JP6321454B2

JP6321454B2 - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JP6321454B2
Application number: JP2014105509A
Authority: JP
Inventors: 敬三郎山本
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba TEC Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba TEC Corp
Priority date: 2014-05-21
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2034-05-21
Also published as: JP2015217665A

Description

一実施形態はインクジェットヘッドに関する。

従来、圧電素子を用いたインク循環型シェアモードシェアウォール式インクジェットプリントヘッドが知られており（例えば特許文献１参照）、ベース基板には３列又は４列の貫通孔が形成されている。３列の場合、中央列がインク供給穴であり、この中央列の両サイドの列がインク排出穴であり、アクチュエータ駆動のための電極配線は、これらのインクの供給穴または排出穴を避ける様に配線されている。この様なインクジェットヘッドは、循環インクによりノズルから吸い込んだ気泡やゴミをノズル近傍から除去できるとともに、アクチュエータ部が発熱した熱を放熱する効果がある。

各溝の溝底面及び溝底面から両側に起立する溝壁面には金属膜による電極が設けられており、これらの溝の電極から電極パターンが引出され基板面上でインク排出穴を避けてドライバＩＣへと配線される。

特開２０１２−６１８２８号公報

しかし、アクチュエータ部の溝ピッチが狭くなって解像度が高密度になると、インク排出穴である貫通孔を避けて配線される電極パターンの製造が困難になる。アクチュエータ部のチャネルピッチがより高密度になるにつれて基板上において貫通孔間で配線パターンのラインアンドスペースが高密度となるからである。一方電極パターンの製造を可能とするため電極パターンの密度を緩和して低下させるためには、貫通孔の数を減らすことを要する。しかし、貫通孔を減らすことは、インク流路出口側に貫通孔が存在する溝と、出口側に貫通孔が存在しない溝とを並置することとなって、アクチュエータ間での流路抵抗が異なるという問題がある。

このような課題を解決するため、一実施形態によれば、絶縁性の基板面を有する基板と、この基板の前記基板面上に一方向に沿って設けられた複数の溝およびそれぞれ前記基板面に対して傾斜し前記溝毎に一対の傾斜端面を有する駆動部材と、この駆動部材の一方の傾斜端面側においてそれぞれ前記溝の配列方向と並行に前記基板に貫通形成された複数の孔のうちの隣接する二孔間を通って各溝から前記基板面上へ引出される複数の第１層の電極パターンと、これらの第１層の電極パターン上に成膜された絶縁膜と、この絶縁膜上に前記複数の溝から引出されそれぞれ前記隣接する二孔間を通る複数の第２層の電極パターンと、を備えるインクジェットヘッドが提供される。

実施の形態に係るインクジェットヘッドの分解斜視図である。実施の形態に係るインクジェットヘッドの部分的な上面斜視図である。実施の形態に係るインクジェットヘッドに用いられるヘッド本体の斜視図である。実施の形態に係るインクジェットヘッドに用いられる第１層及び第２層の電極パターンの平面図である。実施の形態に係るインクジェットヘッドの第１層の電極パターンの形成工程を示す図である。実施の形態に係るインクジェットヘッドの絶縁層の形成工程を示す図である。実施の形態に係るインクジェットヘッドの第２層の電極パターンの形成工程を示す図である。実施の形態の変形例に係るインクジェットヘッドに用いられる第１層及び第２層の電極パターンの平面図である。

以下、実施の形態に係るインクジェットヘッドについて、図１乃至図８を参照しながら説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付すとともに、重複した説明は省略する。

図１は実施の形態に係るインクジェットヘッドの分解斜視図である。このインクジェットヘッドは圧電素子を用いたインク循環型シェアモードシェアウォール式インクジェットプリントヘッドであり、マスクプレート５０と、複数のノズル孔１０を有するノズル基板１１と、このノズル基板１１により覆われノズル孔１０から液滴を吐出するヘッド本体１２と、このヘッド本体１２にインクを供給しインクを排出するマニフォールド部１３と、フレキシブルプリント配線板１４上に設けられヘッド本体１２を吐出駆動する複数のドライバＩＣ１５とを備えている。マニフォールド部１３はインク流路の分岐部兼結合部であり、このマニフォールド部１３の内部には、インクの供給用の管１６に連通するインク供給路５１と、それぞれインクの排出用の管１７に連通する２系統のインク排出路５２、５３とが設けられている。

