JP5828213B2 - Liquid droplet ejection head, ink jet recording apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、液滴吐出ヘッド、インクジェット記録装置に関する。 The present invention relates to a droplet discharge head and an ink jet recording apparatus.
従来、液滴吐出ヘッドの方式として、圧力発生室の体積変化により吐出圧力を発生させ、ノズルより液滴を吐出させるものがある。この方式は、多様な液滴に対応できる点で、サーマル方式に対して優位性がある。この液滴吐出ヘッドについて、高集積化のために、リソグラフィー法を用いて流路・圧力発生素子を形成するものが広く用いられている。特許文献1、2には、静電力や撓みモードの圧電素子により圧力発生室の1面をなす振動板を振動させる方式が開示されている。
Conventionally, as a method of a droplet discharge head, there is a method in which a discharge pressure is generated by a change in volume of a pressure generation chamber and a droplet is discharged from a nozzle. This method is superior to the thermal method in that it can handle various droplets. In order to achieve high integration, a droplet discharge head that uses a lithography method to form a flow path / pressure generating element is widely used.
高集積化された液滴吐出ヘッドでは、圧力発生室間の隔壁が薄くなるため隔壁の高さ(圧力発生室高さ)を小さくして隔壁の剛性を確保する必要があるが、隔壁高さを規定する流路形成基板を薄くするとハンドリングが困難となる。したがって、液滴吐出ヘッドは、流路基板を電極基板や封止基板(保護基板)等の別の基板と接着した後に、所望の厚さまで流路基板を研磨、その後圧力発生室等の流路を形成する方法で製造されている(特許文献1、2参照)。 In highly integrated droplet discharge heads, the partition between the pressure generation chambers becomes thin, so it is necessary to reduce the partition height (pressure generation chamber height) to ensure the rigidity of the partition. If the flow path forming substrate defining the thickness is thin, handling becomes difficult. Therefore, the droplet discharge head is configured such that after the flow path substrate is bonded to another substrate such as an electrode substrate or a sealing substrate (protective substrate), the flow path substrate is polished to a desired thickness, and then the flow path such as the pressure generation chamber (See Patent Documents 1 and 2).
この液滴吐出ヘッドでは、工程管理、Fコスト低減のため、工程内で非破壊での測定・検査が行われている。特許文献1では、振動板厚みの測定方法が、特許文献3では、圧電素子の特性の測定方法が開示されている。液滴吐出ヘッドでは、上述した測定・検査項目以外に、振動板幅も重要な測定項目である。しかしながら、振動板幅を規定する圧力発生室の振動板側界面は、通常の顕微鏡では隔壁の段差が邪魔になり観察が困難である。また、反対面側から観察しようにも、電極基板(特許文献1)や封止基板(特許文献2)が邪魔になり、観察を十分に行うことができなかった。また、断面を裁断して観察するには、専用のモニタウエハを用意する必要がある上、時間や手間がかかり、コストアップになる。また、工程へのフィードバックも遅くなることから、寸法の以上品を出す確率が高くなり(歩留まり低下)、結果、コストアップになる。
In this droplet discharge head, non-destructive measurement / inspection is performed in the process for process control and F cost reduction. Patent Document 1 discloses a method for measuring diaphragm thickness, and
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、液滴吐出ヘッドの振動板幅を、工程内で容易に精度よく観察、測定できるようにすることである。 The present invention has been made in view of the above, and is to make it possible to easily and accurately observe and measure the diaphragm width of a droplet discharge head in a process.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本実施形態の液滴吐出ヘッドは、それぞれノズル孔に連通する複数の圧力発生室が並設された圧力発生室列が形成される流路形成基板と、前記流路形成基板の一方面側に振動板を介して前記各圧力発生室に対応して設けられ、前記振動板の撓みを変化させて前記各圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子と、前記圧電素子側に当該圧電素子の動きを阻害しないための空間を確保した状態で接合された保護基板と、前記流路形成基板に形成された、前記振動板の幅を測定するための振動板測定用モニタ部と、を備え、前記保護基板には、前記振動板測定用モニタ部と接続される貫通孔が形成され、前記振動板測定用モニタ部は、前記流路形成基板の前記圧力発生室列の最も端に位置する圧力発生室よりも外側に設けられた、前記圧力発生室と同一幅のダミー圧力発生室と、可視光に対して透明又は半透明な単層又は積層の、前記振動板に相当する仕切板とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the liquid droplet ejection head according to the present embodiment has a flow path in which a pressure generation chamber row in which a plurality of pressure generation chambers communicating with nozzle holes is arranged is formed. A forming substrate is provided corresponding to each pressure generating chamber via a diaphragm on one surface side of the flow path forming substrate, and a change in pressure is generated in each pressure generating chamber by changing the deflection of the diaphragm. Measure the width of the vibration plate formed on the flow path forming substrate, the protective substrate bonded in a state in which a space is secured on the piezoelectric element side so as not to hinder the movement of the piezoelectric element A through-hole connected to the diaphragm measurement monitor unit is formed in the protective substrate, and the diaphragm measurement monitor unit is configured to form the flow path. Pressure located at the extreme end of the pressure generation chamber row of the substrate Than generating chamber provided outside, and the dummy pressure generating chamber of the pressure generating chamber and the same width, the transparent or semi-transparent single-layer or laminated to visible light, and a partition plate corresponding to the diaphragm It is characterized by providing.
