JP2005169964A - 液体吐出ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱素子を有する基板とノズルプレート間の接着を強化し、かつ、相対位置精度を向上させる。
【解決手段】発熱素子６を有する基板５の上面に密着向上層を設け、その上に熱硬化型樹脂による凸部７を突出させる。接着層２を有するノズルプレート１の下面に形成された凹部８に、基板５の凸部７を嵌合させて位置決めし、ノズルプレート１の接着層２を基板５の密着向上層に押圧して加熱することで両者を接着させる。この加熱工程で、熱硬化型樹脂の凸部７を熱硬化させ、ノズルプレート１の凹部８に融着させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、インク等液体の吐出により記録媒体に画像記録等を行うインクジェットプリンタ等に搭載される液体吐出ヘッドおよびその製造方法に関するものである。

インクジェットプリンタ等の液体吐出記録装置は、液体吐出ヘッドの複数の発熱素子を電気的に駆動してインク等液体を吐出し、液滴を記録媒体に付着させて記録を行う装置である。このような液体吐出ヘッドの代表的な構成としては、図４に示すように、液体流路１０３となる溝や吐出口（ノズル）１０４を形成したノズルプレート１０１を、接合材１０２を用いて、発熱素子１０６を有する素子基板１０５に直接接合したものがある。

また、液体流路の壁部を樹脂材料で形成し、この樹脂材料が硬化する時の密着力でノズルプレートを素子基板に接合した構成が知られている。これには、素子基板（半導体基板）の上面にドライフィルムを設け、パターンマスクを介して、紫外線光源を照射し露光するフォトリソグラフィー法によって、ドライフィルムに凹部を形成し、素子基板上に残ったドライフィルムによって流路壁を構成し、流路壁の上に別のドライフィルムを介して天板を配置して、天板と素子基板はドライフィルムを熱硬化させたときの密着力により接合するものや、図５に示すように、吐出口２０４および液体流路２０３が形成された天板２０１を発熱素子２０６を有する素子基板２０５上に押圧部材（不図示）により押圧することによって互に密着させて接合する構成がある。

また、図６に示すように、発熱素子３０６を有する素子基板３０５上に感光性のポリマー等のポジティブまたはネガティブのフォトレジスト材料による流路形成層３０１を堆積し、パターンマスクを介して紫外線光源を照射し、流路形成層３０１を露光することによって、液体流路３０３や吐出口３０４を形成する方法も知られている（特許文献１参照）。

これらの製法は多くの場合、液体流路や吐出口を形成するノズルプレート等と素子基板が異なる材質のもので形成されており、従って両者が互いに異なる熱膨張係数と弾性係数を有しているため、これらの構成要素を接合して液体吐出ヘッドを製造する工程や液体吐出ヘッドの使用期間中に、各構成要素が加熱または冷却され、それぞれの材料に応じた膨張・収縮を行う。
特開平１１−３４８２９０号公報

近年のインクジェットプリンタ等の記録装置の高画質化や高速化に伴い、液体吐出ヘッドのノズルの小径化および多ノズル化が進み、良好な記録品位を確保するためには、液体吐出ヘッドの各構成要素を厳密に位置決めし接合することが重要となってきた。最近では、吐出されるインク等の液滴も数ｐｌ（ピコリットル）という超微量液滴となり、歪んだ構成要素や位置ズレを起こした構成要素を含んだ液体吐出ヘッドでは、吐出性能の低下が顕著に見られるようになってきた。

前述のように、ノズルプレート等と基板材料が異なる材質では組立プロセスや使用期間中に発生するヘッド構成要素の熱応力により歪みや位置ズレが発生し、記録品位に著しい影響を及ぼすことになり、最悪の場合にはノズルプレート自体が剥れてしまうケースもある。そして、特に単色プリントではなく複数の色をもつカラープリンタ等の液体吐出ヘッドでは、例えば、ノズルプレートの剥離箇所が各インクの境界部分であった場合、混色という重大問題を引き起こす可能性もある。

本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、液体吐出ヘッドの構成要素であるノズルプレートと、発熱素子を有する基板との間の厳密な位置決めによって位置精度を向上させるとともに、熱応力に起因するトラブルを低減し、さらに上記構成要素同士の密着性を強化して組立プロセスや使用期間中の歪みや位置ズレを低減することによって、吐出性能の信頼性および耐久性等を大幅に向上させることのできる液体吐出ヘッドおよびその製造方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドは、吐出エネルギーを発生するための複数の発熱素子を備えた基板と、前記複数の発熱素子にそれぞれ対応する複数の吐出口および液体流路を備えたノズルプレートと、前記基板の表面に配設された密着向上層と、前記密着向上層を介して前記基板を前記ノズルプレートに接着するための接着手段と、前記基板の前記密着向上層上に突出する突出部材と、前記基板上の前記突出部材に嵌合するように前記ノズルプレートに形成された凹部とを有し、前記基板の前記突出部材を前記ノズルプレートの前記凹部に嵌合させて前記基板と前記ノズルプレートを相対位置決めした後に、前記突出部材を前記凹部に融着させたことを特徴とする。

