JP2012161968A - インクジェット記録ヘッド、インクカートリッジ、インクジェット記録装置、および、画像形成装置。 - Google Patents

インクジェット記録ヘッド、インクカートリッジ、インクジェット記録装置、および、画像形成装置。 Download PDF

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Abstract

【課題】新たな製造工程を発生させずに製造可能であり、効率的に熱を逃がし、インクジェット記録ヘッドのチップ内の温度分布による吐出特性のばらつきを軽減させたインクジェット記録ヘッド、インクカートリッジ、インクジェット記録装置、および、画像形成装置を提供すること。
【解決手段】共通液室を形成する複数のフレーム基板のうち、駆動IC近傍に設けられたフレーム基板が前記駆動ICと接触しており、さらに、前記フレーム基板の前記共通液室部の壁面間に、共通液室部のインクに放熱するための梁部材が少なくとも1つ、フレーム基板と一体的に形成されていることを特徴とするインクジェット記録ヘッド、および、係るインクジェット記録ヘッドを備えたインクカートリッジ、インクジェット記録装置、画像形成装置を提供する。
【選択図】図1

Description

本発明は、インクジェット記録ヘッド、インクカートリッジ、インクジェット記録装置、および、画像形成装置に関する。
インクジェット記録ヘッドを搭載したプリンタは、近年、画質のきれいさ、値段の安さ、高速対応性(ノズルを増減することにより速いプリンタから遅いプリンタまで対応ができる)が評価され、インクジェットプリンタとして普及が進んでいる。そのような中で、一層の画質向上、信頼性向上、コストダウン、小型化が要求されてきている。
更なる画質向上の要求に応えるためには、インクジェット記録ヘッドにおけるノズルの高密度化が欠かせない技術となってきており、そのためには、駆動ICについても小型化・高密度実装化を行う要求に迫られている。このため近年、ワイヤ同士の接触によるショートや生産性の低下の恐れあるワイヤボンディングよりも、端子の細密化が可能なフリップチップ接合が好まれている。
しかしながら、フリップチップ実装の場合、ヘッド内の密閉された空間に駆動ICを実装することになるため、駆動ICからの発熱で駆動ICが動作不良を起こしたり、駆動IC周辺の構造材が高温になり接合剥離を起こすなどという問題があった。また、ノズル数の増加に伴い、駆動ICの発熱量も多くなるため駆動ICの発熱の効率的な放熱は重要な課題である。
係る課題を解決するため、従来から各種検討がなされてきた。例えば、特許文献1に記載された発明は、駆動ICが圧電素子の同一基板上にフリップチップ実装された構成で、駆動ICに放熱部材を備えるというものである。しかしながら、放熱部材の具体的な配置方法が実際に検討されておらず、記載もされていない。このため、当該文献に記載の構成のまま十分な放熱特性が実現される可能性は乏しく、駆動ICの発熱を十分に放熱できないために、駆動ICが動作不良を起こし信頼性が低下する。
特許文献2に記載された発明は、圧電素子を配置した基板のノズル板と反対側に断熱部材、放熱部材の順に配置して、放熱部材の上に駆動ICをフリップチップ実装することで、駆動ICの発熱を効率的に放熱するというものである。しかしながら、放熱板、断熱板、絶縁性構造物などの構造物を置くことで、自動的に駆動ICの電気的接続面と圧電素子の電極が同一基板面上にないという構成になる。そのため、共通液室を大きく取ろうとすると、配線の複雑化や長距離化を避けられず、シグナルのS/N比の低下による信頼性の低下や、工程の増加によるコストアップ、配線の複雑化による歩留まり低下につながる。
特許文献3に記載された発明は、駆動ICの電気的接合面(フリップチップ接合)が圧電素子の電極と同一基板面上にある構成で、駆動ICの発熱を熱伝導性の優れた接着剤を介し保護基板側へ放熱を行うというものである。この構成によると、保護基板上面と駆動IC上面を高い精度で合わせて、均一に接着剤を分布させる必要がある。しかしながら、駆動IC、保護基板の加工、各接合工程で高い精度を出すことは難しい。このため、実際は駆動IC固定不良による不具合、接着剤不均一により生じる熱分布から特性ばらつきが避けられない。また、熱伝導率の高い接着剤であっても、熱伝導率は10(W/m・K)以下であり、銅398(W/m・K)やアルミニウム236(W/m・K)と比べると十分な放熱性能を確保できない。
本発明は、上記従来技術が有する問題に鑑み、新たな部品を追加することなしに効率的に熱を逃がし、インクジェット記録ヘッド内の温度分布による吐出特性のばらつきを軽減させたインクジェット記録ヘッド、インクカートリッジ、インクジェット記録装置、および、画像形成装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は、圧電素子(16)を備えた複数の個別液室(3)を有する液室基板(12)と、積層することにより共通液室(8)を形成する複数のフレーム基板とを有し、前記液室基板上に駆動IC(11)がフリップチップ実装されているインクジェット記録ヘッドにおいて、
