JP2018122551A - 液体噴射ヘッドチップ、液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、特許文献1には、カバー基板に各チャンネル部に対応する貫通孔を設け、カバー基板上面に設けた電極と駆動壁に設けた駆動電極とを、貫通孔に設けた導電性部材を介して導通させた構成が開示されている。
一方、カバー基板にインク(液体)の流路を設け、インクの流路に共通電極を形成する構成もある。
図1はプリンタ1の概略構成図である。
図1に示すように、本実施形態のプリンタ1は、一対の搬送手段2,3と、インクタンク4と、インクジェットヘッド5(液体噴射ヘッド)と、インク循環手段6と、走査手段7と、を備える。なお、以下の説明では、必要に応じてX,Y,Zの直交座標系を用いて説明する。X方向は、被記録媒体P(例えば、紙等)の搬送方向である。Y方向は、走査手段7の走査方向である。Z方向は、X方向及びY方向に直交する上下方向である。
吸引ポンプ25は、インク排出管22内を減圧し、インク排出管22内を通してインクジェットヘッド5からインクを吸引している。これにより、インクジェットヘッド5に対してインク排出管22側は負圧となっている。そして、インクは、加圧ポンプ24及び吸引ポンプ25の駆動により、インクジェットヘッド5とインクタンク4との間を、循環流路23を通して循環可能となっている。
図3に示すように、インクジェットヘッド5は、一対のヘッドチップ40A,40Bと、流路プレート41と、入口マニホールド42と、出口マニホールド(不図示)と、帰還プレート43と、ノズルプレート44(噴射プレート)と、を備える。インクジェットヘッド5は、吐出チャネル54におけるチャネル延在方向の先端部からインクを吐出する、いわゆるエッジシュートタイプのうち、インクタンク4との間でインクを循環させる循環式(エッジシュート循環式)のものである。
一対のヘッドチップ40A,40Bは、第1ヘッドチップ40Aおよび第2ヘッドチップ40Bである。以下、第1ヘッドチップ40Aを中心に説明する。第2ヘッドチップ40Bにおいて、第1ヘッドチップ40Aと同一の構成には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
第1ヘッドチップ40Aは、アクチュエータプレート51と、カバープレート52と、を備える。
アクチュエータプレート51の外形は、X方向に長手を有しかつZ方向に短手を有する矩形板状をなしている。実施形態において、アクチュエータプレート51は、分極方向が厚さ方向(Y方向)で異なる2枚の圧電基板を積層した、いわゆるシェブロンタイプの積層基板である(図6参照)。例えば、圧電基板は、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等からなるセラミックス基板が好適に用いられる。
吐出チャネル54の上端部は、アクチュエータプレート51内で終端している。吐出チャネル54の下端部は、アクチュエータプレート51の下端面で開口している。
図4に示すように、吐出チャネル54は、下端部に位置する延在部54aと、延在部54aから上方に連なる切り上がり部54bと、を有している。
延在部54aは、Z方向の全体に亘って溝深さが一様とされている。切り上がり部54bは、上方に向かうに従い溝深さが漸次浅くなっている。
図5に示すように、非吐出チャネル55は、下端部に位置する延在部55aと、延在部55aから上方に連なる切り上がり部55bと、を有している。
延在部55aは、Z方向の全体に亘って溝深さが一様とされている。非吐出チャネル55における延在部55aのZ方向の長さは、吐出チャネル54における延在部54a(図4参照)のZ方向の長さよりも長い。切り上がり部55bは、上方に向かうに従い溝深さが漸次浅くなっている。非吐出チャネル55における切り上がり部55bの勾配は、吐出チャネル54における切り上がり部54b(図4参照)の勾配と実質的に同じである。すなわち、吐出チャネル54及び非吐出チャネル55において、延在部54a,55aのZ方向の長さの違いによる勾配開始位置は異なるが、勾配自体(斜度、曲率)は実質的に同じである。
