JP2015217543A - 記録ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 基板の変形を簡易な方法で抑制した記録ヘッドを提供すること。【解決手段】 基板と、流路を形成する流路形成部材とを有する記録ヘッドであって、前記基板には基板を貫通する供給口が形成されており、前記流路と前記供給口とは連通しており、前記供給口の内部に、前記供給口を形成し前記供給口を挟んで対向する２つの面をつなぐ、有機材料で形成された部材が形成されていることを特徴とする記録ヘッド。【選択図】 図５

Description

本発明は、供給口が形成された基板を有する記録ヘッドに関する。

インクジェットプリンタに代表される記録装置は、記録ヘッドを有する。記録ヘッドは、液体等を吐出する部分であり、基板と、流路を形成する流路形成部材とを有する。基板には、基板を貫通する供給口が形成されている。

従来、このような記録ヘッドには、基板の変形という課題があった。例えば、基板の周囲が封止材で封止されている場合には、封止材が収縮することによって基板が変形することがある。基板の変形は、このような封止材によるものに限らず、周囲の様々な環境変化によって起こる。特に、基板が長尺化するにつれて、基板の変形は発生しやすくなる傾向にあった。基板が変形すると、基板上に流路形成部材が形成されていた場合には流路形成部材が変形したり、流路形成部材が基板から剥がれたりする場合がある。その結果、流路が変形することになるので、記録精度が低くなる場合がある。

このような課題を解決する方法として、基板の大きさを大きくすることで、基板の剛性を増すことが考えられる。

また、他の解決方法として、特許文献１には、基板の供給口の内部に、基板の一部であるシリコンで形成された梁構造を設けることが記載されている。

特開２００６−３５８５４号公報

上述のように、基板を大きくしていくと、基板の剛性は向上する。しかし、その分だけコストが高くなる。基板は、ウエハ上に流路形成部材等を形成し、これをダイシング等により切り出すことで製造される。即ち、基板が大きくなるにつれて、１枚のウエハから切り出せる基板の数が少なくなる。

一方、特許文献１に記載の、供給口の内部にシリコンで形成される梁構造を形成する方法は、基板の大きさを変えなくても剛性を向上させることができる。但し、吐出口や供給口を形成するのと同時に基板の一部を梁構造として残すので、その製造プロセスは複雑であり、やはりコストが高くなる傾向にある。

本発明は、このような課題を鑑み、基板の変形を簡易な方法で抑制した記録ヘッドを提供することを目的とする。

上記課題は、以下の本発明によって解決される。即ち本発明は、基板と、流路を形成する流路形成部材とを有する記録ヘッドであって、前記基板には基板を貫通する供給口が形成されており、前記流路と前記供給口とは連通しており、前記供給口の内部に、前記供給口を形成し前記供給口を挟んで対向する２つの面をつなぐ、有機材料で形成された部材が形成されていることを特徴とする記録ヘッドである。

本発明によれば、基板の変形を簡易な方法で抑制した記録ヘッドを提供することができる。

記録ヘッドの斜視図である。 チップの斜視図である。 記録ヘッドの斜視図及び断面図である。 記録ヘッドの断面図である。 記録ヘッドの斜視図及び断面図である。 記録ヘッドの断面図である。 記録ヘッドの斜視図及び断面図である。 記録ヘッドの断面図である。 記録ヘッドの斜視図及び断面図である。 記録ヘッドの断面図である。 記録ヘッドの製造過程を示す図である。 記録ヘッドの製造過程を示す図である。 記録ヘッドの製造過程を示す図である。

図１は、本発明の記録ヘッド１００の構成を示す斜視図である。記録ヘッド１００に搭載されるチップ１０１は電気配線テープ１０２に接合されており、電気配線テープ１０２を介してキャリッジと電気的に接触することで、圧力発生素子１０６へ電気信号が送られて記録動作が行われる。チップ１０１の電気配線テープ１０２の電気接合部は、封止材１０３により被覆保護されている。

