JP2020032732A - インクジェットヘッド、インクジェット記録装置及びインクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このようなインクジェット記録装置では、インクジェットヘッド内に発生した気泡や混入した異物等によって、ノズルが詰まり、射出不良等の問題が生じる場合がある。また、インクの種類によっては、長時間使用しないままにしておくと、インク粒子の沈降等によってノズル付近のインク粘度が高まり、安定したインクの射出性能が得難い場合がある。
インクを射出する複数のノズルと、
前記複数のノズルの各々に連通路を介して連通し、インクが貯留される複数の圧力室と、
前記複数の圧力室の各々に対応して設けられ、対応する前記圧力室内のインクに圧力を加える複数の圧力発生手段と、
前記連通路から分岐して設けられ、前記複数の圧力室内のインクを排出可能な複数の個別循環流路と、
を備えたインクジェットヘッドにおいて、
前記複数の圧力発生手段が配置される基板の上面に、前記複数の圧力発生手段の各々に接続する個別配線が列状に配置され、当該個別配線と所定の電装部材とが接続された実装部と、
前記基板の前記実装部が設けられた側と反対側に設けられ、前記複数の個別循環流路のうち少なくとも二つが連通する共通循環流路と、
前記複数の圧力室の上部に設けられ、前記複数の圧力室の各々に共通に供給するインクを貯留する共通供給液室と、を備え、
前記実装部と前記共通循環流路は、前記複数のノズルのインクの射出方向において、少なくとも一部が重なる位置に設けられていることを特徴とする。
前記複数の圧力室及び前記複数のノズルが、複数列で配列されており、
前記複数列のうち一対の隣り合う列において、前記複数の圧力発生手段から同一の前記実装部に前記個別配線が引き出されており、前記複数の圧力室に連通する前記複数の循環流路が同一の前記共通循環流路に連通されていることを特徴とする。
前記基板はシリコンによって形成され、
前記複数の圧力発生手段の各々は、薄膜状の電極及び薄膜状の圧電体を有することを特徴とする。
前記所定の電装部材は、フレキシブルプリント基板であることを特徴とする。
前記所定の電装部材は、前記複数の圧力発生手段の駆動制御を行う集積回路であること特徴とする。
前記共通循環流路に、当該共通循環流路の前記インクの射出方向の対向する面を連結する連結部が形成されていることを特徴とする。
請求項1〜6のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドと、
前記連通路から前記個別循環流路への循環流を発生させるためのインクの循環手段を備えたことを特徴とするインクジェット記録装置である。
請求項3に記載のインクジェットヘッドの製造方法であって、
前記基板上に、前記個別配線と、前記電極間に挟まれた前記圧電体の薄膜を半導体プロセスによって形成することを特徴とする。
なお、以下の説明では、ラインヘッドを用いた記録媒体の搬送のみで描画を行う1パス描画方式での実施形態を例にして説明するが、適宜の描画方式に適用可能であり、例えば、スキャン方式やドラム方式を用いた描画方式を採用しても良い。
また、以下の説明では、記録媒体Rの搬送方向を前後方向、記録媒体Rの搬送面において当該搬送方向に直行する方向を左右方向とし、前後方向及び左右方向に垂直な方向(インクの射出方向)を上下方向として説明する。
インクジェット記録装置100は、プラテン101、搬送ローラー102、ラインヘッド103,104,105,106、及びインクの循環機構6等を備える(図1及び図6参照)。
プラテン101は、上面に記録媒体Rを支持しており、搬送ローラー102が駆動されると、記録媒体Rを搬送方向(前後方向)に搬送する。
ラインヘッド103,104,105,106は、記録媒体Rの搬送方向(前後方向)の上流側から下流側にかけて、搬送方向に直交する幅方向(左右方向)に並列して設けられている。そして、ラインヘッド103,104,105,106の内部には、後述するインクジェットヘッド1が少なくとも一つ設けられており、例えば、シアン(C),マゼンタ(M),イエロー(Y),黒(K)のインクを記録媒体Rに向けて吐出する。
なお、インクの循環機構6については、後述する(図6参照)。
インクジェットヘッド1の構成について、図2〜5に基づいて説明する。
