JP2020059196A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 電気接続するための凹部が記録素子基板の外周部に形成されていることにより外周部における剛性が低下し、ウエハの切断時に、切断ライン周辺で記録素子基板に割れが生じてしまう場合があった。【解決手段】 液体吐出ヘッドは、第１の方向１２に延在し吐出口１９に液体を供給する液体供給口２０と、吐出口１９から液体を吐出するための圧力発生素子１８に電力を供給する電気接続部１７と、を備える記録素子基板３０を有する。記録素子基板３０の吐出口１９が形成される側の面の裏面１０には、底部１６に電気接続部１７を備える凹部３が第１の方向１２に沿って形成される。液体供給口２０は凹部３よりも体積が小さく、裏面１０側から見た場合に、第１の方向１２に沿って延在し凹部３との距離が最も小さい記録素子基板３０の端辺８と凹部３との間に液体供給口２０が設けられている。【選択図】 図３

Description

本発明は、液体吐出ヘッドに関する。

液体を吐出する吐出口を備える記録素子基板の、吐出口が形成されている面側には、外部電源からの電力を、液体を加圧する圧力発生素子に供給するための電気接続部が形成されている。しかしながら、吐出口が形成されている側に電気接続部が形成されていると、吐出口から吐出された液体の所謂ミスト等がこの電気接続部に付着する場合があり、電気接続部の腐食等の問題が引き起こされることがある。

このため、電気接続部は吐出口が形成されている領域から離すことが望ましい。そこで、特許文献１には、記録素子基板の、吐出口が形成される側の面の裏面側に凹部を設けその凹部内に電気接続部を設ける方法が記載されている。それによると、吐出口が形成される側の面の裏面側に電気接続部を設けるため、シリコン基板の、吐出口を備える吐出口形成部材と接合される側の面の裏面側から複数の凹部を穿設する必要がある。

特許第４２７４５５６号公報

一般に、電気接続部（電極）は記録素子基板の外周部に配置されることから複数の凹部も記録素子基板の外周部に形成されることとなる。また、記録素子基板はシリコンのウエハを個々に切断することにより形成されるが、ウエハを無駄なく利用するためには、隣接する記録素子基板同士のウエハ上における配置間隔は小さい方がよい。しかしながら、電気接続するための凹部が記録素子基板の外周部に形成されていることにより外周部における剛性が低下し、ウエハの切断時に、切断ライン周辺で記録素子基板に割れが生じてしまう場合があった。

そこで本発明は、上記の課題を鑑みたものであり、ウエハの切断時において記録素子基板が破損することを抑制する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。

上記課題を解決するために本発明は、液体を吐出する吐出口と、第１の方向に延在し、前記吐出口に前記液体を供給するための液体供給口と、前記液体を吐出するため前記液体を加圧する圧力発生素子と、前記圧力発生素子と電気配線を介して接続され、前記圧力発生素子を駆動する電力を前記圧力発生素子に供給するための電気接続部と、を備える記録素子基板を有する液体吐出ヘッドにおいて、前記記録素子基板の前記吐出口が形成される側の面の裏面に、底部に前記電気接続部を備える凹部が前記第１の方向に沿って形成されており、前記液体供給口が占める体積は、前記凹部が占める体積よりも小さく、前記裏面側から前記記録素子基板を見た場合に、前記第１の方向に沿って延在する前記記録素子基板の端辺のうち前記凹部との距離が最も小さい端辺と、前記凹部との間に前記液体供給口が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、ウエハの切断時において記録素子基板が破損することを抑制することができる液体吐出ヘッドを提供することができる。

液体吐出ヘッドを示す斜視図。 記録素子基板を示す斜視図。 記録素子基板を示す概略図。 液体吐出ヘッドの製造工程を示すフロー図。 液体吐出ヘッドの製造工程を示す概略図。 第２の実施形態に係る記録素子基板を示す斜視図。 第３の実施形態に係る記録素子基板を示す概略図。 第３の実施形態に係る記録素子基板を示す概略図。 第４の実施形態に係る記録素子基板を示す概略図。 カバー部材を示す斜視図。 比較例に係る記録素子基板を示す概略図。 記録素子基板の変形例を示す概略図。

