JP2007062048A - 液体吐出ヘッド、液体吐出装置、及び液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】適切な範囲の圧力で必要な接着強度と接着の均一性が得られ、液滴の微少化による高画質化にも対応でき、生産性にも優れるようにする。
【解決手段】半導体基板１２上に配置された発熱素子１４と、半導体基板１２上に積層され、発熱素子１４の周囲にインク液室１５を形成するためのバリア層１３と、バリア層１３上に接着され、発熱素子１４と対向するノズル１６ａが形成されたノズルシート１６とを備え、バリア層１３は、ノズルシート１６との接着領域におけるバリア層１３の輪郭から離れた範囲内に、それぞれ独立した輪郭を有する複数の窪み１３ａが設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギー発生素子により、液室内の液体をノズルから液滴として吐出する液体吐出ヘッド、液体吐出装置、及び液体吐出ヘッドの製造方法に係るものであり、詳しくは、ノズルが形成されたノズルシートの総合的な接着力を増大させることができるようにした技術に関するものである。

インクジェットプリンターに代表される液体吐出装置は、通常、エネルギー発生素子を配置した半導体基板上に液室を形成するためのバリア層が積層されたヘッドチップと、ノズルを多数配置したノズルシートとで構成される液体吐出ヘッド（以下、単に「ヘッド」という）を備えている。そして、エネルギー発生素子により、液室内の液体をノズルから液滴として吐出するようになっている。そのため、ヘッドには、ヘッドチップとノズルシートとが液体を介して存在する液室部分と、両者が一体化した密着部分とが存在することになるが、一般的に、ヘッドチップとノズルシートとは別体の部品として製造され、ヘッドの組立ての後工程で接着される。

図９は、このような従来のインクジェットプリンターにおけるヘッド４０を示す部分斜視図である。なお、図９では、説明の便宜のため、ヘッドチップ４１とノズルシート４６とを分解して図示するとともに、実際の使用状態と天地方向を逆転させてある。

図９に示すように、ヘッドチップ４１は、半導体基板４２とバリア層４３とで構成されている。すなわち、半導体基板４２上に、写真製版技術で形成された発熱素子４４（エネルギー発生素子）や、場合によってはその駆動回路（図示せず）等が用意され、発熱素子４４の周囲を除く半導体基板４２の上面に、インク液室４５や、インク（液体）が流れる流路を構築すると同時に、ノズルシート４６を接着するためのバリア層４３が同じく写真製版技術で積層されている。そして、バリア層４３の上面の接着領域に、発熱素子４４の配列に合わせて位置決めされたノズル４６ａを多数有するノズルシート４６が接着され、図９に示すサーマル方式のヘッド４０となる。

ここで、ノズルシート４６は、金属で作られるか、高分子フィルムで作られるのが一般的である。そして、一般的に、前者の場合にはニッケル電鋳が使われ、後者の場合にはポリイミド樹脂等が使われる。

このような材料からなるノズルシート４６をバリア層４３に接着すると、接着面の強度が十分取れないことが問題となる。すなわち、インクを吐出させる際の発熱素子４４の発熱により、バリア層４３とノズルシート４６との熱膨張率の差に起因して接着面にストレスが発生したり、インクの吐出時にインク液室４５に繰り返し大きな圧力変動が加えられたり、ノズルシート４６の吐出面（図９の上面）をワイパーやローラーで擦るクリーニング操作により、ノズルシート４６が繰り返し機械的な圧力を受けたりして接着力は徐々に低下するが、接着強度が不十分な場合には、ノズルシート４６がバリア層４３から剥がれるという問題を起こすことがある。

したがって、バリア層４３とノズルシート４６との接着面の強度は重要であり、強度不足を改善するには、一般的に、（１）バリア層４３に接着性の良い材料を使う。（２）接着時に両者の接着面の表面管理（汚れ、油脂被膜、酸化膜の除去等）を行って接着性を上げる。（３）接着時にバリア層４３の接着条件が良くなるような温度管理を行う。（４）両者の接着面の平坦性を十分に確保する。（５）接着時に両者の接着面に平均した適正な圧力が加えられるようにする等が有効な手だてとされている。

しかし、上記の（１）については、バリア層４３に使える材料は極めて限られており、材料選択の余地がほとんどない。また、（２）及び（３）は、従来から最適な管理が行われているところであり、さらなる改善の余地がほとんどない。そのため、構造面から改善できる可能性として、（４）及び（５）の方策が残されてはいるが、それでも現状では、下記のような問題がある。

第１に、接着面の平坦性であるが、通常の接着の場合には、流動性がある液状の接着剤が接着面に挟まれるので、平坦性に多少の問題があっても、接着の際に接着面を加圧した段階で接着剤の浸透や移動が起こる。その結果、接着面の平坦性が不完全であることによる隙間は、接着剤の厚みムラとして吸収されることになる。

ところが、バリア層４３とノズルシート４６との接着の場合には、このような通常の接着のメカニズムが機能しない。すなわち、半導体基板４２上に積層して形成されたバリア層４３は、適正な温度に加熱されることによって接着性を有するようになるが、その温度でも、バリア層４３の表面は多少の可撓性を持つだけであって、通常の接着剤のような流動性は持っていない。そのため、ノズルシート４６に圧力を加えても、接着面の平坦性が不完全であることによる隙間は、全く接着されないまま残ってしまう。

しかも、バリア層４３とノズルシート４６との接着面を一律に平坦にすることはできない。すなわち、インク液室４５やインクの流路が形成されている部分は、インクを流すための溝によって起伏があるのは当然であるが、それ以外の部分でも、半導体基板４２上における配線の交差、トランジスタや接続のための電極の存在に起因してバリア層４３の接着面にわずかな起伏が発生するので、全く平坦な状態にならない。そして、このようなわずかな凹凸が一定の範囲を超え、接着時にバリア層４３を加熱した際の表面の可撓性や、ノズルシート４６の撓み等で吸収しきれなくなると、接着強度のムラや接着不良が生ずることになる。

