JP2006281715A - Liquid delivery head and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体を噴射し飛翔液滴を形成して記録を行う記録装置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。 The present invention relates to a liquid discharge head mounted on a recording apparatus that performs recording by ejecting liquid to form flying droplets and a method for manufacturing the same.
また本発明は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の被記録媒体に対し記録を行う、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサ等の装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に適用できる。 In addition, the present invention includes a printer, a copying machine, a facsimile having a communication system, and a printer unit that perform recording on a recording medium such as paper, thread, fiber, fabric, leather, metal, plastic, glass, wood, ceramics, and the like. The present invention can be applied to a device such as a word processor, or an industrial recording device combined with various processing devices.
なお、本発明における[記録]とは、文字や図形等の意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を付与することも意味する。 [Recording] in the present invention means not only giving an image having a meaning such as a character or a figure to a recording medium but also giving an image having no meaning such as a pattern.
従来からの液体吐出ヘッドは、例えば図8に示すように、インクを吐出するための吐出口104および各吐出口104に連通した流路105を有するノズル層102と、流路105の一部を構成し、かつ吐出素子である発熱抵抗体103および各流路105にインクを供給するインク供給口106を有する吐出素子基板101と、インク供給口106に連通している連通部109を有し、吐出素子基板101を支持する支持体108とによって構成されている。
For example, as shown in FIG. 8, a conventional liquid ejection head includes a
図9は、液体吐出ヘッドの製造方法を示すもので、吐出素子として発熱抵抗体103を用いる液体吐出ヘッドは、半導体製造技術として一般的に行われている、一枚のSi基板から多数個の液体吐出ヘッドを形成する方法で製造される。例えば<100>面の結晶方位を持つSi基板を用いて、半導体製造技術により発熱抵抗体103とこれを駆動するための駆動素子(不図示)を形成し、次いで、発熱抵抗体103と外部制御機器との電気的取り出し電極(不図示)を形成した吐出素子基板101を用いる。
FIG. 9 shows a manufacturing method of a liquid discharge head. A liquid discharge head using a
まず、図9の(a)に示すようにインク供給口106を形成するための異方性エッチングに用いるマスクMを、以下のように形成する。吐出素子基板101の裏面にマスク材を所望の膜厚で塗布する。マスク材として、異方性エッチング液で劣化しない樹脂を用いる。マスク材上に、ポジ型フォトレジストを塗布し、露光現像工程を経てインク供給口106に対応する部分のレジストを除去する。そして、インク供給口106に対応する部分のマスク材をドライエッチングにて除去した後、レジストを除去することにより、開口M1 を有するマスクMを形成する。なお、マスクMは、マスク材自身がパターニングできる材料で形成されていても構わない。
First, as shown in FIG. 9A, a mask M used for anisotropic etching for forming the
液体吐出ヘッドのノズル層102の形成方法としては、流路105となる除去可能なノズル型材Rをフォトリソグラフィー技術により形成する。ノズル型材Rとして、ポジ型フォトレジストを用い所望の膜厚で塗布する(この膜厚が流路105の高さに相当する)。その後、露光、現像工程を経て流路105のパターンを形成する。
As a method of forming the
次いで、図9の(b)に示すように、流路105となる除去可能なノズル型材Rを被覆するように、光反応によるカチオン重合ネガ型レジストからなるノズル層102をスピンコートにて塗布する。そして、ノズル層102に、フォトリソグラフィー技術により吐出口104などを形成する。
Next, as shown in FIG. 9B, a
次に、図9の(c)に示すように、インク供給口106に対応する部分の酸化膜101aを、ケミカルドライエッチングにより除去し、その後異方性エッチングを行うことでインク供給口106の形成を行う。例えば、異方性エッチング液としてTMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)22%水溶液を83℃に加熱したものを用いてエッチングを行い、異方性エッチングが完了した後、マスクMを除去する。
Next, as shown in FIG. 9C, the
図9の(d)に示すように、ノズル層102の表面より露光を行い、流路105となるノズル型材Rを、型材除去液を用いて除去する。ノズル型材Rにポジ型フォトレジストを用いていることから、ノズル型材Rの除去としては一般的なポジ型フォトレジスト用の剥離剤を使用することで除去可能である。上記の工程を経ることで、液体吐出ヘッドの吐出素子チップを製作し、チップの裏面を図8の(b)に示す支持体108に接着する。すなわち、支持体108に接着剤110を塗布して、吐出素子基板101の裏面を接着し、発熱抵抗体103を駆動するための電気的接合(不図示)を行って、液体吐出ヘッドが完成する。