以下、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドについて、図面を参照しながら説明する。ただし、以下の記載は本発明の範囲を限定するものではない。一例として、本実施形態では液体吐出ヘッドとして発熱素子により気泡を発生させて液体を吐出するサーマル方式が採用されているが、ピエゾ方式およびその他の各種液体吐出方式が採用された液体吐出ヘッドにも本発明を適用することができる。また、本実施形態の液体吐出ヘッドとして、被記録媒体の幅に対応した長さを有する、所謂ページワイド型ヘッドを図示するが、被記録媒体に対してスキャンを行いながら記録を行う、所謂シリアル型の液体吐出ヘッドにも本発明を適用できる。シリアル型の液体吐出ヘッドとしては、例えばブラックインク用、およびカラーインク用記録素子基板を各１つずつ搭載する構成があげられる。

（第１の実施形態）
（液体吐出ヘッド）
本実施形態に係る液体吐出ヘッドについて、図１を用いて説明する。図１は本実施形態に係る液体吐出ヘッド１００を示す斜視図である。本実施形態の液体吐出ヘッド１００は、Ｃ／Ｍ／Ｙ／Ｋの４色のインクを吐出できる記録素子基板３０を直線状に１６個配列（インラインに配置）したページワイド型の液体吐出ヘッドである。液体吐出ヘッド１００は、各記録素子基板３０と、フレキシブルな電気配線部材３１と、板状の電気配線基板９０と、信号入力端子９１と、電力供給端子９２と、を有する。電気配線部材３１は、例えば、ＦＰＣである。信号入力端子９１及び電力供給端子９２は、被記録媒体（不図示）を搬送する搬送部（不図示）及び液体吐出ヘッド１００を有する記録装置本体（不図示）の制御部と電気的に接続され、それぞれ、吐出駆動信号及び吐出に必要な電力を記録素子基板３０に供給する。電気配線基板９０の電気回路によって配線を集約することで、信号入力端子９１及び電力供給端子９２の設置数を記録素子基板３０の数と比べて少なくできる。これにより、記録装置本体（不図示）に対して液体吐出ヘッド１００を着脱するときに、取り外しが必要な電気接続部数が少なくて済む。

なお、図１において、記録素子基板３０を液体吐出ヘッドの長手方向に直線状に配置したページワイド型の液体吐出ヘッドを示したが、本発明はこれに限られず、記録素子基板３０を長手方向に千鳥状に配置したページワイド型の液体吐出ヘッドでもよい。また、図１においては記録素子基板３０の端部と電気配線部材３１とが接続されているように見えるが、実際は図２に示すような記録素子基板３０の位置で接続されている。接続位置が記録素子基板３０の裏面側（不図示）であり図１においては図示できないため、端部において接続されているように見えるだけである。

（記録素子基板）
本発明の特徴部である記録素子基板３０について、図２及び図３を参照しながら説明する。図２（ａ）はＡｕワイヤ７を用いたワイヤーボンディングによる電気接続を行った記録素子基板３０を示す概略図である。図２（ｂ）は図２（ａ）とは異なる電気接続の形態を示す図であり、中継基板１１７を用いて電気接続を行った記録素子基板３０を示す概略図である。図３（ａ）は図２（ａ）に示すＡ−Ａ断面を示す概略図、図３（ｂ）は図３（ａ）を裏面１０側から見た概略図、図３（ｃ）は図３（ｂ）に示す記録素子基板３０がシリコンウエハから切り出される前の状態を示した概略図である。なお、図２に示す記録素子基板の液体供給口２０は１２列ある一方、図３（ａ）、（ｂ）に示す記録素子基板３０においては２列しかないが、これは説明のため簡略化して図示しているに過ぎない。また、同様に説明のため、図３（ｃ）に示す記録素子基板３０は図３（ｂ）に示す記録素子基板３０よりも簡略化して図示している。

