JP5899928B2 - インクジェットヘッド - Google Patents

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シリコン製の基板である第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、
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、
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倍以上であり、
前記絞り部は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１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１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１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。

請求項２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。

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 (2)

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シリコン製の基板である第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、
   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、
   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倍以上であり、
   前記絞り部は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インクジェットヘッド。
2. 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１に記載のインクジェットヘッド。