図3に示すように、カバープレート52の外形は、X方向に長手を有しかつZ方向に短手を有する矩形板状をなしている。カバープレート52の長手方向の長さは、アクチュエータプレート51の長手方向の長さと実質的に同じである。一方、カバープレート52の短手方向の長さは、アクチュエータプレート51の短手方向の長さよりも長い。カバープレート52のうち、AP側Y方向内側面51f1と対向する第1主面(カバープレート側第1主面)は、AP側Y方向内側面51f1に接合されている。実施形態において、カバープレート側第1主面は、カバープレート52のY方向外側面52f1(以下「CP側Y方向外側面52f1」という。)である。ここで、Y方向外側は、インクジェットへッド5のY方向中心側とは反対側(Y方向において流路プレート41の側とは反対側)を意味する。実施形態において、カバープレート側第2主面は、カバープレート52のY方向内側面52f2(以下「CP側Y方向内側面52f2」という。)である。
図3に示すように、各ヘッドチップ40A,40Bは、各CP側Y方向内側面52f2同士をY方向で対向させた状態で、Y方向に間隔をあけて配置されている。
流路プレート41は、第1ヘッドチップ40Aと第2ヘッドチップ40BとのY方向間に挟持されている。流路プレート41は、同一の部材により一体に形成されている。図3に示すように、流路プレート41の外形は、X方向に長手を有しかつZ方向に短手を有する矩形板状をなしている。Y方向から見て、流路プレート41の外形は、カバープレート52の外形と実質的に同じである。
出口流路75は、流路プレート41のX方向の他端面において図示しない出口マニホールドに接続されている。出口マニホールドは、インク排出管22(図1参照)に接続されている。
図3に示すように、入口マニホールド42は、各ヘッドチップ40A,40B及び流路プレート41のX方向の一端面にまとめて接合されている。入口マニホールド42には、各入口流路74に連通する供給路77が形成されている。供給路77は、入口マニホールド42のX方向内端面からX方向外側に向けて窪んでいる。供給路77は、各入口流路74にまとめて連通している。入口マニホールド42は、インク供給管21(図1参照)に接続されている。
帰還プレート43の外形は、X方向に長手を有しかつY方向に短手を有する矩形板状をなしている。帰還プレート43は、各ヘッドチップ40A,40B及び流路プレート41の下端面にまとめて接合されている。言い換えると、帰還プレート43は、第1ヘッドチップ40Aと第2ヘッドチップ40Bとにおける吐出チャネル54の開口端側に配設されている。帰還プレート43は、第1ヘッドチップ40Aと第2ヘッドチップ40Bとにおける吐出チャネル54の開口端と、ノズルプレート44の上端との間に介在するスペーサプレートである。帰還プレート43には、各ヘッドチップ40A,40Bの吐出チャネル54と出口流路75との間を接続する複数の循環路76が形成されている。複数の循環路76は、第1循環路76a及び第2循環路76bを含む。複数の循環路76は、帰還プレート43をZ方向に貫通している。
以下、第1循環路76aをインクの流れ方向と直交する面で切断したときの断面積を「循環路側流路断面積」という。すなわち、循環路側流路断面積は、第1循環路76を自身の延在方向と直交する面で切断したときの断面積を意味する。
実施形態において、循環路側流路断面積は、チャネル側流路断面積よりも小さい。これにより、循環路側流路断面積がチャネル側流路断面積よりも大きい場合と比較して、インク吐出時等に発生するチャネル内の圧力変動が流路を介して他のチャネル等に圧力波となって伝播される、いわゆるクロストークを抑制することができる。したがって、優れた吐出性能(印字安定性)を得ることができる。
図3に示すように、ノズルプレート44の外形は、X方向に長手を有しかつY方向に短手を有する矩形板状をなしている。ノズルプレート44の外形は、帰還プレート43の外形と実質的に同じである。ノズルプレート44は、帰還プレート43の下端面に接合されている。ノズルプレート44には、ノズルプレート44をZ方向に貫通する複数のノズル孔78(噴射孔)が配列されている。複数のノズル孔78は、第1ノズル孔78a及び第2ノズル孔78bを含む。複数のノズル孔78は、ノズルプレート44をZ方向に貫通している。
