JPWO2014185370A1 - インクジェットヘッド - Google Patents
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Abstract
基板の反りによる問題の発生を防止する。インクジェットヘッド1は、下方にインクが吐出されるノズルNに連通するよう設けられてインクが収容される圧力室21が形成された圧力室基板20と、圧力室基板20の上側に積層されて圧力室21の一面を形成する振動板30の上側に積層されたスペーサー基板40と、スペーサー基板40の上側に積層された配線基板50と、配線基板50と振動板30との間でスペーサー基板40により形成されたスペース内で振動板30に当接するよう設けられるとともに配線基板50の配線52と電気的に接続されたアクチュエーター60と、を備え、圧力室基板20、振動板30、スペーサー基板40及び配線基板50は、各々の熱膨張係数の差が所定値以下である。
Description
本発明は、インクジェットヘッドに関する。
インクジェットヘッドは、インクを吐出する複数のノズル、各ノズルからのインクの吐出に係る圧力を加えるための複数の圧力室、各圧力室にインクを供給するための流路等を備える。インクジェットヘッドが備えるこれらの構成を、インクの吐出方向(例えば、上下方向)に直交する平面(例えば、水平面)に沿って配置すると、ノズルどうしの間隔が大きくなってしまい、吐出されるインクの密度を上げることができなくなる。そこで、各ノズルの上方に圧力室を設けると共に、各圧力室にインクを供給する共通流路を圧力室のさらに上方に積層することで高密度化を図ったインクジェットヘッドが知られている(例えば、特許文献1)。かかるインクジェットヘッドでは、圧力室の壁面に外側から当接したアクチュエーターが動作することで圧力室内に圧力を加えてノズルからインクを吐出させる。
図9は、従来のインクジェットヘッドのノズル付近の構成を示す断面図である。
図9に示すように、圧力室201の上面に設けられた振動板202の外側から当接するアクチュエーター203と、アクチュエーター203の上方に配設されたシリコン製の配線基板204とは、アクチュエーター203の電極203a上に形成されたバンプ205と、配線基板204側に形成されたはんだ206を介して電気的に接続されている。また、配線基板204とアクチュエーター203との間にバンプ205及びはんだ206を形成するスペースを設けるため、圧力室201を構成する圧力室基板201aと配線基板204との間に感光性樹脂製のスペーサー基板207が設けられている。
図9に示すように、圧力室201の上面に設けられた振動板202の外側から当接するアクチュエーター203と、アクチュエーター203の上方に配設されたシリコン製の配線基板204とは、アクチュエーター203の電極203a上に形成されたバンプ205と、配線基板204側に形成されたはんだ206を介して電気的に接続されている。また、配線基板204とアクチュエーター203との間にバンプ205及びはんだ206を形成するスペースを設けるため、圧力室201を構成する圧力室基板201aと配線基板204との間に感光性樹脂製のスペーサー基板207が設けられている。
ところで、上記のようなインクジェットヘッドにおいて、温度によって粘性が大きく変化するインクが用いられることがある。かかるインクが吐出される場合、吐出前にインクジェットヘッド内に存するインクは加熱された状態となっていることから、インクの熱によりインクジェットヘッドも加熱されることとなる。
しかしながら、上記のように、インクジェットヘッドのノズル付近の構成は積層により構成されていることから、加熱された場合に、個々の層を構成する基板の各々の熱膨張係数の差によって、インクジェットヘッドに反りが発生する。かかる反りは、ノズルからのインクの吐出角度を変化させて画像の品質に悪影響を与えることに加えて、反りの度合いによっては基板間の剥離を生じさせて、インク漏れや電気的な接続の不良等の問題を引き起こす。
また、バンプ205の形成時等、インクジェットヘッドは製造の際にも熱が加えられるが、かかる熱によっても基板に反りが発生し得る。
しかしながら、上記のように、インクジェットヘッドのノズル付近の構成は積層により構成されていることから、加熱された場合に、個々の層を構成する基板の各々の熱膨張係数の差によって、インクジェットヘッドに反りが発生する。かかる反りは、ノズルからのインクの吐出角度を変化させて画像の品質に悪影響を与えることに加えて、反りの度合いによっては基板間の剥離を生じさせて、インク漏れや電気的な接続の不良等の問題を引き起こす。
また、バンプ205の形成時等、インクジェットヘッドは製造の際にも熱が加えられるが、かかる熱によっても基板に反りが発生し得る。
本発明は、基板の反りによる問題の発生を防止することができるインクジェットヘッドを提供することを目的とする。
請求項1に記載の発明によるインクジェットヘッドは、所定の方向にインクが吐出されるノズルに連通するよう設けられて前記インクが収容される圧力室が形成された圧力室基板と、前記圧力室の前記所定の方向の反対側の一面を構成する振動板の前記所定の方向の反対側に積層されたスペーサー基板と、前記スペーサー基板の前記所定の方向の反対側に積層された配線基板と、前記配線基板と前記振動板との間で前記スペーサー基板により形成されたスペース内で前記振動板に当接するよう設けられるとともに前記配線基板の配線と電気的に接続されたアクチュエーターと、を備え、前記圧力室基板、前記振動板、前記スペーサー基板及び前記配線基板は、各々の熱膨張係数の差が所定値以下であ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であって、前記圧力室基板、前記振動板、前記スペーサー基板及び前記配線基板は、熱伝導率が10[W・m−1・K−1]以上の材料からな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であって、前記圧力室基板、前記振動板、前記配線基板の材料は、シリコンであり、前記スペーサー基板の材料は、42アロイであることを