JP2017209890A - インクジェット式記録ヘッド - Google Patents
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Abstract
【課題】十分な吐出圧力でインク滴を良好に吐出させることができるインクジェット式記録ヘッドを提供する。【解決手段】インクジェット式記録ヘッドは、第1の方向に延設した複数のインク圧力室11を有する駆動基板10と、この駆動基板10に積層された供給基板20と、各インク圧力室11に連通して当該インク圧力室11の長手方向の中央にそれぞれ設けた複数のノズル32と、各インク圧力室11内のインクを加圧してノズル32を介してインク滴を吐出させる複数の圧電素子40と、を有する。供給基板20は、複数のインク圧力室11の長手方向の一端に連通して第1の方向と交差する第2の方向に延設されたインク供給路22、および複数のインク圧力室11の他端に連通して第2の方向に延設されたインク排出路24を有する。【選択図】図2
Description
本発明の実施形態は、ノズルに連通したインク圧力室にインクを循環させるタイプのインクジェット式記録ヘッドに関する。
インクジェット式記録ヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通するインク圧力室と、このインク圧力室内のインクを加圧するアクチュエータとを備える。このヘッドは、アクチュエータを駆動することでインク圧力室内のインクを加圧してノズルからインク滴を吐出させる。
アクチュエータとして、例えば、圧電素子を用いてインク圧力室の壁面(振動板)を変形変位させることでインク滴を吐出させる圧電型のものが知られている。圧電型のアクチュエータは、圧電素子がインクに直接接触せず、圧電素子の発熱も無視できるため、使用するインクの種類に制約がないという利点がある。よって、半導体プロセス技術を上記圧電型に適用した、いわゆる圧電MEMS型のインクジェット式記録ヘッドが注目されている。
インク圧力室内のインクを加圧してノズルからインク滴を吐出させる場合、十分な吐出圧力を得るために、インク圧力室内のインクの圧力を保持する必要がある。このため、通常、インク圧力室とインク供給路の間に狭隘部(オリフィス)を設ける。
一方、インク吐出動作中にインク圧力室内で気泡が発生すると、インク滴を吐出させるための圧力が気泡に吸収されて吐出不良を生じる。このため、インク圧力室にインクを循環させて気泡を除去するようにしたヘッドが知られている。
しかし、インクの供給経路にオリフィスを設けると、インクが流れ難くなり、気泡の除去が不十分となる。
よって、十分な吐出圧力でインク滴を良好に吐出させることができるインクジェット式記録ヘッドの開発が望まれている。
実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドは、第1の方向に延設した複数のインク圧力室を有する第1基板と、この第1基板に積層された第2基板と、各インク圧力室に連通して当該インク圧力室の長手方向の中央にそれぞれ設けた複数のノズルと、各インク圧力室内のインクを加圧してノズルを介してインク滴を吐出させる複数のアクチュエータと、を有する。第2基板は、複数のインク圧力室の長手方向の一端に連通して第1の方向と交差する第2の方向に延設されたインク供給路、および複数のインク圧力室の他端に連通して第2の方向に延設されたインク排出路を有する。
以下、図面を参照しながら実施形態について詳細に説明する。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド100(以下、単に、ヘッド100と称する)の要部を示す部分拡大断面図である。図2は、ヘッド100の要部を示す概略斜視図である。図3は、ヘッド100をインク滴の突出方向から見た平面図である。図4は、ヘッド100の駆動基板10を供給基板20側から見た背面図である。図2および図3では、圧電素子40およびその配線構造を見易くするため、絶縁膜50の図示を省略してある。
図1は、第1の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド100(以下、単に、ヘッド100と称する)の要部を示す部分拡大断面図である。図2は、ヘッド100の要部を示す概略斜視図である。図3は、ヘッド100をインク滴の突出方向から見た平面図である。図4は、ヘッド100の駆動基板10を供給基板20側から見た背面図である。図2および図3では、圧電素子40およびその配線構造を見易くするため、絶縁膜50の図示を省略してある。
本実施形態のヘッド100は、圧電MEMS型のインクジェット式記録ヘッドである。ヘッド100は、例えばSiにより形成した駆動基板10(第1基板)、例えばSiにより形成した供給基板20(第2基板)、Si酸化膜(熱酸化膜)により形成したノズルプレート30(振動板)、および複数の圧電素子40(アクチュエータ)を有する。複数の圧電素子40を備えたノズルプレート30の駆動基板10から離間した側の表面30a上には絶縁膜50が設けられている。供給基板20の駆動基板10から離間した側の背面には、Si酸化膜からなる熱酸化膜60が設けられている。
