JP5477015B2 - インクジェットヘッド - Google Patents

Description

本発明はインクジェットヘッドに関し、詳しくは、複数の層からなる積層体によって構成され、圧力室が上下２段に高密度に配置されたインクジェットヘッドに関する。

軽印刷用途として高精細描画が可能なインクジェットプリンタが望まれており、インクジェットヘッドの高集積化が市場のニーズとしてある。

インクジェットヘッドには、インクをノズルから吐出するための圧力発生手段として、電気信号を機械エネルギーに変換するＰＺＴ等の圧電素子を用い、圧力室の一面に形成された振動板を圧電素子によって振動させることで、圧力室内のインクにノズルから吐出するための圧力変化を与えるものが知られている。これは、電気信号を熱エネルギーに変換するヒーターを用いて圧力室内のインクに吐出のための圧力変化を与えるサーマル方式のものと異なり、圧力室に大きさが必要となるため、物理的な集積限界がある。

このため、従来、圧力室を上下方向に２段に積層することによって圧力室の高密度な集積を可能とする技術が提案されている（特許文献１、２）。

特開２００１−１４６０１０号公報 特開２００５−１５３５０１号公報

ところで、インクジェットヘッドには、圧力室にインクを供給するためのインク供給路に絞り部が設けられている。

このような絞り部は、圧力室にインクを供給するインク供給路の流路を部分的に狭くすることにより、液滴射出におけるインク供給路側の流路抵抗を調整するものである。従って、絞り部は液滴を効率良く射出するため重要な部位であり、ばらつきのない加工精度を必要とする。

しかしながら、加工精度を高めると、絞り部の加工に時間がかかるようになり、また、絞り部を加工するために必要となるマスク製作のためのコストも高くなるといった問題がある。

このような絞り部は、圧力室毎に設けられるため、特許文献１、２記載のインクジェットヘッドのように圧力室が上下２段に積層されるものでは、絞り部も圧力室に対応して上下２段に異なる層に分かれて配置される。従って、絞り部が配置される異なる層毎に高精度な加工を行わなくてはならず、加工時間及び加工の手間がかかり、また、マスク製作のための手間も層毎にかかることから、製作の手間及びコストが余計にかかってしまう問題がある。

そこで、本発明は、上下２段に配置した圧力室にそれぞれ対応する絞り部の加工時間及び加工コストを抑制可能なインクジェット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、複数の層からなる積層体によって構成され、前記積層体内に設けられた圧力室内のインクを圧力発生手段によってノズルから吐出するインクジェットヘッドであって、
前記積層体を構成する第１の層に形成された第１の圧力室に連通する第１のインク供給路に設けられた第１の絞り部と、
前記積層体を構成する第２の層に形成された第２の圧力室に連通する第２のインク供給路に設けられた第２の絞り部とを有し、
前記第１の絞り部と前記第２の絞り部は、共に前記積層体中の同一の層に形成されており、
前記積層体の上部に、前記第１のインク供給路及び前記第２のインク供給路を介して前記第１の圧力室及び前記第２の圧力室に共通にインクを供給する共通インク室を有しており、
前記第１の層は前記第２の層よりも上層に配置され、前記第２のインク供給路は、前記第１の層を貫通しており、
前記第１の絞り部と前記第２の絞り部は、共に前記第１の層に形成されていることを特徴とするインクジェットヘッドである。

請求項２記載の発明は、複数の層からなる積層体によって構成され、前記積層体内に設けられた圧力室内のインクを圧力発生手段によってノズルから吐出するインクジェットヘッドであって、
前記積層体を構成する第１の層に形成された第１の圧力室に連通する第１のインク供給路に設けられた第１の絞り部と、
前記積層体を構成する第２の層に形成された第２の圧力室に連通する第２のインク供給路に設けられた第２の絞り部とを有し、
前記第１の絞り部と前記第２の絞り部は、共に前記積層体中の同一の層に形成されており、
前記第１の絞り部は横向きに配置され、前記第２の絞り部は縦向きに配置されていることを特徴とするインクジェットヘッドである。

請求項３記載の発明は、前記第１の絞り部は横向きに配置され、前記第２の絞り部は縦向きに配置さ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ヘッドである。

