JP2006312239A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】吐出素子基板の周囲に充填される封止材料がノズル層の表面に流出するのを防ぐ。
【解決手段】エネルギ発生素子を有する基板１０とその上に形成されたノズル層２０からなる吐出素子基板は、ベースプレート３０の凹所３１内に位置決めされ、吐出素子基板の周囲には封止材料が充填される。封止材料がノズル２１を有するノズル層２０の表面に流出するのを防ぐために、ノズル層２０の側壁２２に段差２３による誘導溝を設けて、矢印Ａ₁ 〜Ａ₄ で示す方向に封止材料を流動させることで、ノズル層２０の表面に封止材料が流れ出るのを防ぐ。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体吐出方式の記録装置に搭載される液体吐出ヘッドに関し、特に、エネルギ発生素子を有する基板に対して鉛直方向に液体を吐出する液体吐出ヘッドに関するものである。

インクジェットプリンタ等の記録装置に搭載される液体吐出ヘッドにおいては、例えばインクのｐＨによって、エネルギ発生素子を有するシリコン基板の切断端面に液体が付着すると、切断端面に剥き出しのシリコンが浸食されてしまうため、基板の切断端面を封止材料によって保護する必要がある。

図９は、特許文献１等に開示された一従来例による吐出素子基板を示すもので、エネルギ発生素子に接続された電極部１１１を備えたシリコンの基板１１０上に、インク等液体を吐出するノズル１２１や図示しない流路を形成するノズル層１２０を有する。この吐出素子基板は、図１０に示すような方法で切断端面の封止を行っている。まず、図１０の（ａ）、（ｂ）に示すように、エネルギ発生素子等を有する基板１１０の切断端面１１２と、ベースプレート１３０の凹所１３１の側壁との隙間に、シリコーンシーラント剤等の封止材料１４１を供給し、同図の（ｃ）〜（ｅ）に示すように、基板１１０の切断端面１１２およびノズル層１２０の側面１２２が覆われるまで封止材料１４１を充填する。このとき、基板１１０上のノズル層１２０の表面にできるだけ封止材料１４１がはみ出し流れ込まないように、封止材料１４１の供給量や部品精度を厳しく管理する必要がある。

封止材料とシリコンの基板との密着力が弱く、プリント動作中に、液体吐出ヘッドのワイピング時の外力に耐えられずに封止材料がめくれたり、あるいは剥がれてしまう場合には、封止材料の硬度を上げて、外力に耐えるように対策をとってきた。
特開２０００−３５１２０８号公報

しかしながら、エネルギ発生素子を有する基板の切断端面を確実に保護するためには、基板表面まで封止材料を充填しなくてはならず、封止材料の充填量や充填スペースのばらつき等のために基板上のノズル層の表面まで封止材料が流出してしまうことがある。

このようにはみ出した封止材料がノズル層の表面に付着すると、プリント動作中のワイピング性の低下を招き、また、ノズルに封止材料が流れ込むことによる吐出性能の劣化が問題となる。そのため、封止材料の塗布量制御を高精度で行い、かつ、部品精度を向上させて封止材料の充填スペースのばらつきを抑えるなどの対策が必要であった。

他方、封止材料の硬度を上げて外力に耐えるようにするために、粘度の高い封止材料を用いると、微細な隙間への充填性の低下や、高粘度のために塗布量が不安定になるなどの不都合を招く。

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、吐出素子基板の周囲を封止する封止材料がノズル層の表面に流れ出るのを防ぐことができる液体吐出ヘッドを提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドは、エネルギ発生素子を有する基板上に液体を吐出するためのノズルを形成するノズル層を備えた吐出素子基板と、前記吐出素子基板を支持する支持手段と、前記吐出素子基板の周囲を封止材料によって前記支持手段に封止する封止部と、を有し、前記ノズル層の側壁に、前記封止部の前記封止材料を前記吐出素子基板の周方向へ誘導するための誘導溝を備えていることを特徴とする。

エネルギ発生素子を有する基板上のノズル層の側壁に、周方向の誘導溝を設けて、封止材料をノズル層の下へ誘導する。このようにして、エネルギ発生素子を有する基板の切断端面を確実に保護する封止部を形成するとともに、ノズル層の表面に封止材料が流出するのを防ぐ。

