JP2020131445A - 液体吐出ヘッドとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吐出不良の発生を抑えるとともに、素子基板の損傷を抑えることができる液体吐出ヘッドを提供する。【解決手段】液体吐出ヘッド４が、エネルギー発生素子５を備えた基板１と、基板１に積層されており、液体を吐出する吐出口３を有する吐出口形成部材２と、吐出口形成部材２に設けられた補強リブ１０と、基板１に形成され、液体の流路の一部を構成する凹部６と、を有し、補強リブ１０は凹部６の内部に入り込んでいる。【選択図】図２

Description

本発明は液体を吐出する液体吐出ヘッドとその製造方法に関する。

吐出口から液体を吐出する液体吐出ヘッドの一種として、液体インクを紙等の記録媒体に吐出して記録を行うインクジェット記録ヘッドがある。インクジェット記録ヘッドとして、吐出口と、吐出口に連通する個別流路と、個別流路に液体を供給する共通液室および供給路と、液体吐出用のエネルギーを発生するエネルギー発生素子とを少なくとも備えた素子基板を有するものがある。素子基板はシリコンからなる基板を含み、基板を厚さ方向に貫通する供給路が設けられている。液体が流通または貯留する吐出口、個別流路、共通液室は、基板や吐出口形成部材に形成された凹部から形成されているため、基板や吐出口形成部材は外力に対して脆弱な構成となりやすい。
特許文献１には、吐出口形成部材の、基板に対向する面に、梁状突起と補強リブが形成された構成が記載されている。特許文献１に記載の構成では、補強リブが、吐出口形成部材の剛性を向上させて、外力による吐出口形成部材の損傷を抑えている。

特開2007-283501号公報

近年、記録の高画質化や高速度のために、液体吐出ヘッドの吐出口数は増加傾向にあり、それに応じて素子基板の大型化が進んでいる。素子基板は、大型化に伴ってより大きな応力を受ける可能性があり、吐出口形成部材の剥離や破断を防ぐためにさらなる高剛性化が求められる。
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、補強リブは液体の流れに対する壁となるため、インクの流通を阻害し、吐出特性に影響を及ぼすことがある。従って、複数の補強リブを高密度に配列することは難しい。そこで、吐出特性の観点から、複数の補強リブがエネルギー発生素子の配列方向に沿って比較的大きな一定の間隔で配置された上に、補強リブ同士の間に柱状の突起が配置される。また、補強リブは基板の接合面に接着されるが、基板との接着力よりも大きなせん断応力が加わると、補強リブが基板から剥離して離れ、液体の流れに対する抵抗が変化して、吐出不良を生じて記録品位を低下させることがある。
そこで本発明は、良好な液体吐出を行うとともに、素子基板の損傷を抑えることができる液体吐出ヘッドとその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の液体吐出ヘッドは、エネルギー発生素子を備えた基板と、基板に積層されており、液体を吐出する吐出口を有する吐出口形成部材と、吐出口形成部材に設けられた補強リブと、基板に形成され、液体の流路の一部を構成する凹部と、を有し、補強リブは凹部の内部に入り込んでいることを特徴とする。

本発明によると、良好な液体吐出を行うとともに、素子基板の損傷を抑えることができる液体吐出ヘッドとその製造方法を提供することができる。

本発明の液体吐出ヘッドの斜視図である。 図１に示す液体吐出ヘッドの平面断面図と正面断面図である。 本発明の実施例１の液体吐出ヘッドの製造方法を工程順に示す正面断面図である。 本発明の実施例２の液体吐出ヘッドの製造方法を工程順に示す正面断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［液体吐出ヘッドの基本構成］
図１は、本発明に係る液体吐出ヘッド４の斜視図である。図１では、内部構造がわかるように、吐出口形成部材２の一部分を省略している。本発明の液体吐出ヘッド４は、エネルギー発生素子５を備えた基板１と、基板１上に形成された吐出口形成部材２と、を含む素子基板を有している。吐出口形成部材２は、基板１のエネルギー発生素子５が設けられた面と対向する対向部を貫通する複数の貫通孔を有している。吐出口形成部材２は樹脂材料で形成されており、フォトリソグラフィ技術やエッチング技術を用いて複数の貫通孔が一括して形成されている。吐出口形成部材２に設けられた貫通孔は、基板１のエネルギー発生素子５が設けられた面と対向する位置に開口する第１の開口部と、液体を吐出する側に設けられた第２の開口部とが連通して形成されている。貫通孔は、エネルギー発生素子５により生じたエネルギーを付与された液体が吐出する吐出口３として用いられる。複数の吐出口３が所定のピッチで列をなすように配置されて、吐出口列が構成されている。尚、ここでの貫通孔は、吐出口形成部材２を貫通する貫通孔であり、後述する基板１に形成される凹部としての貫通孔とは異なる。

