JP3804455B2 - インクジェット式ラインヘッド - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、印刷行方向に複数のノズル孔を備えたインクジェット式ラインヘッドに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、記録装置は高速印字が求められるようになってきた。しかし、従来の印刷行方向にヘッドを走査する方式では、記録素子数が多くなると、ヘッドの質量も増加する為、ヘッド走査機構の負荷も大きくなり、記録素子数を増やすには限界があった。そこで、印刷行方向に多数の記録素子を印字の解像度と同じ間隔で並べ、固定したヘッドで印字するラインヘッドが考えられた。しかし、ラインヘッドでは、印字幅を印字の解像度で割っただけの、極めて多数の記録素子数が必要となり、これだけ多数の記録素子を単一ヘッドで構成することは、歩留の点から困難である。さらに、高解像度の印字が望まれることから、ヘッドの制作には半導体技術を応用した、フォトリソグラフィー技術が用いられるが、フォトリソグラフィーを用いた製造ラインの設備投資は、基板サイズが大きくなると、極めて高額になるという問題もあり、コスト上の課題からもヘッドサイズには制約があった。そこで、複数の比較的記録素子数の少ないヘッドを並列に接続して、長尺のヘッドを組み立てることが考えられたが、この場合、ヘッドを接続する接着層が必要な為、接続部で記録素子間隔が広がり、印字画素間隔が広がるという問題が発生した。そこでLEDプリンタ等では、複数のヘッドを列方向に千鳥状に配置し、ヘッド両端を重ね合わせることで、行方向の記録素子ピッチを広がることを防止したヘッド(特開平10086438号公報の特許請求の範囲)が考えられた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の千鳥状の配置では、一ラインを一度に印字できないことから、印字データを分割し、後続のヘッドで印刷するデータをメモリーに蓄える必要がある。この為、印字制御回路は複雑になり、メモリーの容量も増加してしまうといった課題があった。また、インクジェットプリンタの場合ではインクの供給路を二段にする必要があり、ヘッドのレイアウトが複雑化し、ヘッドサイズ自体が大きくなる課題があった。
【0004】
そこで、本発明は、印字データを分割せずに済む簡素な構成のインクジェット式ラインヘッドを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明のインクジェットヘッドは、複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に対応する複数の吐出室と、該吐出室にインク滴を飛翔させる圧力変化を与える複数の圧力発生素子からなるインクジェット式ラインヘッドにおいて、前記ラインヘッドは、複数のインクジェットヘッドから構成されており、前記インクジェットヘッドの端部の隔壁を並列に接続した接合部隔壁と、前記インクジェットヘッドの前記吐出室を分離する内部の隔壁とを有し、前記接合部隔壁を挟むノズル孔のピッチと、前記内部の隔壁を挟むノズル孔ピッチは等しくなるように、前記吐出室のピッチが、前記ノズル孔のピッチよりも小さく設定されていることを特徴とする。
【0006】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0007】
(実施例1)
図1は、本発明の第1の実施例における静電駆動方式のラインヘッドユニットの全体図であり、図2にヘッドチップ単体の分解斜視図、図3に静電駆動方式インクジェットヘッドの構造と駆動原理を示す。本実施例では、業務用プリンタの標準的な解像度である360dpi(dot per inch)で、1ヘッド当たり256個のノズル孔を有しているヘッドチップ100を6個、並列に並べることによって、1536ノズル孔の、4.3インチのチケット印刷用ラインプリンタのヘッドユニットを構成している。個々のヘッドチップ100は駆動用ドライバー120を有するFPC(Flexible Printed Circuid board)110により配線実装され、マウント130に固定されている。マウント130はヘッドチップ100を支持するだけでなくインク供給路131を有し、個々のヘッドチップ100にインクを供給する役割も有している。個々のヘッドチップ100は図2及び図3(a)に示す様に、Si単結晶からなる吐出室基板20を硼珪酸ガラスから成る電極ガラス基板30とカバーガラス10で積層した構造と成っている。吐出室基板20には、吐出室21、振動板22、リザーバ23が形成されており、個々の吐出室21は隔壁27で隔てられている。ノズル孔11とオリフィス12を形成したカバーガラス10で吐出室基板20上面を塞ぐことで流路を構成している。電極ガラス基板30にはギャップ31と個別電極32を形成しており、ギャップ31に異物が侵入することを防止する為のシール33を施してある。