また、問題解決の一つの方法として、バリア層４３の厚みを厚くしてバリア層４３の可撓性を増すことが考えられるが、バリア層４３は、図９に示すように、インク液室４５の高さを決める要素にもなっているので、任意に厚みを選択できない。特に、昨今の高画質インクジェットプリンターで求められる液滴の微少化を図るには、ノズル４６ａの穴径を小さくし、その半分はバリア層４３の厚みが占めるインク液室４５の高さを低く設定しなくてはならないので、液滴の微少化を追求するには、バリア層４３を薄くする必要に迫られる。その結果、バリア層４３の可撓性がなくなるだけでなく、半導体基板４２上の段差がバリア層４３の表面に現れやすくなる。

第２に、接着面の加圧であるが、一般的に、接着過程にある部分は、できるだけ固定状態に保ち、かつ、接着が固化するまでは、一定の圧力がかかるように加圧することが求められる。その理由は、通常の接着では接着剤が液状なので、できるだけ細部にまで薄く均一に接着剤が行きわたるようにするためと、気泡等が巻き込まれても、圧力によって接着面から外部に気泡が押し出されるようにするためである。

ところが、上述したように、バリア層４３とノズルシート４６との接着は、液状の接着剤を塗布した場合の接着と異なるだけでなく、バリア層４３として使用できる材料自体にほとんど可撓性がないので、かなりの圧力を加えなければ、求められる強度の接着が得られない。一方、加える圧力が大きくなると、今度は、半導体基板４２及びバリア層４３の破壊や、ヘッド４０の特性面への悪影響が心配されるようになる。また、接着面の平坦性や表面状態等の他の条件によっては、圧力を大きくしても、十分な接着強度が得られないこともある。

このように、バリア層４３の素材選択、接着面の表面管理及び接着時の温度管理を適切に行ったとしても、接着面同士を如何に密着させるかが問題であり、接着面に接触しないものは接着できないのである。すなわち、接着は、接着面において、接着するものと接着されるものとが密着することが基本であり、しかも、相応の接着強度を得るためには、その密着した面が接着面全体のある程度以上を占めなければならない。

特に、大面積平面の接着は至難の業であり、接着時に、バリア層４３又はノズルシート４６の表面にわずかな凹凸があると、その部分に空気が閉じ込められるか、圧力が十分に加えられなくなる結果、密着不足によって接着が不完全になってしまう。そのため、バリア層４３の表面（接着面）の凹凸をできるだけ少なくするとともに、残った凹凸に対しては、ノズルシート４６を撓ませて密着させるか、何らかの方法でバリア層４３の凹凸を吸収するしか解決策はない。

そこで、このような接着の問題を解決するため、バリア層４３とノズルシート４６との間に可撓性のある薄いシート（可撓性シート）を挟み込み、ノズルシート４６がバリア層４３の接着面の凹凸に追従して撓むように加圧しながら接着する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許２６４５２７１号公報

しかしながら、上記の特許文献１の技術では、新たに可撓性シートが必要になるという問題がある。また、可撓性シート自体の品質管理や、可撓性シートを挟み込むための工程等が必要になるので、ヘッドの生産性が悪くなってしまう。そのため、昨今のインクジェットプリンターの低価格化の要求に応じることができない。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、破壊等の心配がない適切な範囲の圧力で必要な接着強度と接着の均一性が得られ、液滴の微少化による高画質化にも対応でき、生産性にも優れる液体吐出ヘッド、液体吐出装置、及び液体吐出ヘッドの製造方法を提供することである。

本発明は、以下の解決手段によって上述の課題を解決する。
本発明の１つである請求項１に記載の発明は、半導体基板上に配置されたエネルギー発生素子と、前記半導体基板上に積層され、前記エネルギー発生素子の周囲に液室を形成するためのバリア層と、前記バリア層上に接着され、前記エネルギー発生素子と対向するノズルが形成されたノズルシートとを備え、前記エネルギー発生素子により、前記液室内の液体を前記ノズルから液滴として吐出する液体吐出ヘッドであって、前記バリア層は、前記ノズルシートとの接着領域における前記バリア層の輪郭から離れた範囲内に、それぞれ独立した輪郭を有する複数の窪みが設けられていることを特徴とする。

また、本発明の他の１つである請求項１０に記載の発明は、バリア層ではなく、ノズルシートに窪みを設けたものである。すなわち、請求項１０に記載の発明は、半導体基板上に配置されたエネルギー発生素子と、前記半導体基板上に積層され、前記エネルギー発生素子の周囲に液室を形成するためのバリア層と、前記バリア層上に接着され、前記エネルギー発生素子と対向するノズルが形成されたノズルシートとを備え、前記エネルギー発生素子により、前記液室内の液体を前記ノズルから液滴として吐出する液体吐出ヘッドであって、前記ノズルシートは、前記バリア層との接着領域における前記バリア層の輪郭から離れた範囲内に、それぞれ独立した輪郭を有する複数の窪みが設けられていることを特徴とする。

さらに、本発明の他の１つである請求項１１に記載の発明は、バリア層に窪みを設けた液体吐出装置となっている。すなわち、請求項１１に記載の発明は、半導体基板上に配置されたエネルギー発生素子と、前記半導体基板上に積層され、前記エネルギー発生素子の周囲に液室を形成するためのバリア層と、前記バリア層上に接着され、前記エネルギー発生素子と対向するノズルが形成されたノズルシートとを備え、前記エネルギー発生素子により、前記液室内の液体を前記ノズルから液滴として吐出する液体吐出装置であって、前記バリア層は、前記ノズルシートとの接着領域における前記バリア層の輪郭から離れた範囲内に、それぞれ独立した輪郭を有する複数の窪みが設けられていることを特徴とする。

