JP5569010B2

JP5569010B2 - インクジェットヘッド

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Publication number: JP5569010B2
Application number: JP2010016485A
Authority: JP
Inventors: 良史高藤
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2010-01-28
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Description

本発明はインクジェットヘッドに関し、詳しくは、圧力室を複数の層に立体的に配置することによって高密度化及び小型化を図ったインクジェットヘッドに関する。

軽印刷用途として高精細描画が可能なインクジェットプリンタが望まれており、インクジェットヘッドの高集積化が市場のニーズとしてある。

インクジェットヘッドには、インクをノズルから吐出するための圧力発生手段として、電気信号を機械エネルギーに変換するＰＺＴ等の圧電素子を用い、圧力室の一面に形成された振動板を圧電素子によって振動させることで、圧力室内のインクにノズルから吐出するための圧力変化を与えるものが知られている。これは、電気信号を熱エネルギーに変換するヒーターを用いて圧力室内のインクに吐出のための圧力変化を与えるサーマル方式のものと異なり、圧力室に大きさが必要となるため、物理的な集積限界がある。

このため、従来、圧力室を上下方向に２段に積層することによって圧力室の高密度な集積を可能とする技術が提案されている（特許文献１、２及び３）。

特開２００１−１４６０１０号公報特開２００５−１５３５０１号公報特開２００５−２３１２５８号公報

特許文献１、２記載の技術では、圧力室を平面的に配置した層を２層積層することによって圧力室を上下２段に積層する形となっている。従って、各層の圧力室にそれぞれ設けられる圧電素子に対して電圧を印加するための配線が、各層にそれぞれ必要となる。これにより、インクジェットヘッドを作製するための工数が増加すると共に歩留まりが悪化する原因ともなり、コスト高となる問題がある。

また、特許文献２記載の技術は、上下２段に積層された２つの圧力室の間に１つの圧電素子を共通に配置することで、ノズル数に対する圧電素子数を削減できるようにしているが、圧電素子を共通にする２つの圧力室のうち一方がインクを吐出している状態のとき、他方はインクを吐出することができない。つまり、圧電素子を共通にする２つの圧力室は独立して動作させることができないので、液滴量のコントロール時等に悪影響を及ぼす問題がある。

そこで、本発明は、上下２段に配置した圧力室の間に共通の配線層を配置することにより、高密度化及び小型化と工数の簡略化とを同時に図ることができると共に、上下の各圧力室を独立して動作させることが可能なインクジェットヘッドを提供することを課題とする。

本発明の他の課題は、以下の記載により明らかとなる。

上記課題は、以下の各発明によって解決される。

請求項１記載の発明は、圧力発生手段によってインクをノズルから吐出するインクジェットヘッドであって、
第１の圧力室がマトリックス状に多数配列形成され、該第１の圧力室の壁面の一部を形成する第１の振動板にそれぞれ配設された第１の圧力発生手段を有する第１の層と、
第２の圧力室がマトリックス状に多数配列形成され、該第２の圧力室の壁面の一部を形成する第２の振動板にそれぞれ配設された第２の圧力発生手段を有する第２の層と、
前記第１の層の前記第１の圧力発生手段及び前記第２の層の前記第２の圧力発生手段にそれぞれ電圧を印加する配線が形成された配線層とを有し、
前記配線層は、前記第１の層と前記第２の層との間に配置され、
前記第２の層は、前記第１の圧力室及び前記第２の圧力室にそれぞれ対応するノズルを形成したノズルプレートを有し、
前記第２の層と前記配線層とに亘り、前記第１の圧力室と該第１の圧力室に対応する前記ノズルとをそれぞれ連通させるインク吐出用の流路を有することを特徴とするインクジェットヘッドである。

請求項２記載の発明は、前記第１の圧力発生手段は、前記第１の層の底面に形成され、
前記第２の圧力発生手段は、前記第２の層の天面に形成され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である。

請求項３記載の発明は、前記配線層は、一方の面に、前記第１の層の前記第１の圧力発生手段と該第１の圧力発生手段に電圧を印加するための前記配線とを電気的に接続する第１の電気的接続手段を有し、他方の面に、前記第２の層の前記第２の圧力発生手段と該第２の圧力発生手段に電圧を印加するための前記配線とを電気的に接続する第２の電気的接続手段を有することを特徴とする請求項１又は２記載のインクジェットヘッドである。