図２は、本発明の記録ヘッド１００が有するチップ１０１の模式図である。チップ１０１は、基板１０４と流路形成部材１０５で構成される。流路形成部材１０５は、記録材料の流路を形成する。記録材料としては、インク等が挙げられる。以下、記録材料としてインクを用いた例で説明する。流路形成部材１０５は、樹脂や無機材料で形成される。樹脂としては、感光性樹脂が好ましく、特にネガ型感光性樹脂が好ましい。無機材料としては、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ等が挙げられる。流路形成部材１０５は、吐出口形成部材としても用いることができる。図２では、流路形成部材１０５に吐出口１０９が形成されている。

基板１０４は、例えばシリコンで形成されており、シリコンウェハから分離されて形成される。基板１０４には、インクを吐出させる為の圧力発生素子１０６や、圧力発生素子１０６に電気信号を送る為のＡｌ等からなる電気配線（不図示）、電気配線に電力を供給する為の電気信号入力端子１０７等が形成されている。また、基板１０４には、圧力発生素子１０６近傍にインクを供給する為の供給口１０８が形成されている。供給口１０８は、基板１０４を貫通している。図２において、チップを供給口１０８が基板１０４を貫通する方向の上方からみると、供給口１０８は長方形の形状をしている。インクは、供給口１０８から流路形成部材１０５内の流路に供給され、圧力発生素子１０６によってエネルギーを与えられ、吐出口１０９から吐出される。基板１０４が有する電気信号入力端子１０７の表面には、Ａｕ等からなる層がメッキ等で形成されている。そして、チップ１０１と電気配線テープ１０２が電気信号入力端子１０７を介して接合されている。

図３（ａ）は、一般的な記録ヘッド１００の構成を示す斜視図である。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）の記録ヘッド１００のチップ１０１におけるＡ−Ａ’線上の断面図である。図３（ｂ）に示すように、チップ１０１は支持部材１１０の凹部に配置されている。即ち、基板１０４が、支持部材１１０の凹部に配置されている。支持部材１１０は、樹脂やアルミナ等で形成されている。基板１０４は、接着剤１１２を介して支持部材１１０に接着されている。接着剤１１２はイオン重合反応機構により硬化する組成物、例えば紫外線硬化型エポキシ樹脂組成物等で形成されている。紫外線硬化型エポキシ樹脂組成物の中でも、遅延硬化性を持たせた樹脂組成物が好ましい。他に、光開始剤、反応性希釈剤の基本組成に加えてチクソ剤、シランカップリング剤、増感剤等の充填剤を含有してもよい。

支持部材１１０には開口部１１１が形成されており、開口部１１１の形状は供給口１０８の形状と対応している。インクは、開口部１１１から供給口１０８へと供給される。流路形成部材に形成されている流路１１７と供給口１０８とは連通している。よって、供給口１０８に供給されたインクは、次に供給口１０８から流路１１７へと供給される。

図３に示すような記録ヘッド１００が、急激な環境変化、具体的には温度や湿度が急激に変化する環境下に晒された場合、図４に示すように、基板１０４に応力がかかる。これによって、基板１０４が変形することがある。例えば、流路形成部材１０５が収縮し、この収縮によって基板１０４に対して曲げ応力が働き、基板１０４が変形する。流路形成部材１０５が膨張した場合も同様である。他にも、接着剤１１２の収縮によって、基板１０４が変形する場合も考えられる。

図５に、本発明の記録ヘッドの一例を示す。図５（ａ）は、本発明の記録ヘッド１００の構成を示す斜視図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）の記録ヘッド１００のチップ１０１におけるＢ−Ｂ’線上の断面図である。本発明の記録ヘッドは、基板１０４を貫通する供給口１０８の内部に、有機材料で形成された部材１１５を有する。この有機材料で形成された部材１１５は、基板１０４の梁構造の役割を果たす。部材１１５の下方には、部材１１５を支持する橋構造１１４が形成されていることが好ましい。橋構造１１４は、支持部材１１０の一部で形成してもよい。