本発明によれば、液滴吐出ヘッドの振動板幅を、工程内で容易に精度よく観察、測定できる、という効果を奏する。 According to the present invention, there is an effect that the diaphragm width of the droplet discharge head can be easily observed and measured in the process.
以下に添付図面を参照して、液滴吐出ヘッド、インクジェット記録装置の一実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of a droplet discharge head and an inkjet recording apparatus will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
先ず、図1〜10を参照して一実施形態にかかる液滴吐出ヘッドの詳細を説明する。図1は、実施形態にかかる液滴吐出ヘッド1の分解斜視図である。図2は、第1の基板10、第2の基板20を透視状態とした場合の平面配置図である。図3〜図8は、図2におけるY1−Y1、Y2−Y2、Y3−Y3、X1−X1、X2−X2、X3−X3の断面図である。図9は、図6の圧力発生室33近傍を拡大した図である。図10は、図8の寸法測定用ダミー圧力発生室34近傍を拡大した図である。
First, details of a droplet discharge head according to an embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is an exploded perspective view of a droplet discharge head 1 according to the embodiment. FIG. 2 is a plan layout view when the
図1に示すように、液滴吐出ヘッド1は、第1の基板10、第2の基板20、ノズル板40、バッキングプレート45および図示されていないフレーム・ドライバIC(Integrated Circuit)等から構成されている。
As shown in FIG. 1, the droplet discharge head 1 includes a
保護基板(封止基板とも呼ぶ)である第1の基板10には、第2の基板20と熱膨張係数が大きく違わなく加工しやすい材料を用いることが好ましく、本実施形態では、面方位<100>の単結晶シリコン基板を用いた。第1の基板10には、第2の基板20上に形成された圧電素子22(図1〜4、6、9参照)の動作を妨げないための凹部11(図1、3、5、6参照)、液供給路17(図1、3〜5、8参照)等をアルカリ溶液による異方性エッチングにより形成した。
For the
流路形成基板である第2の基板20は、シリコン単結晶基板から構成され、第1の基板10側の面には、振動板となる厚さ1.5μm程度の振動板21(図3、5〜10参照)を形成した。この振動板21は、シリコン酸化膜・ポリシリコン・シリコン窒化膜の積層膜から構成される。異なる膜を積層することにより応力と剛性を調整している。本実施形態では、酸化膜と窒化膜が可視光に対して透明な膜、ポリシリコンが半透明(透過しての観察が可能な程度の光を透過する膜)であるが、不透明膜(より光吸収の大きい膜、透過しての観察が困難な膜)を積層する場合もある。
The
この振動板21上には、空隙である圧力発生室33(図1〜3、6、9参照)に対応して、共通電極である下電極膜22a、圧電体層22b及び個別電極である上電極膜22cからなる圧電素子22を形成した。また、圧電体層22b、上電極膜22cの側面を覆うように絶縁膜23(図4〜9参照)を形成し、圧電体層22bの吸湿防止、及び下電極膜22a、上電極膜22cの電気的な短絡を防止している。絶縁膜23は、圧電素子形成部分では、側面及びその近傍以外は除去され、圧電素子22の変位を妨げないようにしている。下電極膜22a及び上電極膜22cの接続部にて接続孔が開孔され、配線24(図2〜5、7〜9参照)と接続されている。
On the
配線24は、配線24と一体的に形成された電極端子部25まで引き出され、電極端子部25よりワイヤボンドやACF等により、ドライバーICやドライバーICが実装されたFPC等と接続され(いずれも図示しない)、下電極膜22a及び上電極膜22cに電圧を印加する。
The
また、第2の基板20には、第1の基板10に形成された液供給路17に対応した部分に、各ノズル/圧電素子に対応して、液供給部31、流体抵抗部32、圧力発生室33がフォトリソ/エッチングプロセスにより一体的に形成されている。
Further, the
下電極膜22aは、例えば厚さ約0.1μmの白金(Pt)、イリジウム(Ir)等の比較的導電性の高い材料から構成され、スパッタリング法等で形成されている。また、圧電体層22bは、例えば、厚さ1.0μm程度のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)をゾルゲル法にて形成したものから構成されている。また、上電極膜22cは、例えば、厚さ0.05〜0.1μmの白金(Pt)、イリジウム(Ir)等から構成され、スパッタリング法等で形成されている。これらの厚みは、用いる材料やアクチュエータの目標仕様等により適宜調整することが望ましい。
The
また、絶縁膜23は、水分の透過・吸収の少なく電気的絶縁性に優れた、例えばアルミナ(Al2O3)や四窒化三珪素(Si3N4)を約0.2μmの厚さとしたものを用いた。配線24には、電気伝導性・耐腐食性に優れた金(Au)を用い、厚さは1.0μm程度とした。絶縁膜23及び配線24との界面には密着層として0.05〜0.1μmのクロム(Cr)を敷いている。第1の基板10と第2の基板20は、接着剤15(図3〜8参照)により貼りあわせた。実施形態の構成では、接着面には、最大で配線24の段差が生じるが、配線24は1.0μm程度の厚みであるので、接着剤15により十分に埋めこまれ、凹部11(圧電素子の振動空間)の封止性が確保されている。さらに、念の為に、配線24を液供給部31の周囲を覆うように配置し、封止性の確保を確実に行っている。