なお、図3Aは、ヘッドチップ内部の圧電体41と個別配線414の配置を説明するための、アクチュエーター基板23の上面の要部を示す平面図である。また、図3Bは、ノズル基板21の底面図である。また、図3A及び図3Bでは、他層に形成される構成要素の一部を破線で示している。
また、図4は、図3A中に破線で示したIV-IV部分に平行な面について、インクジェッ
トヘッド1の断面を表した図である。
ヘッドチップ2は、内部に、下側から順にノズル基板21、中間基板22、アクチュエーター基板23及び保護基板24が積層一体化されることによって構成されている(図5参照)。
ノズル層21aは、インクの液滴を射出するためのノズルNが形成された層であり、厚さ、例えば、10〜20μmのSi基板からなる。ノズルNは、例えば、左右方向に沿って、複数列(例えば、4列)に並んで設けられている(図2、図3B参照)。また、ノズル層21aの下面であるノズル面には、撥インク膜(図示省略)が形成されている。
酸化膜層21bは、例えば、厚さ0.3〜1.0μmのSiO2基板からなる。
ノズル支持層21cは、例えば、厚さ100〜300μmのSi基板からなる。ノズル支持層21cには、ノズルNと連通しノズルNよりも径の大きな大径部211と、大径部211から前後方向に分岐して設けられ、インクの循環に使用される個別循環流路204と、が形成されている。
なお、個別循環流路204は、ノズルNに近い位置の気泡や異物を除去する観点から、ノズル基板21に設けることが好ましいが、中間基板22に設けても良い。
ここで、個別循環流路204は、酸化膜層21bに面した空隙部によって形成されているため、高精度に加工されて製造されている。なお、酸化膜層21bに面した空隙部を形成した後に、バッファード・フッ酸(BHF)等を用いたウェットエッチング処理で酸化膜層21bを除去しても良い。
連通孔221は、中間基板22を上下方向に貫通し大径部211に連通している。連通孔221と大径部211は、圧力室202とノズルNを連通する連通路203となっており、インクの射出時にインク流路となる。
なお、連通孔221は、インクが通過する経路の径を絞る形状とする等、インクの流路の形状を調整することによって、インクの射出においてインクに加えられる運動エネルギーを調整するように形成しても良い。
また、以下の説明では、個別循環流路204と共通循環流路205をあわせて、循環流路206という。
また、ダンパー222の設けられる領域は、図3Bに示すように、複数のノズルNが設けられた領域A1のノズルの配列方向(左右方向)において、右端のノズルNa及び左端のノズルNbの位置よりも、それぞれノズルNの配列方向(左右方向)に延出するように形成されている。
また、空気室223は、大気に連通する大気連通部224(図5参照)を有し、大気連通部224を蓋等で開け閉めできる構成となっている。これにより、空気室223の圧力を調整でき、ダンパー222が弾性変形する際の変形量を調整することができる。
なお、空気室223は、必ずしも大気連通部224を有する必要はなく、ヘッドチップ2内部に密閉された空間としても良い。
圧力室層23aは、例えば、100〜300μm程度のSi基板からなり、圧力室層23aには、圧力室202が形成されている。圧力室202は、中間基板22の連通路203に連通しており、ノズルNから射出されるインクが貯留されている。
振動層23bは、例えば、1〜10μm程度の薄い弾性変形可能なSi基板であり、圧力室層23aの上面の一面に形成されている。振動層23bの上面に設けられた圧電体41の動作に応じて振動層が振動され、圧電体41の下部に設けられた圧力室202内のインクに圧力が加えられる。また、振動層23bの上面には、圧力発生部40が設けられている。
具体的には、振動層23bの上面に、チタン(Ti)や白金(Pt)等の薄膜状の層を成膜して下部電極411が形成され、スパッタ法やゾルゲル法等でチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の圧電材料の薄膜状の層を成膜して圧電体41が形成され、クロム(Cr)や金(Au)等の薄膜状の層を成膜することによって上部電極413が形成されている。ここで、下部電極411と、上部電極413に接続する個別配線414との間には、SiO2等の絶縁層412が形成されている。また、これらの層は、フォトリソグラフィーやエッチング等によりパターニングされ、支持層であるSi基板をエッチングすることで形成される。