請求項４記載の発明は、前記第１の絞り部及び前記第２の絞り部は共に縦向きに配置さ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ヘッドである。

請求項５記載の発明は、前記第１の層はＳｉ層であり、前記第１の圧力室、前記第１の絞り部及び前記第２の絞り部がエッチングによって加工されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のインクジェットヘッドである。

本発明によれば、上下２段に配置した圧力室にそれぞれ対応する絞り部を同一の層に設けたことにより、絞り部の加工時間及び加工コストを抑制可能なインクジェットヘッドを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの層構成を示す部分断面図 第１の実施形態における圧力室の上下方向の配置構成を示す平面透視図 本発明の第２の実施形態に係るインクジェットヘッドの層構成を示す部分断面図 第２の実施形態における圧力室の上下方向の配置構成を示す平面透視図

本発明は、複数の層からなる積層体によって構成され、前記積層体内に設けられた圧力室内のインクを圧力発生手段によってノズルから吐出するインクジェットヘッドであって、前記積層体を構成する第１の層に形成された第１の圧力室に連通する第１のインク供給路に設けられた第１の絞り部と、前記積層体を構成する第２の層に形成された第２の圧力室に連通する第２のインク供給路に設けられた第２の絞り部とを有し、前記第１の絞り部と前記第２の絞り部は、共に前記積層体中の同一の層に形成されていることを特徴とする。

第１の絞り部と第２の絞り部が共に積層体中の同一の層に形成されているとは、積層体中の一つの共通の層に全ての第１の絞り部と全ての第２の絞り部とが形成されていることをいう。

第１の圧力室及び第２の圧力室は、積層体を構成する複数の層のうちの第１の層及び第２の層においてそれぞれ平面的にマトリックス状に配列される。このためインクジェットヘッドの高密度化及び小型化が図られる。

また、高度な加工精度が要求される第１の絞り部と第２の絞り部が共に積層体中の同一の層に設けられていることにより、これら第１の絞り部と第２の絞り部を同一の層に対して一度に加工することができる。従って、全ての絞り部を加工するための加工時間を大幅に抑えることができる。

本発明に係るインクジェットヘッドは、積層体の上部に、第１のインク供給路及び第２のインク供給路を介して第１の圧力室及び第２の圧力室に共通にインクを供給する共通インク室を有している。すなわち、第１のインク供給路及び第２のインク供給路は、この共通インク室内に臨むように、共に積層体の上面に開口している。そして、第１の層は第２の層よりも上層に配置され、第２のインク供給路は、この第１の層を貫通している。第１の絞り部と第２の絞り部は、共にこの第１の層に形成されていることが好ましい。

これにより、この第１の層を貫通する第２のインク供給路に設けられる第２の絞り部は、部分的に径を小さくした単なる貫通孔とすることができ、第１の層に対して容易且つ高精度に加工することができる。

しかも、第２の層に絞り部を加工する必要がないため、この第２の層には簡易な加工法を選ぶことができる。一般に圧力室の加工よりも絞り部の加工の方がより高い加工精度が求められるからである。このため、加工コストを抑えることが可能となる。

なお、本発明に係るインクジェットヘッドにおいて、ノズルからインクが吐出される側を下、その反対側を上と定義する。従って、インクジェットヘッドを構成する積層体において、基準となる層に対して上側に配置される層を上層、下側に配置される層を下層という。但し、第１の層と第２の層は必ずしも上下に接していなくてもよい。

第１の絞り部及び第２の絞り部の態様としては、第１の絞り部は横向きに配置され、第２の絞り部は縦向きに配置される態様、第１の絞り部及び第２の絞り部が共に縦向きに配置される態様が挙げられる。

ここで、横向き、縦向きとは、第１の圧力室及び第２の圧力室に向かってそれぞれ流れるインクの流れの方向のことをいう。従って、横向きとは、インクが絞り部の部分において圧力室に向けて横方向に流れることをいい、縦向きとは、インクが絞り部の部分において圧力室に向けて縦方向（上から下）に流れることをいう。

前者の態様によれば、第１の絞り部を横向きにしたことによって、第１の圧力室までの角部を少なくし、圧力差によるキャビテーションを防止できる。また、後者の態様によれば、第１の絞り部の占有面積を大きく減らすことができ、圧力室を高集積化することができる。