図２は本実施形態に係るインクジェットヘッドの部分的な上面斜視図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。本実施形態に係るインクジェットヘッドは、基板面２８を有する絶縁性のベース基板１８（基板）と、このベース基板１８の基板面２８上にノズル配列方向に沿って設けられた複数の溝２０およびそれぞれ基板面２８に対して傾斜し溝２０毎に一対の傾斜端面２９、３０を有する駆動部材である圧電部材１９と、この圧電部材１９の一方の傾斜端面３０側においてそれぞれ溝２０の配列方向と並行にベース基板１８に貫通形成された複数の貫通孔２６（孔）と、を備えている。更に本実施形態に係るインクジェットヘッドはそれぞれ複数の貫通孔２６のうちの隣接する二つの貫通孔２６間を通って各溝２０から基板面２８上へ引出される複数本の第１層の電極パターン３３と、これらの第１層の電極パターン３３上に成膜された絶縁膜３４と、この絶縁膜３４上に複数の溝２０から引出されそれぞれ隣接する二つの貫通孔２６間を通る複数の第２層の電極パターン３５と（同図では一つのみを表示している）を備えている。

図３はヘッド本体の斜視図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。ベース基板１８には例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が用いられる。このベース基板１８上に２つの圧電部材１９が設けられており、これらの圧電部材１９にインクの圧力室となる複数の溝２０が形成されている。これらの溝２０がアクチュエータ部を構成する。２つの圧電部材１９にはＰＺＴ（ｌｅａｄｚｉｒｃｏｎａｔｅｔｉｔａｎａｔｅ：チタン酸ジルコン酸鉛）が用いられる。これらの圧電部材１９は枠部材２１により囲まれており、この枠部材２１、ノズル基板１１の裏面及びベース基板１８の上面によってインクの共通液室２２、２３、２４が形成され、これらの共通液室２２、２３、２４と、各溝２０との間でインクが流動可能になっている。

また、ベース基板１８には、インク供給路５１に連通する複数の貫通孔２５と、インク排出路５２に連通する複数の貫通孔２６と、インク排出路５３に連通する複数の貫通孔２７とが３列にそれぞれ列状に形成されている。複数の貫通孔２５経由でインク供給路５１からのインクが共通液室２３に供給されると、インクはこれらの溝２０を通って共通液室２２、２４へ流入し、ドライバＩＣ１５からの電圧信号による圧力室の容積の変化によってインクがノズル孔１０から吐出するようになっている。インクは複数の貫通孔２６経由でインク排出路５２へ排出されるとともに複数の貫通孔２７経由でインク排出路５３へ排出されるようになっている。

また、図２では複数の貫通孔２６よりも傾斜端面３０寄りにはそれぞれ複数の溝２０に導通する複数の電極３１が形成されている。これらの電極３１のうちの一つおきに基板面２８から積層する方向に例えば二層状の層状電極３２が形成されている（なお電極３１は傾斜端面３０上でパターン幅を有する。層状電極３２は図示の形状に限定されるものではない）。複数の第１層の電極パターン３３は、層状電極３２以外の他の電極３１から引出されている。

図４はインクジェットヘッドに用いられる電極パターンの平面図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。隣接する貫通孔２６の孔間距離はベース基板１８の基板サイズに比べて小さい。第１層の複数本の電極パターン３３の配線経路は、溝ピッチが狭い溝２０の溝端から引き出され、傾斜端面３０上をそれぞれ這い降りて基板面２８上に導かれ、配線パターン５４、５５（図２等）を介してフレキシブルプリント配線板１４のドライバＩＣ１５へ接続されている。また、絶縁膜３４の圧電部材１９側の膜端は、傾斜端面３０上の溝端に合わせられてもよい。第２層の電極パターン３５の本数は、隣接する二つの貫通孔２６間の孔中心間の距離範囲およびこれらの第２層の配線パターン３５のパターン幅に応じて決められる。