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項1から3のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドであって、前記スペーサー基板の厚みが50[μm]以上200[μm]以下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から4のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドであって、前記スペーサー基板には、前記圧力室に連通するインクの導通路が設けられ、少なくとも当該インクの導通路に表面処理が施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1から5のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドであって、前記ノズルが形成されたノズル基板をさらに備え、前記ノズル基板の材料は、シリコンであることを特徴とする。
請求項7に記載の発明は、請求項6に記載のインクジェットヘッドであって、前記ノズルは、前記ノズル基板に対するドライエッチングにより形成されることを特徴とする。
本発明によれば、基板の反りによる問題の発生を防止することができる。
以下に、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
図1は、本発明に係るインクジェットヘッド1の斜視図である。
図1に示すように、インクジェットヘッド1は、平面に沿って設けられた複数のノズルNを備える。
以下、複数のノズルNが設けられた平面をX−Y平面とし、当該平面に沿う方向であって、互いに直交する方向をそれぞれX方向、Y方向とする。また、X−Y平面に直交する方向をZ方向とする。
図1に示すように、インクジェットヘッド1は、平面に沿って設けられた複数のノズルNを備える。
以下、複数のノズルNが設けられた平面をX−Y平面とし、当該平面に沿う方向であって、互いに直交する方向をそれぞれX方向、Y方向とする。また、X−Y平面に直交する方向をZ方向とする。
図2は、X−Y平面における複数のノズルNの配置例を示す図である。
図2に示すように、インクジェットヘッド1には、例えば、Y方向に沿って設けられた複数のノズルNによるノズル列が、X方向に複数列設けられている。
なお、図2では、多数存するノズルNのうち、最左に存するノズル列のノズルNについて符号を付し、他のノズルNの符号を省略している。
図2に示すように、インクジェットヘッド1には、例えば、Y方向に沿って設けられた複数のノズルNによるノズル列が、X方向に複数列設けられている。
なお、図2では、多数存するノズルNのうち、最左に存するノズル列のノズルNについて符号を付し、他のノズルNの符号を省略している。
図3は、インクジェットヘッド1の断面図である。なお、図3では、便宜上、複数のノズルNのうち、四つのノズルNについて図示している。
図3に示すように、複数のノズルNは、ノズル基板10に形成されている。
また、ノズル基板10のうち、複数のノズルNからインクが吐出される方向の反対側には、Z方向に沿って、複数の基板等が積層されている。具体的には、例えば、ノズル基板10に近い側から、圧力室基板20、振動板30、スペーサー基板40、配線基板50が積層されている。
以下、便宜上、ノズル基板10、圧力室基板20、振動板30、スペーサー基板40及び配線基板50が積層された複数の基板からなる構造体を積層体Aと記載する。また、Z方向に沿う方向のうち、ノズル基板10を基準として、インクが吐出される所定の方向を下方と記載し、その反対方向を上方と記載する。
図3に示すように、複数のノズルNは、ノズル基板10に形成されている。
また、ノズル基板10のうち、複数のノズルNからインクが吐出される方向の反対側には、Z方向に沿って、複数の基板等が積層されている。具体的には、例えば、ノズル基板10に近い側から、圧力室基板20、振動板30、スペーサー基板40、配線基板50が積層されている。
以下、便宜上、ノズル基板10、圧力室基板20、振動板30、スペーサー基板40及び配線基板50が積層された複数の基板からなる構造体を積層体Aと記載する。また、Z方向に沿う方向のうち、ノズル基板10を基準として、インクが吐出される所定の方向を下方と記載し、その反対方向を上方と記載する。
図4は、図3に示す断面図のうち、一つのノズルNに係る構成の拡大図である。
図3、図4に示すように、圧力室基板20には、ノズルNに連通する圧力室21が形成されている。
また、振動板30は、圧力室21の上方に設けられており、圧力室21の一面(上面)を構成する。即ち、振動板30は、圧力室21に対して、インクが吐出される所定の方向(下方)の反対側(上方)に設けられている。また、振動板30の上面には、アクチュエーター60が設けられている。ここで、アクチュエーター60は、振動板30に当接している。
図3、図4に示すように、圧力室基板20には、ノズルNに連通する圧力室21が形成されている。
また、振動板30は、圧力室21の上方に設けられており、圧力室21の一面(上面)を構成する。即ち、振動板30は、圧力室21に対して、インクが吐出される所定の方向(下方)の反対側(上方)に設けられている。また、振動板30の上面には、アクチュエーター60が設けられている。ここで、アクチュエーター60は、振動板30に当接している。
また、振動板30、スペーサー基板40及び配線基板50には、圧力室21に連通する導通路31、41、51が設けられている。導通路31、41、51により形成されるインクの流路は、圧力室21と、配線基板50の上方に設けられた共通流路70とを接続する。
共通流路70は、例えば、配線基板50の上方に立設する筐体80内に設けられて、図示しないインクの供給機構に接続されている。当該インクの供給機構から共通流路70に供給されたインクは、共通流路70、導通路51、41、31を通って圧力室21に供給される。圧力室21に供給されたインクは、アクチュエーター60の動作に応じて振動板30が振動することで圧力室21内のインクに圧力を加えることで、ノズルNから吐出される。