図１に示すように、液体吐出ヘッドの吐出部を構成する吐出素子基板は、図示しないエネルギ発生素子に接続された電極部１１等を有する基板１０上に被覆樹脂層によるノズル層２０を形成した積層構造を有する。

ノズル層２０は、その表面に垂直な方向にインク等の液体を吐出するノズル２１や流路を有し、基板１０の電極部１１は、吐出信号等を送るためのフレキシブル配線基板に接続される。基板１０の切断端面１２は、後述するように、支持手段であるベースプレート３０の凹所３１に充填される封止材料４１によって覆われる（図４参照）。

基板１０上のノズル層２０の側壁２２には、吐出素子基板の周囲を封止する封止材料がノズル層２０の表面に流出しないように、ノズル層２０の下で封止材料を周方向へ誘導するための誘導溝を形成する段差２３が設けられている。

この誘導溝は、方形のノズル層の少なくとも１辺に沿って配設されていればよいが、２辺以上あるいは全周に配置されていてもよい。

また、封止材料の誘導溝に、矩形や円形等の断面を有する凹凸形状部を設けてもよい。

さらに、誘導溝に連通する貫通孔あるいはスリットをノズル層に設けて、封止材料の充填の際の空気抜き用としてもよい。貫通孔およびスリットの形状は、矩形あるいは円形などどのようなものでも構わない。

図１の（ｂ）は、ベースプレート３０の凹所３１に封止材料を充填する封止工程における封止材料の流れ方を示すもので、基板１０上にノズル層２０を形成した吐出素子基板をベースプレート３０の凹所３１に接合した状態のユニットに、封止材料を塗布用ニードルによって供給すると、矢印Ａ₁ で示すように凹所３１の中央部から、底面コーナ部を矢印Ａ₂ に示すように流れて、エネルギ発生素子を有する基板１０の全周に充填される。その後、徐々に封止材料が充填され、矢印Ａ₃ で示すように、基板１０の切断端面を上昇し、基板１０の表面エッジで封止材料の表面張力によって保持される。そして、保持力がなくなり基板１０の表面に流れ込んだ封止材料は、矢印Ａ₄ で示すようにノズル層２０の誘導溝である段差２３に沿ってノズル層２０の下を周方向に流れていくため、ノズル層２０の表面に封止材料が流れ出すのを防ぐことができる。

なお、封止材料の流れ性をよくするために、吐出素子基板とベースプレートのユニットをベースプレートの裏面側から６０℃程度で加熱し、封止材料も同様に３０℃程度に加熱して充填するとよい。また、封止材料はエポキシ系のものを使用し、塗布後に熱硬化させるとよい。

吐出素子基板とベースプレート間の固定も、熱硬化型エポキシ接着剤を用いた接着によるのが望ましい。

図１ないし図４は実施例１を示すもので、エネルギ発生素子を有する基板１０の表面に対して垂直方向に開口するノズル２１を備えたノズル層２０が、基板１０の外形寸法と同等もしくは小さい寸法で作られており、ノズル層２０の側壁２２には、段差２３による誘導溝が形成されている。

この誘導溝は、図２に拡大して示すように、ノズル層２０の長辺側の２つの側壁２２に形成された段差２３によって形成されているが、図３に示すように、ノズル層２０の別の２つの側面にも段差２４を形成し、吐出素子基板の全周に誘導溝を配設する構成でもよい。

誘導溝となる段差２３、２４は、ノズル層２０を形成する前に犠牲層として基板１０上に形成し、その後ノズル層２０を形成し、ノズル層２０の不要な部分をフォトリソ技術や切削加工等の技術を用いて除去し、除去部分から前記犠牲層を取り除くことで形成される。

前述のように、基板１０の切断端面を封止材料によって封止する工程で、封止材料が基板１０のインク吐出方向のエッジを乗り越えても、誘導溝によって周方向へ誘導されるため、ノズル層２０の表面への封止材料の流れ込みを防止することができる。

図４は封止材料の塗布工程を説明する工程図である。図４の（ａ）に示すように、ベースプレート３０の凹所３１に基板１０とノズル層２０からなる吐出素子基板を位置決めする。次に図４の（ｂ）、（ｃ）に示すように、基板１０とベースプレート３０との隙間に塗布ノズルを接近させて封止材料４１を供給する。まず、基板１０とベースプレート３０との隙間に封止材料４１が塗布され、基板１０の表面高さまで封止材料４１が充填される。その後さらに封止材料４１を供給し、基板１０の最表面のエッジを封止材料４１が乗り越えると、一気に基板１０の表面を流れる。

