JPWO2011068006A1 - インクジェットヘッド - Google Patents

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Abstract

ノズル毎の吐出特性のばらつきを低減しつつ、複数のノズルを高密度に配置することを目的とし、インクジェットヘッド1は、積層部材2と、積層部材2の上側に配設されて複数のノズル11にインクを供給する共通インク室3とを備える。積層部材2は、複数のノズル11が形成されたノズルプレート層10と、ノズルプレート層10の上側に積層されるとともに、ノズル11に連通された圧力室311を有する圧力室層31と、圧力室層31の上側に積層されたインターポーザ51と、共通インク室3と圧力室311とを連通する個別流路70とを有している。個別流路70には、当該個別流路70における最小の断面積を有するとともに、インターポーザ51を積層方向Zへ貫通するインレット512が形成されている。

Description

本発明は、インクジェットヘッドに関する。
従来、インクジェット記録装置に設けられ、複数の微細なノズルからインクを吐出して記録媒体に画像を形成するインクジェットヘッドが知られている。近年、インクジェット記録装置による高精度・高精細な画像形成を実現するために、インクジェットヘッドにおけるノズルの高密度配置が求められている。
インクジェットヘッドには、インクの共通流路がノズル列毎に設けられる他、インクに吐出圧力を付与するための圧力室や、共通流路から各圧力室へインクを供給するための個別流路が、複数のノズルに対して個別に設けられている。そのため、これら共通流路、圧力室及び個別流路をノズルの配列方向(水平方向)に並設してしまうと、複数のノズルを高密度に配置することが困難であった。
そこで、ノズルの上方に圧力室を設け、共通流路に代わる共通インク室を圧力室の上方に設けることで、ノズルの高密度配置を可能としたインクジェットヘッドが提案されている(例えば、特許文献1参照)。このインクジェットヘッドでは、多層に積層された積層部材を貫通して個別流路が形成されており、このうち、圧力室の上壁を構成して室内のインクに吐出圧力を付与するための振動板と、振動板の上面に積層された圧電素子の下部電極と、下部電極の上面に積層された隔壁層とに亘って、個別流路のうち断面積が最小となる絞り部が形成されている。
特開2006−264322号公報
ところで、個別流路における絞り部は、その断面積がインクのリフィル性、長さが吐出効率に影響するため、所定の形状に高精度に形成される必要がある。
しかしながら、上記特許文献1に記載のインクジェットヘッドでは、絞り部が複数層に亘って形成されているため、絞り部の形状を高精度に形成することが困難となって絞り部毎に形状がばらつく結果、リフィル性や吐出効率といったインクの吐出特性がノズル毎にばらつく恐れがある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ノズル毎の吐出特性のばらつきを低減しつつ、複数のノズルを高密度に配置することのできるインクジェットヘッドの提供を目的とする。
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、
インクを吐出する複数のノズルが設けられた多層状の積層部材と、前記積層部材の積層方向の一方側に配設されて前記複数のノズルにインクを供給する共通インク室とを備えるインクジェットヘッドにおいて、
前記積層部材は、
前記複数のノズルが形成された第1層部材と、
前記第1層部材の前記一方側に積層されるとともに、前記複数のノズルに個別に連通された複数の圧力室を有する第2層部材と、
前記第2層部材の前記一方側に積層された第3層部材と、
前記共通インク室と前記複数の圧力室とを個別に連通する複数の個別流路と、
を有し、
前記複数の個別流路には、当該個別流路における最小の断面積を有するとともに、前記第2層部材及び前記第3層部材のいずれか一方のみを前記積層方向へ貫通する絞り部がそれぞれ形成されていることを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記絞り部は、円形断面に形成されるとともに長さが直径の2倍以上であることを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記絞り部は、前記第3層部材に形成されるとともに、前記積層方向と直交する方向に延在するよう前記第2層部材に形成された連通部を介して前記圧力室に連通されていることを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記第3層部材は、シリコン製の基板であることを特徴とする。
