JP2020023197A - Flow path component, liquid discharge head and liquid discharge device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インクジェット式記録ヘッドなどの液体吐出ヘッドに用いられる流路部品、および、液体吐出装置に関するものであり、特に、シリコン基板から形成された流路部品、液体吐出ヘッド、および、液体吐出装置に関する。 The present invention relates to a flow path component used for a liquid discharge head such as an ink jet recording head and a liquid discharge apparatus, and particularly to a flow path component formed from a silicon substrate, a liquid discharge head, and a liquid discharge head. Related to the device.
液体吐出装置は液体吐出ヘッドを備え、この吐出ヘッドから各種の液体を吐出(噴射)する装置である。この液体吐出装置としては、例えば、インクジェット式プリンターやインクジェット式プロッター等の画像記録装置があるが、最近ではごく少量の液体を所定位置に正確に着弾させることができるという特長を生かして各種の製造装置にも応用されている。例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターを製造するディスプレイ製造装置,有機EL(Electro Luminescence)ディスプレイやFED(面発光ディスプレイ)等の電極を形成する電極形成装置,バイオチップ(生物化学素子)を製造するチップ製造装置に応用されている。そして、画像記録装置用の記録ヘッドでは液状のインクを吐出し、ディスプレイ製造装置用の色材吐出ヘッドではR(Red)・G(Green)・B(Blue)の各色材の溶液を吐出する。また、電極形成装置用の電極材吐出ヘッドでは液状の電極材料を吐出し、チップ製造装置用の生体有機物吐出ヘッドでは生体有機物の溶液を吐出する。 The liquid discharge device is a device that includes a liquid discharge head and discharges (ejects) various liquids from the discharge head. Examples of the liquid ejecting apparatus include image recording apparatuses such as an ink jet printer and an ink jet plotter. Recently, various types of liquid ejecting apparatuses have been manufactured by taking advantage of a feature that a very small amount of liquid can be accurately landed at a predetermined position. It is also applied to equipment. For example, a display manufacturing apparatus for manufacturing a color filter such as a liquid crystal display, an electrode forming apparatus for forming an electrode such as an organic EL (Electro Luminescence) display or an FED (surface emitting display), and a chip for manufacturing a biochip (biochemical element). It is applied to manufacturing equipment. A recording head for an image recording apparatus discharges a liquid ink, and a color material discharge head for a display manufacturing apparatus discharges a solution of each of R (Red), G (Green), and B (Blue) color materials. In addition, the electrode material discharge head for the electrode forming apparatus discharges a liquid electrode material, and the biological organic substance discharge head for the chip manufacturing apparatus discharges a solution of a biological organic substance.
この種の液体吐出ヘッドには、例えば、ノズルが複数開設されたノズルプレート、各ノズルに連通する圧力室となる空部が複数形成された基板、各圧力室に共通な液体が貯留される共通液室(リザーバー或いはマニホールドとも言う)となる流路空部が形成された基板、各圧力室にそれぞれ対応して設けられた複数の圧電素子(アクチュエーターの一種)、等を備えたものがある。この構成では、エッチング加工によって高い精度で流路等を形成することが可能であることから、流路を形成する基板の材料としては、シリコン基板(シリコン単結晶性基板)が採用されている(例えば、特許文献1参照)。 This type of liquid ejection head includes, for example, a nozzle plate having a plurality of nozzles, a substrate having a plurality of vacant spaces serving as pressure chambers communicating with each nozzle, and a common liquid storing a common liquid in each pressure chamber. Some include a substrate on which a flow path space that is a liquid chamber (also referred to as a reservoir or a manifold) is formed, a plurality of piezoelectric elements (a type of actuator) provided corresponding to each pressure chamber, and the like. In this configuration, since a flow path and the like can be formed with high accuracy by etching, a silicon substrate (silicon single crystal substrate) is used as a material of a substrate for forming the flow path ( For example, see Patent Document 1).
上記の特許文献1に開示されている構成では、図12に示すように、共通液室の流路空部が形成された連通基板64において、この連通基板64の下面から上面側に向けて基板厚さ方向の途中までエッチング加工によって窪ませることで共通液室の一部となる空部(以下、液室空部という)65が形成されている。また、この連通基板64には、共通液室と各圧力室とを個別に連通させるために、共通液室から連通基板の上面に貫通する個別連通口66が形成されている。この個別連通口66は、共通液室側からのインクを圧力室に個別に供給する流路として機能する他、アクチュエーターを駆動してノズルからインクを吐出する際の吐出効率に関わる部分である。このため、個別連通口66における流路抵抗やイナータンス等が適切となるように、その流路断面積(穴径)や流路長さが設計されている。個別連通口66の穴径Xについては、加工方法に応じて最小値がある程度決まっているため、一般的には、穴径Xが一定に定められた上で上記イナータンス等が適切な値となるように、主に個別連通口66の全長L′が調整されている。
In the configuration disclosed in the above-mentioned
ところが、個別連通口66の長さL′を適切に設定すると、それに伴い液室空部65の深さDが浅くなる傾向となるため、つまり、液室空部65の流路断面積が小さくなるので、この液室空部65における流路抵抗が大きくなり、これにより圧力損失が増大する傾向となる。逆に、圧力損失を抑制するべく液室空部65の深さDを確保した場合、個別連通口66の長さL′が不足する。
However, if the length L 'of the
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、個別連通口の必要な長さを確保することが可能な流路部品、液体吐出ヘッド、および、液体吐出装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a purpose thereof is to provide a flow path component, a liquid discharge head, and a liquid discharge device that can secure a required length of an individual communication port. To provide.
