インクジェットヘッド
【課題】各基材、基板を高精度に接合すること。
【解決手段】インクジェットヘッド３は、インクを吐出するノズル１１が形成されたノズル基板２０と、ノズル基板に積層され、ノズルに連通する圧力室４１が形成された圧力室基板４０と、圧力室の一壁部を構成し、変位により、圧力室内の圧力を変化させる振動板５０と、振動板を挟んで圧力室に対向する位置に設けられ、電圧の印加により振動板を変位させる圧電素子６０と、圧電素子に対向し、圧電素子に接続される配線８７，９１が設けられるとともに、圧力室にインクを導くインク流路８８が形成された配線基板８０と、を備えており、圧力室基板と配線基板とを互いに熱膨張率の等しい材料で形成した。
【解決手段】インクジェットヘッド３は、インクを吐出するノズル１１が形成されたノズル基板２０と、ノズル基板に積層され、ノズルに連通する圧力室４１が形成された圧力室基板４０と、圧力室の一壁部を構成し、変位により、圧力室内の圧力を変化させる振動板５０と、振動板を挟んで圧力室に対向する位置に設けられ、電圧の印加により振動板を変位させる圧電素子６０と、圧電素子に対向し、圧電素子に接続される配線８７，９１が設けられるとともに、圧力室にインクを導くインク流路８８が形成された配線基板８０と、を備えており、圧力室基板と配線基板とを互いに熱膨張率の等しい材料で形成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェット記録装置に備えられるインクジェットヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、インクジェットヘッドのノズルからインク滴を吐出させて記録媒体に所望の画像を記録するインクジェット記録装置が知られている。このインクジェット記録装置は、多岐にわたる用途に使用され、それぞれの目的に沿った種類のインクや記録媒体が使用可能となっている。
インクジェットヘッドには、圧電素子の変位を利用して圧力室内のインクを加圧し、圧力室に連通するノズルからインク滴を吐出する圧電方式のヘッドがある（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
このような圧電方式のヘッドにおいて、高精細な画像を形成するためにノズルを高密度に配置したものがあり、例えば、ノズルとこのノズルに連通した圧力室との組を２次元状に配列させたものが知られている。ノズルを２次元状に配列させることで、ヘッドを小型化させることも可能となっている。
また、複数の圧力室にインクを供給するための共通流路（共通インク室）を圧力室とは異なる層に設けることで、さらなるヘッドの小型化、圧力室の高密度配置を行うことも知られている。さらに、圧電素子に接続される配線を、圧電素子が配置される層とは別の配線基板に設けることにより、多数の圧電素子を高密度に配置した場合でも十分な配線スペースを確保することも知られている。
【０００４】
このような圧電方式のヘッドの製造方法として、流路などが形成された複数の基材を積層すると共に互いを接合するというものが知られている。接合を行う際には、高精度に位置決めを行うことにより、高精度な吐出特性を持つヘッドを作ることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２６４３２２号公報
【特許文献２】特開２００６−２８１７７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
基材同士を接合する方法として、加熱を伴う接合方法が知られている。異なる種類の基材を加熱により接合する場合は、熱膨張率の違いにより位置ずれが生じる恐れがある。また、例えば、金属の配線や絶縁膜が形成されたシリコン基材の配線基材のように、複数の素材で構成された基材は、加熱に伴って反りが生じる恐れがある。反りが生じたまま接合すると位置ずれが生じやすく、流路の連通や配線の接続が確実に行われない可能性が高く、インク漏れや導通不良の発生要因となる。また、仮に反ったまま位置ずれなく接合できたとしても、反りの応力によって接合部分が剥がれやすくなり、ヘッドの耐久性が低下してしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、基材同士を加熱接合する際の反りを抑制し、接合の位置精度や耐久性を向上させ、吐出精度、信頼性に優れるインクジェットヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、インクジェットヘッドにおいて、
インクを吐出するノズルが形成されたノズル基板と、
前記ノズル基板に積層され、前記ノズルに連通する圧力室が形成された圧力室基板と、
前記圧力室のインクを前記ノズルから吐出させるための力を付与するアクチュエータと、
前記アクチュエータに対向し、前記アクチュエータに接続される配線が設けられるとともに、前記圧力室にインクを導くインク流路が形成された配線基板と、を備え、
前記圧力室基板と前記配線基板とが互いに熱膨張率の等しい材料で形成されていることを特徴とする。
【０００９】
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、
前記圧力室基板と前記配線基板は、同一の材料で形成されていることを特徴とする。
【００１０】
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、
前記圧力室基板と前記配線基板は、シリコンで形成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズル基板は、前記圧力室基板及び前記配線基板と互いに熱膨張率の等しい材料で形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズル基板は、前記圧力室基板及び前記配線基板と同じ材料で形成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズル基板は、シリコンで形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、圧力室基板と配線基板とが互いに熱膨張率の等しい材料で形成されているので、加熱時の基板の反りを抑制する効果がある。