部材１１５は、供給口１０８を形成し、供給口１０８を挟んで対向する２つの面（例えば面１０８ａと面１０８ｂ）をつないでいる。尚、供給口１０８を挟んで対向する２つの面とは、実質的な対向関係にある２つの面のことをいう。例えば、供給口１０８が円柱形状であった場合にも、円柱の側面を形成する部分のうち、対向している領域同士は、供給口１０８を挟んで対向する２つの面とする。対向する２つの面は、平行な関係にあることが好ましい。

図６に、本発明の記録ヘッドの基板１０４に応力がかかる状態を示す。図６に示すように、部材１１５が供給口１０８を挟んで対向する２つの面の間で梁構造の役割を果たす。従って、例えば接着剤１１２の収縮があったとしても、基板１０４の変形を抑制することができる。

部材１１５がつなぐ２つの面は、供給口１０８が基板１０４を貫通する方向の上方からみたときに、供給口１０８の短手方向で対向する２つの面であることが好ましい。この２つの面とは、図５（ｂ）でいう面１０８ａと面１０８ｂである。一方で、供給口１０８が基板１０４を貫通する方向の上方からみたときに、部材１１５は、供給口１０８の長手方向で対向する２つの面をつないでいないことが好ましい。長手方向で対向する２つの面をつなぐと、インクの流れが良好でなくなる傾向にある。

部材１１５は、有機材料で形成されている。部材１１５は記録材料に晒されるので、液体、特にインクに対する耐性が高いものであることが好ましい。例えば、ラジカル重合系のアクリル系樹脂組成物やイオン重合系のエポキシ系樹脂組成物であることが好ましい。部材１１５の大きさは、供給口１０８の寸法によるが、図６に示す断面の横幅が４００μｍ以上１２００μｍ以下であることが好ましい。また、図６に示す断面の上下方向の高さが５０μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。部材１１５の図６の上下方向の高さは、インクの流れを考慮すると、供給口１０８の深さの７０％以下であることが好ましく、５０％以下であることがより好ましく、４０％以下であることがさらに好ましい。また、梁構造としての強度の点から、５％以上であることが好ましく、１０％以上であることがより好ましく、２０％以上であることがさらに好ましい。尚、部材１１５の高さとは、供給口１０８の内部の部分と、図６に示す接着剤１１２の横の部分を合わせた部分の高さである。また、ここでの供給口１０８の深さとは、基板１０４の内部だけでなく、接着剤１１２の横の部分も合わせた深さである。また、製造過程を考慮すると、部材１１５は、供給口１０８の内部のうち、基板１０４の圧力発生素子１０６が形成されている側と反対側の面に近い側に形成されることが好ましい。

特に、接着剤１１２の収縮や膨張を考慮した場合には、部材１１５を形成する有機材料と接着剤１１２とは同じ材料で形成することが好ましい。同じ材料とは、分子量等までが一致する場合のみを意味するのではなく、例えば共にエポキシ樹脂であれば同じ材料と見なすことができる。より好ましくは、１つの材料を用いて、接着剤１１２と部材１１５を形成する。材料を合わせることで、力が打ち消し合うように働き、基板の変形をより良好に抑制することができる。

尚、図６に示すように温度や湿度が急激に変化する環境下において、部材１１５の縦弾性係数をＥ、断面二次モーメントをＩとした時、曲げ応力に対する部材１１５の剛性Ｋは「Ｋ＝Ｅ×Ｉ」と表すことができる。

図７は、図５で説明したのと同様の記録ヘッドを示す図であるが、凹部を形成する支持部材の壁１１０ａと基板１０４との間の領域が、封止材１１３で封止されている。封止材１１３は壁１１０ａと基板１０４との間の領域の少なくとも一部に配置されていればよい。特には、供給口１０８が基板１０４を貫通する方向の上方（即ち、図７（ｂ）においては上側の方向）からみたときに、基板１０４の長手方向に沿った側面を覆うように配置されていることが好ましい。