このように、圧力発生部40は、振動層23bと一体的に形成されている。ここでいう「一体的に形成」とは、具体的には、振動層23bの上面に、例えば、上述したような各電極及び圧電体の積層工程を有する半導体プロセスによって形成することであるが、これに限らず、層同士を接着する接着剤が使用されることなく形成されることを意味する。なお、上記圧力発生部40は、例えば、特許第4935965号公報に記載される半導体プロセス等によって製造することができる。
そして、フレキシブルプリント基板42に接続された駆動IC43から、フレキシブルプリント基板42を通じて電気が供給されることで、圧電体41を挟む電極間に電圧が印加される。
個別配線414は、上述した圧力発生部40を形成する半導体プロセスによって、アクチュエーター基板23上に一体的に形成される。また、実装部4をアクチュエーター基板上に形成できるため、別途配線用の基板を設ける必要がなく、ヘッドチップ2の構成を簡略化することができる。
保持部3は、ヘッドチップ2の上面に接合されており、共通インク室5を支持している。保持部3をヘッドチップ2の上面に位置合わせして設けた後に、保持部3を目印として、共通インク室5を設けることができるため、高精度に共通インク室5をヘッドチップ2の上面に形成することができる。
また、高精度に位置合わせを行う観点から、ヘッドチップ2と保持部3のそれぞれにアライメントマーク(図示省略)を設けて、接合することが望ましい。
共通インク室5は、共通供給液室51と、2つの共通排出液室52を有しており(図2A等参照)、それぞれのインク室には、例えば、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)及び黒(K)のうち1色が充填されている。また、共通インク室5には、実装部4に接続されたフレキシブルプリント基板42が、共通インク室5の外側に引き出せるように、実装部4の上部の部分には空間部を有している。
共通供給液室51は、圧力室202の上部、かつ共通インク室5の中央部に設けられており、下面において、ヘッドチップ2に設けられた供給流路201に連通している。また、共通供給液室51には、上部に設けられたインク供給口501からインクが供給され、ヘッドチップ2に供給するインクが充填されている。
共通排出液室52は、共通インク室5の左右方向の端部側に2つ設けられており、ヘッドチップ内の共通循環流路と連通している。また、共通排出液室52には、ヘッドチップ2の内部から排出されたインクが充填されており、当該インクは、上部に設けられたインク排出口502から排出される。
インクの循環手段としてのインクの循環機構6は、メインタンク61、供給用サブタンク62及び循環用サブタンク63等によって構成されている(図6)。
循環用サブタンク63は、共通インク室5の共通排出液室52から排出されたインクが充填されており、インク流路73によってインク排出口502,502に接続されている。
また、供給用サブタンク62と循環用サブタンク63は、ヘッドチップ2のノズル面(以下、「位置基準面」ともいう。)に対して、上下方向(重力方向)に異なる位置に設けられている。よって、位置基準面と供給用サブタンク62の水頭差による圧力P1と、位置基準面と循環用サブタンク63との水頭差による圧力P2が生じている。
また、供給用サブタンク62と循環用サブタンク63は、インク流路74で接続されている。そして、ポンプ82によって加えられた圧力によって、循環用サブタンク63から供給用サブタンク62にインクを戻すことができる。
ヘッドチップ2の変形例について、図7及び図8を用いて説明する。
なお、図7は、ヘッドチップ内部の圧電体41と個別配線414の配置を説明するための、アクチュエーター基板23の上面の要部を示す平面図である。また、図8は、図7中に破線で示したVIII-VIII部分に平行な面について、インクジェットヘッド1の断面を表
した図である。
また、以下の説明では、上述した実施例と同様の構成については説明を省略し、変更点のみを説明する。
そして、駆動IC43から、個別配線414を通じて上部電極413に電気が供給されることで、圧電体41を挟む電極間に電圧が印加される。
駆動IC43は、適宜の数で設ければよく、例えば、一対の圧電体41の列の中央部に、左右方向に2つに分けて配置される。
また、駆動IC43には、入力配線44が接続されており、入力配線44が左右方向の端部に引き出されている。
