(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に対応する複数の吐出室と、該吐出室にインク滴を飛翔させる圧力変化を与える複数の圧力発生素子からなるインクジェット式ラインヘッドにおいて、
前記ラインヘッドは、複数のインクジェットヘッドから構成されており、前記インクジェットヘッドの端部の隔壁を並列に接続した接合部隔壁と、前記インクジェットヘッドの前記吐出室を分離する内部の隔壁とを有し、前記接合部隔壁を挟むノズル孔のピッチと、前記内部の隔壁を挟むノズル孔ピッチは等しくなるように、前記吐出室のピッチが、前記ノズル孔のピッチよりも小さく設定されていることを特徴とするインクジェット式ラインヘッド。
【請求項２】
前記吐出室の底面からなる振動板と、該振動板に空隙をもって対向する電極から成り、該振動板と該電極間に電気パルスを印加することにより、該振動板を前記吐出室の圧力が上昇する方向に変形させる前記圧力発生素子を有する請求項１記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】
前記複数のインクジェットヘッドを並列に接続するにあたり、前記インクジェットヘッドの端部の隔壁を接着剤を介して接続し、接着剤層を含む前記接合部隔壁の総厚が、前記内部の隔壁の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、印刷行方向に複数のノズル孔を備えたインクジェット式ラインヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、記録装置は高速印字が求められるようになってきた。しかし、従来の印刷行方向にヘッドを走査する方式では、記録素子数が多くなると、ヘッドの質量も増加する為、ヘッド走査機構の負荷も大きくなり、記録素子数を増やすには限界があった。そこで、印刷行方向に多数の記録素子を印字の解像度と同じ間隔で並べ、固定したヘッドで印字するラインヘッドが考えられた。しかし、ラインヘッドでは、印字幅を印字の解像度で割っただけの、極めて多数の記録素子数が必要となり、これだけ多数の記録素子を単一ヘッドで構成することは、歩留の点から困難である。さらに、高解像度の印字が望まれることから、ヘッドの制作には半導体技術を応用した、フォトリソグラフィー技術が用いられるが、フォトリソグラフィーを用いた製造ラインの設備投資は、基板サイズが大きくなると、極めて高額になるという問題もあり、コスト上の課題からもヘッドサイズには制約があった。そこで、複数の比較的記録素子数の少ないヘッドを並列に接続して、長尺のヘッドを組み立てることが考えられたが、この場合、ヘッドを接続する接着層が必要な為、接続部で記録素子間隔が広がり、印字画素間隔が広がるという問題が発生した。そこでＬＥＤプリンタ等では、複数のヘッドを列方向に千鳥状に配置し、ヘッド両端を重ね合わせることで、行方向の記録素子ピッチを広がることを防止したヘッド（特開平１００８６４３８号公報の特許請求の範囲）が考えられた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の千鳥状の配置では、一ラインを一度に印字できないことから、印字データを分割し、後続のヘッドで印刷するデータをメモリーに蓄える必要がある。この為、印字制御回路は複雑になり、メモリーの容量も増加してしまうといった課題があった。また、インクジェットプリンタの場合ではインクの供給路を二段にする必要があり、ヘッドのレイアウトが複雑化し、ヘッドサイズ自体が大きくなる課題があった。
【０００４】
そこで、本発明は、印字データを分割せずに済む簡素な構成のインクジェット式ラインヘッドを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のインクジェットヘッドは、複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に対応する複数の吐出室と、該吐出室にインク滴を飛翔させる圧力変化を与える複数の圧力発生素子からなるインクジェット式ラインヘッドにおいて、前記ラインヘッドは、複数のインクジェットヘッドから構成されており、前記インクジェットヘッドの端部の隔壁を並列に接続した接合部隔壁と、前記インクジェットヘッドの前記吐出室を分離する内部の隔壁とを有し、前記接合部隔壁を挟むノズル孔のピッチと、前記内部の隔壁を挟むノズル孔ピッチは等しくなるように、前記吐出室のピッチが、前記ノズル孔のピッチよりも小さく設定されていることを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００７】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例における静電駆動方式のラインヘッドユニットの全体図であり、図２にヘッドチップ単体の分解斜視図、図３に静電駆動方式インクジェットヘッドの構造と駆動原理を示す。