As shown in FIG. 9D, exposure is performed from the surface of the
吐出素子基板と支持体を接着させる際、その接着力が十分でないと、吐出動作中に剥がれが発生し、吐出不良となる懸念がある。特に1個の吐出素子基板に複数個のインク供給口が形成されている場合は、吐出素子基板と支持体のすきまで複数のインクが混色して不良が発生することがある。 When the discharge element substrate and the support are bonded, if the adhesive force is not sufficient, peeling may occur during the discharge operation, resulting in a discharge failure. In particular, when a plurality of ink supply ports are formed in one ejection element substrate, a plurality of inks may be mixed up to the gap between the ejection element substrate and the support to cause a defect.
また、吐出素子基板と支持体とを接着する接着剤量のばらつきにより、接着剤がインク供給口や支持体の連通部にまではみ出し、さらにはノズル層の流路にまで達することもあり、その結果、流路形状が変形して吐出に対して悪影響を及ぼすことがあった。 In addition, due to variations in the amount of adhesive that bonds the ejection element substrate and the support, the adhesive may protrude to the ink supply port and the communication part of the support, and may further reach the flow path of the nozzle layer. As a result, the flow path shape may be deformed to adversely affect the discharge.
これらの課題を解決するための方法として、特許文献1には、吐出素子基板の裏面のインク供給口周辺に溝を形成し、支持板に設けた突起を嵌合させることにより、位置合わせを容易にするとともに、接着剤の塗布領域を制御する構成が開示されている。
しかしながら、特許文献1に開示された構成では、液体吐出ヘッドの小型化に伴い基板サイズが小さくなり、さらには、多色化に伴い供給口間の幅が狭くなってきているため、支持体に形成する突起も細くする必要がある。そのため、セラミックなどからなる支持体に寸法精度の高い突起を一体形成するには特殊工程を要し、支持体にコストがかかってしまう。
However, in the configuration disclosed in
また、特許文献1、2に開示された構成では、基板裏側に形成している溝幅も細く形成する必要があり、吐出素子基板と支持体を接着するために必要量の接着剤を塗布すると、溝の空間で収まらない接着剤がインク供給口と連通部にまではみ出して、塗布領域の制御が困難になることがあった。
In addition, in the configurations disclosed in
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、低コストな支持体を用いて吐出素子基板と支持体の接着剤塗布領域を制御し、かつ接着力を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。 The present invention has been made in view of the above-mentioned unsolved problems of the prior art, and uses a low-cost support to control the adhesive application area of the ejection element substrate and the support and to improve the adhesive force. It is an object of the present invention to provide a liquid discharge head that can be made and a manufacturing method thereof.
上記目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドは、液体供給口および吐出素子を有する吐出素子基板と、前記吐出素子基板上に吐出口および流路を有する流路形成層と、前記吐出素子基板の裏面に接着された支持体とを備え、前記吐出口から液滴を吐出する液体吐出ヘッドにおいて、前記吐出素子基板の前記裏面に、前記支持体に対向して所定の密度で点在するピット形状の微小穴が形成されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a liquid discharge head according to the present invention includes a discharge element substrate having a liquid supply port and a discharge element, a flow path forming layer having a discharge port and a flow path on the discharge element substrate, and the discharge element. A liquid discharge head that discharges liquid droplets from the discharge port, and is scattered at a predetermined density on the back surface of the discharge element substrate so as to face the support. Pit-shaped minute holes are formed.
