JP2017193108A - インクジェットヘッド及びインクジェット記録装置 - Google Patents

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メンフェイ ウォン
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Abstract

【課題】 高密度化ノズルにおけるいずれの共通電極が断線しても電気的接続を確実に維持できるインクジェットヘッド及びインクジェット記録装置を提供することが課題である。
【解決手段】 インクジェットヘッドは、全てのアクチュエータの共通電極は、振動板の上に第1の配線パターンとは重ならない位置に設けられ、圧電体の外周部の間に跨る配線部を介して電気的に接続されている共通した第2の配線パターンと、前記第2の配線パターンと異なる方向に延設され、第2の配線パターンと電気的に繋がれている第3の配線パターンとに接続されている。第1の配線パターンおよび第3の配線パターンは、互いに電気的に接続しない状態で交差している。
【選択図】図2

Description

本発明の実施形態は、インクジェットヘッド及びインクジェット記録装置に関する。
圧電体を利用したインクジェットヘッドとして、圧電性材料で形成されたノズル基板を用いた構成が知られている。圧力室の一端に、ノズルを備えた圧電アクチュエータを有するインクジェットヘッドが特許文献1に開示されている。
従来技術のインクジェットヘッドでは、アクチュエータは、振動板の上に設けられた圧電体と、圧電体に電気的に接続された共通電極と、圧電体に電気的に接続されるとともに共通電極と協働して圧電体を挟み込んだ個別電極と、を含んでいる。個別電極に接続された配線パターンと共通電極に接続された配線パターンは振動板の上で互いに重なり合うことなく離れている。
また、高密度化ノズルを採用することにより、印字品質を向上させることが知られている。ここでは、アクチュエータの共通電極および個別電極から引き出された複数の導体パターンを配線するため、隣り合うアクチュエータの間に電気的に接続されている配線パターンを設けている。
特開2013−78933号公報
上記従来構成の装置は、共通電極と接続されている配線で断線や電気的な破壊が発生すると、一部のアクチュエータが共通電極と断線されてしまう。
実施形態は、高密度化ノズルにおけるいずれの共通電極が断線しても電気的接続を確実に維持できるインクジェットヘッド及びインクジェット記録装置を提供することを課題とする。
実施形態によれば、インクジェットヘッドは、複数のノズルと、前記ノズル毎に設けられ、インクを加圧して前記ノズルから吐出させる複数のアクチュエータと、を備えている。前記アクチュエータは、圧電体と、共通電極と、個別電極と、を含む。前記個別電極は、前記振動板に設けられた第1の配線パターンに個別に電気的に接続されている。全ての前記アクチュエータの前記共通電極は、前記振動板の上に前記第1の配線パターンとは重ならない位置に設けられ、前記圧電体の外周部の間に跨る配線部を介して電気的に接続されている共通した第2の配線パターンと、前記第2の配線パターンと異なる方向に延設され、前記第2の配線パターンと電気的に繋がれている第3の配線パターンとに接続されている。前記第1の配線パターンおよび前記第3の配線パターンは、互いに電気的に接続しない状態で交差している。
図1は、第1の実施形態であるインクジェットヘッドを示す斜視図である。 図2は、第1の実施形態における流路基板の上の要部構成を示す平面図である。 図3は、図3の部分拡大図とアクチュエータの詳細を示す平面図である。 図4は、図3のIV−IV線断面図である。 図5は、強誘電体のヒステリシスとバッタフライ変位曲線である。 図6は、第2の実施形態における配線パターンを示す平面図である。 図7は、第3の実施形態における配線パターンの部分拡大図とアクチュエータの詳細を示す平面図である。 図8は、第1の実施形態であるインクジェット記録装置の概略図である。