さらにまた、本発明の他の１つである請求項１２に記載の発明は、液体吐出ヘッドの製造方法に係るものである。すなわち、請求項１２に記載の発明は、半導体基板上に配置されたエネルギー発生素子と、前記半導体基板上に積層され、前記エネルギー発生素子の周囲に液室を形成するためのバリア層と、前記バリア層上に接着され、前記エネルギー発生素子と対向するノズルが形成されたノズルシートとを備え、前記エネルギー発生素子により、前記液室内の液体を前記ノズルから液滴として吐出する液体吐出ヘッドの製造方法であって、前記バリア層の前記ノズルシートとの接着領域における前記バリア層の輪郭から離れた範囲内に、それぞれ独立した輪郭を有する複数の窪みを設ける第１工程と、前記窪みを設けた前記バリア層に、液体吐出ヘッドの動作温度よりも高い温度で前記ノズルシートを接着する第２工程とを含むことを特徴とする。

上記の各発明においては、バリア層とノズルシートとを後工程で接着する構造の液体吐出ヘッド又は液体吐出装置において、液室に関係しないバリア層又はノズルシートの接着領域に、それぞれ独立した輪郭を有する複数の窪みが設けられている。この窪みは、接着領域の凹凸を軽減し、平坦性の向上に寄与するものであり、可撓性シート等を介在させなくても、バリア層とノズルシートとの密着性が良くなり、総合的な接着力を増大させることができる。

本発明の液体吐出ヘッド、液体吐出装置、及び液体吐出ヘッドの製造方法によれば、バリア層とノズルシートとの密着性が良くなるので、全体的な接着力が上がり、接着不良が減る。また、接着の均一性が上がり、部分的な接着不良が減る。その結果、液体の吐出の際の発熱、圧力変動、クリーニング操作による機械的な圧力等に基づく接着の劣化が抑えられ、ノズルシートの剥がれがなくなって耐久性が向上し、寿命が長くなる。

また、可撓性シート等を介在させることなく十分な接着強度を得ることができるので、生産性が向上し、接着のために加える圧力を従来以上に大きくする必要がないので、製造時の破壊の心配もない。さらにまた、バリア層の厚みを薄くしても十分な接着強度を得ることができるので、液室の高さを低くすることが可能になり、液滴の微少化による高画質化を図ることができる。

以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。
本発明における液体吐出ヘッドは、下記実施形態では、インクジェットプリンターのヘッド１０に相当する。また、下記実施形態において、ヘッド１０が吐出する液体はインクであり、インクを収容する液室がインク液室１５で、ノズル１６ａから吐出される微少量（例えば、数ピコリットル）のインクが液滴である。さらに、下記実施形態では、エネルギー発生素子として発熱素子１４を使用しており、この発熱素子１４は、半導体基板１２の一方の面に析出形成され、インク液室１５の一面（底壁部分）をも構成している。そして、本発明における液体吐出装置は、下記実施形態では、このようなヘッド１０を備えるサーマル方式のインクジェットプリンターである。

図１は、本実施形態のヘッド１０を示す部分斜視図である。なお、図１では、説明の便宜のため、ヘッドチップ１１とノズルシート１６とを分解して図示するとともに、実際の使用状態と天地方向を逆転させてある。
また、図２は、本実施形態のヘッド１０におけるバリア層１３の表面（接着領域）を示す部分平面図である。

図１に示すように、本実施形態のヘッド１０は、ヘッドチップ１１とノズルシート１６とによって構成されている。すなわち、発熱素子１４を配した半導体基板１２と、インク液室１５を形成するためのバリア層１３とによってヘッドチップ１１が構成され、バリア層１３の表面（接着領域）に、ノズル１６ａが形成されたノズルシート１６を接着するようになっている。

ここで、半導体基板１２は、シリコンの基板であり、図１に示すように、複数の発熱素子１４を備えている。この発熱素子１４は、半導体基板１２の一方の面（図１では上面）に析出形成されたものであり、幅よりも長さが大きい２つの部分からなっている。なお、この分割された発熱素子１４の２つの部分は、半導体基板１２に形成された配線及び電極（図示せず）を介して、それぞれ外部回路と電気的に接続されている。

また、バリア層１３は、半導体基板１２の発熱素子１４側（図１では上側）に、感光性環化ゴムレジストを１０μｍ超の厚みで積層して形成したものである。そして、バリア層１３は、複数の発熱素子１４をそれぞれ区分けするとともに、各発熱素子１４とノズルシート１６との間隔を保持する。そのため、半導体基板１２及び各発熱素子１４と、バリア層１３と、ノズルシート１６とによって各インク液室１５が形成され、半導体基板１２及び各発熱素子１４がインク液室１５の天壁を構成し、バリア層１３がインク液室１５の３つの側壁を構成し、ノズルシート１６がインク液室１５の底壁を構成することになる。

さらに、ノズルシート１６は、１３μｍ厚のニッケル電鋳からなるもので、各発熱素子１４と対向する複数のノズル１６ａが形成されている。そして、ノズルシート１６は、各ノズル１６ａの位置と各発熱素子１４の位置とが合うように精密に位置決めし、１．６ｍｍ×１６ｍｍのヘッドチップ１１を１３０℃に加熱した状態で、１０〜１５ｋｇ（単位面積当たりでは、０．３９〜０．５９ｋｇ／ｍｍ^２ ）の圧力を加えてバリア層１３の表面（接着領域）に接着する。