密着向上層および突出部材が、エポキシ樹脂を主成分とし、紫外線硬化型カチオン重合開始剤を含む樹脂材料によって作られているとよい。

複数色のプリント領域を有する液体吐出ヘッドであって、各プリント領域の発熱素子を隣接するプリント領域から分離するように基板の突出部材が配設されているとよい。

複数色のプリント領域を有する液体吐出ヘッドであって、すべてのプリント領域の発熱素子を囲むように基板の突出部材が配設されていてもよい。

本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、発熱素子の吐出エネルギーによって液体を吐出する液体吐出ヘッドの製造方法であって、接着層を有するノズルプレートに吐出口と液体流路と凹部とを形成する工程と、発熱素子を有する基板に、密着向上層とその上に突出する熱硬化型樹脂の突出部材を形成する突出部材形成工程と、基板の突出部材とノズルプレートの凹部を嵌合させて相対位置決めする工程と、基板の密着向上層とノズルプレートの接着層を密着させて加熱し、接着させる加熱接着工程と、を有し、前記加熱接着工程において前記熱硬化型樹脂の突出部材を熱硬化させ、前記凹部に融着させることを特徴とする。

突出部材形成工程において、基板の密着向上層上にエポキシ樹脂と紫外線硬化型カチオン重合開始剤とを含む樹脂材料を積層し、紫外線照射によってパターニングと活性化を行うことで、活性化された熱硬化型樹脂の突出部材を形成するとよい。

液体吐出ヘッドの構成要素であるノズルプレートと素子基板である基板との間の厳密な位置決めによる位置精度の向上が可能である。

また、組立時や使用時に発生する構造体内の熱応力による膨張・収縮を、ノズルプレートの凹部に挿入された基板の突出部材で緩和することができ、さらに、両者の融着による追加的な接着により、ノズルプレートと基板との間の接着面積の３次元的な増大をもたらし、接着強度を向上させることができる。

加えて、複数のプリント色をもつ液体吐出ヘッドにおいては、各色の境界の部分に突出部材を設けることにより、ノズルプレートの剥れによる混色等の重要問題の解決にも貢献できる。

図１に示すように、ノズルプレート１の下面に接着手段である接着層２を設けて、ノズルプレート１に形成された液体流路３および吐出口４を、素子基板である基板５の、図１の（ａ）に破線で示す発熱素子部内の各発熱素子６に対向させ、基板５の上面に突出する熱硬化型樹脂の突出部材である凸部７をノズルプレート１の凹部８に嵌合させて位置決めを行い、接着層２によるノズルプレート１と基板５の接合を行う。

基板５の凸部７とノズルプレート１の凹部８の嵌合により、吐出口４と発熱素子６の位置合わせを精密に行い、かつ、ノズルプレート１と基板５の間の熱膨張差による応力を基板５の凸部７において吸収し、以後の製造工程や液体吐出ヘッドの使用期間中の温度変化による位置精度の低下を防ぐことができる。

また、接着層２の加熱接着工程において、凸部７の樹脂硬化を同時に行って、凹部８に融着させることで、ノズルプレート１と基板５の接着力がより一層強化され、液体吐出ヘッドの製造工程も簡略化される。

図１に示す構成において、ノズルプレート１はポリマー層を母材とし、接着層２を備えた多層構造の樹脂シートであり、ポリマー層は、本実施例ではポリイミド樹脂フィルム（ユーピレックス、宇部興産製）を選択しているが、一般的にベースフィルムとして使用されているポリスルフォン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリアミドイミド、ポリカーボネート等の樹脂から任意に選択できる。また、接着層２としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、熱硬化性ビニル樹脂、アミノ樹脂などの熱硬化型接着剤から任意に選択される。本実施例のノズルプレート１においては、ポリマー層の厚さは５０μｍであり、接着層２の厚さは１２μｍである。

図１の（ｂ）に示すように、ノズルプレート１には液体流路３および吐出口４が形成され、ノズルプレート１の吐出口４は、基板５の各発熱素子６との相対位置を、基板５に形成された凸部７およびノズルプレート１の下面に形成された凹部８の嵌合により厳密に位置合わせされる。ノズルプレート１の下面の接着層２は、基板５の上面に熱圧着され、これと同時に、基板５の凸部７とノズルプレート１の凹部８との嵌合部においても、後述するように付加的な熱溶着による接着がなされる。