本発明では、第１の層がＳｉ（シリコン）層であり、この第１の層に形成される第１の圧力室、前記第１の絞り部及び前記第２の絞り部がエッチングによって加工されていることが好ましい。Ｓｉ層に対するエッチング加工は、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法によって高精度に行うことができるためである。

次に、本発明の具体的な実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの層構成を示す部分断面図、図２は、圧力室の上下方向の配置構成を示す平面透視図である。

インクジェットヘッド１は、図１に示すように、複数の層が積層された積層体によって構成されている。本実施形態では、層中央部のボディ層１０と、このボディ層１０の上層側に第１のシリコンインターポーザ層２０、下層側に第２のシリコンインターポーザ層３０及びノズルプレート層４０を有している。

ボディ層１０は、その中央のガラス層１１を挟んで、上層及び下層にそれぞれＳｉ（シリコン）層１２、１３が積層され、陽極接合によって一体に接合されている。

上層側のＳｉ層１２は、本発明における第１の層であり、ガラス層１１と接する図中の下面側からＲＩＥ法によってエッチングされることにより凹設された第１の圧力室１２１が、水平方向にマトリックス状に多数配列形成されている。第１の圧力室１２１の上壁は、Ｓｉ層１２が薄く形成された振動板１２２を構成しており、この振動板１２２の上面側に、圧力発生手段であるＰＺＴ等の圧電素子１２３がそれぞれ積層されている。

一方、下層側のＳｉ層１３は、本発明における第２の層であり、ガラス層１１と接する図中の上面側からＲＩＥ法によってエッチングされることにより凹設された第２の圧力室１３１が、水平方向にマトリックス状に多数配列形成されている。第１の圧力室１３１の上壁は、Ｓｉ層１３が薄く形成された振動板１３２を構成しており、この振動板１３２の下面側に、圧力発生手段であるＰＺＴ等の圧電素子１３３がそれぞれ積層されている。

これら第１の圧力室１２１及び第２の圧力室１３１は、積層方向である図示上下方向に２段に立体的に配置されると共に、図２に示すように、平面視で互いに部分的にオーバーラップするように配置されている。このため、第１の圧力室１２１と第２の圧力室１３１の水平方向の広がりが抑えられ、高密度化が図られている。

第１のシリコンインターポーザ層２０は、上から順に、Ｓｉ（シリコン）層２１、絶縁層２２、感光性接着剤層２３によって構成される。絶縁層２２はＳｉＯ_２膜からなり、その層中に、後端が不図示の駆動回路と電気的に接続され、該駆動回路からの電気信号を第１の圧力室１２１に積層された圧電素子１２３に印加するための配線２２１が設けられている。配線２２１の一端は、例えば低融点半田によって形成され、絶縁層２２から下方に突出して層外に露出し、圧電素子１２３の電極と電気的に接続される接点部２２２を形成している。感光性接着剤層２３は凹部２３１を有しており、この凹部２３１内に接点部２２２及び圧電素子１２３が収容されている。

第２のシリコンインターポーザ層３０は、上から順に、感光性接着剤層３１、絶縁層３２、Ｓｉ（シリコン）層３３、感光性接着剤層３４によって構成される。絶縁層３２はＳｉＯ_２膜からなり、その層中に、後端が不図示の駆動回路と電気的に接続され、該駆動回路からの電気信号を第２の圧力室１３１に積層された圧電素子１３３に印加するための配線３２１が設けられている。配線３２１の一端は、例えば低融点半田によって形成され、絶縁層３２から上方に突出して層外に露出し、圧電素子１３３の電極と電気的に接続される接点部３２２を形成している。感光性接着剤層３１は凹部３１１を有しており、この凹部３１１内に接点部３２２及び圧電素子１３３が収容されている。

ノズルプレート層４０はＳｉからなり、第１の圧力室１２１に対応するノズル４１と、第２の圧力室１３１に対応するノズル４２とが、ＲＩＥ法によってエッチング加工されている。