図３（ａ）に示すように、記録素子基板３０は、基体部１、電気配線２２、吐出口形成部材２１を含む。なお、基体部１の形状、材質等は、特に限定されないが、抵抗率の制御性や加工性を考慮して、基体部１としてはシリコン基板を用いることが好ましい。基体部１には液体供給口２０が基体部１を貫通する貫通孔として形成されており、液体供給口２０から供給されたインクは、圧力発生素子１８により加圧され、吐出口１９から吐出される。なお、本実施形においては、圧力発生素子１８はヒータであり、加熱によりインク中に気泡を発生させ、気泡の発泡圧力によりインクを吐出する。

圧力発生素子１８は電気配線２２を介して電気接続部１７と電気接続されており、電気接続部１７が電気配線部材３１と電気的に接続されることにより、圧力発生素子１８を駆動するための電力が外部から圧力発生素子１８に供給される。基体部１の裏面側１０には所謂ドライエッチング法により凹部３が形成されており、凹部３の底部１６に電気接続部１７が位置している。電気配線部材３１を通して外部から印加される電力や電気信号によって適宜必要な圧力発生素子１８が駆動されることによって、吐出口１９からインク滴が吐出され被記録媒体（不図示）に着弾することで記録される。外部とつながる電気配線部材３１は、記録素子基板３０の裏面側１０に配置され、電気接続部１７と、Ａｕワイヤ７を介して接続されている。凹部３内に封止部材を注入することにより、電気接続部１７とＡｕボール１１１との接続部及びＡｕワイヤ７と電気配線部材３１の端子５１との接続部を封止している。

液体供給口２０は、図３（ｂ）に示すように、第１の方向１２に沿って延在している。第１の方向１２に沿って延在する記録素子基板３０の端辺８ａ、８ｂのうち凹部３との距離が最も小さい辺である端辺８ａと、凹部３との間には液体供給口２０が設けられている。このような構成にすることにより、記録素子基板３０の大型化を抑制しつつ、シリコンウエハ４の切断ライン９から離れた場所に凹部３を形成することができる。詳しくは後述するが、シリコンウエハ上に吐出口形成部材等を形成した後に、切断ライン９でシリコンウエハを切断することにより複数の記録素子基板３０を取り出す。本発明においては、切断ライン９近傍には凹部３が形成されないので切断ライン９近傍の剛性の低下を抑制でき、シリコンウエハ４の切断時に切断ライン９周辺で記録素子基板３０が割れてしまうことを抑制することができる。なお、本発明の構成では切断ライン９の近傍に液体供給口２０が配置されることになるが、液体供給口２０の体積は凹部３の体積よりも小さいので、切断ライン９の近傍に液体供給口２０が形成されていても剛性の低下は著しくない。したがって、切断ライン９の近傍に液体供給口２０が配置されることになってもシリコンウエハの切断時において記録素子基板３０が割れてしまうことは少ない。

以上、図３において、ワイヤーボンディングによる電気接続を行った記録素子基板３０について説明を行ったが、本発明はこれに限らず、図２（ｂ）に示すように、中継基板１１７を用いた電気接続によるものでもよい。また、Ａｕワイヤ７の代わりに同様なフライングリードを電気接続部１７に接合してもよい。

（比較例）
本発明に対する比較例について、図１１を参照しながら説明する。図１１は、比較例に係る記録素子基板３０´がシリコンウエハ４´から切り出される前の状態を示した概略図である。なお、説明のため、記録素子基板３０´は簡略化して図示している。比較例に係る記録素子基板３０´が上述した本発明に係る記録素子基板３０と異なる点は、凹部３が記録素子基板３０´の外周部近傍に、切断ライン９に沿って形成されていることである。これにより、切断ライン９付近の剛性が低下し、ウエハを切断ライン９で切断する際に割れやすくなる。

