JPWO2009075147A1 - インクジェットヘッド及び静電吸引型インクジェットヘッド - Google Patents

インクジェットヘッド及び静電吸引型インクジェットヘッド Download PDF

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Abstract

インク室やインク吐出口を半導体集積回路の製造技術を利用してシリコン基板に簡単に高密度にパターン形成でき、インクと接する全ての部位に接着剤を使用せずに形成できるインクジェットヘッドの提供。インク吐出口11が形成された第1のシリコン基板10と、第1のシリコン基板10に接合され、インク流路孔21が形成されたガラス基板20と、インク室31が溝加工され、インク室31の背面側にピエゾ素子35が設けられ、該インク室形成面がガラス基板20に接合された第2のシリコン基板30とを有する。第2のシリコン基板30には、インク室形成面にインク室31と連通するインク流路溝32とこのインク流路溝32に連通する貫通孔34が形成され、該貫通孔34にガラス管からなるインク流通管50が接合され、第1のシリコン基板10、ガラス基板20、第2のシリコン基板30及びインク流通管50の接合面が陽極接合される。

Description

本発明はインクジェットヘッド及び静電吸引型インクジェットヘッドに関し、詳しくは、インク耐性に弱い接着剤を用いることなく構成することのできるインクジェットヘッド及び静電吸引型インクジェットヘッドに関する。
オンデマンド型のインクジェット記録装置は、インクジェットヘッドに複数形成されたインク室内のインクに選択的に吐出エネルギーを付与することにより、微小なノズルからインク滴を吐出させて対象物に着弾させる。インクジェット記録装置は極めて微細な記録を行うことができることから、画像印刷分野のみならず、液晶表示装置等の産業機器の製造技術分野にも応用されるようになってきており、それに伴って更なる微細化の要求が高まっている。
従来、インクジェットヘッドとして、特許文献1、2に記載のものが知られている。このインクジェットヘッドは、シリコン基板に複数の微細なインク室やインク吐出口等を加工形成するものである。シリコン基板に対するインク室やインク吐出口等の加工は、半導体集積回路の製造技術を利用して行うことができ、極めて微細なピッチのインク室やインク吐出口等をパターン形成することが可能であり、これによって微細化の要求を満足させることができる。
特許文献1記載のインクジェットヘッドでは、シリコン基板の上面にインク室やインク吐出口等を加工形成し、その上面からインク供給管を有するガラス基板を積層して接合することで、インク室を封止し、インク供給管から各インク室内にインク供給を行うようになっている。ガラス基板の上面には、インク室内のインクを吐出するための圧電素子が接着されている。
また、特許文献2記載のインクジェットヘッドでは、シリコン基板の上面にインク室やインク吐出口等を加工形成し、その上面からインク供給管を有するガラス基板を積層して接合することで、インク室を封止し、インク供給管から各インク室内にインク供給を行うようになっている。シリコン基板の下面には、静電気力を用いてインク室内のインクを吐出するための電極が形成されたガラス基板が接合されている。
特開平5−229128号公報 特開2003−127359号公報
これら特許文献1、2記載のインクジェットヘッドでは、シリコン基板とガラス基板との間を陽極接合することにより、接着剤を使用しない接合を行っている。接合面は接着剤との接触面でもあるため、インク室内に貯留されるインク中の溶剤によって接着剤が溶解してしまうおそれがあるためである。特許文献1では、下からシリコン基板、ガラス基板の積層構成によって陽極接合し、特許文献2では、下からガラス基板、シリコン基板、ガラス基板の積層構成によって陽極接合を可能としているが、いずれの場合も各インク室にインク供給を行うためのインク供給管をガラス基板に接合しなくてはならない。
この場合、インク供給管とガラス管との接合に陽極接合を用いれば、接着剤を使用することの問題は回避できるが、ガラス基板に対してインク供給管を陽極接合するためには、インク供給管をシリコンを用いて形成する必要がある。しかし、インク供給管をシリコンを用いて形成することは、管状に加工するための素材入手と加工法が極めて困難であるという問題がある。