前記複数のフレーム基板のうち、駆動IC近傍に設けられたフレーム基板が前記駆動ICと接触しており、さらに、前記フレーム基板の前記共通液室部の壁面間に、共通液室部のインクに放熱するための梁部材が少なくとも1つ、フレーム基板と一体的に形成されていることを特徴とするインクジェット記録ヘッドを提供する。
本発明によれば、インクジェット記録ヘッドチップの短手方向に効率的に熱を逃がすことが可能になり、インクジェット記録ヘッドチップ内の温度分布による吐出特性のばらつきが軽減できる。そして、共通液室を構成するフレーム基板を放熱部材として使用していることから、新たな部材を発生させずに放熱特性の良いインクジェット記録ヘッドが実現できる。
本発明の第1の実施例におけるインクジェット記録ヘッド(液滴吐出ヘッド)100の斜視図であり、一部断面図で示す。 (a)〜(e)は各部材の平面図、(f)は図1の断面X−X'をそれぞれ示す。 図1の断面Y−Y'を示す。 実施例2における図1の断面Y−Y'を示す。 本発明におけるインクカートリッジを示す。 本発明におけるインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置の斜視説明図を示す。 本発明におけるインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置の側面説明図を示す。
次に、本発明の実施例を添付図面を参照にして説明するが、本発明は、実施例により限定されるものではない。
図1〜3に、本発明のインクジェット記録ヘッドの一例を示す。図1はインクジェット記録ヘッドの斜視図であり、図2の(a)〜(e)は各部材の平面図、(f)は図1の断面X−X'を、図3は図1の断面Y−Y'をそれぞれ示している。
図1〜3に示すとおり、本実施例におけるインクジェット記録ヘッド100は、ノズル基板1、液室基板12、液体供給基板7、フレーム基板積層体9(9a〜9c)、ダンパーフィルム19、補強板20、ハウジング21が積層して構成されており、各基板は以下のように構成される。
ノズル基板1には、複数のノズル2が設けられている。
液室基板12は、側壁により個別の液室に区切られた複数の個別液室(圧力室)3、振動板17、及び、この振動板17と一体的に形成された圧電素子16、駆動IC11実装部、引き出し配線25を有している。片面にノズル基板1が、もう片面に液体供給基板7が接合されている。なお、液室基板上に設けられる駆動IC11とは、IC等のチップ化された集積回路中に少なくとも圧電素子の駆動回路を備えた電子部材である。
液体供給基板7は、個別液室(圧力室)3に液体を供給するインク供給口6を有する。片面に液室基板12が、もう片面にフレーム基板積層体9が接合されている。
フレーム基板積層体9は、複数のフレーム基板を積層することによって構成されており、共通液室を有する。積層するフレーム基板の枚数は限定されるものではないが、複数のフレーム基板に梁部材を設けることが好ましいため、3枚以上から構成されていることが好ましい。本実施例においては以下の9a〜9cの3つの基板からなる積層構造を例示している。
フレーム基板の材質は限定されないが、熱伝導率の良いものが好ましく、熱伝導率が100(W/m・K)以上のものがより好ましい。具体的な材料としては、銅、アルミニウム等が例示できる。
本発明においては、主な発熱源となる圧電素子の駆動ICと、梁部材を設けることによって共通液室内でのインクとの接触面積を大きく確保したフレーム基板の一部とが接触している。このため、フレーム基板がヒートシンクとしての役割を果たし、インクへの効率的な放熱が可能となる。
ここで、梁部材はいずれかのフレーム基板に設けられていれば、上記効果を得ることができる。しかしながら、効率よく熱をインクに伝達する観点から、伝達経路が短くなるように、少なくとも発熱源である駆動IC近傍のフレーム基板に梁部材を設けることが好ましい。
また、一般的に熱伝導率の良い物質は耐溶液性が低い傾向にあるため、フレーム基板を保護するために、インクと接触する箇所に接液膜(耐インク保護膜)を有していることが望ましい。接液膜としては一定の耐溶液性(耐インク性)を付与できるものであれば足り、その材料は限定されないが、薄膜化が容易な材料が好ましく用いられ、例えば、金メッキ、Niメッキ、ポリイミドやポリパラキシレンなどが挙げられる。中でも熱伝導性の良い材料がより好ましく、例えば、金メッキ、Niメッキなどはより好ましく用いられる。
上記接液膜を設けることにより、インクの物性の安定と、構造材腐食防止を図ることができ、インク吐出特性と信頼性が向上する。
本実施例においてフレーム基板積層体9を構成する各フレーム基板9a〜9cについて以下に説明する。
フレーム基板9aには、本実施例では、ダンパーフィルムの可動領域を広くするために梁部材は設けていない。ただし、ダンパーフィルムの可動領域を阻害しない程度の間隔、本数で梁部材を設けることは可能である。片面をフレーム基板9bと、片面をダンパーフィルムと接合される。
