧電素子隔壁が配列される方向に延び、前記複数の圧電素子隔壁の頂面に架橋されるように接着され、前記複数のノズル穴が形成されるノズルプレートと、
前記基板上に配置され、前記圧電素子隔壁を包囲する枠部材と、
前記ノズルプレートの前記圧電素子隔壁に対向しない側の面および前記枠部材の頂面に接着され、前記複数のノズル穴に対応する位置に開口を有する封止部材と、
を備えるインクジェットヘッド。 - 請求項１に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記複数の圧電素子隔壁は、平行な複数列を構成するように配列され、
前記ノズルプレートは、前記複数列における各列に対応して分割配置されるインクジェットヘッド。 - 請求項１または請求項２に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記封止部材は、前記インクジェットヘッドを備えるインクジェット記録装置におけるメンテナンスモード時に弾性部材によってワイピングされるものであり、
前記封止部材に形成されている前記開口は、前記ノズルプレートに形成されるノズル穴からのインクの吐出を妨げず、且つ前記弾性部材によってワイピングされる際に弾性変形する前記弾性部材を前記ノズルプレートに接触させない形状に形成されているインクジェットヘッド。 - 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズルプレートは、前記複数の圧電素子隔壁それぞれの頂面の全領域を覆うように接着されているインクジェットヘッド。 - 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記封止部材は、可撓性の部材で形成されるインクジェットヘッド。 - 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズルプレートは、単結晶シリコンおよびニッケルの内のいずれか一方から形成されるインクジェットヘッド。 - 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のインクジェットヘッドと、
前記インクジェットヘッドにインクを供給するとともに、前記インクジェットヘッドから排出されるインクを再度前記インクジェットヘッドに環流させるインク還流機構と、
を備えるインクジェット記録装置。
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