JP4631343B2

JP4631343B2 - インクジェットヘッド及びその製造方法

Info

Publication number: JP4631343B2
Application number: JP2004223199A
Authority: JP
Inventors: 智彦甲田; 純永田
Original assignee: リコープリンティングシステムズ株式会社
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2024-07-30
Also published as: JP2006035807A

Description

本発明は、インクジェットヘッドに関し、より詳細には振動板の過度の撓みによる破損を防止する為の樹脂層を設けたインクジェットヘッド及び、その製造方法に関する。

従来のインクジェットヘッドの駆動クミの製造方法を示す（例えば、特許文献１参照）。図９は、この従来のインクジェットヘッドの駆動クミ（インク吐出エネルギー発生源）と流路クミ（インクの流れを制御）の接合部を示したものである。ここでは、ノズル１４にあわせた振動子４の列とその両端にあるダミー振動子４からなる駆動クミと、ノズルプレート９、チャンバープレート１０、ダイアフラムプレート１１からなる流路クミ２を接着剤２９で接合している。

ダイアフラムプレート１１は、剛性の高い金属と弾性のあるポリイミドを積層したものを選択的にパターニングして、圧力室１５の中央領域のみに金属面を残してアイランドと呼ばれる凸状の島部を設けるようにエッチングしている。また、ダミー振動子４の当接する面も金属面を残している。ダミー振動子４当接面には圧力室１５が無い為、この金属面とダミー振動子４が当接することにより圧力室１５への押し込みを防止している。また、仮に押し込んでしまっても、振動板１８がポリイミドからなる為、破損したりすることはない。

また、図１０に、別の従来例の状態を示す（例えば、特許文献２参照）。これは、流路クミがすべて金属で作製されている。駆動クミと流路クミは接合治具により位置決めされ、駆動クミを流路クミに挿入して接合する。ここでは、振動子４列の両端にダミー振動子４が無い構成である。よって、駆動クミにかかる負荷を振動板１８が支えることになるが、振動板１８はポリイミドに比べ剛性がある為、ここで押し込みを耐えることが出来る。

特開平０６−０９１８７２号公報

特開２００２−３６１８６２号公報

流路の高精度加工や剛性向上を考えた場合、シリコン（Ｓｉ）を流路プレートに用いることが考えられているものの、Ｓｉは剛性が高い反面、衝撃に対して割れ・欠けが発生しやすい。

従って、特許文献２のような構成では、振動板１８に直接負荷がかかるので、組み立てることが難しい。

また、特許文献１ような構成の場合は、組立中に負荷がかからないが、組立時の駆動クミを挿入する際に力がかかると、当接した際に衝撃が加わり、クラックが入る可能性がある。

また、僅かなゴミが接合部に挟まった場合や接着剤の粘度が高いものを用いた場合も衝撃による破損が発生する確率を高めてしまう。

本発明は、圧電振動子と振動板との接合時の流路クミの破損防止を目的とするものである。

上記課題を解決するため、本発明は、インクを吐出するノズル、前記ノズルに連通する圧力室、前記圧力室の一側壁をなす振動板などからなり複数の板を積層して形成したインク流路部と、基台に圧電素子からなる柱状の振動子を列設して形成した駆動部とを有し、前記駆動部と前記インク流路部の前記振動板とを接合したインクジェットヘッドにおいて、前記振動板はシリコンであり且つ前記振動子との接合面側が補強接着剤を硬化させた樹脂層で覆われ、前記振動子は硬化した前記樹脂層と接着剤により接合していることを特徴とする。

また、前記樹脂層は前記振動子が当接する領域がその周囲に対して薄くなっていることを特徴とする。

また、前記インクジェットヘッドは前記圧力室へインクを導入するマニホールドを更に有しており、該マニホールドの一側壁は前記振動板に設けられたダンパーよりなり、前記樹脂層は前記振動板の前記ダンパー以外の全面に形成されることを特徴とする。

また、前記樹脂層が弾性接着剤であることを特徴とする。

また、前記樹脂層は、前記振動子と前記樹脂層とを接合する接着剤とは異なる接着剤で形成されることを特徴とする。

更に、インクを吐出するノズル、前記ノズルに連通する圧力室、前記圧力室の一側壁をなす振動板などからなり複数の板を積層して形成したインク流路部と、基台に圧電素子からなる柱状の振動子を列設して形成した駆動部とを有し、前記駆動部と前記インク流路部の前記振動板とを接合したインクジェットヘッドにおいて、シリコンからなるインク流路を形成する工程と、前記インク流路の圧力室の一側壁をなす振動板の表面に補強接着剤よりなる樹脂層を設ける工程と、前記樹脂層が硬化した後、振動子と前記樹脂層を接着剤で接合する工程とからなることを特徴とする。