駆動基板10は、その第1面10a(供給基板20から離間した面)と第2面10b(供給基板20側の面)を連絡して基板を貫通した複数の細長いインク圧力室11を有する。複数のインク圧力室11は、駆動基板10の面方向に沿った第1の方向(以下、長手方向とする場合もある)にそれぞれ延設され、この第1の方向と直交する面方向に沿った第2の方向(以下、並び方向とする場合もある)に並べて設けられている。
図4に示すように、複数のインク圧力室11は、例えば4列に並べて形成され、それぞれ長手方向の両端が並び方向に揃っている。各インク圧力室11の長さは、600μm以上に設計されており、各インク圧力室11の幅は50〜100μm程度であり、並び方向のピッチは、60〜150μm程度である。本実施形態では、インク圧力室11の断面形状を長円形にした。
駆動基板10は、例えば50〜300μmの厚みを有し、望ましくは30〜200μmの厚みを有する。駆動基板10の厚みは、並び方向に隣接するインク圧力室11間の隔壁に十分な剛性を持たせることができ、インク圧力室11の配列密度をできるだけ高くすることができる厚みであり、且つ各インク圧力室11の容積を適切な値にすることができる厚みに設計される。
供給基板20は、例えば、駆動基板10の第2面10bに接着剤15を介して貼り合わされている。駆動基板10と供給基板20を重ねた積層体70は、500μm以下の厚みを有し、可撓性を有する。本実施形態では駆動基板10の厚みを約100μmに形成し、供給基板20の厚みを約150μmに形成し、接着剤15の層を含む積層体70の厚みを約260μmに形成した。
供給基板20は、複数のインク圧力室11の並び方向に延びた複数本(本実施形態では3本)のインク供給路22、および並び方向に延びた複数本(本実施形態では2本)のインク排出路24を有する。図4では、駆動基板10に対向するここでは不図示の供給基板20に設けた3本のインク供給路22および2本のインク排出路24の位置を破線で示している。
図4に示すように、複数本のインク供給路22および複数本のインク排出路24は、第1の方向に沿って交互に互い違いに設けられている。インク供給路22およびインク排出路24は、供給基板20の駆動基板10側の表面20aに形成された有底の溝である。インク供給路22の供給口22aは各インク供給路22の図示下端に設けられ、インク排出路24の排出口24aは各インク排出路24の図示上端に設けられている。供給口22aおよび排出口24aは、それぞれ供給基板20を貫通して設けられている。
3本のインク供給路22のうち中央のインク供給路は、中央の2列のインク圧力室11の間に配置され、これら2列のインク圧力室11に共通のインク供給路22として機能する。同様に、2本のインク排出路24は、それぞれ隣接する2列のインク圧力室11に共通のインク排出路として機能する。このように、2列のインク圧力室11に共通のインク供給路22やインク排出路24を設けることで、個別に設ける場合と比較してインク供給路22やインク排出路24の断面積を大きくすることができ、インクの流路抵抗を低くすることができる。
各インク供給路22は、第2の方向に並んだ複数のインク圧力室11の一端に連通する位置に形成され、各インク排出路24は、第2の方向に並んだ複数のインク圧力室11の他端に連通する位置に形成される。言い換えると、各インク圧力室11の第2面10b側は、当該インク圧力室11の一端がインク供給路22に連通し、他端がインク排出路24に連通している以外、供給基板20の表面20aによって塞がれている。
各インク圧力室11とインク供給路22との間の接続部分の断面積、および各インク圧力室11とインク排出路24との間の接続部分の断面積は、各インク圧力室11の長手方向と直交する方向の断面積の半分以上に設計されている。本実施形態では、インク圧力室11とインク供給路22との間の接続部分の断面積、およびインク圧力室11とインク排出路24との間の接続部分の断面積を、インク圧力室11の長手方向と直交する方向の断面積と略同じ断面積に設計した。
ノズルプレート30は、駆動基板10の供給基板20から離間した側の第1面10aに接触して、各インク圧力室11の第1面10a側を塞ぐように設けられている。ノズルプレート30は、各インク圧力室11の長手方向に沿った中央に、各インク圧力室11に連通した複数のノズル32を有する。各インク圧力室11に対応して設けた複数のノズル32は、ノズルプレート30を貫通し、後述する圧電素子40を貫通して延びている。つまり、各インク圧力室11は、ノズル32を介してヘッド100の外部に連絡している。各ノズル32から対応するインク圧力室11の長手方向の両端までの距離は、それぞれ300μm以上に設計されており、好ましくは500μm以上である。