以下に、第1の実施の形態について、図1から図5を参照して説明する。なお、複数の表現が可能な各要素に、一つ以上の他の表現の例を付すことがある。しかし、これは、他の表現が付されていない要素について異なる表現がされることを否定するものではないし、例示されていない他の表現がされることを制限するものでもない。また、各図面は実施形態を概略的に示すものであり、図面に示される各要素の寸法は、実施形態の説明と異なることがある。
以下、本実施形態のインクジェットヘッド1の配線パターンについて説明する。なお、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際のものと異なる個所があるが、これらは適宜、設計変更することができる。
図1は、第1の実施形態であるインクジェットヘッド1を示す外観斜視図である。
このインクジェットヘッド1は、流路基板2と、インク供給部3と、フレキシブル配線板4と、駆動回路5とで構成されている。
流路基板2には、インクが吐出するノズル17(後述する図3、図4に示す)が設けられたアクチュエータ6がアレイ状に配置されている。ここでは、複数のノズル17を記録媒体である記録紙Pの搬送方向であるY方向に対し一定の角度を有する斜めの方向に直線状に規則的に配列している。なお、図1中で、矢印Xは、インクジェットヘッド1の長手方向を示す。インクジェットヘッド1の長手方向とは、矢印Yで示す記録紙Pの搬送方向と直交する方向のことを指しており、記録紙Pの幅方向と一致する。
各ノズル17は、印刷方向に対して互いに重なり合わず、印刷方向に直交する方向に対して等間隔に配置されている。各々のアクチュエータ6はフレキシブル配線板4を介して駆動回路5と電気的に接続している。駆動回路5は、印字制御を行う制御回路(図示せず)と電気的に接続する。流路基板2とフレキシブル配線板4は、異方性導電フィルム(ACF(Anisotropic Conductive Film))により電気的に接続した状態で接合されている。フレキシブル配線板4と駆動回路5とは、例えばCOF(Chip on Flex)により電気的に接続した状態で接合されている。
インク供給部3は、チューブ等に接続するインク供給口(図示せず)を有し、インク供給口に供給されたインクを流路基板2に供給する。流路基板2とインク供給部3とは、例えばエポキシ系接着剤により接合されている。
インク供給口から、インクが供給され、駆動回路5がアクチュエータ6に電気信号(駆動信号ともいう)を送ると、アクチュエータ6が流路基板2の内部の圧力室18(後述する図4に示す)に充填されたインクを振動させ、アクチュエータ6に設けられたノズル17から、流路基板2の表面に対して垂直方向に、インクが吐出する。つまり、駆動回路5は、アクチュエータ6に電気信号を供給する。アクチュエータ6は、電気信号に応じて圧力室18の容積を変化させてインクに圧力振動を生じさせる。これにより、ノズル17は、圧力室18内のインクを吐出する。
インク供給口に供給するインクの圧力は、大気圧に対して、概ね1000Pa程度低い値が望ましい。
図2は、第1の実施形態における流路基板2の上の配線パターンの平面図を示している。配線パターンの同じパターンの繰り返しになる部分は省略している。流路基板2には、多数のアクチュエータ6と、多数の個別電極7と、共通電極8a,8bと、多数の実装パッド9とが形成されている。なお、共通電極8aまたは8bを単に共通電極8ということもある。
実装パッド9は、フレキシブル配線板4に形成された多数の配線パターンを介して駆動回路5に電気的に接続している。実装パッド9とフレキシブル配線板4との接続には、異方性導電フィルム(ACF)を用いることができる。他に、実装パッド9は、ワイヤボンディングなどの方法により、駆動回路5と接続しても良い。
個別電極7は、アクチュエータ6毎に個々に独立して設けられている。第1配線パターン19は、個々に独立して設けられている複数の個別電極7で形成されている。
第2配線パターン20は、複数の共通電極8aおよび8bで形成されている。共通電極8bは、端部の実装パッド9に電気的に接続している。共通電極8aは、共通電極8bから分岐し、複数の隣り合うアクチュエータ6に電気的に接続している。共通電極8a,8bは、複数のアクチュエータ6同士で電気的に共有されている。