本発明の流路部品は、上記目的を達成するために提案されたものであり、シリコン基板の第1面から反対側の第2面側に向けて板厚方向の途中まで窪ませて形成された流路空部と、
前記流路空部から前記第2面側にシリコン基板を貫通する個別流路を有し、
前記シリコン基板の厚さ方向において前記個別流路の長さLと前記流路空部の実質的な深さDの和が、前記シリコン基板の厚さTよりも大きいことを特徴とする。
The flow path component of the present invention has been proposed in order to achieve the above object, and is formed by being depressed halfway in the thickness direction from the first surface of the silicon substrate to the second surface on the opposite side. Flow path space,
Having an individual flow channel penetrating the silicon substrate from the flow channel space to the second surface side,
The sum of the length L of the individual flow path and the substantial depth D of the flow path space in the thickness direction of the silicon substrate is larger than the thickness T of the silicon substrate.
本発明によれば、シリコン基板の厚さ方向において個別流路の長さLと流路空部の実質的な深さDの和がシリコン基板の厚さよりも大きくなるように構成されることで、流路空部の必要な深さDの確保と、個別流路の必要な長さLの確保とを両立させることができる。このため、個別流路の流路抵抗やイナータンスを適切に調整することができる一方、流路空部の必要な深さを確保できることから、流路空部における圧力損失を抑制することができる。 According to the present invention, the sum of the length L of the individual flow channel and the substantial depth D of the channel space in the thickness direction of the silicon substrate is larger than the thickness of the silicon substrate. In addition, the required depth D of the channel empty space and the required length L of the individual flow channel can both be ensured. Therefore, while the flow resistance and the inertance of the individual flow paths can be appropriately adjusted, the required depth of the flow path vacancies can be secured, so that the pressure loss in the flow path vacancies can be suppressed.
また、上記構成において、前記流路空部は、前記第2面側の底面から前記第1面に向けて傾斜した傾斜面を有し、
前記個別流路の一端が、前記傾斜面に開口した構成を採用することが望ましい。
Further, in the above-described configuration, the channel space has an inclined surface inclined from the bottom surface on the second surface side toward the first surface,
It is desirable to adopt a configuration in which one end of the individual flow path is opened to the inclined surface.
当該構成によれば、流路空部の深さDに左右されることなく、傾斜面における個別流路の開口位置を調整することで、個別流路の長さLを任意、つまり必要な長さLに設定することができる。このため、個別流路の流路抵抗やイナータンスを適切に調整することができる。一方、流路空部に関しては、個別流路の長さLに左右されることなく必要な深さDを確保できることから、流路空部における圧力損失を抑制することができる。そして、このような構成を採用することにより、流路部品の厚さがより薄くなる傾向にあっても、個別流路の必要な長さLの確保および流路空部の必要な深さDの確保を両立させることができるので、流路部品を搭載する液体吐出ヘッドの小型化に対応することが可能となる。
また、流路空部に傾斜面を設け、この傾斜面に個別流路の一端を開口させる構成とすることで、流路空部の流路断面積が、個別流路に向かって次第に狭くなる形となる。これにより、個別流路に向かって流れる液体の流速が高められる。これにより、流路空部における気泡の排出性を向上させることができる。
According to this configuration, the length L of the individual flow path is arbitrary, that is, the necessary length is adjusted by adjusting the opening position of the individual flow path on the inclined surface without being affected by the depth D of the flow path space. L can be set. Therefore, the flow resistance and inertance of the individual flow paths can be appropriately adjusted. On the other hand, as for the channel space, the required depth D can be ensured without being affected by the length L of the individual channel, so that the pressure loss in the channel space can be suppressed. By adopting such a configuration, even if the thickness of the flow path component tends to become thinner, the required length L of the individual flow path and the required depth D of the flow path empty space are ensured. Therefore, it is possible to cope with downsizing of the liquid ejection head on which the flow path component is mounted.
In addition, by providing a slope in the channel space and opening one end of the individual channel on the slope, the channel cross-sectional area of the channel space gradually narrows toward the individual channel. It takes shape. Thereby, the flow velocity of the liquid flowing toward the individual flow path is increased. Thereby, the discharge property of the air bubbles in the channel space can be improved.
また、上記構成において、前記シリコン基板は、前記第1面および前記第2面を(110)面とした基板であり、
前記傾斜面は、前記(110)面に対して傾斜した(111)面によりなる構成を採用することが望ましい。
Further, in the above configuration, the silicon substrate is a substrate having the first surface and the second surface as (110) surfaces,
It is preferable that the inclined surface adopts a configuration composed of a (111) plane inclined with respect to the (110) plane.
当該構成によれば、流路空部を異方性エッチングにより形成する際に生じる(111)面を傾斜面とすることで、工程を別途増加させることなく傾斜面を形成することができる。 According to this configuration, by forming the (111) plane generated when the channel space is formed by anisotropic etching as the inclined surface, the inclined surface can be formed without additional steps.
また、上記構成において、前記流路空部における前記個別流路側の端から個別流路の中心軸までの距離dと、前記流路空部の実質的な深さDとの関係が、以下の式
d≦1.73D
を満たすことが望ましい。
Further, in the above configuration, the relationship between the distance d from the end of the individual channel side in the channel empty portion to the center axis of the individual channel and the substantial depth D of the channel empty portion is as follows. Formula d ≦ 1.73D
It is desirable to satisfy
当該構成によれば、流路空部の必要な深さDに基づいて、個別流路の形成位置を適切に定めることができる。 According to this configuration, the formation position of the individual channel can be appropriately determined based on the required depth D of the channel space.
