JP7041547B2 - インクジェットヘッド、インクジェットプリンタ、インクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
ヘッド基板は、フレキシブル基板、中継基板、ケーブル等を介してプリンタ制御部に接続する。複数の素子を駆動する駆動ICは、フレキシブル基板に実装される場合がある。
プリンタ制御部からの指令に基づいて駆動ICから駆動電力が出力されて、各素子に供給される。これにより、複数の素子が変形や発熱などして圧力室内のインク圧力が高まり、ノズルからインクが吐出される。
コモン配線は、フレキシブル基板を介さずに別経路で敷設されたり、フレキシブル基板の駆動ICを経由して敷設されたりする。
コモン配線をフレキシブル基板とは別経路で敷設すると、配線が長くて複雑になる。このため、ノイズの影響を受けやすくなったり、電圧降下による吐出特性の劣化を招いたりする。また、配線接続作業が煩雑になる。
コモン配線をフレキシブル基板の駆動ICを経由して敷設すると、コモン配線を伝搬するノイズにより駆動ICの誤動作が発生する。また、コモン配線が細くなって電圧降下による吐出特性の劣化を招く。コモン配線を太くすると、駆動ICの実装面積が大きくなり、装置の小型化が阻害される。
(インクジェットヘッド3)
図1は、実施形態のインクジェットヘッド3の電気回路の概略構成を示す図であって、(a)は一般例、(b)は変形例である。
インクジェットプリンタ1は、複数のインクジェットヘッド3を備える。また、インクジェットプリンタ1は、インクジェットヘッド3に向けてインクを供給するインク供給部やインクジェットヘッド3に向けて記録媒体を搬送する媒体搬送部、プリンタ制御部等を備える(いずれも不図示)。
複数のアクチュエータ(素子)7は、一端が個別配線11に接続され、他端がコモン配線16に接続される。
個別配線11は、アクチュエータ7毎に個別に接続する配線であり、駆動IC8に接続される。コモン配線16は、全てのアクチュエータ7に接続する共通の配線であり、接地される。すなわち、各アクチュエータ7は、別々の個別配線11を介して駆動IC8の駆動回路に接続され、共通するコモン配線16を介して基準電位GND(0V)に接続される。
図3は、第一実施形態のインクジェットヘッドを示す図であって、(a)は図2(b)のA-A断面図、(b)図2(b)のB-B断面図、(c)は図2(b)のC部拡大図、(d)は図2(b)のD部拡大図、(e)は図2(b)のE部拡大図である。(c)~(e)は、説明の都合上、各配線のみを図示している。
ヘッド基板10は、インク室(不図示)に対応する複数のアクチュエータ7が配置される。ヘッド基板10に対して、フレキシブル基板20と中継基板30が接合される。
ヘッド基板10の短手方向をY方向または上下方向という。+Y方向を上側または出力側、-Y方向を下側または入力側という。
ヘッド基板10の厚み方向をZ方向という。+Z方向を表側、-Z方向を裏側という。
また、電気的に繋ぎ合わせることを接続、物理的に繋ぎ合わせることを接合と表現する。
ヘッド基板10の入力側の辺縁部10bにフレキシブル基板20の出力側の辺縁部20aが重ねられる。中継基板30の出力側の辺縁部30aにフレキシブル基板20の入力側の辺縁部20bが重ねられる。
ヘッド基板10は、シリコンまたはガラスからなる硬質の片面基板であり、平面形状が矩形である。このヘッド基板10は、複数のアクチュエータ7を有する。アクチュエータ7は、圧電素子(ピエゾ素子)である。複数のアクチュエータ7は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)によって形成されて、ヘッド基板10の表面10sに配置される。アクチュエータ7は、例えば1000個である。
複数のアクチュエータ7は、左下側から右上側に向かって列をなす。このようなアクチュエータ7の列が左右方向に沿って並列に複数配置される。1つの列をなすアクチュエータ7の数は、例えば20個である。アクチュエータ7の列の数は、例えば50列である。
個別配線11は、表面10sにおいて、各アクチュエータ7から入力側の辺縁部10bまで並列に敷設される複数の配線である。個別配線11には、駆動電位V1または基準電位GNDが供給される。
個別配線11の本数は、アクチュエータ7の個数と同数である。個別配線11は、例えば1000本である。
コモン配線16には、基準電位GNDが供給される。