以上を総括すると、本実施形態に係るインクジェットヘッドは、一方が板厚方向に分極する圧電板を積層させて圧電部材１９として接着したベース基板１８と、このベース基板１８に交互に形成した圧電素子からなる多数の側壁、溝２０及び側壁に設けた電極３１と、溝２０の端面部又は上面部を覆うノズル基板１１とを備える。このインクジェットヘッドは、このノズル基板１１をベース基板１８に貼り付けて形成される多数の圧力室によって、側壁を圧電変形することによりインクを圧縮してノズル孔１０からインク滴を吐出して印字を行う。本実施形態に係るインクジェットヘッドは、全ての電極３１のうち、例えば一つおきに部分的に積層方向に層状に電極配線を形成しており、電極配線の積層間に絶縁膜３４を形成する構造を有している。

次に上述の構成の本実施形態に係るインクジェットヘッド（図２）の作用動作について述べると、プリンタ本体からの駆動信号の受信により、何れかのドライバＩＣ１５はパルス電圧信号を印可する。電極パターン３３に導通する溝２０の圧力室内で電界が発生し、この圧力室内の隔壁が変形する。この変形では電界発生によって圧力室の側壁面がこの圧力室内方へ出っ張り変形し、電界消滅によって変形が元に戻る。圧力室の容積が拡張し縮小することにより、インクが加圧され、インクジェットヘッドは液滴をノズル孔１０から吐出し液弾が被記録媒体へ発射される。マニフォールド部１３から供給されたインクは共通液室２３から左右の全ての圧力室に充填され、これらの圧力室を通過したインクは左右の共通液室２２、２４を経て排出される。

図５は本実施形態に係るインクジェットの第１層の電極パターン３３の形成工程を示す図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。最初に、ベース基板１８の基板面２８上に第１層の電極パターン３３を一溝おきに形成する。つまりダイシングソーなどで溝２０の加工をしてアクチュエータ部が形成されることとなるベース基板１８に、一溝おきの配線となる様に１回目の電極形成を行う。（図５）。このとき、インク排出穴である貫通孔２６間の配線パターンは、貫通孔２６間を配線するアクチュエータ部の本数に対して約半分の本数を配列できる様なライン/スペースで形成してもよい。２つの貫通孔２６間の基板面２８上領域に複数本の第１層の電極パターン３３が形成される。

図６は本実施形態に係るインクジェットの絶縁層の形成工程を示す図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。次に、溝部を除き複数本の電極パターン３３の上に絶縁膜３４を成膜する。絶縁膜３４の圧電部材１９側の膜端は、傾斜端面３０上の複数の溝２０の溝端３６に合わせられてもよい。絶縁膜３４の形成は、接着剤を、スプレー法等を用いて塗布する方法を用いてもよい。

図７は本実施形態に係るインクジェットの第２層の電極パターン３５の形成工程を示す図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。続いて、絶縁膜３４上に第２層の電極パターン３５を一溝おきに形成する。溝部を含め絶縁膜３４上に電極膜を形成し、１回目の電極形成でアクチュエータ部に配線されていない他のアクチュエータ部に配線する様にパターン形成が行われる。貫通孔２６間の配線は、絶縁膜３４を上下に挟み１回目の電極パターン３３に積層されるように配線される。２つの貫通孔２６間の基板面２８上領域に複数本の第２層の電極パターン３５が形成される。貫通孔２６間の狭部の領域を基板面２８上に配線した後は、電極パターン３３、３５はこの基板面２８上で圧電部材１９の長手方向に拡がる（図２参照）。これらの電極パターン３３、３５の配線順番は、配線パターン５４、５５等を介してアクチュエータ部の配列順番に等しくなるように配線される。

このようにインク循環型シェアモードシェアウォール式インクジェットプリントヘッドにおいて、アクチュエータ部のチャネルピッチがより高密度になっても、インク排出穴（貫通孔２６）の数を減らすことなく配線パターンを形成できる。

本実施形態に係るインクジェットヘッドによれば、二層に積層された配線積層間に接着剤等の絶縁膜３４を形成した構造にすることで、貫通孔２６間の狭部の電極配線パターンの１本あたりの線幅広がりを抑えつつ、配線抵抗値を上げずに配線でき、製造上の電極形成を容易かつ確実に配線する事ができるようになる。更に、アクチュエータ部の配列を高密度で実装でき、一方製造面でも安価で信頼性の高いインクジェットヘッドが製造できるようになる。

また、図８は変形例に係るインクジェットヘッドに用いられる電極パターンの平面図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。同図以外の構成は上記実施の形態に係るインクジェットヘッド（図１、図２等）と同じ構成である。