ノズルプレート30は、例えば、熱酸化ないしはCVD法により作成した、厚さ1〜5μm程度のSi酸化膜(SiO2)で形成される。Si酸化膜は、均等な変形が実現できるという観点から、非晶質であることが望ましい。また、安定した組成および特性を備える膜の製造が容易という観点からも、ノズルプレート30をSi酸化膜により形成することが望ましい。さらに、従来の半導体プロセスとの整合性が良いという点からも、ノズルプレート30をSi酸化膜により形成することが望ましい。
複数の圧電素子40は、複数のノズル32をそれぞれ囲むように、ノズルプレート30の表面30aに積層されて形成されている。各圧電素子40は、図1に示すように、ノズルプレート30の表面30aに重ねた下部電極42、下部電極42に重ねた圧電膜44、および圧電膜44に重ねた上部電極46を有する。各圧電素子40の第1の方向に沿った長さは、上述したインク圧力室11の第1の方向に沿った長さより短い。各圧電素子40の第2の方向に沿った幅は、上述したインク圧力室11の第2の方向に沿った幅より短い。
各圧電素子40の下部電極42の一部は、ノズルプレート30の表面30aに沿って延伸され、個別駆動配線43として機能する。図3に示すように、各個別駆動配線43の端部には個別配線パッド43aが設けられている。圧電素子40の表面を含むノズルプレート30の表面30a上には、絶縁膜50が形成されている。上部電極46と接する絶縁膜50の一部にはビアホール52が形成され、ビアホール52を介して上部電極46から引出し配線47が引き出されている。引出し配線47は、絶縁膜50の上を外側まで延伸しており、共通配線パッド47aに接続している。絶縁膜50は、ノズル32の内面を部分的に覆う位置まで延びている。
各圧電素子40の圧電膜44には、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr、Ti)O3、PZT)などの電歪定数の大きな圧電材料が適している。圧電膜44にPZTを使用した場合、下部電極42や上部電極46には、Pt、Au、Irなどの貴金属や、SrRuO3などの導電性の酸化物が適している。また、圧電膜44として、AlNやZrO2などのシリコンプロセスに適した圧電材料を使用することも可能である。この場合は、下部電極42や上部電極46として、Al、Cuなどの一般の電極材料や配線材料を使用することができる。
以下、上述したヘッド100の動作について説明する。
まず、図示しない外部のインク供給ポンプから3本のインク供給路22を介して各列の複数のインク圧力室11へインクを供給し、図示しない外部のインク排出ポンプにより2本のインク排出路24を介して各列の複数のインク圧力室11からインクを排出する。これにより、複数のインク圧力室11内をインクが循環する。このとき、各インク圧力室11内に発生した気泡等も速やかにインク圧力室11外に排出される。
まず、図示しない外部のインク供給ポンプから3本のインク供給路22を介して各列の複数のインク圧力室11へインクを供給し、図示しない外部のインク排出ポンプにより2本のインク排出路24を介して各列の複数のインク圧力室11からインクを排出する。これにより、複数のインク圧力室11内をインクが循環する。このとき、各インク圧力室11内に発生した気泡等も速やかにインク圧力室11外に排出される。
上述したように各インク圧力室11内にインクを循環させた状態で、図示しない外部の駆動回路からの記録信号に従い、各圧電素子40の下部電極42と上部電極46の間に駆動電圧を選択的に印加する。これにより、駆動電圧を印加した圧電素子40の圧電膜44が収縮して圧電素子40が凹状に屈曲変形し、対応するインク圧力室11の体積が増大し、インク圧力室11にインク供給路22を介してインクが流入する。次に、駆動電圧を除去すると、圧電素子40の屈曲変形が元に戻り、インク圧力室の11の体積が減少し、インク圧力室11内の圧力が上がり、ノズル32を介してインク滴が吐出する。
インク滴を十分な吐出圧力で良好に吐出させるためには、インク滴吐出時にインク圧力室11内のインクの圧力を一定以上に保持する必要がある。このため、本実施形態では、インク圧力室11の第1の方向に沿った長さを十分に長くして、ノズル32からインク圧力室11の長手方向の両端(インク供給路22またはインク排出路24)までの距離を十分に長くすることで、インクの慣性質量による慣性抵抗を生じせしめて、インク圧力室11からインク供給路22やインク排出路24へ圧力が逃げることを抑制するようにした。
言い換えると、本実施形態のヘッド100は、圧電素子40を屈曲変形させてインク滴を吐出させるのに十分な吐出圧力を得ることができる程度にインク圧力室11の長さを設計した。具体的には、インク滴吐出時におけるインクの圧力変化に基づく振動の波(以下、圧力波と称する)がインク圧力室11の長手方向の両端で十分に減衰し、インク供給路22やインク排出路24にほとんど振動が伝わらない程度にインク圧力室11の長さを設計した。