一方、本願の実施形態で説明したように、凹部３を液体供給口よりも内側に形成することにより切断ライン９付近の剛性が向上し、ウエハの切断時に切断ライン９周辺で記録素子基板が割れてしまうことを抑制することできる。

（液体吐出ヘッドの製造方法）
本実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法について、図４及び図５を参照しながら説明する。図４は、各製造工程を示すフローチャート図である。図５は、図４に示す各製造工程に対応した記録素子基板３０の、図２（ａ）に示すＡ−Ａ断面を示す概略図である。

まず、電気接続部１７や液体供給口２０、吐出口形成部材２１等が形成されたシリコンのウエハ４（記録素子基板３０）を用意する（図４の工程１、図５（ａ））。なお、電気接続部１７は、ＡＬとＣｕの合金を厚さ６００ｎｍ程度にすることで形成したが、ＡＬとＳｉの合金、Ａｕ、Ｐｄ等により形成してもよい。

次に、ウエハ４にレジスト（不図示）を形成した後、フォトリソグラフィーを用いて凹部３を形成する部分のレジストを除去した。その後にボッシュプロセスなどのドライエッチングを用いて、基体部１に該当する部分のウエハ４に凹部３を穿設した。また、電気接続部１７と基体部１の間は絶縁のためのシリコン酸化膜（不図示）が形成されているので、このシリコン酸化膜もエッチングで除去し、最後にレジストを除去した。これにより基体部１の裏面１０に、底部に電気接続部１７が露出する凹部３を形成した（図４の工程２、図５（ｂ））。

次に、切断ライン９でウエハ４を切断し、記録素子基板３０を切り出した（図４の工程３）。次に、記録素子基板３０の裏面１０に電気配線部材３１を取り付けた。次に、凹部３にボンディングツール（不図示）を侵入させ、電気配線部材３１の端子５１と電気接続部１７とを、Ａｕワイヤ７を用いたワイヤーボンディングにより接続した。次に、電気接続部１７及び端子５１と、Ａｕワイヤ７とのそれぞれの接続部を覆うため、凹部３の内部に封止部材６３を充填し、ベークして固めた（図４の工程４、図５（ｃ））。最後に、熱硬化性の接着剤１２１を用いて吐出口にインクを供給するための流路部材１２０やその他の部材（不図示）を取り付け、液体吐出ヘッド１００を製造した（図４の工程５、図５（ｄ））。

（第２の実施形態）
本発明に係る第２の実施形態について、図６を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同様の箇所は同一の符号を付し、説明は省略する。図６は、第２の実施形態における記録素子基板３０を裏面１０側から見た概略図である。本実施形態と第１の実施形態との違いは、凹部３の形状である。具体的には、第１の実施形態では図３（ｂ）に示すように１つの凹部３内に電気接続部１７を複数設けていたが、第２の実施形態においては、凹部３が複数形成されそのそれぞれの底部に電気接続部１７を１つずつ設けていることである。これにより、隣り合う凹部３同士の間の領域Ｃにはシリコンの基体部１が残り、記録素子基板３０の剛性が向上する。したがって、ウエハの切断時のみならず、記録素子基板３０に外力等が加わった際に記録素子基板３０が破損することを抑制することができる。

なお、本実施形態は、記録素子基板の裏面に形成されるすべての凹部３が液体供給口２０の内側にある必要はない。すなわち、少なくとも１つの凹部３が液体供給口２０の内側にあればその部分の記録素子基板の剛性は向上するため、本発明の効果は得られる。

（第３の実施形態）
本発明に係る第３の実施形態について、図７及び図８を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同様の箇所は同一の符号を付し、説明は省略する。図７は、第２の実施形態における記録素子基板３０の、図２（ａ）に示すＡ−Ａ断面を示す概略図であり、図８はその変形例である。本実施形態と第１の実施形態との違いは、凹部３の断面形状である。