個別配線11は、辺縁部10bの左右側に二分割して配置されるため、アクチュエータ7と辺縁部10bの間で、X方向に対して傾斜するように敷設される。
辺縁部10bにおいて、個別配線11は、線幅が20μm、配線間隔が20μm、配置間隔(ピッチ)が40μmである。コモン配線16L,16Rは、線幅が0.8mmである(図3(c)、図3(d)参照)。
フレキシブル基板20は、ポリイミドなどの合成樹脂フィルムからなる軟質の片面基板であり、平面形状が矩形である。フレキシブル基板20は、可撓性フィルム基板またはフレキシブルフィルム基板(FPC、Flexible Printed Circuit)とも呼ばれる。左側のフレキシブル基板(第一フレキシブル基板)20Lと右側のフレキシブル基板(第二フレキシブル基板)20Rは、同一形状、同一構成である。
フレキシブル基板20は、駆動IC8のパッケージと考えることができるため、駆動IC8をフレキシブル基板20に搭載した封止状態で、TCP(テープキャリアパッケージ)あるいはCOF(チップオンフィルム)パッケージとも呼ばれる。
コモン連絡配線26を除く配線は、駆動IC8に接続する。すなわち、出力配線21、入力配線22、電源配線23、グランド配線24及び出力モニタ配線25は、駆動IC8に接続する。
一方、コモン連絡配線26は、駆動IC8や他の配線に接続することなく、独立して敷設される。
出力配線21の本数は、個別配線11の本数の半分である。出力配線21は、例えば500本である。
入力配線22の本数は、出力配線21の本数よりも少ない。入力配線22は、例えば50本である。
電源配線23は、駆動IC8の裏面に設けられた複数の電源端子(不図示)に接続する。電源配線23は、駆動電位V1が供給される。
グランド配線24は、駆動IC8の裏面に設けられた複数のグランド端子(不図示)に接続する。グランド配線24には、基準電位GNDが供給される。
電源配線23とグランド配線24は、それぞれ1本ずつであり、電源配線23が出力側・左右外側に配置され、グランド配線24が入力側・左右内側に配置される。
出力モニタ配線25は、左右側にそれぞれ1本ずつ配置される。各出力モニタ配線25は、出力配線21の端部から入力側に引き出され、駆動IC8の実装領域から左右両端に向かい、さらに直角に曲がって辺縁部20bまで敷設される。出力モニタ配線25は、電源配線23の出力側・左右外側に配置され、電源配線23に対して並列に敷設される。
フレキシブル基板20の辺縁部20aには複数の入力配線22が並び、その外側にはグランド配線24が、さらにその外側には電源配線23が敷設される。フレキシブル基板20は片面基板であるので、フレキシブル基板上の配線は他の配線を跨ぐことができない。
もっとも、フレキシブル基板20においては、コモン連絡配線26と駆動IC8が分離しているので、出力モニタ配線25の経路は出力配線21のいずれかを起点にコモン連絡配線26と電源配線23との間を通って他の配線を跨がずに辺縁部20bに至るよう敷設することができる。
なお、グランド配線24の外側に電源配線23が敷設される場合に限らず、電源配線23の外側にグランド配線24を敷設する場合であってもよい。
フレキシブル基板20の導体(各配線)は、ヘッド基板10の導体の約20倍の厚みを有するので、ヘッド基板10の導体に比べるとシート抵抗が十分に低い。シート抵抗が高いヘッド基板10の導体の幅(線幅)を小さくしてしまうと配線抵抗が大きく増加するのに対して、シート抵抗が低いフレキシブル基板20の導体の幅(線幅)を小さくしても抵抗増加の影響は比較的少ない。導体の幅を狭くしても比較的抵抗増加の影響が少ないポリイミドフィルム側の出力配線21の導体の幅は18μmと狭くし、その分配線間隔を22μmと広く取ることによって抵抗増加を抑えつつ接続時にズレが生じたとしても絶縁不良を起こし難いようにしている。
フレキシブル基板20の導体(各配線)は、ヘッド基板10の導体の約20倍の厚みを有するので、ヘッド基板10の導体に比べるとシート抵抗が十分に低い。シート抵抗が高いヘッド基板10の導体の幅(線幅)を小さくしてしまうと配線抵抗が大きく増加するのに対して、シート抵抗が低いフレキシブル基板20の導体の幅(線幅)を小さくしても抵抗増加の影響は比較的少ない。導体の幅を狭くしても比較的抵抗増加の影響が少ないポリイミドフィルム側のコモン連絡配線26の導体の幅を0.4mmとすることによって抵抗増加を抑えつつポリイミドフィルムのX方向の長さを抑えることができる。これによってフレキシブル基板20とヘッド基板10との接合の作業性を向上させ、製造コストを抑え、かつフィルムのコストを抑えることができる。