本発明のインクジェットヘッドは、振動板が接着剤により補強されている為、振動子と振動板の接合時の衝撃による振動板の割れや破損を防止出来、従って、ヘッド組立における歩留まりを向上させることが可能となる。

振動板１８を振動子４との接合工程で破損させないという目的を、簡単な１工程を行うだけで実現した。

本発明を、実施例に基づき図面を参照して説明する。

図１は、新しいインクジェットヘッドの構成図である。

ノズルプレート９、チャンバープレート１０、ダイアフラムプレート１１の３つをインク流路部１２と呼ぶ。このインク流路部１２の材質は全てＳｉであり、各プレート間は接着剤を用いない陽極接合にて接合されている。なお、Ｓｉは剛性が高いので、コンプライアンスを上げる為、振動板１８は非常に薄く構成される。

図２は、図１を正面から見た図である。

本ヘッドは大きく分けて、駆動クミ１と流路クミ２の２つから成る。

駆動クミ１は、変位発生源である圧電素子３からなる複数の振動子４と、複数の振動子４を一括保持する基台５と、基台５に貼り付けられ、個別電気経路と共通電気経路を形成し、振動子４と電気信号のコントロール部を接続するＦＰＣ６とからなる。

基台５には、振動子４の列の両端部に並ぶように角部７が設けられ、角部７は、振動子４と同じ高さであり、駆動クミ１の変位方向の位置決め及び駆動クミ１と流路クミ２の保持の役目をもつ。また、基台５の複数の振動子４が取り付けれている面と垂直且つお互いに対向する２つの面に、振動子４とＦＰＣ６を電気的に接続する個別電極パターン８（ａ）と共通電極パターン８（ｂ）（図示せず）がある。

流路クミ２は、ノズルプレート９、チャンバープレート１０、ダイアフラムプレート１１からなるインク流路部１２と、インク流路部１２を補強する補強プレート１３から形成される。

インク流路部１２の材質は全てＳｉであり、加工はそれぞれドライエッチングにより３次元的に作製される。また、ノズルプレート９以外はウェットエッチングで作製してもよい。各プレートはＳｉウェハー２２に複数同時に形成される。

ノズルプレート９は、インク吐出口であるノズル１４を有している。なお、インク吐出面には撥インク処理を施してもよい。

チャンバープレート１０は、ノズル１４に連通する圧力室１５、インク溜めであるマニホールド１６、圧力室１５とマニホールド１６を結ぶリストリクタ１７が形成されている。マニホールド１６はチャンバープレート１０を貫通しており、圧力室１５とリストリクタ１７は半分ほどエッチングした状態である。そして、圧力室１５にはノズルと連通する貫通孔を設ける。

ダイアフラムプレート１１は、圧力室１５の一側壁をなす振動板１８と、マニホールド１６へインクを導入するインク導入孔１９、マニホールド１６内のインク変動を吸収するダンパー２０が形成されている。振動板１８とダンパー２０は同じ厚みであり、数μｍの厚みである。

このような薄いＳｉはゆっくり押すと非常に大きく撓むが、急激な変化が加わると割れてしまう。振動板１８は周りを区画されたように形成されており、振動板１８の列の両端には、駆動クミ１の基台５の角部７の突き当て部２１と当接する部分が区画されている。

図３を用いて、流路クミ２の組立について説明する。

インク流路部１２の組立は、インク流路部１２を構成する各プレートを陽極接合にて組み立てていく。陽極接合では各プレートの接合に接着剤を用いない為、気泡の詰りが少ない。接合は、ウェハー２２の状態で行う。各ウェハー２２にウェハー位置決め穴２３が設けられており、それを用いて位置合わせをして接合する。３枚を接合した後、ダイサーによりインク流路部１２に切り分ける。図４にその状態を示す。こうすることにより、一度の接合工程で多数のインク流路部１２を容易に作製することが出来る。