本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、吐出素子を有する吐出素子基板上に、液体を吐出する吐出口および流路を有する流路形成層を形成する工程と、吐出素子基板に異方性エッチングにより液体供給口を形成する工程と、吐出素子基板に所定の密度で点在するピット形状の微小穴を形成する工程と、ピット形状の微小穴に充填された接着剤によって吐出素子基板を支持体に接着する工程と、を有することを特徴とする。 The method for manufacturing a liquid discharge head according to the present invention includes a step of forming a flow path forming layer having a discharge port and a flow path for discharging a liquid on a discharge element substrate having discharge elements, and anisotropic etching on the discharge element substrate. The step of forming a liquid supply port by the step, the step of forming pit-shaped micro holes scattered at a predetermined density on the discharge element substrate, and the discharge element substrate supported by the adhesive filled in the pit-shaped micro holes And a step of adhering to.
支持体と吐出素子基板との接着部に貫通しないピット形状の微小穴を点在させることにより、液体供給口に接着剤が回り込まず微小穴に流れ込むことにより、接着剤の塗布領域を制御することができる。 By spraying pit-shaped minute holes that do not penetrate through the bonding part between the support and the discharge element substrate, the adhesive application area is controlled by flowing into the minute holes without flowing into the liquid supply port. Can do.
また、支持体に突起を形成する特殊工程を省略することで、支持体のコストを削減することができる。 Further, the cost of the support can be reduced by omitting the special process for forming the protrusion on the support.
さらに、ピット形状の微小穴を高密度で微細なパターンに形成することで、ピット形状の微小穴への接着剤流入によるくさび効果を増大させ、吐出素子基板と支持体の接着強度をより一層向上させることができる。 Furthermore, by forming the pit-shaped micro holes in a high-density and fine pattern, the wedge effect due to the inflow of adhesive into the pit-shaped micro holes is increased, and the adhesive strength between the discharge element substrate and the support is further improved. Can be made.
図1に示すように、Si基板等からなる吐出素子基板1と、吐出素子基板1上に設けられた流路形成層であるノズル層2とを備えた液体吐出ヘッドにおいて、吐出素子基板1は、基板面に対して垂直方向に液体であるインクを吐出するための吐出圧を発生させる吐出素子である発熱抵抗体3を有する。ノズル層2は、吐出素子基板1上に形成された吐出口4および流路5を備え、流路5は、異方性エッチングによって吐出素子基板1に形成された液体供給口であるインク供給口6に連通している。
As shown in FIG. 1, in a liquid discharge head including a
吐出素子基板1の裏面には、図1の(b)に示すように高密度で微小穴であるピット形状部7が点在し、図5に示すように、接着剤10がピット形状部7に充填されることで、吐出素子基板1と支持体8との接着剤10による接合が強化される。
As shown in FIG. 1B, high-density and minute pit-
ピット形状部の密度は均一でもよいし、インク供給口に近づくほど高密度に配置されていてもよい。 The density of the pit shape portions may be uniform, or the pit shape portions may be arranged with a higher density as they approach the ink supply port.
各ピット形状部は、四角錐、四角錐台もしくはこれらを組み合わせた形状の微小穴であるとよい。 Each pit shape portion may be a quadrangular pyramid, a quadrangular frustum, or a minute hole having a combination thereof.
ノズル層は、例えば、ネガ型レジストからなるノズル材にて吐出口および流路をフォトリソにて形成し、吐出素子基板の裏面のインク供給口形成部上の酸化膜を除去して、異方性エッチングによりインク供給口を形成する。吐出素子基板の裏面のピット形状部も異方性エッチングによって形成する。 The nozzle layer is formed by, for example, forming a discharge port and a flow path with photolithography using a nozzle material made of a negative resist, and removing an oxide film on the ink supply port forming portion on the back surface of the discharge element substrate, thereby making the anisotropic An ink supply port is formed by etching. The pit shape portion on the back surface of the discharge element substrate is also formed by anisotropic etching.