図７に示すように封止材１１３が配置されている場合、封止材１１３の収縮によって、基板１０４に応力がかかる場合がある。図８に、封止材１１３が収縮する様子を示す。封止材１１３が収縮すると、曲げ応力とは異なる引張り力が基板１０４に働き、変形を誘発する。この結果、基板が変形することがある。また、封止材１１３が膨張した場合も同様である。

そこで、本発明では、図９、図１０に示すように、基板１０４を貫通する供給口１０８の内部に、有機材料で形成された部材１１５を有する。部材１１５及びその周辺部分に関しては、図５、図６で説明したのと基本的に同様であるが、封止材１１３が形成されている場合には、封止材１１３の収縮、膨張に合わせて、部材１１５が収縮、膨張することができる。従って、基板１０４に対して発生する応力を良好に緩和することができる。

特に、封止材１１３の収縮や膨張を考慮した場合には、部材１１５を形成する有機材料と封止材１１３とは同じ材料で形成することが好ましい。同じ材料とは、分子量等までが一致する場合のみを意味するのではなく、例えば共にエポキシ樹脂であれば同じ材料と見なすことができる。より好ましくは、１つの材料を用いて、封止材１１３と部材１１５を形成する。材料を合わせることで、力が打ち消し合うように働き、基板の変形をより良好に抑制することができる。特に、封止材１１３と部材１１５の材料を合わせた場合には、記録ヘッドの構造上、打ち消しの効果が顕著である。

図９の場合、急激な温度変化に対して発生する熱応力σは以下のようにして表すことができる。
σ＝Ｅ×α×ΔＴ
σ：熱応力、Ｅ：縦弾性係数、α：線膨張係数、ΔＴ：温度変化
さらに、互いに拘束された異種材料間の面積をＡとした場合に熱応力を起因として発生する外力Ｒは以下のようにして表すことができる。
Ｒ＝σ×Ａ
つまり、図９に示した流路形成部材１０５と部材１１５を同一線上とし、チップ１０１の短手方向の断面で見た場合に、流路形成部材１０５に発生する外力Ｒ_Ｘと部材１１５に発生する外力Ｒ_Ｙが同等であることが好ましい。部材による温度変化は大差ないことを考慮すると、封止材１１３の基板１０４の短手方向と平行な方向における断面積をＡ_Ｘ、線膨張係数をα_Ａ、縦弾性係数をＥ_Ａ、有機材料で形成された部材１１５の基板１０４の短手方向と平行な方向における断面積をＡ_Ｙ、線膨張係数をα_Ｂ、縦弾性係数をＥ_Ｂとした場合に、以下の式を満たすことが好ましい。
（Ａ_Ｘ×α_Ｘ×Ｅ_Ｘ）／（Ａ_Ｙ×α_Ｙ×Ｅ_Ｙ）＝０．８〜１．２
上記式を満たすことによって、図１０に示すように封止材１１３の外力Ｒ_Ｘと部材１１５の外力Ｒ_Ｙが互いに作用しあい、緩和することで基板１０４の破損を抑制することができる。また、封止材１１３の外力と部材１１５の外力の割合が０．８以上１．２以下であれば、基板の変形が抑制しやすい。

本発明の記録ヘッドの製造方法の一例を、図１１、図１２を用いて説明する。図１１は記録ヘッド１００の斜視図（ａ）と、支持部材の接合面１１６の拡大図（ｂ）、接合面１１６に接着されるチップ１０１の裏面拡大図（ｃ）である。接合面１１６には、基板１０４の供給口１０８に対応した形状の開口部１１１が開口している。また、接合面１１６には、橋構造１１４が形成されている。

このように、凹部が形成された支持部材を用意し、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、支持部材の接合面１１６の橋構造１１４の上に、有機材料で形成された部材１１５を塗布して形成する。そして、支持部材の橋構造１１４以外の部分の接合面１１６の少なくとも一部に、接着剤１１２を塗布して形成する。橋構造以外の部分としたのは、橋構造上には部材１１５が形成されている為である。

続いて、図１２（ｃ）に示す基板１０４を、接合面１１６に接合させる。即ち、基板１０４を部材１１５上に配置するが、供給口１０８の内部に部材１１５が配置されるようにする。基板１０４と支持部材の接合面１１６とは、供給口１０８が形成された部分以外の部分で、接着剤１１２を介して接合される。