さらに個別電極32を避ける位置にインク供給孔34が開口しており、リザーバ23にインク40を供給している。駆動時には、吐出室基板20に設けられた共通電極24と個別電極32に電圧を印加し、振動板22と個別電極32間に静電引力を発生させ、振動板22を個別電極32へ引き寄せることでリザーバ23から吐出室21にインク40を充填する(図3(b))。吐出時には電圧を取り除き、振動板22のバネ力でインク40をノズル孔11から吐出する(図3(c))。図4に個々のヘッドチップ100の製造工程を示す。最初に吐出室基板20の製法を説明する。面方位(110)、厚さ140μmの単結晶Siウェハーの下面に0.8μmの深さでボロンを高濃度(約5×1019cm−3)に拡散しボロン層25を形成(図4(a))した後、ウェット酸化により熱酸化膜26を形成し、基板両面をフォトリソグラフィーにより、沸酸水溶液で熱酸化膜26をエッチングし吐出室形状、リザーバ形状、及びインク供給孔形状をパターニングする。(図4(b))。この基板を80℃、35%のKOH水溶液でエッチングすると、Si単結晶のエッチングに対する異方性により、隔壁部が垂直にエッチングがされ吐出室21が形成され、同時にリザーバ23も形成される。エッチング面が高濃度のボロン層25に達すると、電気化学的な特性から、エッチング速度が低下し、均一な厚さの振動板22が形成される。インク供給孔34の部分のボロン層25はエッチング当初よりエッチングされる為、リザーバ23へ貫通する(図4(c))。エッチング終了後、全体を0.1μmの厚さでドライ酸化で熱酸化膜26を形成することで、振動板下面に絶縁膜を形成する。また、吐出室面に形成された酸化膜は親水性であることから、インクの吐出室への充填性を改善する働きをする。熱酸化膜26形成後、熱酸化膜26の一部をドライエッチングで除去し、Ptをスパッタすることで共通電極24を形成する(図4(d))。次に電極ガラス基板30の製法を説明する。Cr/Auをスパッタで硼珪酸ガラス基板上に成膜し、エッチングマスクとする。3000オングストロームの深さで硼珪酸ガラス基板を沸酸でエッチングしギャップ部となる段差を形成する(図4(e))。透明電極であるITOを0.1μmの厚さでスパッタした後、個別電極32の形状にパターニングする。パターニング後、ダイヤモンドドリルでインク供給孔34を開口する(図4(f))。最後にカバーガラス10の製法を説明する。カバーガラス10と成る硼珪酸ガラス基板にCr/Auをスパッタで成膜し、ノズル孔11とオリフィス12パターンをパターニングした後、RIE(リアクティブ・イオン・エッチング)で垂直に異方性ドライエッチングを行い、20μmの深さでノズル孔11とオリフィス12を形成する(図4(g))。最終的にこれらの3枚の基板を380℃に加熱し、Siを陽極、硼珪酸ガラスを陰極に接続し800Vの電極を加えることで陽極接合する(図4(h))。振動板22と個別電極32の間に異物が入らないように、シール33で封止した後、ダイシングにより個々のヘッドを基板から切り離してノズル孔11を開口し、ヘッドチップが完成する(図4(i))。次にラインヘッドの組み立て行程を説明する。図5は、ラインヘッドを組み立てている図である。透明な個別電極を通して電極ガラス基板側から異物の有無や、配線の欠陥検査等の光学検査を行った後、良品のヘッドチップ100を選別し繋ぎ合わせる。接続行程ではステンレス製のマウント130上にヘッドチップ100を並べていく。このとき、光学計測を行いながらマウントを基準として1μmの位置精度でヘッドチップ100の位置決めを行う。マウント130にはヘッドチップ100を真空吸着する為の、吸入口131が個々のヘッドチップ100が固定される位置に開口しており、位置決めの終わったヘッドチップ100ごとに独立してマウント130に吸着することができる。全ヘッドチップ100の位置決めが終了すると、光硬化型のエポキシ接着剤がヘッドチップ100間の接合面にシリンジより滴下され、毛細管現象によりヘッドチップ100間の接合面に充填される。UV露光による仮硬化の後、恒温槽で、80℃、3時間加熱しエポキシ樹脂を完全硬化させる。この後、マウント130にヘッドチップ100を完全に固定する為と、インク供給孔34の周囲をシールする目的でマウント130底面よりシール孔132を通じてシール溝133にシリコーン系のシーラントが充填される。ここでシリコーン系のシーラントを用いるのは、ステンレス製のマウント130とガラス製ヘッドチップ100の間に発生する熱応力等によるヘッドチップ100のクラック発生を防止する為である。ヘッドチップ100の固定が終了した後FPC実装を行い、ラインヘッドユニットを完成する。
【0008】