また、本発明の液体吐出ヘッドは、上記何れかの構成の流路部品と、
ノズルに連通する圧力室が形成された圧力室形成部材と、
を備え、
前記個別流路は、前記圧力室に連通し、
前記流路空部からの液体が前記個別流路を通じて前記圧力室に供給されることを特徴とする。
Further, the liquid discharge head of the present invention, the flow path component of any of the above configuration,
A pressure chamber forming member in which a pressure chamber communicating with the nozzle is formed,
With
The individual flow path communicates with the pressure chamber,
The liquid from the flow channel space is supplied to the pressure chamber through the individual flow channel.
本発明によれば、流路空部の深さDに左右されることなく、傾斜面における個別流路の開口位置を調整することで、個別流路の長さLを任意、つまり必要な長さLに設定することができる。このため、個別流路の流路抵抗やイナータンスを適切に調整することができる。一方、流路空部に関しては、個別流路の長さLに左右されることなく必要な深さDを確保できることから、流路空部における圧力損失を抑制することができる。そして、このような構成を採用することにより、流路部品の厚さがより薄くなる傾向にあっても、個別流路の必要な長さLの確保および流路空部の必要な深さDの確保を両立させることができるので、液体の吐出効率等を低下させることなく液体吐出ヘッドの小型化に対応することが可能となる。 According to the present invention, the length L of the individual flow path is arbitrary, that is, the required length is adjusted by adjusting the opening position of the individual flow path on the inclined surface without being affected by the depth D of the flow path space. L can be set. For this reason, the flow path resistance and inertance of the individual flow paths can be appropriately adjusted. On the other hand, as for the channel space, the required depth D can be ensured without being affected by the length L of the individual channel, so that the pressure loss in the channel space can be suppressed. By adopting such a configuration, even if the thickness of the flow path component tends to become thinner, the required length L of the individual flow path and the required depth D of the flow path empty space are ensured. Therefore, it is possible to cope with the miniaturization of the liquid discharge head without lowering the liquid discharge efficiency and the like.
また、本発明の液体吐出装置は、上記液体吐出ヘッドを備えることを特徴とする。
さらに、上記目的を達成するために提案される本発明は、以下の構成を備えたものであってもよい。
すなわち、複数のノズルにそれぞれ連通する複数の圧力室が形成された部材と接合される流路部品であって、
シリコン基板の第1面から反対側の第2面側に向けて板厚方向の途中まで窪ませて形成され、複数の前記圧力室に共通に設けられた流路空部と、
前記流路空部から前記第2面側に前記シリコン基板を貫通し、前記圧力室毎に個別に設けられた個別流路と、を有し、
前記流路空部は、前記第2面と平行に延在する底面、及び、前記底面から前記第1面に向けて傾斜した傾斜面を有し、
前記個別流路の一端が、前記傾斜面に開口し、
前記シリコン基板の厚さ方向において前記個別流路の長さLと前記流路空部の前記第1面から前記底面までの深さDの和が、前記シリコン基板の厚さTよりも大きく、
前記流路空部における前記個別流路側の端から前記個別流路の中心軸までの距離dと、前記流路空部の前記第1面から前記底面までの深さDとの関係が、以下の式
d≦1.73D
を満たすことを特徴とする。
本発明によれば、シリコン基板の厚さ方向において個別流路の長さLと流路空部の第1面から底面までの深さDの和がシリコン基板の厚さよりも大きくなるように構成されることで、流路空部の必要な深さDの確保と、個別流路の必要な長さLの確保とを両立させることができる。このため、個別流路の流路抵抗やイナータンスを適切に調整することができる一方、流路空部の必要な深さを確保できることから、流路空部における圧力損失を抑制することができる。
また、流路空部の深さDに左右されることなく、傾斜面における個別流路の開口位置を調整することで、個別流路の長さLを任意、つまり必要な長さLに設定することができる。このため、個別流路の流路抵抗やイナータンスを適切に調整することができる。一方、流路空部に関しては、個別流路の長さLに左右されることなく必要な深さDを確保できることから、流路空部における圧力損失を抑制することができる。そして、このような構成を採用することにより、流路部品の厚さがより薄くなる傾向にあっても、個別流路の必要な長さLの確保および流路空部の必要な深さDの確保を両立させることができるので、流路部品を搭載する液体吐出ヘッドの小型化に対応することが可能となる。
さらに、流路空部に傾斜面を設け、この傾斜面に個別流路の一端を開口させる構成とすることで、流路空部の流路断面積が、個別流路に向かって次第に狭くなる形となる。これにより、個別流路に向かって流れる液体の流速が高められる。これにより、流路空部における気泡の排出性を向上させることができる。
加えて、当該構成によれば、流路空部の必要な深さDに基づいて、個別流路の形成位置を適切に定めることができる。
また、上記構成において、前記シリコン基板は、前記第1面および前記第2面を(110)面とした基板であり、
前記傾斜面は、前記(110)面に対して傾斜した(111)面によりなる構成を採用することが望ましい。
当該構成によれば、流路空部を異方性エッチングにより形成する際に生じる(111)面を傾斜面とすることで、工程を別途増加させることなく傾斜面を形成することができる。
また、本発明の液体吐出ヘッドは、上記何れかの構成の流路部品と、
ノズルに連通する圧力室が形成された圧力室形成部材と、
を備え、
前記個別流路は、前記圧力室に連通し、
前記流路空部からの液体が前記個別流路を通じて前記圧力室に供給されることを特徴とする。
本発明によれば、流路空部の深さDに左右されることなく、傾斜面における個別流路の開口位置を調整することで、個別流路の長さLを任意、つまり必要な長さLに設定することができる。このため、個別流路の流路抵抗やイナータンスを適切に調整することができる。一方、流路空部に関しては、個別流路の長さLに左右されることなく必要な深さDを確保できることから、流路空部における圧力損失を抑制することができる。そして、このような構成を採用することにより、流路部品の厚さがより薄くなる傾向にあっても、個別流路の必要な長さLの確保および流路空部の必要な深さDの確保を両立させることができるので、液体の吐出効率等を低下させることなく液体吐出ヘッドの小型化に対応することが可能となる。
また、本発明の液体吐出装置は、上記液体吐出ヘッドを備えることを特徴とする。
According to another aspect of the invention, there is provided a liquid ejection apparatus including the above liquid ejection head.