図８に示す電極パターンがベース基板３７上に形成される場合、製造時、溝ピッチの形成に余裕が生じるため、インク排出穴である貫通孔２６間を避けた配線パターンの製造がより図４の例と比べてし易い。貫通孔２６のサイズや個数、位置は、例えば単位時間当たりのインクの供給量及びインクの排出量に応じて予め決められる。貫通孔２６の数を減らすことで、インクの循環パターンが図４の例と異なるが、貫通孔２６の数を減らしても、印字に影響が生じないように予め決められている。

複数の溝２０は入口、流路及び出口を有し、この入口が傾斜端面２９に開口し、出口が傾斜端面３０側に開口している。貫通孔２６の数が例えば３個などである場合、溝出口側に貫通孔２６が存在する溝２０と、貫通孔２６が存在しない溝２０とが並置される。流路抵抗が小さい溝２０と、流路抵抗が大きい溝２０とが生じる。溝２０間で流路抵抗値が異なる。インクは図示しないインク循環系を通って冷却されるが、インクの流れ易さはインクの冷却のし易さに直結する。また元々インクは温度に応じて粘性が異なるものである。図８の電極パターンを有するインクジェットヘッドは、溝２０間で流路抵抗が異なること、及びインク温度が異なることを考慮して、印字可能である。

なお図２では、層状電極３２の形状は一例であり、基板面２８から積層方向、即ち高さ方向で異なる２箇所で電気的に接触していれば足りる。複数層状電極３２の形状は例えば水平溝状、水平隔壁状や放熱フィンのような凹凸の繰り返し形状や段差状にするなど変形可能であり、この層状電極３２自体の形状、寸法、外形範囲や電極片の形状等の変更をして実施をしたに過ぎない実施品に対して実施形態に係るインクジェットヘッドの優位性は何ら損なわれるものではない。上記例では絶縁膜３４を挟んで２層の電極配線であったが、絶縁膜３４を更に多層にして３層以上にしてもよい。ベース基板には３列の貫通孔２５、２６、２７が形成されていたが、４列の貫通孔を設けてもよい。基板辺縁から第１、第２、第３及び第４列としたとき、第２列の貫通孔をインク供給路とし、第１列の貫通孔をインク排出路とするとともに、第３列の貫通孔を別のインク供給路とし、第４列の貫通孔を別のインク排出路としてインクジェットヘッドを構成してもよい。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１８、３７…ベース基板(基板)、１９…圧電部材(駆動部材)、２０…溝、２６…孔（貫通孔）、２８…基板面、２９、３０…一対の傾斜端面、３３…第１層の電極パターン、３４…絶縁膜、３５…第２層の電極パターン。

Claims

絶縁性の基板面を有する基板と、
この基板の前記基板面上に一方向に沿って設けられた複数の溝およびそれぞれ前記基板面に対して傾斜し前記溝毎に一対の傾斜端面を有する駆動部材と、
この駆動部材の一方の傾斜端面側においてそれぞれ前記溝の配列方向と並行に前記基板に貫通形成された複数の孔のうちの隣接する二孔間を通って各溝から前記基板面上へ引出される複数の第１層の電極パターンと、
これらの第１層の電極パターン上に成膜された絶縁膜と、
この絶縁膜上に前記複数の溝から引出されそれぞれ前記隣接する二孔間を通る複数の第２層の電極パターンと、
を備えるインクジェットヘッド。
前記第２層の電極パターンの本数は、前記隣接する二孔間の孔中心間の距離範囲および前記第２層の配線パターンのパターン幅に応じて決められる請求項１記載のインクジェットヘッド。
前記絶縁膜の前記駆動部材側の膜端は、前記一方の傾斜端面上の前記複数の溝の溝端に合わせられる請求項１記載のインクジェットヘッド。
前記駆動部材の前記一方の傾斜端面上には、前記複数の孔よりも前記一方の傾斜端面側に設けられ、それぞれ前記複数の溝に導通する複数の電極と、
これらの電極のうちの一部に前記溝の配列方向で一個以上設けられ、前記基板面から積層する方向に複数層状の層状電極と、を更に備え、
前記複数の第１層の電極パターンは、前記複数の電極のうちの前記層状電極と異なる他の電極から引出される請求項１記載のインクジェットヘッド。