図3は、流路基板2におけるアクチュエータ6の付近の配線パターンを拡大して示す平面図である。図4は図3のIV−IV線に沿う箇所における流路基板2の縦断面図である。
図4に示すようにアクチュエータ6は、振動板10と、下部電極11と、圧電体12と、上部電極13と、第1絶縁層14と、共通電極8と、保護層16と、ノズル17とで構成されている。
流路基板2は一例として厚み500μmの単結晶シリコンウエハで形成されている。流路基板2の内部には、インクが充填される圧力室18が形成されている。圧力室18の直径は、一例として200μmとした。圧力室18は、流路基板2の下面からドライエッチングで穴をあけることにより形成した。
振動板10は、圧力室18の上面を覆うように、流路基板2と一体に形成されている。振動板10は、圧力室18の形成前に、流路基板2の単結晶シリコンウエハを高温で加熱することにより、熱酸化により形成されるシリコン酸化膜である二酸化シリコンで形成した。振動板10にはノズル17と同心円状に、ノズル17より大きい貫通穴が形成されている。振動板10の厚みは、一例として4μmとした。
振動板10の上には、下部電極11と、圧電体12と、上部電極13との積層体がノズル17を中心にドーナッツ状に形成されている。積層体の内径は一例として30μm、外径は一例として140μmとした。下部電極11、圧電体12、上部電極13は、一例として、各々、白金、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛(Lead Zirconate Titanate))、白金をスパッタ法で成膜した。上部電極13と下部電極11の厚みは一例として0.1〜0.2μmである。PZTの厚みは、一例として2μmとした。なお、PZTは、スパッタ法などにより成膜しても良い。
圧電体12は、成膜の時点で決まった配向方向(分極方向)を持ち、厚み方向に分極を発生させる。本実施形態では、スパッタ法により下部電極11上に圧電体12を成膜するので、当該圧電体膜の分極方向は下部電極11から上部電極13に向かう方向となる。
図5は強誘電体である圧電体12のヒステリシスと呼ばれる特性(A)と、バタフライ変位曲線と呼ばれる特性(B)を示している。図5に示すように、圧電体12に分極方向と逆向きの電界を印加する場合(A→B→C)、AからBにかけては電界の強度を強くしていくと変位が下がるが、Bの位置で分極が逆方向になり、BからCにかけては電界の強度を強くしていくと変位が上がるので、アクチュエータ6の動作特性が複雑になり、制御しにくい。一方、圧電体12に分極方向と同じ向きの電界を印加する場合(A→E)、電界の強度を強くしていくと単調に変位が上がるので、制御しやすい。したがって、(A→B→C)のように分極方向と逆向きの電界を加えるよりも、(A→E)のように分極方向と同一方向の電界を加える方が、変位が電界にほぼ比例しているので好ましい。
更にまた、マイナス電圧用の駆動ICや電源装置は、正電圧用のものと比べてコスト高(おおよそ、数倍〜数十倍)になることが知られている。したがって、圧電体12の分極方向と同一方向の電界を印加して駆動し、ノズル17から液体を吐出させるには、上部電極13をアドレスとし、下部電極11をグランドとして、上部電極13に駆動源から正電圧を印加する第1の方法、または上部電極13をグランドとし、下部電極11をアドレスとして、下部電極11に駆動源から正電圧を印加する第2の方法が好ましい。ただし、第1の方法では圧電体12の分極方向が上部電極13から下部電極11に向かう分極反転処理を必要とするため、第2の方法が好適に用いられる。
なお、実質的に分極方向と同一方向にのみ電界を印加しており、電界を加えることにより圧電体12は膜厚方向に伸長し、膜厚に対して直交する方向(面内方向)に収縮する。
図4に示すように上部電極13の上には、第1絶縁層14が形成されている。第1絶縁層14には、2つのコンタクトホール(第1のコンタクトホール15aと、第2のコンタクトホール15b)が形成されている。第1のコンタクトホール15aは、ドーナッツ状の開口で、この第1のコンタクトホール15aを通して上部電極13と共通電極8とが電気的に接続している。第2のコンタクトホール15bは、流路基板2の圧力室18の周壁部分と対応する位置に形成された円形の開口で、下部電極11と個別電極7が電気的に接続している。