Furthermore, the present invention proposed to achieve the above object may have the following configuration.
That is, a flow path component that is joined to a member in which a plurality of pressure chambers respectively communicating with a plurality of nozzles are formed,
A flow path void formed to be depressed halfway in the thickness direction from the first surface of the silicon substrate toward the opposite second surface, and provided in common to the plurality of pressure chambers;
Having an individual flow path that is individually provided for each of the pressure chambers, penetrating the silicon substrate from the flow path space to the second surface side,
The flow path void has a bottom surface extending parallel to the second surface, and an inclined surface inclined from the bottom surface toward the first surface,
One end of the individual flow path opens on the inclined surface,
The sum of the length L of the individual flow channel and the depth D from the first surface to the bottom surface of the flow channel space in the thickness direction of the silicon substrate is larger than the thickness T of the silicon substrate,
The relationship between the distance d from the end of the individual channel side in the channel empty portion to the central axis of the individual channel and the depth D from the first surface to the bottom surface of the channel empty portion is as follows: Formula d ≦ 1.73D
Is satisfied.
According to the present invention, the sum of the length L of the individual flow channel and the depth D from the first surface to the bottom surface of the flow channel space in the thickness direction of the silicon substrate is larger than the thickness of the silicon substrate. By doing so, it is possible to ensure both the required depth D of the channel empty space and the required length L of the individual channel. Therefore, while the flow resistance and the inertance of the individual flow paths can be appropriately adjusted, the required depth of the flow path vacancies can be secured, so that the pressure loss in the flow path vacancies can be suppressed.
Further, the length L of the individual flow channel is set to an arbitrary value, that is, a required length L by adjusting the opening position of the individual flow channel on the inclined surface without being affected by the depth D of the flow channel space. can do. For this reason, the flow path resistance and inertance of the individual flow paths can be appropriately adjusted. On the other hand, as for the channel space, the required depth D can be ensured without being affected by the length L of the individual channel, so that the pressure loss in the channel space can be suppressed. By adopting such a configuration, even if the thickness of the flow path component tends to become thinner, the required length L of the individual flow path and the required depth D of the flow path empty space are ensured. Therefore, it is possible to cope with downsizing of the liquid ejection head on which the flow path component is mounted.
Furthermore, by providing an inclined surface in the channel space and opening one end of the individual channel on the inclined surface, the flow path cross-sectional area of the channel space gradually narrows toward the individual channel. It takes shape. Thereby, the flow velocity of the liquid flowing toward the individual flow path is increased. Thereby, the discharge property of the air bubbles in the channel space can be improved.
In addition, according to the configuration, the formation position of the individual flow channel can be appropriately determined based on the required depth D of the flow channel space.
In the above configuration, the silicon substrate is a substrate having the first surface and the second surface as (110) surfaces,
It is preferable that the inclined surface adopts a configuration composed of a (111) plane inclined with respect to the (110) plane.
According to this configuration, by forming the (111) plane generated when the channel space is formed by anisotropic etching as the inclined surface, the inclined surface can be formed without additional steps.
Further, the liquid ejection head of the present invention, the flow path component of any of the above configuration,
A pressure chamber forming member in which a pressure chamber communicating with the nozzle is formed,
With
The individual flow path communicates with the pressure chamber,
The liquid from the flow channel space is supplied to the pressure chamber through the individual flow channel.
According to the present invention, the length L of the individual flow path is arbitrary, that is, the required length is adjusted by adjusting the opening position of the individual flow path on the inclined surface without being affected by the depth D of the flow path space. L can be set. For this reason, the flow path resistance and inertance of the individual flow paths can be appropriately adjusted. On the other hand, as for the channel space, the required depth D can be ensured without being influenced by the length L of the individual channel, so that the pressure loss in the channel space can be suppressed. By adopting such a configuration, even if the thickness of the flow path component tends to be thinner, the required length L of the individual flow path and the required depth D of the flow path empty space are ensured. Therefore, it is possible to cope with the miniaturization of the liquid discharge head without reducing the liquid discharge efficiency and the like.
According to another aspect of the invention, there is provided a liquid ejection apparatus including the above-described liquid ejection head.
以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、以下の説明は、本発明の液体吐出装置として、液体吐出ヘッドの一種であるインクジェット式記録ヘッド(以下、記録ヘッド)を搭載したインクジェット式プリンター(以下、プリンター)を例に挙げて行う。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Note that, in the embodiments described below, various limitations are given as preferred specific examples of the present invention, but the scope of the present invention is limited to the following description unless otherwise specified in the following description. It is not limited to these embodiments. In the following description, an ink jet printer (hereinafter, printer) equipped with an ink jet recording head (hereinafter, recording head), which is a kind of liquid ejection head, will be described as an example of the liquid ejection apparatus of the present invention.