請求項5に記載の発明は、請求項1又は2に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記積層部材は、前記第1層部材と前記第2層部材との間に積層された第4層部材を有し、
前記絞り部は、前記第2層部材に形成されるとともに、前記積層方向と直交する方向に延在するよう前記第4層部材に形成された連通部を介して前記圧力室に連通されていることを特徴とする。
請求項6に記載の発明は、請求項5に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記第2層部材は、シリコン製の基板であることを特徴とする。
請求項1に記載の発明によれば、個別流路のうち最小の断面積を有する絞り部が、第2層部材及び第3層部材のいずれか一方のみを積層方向へ貫通するように形成されているので、第2層部材又は第3層部材の厚さによって絞り部の長さが確実に規定されるとともに、複数の層部材に亘って形成された従来の絞り部に比べて加工誤差や組立誤差の生じる余地が少ない。したがって、従来に比べて、絞り部の形状を高精度に形成することができ、絞り部毎の形状を高精度に均一化してノズル毎の吐出特性のばらつきを低減することができる。
また、積層部材のうち、第1層部材に複数のノズルが形成され、第1層部材の一方側に積層された第2層部材に複数の圧力室が設けられて、積層部材の積層方向の一方側に共通インク室が配設されている。つまり、ノズルと圧力室と共通インク室とがノズルの配列方向と直交する積層方向に沿って設けられているので、複数のノズルを高密度に配置することができる。
更に、複数のノズルが形成された第1層部材の表面と直交する積層方向に絞り部が形成されている。つまり、ノズルの配列方向と直交する方向に絞り部が形成されているので、絞り部の長さに影響されることなく複数のノズルを高密度に配置することができる。
以上より、ノズル毎の吐出特性のばらつきを低減しつつ、複数のノズルを高密度に配置することができる。
請求項2に記載の発明によれば、絞り部は、円形断面に形成されるとともに長さが直径の2倍以上であるので、絞り部の長さと直径の関係によって規定されるインクの吐出速度を所定値以上とすることができる。
請求項3に記載の発明によれば、絞り部は、第3層部材に形成されるとともに、積層方向と直交する方向に延在するよう第2層部材に形成された連通部を介して圧力室に連通されているので、つまり、異なる方向に形成された絞り部と連通部とが異なる層部材に形成される。したがって、異なる方向に形成された絞り部と連通部とを同じ層部材に形成した場合に比べ、これら絞り部及び連通部を高精度な深さにエッチング加工することができる。
請求項4に記載の発明によれば、第3層部材はシリコン製の基板であるので、当該第3層部材に形成される絞り部を高精度にエッチング加工することができる。また、シリコン製の基板は熱による変形に強く安定した形状を維持することができるため、絞り部の熱変形に起因するノズル毎の吐出特性のばらつきを低減することができる。
請求項5に記載の発明によれば、積層部材は、第1層部材と第2層部材との間に積層された第4層部材を有し、絞り部は、第2層部材に形成されるとともに、積層方向と直交する方向に延在するよう第4層部材に形成された連通部を介して圧力室に連通されているので、つまり、異なる方向に形成された絞り部と連通部とが異なる層部材に形成される。したがって、異なる方向に形成された絞り部と連通部とを同じ層部材に形成した場合に比べ、これら絞り部及び連通部を高精度な深さにエッチング加工することができる。
請求項6に記載の発明によれば、第2層部材はシリコン製の基板であるので、当該第2層部材に形成される絞り部を高精度にエッチング加工することができる。また、シリコン製の基板は熱による変形に強く安定した形状を維持することができるため、絞り部の熱変形に起因するノズル毎の吐出特性のばらつきを低減することができる。