フレーム基板9bには、その共通液室部にフレーム基板と一体的に複数本の梁部材が一定間隔で形成してある。ここで、本発明における梁部材とは、フレーム基板のうち共通液室を構成する壁面間に、フレーム基板と一体的に形成された棒状部材のことである。そして、フレーム基板に設ける梁部材の本数、大きさ、形状、間隔は、駆動ICの発熱量やフレーム基板の熱伝導率等を考慮して選択されるものであり限定されない。ただし、梁部材を複数本設ける場合、共通液室内のインクに温度分布が生じるのを防ぐため、梁部材間の距離を等間隔とすることが好ましい。また、2以上のフレーム基板に梁部材を設ける場合、異なる基板に設けられた梁部材同士が接触しないように梁部材を設けた方が好ましい。これは、梁部材とインクとの接触面積を最大限に確保することが可能となるためである。
本実施例において、フレーム基板9cは駆動IC近傍に設けられたフレーム基板であり、共通液室部にフレーム基板と一体的に梁部材が等間隔に複数本設置してある。ここで、梁部材の本数、大きさ、形状、間隔等についてはフレーム基板9bと同様に、各種条件を考慮して選択されるものであり限定されるものではない。
さらに、平面投影で駆動IC11に相当する箇所の一部に形成された弾性部材18が板梁構造になっており、駆動IC11の上面に接触している。板梁部は根本で折れ曲がった構造で、駆動IC11との接触面積をできるだけ広くとるために、駆動IC11の上面に沿って弾性部材18が接触している。このとき、弾性部材18と駆動IC11は接触しているだけでも、接着してあってもどちらでもよい。また、板梁の根本が他の部分よりも薄い構造だと弾性が増して駆動ICとの接触がさらに容易になる。なお、フレーム基板の一部を弾性部材として駆動IC11に接触させる方法を例示したが、フレーム基板の一部と駆動IC11とが接触するように構成されていれば本願発明の効果を得ることができ、その具体的手段は限定されない。
そして、フレーム基板9cの片側は液体供給基板、片側はフレーム基板9bに接合されており、フレーム基板9b,9cの梁部材はその位置が互い違いになるように形成されている。
ダンパーフィルム19は、共通液室8における圧力緩和の機能(ダンパー)を果たすフィルムであり、フレーム基板積層体9と補強板20の間に設けられる。
補強板20はダンパーフィルム19の可動域を確保する目的で設けられている。
ハウジング21は、共通液室8へインクを供給するインク供給口22を有する。
以上の部材からなる本発明のインクジェット記録ヘッドは、液室基板12上に形成されたバンプの上にフリップチップ接合により実装された駆動IC11が、引き出し配線25を介して圧電素子16に電圧を印加し、前記個別液室3に圧力を発生させるものである。
製造方法
以下に、本実施例の構成のインクジェット記録ヘッドの製造方法を示す。
(a)液室基板12上の振動板17を設ける以外の箇所にマスクとしてのシリコン窒化膜をパターニングする。次いで、ポリシリコンとシリコン熱酸化膜形成手段である、例えばプラズマCVD法、パイロ酸化法によりポリシリコンとSiOの多層積層膜である振動板17を液室基板12上に形成する。
(b)薄膜形成手段としてのゾルゲル法またはスパッタ法により、例えばPt、Ti、LNO、SROからなる共通電極13、例えばPZTからなる圧電体14、例えばPt、LNO、SROからなる上部電極15を順次形成する。
(c)フォトリソグラフィー法により上電極15、圧電体14をパターニングし圧電素子16を形成する。
(d)圧電素子16の放電防止のための絶縁膜(例えばAl)を全体に成膜する。次いで、振動変位の妨げにならないように上電極15上を避けて圧電素子16の端部と共通電極13に例えばSiO、SiNからなる層間絶縁膜を形成する。
(e)アルミニウムからなる引き出し配線25を所望の箇所に形成する
(f)別途シリコン基板にリソエッチ法で凹部26を形成してある液体供給基板7を製作しておき、基板12の圧電素子面に接着する。
(g)基板12の圧電素子形成面の反対側を所望の厚さまで研磨する。
(h)基板12の圧電素子形成面の反対側をICPドライエッチングによりエッチングし個別液室3、流体抵抗部4、インク導入路5、となる凹部を形成する。
別途SUSのプレス加工、研磨によるノズル穴2を形成しておいたノズル基板1を基板12の凹部形成側に接合する。
(i)液室基板12の液体供給基板7側に設けたバンプ10に別途製作した駆動IC11をフリップチップ接合により実装する。
(j)プレス加工、微細切削加工により形成したフレーム基板9a,9b,9cを別途接合しフレーム基板積層体9を製作し、接液膜を成膜したのちに液体供給基板7に接合する。
(k)ダンパーフィルム19を設けた補強板20をフレーム基板積層体9に接合する。
(l)補強板の上に別途製作したハウジングを接合する。
以上の工程により、本実施例のインクジェット記録ヘッド(液滴吐出ヘッド)100が完成する。
図4は本発明の実施例2を示す。
実施例1と同様の機能をする部品、箇所には同様の番号で図示した。
実施例1の内容に加えて駆動IC11と液体供給基板7とフレーム基板9cと液室基板12で囲われた空間に熱伝導性の良い充填剤27を封入したものである。熱伝導性の良い充填剤としては、空気よりも熱伝導率の高いものが好ましく、熱伝導率が10(W/m・K)以上のものがより好ましい。例えば、アルミニウム、銅などの金属や、炭素を混ぜ合わせた樹脂などが挙げられる。
