JP2011178055A - インクジェットヘッド、インクジェット記録装置 - Google Patents

インクジェットヘッド、インクジェット記録装置 Download PDF

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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

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。
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。
本発明の実施の形態によるインクジェットヘッドの外観斜視図である。 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。 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。 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。 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。 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。
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(Al)、窒化珪素(Si)、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)O)、ニオブ酸リチウム(LiNbO)、タンタル酸リチウム(LiTaO)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。
特表2003−507213号公報
特開2007−62367号公報

Claims (7)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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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