ここで、共通流路70は、圧力室21に供給されるインクの供給部として機能する。圧力室21には、ノズルNから吐出されるインクが収容される。また、アクチュエーター60は、ノズルNからインクを吐出するための圧力を圧力室21に加える。
以下、積層体Aのうち、ノズルNが形成されたノズル基板10、圧力室21が形成されている圧力室基板20と、圧力室21の上面を構成する振動板30及びアクチュエーター60から構成される構造体をヘッド基板Bとする。ここで、配線基板50には、圧力室21に供給されるインクの供給部(共通流路70)とヘッド基板Bとの間に設けられて供給部から圧力室21に連通するインクの導通路(導通路51)が形成されている。
ここで、共通流路70は、圧力室21に供給されるインクの供給部として機能する。圧力室21には、ノズルNから吐出されるインクが収容される。また、アクチュエーター60は、ノズルNからインクを吐出するための圧力を圧力室21に加える。
以下、積層体Aのうち、ノズルNが形成されたノズル基板10、圧力室21が形成されている圧力室基板20と、圧力室21の上面を構成する振動板30及びアクチュエーター60から構成される構造体をヘッド基板Bとする。ここで、配線基板50には、圧力室21に供給されるインクの供給部(共通流路70)とヘッド基板Bとの間に設けられて供給部から圧力室21に連通するインクの導通路(導通路51)が形成されている。
アクチュエーター60は、配線基板50に設けられた配線52と電気的に接続されている。
具体的には、アクチュエーター60は、例えば、X−Y平面に沿う上面及び下面を有する方形状の圧電素子である。アクチュエーター60は、その上面に第1電極61が設けられている。また、アクチュエーター60は、その下面に第2電極62が設けられている。
具体的には、アクチュエーター60は、例えば、X−Y平面に沿う上面及び下面を有する方形状の圧電素子である。アクチュエーター60は、その上面に第1電極61が設けられている。また、アクチュエーター60は、その下面に第2電極62が設けられている。
第1電極61は、図4に示すように、接続部90を介して、配線基板50の下面側に設けられた配線52と電気的に接続されている。接続部90は、第1電極61と配線52とをZ方向に沿って接続するよう設けられている。
接続部90は、配線基板50に形成されたバンプ91を有する。
具体的には、バンプ91は、例えば、金を材料としたワイヤーボンディングにより形成される。また、バンプ91は、例えば、配線52の下面に形成される。配線52は、例えば、少なくとも下面が平坦な面となるよう設けられた導電性を有する金属(例えば、アルミニウム)製の板により構成されている。
また、バンプ91の下端側には導電性材料92が塗布されている。具体的には、導電性材料92は、例えば、導電性接着材である。導電性接着剤とは、導電性を有する金属粉末(例えば、銀粉等)が混入された接着剤であり、導電性を有する。
このように、接続部90は、配線基板50に形成されたバンプ91とバンプ91に塗布された導電性材料92を介して配線基板50とアクチュエーター60とを電気的に接続する。
接続部90は、配線基板50に形成されたバンプ91を有する。
具体的には、バンプ91は、例えば、金を材料としたワイヤーボンディングにより形成される。また、バンプ91は、例えば、配線52の下面に形成される。配線52は、例えば、少なくとも下面が平坦な面となるよう設けられた導電性を有する金属(例えば、アルミニウム)製の板により構成されている。
また、バンプ91の下端側には導電性材料92が塗布されている。具体的には、導電性材料92は、例えば、導電性接着材である。導電性接着剤とは、導電性を有する金属粉末(例えば、銀粉等)が混入された接着剤であり、導電性を有する。
このように、接続部90は、配線基板50に形成されたバンプ91とバンプ91に塗布された導電性材料92を介して配線基板50とアクチュエーター60とを電気的に接続する。
図5A〜図5Cは、接続部90の形成の工程を示す図である。
まず、図5Aに示すように、配線基板50が単独で用意される。即ち、積層体Aのうち、スペーサー基板40以下の基板は、まだ配線基板50に接合されていない。
次に、金を材料としたワイヤーボンディングにより、図5Bに示すように、バンプ91が形成される。
次に、図示しないアプリケーターを用いた導電性材料92の塗布により、図5Cに示すように、バンプ91の下端側に導電性材料92が塗布される。
なお、図5A〜図5Cは、一つの接続部90の形成に係る記載であるが、実際には、インクジェットヘッド1が有する複数のノズルNの各々に対応する複数の配線52の各々の下面に対して、バンプ91の形成及び導電性材料92の塗布を一括して行うことができる。
まず、図5Aに示すように、配線基板50が単独で用意される。即ち、積層体Aのうち、スペーサー基板40以下の基板は、まだ配線基板50に接合されていない。
次に、金を材料としたワイヤーボンディングにより、図5Bに示すように、バンプ91が形成される。
次に、図示しないアプリケーターを用いた導電性材料92の塗布により、図5Cに示すように、バンプ91の下端側に導電性材料92が塗布される。
なお、図5A〜図5Cは、一つの接続部90の形成に係る記載であるが、実際には、インクジェットヘッド1が有する複数のノズルNの各々に対応する複数の配線52の各々の下面に対して、バンプ91の形成及び導電性材料92の塗布を一括して行うことができる。
配線基板50は、例えば、配線基板50の基部である板状のインターポーザー53と、インターポーザー53の上面、下面をそれぞれ被覆する絶縁層54、55と、絶縁層54、インターポーザー53及び絶縁層55を貫通する貫通孔に設けられた貫通電極56と、絶縁層54の上面に設けられて貫通電極56の上側の端部と電気的に接続された配線57と、配線57の上面及び配線57が設けられていない絶縁層54の上面を被覆する絶縁層58と、絶縁層55の下面に設けられて貫通電極56の下側の端部と電気的に接続された配線52と、配線52のうちバンプ91が形成されない部分の下面及び絶縁層55のうち配線52が設けられていない下面を被覆する絶縁層59と、絶縁層58、絶縁層54、インターポーザー53、絶縁層55及び絶縁層59を貫通する導通路51と、を有する。