次に、本発明に係るインクカートリッジについて図5を参照して説明する。
このインクカートリッジは、ノズル2等を有する上記各実施形態のいずれかのインクジェット記録ヘッド61と、このインクジェット記録ヘッド61に対してインクを供給するインクタンク62とを一体化したものである。
このようにインクタンク一体型のヘッドの場合、ヘッドの低コスト化、信頼性向上は、ただちにインクカートリッジ全体の低コスト化、信頼性向上につながるので、上述したように低コスト化、高信頼性化、製造不良低減することで、インクカートリッジの歩留まり、信頼性が向上し、ヘッド一体型インクカートリッジの低コスト化を図れる。
次に、本発明に係るインクジェット記録ヘッドを搭載した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81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を実施したインクジェット記録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タンク等で構成される印字機構部82等を収納し、装置本体81の下方部には前方側から多数枚の用紙83を積載可能な給紙カセット(或いは給紙トレイでもよい。)84を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙83を手差しで給紙するための手差しトレイ85を開倒することができ、給紙カセット84或いは手差しトレイ85から給送される用紙83を取り込み、印字機構部82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86に排紙する。
印字機構部82は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド91と従ガイドロッド92とでキャリッジ93を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ93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インクジェット記録ヘッドからなるヘッド94を複数のインク吐出口(ノズル)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93にはヘッド94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95を交換可能に装着している。
インクカートリッジ95は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェット記録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94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。さらに、実施例3で述べたように、インクカートリッジはインクタンクとインクジェット記録ヘッドを一体化することも可能である。
ここで、キャリッジ93は後方側(用紙搬送方向下流側)を主ガイドロッド91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92に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ93を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ97で回転駆動される駆動プーリ98と従動プーリ99との間にタイミングベルト200を張装し、このタイミングベルト200をキャリッジ93に固定しており、主走査モータ97の正逆回転によりキャリッジ93が往復駆動される。
一方、給紙カセット84にセットした用紙83をヘッド94の下方側に搬送するために、給紙カセット84から用紙83を分離給装する給紙ローラ101及びフリクションパッド102と、用紙83を案内するガイド部材103と、給紙された用紙83を反転させて搬送する搬送ローラ104と、この搬送ローラ104の周面に押し付けられる搬送コロ105及び搬送ローラ104からの用紙83の送り出し角度を規定する先端コロ106とを設けている。搬送ローラ104は副走査モータ107によってギヤ列を介して回転駆動される。
そして、キャリッジ93の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ104から送り出された用紙83を記録ヘッド94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109を設けている。この印写受け部材109の用紙搬送方向下流側には、用紙83を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ111、拍車112を設け、さらに用紙83を排紙トレイ86に送り出す排紙ローラ113及び拍車114と、排紙経路を形成するガイド部材115,116とを配設している。