本実施例では、業務用プリンタの標準的な解像度である３６０ｄｐｉ（ｄｏｔ ｐｅｒ ｉｎｃｈ）で、１ヘッド当たり２５６個のノズル孔を有しているヘッドチップ１００を６個、並列に並べることによって、１５３６ノズル孔の、４．３インチのチケット印刷用ラインプリンタのヘッドユニットを構成している。個々のヘッドチップ１００は駆動用ドライバー１２０を有するＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｄ ｂｏａｒｄ）１１０により配線実装され、マウント１３０に固定されている。マウント１３０はヘッドチップ１００を支持するだけでなくインク供給路１３１を有し、個々のヘッドチップ１００にインクを供給する役割も有している。個々のヘッドチップ１００は図２及び図３（ａ）に示す様に、Sｉ単結晶からなる吐出室基板２０を硼珪酸ガラスから成る電極ガラス基板３０とカバーガラス１０で積層した構造と成っている。吐出室基板２０には、吐出室２１、振動板２２、リザーバ２３が形成されており、個々の吐出室２１は隔壁２７で隔てられている。ノズル孔１１とオリフィス１２を形成したカバーガラス１０で吐出室基板２０上面を塞ぐことで流路を構成している。電極ガラス基板３０にはギャップ３１と個別電極３２を形成しており、ギャップ３１に異物が侵入することを防止する為のシール３３を施してある。さらに個別電極３２を避ける位置にインク供給孔３４が開口しており、リザーバ２３にインク４０を供給している。駆動時には、吐出室基板２０に設けられた共通電極２４と個別電極３２に電圧を印加し、振動板２２と個別電極３２間に静電引力を発生させ、振動板２２を個別電極３２へ引き寄せることでリザーバ２３から吐出室２１にインク４０を充填する（図３（ｂ））。吐出時には電圧を取り除き、振動板２２のバネ力でインク４０をノズル孔１１から吐出する（図３（ｃ））。図４に個々のヘッドチップ１００の製造工程を示す。最初に吐出室基板２０の製法を説明する。面方位（１１０）、厚さ１４０μmの単結晶Ｓｉウェハーの下面に０．８μｍの深さでボロンを高濃度（約５×１０１９ｃｍ−３）に拡散しボロン層２５を形成（図４（ａ））した後、ウェット酸化により熱酸化膜２６を形成し、基板両面をフォトリソグラフィーにより、沸酸水溶液で熱酸化膜２６をエッチングし吐出室形状、リザーバ形状、及びインク供給孔形状をパターニングする。（図４（ｂ））。この基板を８０℃、３５％のKOH水溶液でエッチングすると、Ｓｉ単結晶のエッチングに対する異方性により、隔壁部が垂直にエッチングがされ吐出室２１が形成され、同時にリザーバ２３も形成される。エッチング面が高濃度のボロン層２５に達すると、電気化学的な特性から、エッチング速度が低下し、均一な厚さの振動板２２が形成される。インク供給孔３４の部分のボロン層２５はエッチング当初よりエッチングされる為、リザーバ２３へ貫通する（図４（ｃ））。エッチング終了後、全体を０．１μｍの厚さでドライ酸化で熱酸化膜２６を形成することで、振動板下面に絶縁膜を形成する。また、吐出室面に形成された酸化膜は親水性であることから、インクの吐出室への充填性を改善する働きをする。熱酸化膜２６形成後、熱酸化膜２６の一部をドライエッチングで除去し、Ｐｔをスパッタすることで共通電極２４を形成する（図４（ｄ））。次に電極ガラス基板３０の製法を説明する。Ｃｒ／Ａｕをスパッタで硼珪酸ガラス基板上に成膜し、エッチングマスクとする。３０００オングストロームの深さで硼珪酸ガラス基板を沸酸でエッチングしギャップ部となる段差を形成する（図４（ｅ））。透明電極であるＩＴＯを０．１μｍの厚さでスパッタした後、個別電極３２の形状にパターニングする。パターニング後、ダイヤモンドドリルでインク供給孔３４を開口する（図４（ｆ））。最後にカバーガラス１０の製法を説明する。カバーガラス１０と成る硼珪酸ガラス基板にＣｒ／Ａｕをスパッタで成膜し、ノズル孔１１とオリフィス１２パターンをパターニングした後、ＲＩＥ（リアクティブ・イオン・エッチング）で垂直に異方性ドライエッチングを行い、２０μｍの深さでノズル孔１１とオリフィス１２を形成する（図４（ｇ））。最終的にこれらの３枚の基板を３８０℃に加熱し、Ｓｉを陽極、硼珪酸ガラスを陰極に接続し８００Ｖの電極を加えることで陽極接合する（図４（ｈ））。振動板２２と個別電極３２の間に異物が入らないように、シール３３で封止した後、ダイシングにより個々のヘッドを基板から切り離してノズル孔１１を開口し、ヘッドチップが完成する（図４（ｉ））。次にラインヘッドの組み立て行程を説明する。図５は、ラインヘッドを組み立てている図である。透明な個別電極を通して電極ガラス基板側から異物の有無や、配線の欠陥検査等の光学検査を行った後、良品のヘッドチップ１００を選別し繋ぎ合わせる。接続行程ではステンレス製のマウント１３０上にヘッドチップ１００を並べていく。このとき、光学計測を行いながらマウントを基準として1μｍの位置精度でヘッドチップ１００の位置決めを行う。