図5は、本実施形態のヘッド100におけるインク流路(インク圧力室11、インク供給路22、インク排出路24)の一部を示す概略図である。以下、図5を参照して、インク滴吐出時における圧力波の伝わり方について説明する。なお、ここでは、1つのインク圧力室111に着目して、当該インク圧力室111のノズル32からインク滴を吐出させた際の圧力波の伝わり方を説明する。
インク滴を吐出させる場合、インク圧力室111が膨張して収縮する。この際、インク滴の吐出によりノズル32のインクメニスカスでインクに振動を生じる。そして、この振動が圧力波としてインク流路を伝わる。つまり、ノズル32の近傍で発生した圧力波は、インク圧力室111の長手方向の両端に向けてインク中を伝わり、インク供給路22およびインク排出路24に伝わり、隣接する他のインク圧力室112、113へ伝播する。
このとき、ノズル32の近傍で発生した圧力波は、十分な長さを持つインク圧力室111内を長手方向の一端(図示右端)に向かって進行し、インクの慣性抵抗を受けて徐々に減衰する。さらに、圧力波は、インク圧力室111と段違いに設けたインク供給路22へ伝播する。このとき、インク圧力室111の一端で圧力波の一部が反射されて減衰する。さらに、インク供給路22を介して隣接するインク圧力室112に圧力波が侵入する際にも圧力波の一部が流路の壁に反射されて減衰する。つまり、本実施形態によると、圧力波の伝播経路が合計4回屈曲してその都度圧力波が減衰するため、隣接するインク圧力室112にインク圧力室111で発生した圧力波が伝播することはない。
同様に、ノズル32の近傍からインク圧力室111の他端(図示左端)に向けて伝播する圧力波も、隣接するインク圧力室113に達するまでに4回屈曲して伝播するため、圧力波が十分に減衰して隣接するインク圧力室113に伝播することはない。言い換えると、本実施形態では、インク圧力室111で発生した圧力波が隣接するインク圧力室112、113に伝播して隣接するインク圧力室112、113におけるインク滴の吐出動作に悪影響を与えることのないように、インク圧力室111の長さを設計した。
以上のように、本実施形態のヘッド100によると、インク圧力室11の長さを十分に確保することと、インク圧力室11を形成した駆動基板10に積層した供給基板20にインク圧力室11と直交するインク供給路22およびインク排出路24を形成することにより、インク圧力室11内にインク吐出のための十分な圧力を確保することができ、隣接するインク圧力室11との干渉の問題も無くすことができる。つまり、本実施形態のヘッド100は、十分な吐出圧力でインク滴を良好に吐出させることができる。
次に、図6乃至図15を参照して、上述したヘッド100の製造方法を説明する。
まず、図6に示すように、熱酸化により駆動基板10を酸化してSi酸化膜からなるノズルプレート30を形成する。本実施形態では、Si基板の熱酸化によりノズルプレート30を形成したが、熱酸化法以外のプラズマCVD法やTEOSを原材料とするCVD法なども使用することができる。
まず、図6に示すように、熱酸化により駆動基板10を酸化してSi酸化膜からなるノズルプレート30を形成する。本実施形態では、Si基板の熱酸化によりノズルプレート30を形成したが、熱酸化法以外のプラズマCVD法やTEOSを原材料とするCVD法なども使用することができる。
この後、図6に示すように、ノズルプレート30上に、スパッタリングによりTi/Ptからなる下部電極42の層を形成し、その上にPZTからなる圧電膜44の層を形成し、さらにその上にAuからなる上部電極46の層を形成する。
次に、図7に示すように、フォトリソグラフィーおよびウェットエッチングにより上部電極46、圧電膜44、および下部電極42を順にエッチングしてパターニングし、複数の圧電素子40、複数のノズル32、および複数の個別駆動配線43を形成する。
次に、図8に示すように、ノズルプレート30および複数の圧電素子40の上部全体に絶縁膜50を形成し、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングによりパターニングして、上部電極46の上部に複数のビアホール81を形成する。
次に、図9に示すように、スパッタリング成膜、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングによりパターニングして、各ビアホール81に上部電極46とのコンタクト部82を形成し、各コンタクト部82に接続して複数の引出し配線47を形成する。
次に、図10に示すように、絶縁膜50の上に仮固定接着剤83を介して第1の仮固定基板84を固定する。さらに駆動基板10を第2面10b側から研削およびCMPにより加工し薄板化する。
次に、図11に示すように、駆動基板10の第2面10b側から裏面フォトリソグラフィーおよび深掘りエッチング(D−RIE)により複数のインク圧力室11を形成する。このとき、駆動基板10のエッチングおよびパッシベーションを数回繰り返して所望の深さの複数のインク圧力室11を形成する。