実施形態におけるインクジェットヘッドの斜視図である。 実施形態におけるインクジェットヘッドの要部断面図である。 実施形態における積層部材の断面図である。 実施形態におけるノズルの配列図である。 図4のA部を拡大した図である。 インレットの形状に対するインクの吐出速度の変化を示すグラフである。 実施形態の変形例におけるインクジェットヘッドの要部断面図である。 実施形態の変形例における積層部材の断面図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
<インクジェットヘッドの構成>
図1は、本発明に係るインクジェットヘッド1の斜視図であり、図2は、インクジェットヘッド1の要部断面図である。
これらの図に示すように、インクジェットヘッド1の下端には、インクを吐出する複数のノズル11がX方向及びY方向に配列された積層部材2が取り付けられている。積層部材2は、上下方向である矢印Zの方向(以下、積層方向Zという)に多層状に積層されて形成されており、その上側には、共通インク室形成部材6が接合されており、積層部材2と共通インク室形成部材6とで形成される空間によって、複数のノズル11にインクを供給する共通インク室3が配設されている。
また、積層部材2の上側であってX方向の両端部には、後述の圧電素子42を駆動するためのフレキシブル基板4及びドライバ5が配設されている。
<積層部材の構成>
図3は、積層部材2の断面図であり、図4は、ノズル11の配列図であり、図5は、図4のA部を拡大した図である。なお、図3は、1個のノズル11に係る構成要素のみを図示しているが、積層部材2を構成する層部材自体を除く各構成要素は、複数のノズル11に個別に対応して複数設けられている。また、図4及び図5では、図示を分かり易くするために、後述の圧力室311やインレット512等を実線で示している。
図3に示すように、積層部材2は、ノズルプレート層10,中間プレート層20,ボディプレート層30,第1接着層40,配線層50及び第2接着層60の6つの層部材が、積層方向Zへこの順に積層されて構成されている。
このうち、ノズルプレート層10は、シリコン製の基板であり、積層部材2の最下層に位置している。このノズルプレート層10には、複数のノズル11が形成されている。
ノズル11は、図4に示すように、X方向に8個並設されてノズル列11aを構成しており、このノズル列11aがY方向に8列並設されてノズルグループ11bを構成している。より詳しくは、ノズルグループ11bは、全てのノズル列11aにおける各ノズル11のX方向の位置が1列おきに僅かずつ重なるとともに、全体として全てのノズル11のX方向の位置が僅かずつ重なるように、各ノズル11のX方向の位置をずらして構成されている。そして、このノズルグループ11bがY方向に2組並設されている。
中間プレート層20は、ガラス製の基板であり、図3に示すように、ノズルプレート層10の上面に積層され、接合されている。中間プレート層20には、ノズルプレート層10のノズル11と連通する貫通孔201が積層方向Zに形成されている。
ボディプレート層30は、圧力室層31と振動板32とから構成されている。
圧力室層31は、シリコン製の基板であり、中間プレート層20の上面に積層され、接合されている。圧力室層31には、ノズル11から吐出されるインクに吐出圧力を付与する圧力室311が、当該圧力室層31を積層方向Zへ貫通するように形成されている。圧力室311は、貫通孔201及びノズル11の上方に設けられ、これら貫通孔201及びノズル11と連通している。また、圧力室層31には、圧力室311と連通する連通孔312が、当該圧力室層31を貫通しつつ水平方向に延在するように形成されている(図5参照)。
振動板32は、圧力室311の開口を覆うように圧力室層31の上面に積層され、接合されている。すなわち、振動板32は、圧力室311の上壁部を構成している。振動板32の表面には、酸化膜が形成されている。また、振動板32には、連通孔312と連通する貫通孔321が積層方向Zに形成されている。
第1接着層40は、振動板32の上面に積層されている。この第1接着層40は、振動板32と配線層50とを接着する感光性樹脂層であるとともに、その内部に空間41を形成する隔壁層となっている。空間41は、第1接着層40を積層方向Zへ貫通するように圧力室311の上方に形成され、内部に圧電素子42を収容している。