一方、各非吐出チャネル55は、ノズル孔78a,78bには連通しておらず、帰還プレート43により下方から覆われている。
次に、プリンタ1を利用して、被記録媒体Pに文字や図形等を記録する場合のプリンタ1の動作方法について説明する。
なお、初期状態として、図1に示す4つのインクタンク4にはそれぞれ異なる色のインクが十分に封入されているものとする。また、インクタンク4内のインクがインク循環手段6を介してインクジェットヘッド5内に充填された状態となっている。
そして、キャリッジ33の往復移動の間に、各インクジェットヘッド5より4色のインクを被記録媒体Pに適宜吐出させることで、被記録媒体Pに文字や画像等の記録を行うことができる。
本実施形態のようなエッジシュートタイプのうち、縦循環式のインクジェットヘッド5では、まず図2に示す加圧ポンプ24及び吸引ポンプ25を作動させることで、循環流路23内にインクを流通させる。この場合、インク供給管21を流通するインクは、図3に示す入口マニホールド42の供給路77を通り、流路プレート41の各入口流路74内に流入する。各入口流路74内に流入したインクは、各共通インク室71を通過した後、スリット72を通って各吐出チャネル54内に供給される。各吐出チャネル54内に流入したインクは、帰還プレート43の循環路76を通して出口流路75内で集合し、その後図示しない出口マニホールドを通して図2に示すインク排出管22に排出される。インク排出管22に排出されたインクは、インクタンク4に戻された後、再びインク供給管21に供給される。これにより、インクジェットヘッド5とインクタンク4との間でインクを循環させる。
これにより、駆動壁56が復元し、一旦増大した吐出チャネル54の容積が元の容積に戻る。この動作によって、吐出チャネル54の内部の圧力が増加し、インクが加圧される。その結果、インクをノズル孔78から吐出させることができる。この際、インクはノズル孔78を通過する際に、液滴状のインク滴となって吐出される。これにより、上述したように被記録媒体Pに文字や画像等を記録することができる。
次に、インクジェットヘッド5の製造方法について説明する。本実施形態のインクジェットヘッド5の製造方法は、ヘッドチップ作製工程と、流路プレート作製工程と、各種プレート接合工程と、帰還プレート等接合工程と、を含む。なお、ヘッドチップ作製工程は、各ヘッドチップ40A,40Bともに同様の方法により行うことが可能である。したがって、以下の説明では第1ヘッドチップ40Aにおけるヘッドチップ作製工程について説明する。
実施形態のヘッドチップ作製工程は、アクチュエータプレート側の工程として、ウエハ準備工程、マスクパターン形成工程、チャネル形成工程および電極形成工程を含む。
その後、アクチュエータウエハ110の表面(一方の圧電ウエハ110a)を研削する。なお、本実施形態では、厚さの等しい圧電ウエハ110a,110bを貼り合わせた場合について説明したが、予め厚さの異なる圧電ウエハ110a,110bを貼り合わせても構わない。
脱脂工程では、アクチュエータウエハ110に付着している油脂等の汚れを除去する。
エッチング工程では、フッ化アンモニウム溶液等でアクチュエータウエハ110をエッチングする。これにより、めっき工程にて形成するめっき被膜と、アクチュエータウエハ110との密着力を向上させる。
脱鉛工程では、アクチュエータウエハ110をPZTにより形成した場合、アクチュエータウエハ110の表面の鉛を除去する。これにより、アクチュエータウエハ110の表面における鉛の触媒抑制効果を抑える。
なお、触媒付与工程は、上述したセンシタイザー・アクチベーター法以外の方法で行ってもよい。例えば、触媒付与工程は、キャタリスト・アクセレーター法により行ってもよい。キャタリスト・アクセレーター法では、アクチュエータウエハ110を、錫とパラジウムとのコロイド溶液に浸漬する。続いて、アクチュエータウエハ110を酸性溶液(例えば塩酸溶液)に浸漬して活性化し、アクチュエータウエハ110の表面に金属パラジウムを析出させる。