請求項４記載の発明は、前記第１の層の上層に、前記第１の圧力室及び前記第２の圧力室へ共通にインクを供給する共通インク室を有し、
前記第１の層と前記配線層とに亘り、前記共通インク室と前記第２の圧力室の各々とを個別に連通するインク供給用の流路を有することを特徴とする請求項１、２又は３記載のインクジェットヘッドである。

本発明によれば、上下２段の配置した圧力室の間に共通の配線層を配置することにより、高密度化及び小型化と工数の簡略化とを同時に図ることができると共に、上下の各圧力室を独立して動作させることが可能なインクジェットヘッドを提供することができる。

本発明に係るインクジェットヘッドの層構成を示す部分断面図本発明に係るインクジェットヘッドをノズル側から見た斜視図圧力室の配置構成を示す平面透視図配線層の作製方法を説明する図配線層の作製方法を説明する図インクジェットヘッドの作製方法を説明する図

本発明は、圧力発生手段によってインクをノズルから吐出するインクジェットヘッドであって、第１の圧力室が形成され、該第１の圧力室の壁面の一部を形成する第１の振動板に配設された第１の圧力発生手段を有する第１の層と、第２の圧力室が形成され、該第２の圧力室の壁面の一部を形成する第２の振動板に配設された第２の圧力発生手段を有する第２の層と、前記第１の層の前記第１の圧力発生手段及び前記第２の層の前記第２の圧力発生手段にそれぞれ電圧を印加する配線が形成された配線層とを有し、前記配線層は、前記第１の層と前記第２の層との間に配置されていることを特徴とする。

第１の圧力室及び第２の圧力室は、第１の層及び第２の層においてそれぞれマトリックス状に平面的に配列されるため、第１の圧力室及び第２の圧力室が上下２段に配置されることで、インクジェットヘッドの高密度化及び小型化が図られる。また、第１の層の第１の圧力発生手段及び第２の層の第２の圧力発生手段に対する電圧印加のための配線は、共通の配線層に形成され、この配線層が第１の層と第２の層との間に配置されることで、配線を各層に形成する場合に比べて工数の簡略化をも図ることができる。しかも、本発明によれば、第１の圧力室と第２の圧力室にそれぞれ専用の第１の圧力発生手段及び第２の圧力発生手段が配設されるため、上下の各圧力室を独立して動作させることが可能である。

圧力発生手段としては、電気信号を機械エネルギーに変換する電気機械変換素子である圧電素子が用いられる。このような圧電素子としては、一般にＰＺＴが好ましく用いられる。

第１の層に設けられる第１の圧力室は、壁面のうちの底壁が第１の振動板とされ、この第１の振動板の底面（第１の圧力室の外側の面）に第１の圧力発生手段が設けられる。従って、この第１の圧力発生手段は、第１の層の底面に形成されている。また、第２の層に設けられる第２の圧力室は、壁面のうちの天井壁が第２の振動板とされ、この第２の振動板の天面（第２の圧力室の外側の面）に第２の圧力発生手段が設けられる。従って、この第２の圧力発生手段は、第２の層の天面に形成されている。

なお、本発明のインクジェットヘッドにおいて、ノズルが開口する面を下面、その反対面を上面と定義する。従って、本発明においてノズルが開口する面が下となるように配置させたときに下側となる壁及び面をそれぞれ底壁、底面といい、上側となる壁及び面をそれぞれ天井壁、天面という。

配線層は、一方の面に、第１の層の第１の圧力発生手段と該第１の圧力発生手段に電圧を印加するための配線とを電気的に接続する第１の電気的接続手段を有し、他方の面に、第２の層の第２の圧力発生手段と該第２の圧力発生手段に電圧を印加するための配線とを電気的に接続する第２の電気的接続手段を有している。配線層は、前記一方の面が第１の層、前記他方の面が第２の層にそれぞれ面するように配置され、第１の層と第２の層との間に積層される。この積層状態で、配線層の第１の電気的接続手段は、第１の層の第１の圧力発生手段と電気的に接続され、また、配線層の第２の電気的接続手段は、第２の層の第２の圧力発生手段と電気的に接続されている。