その後、必要に応じて封止材１０３、封止材１１３等を用いて封止を行い、加熱を行うことで、記録ヘッドが製造される。

以下、本発明を、実施例を用いてより具体的に説明する。

（実施例１）
まず、チップ１０１を以下の方法で製造した。

シリコンからなる基板１０４上に、ポジ型感光性樹脂組成物（商品名；ＯＤＵＲ、東京応化工業製）をスピンコートで塗布した。これを露光、現像することで、インクの流路となる型材を形成した。次に、型材を覆うように、ネガ型感光性樹脂組成物（商品名：ＳＵ−８−３０２５、日本化薬製）をスピンコートにより塗布した。塗布したネガ型感光性樹脂組成物に、フォトマスクを介して露光を行った後、露光が行われなかった領域を現像液で除去することにより、吐出口１０９等をパターン形成した。

次に、基板１０４に対し、熱酸化膜（不図示）をマスクとして水酸化テトラメチルアンモニウムによるウェットエッチングを行い、基板１０４を貫通する供給口１０８を形成した。続いて、型材を供給口１０８から溶出させた。このようにして、ネガ型感光性樹脂組成物から流路形成部材１０５を形成した。

その後、チップ１０１と電気配線テープ１０２を接合させた。チップ１０１と電気配線テープ１０２の接合は、電気配線テープ１０２と基板１０４の電気信号入力端子１０７の表面に設けたＡｕとを熱圧着させている。

基板１０４の厚みは７００μｍであった。供給口１０８の短手方向の幅は５００μｍであった。

以上のようにして製造したチップ１０１と電気配線テープ１０２とは、図１１に示すように、アルミナからなる支持部材１１０上の接合面１１６に接着させた。

次に、図１２に示すように、接着剤１１２を塗布し、さらに部材１１５を塗布した。具体的にはニードルによる描画塗布方法にてニードルを移動しながら接合面１１６上に接着剤１１２、橋構造１１４上に部材１１５を塗布した。接着剤１１２は、エポキシ樹脂組成物（商品名；ＫＳ−８２０、ＡＤＥＫＡ製）で形成した。部材１１５は、接着剤１１２とは異なるエポキシ樹脂組成物（商品名；ＫＲ−８２７、ＡＤＥＫＡ製）で形成した。接着剤１１２の厚みは１５０μｍ、部材１１５の厚みは２００μｍとした。

次に、チップ１０１と電気配線テープ１０２を支持部材１１０に接合し、固定処理を行った。部材１１５は、供給口１０８を挟んで対向する２つの面をつなぐように配置された。そして、チップ１０１の周囲にブタジエン系エポキシ樹脂（商品名；ＮＲ２００Ｃ、サンユレック製）を塗布し、１１０℃で加熱して硬化させた。このようにして、封止材１０３と封止材１１３とを形成した。封止材１０３及び封止材１１３については、図１に示すように、封止材１０３をチップ１０１の長手方向の両端部、封止材１１３をチップ１０１の短手方向の両端部に形成した。

このようにして製造した記録ヘッド１００の基板１０４を観察した結果、基板の変形は確認されなかった。

（実施例２）
実施例１では接着剤１１２と部材１１５の形成材料である有機材料とを異なる材料としたが、実施例２では、接着剤１１２と部材１１５の形成材料である有機材料とを同じ材料となるように、部材１１５の材料を変更した。即ち、接着剤１１２及び部材１１５を、エポキシ樹脂組成物（商品名；ＫＳ−８２０、ＡＤＥＫＡ製）で形成した。接着剤１１２と部材１１５とを同じ材料で形成したので、ニードルも共通化し、接着剤１１２と部材１１５とを一括して形成した。これ以外は実施例１と同様にした。