これにより、隣接する基材との接合を高精度なものにすることができ、また、接合後の反り応力も軽減される。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、圧力室基板と配線基板とが互いに同一の材料で形成されているので、加熱時の基板の反りを抑制する効果がある。
これにより、隣接する基材との接合を高精度なものにすることができ、また、接合後の反り応力も軽減される。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、圧力室基板と配線基板をシリコンで形成することにより、微細な加工も可能となり、各基板の加工精度を向上させることができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、圧力室基板と配線基板とノズル基板とが互いに熱膨張率の等しい材料で形成されているので、加熱時の基板の反りを抑制する効果がある。
これにより、隣接する基材との接合を高精度なものにすることができ、また、接合後の反り応力も軽減される。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、圧力室基板と配線基板とノズル基板とが互いに同一の材料で形成されているので、加熱時の基板の反りを抑制する効果がある。
これにより、隣接する基材との接合を高精度なものにすることができ、また、接合後の反り応力も軽減される。
【００１９】
請求項６に記載の発明によれば、圧力室基板、配線基板及びノズル基板をシリコンで形成することにより、微細な加工も可能となり、各基板の加工精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】インクジェット記録装置の要部を示す模式図。
【図２】インクジェットヘッドの斜視図。
【図３】ノズルプレートの下面図。
【図４】インクジェットヘッドの縦断面図。
【図５】図４において圧電素子の周囲を拡大視した図。
【図６】インクジェットヘッドを組み立てる際の接合工程を説明する図。
【図７】図６において圧電素子の周囲を拡大視した図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、インクジェットヘッドについて説明する。本発明に係るインクジェットヘッドは、インクジェット記録装置に備えられている。
＜インクジェット記録装置＞
図１は、インクジェット記録装置１の要部を示す模式図である。
図１に示すように、インクジェット記録装置１は、記録媒体Ｐを矢印Ｚの方向（以下、搬送方向Ｚという）へ搬送する搬送部２を備えている。記録媒体Ｐとしては、紙や布帛のほか、インク吸収性の無いプラスチックフィルムや金属類等を用いることが可能であり、特に限定されない。なお、ここでの紙とは、インク吸収性を有するインクジェットプリンタ専用紙は勿論のこと、インク吸収性の弱いコート紙やアート紙、及び普通紙を含むものである。
【００２２】
搬送部２の上方には、搬送部２上の記録媒体Ｐへインク滴Ｄを吐出するインクジェットヘッド３が配設されている。このインクジェットヘッド３には、インク滴Ｄを吐出する複数のノズル１１が、図中のＸ方向及びＹ方向に配列されている（図２参照）。
搬送部２、インクジェットヘッド３は、制御部５に接続されており、この制御部５により制御される。
【００２３】
図２は、インクジェットヘッド３の斜視図である。
この図に示すように、インクジェットヘッド３はその下端にインク滴Ｄを吐出する複数のノズル１１が形成されたノズルプレート２０を備えている。
図３は、ノズルプレート２０の下面図である。
図３に示すように、ノズル１１は、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。
【００２４】
＜インクジェットヘッドの構成＞
図４は、インクジェットヘッドの縦断面図であり、図５は、図４において圧電素子の周囲を拡大視した図である。
インクジェットヘッド３は、ノズルプレート２０、中間プレート３０、圧力室プレート４０の３枚の基板が積層されて構成されているヘッド基板と、配線基板８０と、ヘッド基板と配線基板とを接続する部材とが積層されて構成されている。
【００２５】
（ノズルプレート）
図４，図５に示すように、インクジェットヘッド３は、インクを吐出する複数のノズル１１が形成されたノズル基板としてのノズルプレート２０を備えている。ノズルプレート２０は、ノズル１１からインクと下方に吐出する際にインクジェットヘッド３の最下層に位置する。ノズルプレート２０は、シリコンを基材としており、ドライエッチングにより、インク流路１２及びノズル１１が形成されている。
【００２６】
（中間プレート）
中間プレート３０は、ガラスで構成された基板であり、ノズル１１へ通じるインク流路３１と、後で説明する、圧力室プレート４０に設けられた圧力室４１とインク流路４２を接続するインク流路３２とが形成されている。インク流路３１，３２を形成する方法の一例としては、サンドブラスト法が挙げられる。
中間プレート３０は、ノズルプレート２０と接合されている。接合の方法としては、陽極接合を挙げることができる。ここで、陽極接合とは、中間プレート３０を加熱（300℃〜500℃）し、ノズルプレート２０と中間プレート３０との間に電圧を印加し、静電引力により両者を接合する方法である。陽極接合を用いることにより、両者を接着するための接着剤が不要となり、インク溶剤による耐久性劣化の恐れがなく、信頼性を高めることができる。
インク流路３１は、中間プレート３０をノズルプレート２０に積層した際に、インク流路１２に連通する位置に形成されている。
【００２７】
（圧力室プレート）
圧力室プレート４０（圧力室基板）は、ノズルプレート２０と熱膨張率の等しい材料、具体的には、ノズルプレート２０を形成する材料と同一材料のシリコン基板で構成されており、圧力室４１と、圧力室４１へのインク流路となるインレット（絞り流路）４２とが形成されている。圧力室４１及びインレット４２を形成する方法の一例としては、ドライエッチングが挙げられる。
圧力室プレート４０は、ガラス基板である中間プレート３０と陽極接合により接合されている。接合に際しては、圧力室４１が中間プレート３０に形成されたインク流路３１と連通するように位置合わせがなされている。ここでの陽極接合も上記中間プレート３０の接合と同じ方法である。圧力室プレート４０には、ノズル１１から吐出するインクを貯留する圧力室４１が圧力室プレート４０の厚さ方向に貫通するように形成されている。