第１の圧力室１２１内と連通する第１のインク供給路５０は、インクジェットヘッド１の最上層である第１のインターポーザ層２０のＳｉ層２１からボディ層１０のＳｉ層１２にかけて縦方向に貫通するように形成されている。第１のインク供給路５０は、ボディ層１０のＳｉ層１２において横向きに屈曲し、該Ｓｉ層１２中において第１の圧力室１２１内に対して横方向にインクを供給するようになっている。この第１のインク供給路５０におけるＳｉ層１２中の横向きの流路部分５２は、第１のインク供給路５０における縦向きの流路部分５１の流路径よりも幅狭状に形成され、インクの流路が部分的に絞られた横向きの第１の絞り部５２を形成している。

また、ボディ層１０のガラス層１１からＳｉ層１３を経て、第２のインターポーザ層３０の感光性接着剤層３４にかけて縦方向に貫通するように第１のインク吐出路６０が形成され、第１の圧力室１２１内とノズルプレート層４０に形成されたノズル４１とを連通している。

第２の圧力室１３１内と連通する第２のインク供給路７０は、インクジェットヘッド１の最上層である第１のインターポーザ層２０のＳｉ層２１からボディ層１０のＳｉ層１２及びガラス層１１にかけて縦方向に貫通するように形成されている。第２のインク供給路７０の下端はＳｉ層１３に凹設された第２の圧力室１３１内に臨んで開口しており、第２の圧力室１３１内に対して縦方向にインクを供給するようになっている。この第２のインク供給路７０におけるＳｉ層１２中の縦向きの流路部分７２は、第２のインク供給路７０における同じく第１のインターポーザ層２０を貫通する縦向きの流路部分７１及びガラス層１１を貫通する縦向きの流路部分７３の流路径よりも小径に形成され、インクの流路が部分的に絞られた縦向きの第２の絞り部７２を形成している。

また、ボディ層１０のＳｉ層１３から第２のインターポーザ層３０の感光性接着剤層３４にかけて縦方向に貫通するように第２のインク吐出路８０が形成され、第２の圧力室１３１内とノズルプレート層４０に形成されたノズル４２とを連通している。

最上層であるＳｉ層２１の上面には、不図示の共通インク室が設けられる。第１のインク供給路５０及び第２のインク供給路７０は、この共通インク室内に臨んで開口しており、共通インク室から第１の圧力室１２１及び第２の圧力室１３１に共通にインクが供給されるようになっている。

以上図示した第１の実施形態では、第１の圧力室１２１にインクを供給する第１のインク供給路５０に設けられた第１の絞り部５２と、第２の圧力室１３１にインクを供給する第２のインク供給路７０に設けられた第２の絞り部７２とが、共に同一の層であるＳｉ層１２（第１の層）に設けられているため、極めて高精度な加工精度が要求される第１の絞り部５２及び第２の絞り部７２の加工を、Ｓｉ層１２のみに対して一度に加工することができ、全ての絞り部を加工するための加工時間を大幅に抑えることができる。

しかも、これら第１の絞り部５２及び第２の絞り部７２の加工は、Ｓｉに対する加工であるため、ＲＩＥ法によって高精度なエッチング加工が可能である。また、第２の圧力室１３１のためにこの第２の圧力室１３１のＳｉ層１３に絞り部を加工する必要がないため、この第２の圧力室１３１は簡易な加工法を選ぶことができ、加工コストの抑制を図ることができる。

図３は、本発明の第２の実施形態に係るインクジェットヘッドの層構成を示す部分断面図、図３は、圧力室の上下方向の配置構成を示す平面透視図である。図１、図２と同一符号の部位は同一構成の部位を示しているため、ここでの詳細な説明は省略する。

本実施形態におけるインクジェットヘッド１００は、第１の圧力室１２１に共通インク室からのインクを供給する第１のインク供給路５０が、インクジェットヘッド１の最上層である第１のインターポーザ層２０のＳｉ層２１からボディ層１０のＳｉ層１２にかけて縦方向に貫通するように形成されている点で第１の実施形態と同一であるが、この第１のインク供給路５０において、ボディ層１０のＳｉ層１２を縦向きに貫通する貫通孔５３が、第１のインク供給路５０における第１のインターポーザ層２０を縦向きに貫通する流路部分５１の流路径よりも小径に形成され、インクの流路が部分的に絞られた縦向きの第１の絞り部５３を形成している点で異なっている。ガラス層１１におけるＳｉ層１２と接する図中上面には、凹溝状の流路部分５４が形成されており、この貫通孔からなる第１の絞り部５３の下端と第１の圧力室１２１内とを連通している。