圧電素子42は、圧力室311と略同一の平面視形状に形成され、振動板32を挟んで圧力室311と対向する位置に設けられている(図5参照)。この圧電素子42は、振動板32を変形させるためのPZT(lead zirconium titanate)からなるアクチュエータである。また、圧電素子42には、上面及び下面に2つの電極421,422が設けられており、このうち下面側の電極422が振動板32に接続されている。
また、第1接着層40には、振動板32の貫通孔321と連通する貫通孔401が、空間41とは独立して積層方向Zに形成されている。
配線層50は、シリコン製の基板であるインターポーザ51を備えている。インターポーザ51の下面には、2層の酸化ケイ素の絶縁層52,53が被覆され、上面には、同じく酸化ケイ素の絶縁層54が被覆されている。そして、絶縁層52,53のうち下方に位置する絶縁層53が、第1接着層40の上面に積層され、接合されている。
インターポーザ51には、スルーホール511が積層方向Zに形成されており、このスルーホール511には、貫通電極55が挿通されている。貫通電極55の下端には、水平方向に延在するアルミ基板56の一端が接続されており、このアルミ基板56の他端には、圧電素子42上面の電極421に設けられたスタッドバンプ423が、空間41内に露出した半田561を介して接続されている。また、アルミ基板56は、インターポーザ51下面の2層の絶縁層52,53によって挟まれて保護されている。
また、インターポーザ51には、第1接着層40の貫通孔401と連通するインレット512が、当該インターポーザ51を積層方向Zへ貫通するように形成されている。このインレット512は、当該インレット512と連通する連通孔312、貫通孔321,401、及び後述する第2接着層60の貫通孔601のいずれよりも小さい断面積に形成されている。なお、絶縁層52〜54のうちインレット512近傍を被覆する各部分は、インレット512よりも大きい開口径に形成されている。
第2接着層60は、配線層50の上面に配設された銅基板61を覆いつつ、インターポーザ51の絶縁層54の上面に積層され、接合されている。この第2接着層60は、上方の共通インク室形成部材6を積層部材2と接着する感光性樹脂層であるとともに、銅基板61を保護する保護層となっている。銅基板61は、水平方向に延在されて、一端が貫通電極55の上端に接続されるとともに、他端が上述のフレキシブル基板4に接続されている(図2参照)。
また、第2接着層60には、インレット512と連通する貫通孔601が積層方向Zへ形成されている。
ここで、連通孔312、貫通孔321,401,601及びインレット512は、共通インク室3と圧力室311とを連通する個別流路70を構成している。このうち、インレット512は、上述のように、個別流路70における最小の断面積を有する絞り部となっている。このインレット512は、断面積がインクのリフィル性、長さが吐出効率に影響するため、高精度な形状に形成される必要がある。
また、図6に示すように、インレット512の長さと直径(断面積)とは、インクの吐出速度に相互に関連している。そのため、インクの吐出速度が所定値以上となるように、インレット512の長さと直径との関係を規定することが好ましい。本実施形態においては、インクの吐出速度がおよそ8m/s以上となるように、インレット512を円形断面に形成して、長さを直径の2倍以上とすることが好ましい。
以上の構成を具備するインクジェットヘッド1では、共通インク室3内のインクが個別流路70を通じて圧力室311に供給される。そして、ドライバ5からの駆動信号に応じて、フレキシブル基板4,銅基板61,貫通電極55及びアルミ基板56を通じて電極421,422間に電圧が印加されると、電極421,422に挟まれた圧電素子42が振動板32とともに変形し、圧力室311内のインクが押し出されてノズル11から吐出される。
<作用・効果>
以上のインクジェットヘッド1によれば、個別流路70のうち最小の断面積を有するインレット512が、インターポーザ51を積層方向Zへ貫通するように形成されているので、インターポーザ51の厚さによってインレット512の長さが確実に規定されるとともに、複数の層部材に亘って形成された従来のインレット(絞り部)に比べて加工誤差や組立誤差の生じる余地が少ない。したがって、従来に比べて、インレット512の形状を高精度に形成することができ、インレット512毎の形状を高精度に均一化してノズル11毎の吐出特性のばらつきを低減することができる。