また、特許文献1、2記載のインクジェットヘッドでは、いずれもインク吐出口をインク室と同一のシリコン基板にエッチングにより形成している。シリコン基板に半導体集積回路の製造技術を用いて容易に加工できるからである。
しかし、インク室とインク吐出口とは、加工すべき深さが異なるため、これらを1枚のシリコン基板に形成するとなると、レジストの塗布、露光、現像、エッチングの作業を複数回繰り返し行わなくてはならず、極めて作業性が悪い問題がある。
また、インクジェットヘッドには、対向電極との間に電界を形成してヘッド内のインクを帯電させることにより、インクジェットヘッドから吐出されるインクを加速吸引する静電吸引型インクジェットヘッドが知られている。このようなインクジェットヘッドでは、ヘッド内のインクを帯電させるために金属(電極)と接触させる必要がある。
しかし、特許文献1、2記載のインクジェットヘッドの場合、インク室やインク流路内に電極を設け、これをヘッド外部と配線で接続することは、複雑な電極のパターニングや配線のパターニングを行わなくてはならず、極めて作業性が悪い問題がある。
そこで、本発明の課題は、インク室やインク吐出口を半導体集積回路の製造技術を利用してシリコン基板に簡単に高密度にパターン形成できると共に、インクと接する全ての部位に接着剤を使用することなく形成できるインクジェットヘッドを提供することにある。
また、本発明の他の課題は、インク室やインク吐出口を半導体集積回路の製造技術を利用してシリコン基板に簡単に高密度にパターン形成できると共に、インクと接する全ての部位に接着剤を使用することなく形成でき、ヘッド内のインクを容易に帯電させることのできる静電吸引型インクジェットヘッドを提供することにある。
本発明の更に他の課題は、以下の記載により明らかとなる。
上記各課題は、以下の各発明によって解決される。
請求の範囲第1項記載の発明は、複数のインク吐出口が貫通形成された第1のシリコン基板と、前記第1のシリコン基板の一方の面に接合され、前記インク吐出口にそれぞれ対応する複数のインク流路孔が貫通形成されたガラス基板と、前記インク流路孔にそれぞれ対応する複数のインク室が一方の面に溝加工されると共に、前記インク室の背面側に該インク室内の容積を変動させるためのピエゾ素子がそれぞれ設けられ、該インク室形成面が前記ガラス基板に対して前記第1のシリコン基板とは反対面に面するように接合された第2のシリコン基板とを有し、前記ピエゾ素子の駆動によって前記インク室内のインクを前記インク吐出口から吐出させるインクジェットヘッドであって、前記第2のシリコン基板には、前記インク室形成面に、前記インク室の各々と連通するインク流路溝が加工形成されていると共に、前記インク流路溝に連通する貫通孔が開設され、該貫通孔にガラス管からなるインク流通管が接合されてなり、前記第1のシリコン基板、前記ガラス基板、前記第2のシリコン基板及び前記インク流通管の接合面がいずれも陽極接合されていることを特徴とするインクジェットヘッドである。
請求の範囲第2項記載の発明は、前記インク流通管は透明なガラス管からなることを特徴とする請求の範囲第1項記載のインクジェットヘッドである。
請求の範囲第3項記載の発明は、前記インク流通管はホウ珪酸ガラス管からなることを特徴とする請求の範囲第1項又は第2項記載のインクジェットヘッドである。
請求の範囲第4項記載の発明は、前記貫通孔は前記インク流路溝の両端部にそれぞれ形成されており、一方の貫通孔に接合されるインク流通管をインク供給管とし、他方の貫通孔に接合されるインク流通管をインク流出管とし、前記インク供給管から前記インク流路溝を通って前記インク流出管へと至るインク供給経路が形成されていることを特徴とする請求の範囲第1項、第2項又は第3項記載のインクジェットヘッドである。
請求の範囲第5項記載の発明は、前記第2のシリコン基板における前記インク室形成面の反対面に、該第2のシリコン基板に剛性を付与するための補強板が接合されていることを特徴とする請求の範囲第1項〜第4項のいずれかに記載のインクジェットヘッドである。
請求の範囲第6項記載の発明は、前記インク流通管に接続されたインクチューブと、該インクチューブを介して前記インク流通管に供給されるインクを加温するための加温手段とを有することを特徴とする請求の範囲第1項〜第5項のいずれかに記載のインクジェットヘッドである。