次に、図12に示すように、両面にSi酸化膜20’、60を形成した供給基板20を用意し、その一方の表面(図示上方の面)に、仮固定接着剤85を介して第2の仮固定基板86を接着する。
次に、図13に示すように、供給基板20の他方の表面(図示下方の面)側から、研削およびCMPにより加工して供給基板20を薄板化し、さらに、裏面フォトリソグラフィーおよびD−RIEにより、複数本のインク供給路22および複数本のインク排出路24を形成する。
次に、図13に示す供給基板20を表裏反転させて、図11に示す駆動基板10を重ね、図14に示すように、駆動基板10の第2面10bと供給基板20の表面を接着剤15により接着する。これにより、駆動基板10の各インク圧力室11の一端と供給基板20のインク供給路22が連通され、駆動基板10の各インク圧力室11の他端と供給基板20のインク排出路24が連通される。
さらに、図15に示すように、第1の仮固定基板84と第2の仮固定基板86を剥離する。なお剥離方法として、接着剤15は溶解せず仮固定接着剤83、85のみ溶解するような有機溶剤を使用してもよいし、加熱による剥離や機械的な剥離等でも良い。
なお、以上説明した一連の膜形成及びエッチングは、一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成し、プロセス終了後、一つ一つのチップに分割する。
以上のように、本実施形態のヘッド100の製造方法によれば、簡単なプロセスによりヘッド100を製造することが可能であり、特に長時間の絶縁耐圧に優れて駆動耐久性及び信頼性が高く、駆動効率も高い圧電MEMS型のインクジェット式記録ヘッド100を提供することが可能となる。
本実施形態によると、複数のインク圧力室11を駆動基板10の面方向に延設したため、駆動基板10のエッチング深さを浅くすることができ、その分、ヘッド100の製造コストを低くすることができる。インク圧力室11を駆動基板10の厚み方向に長くすることでも同様の効果を得ることができるが、その分、パッシベーションとD−RIEの回数が多くなり、製造コストが高価になる。
また、本実施形態によると、複数のインク圧力室11を駆動基板10の面方向に延設したため、駆動基板10を薄くすることができ、可撓性を有するヘッド100を提供することができる。
(第1の実施形態の変形例)
図16は、第1の実施形態の変形例に係るインクジェット式記録ヘッド120(以下、単にヘッド120と称する)を示す部分拡大断面図である。ヘッド120は、インク圧力室11の側壁の一部にテンプレート側壁122を有し、ノズル32をインク圧力室11側に延長したノズル延長部124を有する。それ以外は、第1の実施形態のヘッド100と同様である。したがって、第1の実施形態と重複する内容については、同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
図16は、第1の実施形態の変形例に係るインクジェット式記録ヘッド120(以下、単にヘッド120と称する)を示す部分拡大断面図である。ヘッド120は、インク圧力室11の側壁の一部にテンプレート側壁122を有し、ノズル32をインク圧力室11側に延長したノズル延長部124を有する。それ以外は、第1の実施形態のヘッド100と同様である。したがって、第1の実施形態と重複する内容については、同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
テンプレート側壁122およびノズル延長部124は、Si酸化膜により形成されている。本変形例では、テンプレート側壁122およびノズル延長部124を、いずれもノズルプレート30を熱酸化で形成するのと同時に形成した。テンプレート側壁122は、インク圧力室11の外周に沿って設けられ、インク圧力室11の形状を規定する。ノズル延長部124は、ノズル32の内径と同じ内径を有する円筒形状を有し、ノズル32をインク圧力室11に向けて延長している。
テンプレート側壁122は、インク圧力室11をD−RIEにより形成するときのエッチングストッパーの役割を果たす。つまり、インク圧力室11を駆動基板10の第2面10b側からのエッチングにより形成する際に、テンプレート側壁122がそれ以上のエッチングを阻止する。このため、テンプレート側壁122を設けることで、インク圧力室11の形状精度を大幅に高めることが可能になる。
また、ノズル延長部124は、インク滴を吐出する時の吐出角度の精度を向上し、インク滴の吐出量の階調制御を可能にする。ノズル延長部124を設けてノズル32の全長を長くすると、吐出させるインク滴の量をダイナミックに変更することができ、吐出時にノズル32を介してインク圧力室11内に気泡が入る不具合を抑制できる。
(第2の実施形態)