Further, the insulating
ノズル板40には、例えばガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス等を使用することができる。実施形態においては、厚さ30μmのステンレスにプレス加工にてノズル孔41を開口した後、液の出口側の面に、撥液膜としてフッ素系の樹脂を蒸着にて成膜している。また、第2の基板20とは、接着剤15にて貼りあわせている。また、バッキングプレート45は、複数のプレス加工したステンレスを積層して形成されたもので、これによりインク供給能力を確保している。また、第1の基板10とは接着剤15により貼りあわせている。
For the
また、本実施形態では、第1の基板10の液供給路17を圧力発生室33列端部に配置された振動板幅測定モニタ部2(図5、8参照)まで延長して開口している。また、振動板幅測定モニタ部2では、第2の基板20に圧力発生室33と類似形状の寸法測定用ダミー圧力発生室34(図5〜8、10参照)が形成されている。寸法測定用ダミー圧力発生室34の第1の基板10側には、振動板21の透明膜21a、及び本実施形態では透明膜である絶縁膜23から構成される積層膜が形成されている。また、圧力発生室33とは異なり、圧電素子22は形成されていない。また、振動板21の不透明膜層21bも形成されていない。
In the present embodiment, the
このような構成の振動板幅測定モニタ部2を設けることにより、振動板21の幅を第1の基板10側から工程内で容易に精度良く観察/測定することができる。もっとも、観察できるのは、圧力発生室33等の流路加工からバッキングプレート接合の間であり、工程へのフィードバックの点からは、流路加工直後が望ましい。以上のように、液滴吐出ヘッド1では、振動板21の幅を第1の基板10側から工程内で容易に精度良く観察/測定することができることから、歩留まりが向上することで、コストを低減することが可能となる。
By providing the diaphragm width
また、寸法測定用ダミー圧力発生室34の形状は、圧力発生室33とフォトリソグラフィ/エッチング特性が同様で、それらの寸法の間に一対一の対応がとれる形状とするのはもちろんである。実施形態では、寸法測定用ダミー圧力発生室34の形状は、実際に使われる圧力発生室33と同一幅で流体抵抗部32のようなくびれを設けない形状とした。また、寸法測定用ダミー圧力発生室34における長手方向端部は、2において端部の効果がでないように、実際に使われる圧力発生室33よりも伸張している。
Of course, the dummy
<変形例>
ここで、上述した液滴吐出ヘッド1の変形例について説明する。図11は、変形例にかかる液滴吐出ヘッド1aの分解斜視図である。図12は、第1の基板10、第2の基板20を透視状態とした場合の平面配置図である。図13、14は、図12におけるY4−Y4、X4−X4の断面図である。
<Modification>
Here, a modified example of the above-described droplet discharge head 1 will be described. FIG. 11 is an exploded perspective view of a
図11〜14に示すように、液滴吐出ヘッド1aは、上述した液滴吐出ヘッド1と概ね同様な構成であるが、振動板幅測定モニタ部2を実際の圧力発生室33の並びを延長した場所に形成している。また、液滴吐出ヘッド1aにおける寸法測定用ダミー圧力発生室34は、実際の圧力発生室33と全く同一形状のものとした。変形例にかかる液滴吐出ヘッド1aでは、液滴吐出ヘッド1に対し、振動板幅測定モニタ部2部分での第1の基板10の貫通孔を余分に開口する必要があるが、より実際のパターンに近い(同一の)形状でのフォトリソグラフィ/エッチング特定が得られ、より精度の高い測定が可能となる。したがって、液滴吐出ヘッド1aでは、保護基板に形成された振動板幅測定モニタ部2の貫通孔が液供給部31へ通じるインク供給口と一体的に形成されたものであることから、貫通孔形成のためのスペース増加を最小限とすることができ、コストを低減することが可能となる。
As shown in FIGS. 11 to 14, the
次に、上述した液滴吐出ヘッド1、1aを搭載したインクジェット記録装置の一例について図15及び図16を参照して説明する。図15は、本実施形態にかかるインクジェット記録装置の斜視説明図である。図16は、本実施形態にかかるインクジェット記録装置の機構部分の側面説明図である。 Next, an example of an ink jet recording apparatus equipped with the above-described droplet discharge heads 1 and 1a will be described with reference to FIGS. FIG. 15 is an explanatory perspective view of the ink jet recording apparatus according to the present embodiment. FIG. 16 is an explanatory side view of the mechanism portion of the ink jet recording apparatus according to the present embodiment.