なお、レーザ光Lに代えてダイサーを用いてもよい。また、めっき被膜除去工程において、金属被膜114のうち非吐出チャネル55の底面に位置する部分を除去することに限らない。例えば、触媒除去工程において、触媒113のうち、非吐出チャネル55の底面に位置する部分を除去しても構わない。具体的に、触媒除去工程において、非吐出チャネル55の底面に向けてレーザ光Lを照射した状態で、レーザ光LをZ方向に走査し、触媒113のうち、レーザ光Lが照射された部分を選択的に除去してもよい。
その後、マウンティングテープ112を剥がし、ダイサー等を用いてアクチュエータウエハ110を個片化することで、上述したアクチュエータプレート51(図5参照)が完成する。
続いて、図18に示すように、スリット形成工程では、カバーウエハ120に対して裏面側から図示しないマスクを通してサンドブラスト等を行い、共通インク室71内に各別に連通するスリット72を形成する。
続いて、図18に示すように、貫通孔形成工程では、カバーウエハ120に対して裏面側から図示しないマスクを通してサンドブラスト等を行い、表面側貫通凹部85a内に各別に連通する裏面側貫通凹部85bを形成する。このように、表面側貫通凹部85aと裏面側貫通凹部85bとを連通させることで、カバーウエハ120に対して貫通孔85を形成する。なお、裏面側貫通凹部85bの形成工程は、スリット形成工程と同じ工程で行ってもよい。
なお、共通インク室形成工程、スリット形成工程、貫通孔形成工程、および凹部形成工程の各工程は、サンドブラストに限らず、ダイシング、切削等により行っても構わない。
具体的に、電極・配線形成工程では、図20に示すように、まずカバープレート52の全面(表面、裏面および上端面、並びに凹部73の形成面および貫通孔85の形成面を含む。)に、各種電極および各種配線(貫通孔内電極86、CP側共通パッド66、共通引出配線67、連結共通電極82及びCP側個別配線69)の形成領域が開口する図示しないマスクを配置する。その後、カバープレート52の全面に対して無電解めっき等により電極材料を成膜する。これにより、マスクの開口を通してカバープレート52の全面に各種電極および各種配線となる電極材料が成膜される。なお、マスクとしては、例えば感光性ドライフィルム等を用いることができる。また、電極・配線形成工程は、めっきに限らず、蒸着等により行っても構わない。また、貫通孔内電極86の形成工程では、導電ペースト等を貫通孔85内に充填することにより貫通孔内電極86を形成してもよい。
電極・配線形成工程程の終了後には、カバープレート52の全面からマスクを除去する。
実施形態の流路プレート作製工程は、流路形成工程および個片化工程を含む。
図21に示すように、流路形成工程(表面側流路形成工程)では、まず流路ウエハ130に対して表面側から図示しないマスクを通してサンドブラスト等を行い、入口流路74及び出口流路75を形成する。
次に、図22に示すように、各種プレート接合工程では、各ヘッドチップ40A,40Bにおけるカバープレート52と流路プレート41とを接合する。具体的に、流路プレート41のY方向外側面(各主面41f1,41f2)を、各ヘッドチップ40A,40BにおけるCP側Y方向内側面52f2に貼り付ける。
これにより、プレート接合体5Aを作製する。
なお、すべてのプレートをウエハ状態で貼り合わせてからのチップ分割(個片化)を行ってもよい。
次いで、プレート接合体5Aに対して帰還プレート43およびノズルプレート44を接合する。その後、CP側尾部52eに対してフレキシブル基板45(図4参照)を実装する。
以上により、本実施形態のインクジェットヘッド5が完成する。
例えば、図23に示すように、CP側Y方向外側面52f1には、複数のCP側共通パッド66に接続される横断共通電極80が形成されていてもよい。横断共通電極80は、CP側Y方向外側面52f1のうちスリット72とCP側個別パッド69aとの間の部分をX方向に延在している。横断共通電極80は、CP側Y方向外側面52f1においてX方向に沿って帯状に形成されている。横断共通電極80は、CP側Y方向外側面52f1上で複数のCP側共通パッド66の上端部に接続されている。一方、横断共通電極80は、CP側Y方向外側面52f1上でCP側個別パッド69aに当接していない。
例えば、図24に示すように、実施形態の凹部73(図4参照)に代えて、カバープレート52の上端部には、Y方向に貫通するとともに、X方向に間隔をあけて配置された複数の貫通孔90が形成されていてもよい。