本発明において、第２の層はノズルプレートを有している。第１の圧力室及び第２の圧力室にそれぞれ対応するノズルは、第２の層の底面（第１の層及び配線層の積層側と反対側の面）を構成するノズルプレートに形成される。このため、第１の層の第１の圧力室と第２の層の底面に形成されたノズルとを連通させるインク吐出用の流路が、第２の層と配線層とに亘って、これらを貫通するように形成される。

また、本発明において、第１の層の上層（第２の層及び配線層の積層側と反対側の層）に、第１の圧力室及び第２の圧力室へ共通にインクを供給する共通インク室を有することができる。この場合、共通インク室と第２の圧力室とを連通するためのインク供給用の流路が、第１の層と配線層とに亘って、これらを貫通するように形成される。

次に、本発明の具体的な実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本発明に係るインクジェットヘッドの層構成を示す部分断面図、図２は、本発明に係るインクジェットヘッドをノズル側から見た斜視図、図３は、圧力室の配置構成を示す平面透視図である。

インクジェットヘッド１は、図１に示すように、複数の層が積層されることによって形成されており、それぞれ内部にインクが供給される第１圧力室１１と第２圧力室２１とが、積層方向である図示上下方向に２段に立体的に配置されている。

第１圧力室１１は、Ｓｉ（シリコン）基板１２の厚み方向にエッチング加工されることによって、図１における左右方向に亘ってマトリックス状に多数配列形成される。第１圧力室１１の底壁１１１の一部は、Ｓｉ基板１２がエッチング加工し残されることによって、薄壁状の第１振動板１３を構成しており、この第１振動板１３の底面（第１振動板１３の外側の面）に、第１圧力室１１内のインクに吐出のための圧力を付与する第１圧力発生手段である圧電素子１４が設けられている。なお、圧電素子１４は、不図示の上部電極及び下部電極を有している。

Ｓｉ基板１２の上面には、感光性ドライフィルムからなる接着剤層１５を介してＳｉ基板からなる天板１６が積層されている。本実施形態では、以上のＳｉ基板１２、圧電素子１４、接着剤層１５及び天板１６によって第１の層である第１アクチュエータ層１０が構成される。従って、第１アクチュエータ層１０において、底面に圧電素子１４が配置されている。

一方、第２圧力室２１は、Ｓｉ基板２２の厚み方向にエッチング加工されることによって、図１における左右方向に亘ってマトリックス状に多数配列形成される。第２圧力室２１の天井壁２１１の一部は、Ｓｉ基板２２がエッチング加工し残されることによって、薄壁状の第２振動板２３を構成しており、この第２振動板２３の天面（第２振動板２３の外側の面）に、第２圧力室２１内のインクに吐出のための圧力を付与する第２圧力発生手段である圧電素子２４が設けられている。なお、圧電素子２４は、不図示の上部電極及び下部電極を有している。

かかる第１圧力室１１及び第２圧力室２１は、図３に示すように、平面視で互いに部分的にオーバーラップするように配置されている。このため、第１圧力室１１と第２圧力室２１の水平方向の広がりが抑えられ、高密度化及び小型化が一層発揮される。

Ｓｉ基板２２の下面には、感光性ドライフィルムからなる接着剤層２５を介してＳｉ基板からなるノズルプレート２６が積層されている。本実施形態では、以上のＳｉ基板２２、圧電素子２４、接着剤層２５及びノズルプレート２６によって第２の層である第２アクチュエータ層２０が構成される。従って、第２アクチュエータ層２０において、天面に圧電素子２４が配置されている。

配線層３０は、かかる第１アクチュエータ層１０と第２アクチュエータ層２０との間に配置され、感光性ドライフィルムからなる接着剤層３６１、３６２によって該第１アクチュエータ層１０及び第２アクチュエータ層２０と接合されている。