図17は、第2の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド200(以下、単にヘッド200と称する)の要部を部分的に拡大した部分拡大断面図である。また、図18は、図17のヘッド200の一部を示す部分拡大斜視図である。
図17は、第2の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド200(以下、単にヘッド200と称する)の要部を部分的に拡大した部分拡大断面図である。また、図18は、図17のヘッド200の一部を示す部分拡大斜視図である。
本実施形態のヘッド200は、供給基板20の代りに供給基板220と支持基板230を有する以外、上述した第1の実施形態のヘッド100と略同じ構造を有する。よって、ここでは、第1の実施形態と異なる構成について説明し、第1の実施形態と同様に機能する構成については同一符号を付してその詳細な説明を省略する。特に、ここでは、駆動基板10の構造およびその製造方法についての説明は省略する。
供給基板220は、例えばSiにより形成されており、接着剤15を介して駆動基板10の第2面10bに接着固定されている。支持基板230は、供給基板220の駆動基板10から離間した熱酸化膜60に対し接着剤210を介して接着固定されている。支持基板230は、例えばSiにより平らな板状に形成されている。
供給基板220は、複数本(本実施形態では3本)のインク供給路222および複数本(本実施形態では2本)のインク排出路224を有する。各インク供給路222は、駆動基板10の各列のインク圧力室11の一端から離間して対向する位置で第1の方向と直交する第2の方向に延設され、各インク排出路224は、各列のインク圧力室11の他端から離間して対向する位置で第2の方向に延設されている。複数のインク供給路222および複数のインク排出路224は、それぞれ支持基板230側に開放しており、支持基板230によって一面側を塞がれている。
また、供給基板220は、各インク圧力室11の一端とインク供給路222を連通する略円形断面の複数の連通路223、および各インク圧力室11の他端とインク排出路224を連通する略円形断面の複数の連通路225を有する。本実施形態では、各インク圧力室11に対応して個別の連通路223、225を設けたが、第2の方向に延設した細長い共通の連通路223、225を形成してもよい。また、連通路223、225の断面形状は円形に限らず長方形などであってもよい。いずれにしても、各インク圧力室11に連通した連通路223、225の断面積は、インク圧力室11の長手方向と直交する方向の断面積の半分以上である。
以上のように、本実施形態のヘッド200は、直線状に延伸したインク圧力室11の一端とインク供給路222の間に連通路223を備え、インク圧力室11の他端とインク排出路224の間に連通路225を備えるため、インク供給路222やインク排出路224の形状や位置によらず、各インク圧力室11内でインクの慣性質量による慣性抵抗を十分に働かせることができ、インク滴を良好に吐出させることができる。
また、本実施形態によると、インク供給路222およびインク排出路224のレイアウトを自由にでき、インク供給路222およびインク排出路224の断面積もある程度大きくすることができるため、インク供給路222やインク排出路224におけるインクの流路抵抗を小さくすることができ、各インク圧力室11にインクを良好に循環させることができ、気泡を除去することができる。
以下、上述した第2の実施形態のヘッド200の製造方法について、図19乃至図23を参照して説明する。上述したように、ここでは、駆動基板10の製造方法についての説明は省略する。
まず、図19に示すように、両面にSi酸化膜220’を形成した供給基板220を用意し、この供給基板220の一方の面(図示下方の面)側から、フォトリソグラフィーおよびD−RIEにより、上述したインク供給路222およびインク排出路224を形成する。
次に、図20に示すように、インク供給路222およびインク排出路224を形成した供給基板220の一方の面に、接着剤210を介して支持基板230を接着固定する。支持基板230には、予め、各インク供給路222に連通した図示しない複数の供給口が設けられ、各インク排出路224に連通した図示しない複数の排出口が設けられている。
次に、図21に示すように、供給基板220の他方の面(図示上方の面)側から、研削およびCMPにより加工して供給基板220を薄板化し、さらに裏面フォトリソグラフィーおよびD−RIEにより、上述した複数の連通路223および複数の連通路225を形成する。
次に、図22に示すように、供給基板220の支持基板230から離間した面に、接着剤15を介して、予め複数のインク圧力室11を形成してノズルプレート30および複数の圧電素子40を設けた駆動基板10(図6乃至図11の製造工程により製造)の第2面10bを接着固定する。これにより、駆動基板10の各インク圧力室11の一端と供給基板220の連通路223が連通され、駆動基板10の各インク圧力室11の他端と供給基板220の連通路225が連通される。