なお、予め各プレートを切り出した後に個々に接合させて作製してもよい。エッチング時に不良があるプレート部に発生した場合、ウエハー単位で接合すると、その不良プレート部分が全て使えなくなってしまう。したがって、各ウェハー２２から良品のみを取り出して、個別に接合を行う方法も可能である。

また、上記した陽極接合に代えて、接着剤を用いて接合を行っても良い。接着剤による接合は、シート状の接着剤を各プレートの間に挟んで接着する。本構成では、プレート全てが同一のシリコン材質である為、加熱による反り・うねりがない。

次に、インク流路部１２のダイアフラムプレート１１に、補強用の接着剤２５を塗布する。図５にその状態を示す。

これは補強接着剤２５を硬化させて、樹脂の層を振動板１８上に作製することにより、薄く脆いＳｉの振動板１８の強度を上げるものである（図５（ａ））。接着剤２５塗布面は、ダンパー２０部以外全面である。なお、補強接着剤２５はスプレーで噴射できるような非常に粘度が低いものが好適である。ダンパー２０及びその周囲近傍をマスキングして、補強接着剤２５をスプレーで全体に均一に塗る（図５（ｂ））。塗布後、補強接着剤２５をそのまま硬化させる。

続いて、補強プレート１３をインク流路部１２に接合する。図６にその状態を示す。

補強プレート１３には駆動クミ１がインク流路部１２と接合した際にそれを囲むような貫通孔２６が設けられている。貫通孔２６と駆動クミ１は接触せず、また固定もされない。なお、本実施例では補強プレート１３の材質として窒化珪素を用いた。これは熱膨張係数がＳｉとほぼ同じである為である。

また、マニホールド１６にインクを供給するインク供給口２７が設けられている。接合には接着剤２９を用いている為、インク供給口２７周りは接着剤２９がインクと触れてしまう。しかし、ここでの接着剤２９は、使用するインクの特性に合わせて変更し、接着剤２９が溶け出さないようなものを選択する。接合方法は、接着剤２９を補強プレート１３側に塗布し、インク流路部１２に張り合わせる。位置合わせはそれぞれに設けられた補強プレート位置決め穴２８により行われる。以上で流路クミ２の組立が完成する。

続いて、駆動クミ１の組立であるが、駆動クミ１は、電気信号の印加により変位する圧電素子３（複数の振動子４）と、振動子４を保持する基台５と、ＦＰＣ６からなる。振動子４は、ペースト状の圧電材料と電極を交互に積層して形成される積層型圧電素子を用いる。本例では、分極方向に対し、直行する方向に変位するｄ３３型の圧電素子を使用する。駆動源である振動子４をノズル数分含んでいる。基台５の材質はセラミックで、機械加工により門型の形状に加工され、角部７が両端に位置するように形成されている。門の内側の圧電素子３固定面にはＳｉＯ_２などの絶縁層が蒸着される。

基台５と板状の圧電素子３は、一端を圧電素子固定面に非導電性のエポキシ系接着剤で接合する。その後、導電性接着剤を圧電素子３の両側面と、基台５の付け根から基台５の側面にかけて塗布する。

続いて、流路突き当て部２１と圧電素子３端面とが同一平面となるように研磨加工する。研磨加工後、圧電素子３はダイサーまたはワイヤーソーで所定のピッチに歯割され、短冊状の振動子４の列を形成する。なお、基台５がセラミックであり、振動子４の先端に中継部材を用いていないことを除いて、従来の製造方法（例えば、特開２００４−９４７９号公報）が適用可能である。

次に、駆動クミ１と流路クミ２とを接合する。図７にその状態を示す。

振動子４の先端および基台５の角部７の突き当て部２１に接着剤２９を塗布し、図示しない治具にて位置合せして、補強プレート１３の枠（貫通孔２６）の中に駆動クミ１を挿入する。ここでの位置合わせ方法・組立方法については、従来と同じ方法（例えば、特開２００２−１７２７９３号公報、または特開２００１−３１５３４５号公報）を用いている。接着剤２９の塗布方法については、例えば、特開２００２−１７８５２４に記述されているような方法を用いる。

基台５の角部７の接着剤２９は、振動子４に塗布される量よりも若干多くすることで、振動子４先端の接着剤２９が少なくても、駆動クミ１を支えることが出来る。

従来とは異なり、補強接着剤２５が予め振動板１８に塗布されているため、従来と同様にゆっくり挿入することで、振動板１８の欠け等を生じさせることなく、接着が可能となる。以上がヘッド組立工程である。本製造方法により、駆動クミ１と流路クミ２との接合時に振動板１８が破損することが防止可能である。