配線52は、貫通電極56、配線57を介して、アクチュエーター60への電圧の印加に係る図示しない制御部に接続されている。
配線52は、貫通電極56、配線57を介して、アクチュエーター60への電圧の印加に係る図示しない制御部に接続されている。
また、第2電極62は、振動板30に当接している。振動板30は、導電体であり、第2電極62と制御部とを電気的に接続する電極として機能している。具体的には、第2電極62は、例えば、振動板30及び振動板30に接続された図示しない配線を介して制御部に接続されている。
圧電素子は、第1電極61が、接続部90、配線52、貫通電極56、配線57を介して制御部に接続されるとともに、第2電極62が、振動板30及び図示しない配線を介して制御部に接続されることで、制御部の制御下で、アクチュエーター60として動作する。
圧電素子は、第1電極61が、接続部90、配線52、貫通電極56、配線57を介して制御部に接続されるとともに、第2電極62が、振動板30及び図示しない配線を介して制御部に接続されることで、制御部の制御下で、アクチュエーター60として動作する。
スペーサー基板40は、振動板30と配線基板50との間で、アクチュエーター60及び接続部90のZ方向に沿った幅に対応したスペースを確保する。
具体的には、スペーサー基板40は、振動板30の上面側におけるアクチュエーター60の配設位置に応じた開口部42を有する。開口部42は、スペーサー基板40をZ方向に貫通している。
具体的には、スペーサー基板40は、振動板30の上面側におけるアクチュエーター60の配設位置に応じた開口部42を有する。開口部42は、スペーサー基板40をZ方向に貫通している。
図6A〜図6Cは、振動板30とスペーサー基板40との接合例に係る説明図である。
図6Aに示すように、スペーサー基板40が用意される。また、図6Bに示すように、ヘッド基板Bが用意される。ここで、振動板30の上面には、アクチュエーター60が設けられている。
そして、図6Cに示すように、スペーサー基板40の開口部42の位置にアクチュエーター60が位置するように、スペーサー基板40と振動板30とが接合されて、ヘッド基板Bとスペーサー基板40との接合体が形成される。
図6Aに示すように、スペーサー基板40が用意される。また、図6Bに示すように、ヘッド基板Bが用意される。ここで、振動板30の上面には、アクチュエーター60が設けられている。
そして、図6Cに示すように、スペーサー基板40の開口部42の位置にアクチュエーター60が位置するように、スペーサー基板40と振動板30とが接合されて、ヘッド基板Bとスペーサー基板40との接合体が形成される。
その後、図6Cに示すヘッド基板Bとスペーサー基板40との接合体と、図5Aに示す接続部90が形成された配線基板50とが加熱接着されることで、積層体Aが形成されるとともに、接続部90を介してアクチュエーター60と配線基板50の配線52とが電気的に接続される。
ここで、スペーサー基板40の厚みは、 アクチュエーター60及び接続部90のZ方向に沿った幅に対応する。具体的には、スペーサー基板40の厚みは、アクチュエーター60のZ方向の幅と、接続部90のZ方向の幅との和に対応する。より具体的には、スペーサー基板40の厚みは、例えば、50[μm]以上200[μm]以下である。このように、スペーサー基板40をより薄く設けることで、スペーサー基板40の熱膨張の度合いを最低限に抑えることができることから、基板どうしの熱膨張係数の差による基板の反りや基板間の剥離による問題の発生をより確実に防止することができる。
ここで、スペーサー基板40の厚みは、 アクチュエーター60及び接続部90のZ方向に沿った幅に対応する。具体的には、スペーサー基板40の厚みは、アクチュエーター60のZ方向の幅と、接続部90のZ方向の幅との和に対応する。より具体的には、スペーサー基板40の厚みは、例えば、50[μm]以上200[μm]以下である。このように、スペーサー基板40をより薄く設けることで、スペーサー基板40の熱膨張の度合いを最低限に抑えることができることから、基板どうしの熱膨張係数の差による基板の反りや基板間の剥離による問題の発生をより確実に防止することができる。
また、スペーサー基板40の厚みは、共通流路70と圧力室21との間の導通路41の長さに影響を与える。ここで、導通路41は、より短いほうが、導通路41内を通過するインクに対する流路抵抗を小さくすることができる。よって、アクチュエーター60及び接続部90のZ方向に沿った幅をより小さくすることで、スペーサー基板40の厚みをより薄くすることができることから、インクに対する流路抵抗をより小さくすることができる。
また、スペーサー基板40には、スペーサー基板40と配線基板50とを接着する接着剤が開口部42側に入り込まないようにするための構造(グルーガード)や、空気を逃がすための構造(エアー逃がし)が設けられている。
具体的には、スペーサー基板40は、例えば、図7A及び図7Bに示すように、Y方向に沿って設けられた開口部42により形成された開口部42の列の両端に、Y方向に沿う直線状のパターン43が形成されている。パターン43が、グルーガード及び空気逃がしとして機能する。
より具体的には、スペーサー基板40には、開口部42を形成するために、両面にフォトリソグラフィが施される。ここで、片方の面(上面)にのみ、パターン43を形成することで、当該面に線状のザグリが形成される。
具体的には、スペーサー基板40は、例えば、図7A及び図7Bに示すように、Y方向に沿って設けられた開口部42により形成された開口部42の列の両端に、Y方向に沿う直線状のパターン43が形成されている。パターン43が、グルーガード及び空気逃がしとして機能する。
より具体的には、スペーサー基板40には、開口部42を形成するために、両面にフォトリソグラフィが施される。ここで、片方の面(上面)にのみ、パターン43を形成することで、当該面に線状のザグリが形成される。