この接着工程は、次のようにして行われる。すなわち、加熱したヘッドマウント用定盤の上に、セラミックのフレームに貼られたノズルシート１６が置かれており、そのノズル１６ａの位置に合わせて、予め加熱されたバリア層１３を表面に積層した半導体基板１２（ヘッドチップ１１）を置く。そして、ヘッドチップ１１の背面から定盤に向けて圧力を加え、一定時間保持する。したがって、接着工程は、図１の上下を逆さまにした順序で行われ、大面積のノズルシート１６に、多数のヘッドチップ１１が印画紙（図示せず）の幅方向に並べて接着され、印画幅分のラインヘッドを形成したライン方式のヘッド１０となる。

このようなヘッド１０を備えるインクジェットプリンターで印画を行うには、図１中の右下方向の開口領域を通じて、各インク液室１５にインクタンク（図示せず）内のインクを供給する。そして、印画指令に基づき、発熱素子１４の２つの部分に短時間（例えば、１〜３μｓｅｃ）のパルス電流を流し、発熱素子１４を急速に加熱する。すると、発熱素子１４と接する部分にインクの気泡が発生し、その気泡の膨張によってある体積のインクが押しのけられる。その結果、これが吐出圧力になり、押しのけられたインクと同等の体積のインクがノズル１６ａから液滴として吐出され、印画紙（図示せず）上に着弾して文字や画像等を形成する。なお、各発熱素子１４が２つの部分からなるのは、インクの偏向吐出を可能にするためである。

このように、インクを吐出させるには発熱素子１４を発熱させる必要があるが、この発熱は、バリア層１３とノズルシート１６との接着面に、両者の熱膨張率の差に起因するストレスを発生させる。また、インクの吐出時には、インク液室１５に繰り返し大きな圧力変動が加えられることになる。さらに、クリーニング操作のために、ノズルシート１６の吐出面（図１では上面）をワイパーやローラーで擦ると、ノズルシート１６が繰り返し機械的な圧力を受ける。

したがって、バリア層１３とノズルシート１６との接着強度が不十分であると、ノズルシート１６がバリア層１３から剥がれるという問題を起こすことがある。そのため、十分な接着強度を確保すべく、圧力を加えてバリア層１３とノズルシート１６とを密着させる必要がある。

ところが、シリコンの半導体基板１２は、原理的にほとんど撓みが期待できないので、圧力を加えても半導体基板１２の撓みは事実上ないに等しい。また、バリア層１３は、全体の厚さが１０μｍ程度のものなので、ほとんど撓まない。そのため、バリア層１３の表面（接着領域）の平坦性がほんのわずかでも損なわれていれば圧力分布が不均一になり、局部的な凹凸が０．数μｍあれば、その部分が空隙となって気泡が閉じ込められることになる。特に、ヘッドチップ１１に対して相対的に大面積のノズルシート１６を接着させる場合には、接着領域に空隙が存在する可能性が大きくなるので、完全な接着は難しい。

このような問題を解決し、バリア層１３とノズルシート１６とを接着する（密着させる）には、接着領域全ての均等な物理的接着を目指すのでなく、逆に、一定の割合で接着しない空隙として残る部分を積極的に設け、それによって凸部を減らし、空隙以外の部分が全て確実に接着するようにすれば良い。そのため、本実施形態のヘッド１０では、図１及び図２に示すように、バリア層１３にそれぞれ独立した輪郭を有する複数の窪み１３ａを設けている。
そこで以下、バリア層１３における窪み１３ａについて詳細に説明する。

図１に示すように、バリア層１３は、インク液室１５の側壁を構成し、バリア層１３の厚み（通常は８〜１１μｍ程度、本実施形態では１０μｍ程度）は、インク液室１５の高さを決める。そして、一般的に、インク液室１５やインクの流路以外の部分は、バリア層１３の表面（接着領域）が連続平面になっており、例外的に、必要に応じて散発的な穴（例えば、電極部分を露出させるための穴）が設けられるだけである。このように、通常は連続平面になっているバリア層１３の表面（接着領域）に複数の窪み１３ａを設けると、実効的な接着面積が減少する。

しかしながら、窪み１３ａを設けることにより、次に挙げるような利点が生まれる。すなわち、（１）窪み１３ａの部分は、ノズルシート１６に接触しないので、少なくともこの部分に存在する可能性のあった凸部がなくなり、ノズルシート１６の接着時の加圧によって他の部分が密着する確率が高くなる。（２）接着時に一定の圧力をかけておけば、接触面積が減る分だけ接触圧が増大する。（３）接触圧が増大すれば、バリア層１３が同じ厚みであっても、より大きな撓みが生じて接着領域の密着度が上がる。（４）インク液室１５やインクの流路になっている部分の表面と、それ以外の表面との接着条件の差が少なくなり、ヘッドチップ１１全体での接着条件が接近する。（５）各窪み１３ａは、それぞれ独立しているので、インク液室１５やインクの流路に隣接している窪み１３ａの隔壁が万一不良で、一つの窪み１３ａにインクが漏れたとしても、他の窪み１３ａに連続してインクが流れ込むことはない。（６）ノズルシート１６の接着をヘッド製造工程の最高温度で行い、接着後の全ての製造行程や使用段階における温度よりも高い温度にしておけば、各窪み１３ａ内に閉じ込められた空気の体積が減少する結果、ノズルシート１６が真空で引かれる。そのため、接着力に加えて負圧が作用し、総合的な接着力が増大する。

このように、バリア層１３にそれぞれ独立した輪郭を有する複数の窪み１３ａを設けることにより、バリア層１３とノズルシート１６との接着が極めて強固かつ確実になる。そして、この窪み１３ａがインク液室１５やインクの流路と重ならないように、窪み１３ａは、バリア層１３の表面（接着領域）におけるバリア層１３の輪郭から離れた範囲内に設ける。