なお、本実施例では、インク流路部１２について、ノズルプレート９、チャンバープレート１０、ダイアフラムプレート１１の３枚構成にて説明したが、ノズルプレート９とチャンバープレート１０を１枚として、２枚でも勿論可能である。

次に、その他の実施例を示す。

図８は、ダイアフラムプレート１１に硬度が低い弾性接着剤３０を塗布した例である。

弾性接着剤３０は、接合時の衝撃などを吸収することが出来る反面、振動子４の変位自体を吸収してしまう。そこで、ここでは振動板１８の振動子４が当接する領域を薄くし、その周囲を厚く接着剤を塗布している。

作製方法は、接着剤をダイアフラムプレート１１と嵌め合うような転写プレート３１に塗布し、接合する。転写プレート３１は、ダイアフラムプレート１１と同じくＳｉのドライエッチングで作製される為、位置決め精度・形状などは正確である。転写プレート３１は表面が撥水処理されており、接着剤が硬化した後、熱を加えることによりダイアフラムプレート１１より取り外すことが出来る。

これにより、振動子４と振動板１８との接着時の衝撃を吸収しつつ、振動子４の変位自体を吸収し難いインクジェットヘッドが得られる。

本発明のインクジェットヘッドの分解斜視図である。本発明のインクジェットヘッドの側面図及び断面図である。実施例における流路クミ２の組立途中の形態を示す。実施例における流路クミ２の組立途中の形態を示す。実施例における流路クミ２の組立途中の形態を示す。実施例における流路クミ２の組立途中の形態を示す。実施例における駆動クミと流路ユニットの接合状態を示す。他の実施例における流路クミ２の形態を示す。インクジェットヘッドの従来例を示す。インクジェットヘッドの別の従来例を示す。

符号の説明

１は駆動クミ、２は流路クミ、３は圧電素子、４は振動子、５は基台、６はＦＰＣ、７は角部、８は電極パターン、９はノズルプレート、１０はチャンバープレート、１１はダイアフラムプレート、１２はインク流路部、１３は補強プレート、１４はノズル、１５は圧力室、１６はマニホールド、１７はリストリクタ、１８は振動板、１９はインク導入孔、２０はダンパー、２１は突き当て部、２２はウェハー、２３はウェハー位置決め孔、２４はプレート、２５は補強接着剤、２６は貫通孔、２７はインク供給孔、２８は補強プレート位置決め孔、２９は接着剤、３０は弾性接着剤、３１は転写プレートである。

Claims

インクを吐出するノズル、前記ノズルに連通する圧力室、前記圧力室の一側壁をなす振動板などからなり複数の板を積層して形成したインク流路部と、基台に圧電素子からなる柱状の振動子を列設して形成した駆動部とを有し、前記駆動部と前記インク流路部の前記振動板とを接合したインクジェットヘッドにおいて、
前記振動板はシリコンであり且つ前記振動子との接合面側が補強接着剤を硬化させた樹脂層で覆われ、前記振動子は硬化した前記樹脂層と接着剤により接合していることを特徴とするインクジェットヘッド。
前記樹脂層は前記振動子が当接する領域がその周囲に対して薄くなっていることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
前記インクジェットヘッドは前記圧力室へインクを導入するマニホールドを更に有しており、該マニホールドの一側壁は前記振動板に設けられたダンパーよりなり、前記樹脂層は前記振動板の前記ダンパー以外の全面に形成されることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
前記樹脂層が弾性接着剤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。
前記樹脂層は、前記振動子と前記樹脂層とを接合する接着剤とは異なる接着剤で形成されることを特徴とする請求項４記載のインクジェットヘッド。
インクを吐出するノズル、前記ノズルに連通する圧力室、前記圧力室の一側壁をなす振動板などからなり複数の板を積層して形成したインク流路部と、基台に圧電素子からなる柱状の振動子を列設して形成した駆動部とを有し、前記駆動部と前記インク流路部の前記振動板とを接合したインクジェットヘッドにおいて、
シリコンからなるインク流路を形成する工程と、前記インク流路の圧力室の一側壁をなす振動板の表面に補強接着剤よりなる樹脂層を設ける工程と、前記樹脂層が硬化した後、振動子と前記樹脂層を接着剤で接合する工程とからなることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。