第1絶縁層14は、一例としてTEOS(tetraethoxysilane)−CVD(Chemical Vapor Deposition)法により二酸化シリコンを成膜して形成した。第1絶縁層14の厚みは一例として0.5μmとした。第1絶縁層14は、圧電体12の外周部において、共通電極8と下部電極11が電気的に接触するのを防止している。
第1絶縁層14の上には、個別電極7と、共通電極8と、実装パッド9とが形成されている。個別電極7は下部電極11に、第2のコンタクトホール15bを介して接続されている。共通電極8は上部電極13に、第1のコンタクトホール15aを介して接続されている。個別電極7と共通電極8と実装パッド9とは、一例としてスパッタ法により金を成膜して形成した。厚みは、一例として0.1μmないし0.5μmである。
個別電極7と共通電極8、及び第1絶縁層14の上には、保護層16が形成されている。保護層16には、圧力室18と連通する円形のノズル17が開口している。保護層16の厚みは一例として4μm、ノズル17の直径は一例として20μmである。保護層16は、一例として感光性ポリイミド材料をスピンコート法により成膜した。ノズル17は、一例として保護層16となる感光性ポリイミド材料を露光現像することにより形成した。
第1配線パターン19と第2配線パターン20とは、振動板10の上で互いに電気的に接続することなく離れている。
本実施形態では更に、第3配線パターン21が形成されている。第3配線パターン21は、共通電極8a上で交差して第2配線パターン20と電気的に接続されている。第3配線パターン21が第1配線パターン19と電気的な短絡を防ぐため、第1配線パターン19と第3配線パターン21とが交差しているところで、一例として第2絶縁層22を挟んでいる。
次に、上記構成の作用効果について説明する。ここでは、図3の複数のアクチュエータ6のうちの1つであるアクチュエータ6aを例として説明する。アクチュエータ6aは、電流経路が個別電極7と第2のコンタクトホール15bから圧電体12を通して、第1のコンタクトホール15aと共通電極8aに流れている。第1のコンタクトホール15aからの電流は、可能な主経路が図3中でアクチュエータ6aの上方向に延びる共通電極8a1と、下方向に延びる共通電極8a2の2つ(MとN)である。また、第2配線パターン20と第3配線パターン21との接続により、一方の主経路M側からはさらに3つ(M1とM2とM3)のサブ経路を持つ。他方の主経路Nからはさらに2つ(N1とN2)のサブ経路を持つ。これにより、1つであるアクチュエータ6aからの電流経路は、合計5つのサブ経路を持つ。
したがって、本実施形態では、アクチュエータ6の上部電極13は、グランドとして圧電体12の外周部の間に跨る配線部を介して電気的に接続されている第2配線パターン20の共通電極8aと、第2配線パターン20と電気的に繋がれている第3配線パターン21の共通電極8に接続されている。第1配線パターン19および第3配線パターン21とは、第2絶縁層22を挟んでいることにより、互いに電気的に接続しないで交差している。これにより、複数のアクチュエータ6は、いずれも共通電極8に各々複数の電流経路(サブ経路)が形成されているので、複数の電流経路(サブ経路)のいずれかの共通電極8が断線しても断線していない他の共通電極8を介して電気的接続を維持することができる。そのため、複数の電流経路(サブ経路)のいずれの経路で断線や電気的な破壊が発生しても、アクチュエータ6が共通電極8との接続を確保することが可能となる。
次に、図6を参照して第2の実施形態を説明する。本実施形態は、第1の実施形態の第3配線パターン21を次の通り変形したものである。すなわち、図6中で、X方向に延設される第3配線パターン21の数を第1の実施形態よりも減らし、Y方向に隣接する2つのアクチュエータ6毎に1本の第3配線パターン21の共通電極8を配置する構成にしたものである。この場合でも、第1の実施形態と同様に複数のアクチュエータ6は、いずれも共通電極8に各々複数の電流経路(サブ経路)を形成することができる。そのため、複数の電流経路(サブ経路)のいずれの経路で断線や電気的な破壊が発生しても、アクチュエータ6が共通電極8との接続を確保することが可能となる。