ノズルプレート１の液体流路３や吐出口４および凹部８は、レーザー照射によって形成される。液体流路３等の加工と同時に、基板５の凸部７と対向する位置に凹部８を形成するため、凹部８の形成には新たな工程を必要としない。なお、凹部８の形状をレーザー加工にてテーパー形状に加工すればノズルプレート１の凸部７の嵌入がしやすくなり、かつ、密着の均一化を図ることできる。

図２の（ａ）は、ノズルプレート１を取り付ける前の基板５を示す平面図であり、基板５上の複数色に対応する発熱素子６ａ、６ｂ、６ｃを有するカラープリント領域間に凸部７を形成するのが望ましい。あるいは、図２の（ｂ）に示すように、基板５の外周部に、すべての発熱素子部を囲むように凸部２７を設け、これに嵌合する凹部をノズルプレート１に形成してもよいし、同図の（ｃ）に示すように、上記の（ａ）、（ｂ）の構成を組み合わせて、単一色のプリント領域同士の境界部の密着性向上および応力低減ならびに万一剥れが生じたときの混色防止と、ノズルプレート全体の密着性向上および応力低減の、双方を実現する凸部３７を基板５に形成し、これに対応する凹部をノズルプレート１に設けてもよい。

図３は、図１の液体吐出ヘッドを製造する工程を示すもので、同図の（ａ）に示すように、基板５上の発熱素子部には、液体であるインクを吐出させるためのエネルギーを発生させる発熱素子６が配列され、保護層としてＳｉＮ膜１０、Ｔａ層１１が設けられている。

次いで図３の（ｂ）に示すように、基板５上にＵＶカチオン硬化型エポキシ樹脂からなる密着向上層１２を塗布する。エポキシ樹脂組成物は少なくともエポキシ樹脂と紫外線硬化型カチオン重合開始剤とを含む樹脂であり、主剤となるエポキシ樹脂は、一般的にはビスフェノールＡ型ノボラックエポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂等を挙げることができる。ビスフェノールＡ型ノボラックエポキシ樹脂としては、Ｅｐｏｎ ＳＵ−８（商品名：シェルケミカル社製）、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂としてはエピコート１００１、１００７、１０１０等（商品名：油化シェルエポキシ社製）、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂としては、エピコート１８０Ｈ６５、１８０Ｓ６５（商品名：油化シェルエポキシ社製）から適宜選択することができる。これらの融点が５０℃以上であればさらに好ましい。紫外線硬化型カチオン重合開始剤としては、芳香族オニウム塩が挙げられ、ＳＰ−１５０、ＳＰ−１７０（商品名：旭電化工業社製）等が挙げられる。本実施例では、密着向上層１２として、エピコート１８０Ｈ６５をスピンコート法によって塗布して５μｍの厚さに形成し、図３の（ｃ）に示すように、公知のフォトリソグラフィー技術によりマスクＭ₁ を介して紫外線を照射し、その後、同図の（ｄ）に示すように、現像液でパターニングした。現像液には、ＭＩＢＫ／エタノール（＝２／１）を用いた。

基板５の凸部７を形成する工程は以下の通りである。凸部７を形成するための熱硬化型樹脂であるＵＶカチオン硬化型エポキシ樹脂等が常温で液状であれば、一般的にスクリーン印刷、フレキソ印刷等の手段で塗布し、常温で固体状であれば、熱転写法やホットメルト法等が挙げられるが、どの方式にも加工限界があり微細な加工や所定の場所に選択的な凸部を形成するのには不向きである。

そこで、ノズルプレート１と基板５の密着力向上および応力緩和に加えて、位置決めの機能も兼ね備えた凸部７の形成には、任意の位置や厚さに形成できるフォトリソグラフィー技術を用いる。まず、図３の（ｅ）に示すように、密着向上層１２上に前記樹脂材料による凸部形成層１７をロールコーターで均一に塗布して膜厚を３０μｍとし、ホットプレートでプリベークを行い、次いで、図３の（ｆ）に示すように、基板５をＳｉ異方性エッチングして、下面に開口する液体供給口９を形成した後、マスクＭ₂ を介して紫外線照射により凸部形成層１７のパターニングと樹脂の活性化を行い、凸部７を所定の位置、厚さに形成した。露光後、ホットプレート上で露光後ベーク（ＰＥＢ）を行った。凸部形成層１７の材料は、少なくともエポキシ樹脂と紫外線硬化型カチオン重合開始剤とを含む樹脂であり、前述のエポキシ樹脂及び紫外線硬化型カチオン重合開始材の中から適宜選択可能であるが、本実施例ではオニウム塩を感光剤とするエポキシ系レジストのＥｐｏｎ ＳＵ−８（商品名：シェルケミカル社製）を用いた。