その後、マージン分としての封止材料を塗布すると、従来例のように誘導溝のない場合は、封止材料の表面張力のみでノズル層２０の表面への流れ込みを抑えるため、塗布マージンのバラツキ等によりノズル層２０の表面へ流れ込んでしまうことがある。

これに対して、本実施例では、図４の（ｄ）に示すように、基板１０の表面に流れ込んだ封止材料４１がノズル層２０の段差２３による誘導溝に到達すると、毛細管現象によって封止材料４１が誘導溝を流動し、基板１０の表面エッジの表面張力で保持されている封止材料と融合して前後方向（周方向）に流れていく。その結果、図４の（ｅ）に示すように、基板１０の表面エッジまで確実に封止材料４１で封止する一方で、ノズル層２０の表面への封止材料４１の流れ込みを確実に防ぐことができる。

ノズル層の表面に封止材料が付着すると、ワイピング時の障害になり、封止材料の付着した付近ではノズル層上のインクを除去することができないことがある。また、封止材料の流れ込みの量が多い場合は、ノズルまで封止材料が付着してしまい、ノズルを詰まらせてプリント品位の劣化を招き、歩留りの低下につながってしまうことがある。

そこで、ノズル層の側壁に誘導溝を設けることでノズル層の表面に封止材料が付着するのを防ぎ、安定したプリント性能を実現するものである。

本実施例において、封止材料の誘導溝の寸法は、高さ４０μｍ、奥行き５０μｍとした。誘導溝は構成上可能な範囲で大きいほうがよいが、封止材料の塗布量のバラツキや、塗布領域のバラツキ等の要因を少なくして封止材料の塗布マ−ジンを低減すれば、誘導溝を小さくすることも可能である。

なお、本実施例の封止材料は、エポキシ系の樹脂で粘度は２０Ｐａ・ｓのものを用いた。

図５および図６は実施例２を示す。これは、ノズル層２０の側壁２２に形成した段差２３に、エネルギ発生素子を有する基板１０の面方向に刻設した切込部による凹凸形状部２５を付加したものである。この凹凸形状部２５は、実施例１と同様にノズル層２０を形成するまえの犠牲層にフォトリソあるいはレーザ加工等の方法で凹凸形状を作り、その後ノズル層２０を形成し、溝あるいは穴をあけて前記犠牲層を除去することによって形成される。

なお、犠牲層の除去用の溝あるいは穴は、基板１０の切断後に除去することも可能であるが、本実施例では基板１０の切断前にフォトリソ方式で犠牲層の除去用の溝あるいは穴をあけ、その後犠牲層を除去した。

図６の（ａ）に示すように、方形の切込部による凹凸形状部２５を有する段差２３を設けることで、封止材料の密着力を向上させることができるという利点が付加される。その他の点は実施例１と同様である。

なお、図６の（ａ）に示す方形の切込部の代わりに、同図の（ｂ）に示すようなクサビ形状の切込部による凹凸形状部２６を設けてもよい。すなわち、より密着力が必要な場合には、封止材料が抜け難いクサビ形状の凹凸形状部２６が望ましい。

本実施例によれば、ノズル層の表面に付着したインクを除去するワイピングを行っても、封止材料がめくれて基板の切断端面にインクが進入するようなことはなく、封止材料によって基板の切断端面を完全に保護することができた。

また、インクの成分によってはノズル層に残存したインクが固着し強固になることがあり、その場合ワイピング力を増して残存する固着インクを除去する必要がある。このような場合でも誘導溝にクサビ形状の凹凸を設けておくと、ワイピング力を増大させた固着インクの除去においても封止材料のめくれあるいは剥がれといった問題が生じることはない。

図７および図８は実施例３を示す。これは、実施例１の誘導溝に空気抜き用の鉛直方向の貫通孔２７あるいはスリット２８を付加したものである。

すなわち、図７に示すように、ノズル層２０の表面から段差２３に連通する貫通孔２７を設けるか、あるいは、図８に示すように、ノズル層２０の側壁２２に、表面から段差２３まで延在するスリット２８を設ける。