ピット形状部とインク供給口とを同時に異方性エッチングしてもよい。 The pit shape portion and the ink supply port may be simultaneously anisotropically etched.
図1に示すように、Si基板の厚みが0.625mmのものを用いて、発熱抵抗体3などを、従来技術と同様の方法で吐出素子基板1上に作成した。図2に示すように、異方性エッチングためのマスク材M0 を、吐出素子基板1の裏面の酸化膜1a上にスピンナーを用いて塗布した後、ポジ型フォトレジストを塗布し、インク供給口6およびピット形成部7に対応する透過パターンを有するマスクを用いて露光し、現像によりパターン形成した。なお、ピット形状部7は、吐出素子基板1と支持体8との接着部分にのみ形成される。
As shown in FIG. 1, the
インク供給口6を形成するための異方性エッチングによって、Si基板である吐出素子基板1は54.7°の傾斜でエッチングされる。そのため、ピット形状部7は、吐出素子基板1を貫通しない寸法以下になるように、マスクの透過パターンを形成しておく。なお、本実施例においては、マスク上のピット形状部に対応する透過パターンを10μm角で形成した。
By the anisotropic etching for forming the
その後、ドライエッチングにてインク供給口6およびピット形成部7に対応する部位のマスク材M0 を除去したのち、レジストを除去した。続いて、従来の製法に従いノズル層2を形成した。次に、インク供給口6等に対応する部位の酸化膜1aを、ケミカルドライエッチングにより除去し、異方性エッチングを行うことで、インク供給口6およびピット形状部7の形成を行った。
Then, after removing the mask material M 0 at portions corresponding to the
図2は、ピット形状部7における上記の異方性エッチング工程を示す。図2の(a)に示すように、マスク材M0 を吐出素子基板1に塗布し、(b)に示すように、マスク材M0 をエッチングして開口M1 を有するマスクMを形成し、(c)に示すように開口M1 内の酸化膜1aを除去し、(d)に示すように、異方性エッチング処理を行うことで、ピット形状部7等が形成される。
FIG. 2 shows the above anisotropic etching process in the
その後、公知の方法でマスクMおよび図示しないノズル型材を除去することで、液体吐出ヘッドの吐出素子チップを完成させた。 Thereafter, the mask M and a nozzle mold material (not shown) were removed by a known method, thereby completing the ejection element chip of the liquid ejection head.
本実施例のピット形状部は、図1に示すような四角錐形状であり、240μm角、90μm深さで形成した。 The pit shape portion of this example has a quadrangular pyramid shape as shown in FIG. 1 and is formed with 240 μm square and 90 μm depth.
本実施例は、図3に示すように、ピット形状部7の密度をインク供給口6に近づくにつれて高密度にしたものであり、図4の(a)に示すように、異方性エッチングのマスク材M0 を塗布する工程までは、実施例1と同様の工程を採用した。
In this embodiment, as shown in FIG. 3, the density of the pit-shaped
その後、ポジ型フォトレジストを塗布し、インク供給口6に対応する部位に透過パターンを有するマスクを用いて露光し、現像によりパターン形成を行った。その後、ケミカルドライエッチングによりインク供給口6に対応する部位のマスク材M0 を除去し、酸化膜1aの除去も行った。
Thereafter, a positive photoresist was applied, exposed using a mask having a transmission pattern at a site corresponding to the
次に、ピット形状部7に対応する部位に透過パターンを有するマスクを用いて、レジストの露光、現像を行った。なお、ピット形状部7に対応する透過パターンは、吐出素子基板1と図5に示す支持体8との接着部分において、インク供給口6に近いほど密度が高くなるように形成した。その後、ドライエッチングにてピット形状部7に対応する部位のマスク材M0 を除去して開口M1 を形成し、レジストを除去したのち、従来の製法に従いノズル層2を形成した。
Next, the resist was exposed and developed using a mask having a transmission pattern at a site corresponding to the
次に、ピット形状部7に対応する部分の酸化膜1aを、ケミカルドライエッチングにより薄層が残る程度に除去し、その後、異方性エッチングを行うことで、インク供給口6およびピット形状部7を同時に形成した。
Next, the oxide film 1a corresponding to the
異方性エッチング剤として水酸化カリウム溶液を用いた。TMAHと違い、KOHは酸化膜も除去することができる。ただし、酸化膜のエッチングレートは、Siのレートに比べ遅いため、酸化膜を薄層だけ残したピット形状部はエッチング量を少なくすることができる。 A potassium hydroxide solution was used as an anisotropic etchant. Unlike TMAH, KOH can also remove oxide films. However, since the etching rate of the oxide film is slower than that of Si, the etching amount can be reduced in the pit shape portion where only a thin layer of the oxide film is left.