【００２８】
圧力室プレート４０には、圧力室４１へのインク流路となるインレット（絞り流路）４２が当該圧力室プレート４０の厚さ方向に貫通するように形成されている。インレット４２は、ドライエッチングにより、他のインク流路より細くなるように形成されている。このことにより、流路抵抗をインレット４２で規定することになり、所望の吐出特性（液滴径、吐出周波数等）を実現することが可能となる。また、インレット４２における流路抵抗等のパラメータが吐出特性に影響するが、インレット４２を高精度加工が可能なシリコンを基材とする圧力室プレート４０に形成しているので、加工のばらつきも少なく、吐出特性も良好なものとなる。
圧力室４１とインレット４２は、圧力室プレート４０においては互いに独立するように形成されているが、中間プレート３０に圧力室プレート４０を積層した際に、中間プレート３０に形成されたインク流路３２を介して連通される。従って、インクは、インレット４２、インク流路３１を通って圧力室４１に貯留される。
【００２９】
（振動板）
圧力室プレート４０には、振動板５０が設けられている。振動板５０は、インレット４２を回避しつつ、圧力室４１の開口を覆うように圧力室プレート４０に設けられている。すなわち、振動板５０は、圧力室４１の一壁部を構成している。
振動板５０は、薄板状に形成されており、厚さ方向への変位（弾性変形）により圧力室４１内の圧力を変化させることができる。
【００３０】
（圧電素子）
振動板５０には、当該振動板５０を挟んで圧力室４１に対向する位置に圧電素子６０が設けられている。
圧電素子６０は、ＰＺＴ(lead zirconate titanate)からなるアクチュエータであり、圧力室４１のインクをノズル１１から吐出させるための力を付与するものである。
圧電素子６０は、上面側及び下面側から二つの電極６１，６２により挟まれ、下面側の電極６１が振動板５上に設けられている。圧電素子６０及び電極６１，６２は、振動板５０にエッチング等の方法でパターニング形成することにより設けられている。
電極６１，６２に電圧を印加すると、電極６１，６２に挟まれた圧電素子６０が変位し、圧電素子６０の変位により振動板５０も変位する。この振動板５０の動作により、圧力室４１内のインクがノズルからインク滴Ｄ（図１参照）として吐出される。
【００３１】
（接合部）
振動板５０には、絶縁層としての接合部７０が設けられており、接合部７０を介して、圧力室プレート４０が配線基板８０と接合されている。
接合部７０は、樹脂で形成されている。ここで、使用される樹脂としては、耐インク性（インクによって溶解、性質が変化しない等）を有しており、絶縁材料であれば、特に制限はない。例えば、エポキシ系、ポリイミド系、ポリアミド系、ポリウレタン系、シリコーン系などの樹脂を用いることができる。また、樹脂の中でも、感光性樹脂を用いることがより好ましい。感光性樹脂は、露光、現像を行うことにより微細なパターンを形成することができるものであり、例えば、Du Pont社製のPerMX3000シリーズなどの感光性樹脂を用いることができる。
また、樹脂以外の材料であっても、絶縁性を有する各種材料を使用してもよい。
【００３２】
接合部７０は、圧力室プレート４０に形成されたインレット４２と、後で説明する、配線基板８０に設けられたインク流路８８とを連通するようにしてインク流路７２が形成された柱状部材として構成されている。
接合部７０には、当該振動板５０を挟んで圧力室４１に対向する位置に圧電素子６０及び電極６１，６２を収容する空間７１が接合部７０の厚さ方向に貫通するように形成されている。空間７１は、各圧電素子６０を個別に収容するように複数形成されている。
接合部７０には、空間７１とは独立してインク流路７２が接合部７０の厚さ方向に貫通するように形成されている。
接合部７０は、インクジェットヘッド３における、圧電素子６０が設けられた領域より外側の領域においては、領域のほぼ全面に存在し、圧力室プレート４０と配線基板８０を接合している。
【００３３】
（配線基板）
接合部７０には、配線基板８０が積層され、接合されている。配線基板８０は、ノズルプレート２０及び圧力室プレート４０と熱膨張率の等しい材料、具体的には、ノズルプレート２０及び圧力室プレート４０を形成する材料と同一材料のシリコンを基材としている。
配線基板８０の下面には、２層の酸化シリコンの絶縁層８２，８３が形成され、上面には、同じく酸化シリコンの絶縁層８４が形成されている。絶縁層８２，８３のうち、下方に位置する絶縁層８３は、接合部７０の上面に当接し、接合されている。
【００３４】
配線基板８０には、電極６１，６２に駆動電圧を印加して圧電素子６０を変位させるために貫通電極８５を通す電極用貫通孔（スルーホール）８６が配線基板８０の厚さ方向に形成されている。貫通電極８５の下端には、水平方向に延在するアルミ配線８７の一端が接続されており、このアルミ配線８７の他端には、圧電素子６０上面の電極６２に設けられたスタッドバンプ６３が、空間７１内に露出した半田６４を介して接続されている。アルミ配線８７は、配線基板８０の下面の２層の絶縁層８２，８３によって挟まれて保護されている。
配線基板８０の上下両面に設けられた絶縁層８２，８３，８４は、アルミ配線８７及び銅配線９１と、配線基板８０そのもの（シリコン）とを絶縁するために設けられている。
配線基板８０の上面には、絶縁層８４を挟んで銅配線９１が設けられ、銅配線９１には保護層９０が設けられている。保護層９０は、上方の共通インク室１００を積層、接合する感光性の接着剤であるとともに、銅配線９１を保護する保護層となっている。銅配線９１は、水平方向に延在されて、一端が貫通電極８５の上端に接続されるとともに、他端がフレキシブル基板（図示略）に接続されている。フレキシブル基板はドライバに接続され、ドライバによる制御の下、圧電素子６０を駆動（変位）させる。
配線基板８０には、インクを圧力室４１に導くためのインク流路８８が配線基板８０の厚さ方向に貫通するように形成されている。インク流路８８は、接合部７０に配線基板８０を積層した際に、インク流路７２に連通するように形成されている。
【００３５】
（保護層）
配線基板８０の上面（接合部７０が設けられた面の反対側）には、絶縁層としての保護層９０が設けられており、配線基板８０上面に設けられている銅配線９１を保護している。保護層９０を構成する材料は、接合部７０と同じ熱膨張率を有する材料、さらには、同一の材料が用いられる。
