JP6164516B2 - 液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Description
上記接続部を上記個別液室基板上の上記個別液室の配列方向の一端側に設け、上記液体供給孔を上記共通液室の該接続部が配置された一端側の端部に液体を供給するよう配置したことを特徴とするものである。
本発明では、駆動ICに外部からの駆動制御信号を入力する接続部を、低コスト化のため個別液室基板上の個別液室の配列方向の一端側に配置しても、共通液室への液体供給孔を上記配置とすることで接続部の発熱による温度上昇部を冷却できる。このため、液滴吐出ヘッド内の温度ムラが抑制できる。また、本発明では、液体供給孔を上記配置とするだけであり、ヒートパイプのような熱移動手段を別途設ける必要が無いので、液滴吐出ヘッドの大型化を招くおそれはない。
本実施形態の液滴吐出ヘッド50は、個別液室に圧力変動を発生する圧力発生手段として、圧電素子を用いたアクチュエータ方式を採用するものである。アクチュエータ方式は、幅広い物性のインクに対応可能である反面、従来、個別液室の配列の高密度化・ヘッドの小型化が困難とされてきた。しかし、近年、いわゆるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いることにより、高密度化・小型化する方法が確立されてきている。すなわち、個別液室に薄膜形成技術を用いて振動板、電極層、圧電体層などを積層したユニモルフ型のアクチュエータ形成する。これを、フォトリソグラフィ等の半導体デバイス製造プロセスを用いて個別の圧電素子と電極・配線部材等にパターニングすることで高密度化・小型化を図っている。
図4に示すように、ノズル板2、個別液室基板101、保持基板102、共通液室基板103およびフレーム部材104によりインク流路を形成している。図示しないインクタンクから、フレーム部材104のインク供給孔としてのインクポート107を介して、共通液室基板103の共通液室4にインクを供給する。共通液室4から、保持基板102の開口部21、個別液室基板101のインク供給口22、流体抵抗部23を介して、個別液室3内にインクを供給する。個別液室3の一壁面を形成する振動板14上に形成された圧電素子15を駆動して振動板14を変位することで、個別液室3内を昇圧させて、ノズル1からインクを吐出する。
<ノズル板>
ノズル板2は、インク吐出用のノズル1が配列している基板であり、材料は必要な剛性や加工性から任意のものを用いることができる。例えば、SUS,ニッケル等の金属または合金、シリコン、セラミックス等の無機材料、ポリイミド等の樹脂材料などを挙げることができる。ノズル1の加工方法は、基板の材料の特性と要求される精度・加工性から任意のものを選ぶことができ、電鋳めっき法、エッチング法、プレス加工法、レーザー加工法等、フォトリソグラフィ法等が挙げられる。ノズル1の開口径、配列数,配列密度は、インクヘッドに要求される仕様に合わせて最適な組み合わせを設定することができる。
個別液室基板101には、個別液室3の隔壁部、流体抵抗部23、インク供給口22が形成される。個別液室基板101の材料は加工性・物性から任意のものを用いることができるが、例えば、300dpi(約85[μm]ピッチ)ではフォトリソグラフィ法を用いることができるシリコン基板を用いることが好ましい。個別液室3の加工は任意のものを用いることができるが、前述のフォトリソグラフィ法を用いる場合は、ウェットエッチング法、ドライエッチング法のいずれかを用いることができる。いずれの手法でも、振動板14の個別液室3側を二酸化シリコン膜等とすることで、エッチストップ層とできるため、個別液室3の高さを高精度に制御することができる。
図5は、個別液室基板101の上面図である。図5に基づき、個別液室基板101の配線を説明する。個別液室3の上部に配列した圧電素子15に駆動信号を入力するために、圧電素子15を構成する上部電極152から個別配線17bを引き出し、下部電極151から共通配線17aを引き出す。上部電極152からは、後述する配線層の一部である個別配線17bを介して個別配線パッド(不図示)まで引き出され、駆動IC105と接続される。さらに、駆動IC105から配線17cを介して長手方向の一端側に設けられた接続パッド109まで引き出される。下部電極151は、共通配線17aを介して接続パッド109まで引き出される。接続パッド109は、FPC110(図1参照)によりヘッド外部回路(不図示)に接続される。
図6は、個別液室基板101とFPC110との接続を示す断面図である。接続パッド109は、ワイヤーボンディングによるワイヤー111によりFPC110に接続され、FPC110を介してヘッド外部回路(不図示)に接続される。