図7A及び図7Bに示すように、開口部42の列を形成する複数の開口部42のうち、Y方向に沿って隣接する開口部42どうしは連続している。そして、開口部42の列の両端に位置する開口部42から連続するように、パターン43が形成されている。これにより、図6Cに示すヘッド基板Bとスペーサー基板40との接合体と、図5Aに示す接続部90が形成された配線基板50とが加熱接着される際に、加熱されることで体積が増加する開口部42内の空気をパターン43から逃がすことができる。即ち、パターン43は、エアー逃がしとして機能する。また、スペーサー基板40と配線基板50との間を接着するための接着剤は、図7Bに示すスペーサー基板40の上板面の枠部分に当接することになるが、ここで、接着剤に余剰があると、余剰の接着剤は行き場を求めて上板面に沿って移動することとなる。ここで、パターン43が存在するので、余剰の接着剤はパターン43に入り込み、開口部42に進入することがない。即ち、パターン43は、グルーガードとして機能する。
なお、図7では、多数存する開口部42、パターン43及びアクチュエーター60のうち、最左に存する四つについて符号を付し、残りの同一構成の符号を省略している。
なお、図7では、多数存する開口部42、パターン43及びアクチュエーター60のうち、最左に存する四つについて符号を付し、残りの同一構成の符号を省略している。
圧力室基板20、振動板30、配線基板50及びスペーサー基板40は、各々の熱膨張係数の差が所定値以下である。ここで、「各々の熱膨張係数の差が所定値以下である」とは、圧力室基板20、振動板30、配線基板50及びスペーサー基板40の各々の熱膨張係数の差が、各々の基板の反りによる問題が発生しない範囲であることをさす。
具体的には、圧力室基板20、振動板30、配線基板50の材料は、シリコン(Si)である。また、スペーサー基板40の材料は、42アロイである。
より具体的には、圧力室基板20及び振動板30は全体がシリコンで形成されている。配線基板50は、インターポーザー53がシリコンで形成されている。インターポーザー53は、配線基板50の構成の大部分を占める構成であることから、インターポーザー53がシリコンで形成されていることで、配線基板50の熱膨張係数を、圧力室基板20や振動板30と略同一とすることができる。
また、スペーサー基板40の材料である42アロイは、重量パーセントでニッケルが42[%]、鉄が57[%]で、残りが微量の添加物質(例えば、銅、マンガン等)からなる合金である。
具体的には、圧力室基板20、振動板30、配線基板50の材料は、シリコン(Si)である。また、スペーサー基板40の材料は、42アロイである。
より具体的には、圧力室基板20及び振動板30は全体がシリコンで形成されている。配線基板50は、インターポーザー53がシリコンで形成されている。インターポーザー53は、配線基板50の構成の大部分を占める構成であることから、インターポーザー53がシリコンで形成されていることで、配線基板50の熱膨張係数を、圧力室基板20や振動板30と略同一とすることができる。
また、スペーサー基板40の材料である42アロイは、重量パーセントでニッケルが42[%]、鉄が57[%]で、残りが微量の添加物質(例えば、銅、マンガン等)からなる合金である。
ここで、シリコンの熱膨張係数は、2.5×10^−6[1/℃]〜4.0×10^−6[1/℃]である。また、42アロイの熱膨張係数は、4.5×10^−6[1/℃]〜6.0×10^−6[1/℃]である。このように、シリコンの熱膨張係数及び42アロイの熱膨張係数はともに、極めて小さい。また、シリコンの熱膨張係数と42アロイの熱膨張係数の差は、0.5×10^−6[1/℃]〜3.5×10^−6[1/℃]である。言い換えれば、シリコンの熱膨張係数と42アロイの熱膨張係数の差は、3.5×10^−6[1/℃]以下であるので、所定値は、3.5×10^−6[1/℃]である。このように、シリコンの熱膨張係数及び42アロイの熱膨張係数は、略同一である。このため、積層体Aの形成に際して行われる各基板に対する加熱等による温度変化や、インクジェットヘッド1の動作に伴う発熱による温度変化等、各種の要因による温度変化が各基板に生じたとしても、各基板の熱膨張の度合いが極めて小さく、また、略同一となることから、基板どうしの熱膨張係数の差による基板の反りや基板間の剥離による問題の発生を防止することができる。即ち、基板の反りによるノズルNからのインクの吐出角度の変化を防止することができる。また、基板間の剥離部分からインクが漏れ出すこともなくなる。このように、本実施形態のインクジェットヘッド1によれば、インクジェットヘッド1の信頼性をより向上させることができる。
また、圧力室基板20、振動板30、配線基板50及びスペーサー基板40の各々の材料は、例えば、各々の熱膨張係数の差によって生じうる基板の反りを原因とする基板間の剥離によって、インクジェットヘッド1内の電気的接続(例えば、接続部90等)が切断されてしまうことがない範囲で決定される。
一例として、スペーサー基板40が、本実施形態で想定される最大の厚み(200[μm])を有する場合において、インクジェットヘッド1が常温(例えば、25[℃]前後)から80[℃]となるまで加熱された場合に、基板間の引き剥がしの度合いが0.16[μm]以下であれば問題ない。かかる引き剥がしの度合いを実現するために基板の材料に求められる条件は、熱膨張係数10×10^−6[1/℃]以下であることとなる。
なお、上記は、スペーサー基板40が、本実施形態で想定される最大の厚み(200[μm])を有する場合の例であり、スペーサー基板40がより薄い場合には、当然、スペーサー基板40の熱膨張の度合いが小さくなることから、熱膨張係数の上限はより緩和されることとなる。このように、材料に求められる熱膨張係数は、具体的な構成に応じて適宜変更されうるが、10×10^−6[1/℃]以下であればよいと考えられる。シリコン及び42アロイは、ともに、10×10^−6[1/℃]を下回る熱膨張係数を示す材料である。
一例として、スペーサー基板40が、本実施形態で想定される最大の厚み(200[μm])を有する場合において、インクジェットヘッド1が常温(例えば、25[℃]前後)から80[℃]となるまで加熱された場合に、基板間の引き剥がしの度合いが0.16[μm]以下であれば問題ない。かかる引き剥がしの度合いを実現するために基板の材料に求められる条件は、熱膨張係数10×10^−6[1/℃]以下であることとなる。