保護層９０には、インクを圧力室４１に導くためのインク流路９２が保護層９０の厚さ方向に貫通するように形成されている。インク流路９２は、配線基板８０に保護層９０を積層した際に、配線基板８０に形成されているインク流路８８に連通するように形成されている。
【００３６】
（共通インク室）
配線基板８０の上面には、保護層９０を介して共通インク室１００が設けられている。共通インク室１００の壁面を構成する部材は、接着剤などの固定手段により配線基板８０に接合されている。
共通インク室１００は、各層におけるインク流路を介して圧力室４１に連通されている。共通インク室１００は、全ての圧力室４１にインク流路を介して連通されており、全ての圧力室４１にインクを供給することができるように形成されている。
【００３７】
＜インクジェットヘッドの接合方法＞
図６は、インクジェットヘッドを組み立てる際の接合工程を説明する図であり、図７は、図６において圧電素子の周囲を拡大視した図である。
図６（ａ），図７に示すように、インクジェットヘッド３を組み立てる際には、ノズルプレート２０、中間プレート３０、圧力室プレート４０、振動板５０、圧電素子６０を積層、接合した第１のユニット２００と、接合部７０、配線基板８０、保護層９０を積層、接合した第２のユニット３００とを予め製作しておく。
そして、図６（ｂ）に示すように、第１のユニット２００と第２のユニット３００を接合する。接合する際には、第１のユニット２００におけるスタッドバンプ６３と第２のユニット３００における半田６４とが電気的に接続するように、かつ、第１のユニット２００におけるインレット４２と第２のユニット３００におけるインク流路７２とが連通するように、高精度に位置合わせが行われる。
そして、図６（ｃ）に示すように、インク流路９２を覆うように保護層９０の上面に共通インク室１００を接合する。
このように、第１のユニット２００と第２のユニット３００は、高精度に位置決めされて接合される必要がある。接合の際に位置ずれが生じると、電気的接続が不安定になって圧電素子６０の駆動が正常に行われなくなるという不具合が生じるばかりでなく、流路抵抗が増加して吐出特性の変化や吐出精度の低下が起こってしまう。そのため、上記のインクジェットヘッド３においては、ノズル基板２０、圧力室プレート４０及び配線基板８０をいずれもシリコン基材で形成した。これらを同じ材料で形成したことにより、接合の際に加熱した場合でも熱膨張率の違いによる位置ずれの発生が防止される。
【００３８】
＜作用・効果＞
以上のように、インクジェットヘッド３によれば、圧力室プレート４０と配線基板８０とが互いに熱膨張率の等しい同一材料のシリコンで形成されているので、圧力室プレート４０と配線基板８０を加熱接合する際の、熱膨張率の違いによる伸び量の差に起因する位置ずれを抑制することができる。
これにより、圧力室プレート４０側の流路と配線基板８０側の流路との接合位置がずれたり、圧電素子６０と配線基板８０との接続位置がずれたりするのを抑制することができる。
よって、圧力室プレート４０と配線基板８０を高精度に接合することができる。
【００３９】
さらに、ノズルプレート２０も圧力室プレート４０及び配線基板８０と熱膨張率の等しい同一材料のシリコンで形成することにより、圧力室プレート４０側の流路と配線基板８０側の流路との接合位置がずれたり、圧電素子６０と配線基板８０との接続位置がずれたりするのを抑制することができる。また、ノズルプレート２０の熱膨張に起因する圧力室プレート４０の反りを抑制することができる。
よって、ノズルプレート２０、圧力室プレート４０及び配線基板８０を高精度に接合することができる。
このように、ノズルプレート２０、圧力室プレート４０及び配線基板８０を高精度に接合することで、インク流路における損失が少なくなり、インク吐出のばらつきを抑制することができる。
また、ノズルプレート２０、圧力室プレート４０及び配線基板８０をシリコンで形成することにより、微細な加工も可能となり、加工精度を向上させることができる。
【００４０】
なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、発明の本質的部分を変更しない範囲内で自由に設計変更が可能である。
例えば、上記実施形態においては、ノズルプレート、圧力室プレート及び配線基板を全て同一のシリコン材料で形成したが、各プレート又は基板全体として熱膨張率が等しくなるように構成することができれば、各プレート又は基板を必ずしも同一の材料から形成する必要はない。
また、上記実施形態においては、圧力室プレートと振動板を別個の部材として構成したが、圧力室プレートの一部を薄板状に形成し、その薄板部分を振動板として用いてもよい。この場合、振動板としての別個の部材は不要となり、薄板部分の上面に圧電素子が設けられる。
【符号の説明】
【００４１】
１ インクジェット記録装置
３ インクジェットヘッド
１１ ノズル
２０ ノズルプレート（ノズル基板）
４０ 圧力室プレート（圧力室基板）
４１ 圧力室
５０ 振動板
６０ 圧電素子（アクチュエータ）
６３ スタッドバンプ
６４ 半田
８０ 配線基板
８５ 貫通電極
８７ アルミ配線
８８ インク流路
９１ 銅配線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェット記録装置に備えられるインクジェットヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、インクジェットヘッドのノズルからインク滴を吐出させて記録媒体に所望の画像を記録するインクジェット記録装置が知られている。このインクジェット記録装置は、多岐にわたる用途に使用され、それぞれの目的に沿った種類のインクや記録媒体が使用可能となっている。
インクジェットヘッドには、圧電素子の変位を利用して圧力室内のインクを加圧し、圧力室に連通するノズルからインク滴を吐出する圧電方式のヘッドがある（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
このような圧電方式のヘッドにおいて、高精細な画像を形成するためにノズルを高密度に配置したものがあり、例えば、ノズルとこのノズルに連通した圧力室との組を２次元状に配列させたものが知られている。ノズルを２次元状に配列させることで、ヘッドを小型化させることも可能となっている。