そのため、実施例1よりも微小なピット形状部を、より高密度に配置することができるのである。 Therefore, pit-shaped portions that are smaller than those in the first embodiment can be arranged with higher density.
図4は、ピット形状部7における上記の異方性エッチング工程を示す。まず、図4の(a)に示すように、マスク材M0 を吐出素子基板1上に塗布し、(b)に示すようにマスク材M0 をエッチングして開口M1 を形成したのち、(c)に示すように、酸化膜1aが残るようにエッチング処理を行い、異方性エッチング処理を行うことで、(d)に示すように、ピット形状部7が形成される。
FIG. 4 shows the anisotropic etching process in the
その後、公知の方法でマスクMおよび図示しないノズル型材を除去することで、液体吐出ヘッドの吐出素子チップを完成させた。 Thereafter, the mask M and a nozzle mold material (not shown) were removed by a known method, thereby completing the ejection element chip of the liquid ejection head.
本実施例のピット形状部は、図3に示すような四角錐形状であり、100μm角、70μm深さで形成した。 The pit shape portion of this example has a quadrangular pyramid shape as shown in FIG. 3, and is formed with a 100 μm square and a 70 μm depth.
実施例2の素子チップを用いて、図5に示すように支持体8との接着を行った。接着剤10として、熱またはUV照射により硬化する接着剤を用いた。まず、支持体8の表面に接着剤10を15μm厚となるように転写する。次に、吐出素子基板1と支持体8をアライメントし、3μm厚さのギャップとなるまで圧着接合する。この際、チップ裏面の外周部分はピット形状部7がほとんど形成されていないため、接着剤10がチップ外側にまではみ出している。その状態で、チップ外周にUV光を照射し、チップ外周にはみ出した接着剤10を硬化させる。これにより、吐出素子基板1と支持体8は仮接合される。また、吐出素子基板1の裏面のインク供給口6に近い部分では余分な接着剤10はピット形状部7内に誘導されるため、インク供給口6や支持体8の連通部9へのはみ出しを防ぐことができる。つまり、ピット形状部7を設けることにより、接着剤塗布部からインク供給口6までの距離を伸ばすことと同等の効果が得られる。
Using the element chip of Example 2, bonding to the support 8 was performed as shown in FIG. As the adhesive 10, an adhesive that was cured by heat or UV irradiation was used. First, the adhesive 10 is transferred to the surface of the support 8 so as to have a thickness of 15 μm. Next, the
その後、UVが照射されない領域の接着剤10を硬化させるために加熱を行い、吐出素子基板1と支持体8の接合を完了する。
Thereafter, heating is performed in order to cure the adhesive 10 in a region not irradiated with UV, thereby completing the bonding between the
このようにして製作した液体吐出ヘッドは、吐出素子基板1と支持体8を接合する接着剤10のインク供給口6や連通部9への流れ込みも見られず、流路5の形状変化による吐出不良も見られなかった。また、接着強度もピット形状部7がないものに比べて向上していることを確認した。
In the liquid discharge head manufactured in this way, the adhesive 10 that joins the
また、本実施例においては、ピット形状部7はインク供給口6の長手方向に同列に配置されるように形成したが、インク供給口6の長手方向に対して千鳥状に配列した場合の方が、接着剤10の誘導に対しては効果が大きかった。
Further, in this embodiment, the pit-shaped
本実施例は、図6に示すように、インク供給口6の近傍には寸法の小さい四角錐形状のピット形状部7aを設け、吐出素子基板1の外周部には寸法の大きい四角錐台形状のピット形状部7bをほぼ一定の深さで設けたものである。
In this embodiment, as shown in FIG. 6, a small-sized square pyramid-shaped pit-shaped
図7に示すように、インク供給口6に対応するように酸化膜1aを除去する工程までは、実施例2と同様である。次に、ピット形状部7a、7bに対応する部位に透過パターンを有するマスクを用いて、レジストの露光、現像を行った。なお、レジストの露光の際に使用したマスクは、吐出素子基板1のインク供給口6に近いほどパターンが小さくなるように形成した。その後、ドライエッチングにてピット形状部7a、7bに対応するようにマスク材M0 を除去したのち、レジストを除去した。