なお、上記は、スペーサー基板40が、本実施形態で想定される最大の厚み(200[μm])を有する場合の例であり、スペーサー基板40がより薄い場合には、当然、スペーサー基板40の熱膨張の度合いが小さくなることから、熱膨張係数の上限はより緩和されることとなる。このように、材料に求められる熱膨張係数は、具体的な構成に応じて適宜変更されうるが、10×10^−6[1/℃]以下であればよいと考えられる。シリコン及び42アロイは、ともに、10×10^−6[1/℃]を下回る熱膨張係数を示す材料である。
また、ノズル基板10の材料は、シリコンである。
ノズル基板10がシリコンであることで、ノズル基板10の熱膨張係数が、圧力室基板20、振動板30、配線基板50及びスペーサー基板40の熱膨張係数と略同一となる。よって、ノズル基板10と圧力室基板20との間の引き剥がしによる隙間からのインクの漏れ出しを防止することができる等、ノズル基板10の熱膨張係数と他の基板の熱膨張係数との差により生じうる反りによる問題の発生を防止することができる。
ノズル基板10がシリコンであることで、ノズル基板10の熱膨張係数が、圧力室基板20、振動板30、配線基板50及びスペーサー基板40の熱膨張係数と略同一となる。よって、ノズル基板10と圧力室基板20との間の引き剥がしによる隙間からのインクの漏れ出しを防止することができる等、ノズル基板10の熱膨張係数と他の基板の熱膨張係数との差により生じうる反りによる問題の発生を防止することができる。
また、ノズルNは、例えば、ノズル基板10に対するドライエッチングにより形成される。
ドライエッチングによりノズルNを形成することで、ノズルNが形成される位置や径の精度をより高精度にすることができる。即ち、ノズルNから吐出されるインクの量や吐出位置をより高精度に調整されたものとすることができることから、より高精度なインクの吐出を行うことができるインクジェットヘッド1を提供することができる。
ドライエッチングによりノズルNを形成することで、ノズルNが形成される位置や径の精度をより高精度にすることができる。即ち、ノズルNから吐出されるインクの量や吐出位置をより高精度に調整されたものとすることができることから、より高精度なインクの吐出を行うことができるインクジェットヘッド1を提供することができる。
また、圧力室基板20、振動板30、配線基板50及びスペーサー基板40は、熱伝導率が10[W・m−1・K−1]以上の材料からなる。
具体的には、圧力室基板20、振動板30、配線基板50の材料であるシリコンの熱伝導率は、168[W・m−1・K−1]である。また、スペーサー基板40の材料である42アロイの熱伝導率は、15[W・m−1・K−1]である。
このように、圧力室基板20、振動板30、配線基板50及びスペーサー基板40の材料を、熱伝導率が10[W・m−1・K−1]以上のものとすることで、積層体A内の温度分布、特に、面方向の温度分布において、温度を均一にすることができることから、複数のノズルNの温度が均一となり、各ノズルNの温度条件を略同一にすることができる。また、インクジェットヘッド1の複数のノズルNは、各々のノズルNの射出率の差により各々で生じる熱量が異なるが、積層体Aが熱伝導率が10[W・m−1・K−1]以上の材料からなることから、各ノズル間での熱伝達が良好に行われ、各々のノズルNの射出率に関わらず、複数のノズルNの温度が均一となる。よって、各ノズルNの温度差により生じうるインクの射出特性のバラツキをより小さくすることができることから、より高精度なインクの吐出を行うことができる。
具体的には、圧力室基板20、振動板30、配線基板50の材料であるシリコンの熱伝導率は、168[W・m−1・K−1]である。また、スペーサー基板40の材料である42アロイの熱伝導率は、15[W・m−1・K−1]である。
このように、圧力室基板20、振動板30、配線基板50及びスペーサー基板40の材料を、熱伝導率が10[W・m−1・K−1]以上のものとすることで、積層体A内の温度分布、特に、面方向の温度分布において、温度を均一にすることができることから、複数のノズルNの温度が均一となり、各ノズルNの温度条件を略同一にすることができる。また、インクジェットヘッド1の複数のノズルNは、各々のノズルNの射出率の差により各々で生じる熱量が異なるが、積層体Aが熱伝導率が10[W・m−1・K−1]以上の材料からなることから、各ノズル間での熱伝達が良好に行われ、各々のノズルNの射出率に関わらず、複数のノズルNの温度が均一となる。よって、各ノズルNの温度差により生じうるインクの射出特性のバラツキをより小さくすることができることから、より高精度なインクの吐出を行うことができる。
また、スペーサー基板40には、表面処理が施されている。
具体的には、スペーサー基板40には、表面処理として、例えば、ニッケル(Ni)によるメッキ処理が施されている。表面処理は、スペーサー基板40に導通路41や、開口部42等の形状加工が行われた後に施される。
スペーサー基板40は、表面処理により、防錆性や溶剤に対する耐性を得ることができることから、スペーサー基板40の耐久性をより向上させることができる。特に、スペーサー基板40には導通路41が設けられているので、インクに含まれている溶剤等に対する耐性を確保するため、表面処理は有効に機能する。
なお、表面処理は、ニッケル(Ni)によるメッキ処理に限らず、防錆性や溶剤に対する耐性を得られる表面処理であればよい。表面処理の他の具体例として、例えば、TEOS(Tetraethyl orthosilicate)のような珪酸エチルによる膜や、パリレン(登録商標)等のパラキシリレン系ポリマーによる膜をスペーサー基板40の表面に形成するための処理が挙げられる。当該膜を形成するための具体的な処理として、例えば、スパッタリング等の蒸着処理を用いることができる。表面処理に係るこれらの例示はあくまで一例であり、これに限られるものでない。
具体的には、スペーサー基板40には、表面処理として、例えば、ニッケル(Ni)によるメッキ処理が施されている。表面処理は、スペーサー基板40に導通路41や、開口部42等の形状加工が行われた後に施される。