請求の範囲第7項記載の発明は、インクジェットヘッドに対向して配置される対向電極との間に電界を形成し、前記インクジェットヘッド内のインクを帯電させることにより、該インクジェットヘッドから吐出されるインクを前記対向電極に向けて吸引する静電吸引型インクジェットヘッドであって、請求の範囲第1項〜第6項のいずれかに記載のインクジェットヘッドにおける前記インク流通管の前記第2のシリコン基板との接合面を除く表面に金属膜を被覆形成し、該金属膜を介して前記インク流通管内のインクを帯電させることを特徴とする静電吸引型インクジェットヘッドである。
本発明によれば、インク室やインク吐出口を半導体集積回路の製造技術を利用してシリコン基板に簡単に高密度にパターン形成できると共に、インクと接する全ての部位に接着剤を使用することなく形成できるインクジェットヘッドを提供することができる。
また、本発明によれば、インク室やインク吐出口を半導体集積回路の製造技術を利用してシリコン基板に簡単に高密度にパターン形成できると共に、インクと接する全ての部位に接着剤を使用することなく形成でき、ヘッド内のインクを容易に帯電させることのできる静電吸引型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一例を示す分解斜視図 第2のシリコン基板をガラス基板との接合面側から見た図 本発明に係るインクジェットヘッドの平面図 図2におけるA−A線の部位を断面で示した図 図2におけるB−B線の部位を断面で示した図 本発明に係るインクジェットヘッドの別の態様を示す構成図 インクの温度と粘度の関係を示すグラフ 本発明に係るインクジェットヘッドの更に別の態様を示す部分断面図
符号の説明
1、100、200:インクジェットヘッド
10:第1のシリコン基板
11:インク吐出口
20:ガラス基板
21:インク流路孔
30:第2のシリコン基板
31:インク室
31a:振動板
32:インク流路溝
33:連通溝
34:貫通孔
35:ピエゾ素子
40:補強板
41:開口部
42:貫通孔
50:インク流通管
50a:金属膜
50b:導電材
51:インク供給管
52:インク流出管
60:インクチューブ
61:排出チューブ
62:ポンプ
70:インクタンク
80:加温手段
90:対向電極
a:インク滴
以下、本発明の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一例を示す分解斜視図であり、このインクジェットヘッド1は、下層から順に、第1のシリコン基板10、ガラス基板20、第2のシリコン基板30及び補強板40を積層して一体に接合することによって構成されている。
また、図2は、図1に示す第2のシリコン基板30をガラス基板20との接合面側から見た図、図3はインクジェットヘッド1の平面図、図4はインクジェットヘッド1の図2におけるA−A線の部位を断面で示した図、図5はインクジェットヘッド1の図2におけるB−B線の部位を断面で示した図である。
このインクジェットヘッド1において、最下層に位置する第1のシリコン基板10は、例えば200〜500μm厚のシリコン単結晶板を用い、複数のインク吐出口11をドライエッチングによって貫通形成したものである。ここでは4つのインク吐出口11が所定間隔をおいて配置された列が2列平行となるように形成されているが、1列中のインク吐出口11の数及び列数は何ら問わない。
このインク吐出口11の開口径は、吐出されるインク滴の大きさに応じて決定されるが、本発明によれば、シリコン単結晶板に半導体集積回路の製造技術を利用して微細加工を施すことが可能であり、近年の微細化の要求を高度に満足させる観点からも、4〜10μmとすることが好ましい。
ガラス基板20は第1のシリコン基板10の上面に接合されており、例えば100〜300μm厚のガラス板を用い、第1のシリコン基板10の各インク吐出口11に対応する位置に、インク吐出口11よりも大径のインク流路孔21をエッチングによって貫通形成したものである。
このインク流路孔21は、後述するインク室内のインクを第1のシリコン基板10のインク吐出口11に向けて円滑に流出させるための流路となる。その開口径は0.1〜2mmが好ましい。
第2のシリコン基板30はガラス基板20の上面に接合されており、例えば200〜500μm厚のシリコン単結晶板を用いて構成されている。この第2のシリコン基板30は、陽極接合時の昇温に起因する反りの発生を防止する観点から、第1のシリコン基板10と同一厚み、同一外形であることが好ましい。