さらに、図23に示すように、駆動基板10側の第1の仮固定基板84を剥離する。なお剥離方法として、接着剤15は溶解せず仮固定接着剤83のみ溶解するような有機溶剤を使用してもよいし、加熱による剥離や機械的な剥離等でも良い。
なお、以上説明した一連の膜形成及びエッチングは、一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成し、プロセス終了後、一つ一つのチップに分割する。
以上のように、本実施形態のヘッド200によれば、簡単なプロセスにより製造することが可能であり、上述した第1の実施形態のヘッド100と同様の効果を奏することができる。特に、本実施形態によると、断面積が大きく流路抵抗の低いインク供給路222およびインク排出路224を有する圧電MEMS型のインクジェット式記録ヘッド200を提供することが可能となる。
(使用例)
上述した実施形態のインクジェット式記録ヘッド100、120、200は、数100μm程度の薄型化が可能であるため、図24に示すように、ヘッドをフレキシブルに折り曲げ可能なインクジェット式記録システム300(以下、単にシステム300と称する)を実現することができる。
上述した実施形態のインクジェット式記録ヘッド100、120、200は、数100μm程度の薄型化が可能であるため、図24に示すように、ヘッドをフレキシブルに折り曲げ可能なインクジェット式記録システム300(以下、単にシステム300と称する)を実現することができる。
システム300は、ヘッド100(代表して説明する)を図示のように湾曲させるための複数(本実施形態では3つ)のリニアアクチュエータ320を備えている。リニアアクチュエータ320は、例えばソレノイドである。各リニアアクチュエータ320は、ヘッド100の基板面に対して垂直な方向に移動可能な機構となっている。
また、ヘッド100には、フレキシブルに折り曲げ可能なチューブからなるインク供給管330およびインク排出管340が接続されている。インク供給管330は、ヘッド100の複数のインク供給路22に接続され、インク排出管340は、複数のインク排出路24に接続される。
システム300によりヘッド100をフレキシブルに折り曲げ可能であるため、非印刷物350の印刷曲面に沿ってリニアアクチュエータ320によりヘッド100を屈曲させることができ、広い範囲にわたって非印刷物350とヘッド100の距離を一定にすることが可能になる。したがって、湾曲した表面を持つ非印刷物350に1パスで広い範囲に印刷することが可能になる。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。上記、実施形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、実施形態の説明においては、インクジェット式記録ヘッドおよびその製造方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされるインクジェット式記録ヘッドおよびその製造方法等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのインクジェット式記録ヘッドが、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。
10…駆動基板、11…インク圧力室、20、220…供給基板、22、222…インク供給路、24、224…インク排出路、30…ノズルプレート、32…ノズル、40…圧電素子、50…絶縁膜、60…熱酸化膜、100、120、200…インクジェット式記録ヘッド、122…テンプレート側壁、124…ノズル延長部、223、225…連通路、230…支持基板、300…インクジェット式記録システム、320…リニアアクチュエータ、330…インク供給管、340…インク排出管、350…非印刷物。
実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドは、第1の方向に延設した複数のインク圧力室を有する第1基板と、この第1基板に積層された第2基板と、各インク圧力室に連通して当該インク圧力室の長手方向の中央にそれぞれ設けた複数のノズルと、各インク圧力室内のインクを加圧してノズルを介してインク滴を吐出させる複数のアクチュエータと、を有する。第2基板は、複数のインク圧力室の長手方向の一端に連通して第1の方向と交差する第2の方向に延設されたインク供給路、および複数のインク圧力室の他端に連通して第2の方向に延設されたインク排出路を有する。インク圧力室とインク供給路との間の接続部分の断面積、およびインク圧力室とインク排出路との間の接続部分の断面積は、インク圧力室の長手方向と交差する方向の断面積の半分以上である。