配線層３０は、Ｓｉ基板３１の両面に、それぞれ圧電素子１４、２４に電圧を印加するための配線３２１、３２２がパターン形成されている。配線３２１の一端は、第１アクチュエータ層１０の各圧電素子１４の上部電極（図示せず）の直下に配置され、配線３２２の一端は、第２アクチュエータ層２０の各圧電素子２４の上部電極（図示せず）の直上に配置されると共に、各他端は、所定の電圧を出力する駆動回路（図示せず）と電気的に接続されている。

配線３２１は、絶縁膜（ＳｉＯ_２膜）３３１によって、Ｓｉ基板３１の上面に対して絶縁されていると共に該配線３２１の上面も絶縁膜３３１によって被覆されることで絶縁されている。絶縁膜３３１における配線３２１の一端に対応する部位は、絶縁膜３３１が部分的に除去されて非絶縁部３４１を形成しており、配線３２１の一端を上面に向けて露出させている。この非絶縁部３４１に臨む配線３２１の一端に、低融点半田からなる接点部３５１が上方に突出するように形成されており、この接点部３５１が上方に位置する第１アクチュエータ層１０の圧電素子１４の上部電極（図示せず）と接合することにより、圧電素子１４と配線３２１とを電気的に接続している。

また、同様に、配線３２２も、絶縁膜３３２によって、Ｓｉ基板３１の下面に対して絶縁されていると共に該配線３２２の下面も絶縁膜３３２によって被覆されることで絶縁されている。絶縁膜３３２における配線３２２の一端に対応する部位は、絶縁膜３３２が部分的に除去されて非絶縁部３４２を形成しており、配線３２２の一端を下面に向けて露出させている。この非絶縁部３４２に臨む配線３２２の一端に、低融点半田からなる接点部３５２が下方に突出するように形成されており、この接点部３５２が下方に位置する第２アクチュエータ層２０の圧電素子２４の上部電極（図示せず）と接合することにより、圧電素子２４と配線３２２とを電気的に接続している。

このように、１枚のＳｉ基板３１の両面に、第１圧力室１１の圧電素子１４のための配線３２１と、第２圧力室２１の圧電素子２４のための配線３２２とをまとめて形成しているため、各圧電素子１４、２４に対する電圧印加を共通の配線層３０によって行うことができると共に、第１圧力室１１と第２圧力室２１とで圧電素子１４、２４を独立して動作させることができる。

ノズルプレート２６には、第１圧力室１１及び第２圧力室２１内のインクを吐出するためのノズル２６１、２６２が開口形成されている。

ノズル２６１は第１圧力室１１内とインク吐出用流路４１によって連通しており、圧電素子１４が駆動した際、該インク吐出用流路４１を通って第１圧力室１１内のインクをノズル２６１から吐出させる。第１圧力室１１は、最上位の第１アクチュエータ層１０に設けられているため、インク吐出用流路４１が、第１圧力室１１の底壁１１１及び配線層３０を上下に貫通し、更に第２アクチュエータ層２０を通ってノズルプレート２６に形成されたノズル２６１と連通している。第１圧力室１１へのインクの供給は、天板１６に開口形成されたインレット１６１を介して行われる。天板１６の外側には、第１圧力室１１及び第２圧力室２１に対して共通にインクを供給するための共通インク室５０（図２）が形成されており、インレット１６１は、この共通インク室５０内に臨んで開口している。

一方、ノズル２６２は第２圧力室２１内と連通しており、圧電素子２４が駆動した際、第２圧力室２１内のインクをノズル２６２から吐出させる。第２圧力室２１は、最下位の第２アクチュエータ層２０に設けられているため、共通インク室５０からのインクを供給するためのインク供給用流路４２が、第１アクチュエータ層１０及び配線層３０を上下に貫通して天板１６に開口形成されたインレット１６２と連通している。インレット１６２は、共通インク室５０内に臨んで開口している。

なお、配線層３０に形成される配線３２１、３２２は、これらインク吐出用流路４１及びインク供給用流路４２を避けた位置にパターン形成されている。

また、図２中、５１は共通インク室５０へのインク流入のための流入管、５２は共通インク室５０からのインク流出のための流出管である。

次に、かかるインクジェットヘッド１の作製方法について図４〜図６を用いて説明する。

第１アクチュエータ層１０及び第２アクチュエータ層２０は、第１圧力室１１の第１振動板１３が該第１圧力室１１の底壁１１１によって構成され、第２圧力室２１の第２振動板２３が該第２圧力室２１の天井壁２１１によって構成されて、両者が上下対称形状となる以外、従来公知の積層工程を経て作製することができる。従って、ここでは本発明の特徴である配線層３０の作製方法について図４、図５を用いて説明する。