スペーサー基板40は、表面処理により、防錆性や溶剤に対する耐性を得ることができることから、スペーサー基板40の耐久性をより向上させることができる。特に、スペーサー基板40には導通路41が設けられているので、インクに含まれている溶剤等に対する耐性を確保するため、表面処理は有効に機能する。
なお、表面処理は、ニッケル(Ni)によるメッキ処理に限らず、防錆性や溶剤に対する耐性を得られる表面処理であればよい。表面処理の他の具体例として、例えば、TEOS(Tetraethyl orthosilicate)のような珪酸エチルによる膜や、パリレン(登録商標)等のパラキシリレン系ポリマーによる膜をスペーサー基板40の表面に形成するための処理が挙げられる。当該膜を形成するための具体的な処理として、例えば、スパッタリング等の蒸着処理を用いることができる。表面処理に係るこれらの例示はあくまで一例であり、これに限られるものでない。
以上、本実施形態のインクジェットヘッド1によれば、圧力室基板20、振動板30、配線基板50及びスペーサー基板40は、各々の熱膨張係数の差が所定値以下であるので、基板の反りによるノズルNからのインクの吐出角度の変化や、基板間の剥離部分からのインクの漏れ出し等、基板どうしの熱膨張係数の差による基板の反りや基板間の剥離による問題の発生を防止することができる。
また、圧力室基板20、振動板30、配線基板50及びスペーサー基板40が、熱伝導率が10[W・m−1・K−1]以上の材料からなるので、インクジェットヘッド1を構成する各基板の温度分布、特に、面方向の温度分布において、温度を均一にすることができることから、複数のノズルNの温度が均一となり、各ノズルNの温度条件を略同一にすることができる。これによって、各ノズルNの温度差により生じうるインクの射出特性のバラツキをより小さくすることができることから、より高精度なインクの吐出を行うことができる。
また、圧力室基板20、振動板30、配線基板50の材料は、シリコンであり、スペーサー基板40の材料は、鉄に42[%]のニッケルが配合された合金であるので、一般的に入手可能な材料により、基板どうしの熱膨張係数の差による基板の反りや基板間の剥離による問題の発生を防止することができるより信頼性の高いインクジェットヘッド1を製造することができる。
また、スペーサー基板40の厚みが50[μm]以上200[μm]以下であるので、スペーサー基板40の薄さにより、スペーサー基板40の熱膨張の度合いを最低限に抑えることができることから、基板どうしの熱膨張係数の差による基板の反りや基板間の剥離による問題の発生をより確実に防止することができる。
さらに、本実施形態のように、スペーサー基板40に導通路41が形成されている場合、スペーサー基板40の薄さにより、導通路41をより短くすることができることから、インクに対する流路抵抗をより小さくすることができる。
また、スペーサー基板40に表面処理が施されているので、防錆性や溶剤に対する耐性を得ることができることから、スペーサー基板40の耐久性をより向上させることができる。
また、ノズル基板10の材料が、シリコンであるので、ノズル基板10の熱膨張係数と他の基板の熱膨張係数との差により生じうる反りによる問題の発生を防止することができる。
また、ノズルNが、ノズル基板10に対するドライエッチングにより形成されるので、ノズルNが形成される位置や径の精度をより高精度にすることができることから、ノズルNから吐出されるインクの量や吐出位置をより高精度に調整されたものとすることができ、より高精度なインクの吐出を行うことができるインクジェットヘッド1を提供することができる。
さらに、バンプ91が配線基板50に形成されるので、バンプ91の形成に伴う熱や振動によりアクチュエーター60が破損してしまうことがなくなり、インクジェットヘッド1の製造においてインクジェットヘッド1の歩留まりをより向上させることができる。
さらに、本実施形態のように、アクチュエーター60が圧電素子である場合、圧電素子の表面には凹凸があることから、仮に、圧電素子側にバンプ91が形成された場合、バンプ91と第1電極61との密着性に問題が生じる場合があるが、本実施形態のインクジェットヘッド1によれば、下面が平坦な面となるよう設けられた配線52の下面側にバンプ91が形成されるので、バンプ91と配線52との良好な密着性を確保することができる。
さらに、バンプ91に導電性材料92が塗布されるので、導電性材料92によりバンプ91とアクチュエーター60とを導電性材料92で接続することができることから、バンプ91と導電性材料92によりアクチュエーター60と配線基板50とをより良好に接続することができる。
さらに、導電性材料92は、導電性を有する接着剤であるので、バンプ91に対して容易に導電性材料92を塗布することができることに加えて、アクチュエーター60への導電性材料92の接着を容易に行うことができることから、アクチュエーター60と配線基板50との接続を含むインクジェットヘッド1の製造に係る工程をより容易なものとすることができる。
なお、本発明の実施の形態は、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
例えば、上記の実施形態では、導電性材料92として導電性接着剤が用いられているが、一例であってこれに限られるものでない。
例えば、導電性材料92は、はんだでもよい。具体的には、例えば、図5Bに示すようにバンプ91が形成された配線基板50に対して、スクリーン印刷機でクリームはんだを塗布することで、はんだを導電性材料92として用いることができる。この場合、複数のノズルNに対応する複数のバンプ91に対して導電性材料92の塗布を一括して行うことができる。
また、導電性材料92として、他に、銀が60[%]〜70[%]含まれたペースト等を用いることもできる。
例えば、導電性材料92は、はんだでもよい。具体的には、例えば、図5Bに示すようにバンプ91が形成された配線基板50に対して、スクリーン印刷機でクリームはんだを塗布することで、はんだを導電性材料92として用いることができる。この場合、複数のノズルNに対応する複数のバンプ91に対して導電性材料92の塗布を一括して行うことができる。