As shown in FIG. 7, the process up to the step of removing the oxide film 1a so as to correspond to the
図7は、四角錐台形状のピット形状部7bにおける異方性エッチング工程を示す。図7の(a)に示すように、マスク材M0 を吐出素子基板1に塗布し、(b)に示すように、マスク材M0 をドライエッチングして開口M2 を形成した後、(c)に示すように、酸化膜1aが残るようにエッチング処理を行い、(d)に示すように、吐出素子基板1の異方性エッチング処理を行うことで、ピット形状部7bが形成される。
FIG. 7 shows an anisotropic etching process in the
ピット形状部7bに対応するマスクMの開口寸法が大きいため、エッチングしている大半の時間は酸化膜1aのエッチングに費やされる。そして、酸化膜1aがエッチングされた後に吐出素子基板1のエッチングが開始される。そのため、ピット形状部7bのエッチング時間は実質的に非常に短く、エッチングした形状が四角錐となる前にエッチングが終了してしまうため、四角錐台形状となるのである。
Since the opening size of the mask M corresponding to the
ピット形状部を四角錐形状で形成すると、接着剤をピット先端まで供給できずに気泡が残り、加熱接着で気泡膨張による接着不良を起こす可能性がある。しかし、四角錐台形状にすることにより、これらの不良をなくすことができ、さらにはくさび効果による接着力向上を図ることができる。 If the pit-shaped portion is formed in a quadrangular pyramid shape, the adhesive cannot be supplied to the pit tip, leaving bubbles, which may cause poor adhesion due to bubble expansion due to heat bonding. However, by adopting the quadrangular pyramid shape, these defects can be eliminated, and further, the adhesive force can be improved by the wedge effect.
1 吐出素子基板
2 ノズル層
3 発熱抵抗体
4 吐出口
5 流路
6 インク供給口
7、7a、7b ピット形状部
8 支持体
10 接着剤
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記吐出素子基板の前記裏面に、前記支持体に対向して所定の密度で点在するピット形状の微小穴が形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。 A discharge element substrate having a liquid supply port and a discharge element; a flow path forming layer having a discharge port and a flow path on the discharge element substrate; and a support bonded to the back surface of the discharge element substrate. In the liquid ejection head that ejects droplets from the outlet,
A liquid discharge head, wherein pit-shaped micro holes scattered at a predetermined density are formed on the back surface of the discharge element substrate so as to face the support.
吐出素子基板に異方性エッチングにより液体供給口を形成する工程と、
吐出素子基板に所定の密度で点在するピット形状の微小穴を形成する工程と、
ピット形状の微小穴に充填された接着剤によって吐出素子基板を支持体に接着する工程と、を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。 Forming a flow path forming layer having a discharge port and a flow path for discharging a liquid on a discharge element substrate having a discharge element;
Forming a liquid supply port by anisotropic etching on the discharge element substrate;
Forming pit-shaped micro holes scattered at a predetermined density in the discharge element substrate;
And a step of adhering the ejection element substrate to the support with an adhesive filled in a pit-shaped minute hole.
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