図15、16に示すように、インクジェット記録装置50は、記録装置本体81の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ93、キャリッジ93に搭載し、上述した液滴吐出ヘッド1、1aを有する記録ヘッド94、記録ヘッド94へインクを供給するインクカートリッジ95等で構成される印字機構部82等を収納する。記録装置本体81の下方部には前方側から多数枚の用紙83を積載可能な給紙カセット84(或いは給紙トレイでもよい)を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙83を手差しで給紙するための手差しトレイ85を開倒することができ、給紙カセット84或いは手差しトレイ85から給送される用紙83を取り込み、印字機構部82によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ86に排紙する。
As shown in FIGS. 15 and 16, an ink
印字機構部82は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド91と従ガイドロッド92とでキャリッジ93を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ93にはイエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を吐出する、上述した薄膜形成で形成された液滴吐出ヘッドからなる記録ヘッド94を複数のインク吐出口(ノズル)を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。また、キャリッジ93には記録ヘッド94に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ95を交換可能に装着している。
The
インクカートリッジ95は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力により記録ヘッド94へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、記録ヘッド94としてここでは各色のヘッドを用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する1個のヘッドでもよい。
The
ここで、キャリッジ93は後方側(用紙搬送方向下流側)を主ガイドロッド91に摺動自在に嵌装し、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッド92に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ93を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ97で回転駆動される駆動プーリ98と従動プーリ99との間にタイミングベルト100を張装し、このタイミングベルト100をキャリッジ93に固定しており、主走査モータ97の正逆回転によりキャリッジ93が往復駆動される。
Here, the
一方、給紙カセット84にセットした用紙83を記録ヘッド94の下方側に搬送するために、給紙カセット84から用紙83を分離給装する給紙ローラ101及びフリクションパッド102と、用紙83を案内するガイド部材103と、給紙された用紙83を反転させて搬送する搬送ローラ104と、この搬送ローラ104の周面に押し付けられる搬送コロ105及び搬送ローラ104からの用紙83の送り出し角度を規定する先端コロ106とを設けている。搬送ローラ104は副走査モータ107によってギヤ列を介して回転駆動される。
On the other hand, in order to convey the
そして、キャリッジ93の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ104から送り出された用紙83を記録ヘッド94の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材109を設けている。この印写受け部材109の用紙搬送方向下流側には、用紙83を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ111、拍車112を設け、さらに用紙83を排紙トレイ86に送り出す排紙ローラ113及び114と、排紙経路を形成するガイド部材115、116とを配設している。
A
記録時には、キャリッジ93を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド94を駆動することにより、停止している用紙83にインク滴を吐出して1行分を記録し、用紙83を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙83の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙83を排紙する。
At the time of recording, the
また、キャリッジ93の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、記録ヘッド94の吐出不良を回復するための回復装置117を配置している。回復装置117はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ93は印字待機中にはこの回復装置117側に移動されてキャッピング手段で記録ヘッド94をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
Further, a