プリンター1の構成について、図1を参照して説明する。プリンター1は、記録紙等の記録媒体2の表面に対して液体状のインクを吐出して画像等の記録を行う装置である。このプリンター1は、インクを吐出する記録ヘッド3、この記録ヘッド3が取り付けられるキャリッジ4、キャリッジ4を主走査方向に移動させるキャリッジ移動機構5、記録媒体2を副走査方向に移送するプラテンローラー6等を備えている。ここで、上記のインクは、液体の一種であり、液体供給源としてのインクカートリッジ7に貯留されている。このインクカートリッジ7は、記録ヘッド3に対して着脱可能に装着される。なお、インクカートリッジ7がプリンター1の本体側に配置され、当該インクカートリッジ7からインク供給チューブを通じて記録ヘッド3に供給される構成を採用することもできる。
The configuration of the
図2は、上記記録ヘッド3の主要部分の構成を説明する断面図である。また、図3は、図2における領域Aの拡大図である。本実施形態における記録ヘッド3は、圧力発生ユニット14および流路ユニット21を備え、これらの部材が積層された状態でケース26に取り付けて構成されている。流路ユニット21は、ノズルプレート22、コンプライアンスシート25、及び、連通基板23(本発明における流路部品に相当)を有している。また、圧力発生ユニット14は、圧力室31が形成された圧力室形成基板29、弾性膜30、圧電素子35(アクチュエーター)、および保護基板24が積層されてユニット化されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a main part of the
ケース26は、ノズルプレート22、および圧力発生ユニット14が接合された連通基板23が底面側に固定される合成樹脂製の箱体状部材である。このケース26の平面視における中心部分にはノズル列方向に沿って長尺な矩形状の開口を有する貫通空部44が、ケース26の高さ方向を貫通する状態で形成されている。この貫通空部44は、圧力発生ユニット14の配線空部38と連通して、配線部材(フレキシブルケーブル49)の一端部および駆動IC50が収容される空部を形成する。また、ケース26の下面側には、当該下面からケース26の高さ方向の途中まで直方体状に窪んだ収容空部47が形成されている。流路ユニット21がケース26の下面に位置決め状態で接合されると、連通基板23上に積層された圧力発生ユニット14が収容空部47に収容されるように構成されている。また、上記の貫通空部44の下端は、収容空部47の天井面に開口している。
The
ケース26には、インク導入空部46およびインク導入路45が形成されている。インク導入路45は、インク導入空部46と比較して断面積が小さく設定された細い流路であり、インクカートリッジ7側からのインクをインク導入空部46に供給する。インク導入空部46に流入したインクは、連通基板23の共通液室32(後述)に導入される。
In the
圧力発生ユニット14の構成部材である圧力室形成基板29は、シリコン単結晶基板(結晶性基板の一種。以下、単にシリコン基板とも言う。)から作製されている。この圧力室形成基板29には、シリコン基板に対して異方性エッチング加工によって複数の圧力室31となる空部(以下、この空部も含めて圧力室31という。)が、ノズルプレート22の複数のノズル27に対応して複数形成されている。このように、シリコン基板に対して異方性エッチングによって圧力室を形成することで、より高い寸法・形状精度を確保することができる。後述するように、本実施形態におけるノズルプレート22にはノズル27の列が2条形成されているので、圧力室形成基板29には、圧力室31の列が各ノズル列に対応して2条形成されている。圧力室31は、ノズル列方向に直交する方向に長尺な空部である。圧力室形成基板29が連通基板23に対して位置決めされた状態で接合されると、圧力室31の長手方向一端部は、後述する連通基板23のノズル連通路36を介してノズル27と連通する。また、圧力室31の長手方向他端部は、連通基板23の個別連通口42(本発明における個別流路に相当)を介して共通液室32と連通する。
The pressure
圧力室形成基板29の上面(連通基板23との接合面とは反対側の面)には、圧力室31の上部開口を封止する状態で弾性膜30が形成されている。この弾性膜30は、例えば厚さが約1μmの二酸化シリコンから構成される。また、この弾性膜30上には、図示しない絶縁膜が形成される。この絶縁膜は、例えば、酸化ジルコニウムから成る。そして、この弾性膜30および絶縁膜上における各圧力室31に対応する位置に、圧電素子35がそれぞれ形成される。本実施形態における圧電素子35は、所謂撓みモードの圧電素子である。この圧電素子35は、弾性膜30および絶縁膜上に、金属製の下電極膜、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等からなる圧電体層、および、金属製の上電極膜(何れも図示せず)が順次積層された後に、圧力室31毎に適宜パターニングされて構成される。そして、上電極膜または下電極膜の一方が共通電極とされ、他方が個別電極とされる。また、弾性膜30、絶縁膜、および下電極膜が、圧電素子35の駆動時に振動板として機能する。
An
各圧電素子35の個別電極(上電極膜)からは、図示しない電極配線部が配線空部38内にそれぞれ延出されており、これらの電極配線部の電極端子に相当する部分に、フレキシブルケーブル49の一端側の端子が接続される。このフレキシブルケーブル49の表面には、圧電素子35を駆動する駆動IC50が実装されている。各圧電素子35は、駆動IC50を通じて上電極膜および下電極膜間に駆動信号(駆動電圧)が印加されることにより、撓み変形する。
From the individual electrodes (upper electrode films) of the respective
上記圧電素子35が形成された連通基板23の上面には保護基板24が配置される。この保護基板24は、例えば、ガラス、セラミックス材料、シリコン単結晶基板、金属、合成樹脂等から作製される。この保護基板24の内部には、圧電素子35に対向する領域に当該圧電素子35の駆動を阻害しない程度の大きさの凹部39が形成されている。さらに、保護基板24において、隣り合う圧電素子列の間には、基板厚さ方向を貫通した配線空部38が形成されている。この配線空部38内には、圧電素子35の電極端子とフレキシブルケーブル49の一端部とが配置される。
The
連通基板23の下面には、ノズルプレート22およびコンプライアンスシート25が接合される。ノズルプレート22は、複数のノズル27が開設された板材であり、各ノズル27が連通基板23のノズル連通路36とそれぞれ連通する状態で連通基板23の下面の中央部分に接合されている。このノズルプレート22には、所定のピッチで複数のノズル27が並設されてノズル列が形成されている。本実施形態においては、当該ノズルプレート22に2条のノズル列が形成されている。また、ノズルプレート22はシリコン基板から作製されている。そして、当該基板に対してドライエッチングを施すことにより円筒形状のノズル27が形成されている。コンプライアンスシート25は、連通基板23の下面において、共通液室32の開口を塞ぐ状態で接合された可撓性を有する部材である。このコンプライアンスシート25は、共通液室32内のインクの圧力変化を吸収する機能を奏する。