また、図7は、第3の実施形態における配線パターンの部分拡大図とアクチュエータの詳細を示す平面図である。本実施形態は、第1の実施形態と同じく、第1配線パターン19は、複数の個別電極7で形成されている。
一方、第2配線パターン20は、第1の実施形態と異なり、共通電極8a,8bの他、共通電極8aから分岐し、振動板10の上に延びている共通電極8cが形成されている。第2配線パターン20は、複数の共通電極8a,8bおよび8cで形成され、第1配線パターン19と電気的に接続することなく離れている。更に、共通電極8cによって第3配線パターン21が形成され、共通電極8c端を介して第2配線パターン20と電気的に接続されている。
本実施形態では、第1の実施形態と同じく、各アクチュエータ6において、2つ以上の経路の電流経路を確保しており、いずれの経路で断線や電気的な破壊が発生しても、共通電極8との接続を確保できる。
さらに、本実施形態では、共通電極8cによって、第1実施形態における配線パターンの一部が第2配線パターン20と一体化している。そのため、本実施形態では、第1実施形態のように第3配線パターン21が共通電極8aとは別体に形成されている場合に比べて第3配線パターン21が共通電極8aと第2絶縁層22を乗り越える段差の数が半分となる。そのため、第3配線パターン21と共通電極8との断線や高抵抗化のリスクを低減することができる。
次に、図8を参照して上述のインクジェットヘッド1を備えるインクジェット記録装置100を説明する。図8は、インクジェット記録装置100の一例を説明するための概略図である。インクジェット記録装置100はインクジェットプリンタということもできる。なお、インクジェット記録装置100は、複写機のような装置であってもよい。
インクジェット記録装置100は、例えば、記録媒体である記録紙Pを搬送しながら画像形成等の各種処理を行う。インクジェット記録装置100は、筐体101と、給紙カセット102と、排紙トレイ103と、保持ローラ(ドラム)104と、搬送装置105と、保持装置106と、画像形成装置107と、除電剥離装置108と、反転装置109と、クリーニング装置110とを備える。
筐体101は、インクジェット記録装置100を構成する各部を収容する。
給紙カセット102は、複数の記録紙Pを収容して、筐体101内に配置される。
排紙トレイ103は、筐体101の上部にある。インクジェット記録装置100によって画像形成がされた記録紙Pは、排紙トレイ103に排出される。
保持ローラ104は、導体によって形成された円筒状のフレームと、当該フレームの表面に形成された薄い絶縁層とを有する。前記フレームは接地(グランド接続)される。保持ローラ104は、その表面上に記録紙Pを保持した状態で回転することにより、記録紙Pを搬送する。
搬送装置105は、記録紙Pが搬送される経路に沿って配置された複数のガイドおよび複数の搬送ローラを有する。当該搬送ローラは、モータに駆動されて回転する。搬送装置105は、インクジェットヘッド1から吐出されるインクを付着させる記録紙Pを給紙カセット102から排紙トレイ103まで搬送する。
保持装置106は、搬送装置105によって給紙カセット102から搬出された記録紙Pを、保持ローラ104の表面(外周面)に吸着させて保持させる。保持装置106は、記録紙Pを保持ローラ104に対して押圧した後、帯電による静電気力で記録紙Pを保持ローラ104に吸着させる。
画像形成装置107は、保持装置106によって保持ローラ104の外面に保持された記録紙Pに、画像を形成する。画像形成装置107は、保持ローラ104の表面に面する複数のインクジェットヘッド1を有する。複数のインクジェットヘッド1は、例えば、シアン、マゼンダ、イエロー、ブラックの四色のインクを、それぞれ記録紙Pに吐出することで、像を形成する。