2…搬送手段(移動機構)
3…搬送手段(移動機構)
5,5K,5C,5M,5Y…インクジェットヘッド(液体噴射ヘッド)
7…走査手段(移動機構)
41…流路プレート
43…帰還プレート
44…ノズルプレート(噴射プレート)
45…フレキシブル基板(外部配線)
51…アクチュエータプレート
51f1…AP側Y方向内側面(アクチュエータプレート側第1主面)
51e…AP側尾部(アクチュエータプレートのうち、噴射チャネルに対して第1方向の一方側に位置する部分)
52…カバープレート
52f1…CP側Y方向外側面(カバープレート側第1主面)
52f2…CP側Y方向内側面(カバープレート側第2主面)
52e…CP側尾部(カバープレートのうち、アクチュエータプレートの第1方向の一端面よりも外方に延出する尾部)
54…吐出チャネル(噴射チャネル)
55…非吐出チャネル(非噴射チャネル)
60…接続配線
61…共通電極
62…AP側共通パッド(アクチュエータプレート側共通パッド)
63…個別電極
64…AP側個別配線(アクチュエータプレート側個別配線)
66…CP側共通パッド(カバープレート側共通パッド)
67…共通引出電極(引出電極)
68…共通端子
69…CP側個別配線(カバープレート側個別配線)
69a…CP側個別パッド(カバープレート側個別パッド)
69b…個別端子
70…液体供給路
73…凹部
74…入口流路
75…出口流路
76…循環路
78…ノズル孔(噴射孔)
80…横断共通電極
81…電極逃げ溝
85…貫通孔
86…貫通孔内電極
87…貫通孔
P…被記録媒体
Claims (14)
- 第1方向に沿って延在する複数の噴射チャネル及び複数の非噴射チャネルが前記第1方向に直交する第2方向に間隔をあけて交互に並設されたアクチュエータプレートと、
前記アクチュエータプレートのうち、前記第1方向及び前記第2方向に直交する第3方向におけるアクチュエータプレート側第1主面に積層されて前記複数の噴射チャネル及び前記複数の非噴射チャネルを閉塞するカバープレートと、
前記噴射チャネルの内面に形成された共通電極と、
前記非噴射チャネルの内面に形成された個別電極と、
前記カバープレートにおいて、前記共通電極と外部配線とを接続する接続配線と、を備え、
前記カバープレートには、前記カバープレートを前記第3方向に貫通するとともに、液体の流路以外の箇所に配置された貫通孔が形成され、
前記接続配線は、前記貫通孔を介して前記共通電極と前記外部配線とを接続していることを特徴とする液体噴射ヘッドチップ。 - 前記接続配線は、前記アクチュエータプレートと前記カバープレートとの積層状態において、前記カバープレートのうち、前記アクチュエータプレートの前記第1方向の一端面よりも外方に延出する尾部に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の液体噴射ヘッドチップ。
- 前記カバープレートには、前記カバープレートを前記第3方向に貫通するとともに、前記噴射チャネルに連通する液体供給路が形成され、
前記貫通孔は、前記液体供給路以外の箇所に配置され、
前記接続配線は、前記貫通孔の内面に形成された貫通孔内電極と、
前記カバープレートの前記尾部において前記貫通孔内電極と前記外部配線とを接続する引出配線と、を備えることを特徴とする請求項2に記載の液体噴射ヘッドチップ。 - 前記アクチュエータプレート側第1主面のうち、前記噴射チャネルに対して前記第1方向の一方側に位置する部分には、前記共通電極から延出するとともに、前記第2方向に間隔をあけて配置された複数のアクチュエータプレート側共通パッドが形成され、
前記カバープレートのうち、前記アクチュエータプレート側第1主面と対向するカバープレート側第1主面における前記貫通孔の周囲には、前記貫通孔内電極から延出するとともに、前記第2方向に間隔をあけて複数配置され、かつそれぞれが前記第3方向において前記アクチュエータプレート側共通パッドと対向するカバープレート側共通パッドが形成されていることを特徴とする請求項3に記載の液体噴射ヘッドチップ。 - 前記カバープレート側第1主面には、前記複数のカバープレート側共通パッドに接続されるとともに、前記第2方向に延在する横断共通電極が形成されていることを特徴とする請求項4に記載の液体噴射ヘッドチップ。