また、複数の圧力室にインクを供給するための共通流路（共通インク室）を圧力室とは異なる層に設けることで、さらなるヘッドの小型化、圧力室の高密度配置を行うことも知られている。さらに、圧電素子に接続される配線を、圧電素子が配置される層とは別の配線基板に設けることにより、多数の圧電素子を高密度に配置した場合でも十分な配線スペースを確保することも知られている。
【０００４】
このような圧電方式のヘッドの製造方法として、流路などが形成された複数の基材を積層すると共に互いを接合するというものが知られている。接合を行う際には、高精度に位置決めを行うことにより、高精度な吐出特性を持つヘッドを作ることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２６４３２２号公報
【特許文献２】特開２００６−２８１７７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
基材同士を接合する方法として、加熱を伴う接合方法が知られている。異なる種類の基材を加熱により接合する場合は、熱膨張率の違いにより位置ずれが生じる恐れがある。また、例えば、金属の配線や絶縁膜が形成されたシリコン基材の配線基材のように、複数の素材で構成された基材は、加熱に伴って反りが生じる恐れがある。反りが生じたまま接合すると位置ずれが生じやすく、流路の連通や配線の接続が確実に行われない可能性が高く、インク漏れや導通不良の発生要因となる。また、仮に反ったまま位置ずれなく接合できたとしても、反りの応力によって接合部分が剥がれやすくなり、ヘッドの耐久性が低下してしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、基材同士を加熱接合する際の反りを抑制し、接合の位置精度や耐久性を向上させ、吐出精度、信頼性に優れるインクジェットヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、インクジェットヘッドにおいて、
インクを吐出するノズルが形成されたノズル基板と、
前記ノズル基板に積層され、前記ノズルに連通する圧力室が形成された圧力室基板と、
前記圧力室のインクを前記ノズルから吐出させるための力を付与するアクチュエータと、
前記アクチュエータに対向し、前記アクチュエータに接続される配線が設けられるとともに、前記圧力室にインクを導くインク流路が形成された配線基板と、を備え、
前記圧力室基板と前記配線基板とが互いに熱膨張率の等しい材料で形成されていることを特徴とする。
【０００９】
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、
前記圧力室基板と前記配線基板は、同一の材料で形成されていることを特徴とする。
【００１０】
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、
前記圧力室基板と前記配線基板は、シリコンで形成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズル基板は、前記圧力室基板及び前記配線基板と互いに熱膨張率の等しい材料で形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズル基板は、前記圧力室基板及び前記配線基板と同じ材料で形成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズル基板は、シリコンで形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、圧力室基板と配線基板とが互いに熱膨張率の等しい材料で形成されているので、加熱時の基板の反りを抑制する効果がある。
これにより、隣接する基材との接合を高精度なものにすることができ、また、接合後の反り応力も軽減される。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、圧力室基板と配線基板とが互いに同一の材料で形成されているので、加熱時の基板の反りを抑制する効果がある。
これにより、隣接する基材との接合を高精度なものにすることができ、また、接合後の反り応力も軽減される。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、圧力室基板と配線基板をシリコンで形成することにより、微細な加工も可能となり、各基板の加工精度を向上させることができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、圧力室基板と配線基板とノズル基板とが互いに熱膨張率の等しい材料で形成されているので、加熱時の基板の反りを抑制する効果がある。
これにより、隣接する基材との接合を高精度なものにすることができ、また、接合後の反り応力も軽減される。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、圧力室基板と配線基板とノズル基板とが互いに同一の材料で形成されているので、加熱時の基板の反りを抑制する効果がある。
これにより、隣接する基材との接合を高精度なものにすることができ、また、接合後の反り応力も軽減される。
【００１９】
請求項６に記載の発明によれば、圧力室基板、配線基板及びノズル基板をシリコンで形成することにより、微細な加工も可能となり、各基板の加工精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】インクジェット記録装置の要部を示す模式図。
【図２】インクジェットヘッドの斜視図。
【図３】ノズルプレートの下面図。
【図４】インクジェットヘッドの縦断面図。
【図５】図４において圧電素子の周囲を拡大視した図。
【図６】インクジェットヘッドを組み立てる際の接合工程を説明する図。
【図７】図６において圧電素子の周囲を拡大視した図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、インクジェットヘッドについて説明する。本発明に係るインクジェットヘッドは、インクジェット記録装置に備えられている。
＜インクジェット記録装置＞
図１は、インクジェット記録装置１の要部を示す模式図である。