ところで、各窪み１３ａは、空所として機能すれば良いので、原理的には凹部になっていれば何でも良い。しかし、窪み１３ａの形状は、加工方法等の問題で現実には実現不可能なものと、加工の問題はなく実現できるが、期待される機能を十分に発揮できないものとがある。

図１及び図２に示す本実施形態のヘッド１０では、このようなことを考慮して、各窪み１３ａの形状を、バリア層１３におけるノズルシート１６との接着面から半導体基板１２に対する積層面までの貫通孔にしている。そのため、加工が簡単であるばかりでなく、半導体基板１２とノズルシート１６とが各窪み１３ａを介して真空で引き合うので、ヘッド１０全体での総合的な接着力が大きくなる。

また、各窪み１３ａの輪郭が内側に凹む形状（例えば、アステロイド曲線で構成された形状等）や、三角形等の直線のみで構成される形状であると、形状に数学的な不連続点（図形の頂点）が存在することになり、窪み１３ａ内に残留する空気が温度降下で負圧（大気に対して２０〜３０％の減圧）になる際に、不連続点付近にかかる応力が極度に大きくなって接着強度が不均一になることが考えられる。そのため、図１及び図２に示す本実施形態のヘッド１０では、各窪み１３ａを円形にしている。

なお、各窪み１３ａの形状は円形に限らず、窪み１３ａに期待される機能が発揮できる形状であれば何でも良いが、円形の他、楕円形等、内側から見た輪郭が正の曲率を持った曲線の組合せで構成するか、長円やコーナーに丸みを持たせた多角形等、内側から見た輪郭が正の曲率を持った曲線と直線との組合せで構成するか、五角形以上の多角形等、内側から見た輪郭が全ての頂角を鈍角とする多角形で構成することが好ましい。これらの形状であれば、窪み１３ａ内が負圧になった際に、頂点付近に集中する歪みが広い範囲に分散されるからである。

さらに、図１及び図２に示す本実施形態のヘッド１０では、各窪み１３ａの輪郭形状及び容積を全て同一にしている。そのため、バリア層１３の表面（接着領域）において、接着条件が均一になっている。なお、同一には、窪み１３ａの加工上の誤差、製造段階での様々な外乱による多少の誤差や歪み等を含んでいる。

次に、各窪み１３ａの配列であるが、図２に示すように、一定間隔Ｑの仮想的な平行線（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）上に、外接円の半径がＲの窪み１３ａを一定間隔Ｐで配列したとする。このとき、各窪み１３ａがそれぞれ独立した輪郭を有し、重ならないようにするためには、Ｐ＞２Ｒの関係を満たす必要がある。

また、各窪み１３ａ間の距離をできるだけ均一に保ち、接着の均一性を上げるため、図１及び図２に示す本実施形態のヘッド１０では、各窪み１３ａの中心が正三角形の頂点に位置するように配列している。ただし、正三角形に限らず、Ｐ≧Ｑ≧（（√３）／２）Ｐの関係を満たすように各窪み１３ａを配列すれば、ほぼ均一な接着強度を得ることができる。

図３は、各窪み１３ａの大きさ及び配列と接着面積率Λとの関係を説明するための平面図である。
上述したように、本実施形態のヘッド１０は、バリア層１３に複数の窪み１３ａを設けることによってバリア層１３の表面（接着領域）の凸部を減らし、各窪み１３ａ以外の部分が全て確実に接着するようにしたものである。

しかしながら、各窪み１３ａを過剰に大きくしてしまうと、実際に接着に関与する面積が大幅に減少し、良好な接着強度が得られなくなる。そこで、バリア層１３におけるノズルシート１６との接着領域（インク液室１５やインクの流路が占める部分を除いた領域）の面積をＡとし、各窪み１３ａの外接円の面積の総和をａとして、接着面積率Λ（＝（Ａ−ａ）／Ａ）を定義することにより、各窪み１３ａの大きさを規定する。

仮に一つの窪み１３ａにインクが漏れたとしても、他の窪み１３ａに連続してインクが流れ込まないようにするには、図３（Ａ）に示すように、各窪み１３ａの輪郭を非接触にし、隣接している窪み１３ａの間に隔壁を設けなければならない（直交配列／非接触）。そのため、各窪み１３ａの大きさは、その輪郭の接触までが限界になり、図３（Ｂ）では直交配列の限界（直交配列／接触）を示し、図３（Ｃ）では六方格子配列の限界（六方格子配列／接触）を示している。

ここで、接着面積率Λは、Λ＝（Ａ−ａ）／Ａ＝１−πＲ^２ ／（Ｐ×Ｑ）であり、図３（Ｂ）に示す直交配列の場合は、Ｐ（＝Ｐ２）＝Ｑ＝２×（Ｒ（＝Ｒ２））であるから、Λ＝２１．５％になる。一方、図３（Ｃ）に示す六方格子配列の場合の接着面積率Λは、Ｐ（＝Ｐ３）＝２×（Ｒ（＝Ｒ３）），Ｑ＝（√３）×Ｒ３の場合であるから、Λ＝９．３％になる。そのため、配列にかかわらず、各窪み１３ａの輪郭を非接触（各窪み１３ａの隔壁幅＞０μｍ）にするには、Λ＞２１．５％でなければならない。そして、安全を考慮すると各窪み１３ａの最少隔壁幅は１０μｍ程度必要なことから、実用上、Λ＞４０％になる。

また、窪み１３ａを存在させるには、Λ＜１００％でなければならない。そして、窪み１３ａを設けたことの効果が確認できるのは、実験上、Λ＜９０％である。したがって、接着面積率Λは、９０％＞Λ＞４０％であることが好ましい。
そこで次に、円形の窪み１３ａで、接着面積率Λを変えた実施例について説明する。