図７に示す記録素子基板３０の凹部３は、凹部３の深さ方向と直交する方向における開口面積において、異なる大きさの部位を２つ有していることが特徴である。このように凹部３の形状を階段状とするのは、ボンディングツール（不図示）を進入させる開口領域を確保しつつ、電気接続部１７付近に基体部１を多く残すためである。これにより、記録素子基板３０の剛性が向上し、ウエハの切断時のみならず、記録素子基板３０に外力等が加わった際に記録素子基板３０が破損することを抑制することができる。なお、図７においては２段の凹部を図示したが、本発明はこれに限定されることはなく、３段などでもよい。すなわち、凹部３の開口面積において、凹部３が異なる大きさの部位を２つ以上有していればよい。

図８に示す記録素子基板３０の凹部３は、凹部の深さ方向と直交する方向における凹部の開口面積が、裏面１０に向かって徐々に大きくなっていることを特徴とする。このように凹部の側壁をテーパ形状とすることで、図７に示す記録素子基板３０と同様に、基体部１をより多く残すことができる。これにより記録素子基板３０の剛性が向上し、ウエハの切断時のみならず、記録素子基板３０に外力等が加わった際に記録素子基板３０が破損することを抑制することができる。

（第４の実施形態）
本発明に係る第４の実施形態について、図９を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同様の箇所は同一の符号を付し、説明は省略する。図９は、第３の実施形態における記録素子基板３０を裏面１０側から見た概略図である。本実施形態と第１の実施形態との違いは、凹部３の形状である。

結晶方位（１００）面を表面にもつシリコン基板は、ミラー指数＜１１０＞方向に割れやすいことが一般に知られている。したがって、本発明における基体部１を、結晶方位（１００）面をもつシリコン基板により作製した場合、記録素子基板３０は＜１１０＞方向に割れやすくなっている。さらに、凹部３が＜１１０＞方向（矢印５３）に沿う辺を有していると、ウエハの切断時や記録素子基板３０に外力等が加わった際に、記録素子基板３０がより割れやすくなっている。そこで図９に示すように、＜１１０＞方向に対して傾いた辺を有するように凹部３を形成することにより、シリコンの結晶方位に起因する記録素子基板３０の破損を抑制することができる。

（第５の実施形態）
本発明に係る第５の実施形態について、図１０を参照しながら説明する。本実施形態の特徴部は、図１０に示すカバー部材１１０が記録素子基板の吐出口が形成される側の面に設置されていることである。記録装置本体（不図示）と液体吐出ヘッド１００との接合部は、カバー部材１１０を支持する支持部材１１（図１）に設けられており、支持部材１１にはカバー部材１１０が取り付けられている。また、記録素子基板３０はカバー部材１１０に取り付けられている。したがって、記録素子基板３０の位置決め基準はカバー部材１１０である。しかしながら、カバー部材１１０近傍の支持部材１１に液体吐出ヘッド１００との接合部が設けられているため、液体吐出ヘッド１００の種々の構成部品による寸法公差が記録素子基板３０の位置精度に与える影響は小さい。したがって、本実施形態における構成は、記録装置に対する記録素子基板３０の寸法精度の向上という観点から好ましい。また、記録装置と液体吐出ヘッド１００との接合部をカバー部材１１０に設けた方が接合部と記録素子基板３０との距離がより近くなるため、寸法精度の観点からより好ましい。

上記説明した各実施形態において、吐出口１９の片側に液体供給口２０が設けられていたが本発明はこれに限られない。すなわち、吐出口１９の両側に液体供給口２０を設け、２つの液体供給口２０から圧力発生素子に液体を供給する構成であってもよい。さらには、図１２（ａ）に示すように、第１の方向１２に交差する方向において吐出口１９の一方側に圧力発生素子に液体を供給するための液体供給口２０ａを設ける。そして他方側に圧力発生素子に供給された液体で吐出口から吐出されなかった液体を回収するための液体回収口２０ｂを設ける構成であってもよい。このようにすることで、圧力発生素子１８が設けられる圧力室２３の内外で液体を循環させることができる。この場合、記録素子基板３０の辺８に最も近い側に形成されている液体供給口２０すなわち複数の供給口２０ａそれぞれの体積の合計値が凹部３の体積よりも小さければ切断ライン９近傍における記録素子基板の剛性は保たれ、本発明の効果が得られる。