まず、配線層３０の基板となる所定厚のＳｉ基板３１を用意し（図４（ａ））、このＳｉ基板３１の一方の面にＳｉＯ_２からなる絶縁膜３３をＣＶＤ（Chemical Vapour Deposition）法によって形成する（図４（ｂ））。

次いで、絶縁膜３３の上面にレジスト１００を被覆した後、該レジスト１００を露光、現像処理によってパターニングし、配線３２１となる領域３２１ａのレジスト１００を除去して絶縁膜３３を露出させ（図４（ｃ））、配線３２１を形成するための金属材料、例えばＡｌをスパッタリング等によって被覆して、絶縁膜３３及びレジスト１００の上面全面に金属膜３２を形成する（図４（ｄ））。

金属膜３２の形成後、レジスト１００を除去することによって、絶縁膜３３の上面に所定パターンからなる配線３２１を作製する（図４（ｅ））。その後、その配線３２１を含む上面全面に更にＳｉＯ_２からなる絶縁膜３３をＣＶＤ法によって形成し、配線３２１を絶縁膜３３によって被覆する（図４（ｆ））。

次いで、絶縁膜３３の上面に再びレジスト１００を被覆した後、該レジスト１００を露光、現像処理によってパターニングし、配線３２１の一端に対応する領域３２１ｂ、インク吐出用流路４１に対応する領域３２１ｃ及びインク供給用流路４２に対応する領域３２１ｄのレジスト１００をそれぞれ除去して絶縁膜３３を露出させ（図４（ｇ））、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法によって、各領域３２１ｂ〜３２１ｄにおいて露出する部位の絶縁膜３３をエッチングする。ここで、領域３２１ｂの直下には配線３２１が形成されており、領域３２１ｃ、領域３２１ｄの直下には配線３２１が形成されておらず、Ｓｉ基板３１を直接被覆している（図４（ｈ））。

この後、レジスト１００を除去すると、Ｓｉ基板３１の一方の面に、エッチング後の絶縁膜３３１によって被覆された配線３２１が形成され、該配線３２１の一端が非絶縁部３４１によって露出する。これにより、Ｓｉ基板３１に第１アクチュエータ層１０の圧電素子１４に対する配線３２１が形成される。また、インク吐出用流路４１及びインク供給用流路４２に対応する領域３２１ｃ、３２１ｄには、それぞれＳｉ基板３１の表面がそれぞれ露出する（図５（ａ））。

同様にして、Ｓｉ基板３１の他方の面にも、絶縁膜３３２に非絶縁部３４２、凹設された領域３２２ｃ、３２２ｄをそれぞれ形成し、非絶縁部３４２において一端を露出させた配線３２２を形成する（図５（ｂ））。

次いで、ＲＩＥ法によって両面にそれぞれエッチングを行い、絶縁膜３３１、３３２の一部とＳｉ基板３１とを除去する。ＳｉＯ_２のエッチングレートをＳｉよりも遅くすることで、絶縁膜３３１、３３２よりもＳｉ基板３１を深掘りすることができる。これにより、インク吐出用流路４１及びインク供給用流路４２をそれぞれ貫通形成する（図５（ｃ））。

その後、更に絶縁膜３３１の上面及び絶縁膜３３２の下面に接着剤層３６１、３６２を被覆し、これを露光、現像処理によってパターニングし、インク吐出用流路４１及びインク供給用流路４２に対応する部位を除去する（図５（ｄ））。

次いで、各非絶縁部３４１、３４２にそれぞれ露出する配線３２１、３２２上に、低融点半田ペーストを付与することによって接点部３５１、３５２を形成する（図５（ｅ））。これにより配線層３０が作製される。