これにより、ヘッド基板10の辺縁部10bの左側にフレキシブル基板20Lを接合すると、コモン連絡配線26Lがコモン配線16Lに接続し、出力配線21が個別配線11にそれぞれ接続する(接続箇所)。
また、ヘッド基板10の辺縁部10bの右側にフレキシブル基板20Rを接合すると、コモン連絡配線26Rがコモン配線16Rに接続し、出力配線21が個別配線11にそれぞれ接続する(接続箇所)。
フレキシブル基板20とヘッド基板10の間にACFを挟んでヒーターなどで熱圧着すると、フレキシブル基板20とヘッド基板10が接合し、さらに、各配線同士が電気的に接続する。例えば、コモン配線16L,16Rとコモン連絡配線26L,26Rが電気的に接続する。
中継基板(プリント基板)30は、ガラス繊維入りのエポキシ樹脂層と銅配線層を多重に積層した硬質のスルーホール基板であり、平面形状が矩形である。
中継基板30は、電子部品やコネクタ(いずれも不図示)を有する。また、中継基板30は、入力配線32、電源配線33、グランド配線34、出力モニタ配線35を有する。
出力モニタ配線35は、中継基板30の表面30sに立設するモニタピン37に接続する。
入力配線32の本数は、入力配線22の本数(例えば50本×2)と同数である。個別配線11は、例えば100本である。
入力配線32には、駆動IC8に対する制御信号がプリンタ制御部からシリアル通信により入力(供給)される。つまり、入力配線32には、アクチュエータ7を制御するための制御信号がコネクタ等を介してプリンタ制御部から入力(供給)される。
電源配線33には、アクチュエータ7を駆動するための駆動電位V1がコネクタ等を介して電源部(図2(b)参照)から供給される。
辺縁部20aの左右側において、2本のグランド配線34は、2本の電源配線33の内側に並列に敷設される。辺縁部20aの左右両端において、グランド配線34L,34Rは、電源配線33の外側に並列に敷設される。
グランド配線34には、アクチュエータ7を放電させる基準電位GNDがコネクタを介して電源部から供給される。
出力モニタ配線35は、辺縁部30aにおいて表面30sに露出し、辺縁部30a以外では内層に配置される。
辺縁部30aにおいて、出力モニタ配線35は、電源配線33の外側に敷設される。辺縁部30aの中央において、2本の出力モニタ配線35が並列に配置される。辺縁部20aの左右両端において、出力モニタ配線35がグランド配線34L,34Rと電源配線33の間に並列に敷設される。
導体の幅を狭くしても比較的抵抗増加の影響が少ない中継基板側の入力配線32の導体の幅を0.1mmにして、入力配線22の導体の幅0.15mmよりも狭くした。入力配線32の分配線間隔を0.2mmと広くすることによって抵抗増加を抑えつつ、接続時にズレが生じたとしても絶縁不良を起こし難いようにしている。
つまり、上述したヘッド基板10の個別配線11とフレキシブル基板20の出力配線21との関係と同様である。
シート抵抗の異なる2つの配線基板を接続する際に、シート抵抗の大きい側の基板(第一配線基板)における配線(第一配線)の線幅と配線間隔を1:1に設定し、シート抵抗の小さい側の基板(第二配線基板)における配線(第二配線)が第一配線と同ピッチであっても線幅を配線間隔よりも狭く設定する。こうすることによって抵抗増加を抑えつつ接続時にズレが生じたとしても絶縁不良を起こし難い接続が得られる。
また、中継基板30の辺縁部30aにおいて、右側から中央に向けて、グランド配線34R、出力モニタ配線35、電源配線33、グランド配線34、複数の入力配線32、グランド配線34、電源配線33、出力モニタ配線35の順に配置される。
また、中継基板30の辺縁部30aの右側にフレキシブル基板20Rを接合すると、各配線同士が接続する。すなわち、入力配線32が入力配線22、電源配線33が電源配線23、グランド配線34がグランド配線24、出力モニタ配線35が出力モニタ配線25にそれぞれ接続する。グランド配線34Rは、フレキシブル基板20Rのコモン連絡配線26Rにそれぞれ接続する(接続箇所)。
中継基板30の辺縁部30aとフレキシブル基板20の辺縁部20bの間にACFを挟んでヒーターなどで熱圧着すると、中継基板30と2枚のフレキシブル基板20が接合し、さらに、各配線同士が電気的に接続する。例えば、コモン連絡配線26L,26Rとグランド配線34L,34Rが電気的に接続する。