共通循環流路205には、インクの射出方向(上下方向)を連結する連結部225が形成されている。連結部225は、適宜の大きさと数で設ければよく、例えば、共通循環流路205の前後方向の中央部に、左右方向に沿って設けられている。連結部225を設けることにより、ヘッドチップの強度を向上させることができ、FPCやICのACF接続時の荷重に対する強度が向上し、確実に接続を行うことができる。
以上、説明した通り、本発明のインクジェットヘッド1は、比較的大きなスペースが必要となる実装部4、共通循環流路205及び共通供給液室51について、実装部4と共通循環流路205がインクの射出方向(上下方向)に少なくとも一部が重なる位置に配置され、かつ、共通供給液室51が圧力室202の上部に配置されている。これにより、ヘッドチップ2を小型化することができるため、小型で高解像度化が可能であり、生産コストの低減ができるインクジェットヘッド1を提供することができる。
本発明の今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した詳細な説明に限定されるものではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
また、ダンパー222は、循環流路206に面するように設ければよく、大きさや設ける面は、適宜変更可能である。例えば、個別循環流路204の下面に、ダンパー212を形成してもよい(図5参照)。
また、共通インク室5は、フレキシブルプリント基板42を上に引き出すためのスペースを空けた形状としたが、適宜変更可能である。例えば、変形利においては、フレキシブルプリント基板42を有しない構成なので、当該スペースを有しない立方体形状としても良い。
202 圧力室
203 連通路
204 個別循環流路
205 共通循環流路
206 循環流路
225 連結部
23 アクチュエーター基板(複数の圧力発生手段が配置される基板)
4 実装部
40 圧力発生部(圧力発生手段)
41 圧電体
414 個別配線
42 フレキシブルプリント基板
43 駆動IC(集積回路)
51 共通供給液室
6 インクの循環機構(インクの循環手段)
100 インクジェット記録装置
N ノズル
インクを射出する複数のノズルと、
前記複数のノズルの各々に連通路を介して連通し、インクが貯留される複数の圧力室と、
前記複数の圧力室の各々に対応して設けられ、対応する前記圧力室内のインクに圧力を加える複数の圧力発生手段と、
前記連通路から分岐して設けられ、前記複数の圧力室内のインクを排出可能な複数の個別循環流路と、
を備えたインクジェットヘッドにおいて、
前記複数の圧力発生手段が配置される基板の上面に、前記複数の圧力発生手段の各々に接続する個別配線が列状に配置され、当該個別配線と所定の電装部材とが接続された実装部と、
前記基板の前記実装部が設けられた側と反対側に設けられ、前記複数の個別循環流路のうち少なくとも二つが連通する共通循環流路と、
前記複数の圧力室の上部に設けられ、前記複数の圧力室の各々に共通に供給するインクを貯留する共通供給液室と、を備え、
前記実装部と前記共通循環流路は、前記複数のノズルのインクの射出方向において、少なくとも一部が重なる位置に設けられており、
前記複数のノズル、前記複数の圧力室、及び前記複数の圧力発生手段が、それぞれ4列以上の複数列で配列されており、
前記複数列のうち2列毎に前記実装部及び前記共通循環流路が設けられており、
前記複数列のうち任意の前記2列において、各前記圧力発生手段から、当該2列に対応する一の前記実装部に前記個別配線が引き出されており、
前記複数列のうち任意の前記2列において、各前記圧力室に連通する前記個別循環流路が、当該2列に対応する一の前記共通循環流路に連通されており、
前記所定の電装部材は、フレキシブルプリント基板であり、
前記共通供給液室には、前記フレキシブルプリント基板を当該共通供給液室の外側に引き出すための空間部が設けられており、
前記共通供給液室は単一空間で形成されており、前記フレキシブルプリント基板の間に前記共通供給液室の一部があることを特徴とする。
前記基板はシリコンによって形成され、
前記複数の圧力発生手段の各々は、薄膜状の電極及び薄膜状の圧電体を有することを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載のインクジェットヘッドであって、