このようにして作製された配線層３０は、図６に示すように、一対の圧着機２００、２００の間に、上から第１アクチュエータ層１０、配線層３０、第２アクチュエータ層２０の順に位置決めして積層配置させた後、圧着機２００、２００を締め付けて一体に積層させ、圧着する。このとき、ヒーター（図示せず）によって熱を掛けることにより、低融点半田からなる接点部３５１、３５２を溶融させ、それぞれ対応する圧電素子１４、２４の上部電極と接合させ、該圧電素子１４、２４と対応する配線３２１、３２２との電気的接続を図ると同時に、接着剤層３６１、３６２によって、第１アクチュエータ層１０、配線層３０及び第２アクチュエータ層２０を一体に接合する。

本発明において接点部３５１、３５２は低融点半田に限らないが、本実施形態に示すように低融点半田を用いることにより、第１アクチュエータ層１０、配線層３０、第２アクチュエータ層２０を積層一体化する際、熱を掛けることで、圧電素子１４、２４と接点部３５１、３５２との間の接合及び電気的接続を一度に得ることができる。しかも、層の異なる第１圧力室１１の圧電素子１４と第２圧力室２１の圧電素子２４に対する接点部３５１、３５２の接合を同時に行えるため、例えば一方の層の接点部に熱を掛けたときに他方の層の接点部が溶融してしまう問題を回避することができ、製造プロセスをより簡略化できるために好ましい。

１：インクジェットヘッド
１０：第１アクチュエータ層
１１：第１圧力室
１１１：底壁
１２：Ｓｉ基板
１３：第１振動板
１４：圧電素子
１５：接着剤層
１６：天板
１６１、１６２：インレット
２０：第２アクチュエータ層
２１：第２圧力室
２１１：底壁
２２：Ｓｉ基板
２３：第２振動板
２４：圧電素子
２５：接着剤層
２６：ノズル板
２６１、２６２：ノズル
３０：配線層
３１：Ｓｉ基板
３２：金属膜
３２１、３２２：配線
３３、３３１、３３２：絶縁膜
３４１、３４２：非絶縁部
３５１、３５２：接点部
３６１、３６２：接着剤層
４１：インク吐出用流路
４２：インク供給用流路
５０：共通インク室
５１：流入管
５２：流出管

Claims

圧力発生手段によってインクをノズルから吐出するインクジェットヘッドであって、
第１の圧力室がマトリックス状に多数配列形成され、該第１の圧力室の壁面の一部を形成する第１の振動板にそれぞれ配設された第１の圧力発生手段を有する第１の層と、
第２の圧力室がマトリックス状に多数配列形成され、該第２の圧力室の壁面の一部を形成する第２の振動板にそれぞれ配設された第２の圧力発生手段を有する第２の層と、
前記第１の層の前記第１の圧力発生手段及び前記第２の層の前記第２の圧力発生手段にそれぞれ電圧を印加する配線が形成された配線層とを有し、
前記配線層は、前記第１の層と前記第２の層との間に配置され、
前記第２の層は、前記第１の圧力室及び前記第２の圧力室にそれぞれ対応するノズルを形成したノズルプレートを有し、
前記第２の層と前記配線層とに亘り、前記第１の圧力室と該第１の圧力室に対応する前記ノズルとをそれぞれ連通させるインク吐出用の流路を有することを特徴とするインクジェットヘッド。
前記第１の圧力発生手段は、前記第１の層の底面に形成され、
前記第２の圧力発生手段は、前記第２の層の天面に形成され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。
前記配線層は、一方の面に、前記第１の層の前記第１の圧力発生手段と該第１の圧力発生手段に電圧を印加するための前記配線とを電気的に接続する第１の電気的接続手段を有し、他方の面に、前記第２の層の前記第２の圧力発生手段と該第２の圧力発生手段に電圧を印加するための前記配線とを電気的に接続する第２の電気的接続手段を有することを特徴とする請求項１又は２記載のインクジェットヘッド。
前記第１の層の上層に、前記第１の圧力室及び前記第２の圧力室へ共通にインクを供給する共通インク室を有し、
前記第１の層と前記配線層とに亘り、前記共通インク室と前記第２の圧力室の各々とを個別に連通するインク供給用の流路を有することを特徴とする請求項１、２又は３記載のインクジェットヘッド。