図４は、接着面積率Λを変えた実施例１のヘッド１０ａ及び実施例２のヘッド１０ｂを示す部分平面図である。
また、図５は、実施例１のヘッド１０ａ及び実施例２のヘッド１０ｂの仕様及び製造条件を示す表である。なお、図５では、比較のために従来例も一緒に示している。

図４に示すように、実施例１のヘッド１０ａ及び実施例２のヘッド１０ｂでは、円形の各窪み１３ａの配列を少し縦長の蜂の巣状の配列（六方格子配列）としている。その理由は、ノズル１６ａ（図１参照）を、図４の横方向で６００ＤＰＩ（４２．３μｍ）、縦方向で３００ＤＰＩ（８４．６μｍ）の間隔の千鳥配列としたので、その配列と一致させたからである。そして、図５（Ａ）に示すように、実施例１のヘッド１０ａでは、接着面積率Λを８２％（窪み１３ａの穴径（＝２Ｒ）を４０μｍ）とし、実施例２のヘッド１０ｂでは、接着面積率Λを６０％（窪み１３ａの穴径（＝２Ｒ）を６０μｍ）としている。なお、図５（Ａ）中のチップサイズとは、ヘッドチップ１１（図１参照）のサイズであり、接着面積とは、インク液室１５（図１参照）やインクの流路を除いた接着領域の面積であり、最少隔壁幅とは、各窪み１３ａ間を仕切る隔壁の厚みの最小値（Ｐ−２Ｒ）を意味している。

このように、接着面積率Λを８２％及び６０％にしたのは、主として次のような理由による。すなわち、インク液室１５やインクの流路付近の接着面積率Λは、おおよそ４０％程度（図４に示すヘッド１０ａ及びヘッド１０ｂで約４２％）である。そのため、全面的に同じ数値にすれば接着条件が均一になる。しかし、以下の理由もあって少し高めに設定した。

バリア層１３に配置する各窪み１３ａは、半導体基板１２に感光性環化ゴムレジストを積層した後、インク液室１５やインクの流路とともに、現像処理によって形成される。この際、インク液室１５やインクの流路は、相互につながっていてレジスト残り（レジストが除去されずに残留してしまうこと）の生じる危険性が少ないのに比べ、各窪み１３ａはそれぞれ独立しているので、レジスト残りが発生する懸念がある。そして、レジスト残りを発生させずに安全に窪み１３ａを形成できる限界の穴径（＝２Ｒ）は、３０μｍ程度である。そのため、実施例１のヘッド１０ａでは、余裕を加えて窪み１３ａの穴径（＝２Ｒ）を４０μｍにし、各窪み１３ａの間隔を８４．６μｍ（３００ＤＰＩ相当）にして、接着面積率Λを８２％にした。なお、この場合の最少隔壁幅は、４２．４μｍになる。

一方、感光性環化ゴムレジストからなるバリア層１３の強度を考えると、六方格子配列で規則的に配列される各窪み１３ａの隔壁が十分な信頼性を有するには、２０μｍ程度が必要である。そのため、実施例２のヘッド１０ｂでは、余裕を加えて各窪み１３ａの最少隔壁幅を２２．４μｍにすることで、接着面積率Λを６０％にした。

また、実施例１のヘッド１０ａ及び実施例２のヘッド１０ｂの製造条件は、図５（Ｂ）に示す通りである。すなわち、工程（１）で、所定の温度、加圧量、時間でノズルシート１６とフレーム（強度部材）とを接着する。続いて、工程（２）で、ヘッドチップ１１とノズルシート１６とを接着する。そして、工程（３）で、バリア層１３を硬化させる。なお、従来例、実施例１及び実施例２は、全て同じサイズ、材料のものを使用し、同じ製造条件としている。

このように、各工程（１）〜（３）で所定の温度がかけられるが、窪み１３ａを設けたバリア層１３とノズルシート１６との接着の工程（２）は、ヘッド１０ａ（１０ｂ）の動作温度よりも十分高い温度に設定している。すなわち、動作温度は６５℃程度（一般的な最高室温＋内部発熱による温度上昇分の２０℃）であるが、工程（２）は１４０±５℃である。その理由は、各窪み１３ａに生じる負圧を利用するためである。

図６は、各窪み１３ａに生じる負圧の作用を説明するための断面図である。
バリア層１３とノズルシート１６との接着の工程（２）では、各窪み１３ａ内に高温（Ｔｍ）で空気が閉じ込められるが、一旦閉じ込められた空気は、漏れがない限り温度変化とともに圧力変化を起こす。そして、ヘッド１０ａ（１０ｂ）の動作温度（Ｔｎ）と比べてＴｍ＞Ｔｎであれば、各窪み１３ａ内の空気の圧力が下がるので、図６の矢印で示すように、各窪み１３ａに接している半導体基板１２とノズルシート１６とが負圧によって引き合うようになる。すると、負圧による力が接着力に加算され、総合的な接着力が増大する。なお、未だ接着が完了していない段階から温度が下がり始めれば、負圧による吸引力が働くので、接着に必要な圧力（加圧）に加えて、各窪み１３ａの周囲で負圧が有効に働き、接着強度を均等にする方向に作用する。

このような仕様及び製造条件で製造された実施例１のヘッド１０ａ及び実施例２のヘッド１０ｂを目視観測で調べた結果、ノズルシート１６の吐出面（図１の上面）にバリア層１３の輪郭が明確な陰影として確認でき、接着が隅々まできちんと行われていることが分かった。

図７は、実施例１のヘッド１０ａ及び実施例２のヘッド１０ｂにおける接着強度の確認実験の結果を示すグラフである。なお、比較のために従来例も一緒に示している。
接着強度の確認実験は、６４個のヘッドチップ１１（図１参照）を備える４色のライン方式のインクジェットプリンターを、窪み１３ａのない従来例（従来例１及び従来例２）と、図４及び図５に示す実施例１及び実施例２の各構造で製造し、６４個中８個のヘッドチップ１１をランダムに選び出して行った。