上述の個別液室基板101は20〜100[μm]厚と薄いため、個別液室基板101の剛性を確保するために保持基板102をノズル板2と対向する側に接合する。保持基板102の材料は任意の材料を用いることができるが、個別液室基板101の反りを防止するために熱膨張係数の近い材料を選定する必要がある。そのため、ガラス、シリコンやSiO2、ZrO2、Al2O3等のセラミックス材料とすることが好ましい。
共通液室基板103は、各個別液室3に連通し各個別液室3に供給するインクを収容する個別液室配列方向に長尺な共通液室4が形成されたものである。共通液室基板103の材料は必要な剛性や加工性から任意のものを用いることができる。例えば、SUS等の合金や、シリコン、セラミックス等の無機材料、エポキシやポリフェニレンサルファイド(PPS)などの樹脂材料をあげることができる。加工方法としては、材料に応じてエッチング、プレス加工、レーザー加工、フォトリソグラフィイ、射出成形などがある。
フレーム部材104は共通液室4とインクを受け渡しするインクポート107を形成する部品である。フレーム部材104の材料は必要な剛性や加工性から任意のものを用いることができる。例えば、SUS等の合金、エポキシやPPSなどの樹脂材料をあげることができる。加工方法としては、材料に応じてプレス加工、レーザー加工、射出成形などがある。
<実施例1>
個別液室基板101を、直径6インチのシリコンウェハを用いて作成する。厚さ600[μm]のシリコンウェハ上に、SiO2 0.6[μm]、Si 1.5[μm]、SiO2 0.4[μm]を積層することで3層構成の振動板14を形成した。この振動板14上に、下部電極151としてTi 20[nm]、Pt 200[nm]をスパッタリング法で成膜した。下部電極151上に、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を有機金属溶液に用いたゾルゲル法で厚さ2[μm]を成膜した後、700℃で焼成し、PZTの圧電体膜(不図示)を形成した。その後、圧電体膜上にPt 200[nm]をスパッタリング法で成膜して上部電極152とした。
圧電素子15の配列ピッチは85[μm]とし、圧電体の幅は40[μm]とした。圧電素子15の長手方向の長さは1000[μm]とし、1列あたりの圧電素子15の配列数は300個の4列配置とした。また、振動板14の可動部は個別液室3の隔壁上の部分にかからないようにした。これより、個別液室3に対応した振動板14の変形を阻害することがない。
図8は、実施例2の液滴吐出ヘッド50の組立斜視図である。図9は、図8からフレーム部材104を取り除いた斜視図である。実施例2は、実施例1の液滴吐出ヘッド50において、フレーム部材104に、インクポート107を設けた箇所と個別液室配列方向に対して反対側の共通液室4端部に連通するインクポート108を設けたものである。また、図9に示すように、共通液室4は、個別液室配列方向に関して均等に設けられている。この液滴吐出ヘッド50では、接続パッド109に近い側のインクポート107にインクタンクからのインクを供給し、反対側のインクポート108からインクタンクへインクを排出するよう構成する。このようにして、共通液室4内でインクの流れを作ることで、接続パッド109と反対側でインク流速が遅くなるのを防いで、インクの充填性を高めている。これは、例えば、ヘッドの小型化などの要求から、液滴吐出ヘッドの短手寸法が限られて共通液室のインク充填性が悪い場合に、実施例2の構成にすることで、温度分布を低減しつつインクの充填性も高めることが可能になる。
図11は、本実施形態の一例のインクジェット記録装置201の全体構成を示す側面図である。図12は、図11のインクジェット記録装置201の要部構成を示す平面図である。
このインクジェット記録装置201はシリアル型のインクジェット記録装置であり、左右の側板221A、221Bに横架したガイド部材である主ガイドロッド231、従ガイドロッド232でキャリッジ233を主走査方向に摺動自在に保持する。そして、図示しない主走査モータによってタイミングベルトを介して図12中の矢示方向(キャリッジ主走査方向)に移動走査する。このキャリッジ233には、イエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(K)の各色のインク滴を吐出するために、本発明に係る液滴吐出ヘッドからなる記録ヘッド234を装着している。
このように、インクジェット記録装置201では、本発明に係る液滴吐出ヘッドを記録ヘッドとして備えているので、信頼性の高い安定した滴吐出をおこなうことができて、高速で、印字ムラのない高画質画像を形成することができる。