この第2のシリコン基板30には、ガラス基板20との接合面側における該ガラス基板20の複数のインク流路孔21に対応する位置に、インク室31がドライエッチングによって溝加工されていると共に、各列のインク室31毎に共通にインクを供給するための2本のインク流路溝32がドライエッチングによって溝加工されている。各インク室31と各インク流路溝32とは、連通溝33によって繋がっており、インク流路溝32からのインクをインク室31内に流入可能としている。また、各インク流路溝32の両端は、各インク室31の列の両端から第2のシリコン基板30の四隅近傍まで延び、該四隅近傍にそれぞれ形成された貫通孔34の内部と連通している。
各インク室31は、ガラス基板20に形成されているインク流路孔21よりも大きな開口面積を有しており、第2のシリコン基板30のガラス基板20との接合面から所定の深さで凹設されている。各インク室31の背面側、すなわち第2のシリコン基板30におけるガラス基板20との接合面の反対面側には、ピエゾ素子35が個別に接着されており、このピエゾ素子35の電気−機械変換作用によって各インク室31の底面を振動させ、インク室31内の容積を変動させることにより、インク室31内のインクに吐出エネルギーを付与するようになっている。ピエゾ素子35の駆動により吐出エネルギーが付与されたインク室31内のインクは、インク流路孔21を介してインク吐出口11から図示下方向に吐出される。
このように、各インク室31の底面は振動板31aとして機能する。このため、各インク室31の底面の厚みは、好ましくは1〜20μmとなるように、第2のシリコン基板30に各インク室31をドライエッチングする際の凹設深さが調節されている。
補強板40は、第2のシリコン基板30に剛性を付与し、振動板31aがピエゾ素子35によって振動する際に第2のシリコン基板30全体が振動することを抑制することで、ピエゾ素子35による電気−機械変換作用によって振動板31aを効率的に振動させるためのものであり、例えば1〜3μm厚のステンレス、コバール(低熱膨張材、Ni基合金)、アルミ合金等の金属板によって形成され、第2のシリコン基板30の上面に接着剤を用いて接着されている。
補強板40には、2列の開口部41が形成されており、この開口部41から第2のシリコン基板30に接着されているピエゾ素子35が上面に露呈している。この開口部41を通して、各ピエゾ素子35にFPC等の配線(図示せず)が接続される。
また、補強板40の四隅近傍には、第2のシリコン基板30に形成された貫通孔34に対応する位置に、それぞれ貫通孔42が形成されており、この貫通孔42を通して第2のシリコン基板30の各貫通孔34に、それぞれインク流通管50が接合されている。本発明では、インク吐出口11を微細加工した第1のシリコン基板10と、インク室31等を微細加工した第2のシリコン基板30との間に、ガラス基板20を介在させ、第2のシリコン基板30に凹設されたインク室31をこのガラス基板20によって封止する構成であるため、各インク室31にインク供給を行うためのインク流通管50は、この第2のシリコン基板30と接合することができる。従って、各インク流通管50は、第2のシリコン基板30との間で、後述するように陽極接合可能なガラス管によって形成されている。
各インク流通管50と補強板40とは接触しておらず、各インク流通管50の内部は第2のシリコン基板30の貫通孔34と連通している。従って、インク流路溝32の両端の各貫通孔34に連通する各インク流通管50の一方をインク供給管51、他方をインク流出管52とすることで、インク供給管51からインク流路溝32を通ってインク流出管52に至るインクの供給経路を形成している。このようにしてインクの供給経路を形成することは、インクの充填作業性が良好となるために好ましい態様である。
このインク流通管50には透明なガラス管を用いると、インク吐出の障害となる気泡の混入が、インク流通管50の部位で目視確認可能となるために好ましい。
また、インク流通管50が特にホウ珪酸ガラス管であると、管形状材の入手性が良く、比較的安価である点で好ましい。
かかるインクジェットヘッド1は、第1のシリコン基板10とガラス基板20との間の接合、ガラス基板20と第2のシリコン基板30との間の接合及び第2のシリコン基板30とインク流通管50との間の接合を、接着剤を使用せずに陽極接合される。陽極接合は、各接合面におけるシリコンとガラスとを200〜500℃で加熱してガラス側を軟化させ、同時にシリコン側を陽極、ガラス側を陰極として高電圧を印加することよって電気的二重層を発生させ、接合界面を静電引力によって密着接合するものである。