図７（Ａ）は、ヘッドチップ１１に対するノズルシート１６の垂直剥離試験の結果を示すグラフであり、中央の点は得られた剥離力の平均値を示し、その点を通る縦の線分の長さはバラツキの範囲を示し、線分の両端はそれぞれのバラツキの最大値と最小値を示している。また、図７（Ｂ）は、接着面積率Λを考慮した場合のグラフである。

図７（Ａ）に示すように、実施例１及び実施例２では、従来例１及び従来例２に比べて剥離力のバラツキが非常に小さく、ほぼ均一になっている。また、実施例１の接着面積率Λは８２％であり、実施例２の接着面積率Λは６０％であるが、剥離力の平均値を見ても従来例１及び従来例２（接着面積率Λは１００％）に比べて減少した接着面積率ほどには低下していない。

また、図７（Ｂ）に示すように、接着面積率Λの差を考慮すると、実施例１及び実施例２は、密着力が従来例１及び従来例２を上回っている。特に、実施例２では、接着面積率Λが最も低いにもかかわらず接着が最も確実になされていることを裏付けるものであり、窪み１３ａの有効性を実証するものとなっている。

このように、本実施形態のヘッド１０（実施例１のヘッド１０ａ及び実施例２のヘッド１０ｂ）は、バリア層１３のノズルシート１６との接着領域におけるバリア層１３の輪郭から離れた範囲内に、それぞれ独立した輪郭を有する複数の窪み１３ａを設けたので、バリア層１３の表面（接着領域）の平坦性（凹凸）の影響を減らすことができる。同時に、接着直後のバリア層１３の硬化段階で、周囲の温度が低下するにつれて各窪み１３ａに残留する空気の圧力が減り、各窪み１３ａ内に負圧が発生してノズルシート１６が吸引される結果、バリア層１３とノズルシート１６との密着性が上がり、総合的な接着力が増大する。

なお、ノズルシート１６には、ヘッドチップ１１（図１参照）の他にダミーチップ（図示せず）も接着されてヘッド１０（１０ａ，１０ｂ）になるが、ヘッドチップ１１のバリア層１３だけでなく、ダミーチップのノズルシート１６との接着領域にも同様の窪みを設けることが好ましい。

また、ノズルシート１６は、バリア層１３の少なくとも一部の窪み１３ａ上に貫通孔を設けるようにすることもできる。貫通孔により、その窪み１３ａでは負圧の効果が得られなくなるが、接着時に圧力が加わった際に、貫通孔を経由して窪み１３ａ内の空気が外部に抜けるので、より大きな加圧ができるようになり、接着強度の向上が期待できる。この貫通孔は、特に、インク液室１５及びインクの流路の両脇等に限定して設けることが好ましい。

図８は、他の実施形態のヘッド２０及びヘッド３０を示す断面図である。
図１に示す実施形態のヘッド１０では、図６に示すように、各窪み１３ａを、バリア層１３におけるノズルシート１６との接着面から半導体基板１２に対する積層面までの貫通孔にしているが、図８（Ａ）に示す実施形態のヘッド２０は、各窪み２３ａを凹部にしている。また、図８（Ｂ）に示す実施形態のヘッド３０は、バリア層３３に窪みを設けるのではなく、ノズルシート３６にそれぞれ独立した輪郭を有する複数の窪み３６ａ（凹部）を設けている。なお、ノズルシート３６の各窪み３６ａは、バリア層３３との接着領域におけるバリア層３３の輪郭から離れた範囲内に設けられている。

図８（Ａ）に示す実施形態のヘッド２０も、図６に示す実施形態のヘッド１０と同様、バリア層２３の表面（接着領域）の平坦性（凹凸）の影響を減らすことができるので、ノズルシート２６の接着強度が均一に大きくなる。また、バリア層２３の硬化段階で各窪み２３ａ内に負圧が発生し、ノズルシート２６が吸引されるので、バリア層２３とノズルシート２６との密着性が上がり、総合的な接着力が増大する。

さらに、図８（Ｂ）に示す実施形態のヘッド３０は、バリア層３３の表面（接着領域）の凸部をノズルシート３６の窪み３６ａが吸収し、バリア層３３とノズルシート３６との接着領域の密着性を向上させるので、接着強度が均一に大きくなる。また、バリア層３３の硬化段階でノズルシート３６の各窪み３６ａ内に負圧が発生し、バリア層３３が吸引されるので、バリア層３３とノズルシート３６との総合的な接着力が増大する。

以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明は、上記の各実施形態に限定されることなく、例えば、以下のような種々の変形等が可能である。すなわち、
（１）上記の各実施形態は、インクジェットプリンターに用いるヘッド１０（１０ａ，１０ｂ）、２０、３０を例としているが、液体吐出ヘッドは、これに限られるものではない。例えば、インクに限らず、各種の液体を吐出する液体吐出ヘッドに適用することができる。

（２）上記の各実施形態では、多数のヘッドチップ１１を印画紙の幅方向に並べて配置し、印画幅分のラインヘッドを形成したライン方式のインクジェットプリンターとしているが、ヘッドを印画紙の幅方向に移動させて印画を行うシリアル方式のインクジェットプリンターにも適用可能である。

（３）上記の各実施形態は、エネルギー発生素子として発熱素子１４を用いたサーマル方式を例としているが、静電気力と振動板の弾性力とを利用して液滴を吐出させる静電吐出方式にも適用可能である。また、圧電効果によって振動板を変形させて液滴を吐出させるピエゾ方式にも適用可能である。

（４）上記の各実施形態では、ヘッドチップ１１の端面にインク液室１５やインクの流路を形成しているが、この配置にこだわる必要はない。例えば、インク液室１５やインクの流路は、ヘッドチップの中央等に配置されていても良い。