フレキシブル基板20は、ポリイミドなどの合成樹脂からなるスプロケットフィルムFに連なって形成される。複数のフレキシブル基板20は、スプロケットフィルムFに形成された状態で、インクジェットヘッド3の組立工場等に供給(搬送)される。
コモン配線16とコモン連絡配線26の接続箇所の電気抵抗が大きいと、アクチュエータ7の駆動電圧が低下してインク吐出の安定性が損なわれたり、コモン配線16が発熱して耐久性が損なわれたりする。
したがって、ヘッド基板10とフレキシブル基板20の接合時の位置合わせ精度が高くならず、接合を容易に行うことができる。
例えば、図1(b)に示すように、スイッチを切り替えて、アクチュエータ7に負電位V2を供給することができる。これにより、アクチュエータ7を分極処理することができる。
また、電位V2を可変にして、アクチュエータ7に与えるバイアス電圧を調整することもできる。
これにより、中継基板30において駆動IC8の出力波形を確認することができる。言い換えれば、従来のように、フレキシブル基板20において駆動IC8の出力波形を確認する必要がない。
したがって、インクジェットヘッド3の開発時や故障解析時に、駆動IC8の出力波形を容易に確認することができる。
(インクジェットヘッド4)
図5は、第二実施形態のインクジェットヘッド4を示す図であって、(a)は接合前、(b)は接合後を示す。説明の都合上、フレキシブル基板40と中継基板30は、基板を透過して配線等を図示している。
第一実施形態のインクジェットヘッド3と同一の部材等には、同一の符号を付して、その説明を省略する。
フレキシブル基板40は、フレキシブル基板20とほぼ同一構成である。
左側のフレキシブル基板40Lはコモン連絡配線26Rを有さず、右側のフレキシブル基板40Rはコモン連絡配線26Lを有しない。すなわち、フレキシブル基板20からコモン連絡配線26Rを切り取ったものがフレキシブル基板40Lであり、フレキシブル基板20からコモン連絡配線26Lを切り取ったものがフレキシブル基板40Rである。
フレキシブル基板40は、ポリイミドなどの合成樹脂からなるスプロケットフィルムFに連なって形成される。複数のフレキシブル基板40は、スプロケットフィルムFに形成された状態で、インクジェットヘッド4の組立工場等に供給(搬送)される。
スプロケットフィルムFに形成されたフレキシブル基板40は、第一実施形態のフレキシブル基板20と同一構成である。つまり、スプロケットフィルムFに形成されたフレキシブル基板40は、2本のコモン連絡配線26を有する。
また、スプロケットフィルムFから個々のフレキシブル基板40Lを切り取るとき、コモン連絡配線26RをスプロケットフィルムFに切り残す(図6の破線)。つまり、フレキシブル基板40からコモン連絡配線26Rを除去する。これにより、フレキシブル基板40Lとして、ヘッド基板10等に接合可能になる。
カットラインを異ならせるだけなので、製造効率が向上する。複数種類の基板を製造する必要がないので、コスト低減できる。
これにより、ヘッド基板10において、左右に二分割した複数の個別配線11を、中央部に近づけて配置することができる。すなわち、個別配線11の敷設方向をより上下方向に沿うように形成できる。
インクジェットヘッド4では、左右方向において、2枚のフレキシブル基板40を近接配置させることにより、個別配線11を直線状に形成できる。個別配線11をX方向に沿うように形成できる。これにより、各個別配線11の電気抵抗が均一になり、絶縁信頼性が向上して、ヘッド基板10の歩留まりを上げることができる。
(インクジェットヘッド5)
図7は、第三実施形態のインクジェットヘッド5を示す図である。説明の都合上、フレキシブル基板40と中継基板30は、基板を透過して配線等を図示している。
第一、第二実施形態のインクジェットヘッド3,4と同一の部材等には、同一の符号を付して、その説明を省略する。
左側のフレキシブル基板40Lはコモン連絡配線26Rを有さず、右側のフレキシブル基板40Rはコモン連絡配線26Lを有しない。中央のフレキシブル基板40Cはコモン連絡配線26を有さない。すなわち、フレキシブル基板20から2本のコモン連絡配線26を切り取ったものがフレキシブル基板40Cである。
フレキシブル基板40は、スプロケットフィルムFに連なって形成される。スプロケットフィルムFに形成されたフレキシブル基板40は、2本のコモン連絡配線26を有する。