図１に示すように、インクジェット記録装置１は、記録媒体Ｐを矢印Ｚの方向（以下、搬送方向Ｚという）へ搬送する搬送部２を備えている。記録媒体Ｐとしては、紙や布帛のほか、インク吸収性の無いプラスチックフィルムや金属類等を用いることが可能であり、特に限定されない。なお、ここでの紙とは、インク吸収性を有するインクジェットプリンタ専用紙は勿論のこと、インク吸収性の弱いコート紙やアート紙、及び普通紙を含むものである。
【００２２】
搬送部２の上方には、搬送部２上の記録媒体Ｐへインク滴Ｄを吐出するインクジェットヘッド３が配設されている。このインクジェットヘッド３には、インク滴Ｄを吐出する複数のノズル１１が、図中のＸ方向及びＹ方向に配列されている（図２参照）。
搬送部２、インクジェットヘッド３は、制御部５に接続されており、この制御部５により制御される。
【００２３】
図２は、インクジェットヘッド３の斜視図である。
この図に示すように、インクジェットヘッド３はその下端にインク滴Ｄを吐出する複数のノズル１１が形成されたノズルプレート２０を備えている。
図３は、ノズルプレート２０の下面図である。
図３に示すように、ノズル１１は、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。
【００２４】
＜インクジェットヘッドの構成＞
図４は、インクジェットヘッドの縦断面図であり、図５は、図４において圧電素子の周囲を拡大視した図である。
インクジェットヘッド３は、ノズルプレート２０、中間プレート３０、圧力室プレート４０の３枚の基板が積層されて構成されているヘッド基板と、配線基板８０と、ヘッド基板と配線基板とを接続する部材とが積層されて構成されている。
【００２５】
（ノズルプレート）
図４，図５に示すように、インクジェットヘッド３は、インクを吐出する複数のノズル１１が形成されたノズル基板としてのノズルプレート２０を備えている。ノズルプレート２０は、ノズル１１からインクと下方に吐出する際にインクジェットヘッド３の最下層に位置する。ノズルプレート２０は、シリコンを基材としており、ドライエッチングにより、インク流路１２及びノズル１１が形成されている。
【００２６】
（中間プレート）
中間プレート３０は、ガラスで構成された基板であり、ノズル１１へ通じるインク流路３１と、後で説明する、圧力室プレート４０に設けられた圧力室４１とインク流路４２を接続するインク流路３２とが形成されている。インク流路３１，３２を形成する方法の一例としては、サンドブラスト法が挙げられる。
中間プレート３０は、ノズルプレート２０と接合されている。接合の方法としては、陽極接合を挙げることができる。ここで、陽極接合とは、中間プレート３０を加熱（300℃〜500℃）し、ノズルプレート２０と中間プレート３０との間に電圧を印加し、静電引力により両者を接合する方法である。陽極接合を用いることにより、両者を接着するための接着剤が不要となり、インク溶剤による耐久性劣化の恐れがなく、信頼性を高めることができる。
インク流路３１は、中間プレート３０をノズルプレート２０に積層した際に、インク流路１２に連通する位置に形成されている。
【００２７】
（圧力室プレート）
圧力室プレート４０（圧力室基板）は、ノズルプレート２０と熱膨張率の等しい材料、具体的には、ノズルプレート２０を形成する材料と同一材料のシリコン基板で構成されており、圧力室４１と、圧力室４１へのインク流路となるインレット（絞り流路）４２とが形成されている。圧力室４１及びインレット４２を形成する方法の一例としては、ドライエッチングが挙げられる。
圧力室プレート４０は、ガラス基板である中間プレート３０と陽極接合により接合されている。接合に際しては、圧力室４１が中間プレート３０に形成されたインク流路３１と連通するように位置合わせがなされている。ここでの陽極接合も上記中間プレート３０の接合と同じ方法である。圧力室プレート４０には、ノズル１１から吐出するインクを貯留する圧力室４１が圧力室プレート４０の厚さ方向に貫通するように形成されている。
【００２８】
圧力室プレート４０には、圧力室４１へのインク流路となるインレット（絞り流路）４２が当該圧力室プレート４０の厚さ方向に貫通するように形成されている。インレット４２は、ドライエッチングにより、他のインク流路より細くなるように形成されている。このことにより、流路抵抗をインレット４２で規定することになり、所望の吐出特性（液滴径、吐出周波数等）を実現することが可能となる。また、インレット４２における流路抵抗等のパラメータが吐出特性に影響するが、インレット４２を高精度加工が可能なシリコンを基材とする圧力室プレート４０に形成しているので、加工のばらつきも少なく、吐出特性も良好なものとなる。
圧力室４１とインレット４２は、圧力室プレート４０においては互いに独立するように形成されているが、中間プレート３０に圧力室プレート４０を積層した際に、中間プレート３０に形成されたインク流路３２を介して連通される。従って、インクは、インレット４２、インク流路３１を通って圧力室４１に貯留される。
【００２９】
（振動板）
圧力室プレート４０には、振動板５０が設けられている。振動板５０は、インレット４２を回避しつつ、圧力室４１の開口を覆うように圧力室プレート４０に設けられている。すなわち、振動板５０は、圧力室４１の一壁部を構成している。
振動板５０は、薄板状に形成されており、厚さ方向への変位（弾性変形）により圧力室４１内の圧力を変化させることができる。
【００３０】
（圧電素子）
振動板５０には、当該振動板５０を挟んで圧力室４１に対向する位置に圧電素子６０が設けられている。
圧電素子６０は、ＰＺＴ(lead zirconate titanate)からなるアクチュエータであり、圧力室４１のインクをノズル１１から吐出させるための力を付与するものである。
圧電素子６０は、上面側及び下面側から二つの電極６１，６２により挟まれ、下面側の電極６１が振動板５上に設けられている。圧電素子６０及び電極６１，６２は、振動板５０にエッチング等の方法でパターニング形成することにより設けられている。
電極６１，６２に電圧を印加すると、電極６１，６２に挟まれた圧電素子６０が変位し、圧電素子６０の変位により振動板５０も変位する。この振動板５０の動作により、圧力室４１内のインクがノズルからインク滴Ｄ（図１参照）として吐出される。
【００３１】
（接合部）
振動板５０には、絶縁層としての接合部７０が設けられており、接合部７０を介して、圧力室プレート４０が配線基板８０と接合されている。