かかる第２の実施形態においても、第１の圧力室１２１にインクを供給する第１のインク供給路５０に設けられた第１の絞り部５３と、第２の圧力室１３１にインクを供給する第２のインク供給路７０に設けられた第２の絞り部７２とが、共に同一の層であるＳｉ層１２（第１の層）に設けられているため、極めて高精度な加工精度が要求される第１の絞り部５３及び第２の絞り部７２の加工を、Ｓｉ層１２のみに対して一度に加工することができ、また、単純な貫通孔の形状であるため、全ての絞り部を加工するための加工時間を大幅に抑えることができる。

しかも、これら第１の絞り部５３及び第２の絞り部７２の加工は、Ｓｉに対する加工であるため、ＲＩＥ法によって高精度なエッチング加工が可能である。また、第２の圧力室１３１のためにこの第２の圧力室１３１のＳｉ層１３に絞り部を加工する必要がないため、この第２の圧力室１３１は簡易な加工法を選ぶことができ、加工コストの抑制を図ることができる。

１、１００：インクジェットヘッド
１０：ボディ層
１１：ガラス層
１２：Ｓｉ層（第１の層）
１２１：第１の圧力室
１２２：振動板
１２３：圧電素子
１３：Ｓｉ層（第２の層）
１３１：第２の圧力室
１３２：振動板
１３３：圧電素子
２０：第１のインターポーザ層
２１：Ｓｉ層
２２：絶縁層
２２１：配線
２２２：接点部
２３：感光性接着剤層
２３１：凹部
３０：第２のインターポーザ層
３１：感光性接着剤層
３１１：凹部
３２：絶縁層
３２１：配線
３２２：接点部
３３：Ｓｉ層
３４：感光性接着剤層
４０：ノズルプレート層
４１、４２：ノズル
５０：第１のインク供給路
５１：縦向きの流路部分
５２：第１の絞り部（横向きの流路部分）
５３：第１の絞り部（貫通孔）
５４：凹溝状の流路部分
６０：第１のインク吐出路
７０：第２のインク供給路
７１：縦向きの流路部分
７２：第２の絞り部（縦向きの流路部分）
７３：縦向きの流路部分
８０：第２のインク吐出路

Claims (5)

1. 複数の層からなる積層体によって構成され、前記積層体内に設けられた圧力室内のインクを圧力発生手段によってノズルから吐出するインクジェットヘッドであって、
   前記積層体を構成する第１の層に形成された第１の圧力室に連通する第１のインク供給路に設けられた第１の絞り部と、
   前記積層体を構成する第２の層に形成された第２の圧力室に連通する第２のインク供給路に設けられた第２の絞り部とを有し、
   前記第１の絞り部と前記第２の絞り部は、共に前記積層体中の同一の層に形成されており、
   前記積層体の上部に、前記第１のインク供給路及び前記第２のインク供給路を介して前記第１の圧力室及び前記第２の圧力室に共通にインクを供給する共通インク室を有しており、
   前記第１の層は前記第２の層よりも上層に配置され、前記第２のインク供給路は、前記第１の層を貫通しており、
   前記第１の絞り部と前記第２の絞り部は、共に前記第１の層に形成されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 複数の層からなる積層体によって構成され、前記積層体内に設けられた圧力室内のインクを圧力発生手段によってノズルから吐出するインクジェットヘッドであって、
   前記積層体を構成する第１の層に形成された第１の圧力室に連通する第１のインク供給路に設けられた第１の絞り部と、
   前記積層体を構成する第２の層に形成された第２の圧力室に連通する第２のインク供給路に設けられた第２の絞り部とを有し、
   前記第１の絞り部と前記第２の絞り部は、共に前記積層体中の同一の層に形成されており、
   前記第１の絞り部は横向きに配置され、前記第２の絞り部は縦向きに配置されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
3. 前記第１の絞り部は横向きに配置され、前記第２の絞り部は縦向きに配置さ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ヘッド。
4. 前記第１の絞り部及び前記第２の絞り部は共に縦向きに配置さ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ヘッド。
5. 前記第１の層はＳｉ層であり、前記第１の圧力室、前記第１の絞り部及び前記第２の絞り部がエッチングによって加工されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のインクジェットヘッド。

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