(態様A)
複数のノズル1のそれぞれに連通する複数の個別液室3を形成した個別液室基板101と、複数の個別液室のそれぞれのノズル側とは反対側の壁面を構成する振動板14と、振動板の個別液室側の面とは反対側の面上に設けられ、各個別液室に圧力変動を発生する圧電素子15などの圧力発生手段と、個別液室の配列方向に沿って設けられ個別液室に連通してインクなどの液体を供給する共通液室4と、インクタンクなどの液体タンクから共通液室に液体を供給するためのインクポート107などの液体供給孔と、圧力発生手段を駆動する駆動IC105と、駆動ICに外部からの駆動制御信号を入力するための接続パッド109などの接続部とを備えた液滴吐出ヘッドにおいて、接続部を個別液室基板上の個別液室の配列方向の一端側に設け、液体供給孔を共通液室の接続部が配置された一端側の端部に液体を供給するよう配置する。
これによれば、上記実施形態に説明したように、液滴吐出ヘッドの小型化や低コスト化を図りつつ、駆動ICへの接続部の発熱による液滴吐出ヘッド内の温度ムラを抑制できる。
(態様A)において、液体供給孔を設けた箇所と個別液室の配列方向に対して反対側の共通液室の端部に連通するインクポート108などの液体排出孔を設ける。これによれば、接続部に近い液体供給孔から反対側に向かって共通液室内で液体の流れを作ることで、反対側で液体流速が遅くなるのを防いで、液体の充填性を高めている。このように、温度分布を低減しつつ液体の充填性も高めることができる。
(態様A)または(態様B)のいずれかの液滴吐出ヘッドを搭載する液滴吐出装置である。これによれば、吐出特性のバラツキが少なくなり、液滴吐出が安定する。
(態様A)または(態様B)のいずれかの液滴吐出ヘッドを搭載し、液滴吐出ヘッドのノズルから記録液を媒体に吐出して画像を形成する画像形成装置である。これによれば、記録材への吐出特性のバラツキが少なくなり、印字ムラが抑制される。
2 ノズル板
3 個別液室
4 共通液室
10 ノズル列
11 下部電極
12 圧電素子
13 上部電極
14 振動板
15 圧電素子
20 接続パッド
50 液滴吐出ヘッド
101 個別液室形成基板
102 保持基板
103 共通液室形成基板
104 フレーム部材
105 駆動IC
107 インクポート(液体供給孔)
108 インクポート(液体排出孔)
109 接続パッド
110 FPC
201 インクジェット記録装置
210 インクカートリッジ
224 供給ユニット
233 キャリッジ
234 記録ヘッド
234a、b 液滴吐出ヘッド
235 サブタンク
236 供給チューブ
237 搬送ガイド
401 インクジェット記録装置
405 搬送機構
406 排紙トレイ
411 記録ヘッド
412 維持回復機構
413 ヘッドホルダ
Claims (4)
- 複数のノズルのそれぞれに連通する複数の個別液室を形成した個別液室基板と、該複数の個別液室のそれぞれのノズル側とは反対側の壁面を構成する振動板と、該振動板の該個別液室側の面とは反対側の面上に設けられ、各個別液室に圧力変動を発生する圧力発生手段と、該個別液室の配列方向に沿って設けられ該個別液室に連通して液体を供給する共通液室と、液体タンクから該共通液室に液体を供給するための液体供給孔と、該圧力発生手段を駆動する駆動ICと、該駆動ICに外部からの駆動制御信号を入力するための接続部とを備えた液滴吐出ヘッドにおいて、
上記接続部を上記個別液室基板上の上記個別液室の配列方向の一端側に設け、上記液体供給孔を上記共通液室の該接続部が配置された一端側の端部に液体を供給するよう配置したことを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 請求項1に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
上記液体供給孔を設けた箇所と上記個別液室の配列方向に対して反対側となる上記共通液室の端部に液体排出孔を設けたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 請求項1または2のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを搭載することを特徴とする液滴吐出装置。
- 請求項1または2のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを搭載し、該液滴吐出ヘッドのノズルから記録液を媒体に吐出して画像を形成することを特徴とする画像形成装置。
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