本発明の液体吐出ヘッドは、インクジェットプリンターに適用して特に好適なものであるが、液体の吐出対象は印画紙に限ることなく、例えば、染め物に対して染料を吐出する液体吐出ヘッド等に適用することもできる。
また、本発明の液体吐出装置は、インクジェットプリンターだけでなく、種々の液体吐出装置に適用でき、例えば、生体試料を検出するためのＤＮＡ含有溶液を吐出する液体吐出装置等に適用することも可能である。

実施形態のヘッドを示す部分斜視図である。 実施形態のヘッドにおけるバリア層の表面（接着領域）を示す部分平面図である。 各窪みの大きさ及び配列と接着面積率Λとの関係を説明するための平面図である。 接着面積率Λを変えた実施例のヘッドを示す部分平面図である。 実施例のヘッドの仕様及び製造条件を示す表である。 各窪みに生じる負圧の作用を説明するための断面図である。 実施例のヘッドにおける接着強度の確認実験の結果を示すグラフである。 他の実施形態のヘッドを示す断面図である。 従来のヘッドを示す部分斜視図である。

符号の説明

１０，１０ａ，１０ｂ ヘッド（液体吐出ヘッド）
１１ ヘッドチップ
１２ 半導体基板
１３ バリア層
１３ａ 窪み
１４ 発熱素子（エネルギー発生素子）
１５ インク液室（液室）
１６ ノズルシート
１６ａ ノズル
２０ ヘッド
３０ ヘッド
４０ ヘッド
４１ ヘッドチップ
４２ 半導体基板
４３ バリア層
４４ 発熱素子（エネルギー発生素子）
４５ インク液室（液室）
４６ ノズルシート
４６ａ ノズル

Claims (12)

1. 半導体基板上に配置されたエネルギー発生素子と、
   前記半導体基板上に積層され、前記エネルギー発生素子の周囲に液室を形成するためのバリア層と、
   前記バリア層上に接着され、前記エネルギー発生素子と対向するノズルが形成されたノズルシートと
   を備え、
   前記エネルギー発生素子により、前記液室内の液体を前記ノズルから液滴として吐出する液体吐出ヘッドであって、
   前記バリア層は、前記ノズルシートとの接着領域における前記バリア層の輪郭から離れた範囲内に、それぞれ独立した輪郭を有する複数の窪みが設けられている
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
   前記バリア層の各前記窪みは、前記バリア層における前記ノズルシートとの接着面から前記半導体基板に対する積層面までの貫通孔である
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
3. 請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
   前記バリア層の各前記窪みは、内側から見た輪郭が正の曲率を持った曲線の組合せから構成されている
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
4. 請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
   前記バリア層の各前記窪みは、内側から見た輪郭が正の曲率を持った曲線と直線との組合せから構成されている
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
5. 請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
   前記バリア層の各前記窪みは、内側から見た輪郭が全ての頂角を鈍角とする多角形から構成されている
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
6. 請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
   前記バリア層の各前記窪みは、輪郭形状及び容積が全て同一である
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
7. 請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
   前記バリア層の各前記窪みは、一定間隔Ｑの仮想的な平行線上に、外接円の半径がＲの前記窪みを一定間隔Ｐで配列したとき、Ｐ≧Ｑ≧（（√３）／２）Ｐ、かつ、Ｐ＞２Ｒの関係を満たす
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
8. 請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
   前記バリア層における前記ノズルシートとの接着領域の面積をＡとし、各前記窪みの外接円の面積の総和をａとしたときの接着面積率Λ（＝（Ａ−ａ）／Ａ）は、９０％＞Λ＞４０％である
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
9. 請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
   前記ノズルシートは、前記バリア層の少なくとも一部の前記窪み上に貫通孔が設けられている
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
10. 半導体基板上に配置されたエネルギー発生素子と、
    前記半導体基板上に積層され、前記エネルギー発生素子の周囲に液室を形成するためのバリア層と、
    前記バリア層上に接着され、前記エネルギー発生素子と対向するノズルが形成されたノズルシートと
    を備え、
    前記エネルギー発生素子により、前記液室内の液体を前記ノズルから液滴として吐出する液体吐出ヘッドであって、
    前記ノズルシートは、前記バリア層との接着領域における前記バリア層の輪郭から離れた範囲内に、それぞれ独立した輪郭を有する複数の窪みが設けられている
    ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
11. 半導体基板上に配置されたエネルギー発生素子と、
    前記半導体基板上に積層され、前記エネルギー発生素子の周囲に液室を形成するためのバリア層と、
    前記バリア層上に接着され、前記エネルギー発生素子と対向するノズルが形成されたノズルシートと
    を備え、
    前記エネルギー発生素子により、前記液室内の液体を前記ノズルから液滴として吐出する液体吐出装置であって、
    前記バリア層は、前記ノズルシートとの接着領域における前記バリア層の輪郭から離れた範囲内に、それぞれ独立した輪郭を有する複数の窪みが設けられている
    ことを特徴とする液体吐出装置。
12. 半導体基板上に配置されたエネルギー発生素子と、
    前記半導体基板上に積層され、前記エネルギー発生素子の周囲に液室を形成するためのバリア層と、
    前記バリア層上に接着され、前記エネルギー発生素子と対向するノズルが形成されたノズルシートと
    を備え、
    前記エネルギー発生素子により、前記液室内の液体を前記ノズルから液滴として吐出する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
    前記バリア層の前記ノズルシートとの接着領域における前記バリア層の輪郭から離れた範囲内に、それぞれ独立した輪郭を有する複数の窪みを設ける第１工程と、
    前記窪みを設けた前記バリア層に、液体吐出ヘッドの動作温度よりも高い温度で前記ノズルシートを接着する第２工程と
    を含むことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。

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