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段で記録ヘッド94の吐出口(ノズル)を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜(図示しない)に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
When a discharge failure occurs, the discharge port (nozzle) of the
上述したインクジェット記録装置50においては、振動板幅を工程内で容易・精度良く観測された液滴吐出ヘッド1、1aを用いて、低コスト化された記録ヘッド94を搭載しているので、安定したインク滴吐出特性を低コストで得られて、画像品質が向上する。
In the above-described ink
1、1a…液滴吐出ヘッド、2…振動板幅測定モニタ部、10…第1の基板、11…凹部、15…接着剤、17…液供給路、20…第2の基板、21…振動板、21a…透明膜、21b…不透明膜層、22…圧電素子、22a…下電極膜、22b…圧電体層、22c…上電極膜、23…絶縁膜、24…配線、25…電極端子部、31…液供給部、32…流体抵抗部、33…圧力発生室、34…寸法測定用ダミー圧力発生室、40…ノズル板、41…ノズル孔、45…バッキングプレート
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記流路形成基板の一方面側に振動板を介して前記各圧力発生室に対応して設けられ、前記振動板の撓みを変化させて前記各圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子と、
前記圧電素子側に当該圧電素子の動きを阻害しないための空間を確保した状態で接合された保護基板と、
前記流路形成基板に形成された、前記振動板の幅を測定するための振動板測定用モニタ部と、を備え、
前記保護基板には、前記振動板測定用モニタ部と接続される貫通孔が形成され、
前記振動板測定用モニタ部は、前記流路形成基板の前記圧力発生室列の最も端に位置する圧力発生室よりも外側に設けられた、前記圧力発生室と同一幅のダミー圧力発生室と、可視光に対して透明又は半透明な単層又は積層の、前記振動板に相当する仕切板とを備えること
を特徴とする液滴吐出ヘッド。 A flow path forming substrate in which a pressure generation chamber row in which a plurality of pressure generation chambers communicating with the nozzle holes are arranged in parallel is formed;
A piezoelectric element provided on one surface side of the flow path forming substrate in correspondence with each pressure generation chamber via a vibration plate, and causing a change in pressure in the pressure generation chamber by changing the deflection of the vibration plate; ,
A protective substrate bonded to the piezoelectric element side in a state where a space for preventing the movement of the piezoelectric element is secured;
A diaphragm measurement monitor for measuring the width of the diaphragm, formed on the flow path forming substrate,
In the protective substrate, a through-hole connected to the diaphragm measurement monitor unit is formed,
The diaphragm measurement monitor unit includes a dummy pressure generation chamber having the same width as the pressure generation chamber, provided outside the pressure generation chamber located at the end of the pressure generation chamber row of the flow path forming substrate. A liquid droplet ejection head comprising: a single layer or a laminate that is transparent or translucent to visible light , and a partition plate corresponding to the diaphragm.
を特徴とする請求項1に記載の液滴吐出ヘッド。 The through hole is formed integrally with an ink supply port for supplying ink to the pressure generating chamber;
The droplet discharge head according to claim 1.
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