接合部７０は、樹脂で形成されている。ここで、使用される樹脂としては、耐インク性（インクによって溶解、性質が変化しない等）を有しており、絶縁材料であれば、特に制限はない。例えば、エポキシ系、ポリイミド系、ポリアミド系、ポリウレタン系、シリコーン系などの樹脂を用いることができる。また、樹脂の中でも、感光性樹脂を用いることがより好ましい。感光性樹脂は、露光、現像を行うことにより微細なパターンを形成することができるものであり、例えば、Du Pont社製のPerMX3000シリーズなどの感光性樹脂を用いることができる。
また、樹脂以外の材料であっても、絶縁性を有する各種材料を使用してもよい。
【００３２】
接合部７０は、圧力室プレート４０に形成されたインレット４２と、後で説明する、配線基板８０に設けられたインク流路８８とを連通するようにしてインク流路７２が形成された柱状部材として構成されている。
接合部７０には、当該振動板５０を挟んで圧力室４１に対向する位置に圧電素子６０及び電極６１，６２を収容する空間７１が接合部７０の厚さ方向に貫通するように形成されている。空間７１は、各圧電素子６０を個別に収容するように複数形成されている。
接合部７０には、空間７１とは独立してインク流路７２が接合部７０の厚さ方向に貫通するように形成されている。
接合部７０は、インクジェットヘッド３における、圧電素子６０が設けられた領域より外側の領域においては、領域のほぼ全面に存在し、圧力室プレート４０と配線基板８０を接合している。
【００３３】
（配線基板）
接合部７０には、配線基板８０が積層され、接合されている。配線基板８０は、ノズルプレート２０及び圧力室プレート４０と熱膨張率の等しい材料、具体的には、ノズルプレート２０及び圧力室プレート４０を形成する材料と同一材料のシリコンを基材としている。
配線基板８０の下面には、２層の酸化シリコンの絶縁層８２，８３が形成され、上面には、同じく酸化シリコンの絶縁層８４が形成されている。絶縁層８２，８３のうち、下方に位置する絶縁層８３は、接合部７０の上面に当接し、接合されている。
【００３４】
配線基板８０には、電極６１，６２に駆動電圧を印加して圧電素子６０を変位させるために貫通電極８５を通す電極用貫通孔（スルーホール）８６が配線基板８０の厚さ方向に形成されている。貫通電極８５の下端には、水平方向に延在するアルミ配線８７の一端が接続されており、このアルミ配線８７の他端には、圧電素子６０上面の電極６２に設けられたスタッドバンプ６３が、空間７１内に露出した半田６４を介して接続されている。アルミ配線８７は、配線基板８０の下面の２層の絶縁層８２，８３によって挟まれて保護されている。
配線基板８０の上下両面に設けられた絶縁層８２，８３，８４は、アルミ配線８７及び銅配線９１と、配線基板８０そのもの（シリコン）とを絶縁するために設けられている。
配線基板８０の上面には、絶縁層８４を挟んで銅配線９１が設けられ、銅配線９１には保護層９０が設けられている。保護層９０は、上方の共通インク室１００を積層、接合する感光性の接着剤であるとともに、銅配線９１を保護する保護層となっている。銅配線９１は、水平方向に延在されて、一端が貫通電極８５の上端に接続されるとともに、他端がフレキシブル基板（図示略）に接続されている。フレキシブル基板はドライバに接続され、ドライバによる制御の下、圧電素子６０を駆動（変位）させる。
配線基板８０には、インクを圧力室４１に導くためのインク流路８８が配線基板８０の厚さ方向に貫通するように形成されている。インク流路８８は、接合部７０に配線基板８０を積層した際に、インク流路７２に連通するように形成されている。
【００３５】
（保護層）
配線基板８０の上面（接合部７０が設けられた面の反対側）には、絶縁層としての保護層９０が設けられており、配線基板８０上面に設けられている銅配線９１を保護している。保護層９０を構成する材料は、接合部７０と同じ熱膨張率を有する材料、さらには、同一の材料が用いられる。
保護層９０には、インクを圧力室４１に導くためのインク流路９２が保護層９０の厚さ方向に貫通するように形成されている。インク流路９２は、配線基板８０に保護層９０を積層した際に、配線基板８０に形成されているインク流路８８に連通するように形成されている。
【００３６】
（共通インク室）
配線基板８０の上面には、保護層９０を介して共通インク室１００が設けられている。共通インク室１００の壁面を構成する部材は、接着剤などの固定手段により配線基板８０に接合されている。
共通インク室１００は、各層におけるインク流路を介して圧力室４１に連通されている。共通インク室１００は、全ての圧力室４１にインク流路を介して連通されており、全ての圧力室４１にインクを供給することができるように形成されている。
【００３７】
＜インクジェットヘッドの接合方法＞
図６は、インクジェットヘッドを組み立てる際の接合工程を説明する図であり、図７は、図６において圧電素子の周囲を拡大視した図である。
図６（ａ），図７に示すように、インクジェットヘッド３を組み立てる際には、ノズルプレート２０、中間プレート３０、圧力室プレート４０、振動板５０、圧電素子６０を積層、接合した第１のユニット２００と、接合部７０、配線基板８０、保護層９０を積層、接合した第２のユニット３００とを予め製作しておく。
そして、図６（ｂ）に示すように、第１のユニット２００と第２のユニット３００を接合する。接合する際には、第１のユニット２００におけるスタッドバンプ６３と第２のユニット３００における半田６４とが電気的に接続するように、かつ、第１のユニット２００におけるインレット４２と第２のユニット３００におけるインク流路７２とが連通するように、高精度に位置合わせが行われる。
そして、図６（ｃ）に示すように、インク流路９２を覆うように保護層９０の上面に共通インク室１００を接合する。
このように、第１のユニット２００と第２のユニット３００は、高精度に位置決めされて接合される必要がある。接合の際に位置ずれが生じると、電気的接続が不安定になって圧電素子６０の駆動が正常に行われなくなるという不具合が生じるばかりでなく、流路抵抗が増加して吐出特性の変化や吐出精度の低下が起こってしまう。そのため、上記のインクジェットヘッド３においては、ノズル基板２０、圧力室プレート４０及び配線基板８０をいずれもシリコン基材で形成した。これらを同じ材料で形成したことにより、接合の際に加熱した場合でも熱膨張率の違いによる位置ずれの発生が防止される。
【００３８】
＜作用・効果＞