前記共通循環流路に、当該共通循環流路の前記インクの射出方向の対向する面を連結する連結部が形成されており、
前記対向する面の一方は、前記ダンパーからなることを特徴とする。
請求項5に記載の発明は、請求項3又は4に記載のインクジェットヘッドであって、
前記ダンパーの前記共通循環流路側とは反対側に空気室が設けられていることを特徴とする。
請求項6に記載の発明は、請求項3又は4に記載のインクジェットヘッドであって、
前記複数のノズルが設けられたノズル基板を備え、
前記ダンパーは、前記ノズル基板の一部からなることを特徴とする。
請求項7に記載の発明は、請求項3〜6のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドであって、
前記ダンパーの少なくとも一部は、前記複数のノズルのインクの射出方向において、前記実装部と重なる位置に設けられていることを特徴とする。
請求項1〜7のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドと、
前記連通路から前記個別循環流路への循環流を発生させるためのインクの循環手段を備えたことを特徴とするインクジェット記録装置である。
請求項2に記載のインクジェットヘッドの製造方法であって、
前記基板上に、前記個別配線と、前記電極間に挟まれた前記圧電体の薄膜を半導体プロセスによって形成することを特徴とする。
Claims (8)
- インクを射出する複数のノズルと、
前記複数のノズルの各々に連通路を介して連通し、インクが貯留される複数の圧力室と、
前記複数の圧力室の各々に対応して設けられ、対応する前記圧力室内のインクに圧力を加える複数の圧力発生手段と、
前記連通路から分岐して設けられ、前記複数の圧力室内のインクを排出可能な複数の個別循環流路と、
を備えたインクジェットヘッドにおいて、
前記複数の圧力発生手段が配置される基板の上面に、前記複数の圧力発生手段の各々に接続する個別配線が列状に配置され、当該個別配線と所定の電装部材とが接続された実装部と、
前記基板の前記実装部が設けられた側と反対側に設けられ、前記複数の個別循環流路のうち少なくとも二つが連通する共通循環流路と、
前記複数の圧力室の上部に設けられ、前記複数の圧力室の各々に共通に供給するインクを貯留する共通供給液室と、を備え、
前記実装部と前記共通循環流路は、前記複数のノズルのインクの射出方向において、少なくとも一部が重なる位置に設けられていることを特徴とするインクジェットヘッド。 - 前記複数の圧力室及び前記複数のノズルが、複数列で配列されており、
前記複数列のうち一対の隣り合う列において、前記複数の圧力発生手段から同一の前記実装部に前記個別配線が引き出されており、前記複数の圧力室に連通する前記複数の循環流路が同一の前記共通循環流路に連通さ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ヘッド。 - 前記基板はシリコンによって形成され、
前記複数の圧力発生手段の各々は、薄膜状の電極及び薄膜状の圧電体を有することを特徴とする請求項1又は2に記載のインクジェットヘッド。 - 前記所定の電装部材は、フレキシブルプリント基板であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
- 前記所定の電装部材は、前記複数の圧力発生手段の駆動制御を行う集積回路であること特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
- 前記共通循環流路に、当該共通循環流路の前記インクの射出方向の対向する面を連結する連結部が形成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドと、
前記連通路から前記個別循環流路への循環流を発生させるためのインクの循環手段を備えたことを特徴とするインクジェット記録装置。 - 請求項3に記載のインクジェットヘッドの製造方法であって、
前記基板上に、前記個別配線と、前記電極間に挟まれた前記圧電体の薄膜を半導体プロセスによって形成することを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
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