本発明では、これら各接合面はいずれもインクとの接触面であるが、これらを陽極接合することによって、インクと接触する全ての部位に接着剤が介在せず、インク溶剤による溶解のおそれのない信頼性の高い接合を行うことができる。
また、高度な微細化が要求されるインク吐出口11やインク室31は、いずれもシリコン基板10、30に加工形成できるので、半導体集積回路の製造技術を利用した微細で高密度なパターン形成が可能である。
更に、第1のシリコン基板10及びガラス基板20には、単純な貫通孔を形成するだけであり、また、第2のシリコン基板30にインク室31等と一緒にインク吐出口を形成する必要がないため、ドライエッチング時の加工作業も極めて簡単で済む。
図6は、本発明に係るインクジェットヘッドの別の態様を示している。図1と同一符号の部位は同一構成の部位であるため、これらの詳細な説明については省略する。
このインクジェットヘッド100は、インク流通管50にインクチューブ60が接続されており、インクタンク70内のインクをインクチューブ60を介してインク流通管50に供給するようになっている。80はインクタンク70からインク流通管50に供給されるインクを加温するための加温手段(ヒーター)である。
このように、ヘッドに供給されるインクが加温手段80によって加温される場合、インク吐出口11から吐出されるインク滴aが適性粘度となるように加温手段80の温度が設定される。すなわち、図7に示すように、インク吐出口11から吐出されるインク滴aの粘度が最適粘度となる温度がT℃の範囲であるとした場合、インクがインクチューブ60及びインク流通管50を介して供給される間の放熱による温度低下を考慮して、加温手段80による設定温度はT℃よりも高めの温度に設定される。ここで、仮にインク流通管50がステンレス等の金属材である場合、熱伝導率が高いことにより、この部位において大きな放熱が生じるため、加温手段80による設定温度をより高めのT℃に設定する必要があり、インクの劣化、凝集が生じる温度領域に差し掛かってしまうおそれがある。
しかし、本発明では、インク流通管50に金属材よりも熱伝導率が低いガラス管を用いているため、この部位における放熱を低く抑えることができる。従って、加温手段80による設定温度をT℃よりも低いT’℃に設定することができ、インクの劣化、凝集が生じる温度領域に差し掛かるおそれを少なくすることができる。
また、インク流通管50が、上述したように、インク供給管51とインク流出管52とに分かれてインクの供給経路を形成している場合は、図6に示したように、インク流出管52から排出されたインクを、ポンプ62の駆動によって排出チューブ61を介してインクタンク70に戻すことができる。従って、インクタンク70から再度、加温手段80によって適温に加温されたインクをヘッドに供給することができるため、ヘッド内部にいつまでもインクが滞留して温度低下したインクを吐出することがなく、インクの温度管理、粘度管理が容易となり、常に最適粘度のインク滴aを吐出することにより高精細な記録を維持することが可能となる利点がある。
図8は、本発明に係るインクジェットヘッドの更に別の態様を示している。図1と同一符号の部位は同一構成の部位であるため、これらの詳細な説明については省略する。
このインクジェットヘッド200は、インク吐出口11と対向するように配置された対向電極90との間に電界を形成し、インク吐出口11から吐出された帯電されたインク滴aを対向電極90に向けて吸引し、インク吐出口11と対向電極90との間に配置された記録メディア(図示せず)に着弾させる静電吸引型のインクジェットヘッドの例である。このような静電吸引型のインクジェットヘッドでは、インクを帯電させるためにインクを電極と接触させ、所定の電圧を印加する必要があるが、本発明に係るインクジェットヘッドでは、インク流通管50からインク吐出口11までの間でインクと接触する部位に金属材は使用されないため、インクに電圧を印加することが困難となる。
そこで、本発明では、インク流通管50において、第2のシリコン基板30との接合面を除く表面、すなわちインク流路管50の外周面、内周面及び外周面と内周面を繋ぐ上面に金属膜50aを被覆形成している。