The
図4及び図5は、連通基板23の構成を説明する図であり、図4は、個別連通口42近傍の要部断面図、図5は連通基板23の下面側の平面図である。この連通基板23は、表面(上面および下面)を(110)面としたシリコン基板から作製された板材である。この連通基板23には、ノズル連通路36および共通液室32となる空部が、異方性エッチングによって形成されている。ノズル連通路36は、圧力室31に対応して当該圧力室の並設方向(ノズル列方向)に沿って複数形成されている。連通基板23と圧力室形成基板29とが位置決め状態で接合された状態で、各ノズル連通路36は、それぞれ対応する圧力室31の長手方向における一端部と連通する。共通液室32は、ノズル列方向(換言すると圧力室31の並設方向)に沿って長尺な空部である。共通液室32は、連通基板23の板厚方向を貫通した第1液室51と、連通基板23の下面(本発明における第1面)側から上面(本発明における第2面)側に向けて当該連通基板23の板厚方向の途中まで後述するようにエッチングにより窪ませられて上面側に天井部40を残した状態で形成された第2液室52と、から構成される。
4 and 5 are diagrams illustrating the configuration of the
連通基板23の上面側における第1液室51の開口は、ケース26に形成されたインク導入空部46と連通する。そして、この第1液室51には、インク導入路45およびインク導入空部46側からのインクが流入する。第2液室52(本発明における流路空部に相当)は、第1液室51と連通する窪みである。この第2液室52の圧力室長尺方向における一端(ノズル27から遠い側の端部)は、第1液室51と連通する一方、同方向の他端(本発明における個別流路側の端)は、圧力室31の下方に対応する位置に形成されている。この第2液室52の他端部には、天井部40の下面、すなわち第2液室52の天井面(本発明における第2面側の底面に相当)から連通基板23の下面に向けて傾斜した傾斜面41が形成されている。そして、この傾斜面41の傾斜途中から連通基板23を貫通する状態で、個別連通口42が形成されている。この個別連通口42は、圧力室形成基板29の各圧力室31に対応してノズル列方向に沿って複数形成されている。この個別連通口42の一端(下端)は、傾斜面41の傾斜途中に開口して第2液室52と連通し、個別連通口42の他端(上端)は、連通基板23の上面に開口して圧力室形成基板29の圧力室31と個別に連通する。
The opening of the first
このような構成を採用することで、連通基板23の厚さをT、個別連通口42の長さをL、第2液室52の実質的な深さをDとしたとき、
L+D>T
とすることができる。ここで、「第2液室52の実質的な深さ」とは、傾斜面41が形成された部分を除いた、第2液室52の主たる部分の深さ、具体的には、連通基板23の下面から第2液室52の天井面(天井部40の下面)までの深さを意味する。ここで、第2液室52の天井面は(110)面と平行な面であり、第2液室52においてエッチングにより最も侵食された部位である。したがって、上記実質的な深さは、第2液室52の最も深い部分の深さであるともいえる。
By adopting such a configuration, when the thickness of the
L + D> T
It can be. Here, the “substantial depth of the second
これにより、従来の構成においてはトレードオフの関係にあった、共通液室32の第2液室52の必要な深さDの確保と、個別連通口42の必要な長さLの確保とを両立させることができる。すなわち、第2液室52の深さDに左右されることなく、傾斜面41における個別連通口42の開口位置を調整することで、個別連通口42の長さLを任意、つまり必要な長さLに設定することができる。このため、個別連通口42の流路抵抗やイナータンスを適切に調整することができる。ここで、個別連通口42の断面(開口)半径をr、インクの粘度をμ、インクの密度をρとすると、流路抵抗RとイナータンスMは次の近似式で導かれる。
R=8μL/πr4
M=ρL/πr2
個別連通口42の断面は、加工方法によりある程度の大きさが決まることから、個別連通口42の長さLを適切に設定することにより、個別連通口42における流路抵抗とイナータンスのバランスを調整することができる。
一方、第2液室52に関しては、個別連通口42の長さLに左右されることなく必要な深さDを確保できることから、圧力損失を抑制することができる。そして、このような構成を採用することにより、連通基板23の厚さTがより薄くなる傾向にあっても、個別連通口42の必要な長さLの確保および第2液室52の必要な深さDの確保を両立させることができるので、インクの吐出効率等を低下させることなく(つまり、吐出特性に影響を及ぼすことなく)記録ヘッド3の小型化に対応することが可能となる。
なお、個別連通口42の形成位置に関し、第2液室52における個別連通口42側の端から個別連通口42の中心軸までの距離dと、第2液室52の深さDとの関係(図4参照)が、以下の式
d≦1.73D
を満たすことが望ましい。これにより、第2液室52の必要な深さDに基づいて、個別連通口42の形成位置を適切に定めることができる。
As a result, the required depth D of the second
R = 8 μL / πr 4
M = ρL / πr 2
Since the size of the cross section of the
On the other hand, as for the second
Regarding the formation position of the
It is desirable to satisfy Thereby, the formation position of the
また、第2液室52において第1液室51側とは反対側の端部に傾斜面41を設けて楔形空部とし、この傾斜面41の傾斜途中に個別連通口42の一端を開口させる構成とすることで、第2液室52の流路断面積が、傾斜面41において第1液室51側から各個別連通口42に向かって次第に狭くなる形となる。これにより、第1液室51側(インクの供給側)から個別連通口42に向かって流れるインクの流速が高められる。これにより、第2液室52における気泡の排出性を向上させることができる。
In the second
さらに、傾斜面41が形成されることで、第2液室52における個別連通口42側の開口の鋭角部(図4および図6における符号p参照)を傾斜端(図4においては傾斜下端)とする傾斜面41が形成されることで、第2液室52の隅に鋭角な溝状の道筋(第2液室52を画成する内壁同士が鋭角に交差する部分)が生じない。これにより、連通基板23とコンプライアンスシート25との接合部分から接着剤が万が一漏出した場合においても、毛細管力が生じにくいため、接着剤の這い上がりを抑制することができる。これにより、当該接着剤が個別連通口42を塞ぐ等の不具合が防止される。