また、導電性材料92として、他に、銀が60[%]〜70[%]含まれたペースト等を用いることもできる。
また、上記の実施形態では、圧力室基板20、振動板30、スペーサー基板40及び配線基板50の各々の熱膨張係数の差が所定値以下であるという条件を満たす材料として、圧力室基板20、振動板30及び配線基板50にシリコンが用いられ、スペーサー基板40に42アロイが用いられているが、一例であってこれに限られるものでない。即ち、当該記載は、現在及び将来において、圧力室基板20、振動板30、スペーサー基板40及び配線基板50の各々の熱膨張係数の差が所定値以下である他の材料を採用することを何ら妨げるものでない。
また、上記の実施形態では、スペーサー基板40の全体に表面処理が施されているが、一例であってこれに限られるものでない。最低限、スペーサー基板40に設けられた導通路41に表面処理が施されていれば、インクとの接触に係る防錆性や溶剤に対する耐性を確保することができる。
また、上記の実施形態における積層体Aの構成はあくまで一例であって、これに限られるものでない。
例えば、図8に示すように、ノズル基板10と圧力室基板20との間に、さらに、別の基板(中間基板100)が設けられていてもよい。中間基板100は、例えば、導通路101をノズル基板10と圧力室基板20との間に設ける目的で設けられる。図8に示すように、中間基板100により導通路101を設けることで、インクが通過する経路の径を絞る形状とする等、ノズルNに至るインクの流路の形状をより容易に任意の形状とすることができることから、インクの吐出に係りインクに加えられる運動エネルギーを調整するためのインクの経路の形状の調整をより容易に行うことができる。
なお、図8に示す例の場合、中間基板100も、他の基板との熱膨張係数の差が所定値以下であることが望ましい。具体的には、中間基板100は、例えば、シリコンを材料とすることで、他の基板との熱膨張係数の差を所定値以下とすることができる。
例えば、図8に示すように、ノズル基板10と圧力室基板20との間に、さらに、別の基板(中間基板100)が設けられていてもよい。中間基板100は、例えば、導通路101をノズル基板10と圧力室基板20との間に設ける目的で設けられる。図8に示すように、中間基板100により導通路101を設けることで、インクが通過する経路の径を絞る形状とする等、ノズルNに至るインクの流路の形状をより容易に任意の形状とすることができることから、インクの吐出に係りインクに加えられる運動エネルギーを調整するためのインクの経路の形状の調整をより容易に行うことができる。
なお、図8に示す例の場合、中間基板100も、他の基板との熱膨張係数の差が所定値以下であることが望ましい。具体的には、中間基板100は、例えば、シリコンを材料とすることで、他の基板との熱膨張係数の差を所定値以下とすることができる。
また、上記の実施形態では、圧力室基板20と振動板30とが個別に設けられて積層されているが、一例であってこれに限られるものでない。例えば、圧力室基板20と振動板30とが一体形成されていてもよい。
本発明は、インクジェットヘッドに利用することができる。
1 インクジェットヘッド
10 ノズル基板
20 圧力室基板
21 圧力室
30 振動板
40 スペーサー基板
41、51 導通路
50 配線基板
52 配線
53 インターポーザー
60 アクチュエーター
70 共通流路
90 接続部
91 バンプ
92 導電性材料
A 積層体
B ヘッド基板
N ノズル
10 ノズル基板
20 圧力室基板
21 圧力室
30 振動板
40 スペーサー基板
41、51 導通路
50 配線基板
52 配線
53 インターポーザー
60 アクチュエーター
70 共通流路
90 接続部
91 バンプ
92 導電性材料
A 積層体
B ヘッド基板
N ノズル
Claims (7)
- 所定の方向にインクが吐出されるノズルに連通するよう設けられて前記インクが収容される圧力室が形成された圧力室基板と、
前記圧力室の前記所定の方向の反対側の一面を構成する振動板の前記所定の方向の反対側に積層されたスペーサー基板と、
前記スペーサー基板の前記所定の方向の反対側に積層された配線基板と、
前記配線基板と前記振動板との間で前記スペーサー基板により形成されたスペース内で前記振動板に当接するよう設けられるとともに前記配線基板の配線と電気的に接続されたアクチュエーターと、
を備え、
前記圧力室基板、前記振動板、前記スペーサー基板及び前記配線基板は、各々の熱膨張係数の差が所定値以下であることを特徴とするインクジェットヘッド。 - 前記圧力室基板、前記振動板、前記スペーサー基板及び前記配線基板は、熱伝導率が10[W・m−1・K−1]以上の材料からな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。
- 前記圧力室基板、前記振動板、前記配線基板の材料は、シリコンであり、
前記スペーサー基板の材料は、42アロイであ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。 - 前記スペーサー基板の厚みが50[μm]以上200[μm]以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
- 前記スペーサー基板には、前記圧力室に連通するインクの導通路が設けられ、少なくとも当該インクの導通路に表面処理が施されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
- 前記ノズルが形成されたノズル基板をさらに備え、
前記ノズル基板の材料は、シリコンであることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。 - 前記ノズルは、前記ノズル基板に対するドライエッチングにより形成されることを特徴とする請求項6に記載のインクジェットヘッド。
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