スプロケットフィルムFから個々のフレキシブル基板40Cを切り取るとき、コモン連絡配線26L,26RをスプロケットフィルムFに切り残す(図8の破線)。フレキシブル基板40からコモン連絡配線26Rを除去する。これにより、フレキシブル基板40Lとして、ヘッド基板10等に接合可能になる。
スプロケットフィルムFから個々のフレキシブル基板40Lを切り取るとき、コモン連絡配線26RをスプロケットフィルムFに切り残す(図8の破線)。フレキシブル基板40からコモン連絡配線26Rを除去する。これにより、フレキシブル基板40Lとして、ヘッド基板10等に接合可能になる。
カットラインを異ならせるだけなので、製造効率が向上する。複数種類の基板を製造する必要がないので、コスト低減できる。
これにより、インクジェットヘッド5は、インクジェットヘッド4と同様に、個別配線11の敷設方向をより上下方向に沿うように形成できる。したがって、各個別配線11の電気抵抗が均一になり、絶縁信頼性が向上して、ヘッド基板10の歩留まりを上げることができる。
(インクジェットヘッド6)
図9は、第四実施形態のインクジェットヘッド6を示す図である。説明の都合上、フレキシブル基板20と中継基板30は、基板を透過して配線等を図示している。
第一~第三実施形態のインクジェットヘッド3~5と同一の部材等には、同一の符号を付して、その説明を省略する。
3,4,5,6 インクジェットヘッド
7 アクチュエータ(素子)
8 駆動IC
8T 出力トランジスタ
10 ヘッド基板
10a,10b,10c,10d 辺縁部
11 個別配線
16 コモン配線
20 フレキシブル基板
20L フレキシブル基板(第一フレキシブル基板)
20R フレキシブル基板(第二フレキシブル基板)
20a,20b,20c,20d 辺縁部
21 出力配線
22 入力配線
23 電源配線
24 グランド配線
25 出力モニタ配線
26,26L,26R コモン連絡配線
30 中継基板(プリント基板)
30a 辺縁部
32 入力配線
33 電源配線
34,34L,34R グランド配線(基準電位配線)
35 出力モニタ配線
37 モニタピン
40,40L,40R フレキシブル基板
F スプロケットフィルム
GND 基準電位
V1 駆動電位
V2 負電位
Claims (3)
- ノズルからインクを吐出させる複数の素子が配置されたヘッド基板と、
前記素子を駆動する駆動ICが配置されて、前記ヘッド基板に並列に連結する複数のフレキシブル基板と、
前記素子と前記駆動ICに基準電位を供給する基準電位配線が敷設されて、前記フレキシブル基板のそれぞれに連結するプリント基板と、
を備え、
前記ヘッド基板は、前記素子のそれぞれから前記フレキシブル基板が連結する辺縁部の両端側まで敷設されるコモン配線を有し、
前記フレキシブル基板のうちの、両端側に配置されるものは、前記ヘッド基板が連結する辺縁部から前記プリント基板が連結する辺縁部まで敷設されて、前記コモン配線と前記基準電位配線に接続するコモン連絡配線を一つずつ有しており、第一端側に敷設される第一フレキシブル基板は、前記コモン連絡配線を第一端側に有し、第二端側に敷設される第二フレキシブル基板は、前記コモン連絡配線を第二端側に有する、インクジェットヘッド。 - 請求項1に記載のインクジェットヘッドと、
前記インクジェットヘッドに向けてインクを供給するインク供給部と、
前記インクジェットヘッドに向けて記録媒体を搬送する媒体搬送部と、
を備えるインクジェットプリンタ。 - ノズルからインクを吐出させる複数の素子と前記素子にそれぞれ接続するコモン配線を有するヘッド基板と、
前記素子を駆動する駆動ICが配置されて、前記ヘッド基板に並列に連結する複数のフレキシブル基板と、
前記素子と前記駆動ICに基準電位を供給する基準電位配線が敷設されて、前記フレキシブル基板のそれぞれに連結するプリント基板と、
を備えるインクジェットヘッドの製造方法であって、
前記フレキシブル基板が、スプロケットフィルムに連なると共に、前記ヘッド基板が連結する辺縁部から前記プリント基板が連結する辺縁部まで敷設されて、前記コモン配線と前記基準電位配線に接続するコモン連絡配線を両端側に有した状態で形成され、
前記コモン連絡配線の一方または両方を除いて前記スプロケットフィルムから前記フレキシブル基板を切り取る、インクジェットヘッドの製造方法。
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