また、積層部材2のうち最下層のノズルプレート層10にノズル11が形成され、ノズルプレート層10の上側に積層された圧力室層31に圧力室311が設けられて、積層部材2の上側に共通インク室3が配設されている。つまり、ノズル11と圧力室311と共通インク室3とがノズル11の配列方向(X,Y方向)と直交する積層方向Zに沿って設けられているので、複数のノズル11を高密度に配置することができる。
更に、複数のノズル11が形成されたノズルプレート層10の下面と直交する積層方向Zにインレット512が形成されている。つまり、ノズル11の配列方向と直交する方向にインレット512が形成されているので、インレット512の長さに影響されることなく複数のノズル11を高密度に配置することができる。
以上より、ノズル11毎の吐出特性のばらつきを低減しつつ、複数のノズル11を高密度に配置することができる。
また、インレット512が積層方向Zへ形成されているので、インレット512を積層部材2の長手方向へ形成した場合と異なり、高精度な形状に形成するためにインレット専用の流路層やカバー層を設ける必要がない。したがって、インレット512を積層部材2の長手方向へ形成した場合に比べ、層部材を少なくして小型化・低コスト化を図ることができるとともに、個別流路70の構造を簡易化して加工誤差・組立誤差の要因を減らし、ノズル11毎の吐出特性のばらつきを低減することができる。
また、インレット512は、円形断面に形成されるとともに長さが直径の2倍以上であるので、インレット512の長さと直径の関係によって規定されるインクの吐出速度を所定値以上とすることができ、本実施形態においては、およそ8m/s以上とすることができる。
また、インレット512は、インターポーザ51に形成されるとともに、水平方向に延在するよう圧力室層31に形成された連通孔312を介して圧力室311に連通されているので、つまり、異なる方向に形成されたインレット512と連通孔312とが異なる層部材に形成されている。そして、これらインレット512及び連通孔312は、それぞれインターポーザ51及び圧力室層31の全厚さに亘る深さに形成されているので、インターポーザ51及び圧力室層31の各厚さによって、当該インレット512及び連通孔312の各深さを互いに独立させて高精度に規定することができる。なお、連通孔312が圧力室層31の全厚さに亘る深さに形成されていないときであっても、異なる方向に形成されたインレット512と連通孔312とを同じ層部材に形成した場合に比べ、これらインレット512及び連通孔312を高精度な深さにエッチング加工することができる。
また、インターポーザ51はシリコン製の基板であるので、当該インターポーザ51に形成されるインレット512を高精度にエッチング加工することができる。また、シリコン製の基板は熱による変形に強く安定した形状を維持することができるため、インレット512の熱変形に起因するノズル11毎の吐出特性のばらつきを低減することができる。
[変形例]
続いて、上記実施形態の変形例について説明する。なお、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図7は、インクジェットヘッド1Aの要部断面図である。
この図に示すように、インクジェットヘッド1Aは、上記実施形態における積層部材2に代えて、積層部材2Aを備えている。
図8は、積層部材2Aの断面図である。
この図に示すように、積層部材2Aは、上記実施形態における中間プレート層20,ボディプレート層30及び配線層50に代えて、中間プレート層20A,ボディプレート層30A及び配線層50Aを備えている。
このうち、中間プレート層20Aには、上記実施形態と同様の構成に加え、水平方向に延在する連通孔202Aが形成されている。この連通孔202Aは、一端が圧力室311に連通されている。
ボディプレート層30Aは、上記実施形態における圧力室層31に代えて圧力室層31Aを備えており、この圧力室層31Aには、上記実施形態における連通孔312に代えて、当該圧力室層31Aを積層方向Zへ貫通するインレット313Aが形成されている。このインレット313Aは、上端で振動板32の貫通孔321と連通するとともに、下端で中間プレート層20Aの連通孔202Aの他端と連通している。また、インレット313Aは、当該インレット313Aと連通する連通孔202A、貫通孔321,401,601、及び後述する配線層50Aにおけるインターポーザ51Aの貫通孔513Aのいずれよりも小さい断面積に形成されている。