Further, by forming the
次に、図6乃至図11に基づき連通基板23における第2液室52および個別連通口42の形成工程について説明する。なお、各図において、(a)は連通基板23における個別連通口42の形成位置近傍の平面図、(b)は(a)におけるA−A線断面図、(c)は(a)におけるB−B線断面図をそれぞれ示す。
Next, a process of forming the second
まず、図6(b)に示すように、連通基板23の基材23′であるシリコンウェハーの一方の面(圧力室形成基板29と接合される側の面であり、本発明における第2面に相当。)から、個別連通口42の形成予定箇所に、当該個別連通口42となるべき下穴42′が形成される(第1の工程)。この下穴42′は、例えば、ボッシュ法等のエッチング法により、基材23′の厚さ方向途中まで穿設される。すなわち、プラズマによるエッチング工程、および、穴の内周壁の保護膜形成工程が順次繰り返されながら、下穴42′が形成される。この下穴42′の深さは、個別連通口42として必要な長さLよりも少し深めに調整される。なお、下穴42′の形成方法としては、例示したものには限られず、レーザーを用いる方法等、種々の手法を採用することができるが、下穴42′の深さを任意に調整できるものが望ましい。
First, as shown in FIG. 6B, one surface of the silicon wafer which is the base material 23 'of the communication substrate 23 (the surface to be joined to the pressure
次に、基材23′の他方の面(ノズルプレート22およびコンプライアンスシート25と接合される側の面であり、本発明における第1面に相当。)に熱酸化処理等によってシリコン酸化膜(以下、単に酸化膜という。)を形成する。なお、シリコン酸化膜に限らず、例えば窒化膜等、エッチング加工時にエッチング溶液に対するレジストとして機能するものであればよい。その後、図6に示すように、マスクを介した露光および現像を経て酸化膜にレジストパターン55を設ける(第2の工程)。ここで、このレジストパターン55において、基材23′の表面である(110)面およびノズル列方向(図6(a)における上下方向)に対して直交する第1の(111)面と平行な一対の第1の区画パターン56a,56bと、基材23′の表面である(110)面に直交すると共に第1の(111)面に対して傾斜する第2の(111)面に沿った第2の区画パターン57とにより、傾斜面41の形成予定位置(以下、傾斜面形成予定位置)41′を三方向から囲むレジストパターン55が、個別連通口42の形成予定箇所毎に形成される。
Next, a silicon oxide film (hereinafter, referred to as a first surface in the present invention) on the other surface of the
レジストパターン55を形成したならば、例えば、水酸化カリウム(KOH)水溶液からなるエッチング溶液を用いて、レジストパターン55が形成された基材23′の表面((110)面)に対してエッチング加工が行われる(第3の工程)。この際、(110)面のエッチングレートに対し(111)面のエッチングレートが低いので、図7に示すように、主に(110)面が削れていく。図において、この(110)面に平行な面は、上述したように第2液室52の天井面となる部分である。ここで、基材23′であるシリコン基板には、上記第1の(111)面および第2の(111)面の他に、(110)に対して約30°に傾斜すると共に第1の(111)面に対して約50°に傾斜する第3の(111)面を有している。このため、図7に示すように、第1の区画パターン56a,56bと第2の区画パターン57とで囲まれた傾斜面形成予定位置41′には、エッチングが進むにつれて、第3の(111)面からなる傾斜面41が出現する。また、隣り合う傾斜面形成予定位置41′同士の間には、第1の(111)面からなる側面を有する仕切壁58が出現する。この仕切壁58については、その上部にレジストパターン55が形成されているが、第1液室51側の端面(図7(b)において右端面)から根元側(第2の区画パターン57側)に向けてサイドエッチが進行していく。
After the formation of the resist
さらにエッチングが進むと、図8および図9に示すように、第2液室52が深くなるにつれて第3の(111)面である傾斜面41も角度を保ったまま(110)面と比較してゆっくりと削れていき、その裾が第1液室51側(図中右側)に向けて広がっていく。このため、下穴42′の上端と、傾斜面41とが次第に近づいていく。また、仕切壁58のサイドエッチが進み、根元部分、つまり、第2の区画パターン57に対応する部分まで到達すると、当該仕切壁58は消失する。その後、この第2の区画パターン57の下方の壁の部分も侵食(サイドエッチ)されていく。そして、ある程度までエッチングが進むと、図10に示すように、傾斜面41の傾斜途中に下穴42′の一端が開口し、個別連通口42が形成される。傾斜面41に下穴42′(個別連通口42)が開口した後、エッチングが進むと、その開口周縁が削れて略漏斗状に広がる。このような状態となったところでエッチング加工が終了される。その後、余分なレジストパターン55が弗酸等により除去されて、個々の連通基板23とされる。
As the etching proceeds further, as shown in FIGS. 8 and 9, as the second
このように、連通基板23の基材23′であるシリコン基板は、表面を(110)面とした基板であり、傾斜面41は、(110)面に対して傾斜した第3の(111)面により構成されているので、第2液室52等の流路空部を異方性エッチングにより形成する際に傾斜面41を同時に形成することができる。このため、傾斜面41を形成する工程を別途増加させる必要がない。
As described above, the silicon substrate that is the
なお、上記実施形態においては、連通基板23の下面において共通液室32の開口がコンプライアンスシート25で塞がれる構成を例示したが、これには限られず、例えば、共通液室32の開口がノズルプレート22で塞がれる構成を採用することもできる。
In the above-described embodiment, the configuration in which the opening of the