このようにして製造した記録ヘッド１００の基板１０４を観察した結果、基板の変形は確認されなかった。

また、実施例１と比較すると、接着剤１１２の塗布と部材１１５の塗布を一括で行うことができる為、記録ヘッドをより少ない工程数で簡易に製造することができた。

（実施例３）
実施例１では封止材１１３と部材１１５の形成材料である有機材料とを異なる材料としたが、実施例３では、封止材１１３と部材１１５の形成材料である有機材料とを同じ材料となるように、部材１１５の材料を変更した。即ち、封止材１１３と部材１１５とを、ブタジエン系エポキシ樹脂（商品名；ＮＲ２００Ｃ、サンユレック製）で形成した。封止材１１３と部材１１５とを同じ材料で形成したので、ニードルも共通化し、図１３に示すようにして記録ヘッドを製造した。これ以外は実施例１と同様にした。

このようにして製造した記録ヘッド１００の基板１０４を観察した結果、基板の変形は確認されなかった。

Claims (15)

1. 基板と、流路を形成する流路形成部材とを有する記録ヘッドであって、
   前記基板には基板を貫通する供給口が形成されており、前記流路と前記供給口とは連通しており、
   前記供給口の内部に、前記供給口を形成し前記供給口を挟んで対向する２つの面をつなぐ、有機材料で形成された部材が形成されていることを特徴とする記録ヘッド。
2. 前記供給口が前記基板を貫通する方向の上方からみたときに、前記２つの面は前記供給口の短手方向で対向する２つの面である請求項１に記載の記録ヘッド。
3. 前記供給口が前記基板を貫通する方向の上方からみたときに、前記有機材料で形成された部材は、前記供給口の長手方向で対向する２つの面をつないでいない請求項１または２に記載の記録ヘッド。
4. 前記基板は、凹部が形成された支持部材の前記凹部に配置されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の記録ヘッド。
5. 前記凹部を形成する支持部材の壁と前記基板との間の領域は、少なくとも一部が封止材で封止されている請求項４に記載の記録ヘッド。
6. 前記封止材と前記有機材料とは同じ材料である請求項５に記載の記録ヘッド。
7. 前記封止材の前記基板の短手方向と平行な方向における断面積をＡ_Ｘ、線膨張係数をα_Ａ、縦弾性係数をＥ_Ａ、前記有機材料で形成された部材の前記基板の短手方向と平行な方向における断面積をＡ_Ｙ、線膨張係数をα_Ｂ、縦弾性係数をＥ_Ｂとした場合に、以下の式を満たす請求項５または６に記載の記録ヘッド。
   （Ａ_Ｘ×α_Ｘ×Ｅ_Ｘ）／（Ａ_Ｙ×α_Ｙ×Ｅ_Ｙ）＝０．８〜１．２
8. 前記基板と前記支持部材とは接着剤で接着されている請求項４乃至７のいずれか１項に記載の記録ヘッド。
9. 前記接着剤と前記有機材料とは同じ材料である請求項８に記載の記録ヘッド。
10. 前記有機材料で形成された部材の高さは、前記供給口の深さの５％以上である請求項１乃至９のいずれか１項に記載の記録ヘッド。
11. 前記有機材料で形成された部材の高さは、前記供給口の深さの７０％以下である請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の記録ヘッド。
12. 請求項１に記載の記録ヘッドの製造方法であって、
    前記有機材料で形成された部材を用意する工程と、
    前記供給口の内部に前記有機材料で形成された部材が配置されるように、前記有機材料で形成された部材の上に基板を配置する工程と、
    を有することを特徴とする記録ヘッドの製造方法。
13. 前記有機材料で形成された部材は、橋構造が形成された支持部材の前記橋構造の上に形成されている請求項１２に記載の記録ヘッドの製造方法。
14. 前記支持部材の上には接着剤が形成されており、前記基板と前記支持部材とは、前記供給口が形成された部分以外の部分で前記接着剤を介して接合される請求項１３に記載の記録ヘッドの製造方法。
15. 前記接着剤と前記有機材料とは同じ材料であり、前記接着剤と前記有機材料とは一括して形成する請求項１４に記載の記録ヘッドの製造方法。
    

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