記録時には、キャリッジ93を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド94を駆動することにより、停止している用紙83にインクを吐出して1行分を記録し、用紙83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83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83を排紙する。
また、キャリッジ93の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド94の吐出不良を回復するための回復装置117を配置している。回復装置117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93は印字待機中にはこの回復装置117側に移動されてキャッピング手段でヘッド94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。
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド94の吐出口(ノズル)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。
このように、このインクジェット記録装置においては本発明を実施したインクジェットヘッドを搭載しているので、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質が向上する。
また、ここでは、インクジェット記録装置についてのみ記述したが、上記インクジェット記録装置を画像形成部に配置し、制御装置等の外部装置と組み合わせて画像形成装置を構成することができる。
3. 個別液室(圧力室)
6. インク供給口
7. 液体供給基板
8. 共通液室
9a〜9c. フレーム基板
11. 駆動IC
12. 液室基板
16. 圧電素子
特開2007−112062号公報 特開2006−289963号公報 特開2006−116767号公報

Claims (9)

  1. 圧電素子(16)を備えた複数の個別液室(3)を有する液室基板(12)と、積層することにより共通液室(8)を形成する複数のフレーム基板とを有し、前記液室基板上に駆動IC(11)がフリップチップ実装されているインクジェット記録ヘッドにおいて、
    前記複数のフレーム基板のうち、駆動IC近傍に設けられたフレーム基板が前記駆動ICと接触しており、さらに、前記フレーム基板の前記共通液室部の壁面間に、共通液室部のインクに放熱するための梁部材が少なくとも1つ、フレーム基板と一体的に形成されていることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
  2. 3枚以上の前記フレーム基板を有しており、前記共通液室部のインクに放熱するための梁部材が、少なくとも駆動IC近傍のフレーム基板に設けられてい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. 前記フレーム基板に前記梁部材が一定間隔で形成されていることを特徴とする請求項1または2いずれか1項に記載のインクジェット記録ヘッド。
  4. 複数のフレーム基板に梁部材が設けられており、異なるフレーム基板に設けられた梁部材同士が接触しないように当該梁部材が配置されていることを特徴とする請求項1乃至3いずれか1項に記載のインクジェット記録ヘッド。
  5. 前記フレーム基板のインクと接触する箇所が、接液膜で覆われていることを特徴とする請求項1乃至4いずれか1項に記載のインクジェット記録ヘッド。
  6. 液室基板(12)とフレーム基板との間に、前記個別液室(3)に液体を供給するインク供給口(6)を有する液体供給基板(7)を有しており、前記駆動IC、前記液体供給基板、前記フレーム基板の3つ全てが面をなす空間に、充填剤を封入したことを特徴とする請求項1乃至5いずれか1項に記載のインクジェット記録ヘッド。
  7. インク滴を吐出するインクジェット記録ヘッドと、該インクジェット記録ヘッドにインクを供給するインクタンクとを一体化したインクカートリッジにおいて、前記インクジェット記録ヘッドとして、請求項1乃至6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カートリッジ。
  8. インクカートリッジのヘッド部から液滴を吐出させて被記録媒体に記録を行うインクジェット記録装置において、前記インクカートリッジとして、請求項7記載のインクカートリッジを備えたことを特徴とするインクジェット記録装置。
  9. 請求項8に記載のインクジェット記録装置を画像形成部に備えたことを特徴とする画像形成装置。
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