除電剥離装置108は、画像が形成された記録紙Pを、除電することで、保持ローラ104から剥離する。除電剥離装置108は、電荷を供給して記録紙Pを除電し、記録紙Pと保持ローラ104との間に爪を挿入する。これにより、記録紙Pは保持ローラ104から剥離される。保持ローラ104から剥離された記録紙Pは、搬送装置105によって、排紙トレイ103または反転装置109に搬送される。
反転装置109は、保持ローラ104から剥離された記録紙Pの表裏面を反転させ、当該記録紙Pを再び保持ローラ104の表面上に供給する。反転装置109は、例えば記録紙Pを前後方向逆にスイッチバックさせる所定の反転経路に沿って記録紙Pを搬送することにより、記録紙Pを反転させる。
クリーニング装置110は、保持ローラ104を清浄する。クリーニング装置110は、保持ローラ104の回転方向において除電剥離装置108よりも下流にある。クリーニング装置110は、回転する保持ローラ104の表面にクリーニング部材110aを当接させ、回転する保持ローラ104の表面を洗浄する。
これらの実施形態によれば、高密度化ノズルにおけるいずれの共通電極が断線しても電気的接続を確実に維持できるインクジェットヘッド及びインクジェット記録装置を提供することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…インクジェットヘッド、2…流路基板、3…インク供給部、4…フレキシブル配線板、5…駆動回路、6…アクチュエータ、6a…アクチュエータ、7…個別電極、8…共通電極、8a…共通電極、8a1…共通電極、8a2…共通電極、8b…共通電極、8c…共通電極、9…実装パッド、10…振動板、11…下部電極、12…圧電体、13…上部電極、14…絶縁層、15a…コンタクトホール、15b…コンタクトホール、16…保護層、17…ノズル、18…圧力室、19…第1配線パターン、20…第2配線パターン、21…第3配線パターン、22…絶縁層、100…インクジェット記録装置、101…筐体、102…給紙カセット、103…排紙トレイ、104…保持ローラ、105…搬送装置、106…保持装置、107…画像形成装置、108…除電剥離装置、109…反転装置、110…クリーニング装置、110a…クリーニング部材。

Claims (5)

  1. 間隔を存して配列された複数のノズルと、
    前記ノズル毎に設けられ、インクを加圧して前記ノズルから吐出させる複数のアクチュエータと、を具備し、
    前記アクチュエータは、
    振動板の上に設けられた圧電体と、
    前記圧電体に電気的に接続された共通電極と、
    前記圧電体に電気的に接続されるとともに前記共通電極と協働して前記圧電体を挟み込んだ個別電極と、を含み、
    前記個別電極は、前記振動板に設けられた第1の配線パターンに個別に電気的に接続され、
    全ての前記アクチュエータの前記共通電極は、前記振動板の上に前記第1の配線パターンとは重ならない位置に設けられ、前記圧電体の外周部の間に跨る配線部を介して電気的に接続されている共通した第2の配線パターンと、前記第2の配線パターンと異なる方向に延設され、前記第2の配線パターンと電気的に繋がれている第3の配線パターンとに接続され、
    前記第1の配線パターンおよび前記第3の配線パターンは、互いに電気的に接続しない状態で交差しているインクジェットヘッド。
  2. 前記共通電極は、前記第2の配線パターンと前記第3の配線パターンとによって少なくとも2つの電流経路を持つ請求項1に記載のインクジェットヘッド。
  3. 前記第1の配線パターンと前記第3の配線パターンとの交差部は、互いに重なり合う箇所に絶縁層が介設されている請求項1または2に記載のインクジェットヘッド。
  4. 前記個別電極は、アドレスとして前記第1の配線パターンに接続され、
    前記共通電極は、グランドとして前記第2の配線パターンと、前記第3の配線パターンに接続されている請求項1乃至3のいずれか1に記載のインクジェットヘッド。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1に記載のインクジェットヘッドを有するインクジェット記録装置。
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