封止材料を誘導する誘導溝の奥行きが深い場合は、基板１０の表面に流れ込んだ封止材料が誘導溝を流れる際に、完全に封止材料が誘導溝に充填される前に誘導溝のコーナ部あるいはエッジ部を流れると空気を抱き込むことがある。その際には、少なくとも１つ以上の貫通孔２７あるいはスリット２８を設けることにより、封止材料中へ取り残された空気を抜くことができるため、封止材料を確実に封止部に充填することができる。

なお、図５または図６に示したような凹凸形状部を有する誘導溝においても同様に貫通孔やスリットを設けることができる。その際は、各凹凸形状部に少なくとも１箇所の貫通孔あるいはスリットを設けたほうが、より安定的に封止材料を充填することができる。

上記の貫通孔やスリットは、誘導溝の形成時の犠牲層を除去する前あるいは後に、フォトリソあるいはレーザ加工等で形成することで可能である。本実施例ではノズル層の形成と同時にフォトリソ技術を用いて形成した。

また、貫通孔やスリットは円形あるいは半円形で図示してあるが矩形等他の形状でも構わない。

例えば、図６の（ｂ）に示すようなクサビ形状の凹凸形状部にそれぞれ円形の貫通孔を設けた場合は、封止材料がクサビ形状の凹凸形状部に流れてその入口部を塞ぎ隣の凹凸形状部に流れても、クサビ部に閉じ込められた空気が貫通孔から抜けるため、すべての凹凸形状部に封止材料を充填することができた。

また、本実施例では封止材料に熱硬化性のものを用いたため、封止材料の充填後に熱キュアを行ったが、貫通孔がクサビ形状の凹凸形状部に設けられているため、凹凸形状部に空気溜りがなく、封止材料の充填後の熱キュア工程において、残存気泡の膨張により封止材料やノズル層を破壊することなく硬化させることができた。

実施例１を示すもので、（ａ）は液体吐出ヘッドの主要部を示す部分斜視図、（ｂ）は吐出素子基板の封止部に充填される封止材料の流動方向を説明する図である。 図１の吐出素子基板の一部分を示すもので、（ａ）はその部分斜視図、（ｂ）は（ａ）の円Ａで示す部位をさらに拡大して示す図である。 実施例１の一変形例を示すもので、（ａ）は吐出素子基板の一部分を示す部分斜視図、（ｂ）は（ａ）の円Ａで示す部位をさらに拡大して示す図である。 封止材料の充填工程を説明する工程図である。 実施例２による吐出素子基板の一部分を示す部分斜視図である。 実施例２およびその変形例による凹凸形状部を拡大して示す図である。 実施例３を示すもので、（ａ）は吐出素子基板の一部分を示す部分斜視図、（ｂ）は（ａ）の円Ａで示す部位をさらに拡大して示す図である。 実施例３の一変形例を示すもので、（ａ）は吐出素子基板の一部分を示す部分斜視図、（ｂ）は（ａ）の円Ａで示す部位をさらに拡大して示す図である。 一従来例を示すもので、（ａ）は吐出素子基板の一部分を示す部分斜視図、（ｂ）は（ａ）の円Ａで示す部位をさらに拡大して示す図である。 図９の従来例による封止材料の充填工程を示す工程図である。

符号の説明

１０ 基板
１１ 電極部
２０ ノズル層
２１ ノズル
２３、２４ 段差
２５、２６ 凹凸形状部
２７ 貫通孔
２８ スリット
３０ ベースプレート
３１ 凹所
４１ 封止材料

Claims (4)

1. エネルギ発生素子を有する基板上に液体を吐出するためのノズルを形成するノズル層を備えた吐出素子基板と、前記吐出素子基板を支持する支持手段と、前記吐出素子基板の周囲を封止材料によって前記支持手段に封止する封止部と、を有し、前記ノズル層の側壁に、前記封止部の前記封止材料を前記吐出素子基板の周方向へ誘導するための誘導溝を備えていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 封止部の封止材料によって、吐出素子基板の切断端面が保護されることを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッド。
3. ノズル層の側壁の誘導溝が、吐出素子基板の面方向に凹凸形状部を有す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. ノズル層の側壁の誘導溝に連通するように、前記ノズル層を貫通する貫通孔またはスリットが形成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。

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