また、図１２（ｂ）に示すように凹部３が複数配列して設けられている場合には、凹部３の体積とは、第１の方向１２に沿って延在する複数の凹部３の体積の合計値とする。すなわち、図１２（ｂ）に示す場合にあっては、複数の供給口２０ａのそれぞれの体積の合計値が複数の凹部３の体積の合計値と比較して小さければ切断ライン９近傍の記録素子基板３０の剛性が保たれ、本発明の効果が得られる。

３ 凹部
８ 端辺
１０ 裏面
１２ 第１の方向
１６ 底部
１７ 電気接続部
１８ 圧力発生素子
１９ 吐出口
２０ 液体供給口
２２ 電気配線
３０ 記録素子基板
１００ 液体吐出ヘッド

Claims (16)

1. 液体を吐出する吐出口と、
   前記液体を吐出するため前記液体を加圧する圧力発生素子と、
   第１の方向に延在し、前記圧力発生素子に前記液体を供給するための液体供給口と、
   前記圧力発生素子と電気配線を介して接続され、前記圧力発生素子を駆動する電力を前記圧力発生素子に供給するための電気接続部と、
   を備える記録素子基板を有する液体吐出ヘッドにおいて、
   前記記録素子基板の前記吐出口が形成される側の面の裏面に、底部に前記電気接続部を備える凹部が前記第１の方向に沿って形成されており、
   前記液体供給口が占める体積は、前記凹部が占める体積よりも小さく、
   前記裏面側から前記記録素子基板を見た場合に、前記第１の方向に沿って延在する前記記録素子基板の端辺のうち前記凹部との距離が最も小さい端辺と、前記凹部との間に前記液体供給口が設けられていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記凹部の前記底部に前記電気接続部が複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記凹部が複数形成され、該複数のそれぞれの凹部の前記底部に前記電気接続部が１つずつ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記凹部は、前記凹部の深さ方向と直交する方向における面積において、異なる大きさの部位を２つ以上有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記凹部の深さ方向と直交する方向における前記凹部の面積が、前記裏面に向かって徐々に大きくなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記記録素子基板は、前記吐出口を備える吐出口形成部材と、前記圧力発生素子を備える基体部とを含み、前記液体供給口は前記基体部を貫通する貫通孔として形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記液体供給口は前記第１の方向に配列される複数の前記貫通孔であることを特徴とする請求項６に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記液体供給口は前記第１の方向に延在する１つの前記貫通孔であることを特徴とする請求項６に記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記記録素子基板は前記吐出口から吐出されなかった液体を回収するための液体回収口をさらに有し、
   前記第１の方向に交差する方向における前記吐出口の一方側に前記液体供給口、他方側に前記液体回収口がそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
10. 前記基体部はシリコン基板であり、前記凹部は、該シリコン基板の＜１１０＞方向に対して傾いた辺を少なくとも有することを特徴とする請求項６に記載の液体吐出ヘッド。
11. 前記圧力発生素子は、前記液体を加熱するためのヒータであることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
12. 複数の前記記録素子基板が液体吐出ヘッドの長手方向に直線状に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
13. 複数の前記記録素子基板が液体吐出ヘッドの長手方向に千鳥状に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
14. 複数の前記記録素子基板が配列されるページワイド型の液体吐出ヘッドであることを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
15. 液体吐出ヘッドの前記吐出口が形成される側を覆うカバー部材をさらに有することを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
16. 前記電気接続部とワイヤを介して電気接続され、前記電力を前記電気接続部に供給するための電気配線部材をさらに有し、
    前記凹部の内部に、前記電気接続部及び前記電気配線部材と、前記ワイヤとのそれぞれの接続部を覆う封止部材が充填されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
    

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