そして、以上では、記録ヘッド3における連通基板23を本発明の流路部品として例に挙げて説明したが、本発明は、シリコン基板の第1面から反対側の第2面側に向けて板厚方向の途中まで窪ませて形成された流路空部と、この流路空部から第2面側にシリコン基板を貫通する個別流路を有する流路部品を備える他の液体吐出ヘッドにも適用することができる。例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材吐出ヘッド、有機EL(Electro Luminescence)ディスプレイ、FED(面発光ディスプレイ)等の電極形成に用いられる電極材吐出ヘッド、バイオチップ(生物化学素子)の製造に用いられる生体有機物吐出ヘッド等にも本発明を適用することができる。
In the above description, the
1…プリンター,3…記録ヘッド,14…圧力発生ユニット,16…記録ヘッド,21…流路ユニット,22…ノズルプレート,23…連通基板,27…ノズル,29…圧力室形成基板,31…圧力室,32…共通液室,35…圧電素子,40…天井部,41…傾斜面,42…個別連通口,51…第1液室,52…第2液室,55…レジスト,56…第1の区画パターン,57…第2の区画パターン,58…仕切壁
DESCRIPTION OF
Claims (4)
シリコン基板の第1面から反対側の第2面側に向けて板厚方向の途中まで窪ませて形成され、複数の前記圧力室に共通に設けられた流路空部と、
前記流路空部から前記第2面側に前記シリコン基板を貫通し、前記圧力室毎に個別に設けられた個別流路と、を有し、
前記流路空部は、前記第2面と平行に延在する底面、及び、前記底面から前記第1面に向けて傾斜した傾斜面を有し、
前記個別流路の一端が、前記傾斜面に開口し、
前記シリコン基板の厚さ方向において前記個別流路の長さLと前記流路空部の前記第1面から前記底面までの深さDの和が、前記シリコン基板の厚さTよりも大きく、
前記流路空部における前記個別流路側の端から前記個別流路の中心軸までの距離dと、前記流路空部の前記第1面から前記底面までの深さDとの関係が、以下の式
d≦1.73D
を満たすことを特徴とする流路部品。 A flow path component that is joined to a member in which a plurality of pressure chambers respectively communicating with a plurality of nozzles are formed,
A flow path void formed to be depressed halfway in the thickness direction from the first surface of the silicon substrate toward the opposite second surface, and provided in common to the plurality of pressure chambers;
Having an individual flow path that is individually provided for each of the pressure chambers, penetrating the silicon substrate from the flow path space to the second surface side,
The flow path void has a bottom surface extending parallel to the second surface, and an inclined surface inclined from the bottom surface toward the first surface,
One end of the individual flow path opens on the inclined surface,
The sum of the length L of the individual flow channel and the depth D from the first surface to the bottom surface of the flow channel space in the thickness direction of the silicon substrate is larger than the thickness T of the silicon substrate,
The relationship between the distance d from the end of the individual channel side in the channel empty portion to the central axis of the individual channel and the depth D from the first surface to the bottom surface of the channel empty portion is as follows: Formula d ≦ 1.73D
A flow path component characterized by satisfying the following.
前記傾斜面は、前記(110)面に対して傾斜した(111)面によりなることを特徴とする請求項1に記載の流路部品。 The silicon substrate is a substrate having the first surface and the second surface as (110) surfaces,
The flow path component according to claim 1, wherein the inclined surface is a (111) surface inclined with respect to the (110) surface.
ノズルに連通する圧力室が形成された圧力室形成部材と、
を備え、
前記個別流路は、前記圧力室に連通し、
前記流路空部からの液体が前記個別流路を通じて前記圧力室に供給されることを特徴とする液体吐出ヘッド。 A flow path component according to claim 1 or 2,
A pressure chamber forming member in which a pressure chamber communicating with the nozzle is formed,
With
The individual flow path communicates with the pressure chamber,
A liquid ejection head, wherein the liquid from the flow passage space is supplied to the pressure chamber through the individual flow passage.
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