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのインクジェット式記録ヘッドが、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。
以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1]
第1の方向に延設した複数のインク圧力室を有する第1基板と、
この第1基板に積層され、前記複数のインク圧力室の長手方向の一端に連通して前記第1の方向と交差する第2の方向に延設されたインク供給路、および前記複数のインク圧力室の他端に連通して前記第2の方向に延設されたインク排出路を有する第2基板と、
前記各インク圧力室に連通して当該インク圧力室の長手方向の中央にそれぞれ設けた複数のノズルと、
前記各インク圧力室内のインクを加圧して前記ノズルを介してインク滴を吐出させる複数のアクチュエータと、
を有するインクジェット式記録ヘッド。
[2]
前記ノズルから前記インク圧力室の長手方向の両端までの距離がそれぞれ300μm以上である、
[1]のインクジェット式記録ヘッド。
[3]
前記インク圧力室と前記インク供給路との間の接続部分の断面積、および前記インク圧力室と前記インク排出路との間の接続部分の断面積が、前記インク圧力室の長手方向と交差する方向の断面積の半分以上である、
[1]のインクジェット式記録ヘッド。
[4]
前記第1基板と前記第2基板の積層体の厚さは300μm以下であり、前記積層体は可撓性を有する、
[1]のインクジェット式記録ヘッド。
[5]
前記第1基板の前記第2基板から離間した面に設け、前記ノズルを有して熱酸化膜で形成した振動板と、
前記第2基板の前記第1基板から離間した面に設けた熱酸化膜と、をさらに有する、
[4]のインクジェット式記録ヘッド。
以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1]
第1の方向に延設した複数のインク圧力室を有する第1基板と、
この第1基板に積層され、前記複数のインク圧力室の長手方向の一端に連通して前記第1の方向と交差する第2の方向に延設されたインク供給路、および前記複数のインク圧力室の他端に連通して前記第2の方向に延設されたインク排出路を有する第2基板と、
前記各インク圧力室に連通して当該インク圧力室の長手方向の中央にそれぞれ設けた複数のノズルと、
前記各インク圧力室内のインクを加圧して前記ノズルを介してインク滴を吐出させる複数のアクチュエータと、
を有するインクジェット式記録ヘッド。
[2]
前記ノズルから前記インク圧力室の長手方向の両端までの距離がそれぞれ300μm以上である、
[1]のインクジェット式記録ヘッド。
[3]
前記インク圧力室と前記インク供給路との間の接続部分の断面積、および前記インク圧力室と前記インク排出路との間の接続部分の断面積が、前記インク圧力室の長手方向と交差する方向の断面積の半分以上である、
[1]のインクジェット式記録ヘッド。
[4]
前記第1基板と前記第2基板の積層体の厚さは300μm以下であり、前記積層体は可撓性を有する、
[1]のインクジェット式記録ヘッド。
[5]
前記第1基板の前記第2基板から離間した面に設け、前記ノズルを有して熱酸化膜で形成した振動板と、
前記第2基板の前記第1基板から離間した面に設けた熱酸化膜と、をさらに有する、
[4]のインクジェット式記録ヘッド。
Claims (5)
- 第1の方向に延設した複数のインク圧力室を有する第1基板と、
この第1基板に積層され、前記複数のインク圧力室の長手方向の一端に連通して前記第1の方向と交差する第2の方向に延設されたインク供給路、および前記複数のインク圧力室の他端に連通して前記第2の方向に延設されたインク排出路を有する第2基板と、
前記各インク圧力室に連通して当該インク圧力室の長手方向の中央にそれぞれ設けた複数のノズルと、
前記各インク圧力室内のインクを加圧して前記ノズルを介してインク滴を吐出させる複数のアクチュエータと、
を有するインクジェット式記録ヘッド。 - 前記ノズルから前記インク圧力室の長手方向の両端までの距離がそれぞれ300μm以上である、
請求項1のインクジェット式記録ヘッド。 - 前記インク圧力室と前記インク供給路との間の接続部分の断面積、および前記インク圧力室と前記インク排出路との間の接続部分の断面積が、前記インク圧力室の長手方向と交差する方向の断面積の半分以上である、
請求項1のインクジェット式記録ヘッド。 - 前記第1基板と前記第2基板の積層体の厚さは300μm以下であり、前記積層体は可撓性を有する、
請求項1のインクジェット式記録ヘッド。 - 前記第1基板の前記第2基板から離間した面に設け、前記ノズルを有して熱酸化膜で形成した振動板と、
前記第2基板の前記第1基板から離間した面に設けた熱酸化膜と、をさらに有する、
請求項4のインクジェット式記録ヘッド。
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