マウント１３０にはヘッドチップ１００を真空吸着する為の、吸入口１３１が個々のヘッドチップ１００が固定される位置に開口しており、位置決めの終わったヘッドチップ１００ごとに独立してマウント１３０に吸着することができる。全ヘッドチップ１００の位置決めが終了すると、光硬化型のエポキシ接着剤がヘッドチップ１００間の接合面にシリンジより滴下され、毛細管現象によりヘッドチップ１００間の接合面に充填される。ＵＶ露光による仮硬化の後、恒温槽で、８０℃、３時間加熱しエポキシ樹脂を完全硬化させる。この後、マウント１３０にヘッドチップ１００を完全に固定する為と、インク供給孔３４の周囲をシールする目的でマウント１３０底面よりシール孔１３２を通じてシール溝１３３にシリコーン系のシーラントが充填される。ここでシリコーン系のシーラントを用いるのは、ステンレス製のマウント１３０とガラス製ヘッドチップ１００の間に発生する熱応力等によるヘッドチップ１００のクラック発生を防止する為である。ヘッドチップ１００の固定が終了した後ＦＰＣ実装を行い、ラインヘッドユニットを完成する。
【０００８】
ここでヘッド接合部の構造を詳細に述べる。図６はヘッドチップ接続断面における寸法関係図である。ノズル孔間隔３６０ｄｐｉの場合、インクの流体抵抗や振動板２２の剛性等から、隔壁２７の厚さは２０μｍが適当である。これより薄いと隔壁２７の剛性が低下し、インク吐出時に吐出室２１に発生する圧力で隔壁２７が撓み、隣接する非吐出ノズル孔からインクが漏れる、所謂クロストークと呼ばれる現象が発生する。ヘッド接合部５０では接合公差、ダイシング精度等から接着層２８の厚さは５μｍは必要となり、充分な剛性を有する接合部隔壁２９の総厚は非接合部の隔壁２７より厚くなることは避けられない。厚さ２０μｍのＳｉ（弾性率１．９×１０４ｍｍＮｓ）単体隔壁と同等の剛性を有する接合部隔壁２９の総厚をＦＥＮ解析により求めると、エポキシ接着剤（硬化後弾性率３×１０３ｍｍＮｓ）で接合した場合では、総厚３０μｍとなった。接続部で厚くなった分だけ単純にノズル孔ピッチも広げると、印字時に隙間ができてしまうので、接続部でもノズル孔ピッチの７０．６μｍは変更することはできない。そこで吐出室２１のピッチを詰めることでヘッド接合部５０の隔壁厚さの増加分１０μｍを吸収する。このため本発明では、ノズル孔のピッチに対して、吐出室のピッチが小さくなる特徴を有することになる。ノズル孔ピッチ７０．６μｍをＰ１、ヘッドチップ１００単体のノズル孔数２５６をＮ、一般部の隔壁２７の厚さ２０μｍをＴ１、接着層２８を含むヘッド接続部５０の隔壁厚さ３０μｍをＴ２とした場合、ピッチＰ２はヘッドチップ１００両端で生じた隔壁の厚さの増加分をノズル孔数Ｎで割った分だけ詰めればよいから、Ｐ２＝Ｐ１−（Ｔ２−Ｔ１）／Ｎとなる。この式に上記寸法を当てはめると、Ｐ２＝７０．５６μｍとなり、吐出室ピッチを０．０４μｍ詰めるだけで良いから影響は無視できる。また、ヘッド接合部５０両端のノズル孔１１は吐出室は幅５０．６μmに対し、５μmオフセットされることになるが、実験では、このオフセットによるインク滴の曲がりは生じず印字品質には影響がないことが確認された。
【０００９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のインクジェット式ラインヘッドによれば、接続部でノズル孔のピッチが広がったり、インクの吐出特性の低下を招くこと無く複数のインクジェットヘッドを接続することができる。この結果、印字品質の低下を招くこと無く、極めて多数のノズル孔を備えたラインヘッドを歩留まり良く安価に製造することができる。また、接合前の個々のヘッドは比較的小型であることから、製造装置も小径のウェハーを流動できれば良く、設備投資も小額で済むと利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例におけるラインヘッドユニットの全体図。
【図２】図１のラインヘッドを構成するヘッドチップ単体の分解斜視図。
【図３】静電駆動方式インクジェットヘッドの構造と駆動原理図。
【図４】ヘッドチップの製造工程図。
【図５】ラインヘッドの組み立て説明図。
【図６】ヘッドチップ接続断面における寸法関係図。
【符号の説明】
１０．カバーガラス
１１．ノズル孔
１２．オリフィス
２０．吐出室基板
２１．吐出室
２２．振動板
２３．リザーバ
２４．共通電極
２５．ボロン層
２６．熱酸化膜
２７．隔壁
２８．接着層
２９．接合部隔壁
３０．電極ガラス基板
３１．ギャップ
３２．個別電極
３３．シール
３４．インク供給孔
４０．インク
５０．ヘッド接合部
１００．ヘッドチップ
１１０．ＦＰＣ
１２０．駆動用ドライバー
１３０．マウント
１３１．インク供給路
１３２．シール孔
１３３．シール溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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