以上のように、インクジェットヘッド３によれば、圧力室プレート４０と配線基板８０とが互いに熱膨張率の等しい同一材料のシリコンで形成されているので、圧力室プレート４０と配線基板８０を加熱接合する際の、熱膨張率の違いによる伸び量の差に起因する位置ずれを抑制することができる。
これにより、圧力室プレート４０側の流路と配線基板８０側の流路との接合位置がずれたり、圧電素子６０と配線基板８０との接続位置がずれたりするのを抑制することができる。
よって、圧力室プレート４０と配線基板８０を高精度に接合することができる。
【００３９】
さらに、ノズルプレート２０も圧力室プレート４０及び配線基板８０と熱膨張率の等しい同一材料のシリコンで形成することにより、圧力室プレート４０側の流路と配線基板８０側の流路との接合位置がずれたり、圧電素子６０と配線基板８０との接続位置がずれたりするのを抑制することができる。また、ノズルプレート２０の熱膨張に起因する圧力室プレート４０の反りを抑制することができる。
よって、ノズルプレート２０、圧力室プレート４０及び配線基板８０を高精度に接合することができる。
このように、ノズルプレート２０、圧力室プレート４０及び配線基板８０を高精度に接合することで、インク流路における損失が少なくなり、インク吐出のばらつきを抑制することができる。
また、ノズルプレート２０、圧力室プレート４０及び配線基板８０をシリコンで形成することにより、微細な加工も可能となり、加工精度を向上させることができる。
【００４０】
なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、発明の本質的部分を変更しない範囲内で自由に設計変更が可能である。
例えば、上記実施形態においては、ノズルプレート、圧力室プレート及び配線基板を全て同一のシリコン材料で形成したが、各プレート又は基板全体として熱膨張率が等しくなるように構成することができれば、各プレート又は基板を必ずしも同一の材料から形成する必要はない。
また、上記実施形態においては、圧力室プレートと振動板を別個の部材として構成したが、圧力室プレートの一部を薄板状に形成し、その薄板部分を振動板として用いてもよい。この場合、振動板としての別個の部材は不要となり、薄板部分の上面に圧電素子が設けられる。
【符号の説明】
【００４１】
１ インクジェット記録装置
３ インクジェットヘッド
１１ ノズル
２０ ノズルプレート（ノズル基板）
４０ 圧力室プレート（圧力室基板）
４１ 圧力室
５０ 振動板
６０ 圧電素子（アクチュエータ）
６３ スタッドバンプ
６４ 半田
８０ 配線基板
８５ 貫通電極
８７ アルミ配線
８８ インク流路
９１ 銅配線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクを吐出するノズルが形成されたノズル基板と、
前記ノズル基板に積層され、前記ノズルに連通する圧力室が形成された圧力室基板と、
前記圧力室のインクを前記ノズルから吐出させるための力を付与するアクチュエータと、
前記アクチュエータに対向し、前記アクチュエータに接続される配線が設けられるとともに、前記圧力室にインクを導くインク流路が形成された配線基板と、を備え、
前記圧力室基板と前記配線基板とが互いに熱膨張率の等しい材料で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。
【請求項２】
前記圧力室基板と前記配線基板は、同一の材料で形成されてい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。
【請求項３】
前記圧力室基板と前記配線基板は、シリコンで形成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。
【請求項４】
前記ノズル基板は、前記圧力室基板及び前記配線基板と互いに熱膨張率の等しい材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項５】
前記ノズル基板は、前記圧力室基板及び前記配線基板と同じ材料で形成されていることを特徴とする請求項４に記載のインクジェットヘッド。
【請求項６】
前記ノズル基板は、シリコンで形成されていることを特徴とする請求項４又は５に記載のインクジェットヘッド。
【請求項１】
インクを吐出するノズルが形成されたノズル基板と、
前記ノズル基板に積層され、前記ノズルに連通する圧力室が形成された圧力室基板と、
前記圧力室のインクを前記ノズルから吐出させるための力を付与するアクチュエータと、
前記アクチュエータに対向し、前記アクチュエータに接続される配線が設けられるとともに、前記圧力室にインクを導くインク流路が形成された配線基板と、を備え、
前記圧力室基板と前記配線基板とが互いに熱膨張率の等しい材料で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。
【請求項２】
前記圧力室基板と前記配線基板は、同一の材料で形成されてい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。
【請求項３】
前記圧力室基板と前記配線基板は、シリコンで形成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。
【請求項４】
前記ノズル基板は、前記圧力室基板及び前記配線基板と互いに熱膨張率の等しい材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項５】
前記ノズル基板は、前記圧力室基板及び前記配線基板と同じ材料で形成されていることを特徴とする請求項４に記載のインクジェットヘッド。
【請求項６】
前記ノズル基板は、シリコンで形成されていることを特徴とする請求項４又は５に記載のインクジェットヘッド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−２１８６４１（Ｐ２０１１−２１８６４１Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８９１９３（Ｐ２０１０−８９１９３）
【出願日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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