ここでヘッド接合部の構造を詳細に述べる。図6はヘッドチップ接続断面における寸法関係図である。ノズル孔間隔360dpiの場合、インクの流体抵抗や振動板22の剛性等から、隔壁27の厚さは20μmが適当である。これより薄いと隔壁27の剛性が低下し、インク吐出時に吐出室21に発生する圧力で隔壁27が撓み、隣接する非吐出ノズル孔からインクが漏れる、所謂クロストークと呼ばれる現象が発生する。ヘッド接合部50では接合公差、ダイシング精度等から接着層28の厚さは5μmは必要となり、充分な剛性を有する接合部隔壁29の総厚は非接合部の隔壁27より厚くなることは避けられない。厚さ20μmのSi(弾性率1.9×104mmNs)単体隔壁と同等の剛性を有する接合部隔壁29の総厚をFEN解析により求めると、エポキシ接着剤(硬化後弾性率3×103mmNs)で接合した場合では、総厚30μmとなった。接続部で厚くなった分だけ単純にノズル孔ピッチも広げると、印字時に隙間ができてしまうので、接続部でもノズル孔ピッチの70.6μmは変更することはできない。そこで吐出室21のピッチを詰めることでヘッド接合部50の隔壁厚さの増加分10μmを吸収する。このため本発明では、ノズル孔のピッチに対して、吐出室のピッチが小さくなる特徴を有することになる。ノズル孔ピッチ70.6μmをP1、ヘッドチップ100単体のノズル孔数256をN、一般部の隔壁27の厚さ20μmをT1、接着層28を含むヘッド接続部50の隔壁厚さ30μmをT2とした場合、ピッチP2はヘッドチップ100両端で生じた隔壁の厚さの増加分をノズル孔数Nで割った分だけ詰めればよいから、P2=P1−(T2−T1)/Nとなる。この式に上記寸法を当てはめると、P2=70.56μmとなり、吐出室ピッチを0.04μm詰めるだけで良いから影響は無視できる。また、ヘッド接合部50両端のノズル孔11は吐出室は幅50.6μmに対し、5μmオフセットされることになるが、実験では、このオフセットによるインク滴の曲がりは生じず印字品質には影響がないことが確認された。
【0009】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のインクジェット式ラインヘッドによれば、接続部でノズル孔のピッチが広がったり、インクの吐出特性の低下を招くこと無く複数のインクジェットヘッドを接続することができる。この結果、印字品質の低下を招くこと無く、極めて多数のノズル孔を備えたラインヘッドを歩留まり良く安価に製造することができる。また、接合前の個々のヘッドは比較的小型であることから、製造装置も小径のウェハーを流動できれば良く、設備投資も小額で済むと利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施例におけるラインヘッドユニットの全体図。
【図2】図1のラインヘッドを構成するヘッドチップ単体の分解斜視図。
【図3】静電駆動方式インクジェットヘッドの構造と駆動原理図。
【図4】ヘッドチップの製造工程図。
【図5】ラインヘッドの組み立て説明図。
【図6】ヘッドチップ接続断面における寸法関係図。
【符号の説明】
10.カバーガラス
11.ノズル孔
12.オリフィス
20.吐出室基板
21.吐出室
22.振動板
23.リザーバ
24.共通電極
25.ボロン層
26.熱酸化膜
27.隔壁
28.接着層
29.接合部隔壁
30.電極ガラス基板
31.ギャップ
32.個別電極
33.シール
34.インク供給孔
40.インク
50.ヘッド接合部
100.ヘッドチップ
110.FPC
120.駆動用ドライバー
130.マウント
131.インク供給路
132.シール孔
133.シール溝
Claims (3)
- 複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に対応する複数の吐出室と、該吐出室にインク滴を飛翔させる圧力変化を与える複数の圧力発生素子からなるインクジェット式ラインヘッドにおいて、
前記ラインヘッドは、複数のインクジェットヘッドから構成されており、前記インクジェットヘッドの端部の隔壁を並列に接続した接合部隔壁と、前記インクジェットヘッドの前記吐出室を分離する内部の隔壁とを有し、前記接合部隔壁を挟むノズル孔のピッチと、前記内部の隔壁を挟むノズル孔ピッチは等しくなるように、前記吐出室のピッチが、前記ノズル孔のピッチよりも小さく設定されていることを特徴とするインクジェット式ラインヘッド。 - 前記吐出室の底面からなる振動板と、該振動板に空隙をもって対向する電極から成り、該振動板と該電極間に電気パルスを印加することにより、該振動板を前記吐出室の圧力が上昇する方向に変形させる前記圧力発生素子を有する請求項1記載のインクジェットヘッド。
- 前記複数のインクジェットヘッドを並列に接続するにあたり、前記インクジェットヘッドの端部の隔壁を接着剤を介して接続し、接着剤層を含む前記接合部隔壁の総厚が、前記内部の隔壁の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
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