次いで、図３の（ｇ）に示すように、現像液にプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートを用いて現像を行い、同図の（ｈ）に示すように、凸部７の樹脂を熱硬化させるための加熱工程を経ずに、基板５の凸部７とノズルプレート１の凹部８を嵌合させて位置合わせし、同図の（ｉ）に示すように、ノズルプレート１と基板５とを接合した。この状態で加熱することによってノズルプレート１の下面の熱硬化型の接着層２を基板５に接着させる。これと同時に、前述のように紫外線によって活性化された熱硬化型樹脂の凸部７を硬化させ、凹部８と接着（融着）させることにより、両者の嵌合部においても付加的な接着が行われる。

上記の工程によって製造された液体吐出ヘッドは、基板５の凸部７とノズルプレートの凹部８の嵌合によって構成要素同士の厳密な相対位置精度を向上せさ、かつ、組立時や使用時に発生する構造体内の熱応力を低減し、さらに、ノズルプレート１と基板５との接着強度を３次元的に向上させることができるため、液体吐出ヘッドを搭載するプリンタの記録品位等を良好に保ち、記録の高精細化や吐出性能の信頼性および耐久性の向上等に大きく貢献できる。

一実施例による液体吐出ヘッドを示すもので、（ａ）はノズルプレートと基板を分解して示す分解斜視図、（ｂ）はノズルプレートのみを示す部分断面図である。 図１の基板の凸部の配置とその変形例を説明する図である。 図１の液体吐出ヘッドの製造方法を示す工程図である。 一従来例を示す図である。 別の従来例を説明する図である。 さらに別の従来例を説明する図である。

符号の説明

１ ノズルプレート
２ 接着層
３ 液体流路
４ 吐出口
５ 基板
６、６ａ、６ｂ、６ｃ 発熱素子
７、２７、３７ 凸部
８ 凹部
９ 液体供給口
１０ Ｔａ膜
１１ ＳｉＮ膜
１２ 密着向上層
１７ 凸部形成層

Claims (6)

1. 吐出エネルギーを発生するための複数の発熱素子を備えた基板と、前記複数の発熱素子にそれぞれ対応する複数の吐出口および液体流路を備えたノズルプレートと、前記基板の表面に配設された密着向上層と、前記密着向上層を介して前記基板を前記ノズルプレートに接着するための接着手段と、前記基板の前記密着向上層上に突出する突出部材と、前記基板上の前記突出部材に嵌合するように前記ノズルプレートに形成された凹部とを有し、前記基板の前記突出部材を前記ノズルプレートの前記凹部に嵌合させて前記基板と前記ノズルプレートを相対位置決めした後に、前記突出部材を前記凹部に融着させたことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 密着向上層および突出部材が、エポキシ樹脂を主成分とし、紫外線硬化型カチオン重合開始剤を含む樹脂材料によって作られていることを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッド。
3. 複数色のプリント領域を有する液体吐出ヘッドであって、各プリント領域の発熱素子を隣接するプリント領域から分離するように基板の突出部材が配設されていることを特徴とする請求項１または２記載の液体吐出ヘッド。
4. 複数色のプリント領域を有する液体吐出ヘッドであって、すべてのプリント領域の発熱素子を囲むように基板の突出部材が配設されていることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の液体吐出ヘッド。
5. 発熱素子の吐出エネルギーによって液体を吐出する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
   接着層を有するノズルプレートに吐出口と液体流路と凹部とを形成する工程と、
   発熱素子を有する基板に、密着向上層とその上に突出する熱硬化型樹脂の突出部材を形成する突出部材形成工程と、
   基板の突出部材とノズルプレートの凹部を嵌合させて相対位置決めする工程と、
   基板の密着向上層とノズルプレートの接着層を密着させて加熱し、接着させる加熱接着工程と、
   を有し、前記加熱接着工程において前記熱硬化型樹脂の突出部材を熱硬化させ、前記凹部に融着させることを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
6. 突出部材形成工程において、基板の密着向上層上にエポキシ樹脂と紫外線硬化型カチオン重合開始剤とを含む樹脂材料を積層し、紫外線照射によってパターニングと活性化を行うことで、活性化された熱硬化型樹脂の突出部材を形成することを特徴とする請求項５記載の液体吐出ヘッドの製造方法。

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