- 前記アクチュエータプレート側第1主面のうち、前記噴射チャネルに対して前記第1方向の一方側に位置する部分には、前記第2方向に延在するとともに、前記第3方向において前記横断共通電極と対向する電極逃げ溝が形成されていることを特徴とする請求項5に記載の液体噴射ヘッドチップ。
- 前記貫通孔は、前記横断共通電極の延在方向に長手を有するスリット状に形成されていることを特徴とする請求項5又は6に記載の液体噴射ヘッドチップ。
- 前記引出配線は、前記カバープレートの前記尾部のうち、前記アクチュエータプレート側第1主面と対向するカバープレート側第1主面において前記第2方向に少なくとも3以上の複数箇所に分割して形成されるとともに、前記外部配線に接続される共通端子を備えることを特徴とする請求項3から7の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドチップ。
- 前記カバープレートの前記尾部における前記第1方向の一端には、前記カバープレートの前記第1方向の他端側に窪むとともに、前記第2方向に間隔をあけて配置された複数の凹部が形成され、
前記引出配線は、前記凹部を介して前記貫通孔内電極と前記外部配線とを接続していることを特徴とする請求項3から8の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドチップ。 - 前記アクチュエータプレート側第1主面には、前記第1方向の一端部において前記第2方向に延在するとともに、前記噴射チャネルを間に挟んで対向する前記個別電極同士を接続するアクチュエータプレート側個別配線が形成され、
前記カバープレートのうち、前記アクチュエータプレート側第1主面と対向するカバープレート側第1主面には、前記第1方向の一端部において前記第2方向に分割されたカバープレート側個別配線が形成され、
前記カバープレート側個別配線は、
前記第3方向において前記アクチュエータプレート側個別配線と対向するカバープレート側個別パッドと、
前記カバープレート側個別パッドから前記第1方向の一端に向けて延びる個別端子と、を備えることを特徴とする請求項1から9の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドチップ。 - 請求項1から10の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドチップを備えることを特徴とする液体噴射ヘッド。
- 前記カバープレートのうち、前記アクチュエータプレート側第1主面と対向するカバープレート側第1主面と反対側のカバープレート側第2主面を、互いに前記第3方向に対向させて配置された一対の前記液体噴射ヘッドチップを備え、
前記カバープレートには、前記カバープレートを前記第3方向に貫通するとともに、前記噴射チャネルに連通する液体供給路が形成され、
一対の前記液体噴射ヘッドチップの間には、流路プレートが配設され、
前記流路プレートには、一対の前記カバープレートの前記液体供給路に連通する入口流路が形成されていることを特徴とする請求項11に記載の液体噴射ヘッド。 - 前記複数の噴射チャネルは、一対の前記液体噴射ヘッドチップにおける前記アクチュエータプレートの前記第1方向の他端面でそれぞれ開口し、
一対の前記アクチュエータプレートにおける前記第1方向の他端側には、前記噴射チャネルに各別に連通する噴射孔を有する噴射プレートが配設され、
前記第1方向における前記一対のアクチュエータプレートと前記噴射プレートとの間には、前記噴射チャネルと前記噴射孔とを各別に連通する循環路を有する帰還プレートが配設され、
前記流路プレートには、前記循環路に連通する出口流路が形成されていることを特徴とする請求項12に記載の液体噴射ヘッド。 - 請求項11から13の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドと、
前記液体噴射ヘッドと被記録媒体とを相対的に移動させる移動機構と、を備えることを特徴とする液体噴射装置。
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