金属膜50aの被覆形成は、例えば蒸着材料としてAl、Ni、Cu、Au等を用いて、蒸着法やスパッタリング法によって形成される。この金属膜50aは、インク流通管50を第2のシリコン基板30上に陽極接合した後で、補強板40を接合する前に、インク流通管50以外の部位をマスクすることによって形成することが好ましい。これにより、インク流通管50内を通過するインクは金属膜50aと接触することになるため、この金属膜50aを介してインクを帯電させることができ、対向電極90との間で容易に電界を形成することができる。
インクの帯電は、金属膜50aに直接電圧を印加するようにしてもよいが、複数のインク吐出口11の列が複数配列されたインクジェットヘッドの場合、インク流通管50も複数設けられるため、図8に示したように、インク流通管50と補強板40の貫通孔42との間に形成される隙間を導電性ペースト等の導電材50bを用いて埋めることにより、金属膜50aと補強板40とを導通させることが好ましい。これにより、対向電極90と補強板40とに電圧を印加すれば、全てのインク流通管50の金属膜50aに電圧を掛けることができる。

Claims (7)

  1. 複数のインク吐出口が貫通形成された第1のシリコン基板と、
    前記第1のシリコン基板の一方の面に接合され、前記インク吐出口にそれぞれ対応する複数のインク流路孔が貫通形成されたガラス基板と、
    前記インク流路孔にそれぞれ対応する複数のインク室が一方の面に溝加工されると共に、前記インク室の背面側に該インク室内の容積を変動させるためのピエゾ素子がそれぞれ設けられ、該インク室形成面が前記ガラス基板に対して前記第1のシリコン基板とは反対面に面するように接合された第2のシリコン基板とを有し、前記ピエゾ素子の駆動によって前記インク室内のインクを前記インク吐出口から吐出させるインクジェットヘッドであって、
    前記第2のシリコン基板には、前記インク室形成面に、前記インク室の各々と連通するインク流路溝が加工形成されていると共に、前記インク流路溝に連通する貫通孔が開設され、該貫通孔にガラス管からなるインク流通管が接合されてなり、
    前記第1のシリコン基板、前記ガラス基板、前記第2のシリコン基板及び前記インク流通管の接合面がいずれも陽極接合されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
  2. 前記インク流通管は透明なガラス管からなることを特徴とする請求の範囲第1項記載のインクジェットヘッド。
  3. 前記インク流通管はホウ珪酸ガラス管からなることを特徴とする請求の範囲第1項又は第2項記載のインクジェットヘッド。
  4. 前記貫通孔は前記インク流路溝の両端部にそれぞれ形成されており、一方の貫通孔に接合されるインク流通管をインク供給管とし、他方の貫通孔に接合されるインク流通管をインク流出管とし、前記インク供給管から前記インク流路溝を通って前記インク流出管へと至るインク供給経路が形成されていることを特徴とする請求の範囲第1項、第2項又は第3項記載のインクジェットヘッド。
  5. 前記第2のシリコン基板における前記インク室形成面の反対面に、該第2のシリコン基板に剛性を付与するための補強板が接合されていることを特徴とする請求の範囲第1項〜第4項のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
  6. 前記インク流通管に接続されたインクチューブと、該インクチューブを介して前記インク流通管に供給されるインクを加温するための加温手段とを有することを特徴とする請求の範囲第1項〜第5項のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
  7. インクジェットヘッドに対向して配置される対向電極との間に電界を形成し、前記インクジェットヘッド内のインクを帯電させることにより、該インクジェットヘッドから吐出されるインクを前記対向電極に向けて吸引する静電吸引型インクジェットヘッドであって、請求の範囲第1項〜第6項のいずれかに記載のインクジェットヘッドにおける前記インク流通管の前記第2のシリコン基板との接合面を除く表面に金属膜を被覆形成し、該金属膜を介して前記インク流通管内のインクを帯電させることを特徴とする静電吸引型インクジェットヘッド。
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