配線層50Aは、上記実施形態におけるインターポーザ51に代えてインターポーザ51Aを備えており、このインターポーザ51Aには、上記実施形態におけるインレット512に代えて、当該インターポーザ51Aを積層方向Zへ貫通する貫通孔513Aが形成されている。
ここで、連通孔202A、インレット313A及び貫通孔321,401,513A,601は、上記実施形態における個別流路70に代わる個別流路70Aを構成している。このうち、インレット313Aは、上述のように、個別流路70Aにおける最小の断面積を有する絞り部となっている。このインレット313Aは、上記実施形態におけるインレット512と同様の特性を有しており、同様の形状に形成することができる。
以上のインクジェットヘッド1Aでは、上記実施形態のようにインターポーザ51に形成されたインレット512に代えて、インレット313Aを圧力室層31Aに形成し、このインレット313Aと圧力室311とを、積層方向と直交する方向に延在するよう中間プレート層20Aに形成した連通孔202Aによって連通している。
このようなインクジェットヘッド1Aによっても、上記実施形態におけるインクジェットヘッド1と同様の効果を奏することができる。
なお、本発明は上記実施形態及びその変形例に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。
1,1A インクジェットヘッド
2,2A 積層部材
3 共通インク室
10 ノズルプレート層(第1層部材)
11 ノズル
20,20A 中間プレート層(第4層部材)
30,30A ボディプレート層
31,31A 圧力室層(第2層部材)
40 第1接着層
50,50A 配線層
51,51A インターポーザ(第3層部材)
60 第2接着層
70,70A 個別流路
311 圧力室
312,202A 連通孔(連通部)
512,313A インレット(絞り部)
Z 積層方向

Claims (6)

  1. インクを吐出する複数のノズルが設けられた多層状の積層部材と、前記積層部材の積層方向の一方側に配設されて前記複数のノズルにインクを供給する共通インク室とを備えるインクジェットヘッドにおいて、
    前記積層部材は、
    前記複数のノズルが形成された第1層部材と、
    前記第1層部材の前記一方側に積層されるとともに、前記複数のノズルに個別に連通された複数の圧力室を有する第2層部材と、
    前記第2層部材の前記一方側に積層された第3層部材と、
    前記共通インク室と前記複数の圧力室とを個別に連通する複数の個別流路と、
    を有し、
    前記複数の個別流路には、当該個別流路における最小の断面積を有するとともに、前記第2層部材及び前記第3層部材のいずれか一方のみを前記積層方向へ貫通する絞り部がそれぞれ形成されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
  2. 前記絞り部は、円形断面に形成されるとともに長さが直径の2倍以上であることを特徴とする請求項1に記載のインクジェットヘッド。
  3. 前記絞り部は、前記第3層部材に形成されるとともに、前記積層方向と直交する方向に延在するよう前記第2層部材に形成された連通部を介して前記圧力室に連通されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のインクジェットヘッド。
  4. 前記第3層部材は、シリコン製の基板であることを特徴とする請求項3に記載のインクジェットヘッド。
  5. 前記積層部材は、前記第1層部材と前記第2層部材との間に積層された第4層部材を有し、
    前記絞り部は、前記第2層部材に形成されるとともに、前記積層方向と直交する方向に延在するよう前記第4層部材に形成された連通部を介して前記圧力室に連通されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のインクジェットヘッド。
  6. 前記第2層部材は、シリコン製の基板であることを特徴とする請求項5に記載のインクジェットヘッド。
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