基板１に設けられるエネルギー発生素子５としては、電気熱変換素子などの発熱素子（ヒーター）または圧電素子（ピエゾ素子）等を用いることができる。吐出口列に対向する位置には、複数のエネルギー発生素子５が複数の列をなすように配置されている。このエネルギー発生素子の列（素子列）同士の間には、基板１を貫通してエネルギー発生素子５に液体を供給する凹部であって、液体の流路の一部を構成する供給路６が設けられている。なお、ここで言う凹部は、基板１に形成された細長い溝である溝部や、基板１を貫通する貫通孔も含む。

吐出口形成部材２が基板１上に積層され、それらの間に設けられた凹部が、吐出口形成部材２と基板１との間に位置する空間を構成する。この空間が、液体が通る流路となる。エネルギー発生素子５が設けられた位置に形成されてエネルギー発生素子５を内包する空間を圧力室１８（図２参照）と称する。この圧力室１８へ繋がる流路を個別流路７と称する。供給路６から個別流路７に繋がる流路を共通液室８と称する。基板１と吐出口形成部材２の、互いに当接する部分には、密着向上樹脂層９（図２参照）が設けられている。基板１には、エネルギー発生素子５に電気を供給する為の端子（コンタクトパッド）１７が設けられている。基板１の端子１７は外部の駆動回路等と電気的に接続されている。端子１７を介してエネルギー発生素子５に電力が供給されて、エネルギー発生素子５が作動してエネルギーを発生し、そのエネルギーを受けた圧力室１８内の液体が吐出口３から外部へ吐出する。

［補強リブとその周囲の構成］
前述した構成の液体吐出ヘッドにおいて採用されている、本発明の特徴部分である補強リブ１０とのその周囲の構成について説明する。図２（ａ）は本発明の液体吐出ヘッドの、吐出口形成部材２の一部を切断して示す平面断面図である。図２（ａ）では、密着向上樹脂層９をハッチングで表し、それ以外の吐出口形成部材２の形状は主に破線で示している。図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線の位置で切断した断面図である。この液体吐出ヘッドでは、基板１の第１の面上に電気配線層（不図示）とエネルギー発生素子５とが形成され、さらにその上に、絶縁性を持つ配線保護層（不図示）と密着向上樹脂層９が配置されている。基板１には、基板１を厚さ方向に貫通する凹部（貫通孔）である供給路６が形成されている。

吐出口形成部材２には、厚さ方向に貫通する吐出口３が設けられている。吐出口形成部材２の、基板１と対向する面には、個別流路７、共通液室８、圧力室１８をそれぞれ構成する凹部が形成されているとともに、基板１の第１の面に当接する柱状突起１１が形成されている。また、吐出口形成部材２の、基板１との接合面よりも基板１側にさらに突出する補強リブ１０が形成されている。

基板１の第１の面と、吐出口形成部材２の、凹部や補強リブ１０および柱状突起１１が形成された面とが、互いに接合されている。それにより、基板１を貫通する供給路６から、共通液室８、個別流路７、圧力室１８を介して、吐出口形成部材２を貫通する吐出口３まで連通して、液体の流路が構成されている。吐出口形成部材２に一体的に形成された柱状突起１１が、共通液室８内に位置し、先端部が基板１に当接した状態で固定されている。さらに、吐出口形成部材２に一体的に形成された補強リブ１０が、基板１の供給路６の内部に入り込んでいる。すなわち、補強リブ１０は、厚さ方向において基板１の内側まで延びており、先端部が基板１の第１の面（吐出口形成部材２との接合面）を越えて供給路６の内部まで進入している。そして、補強リブ１０は供給路６の内面に接触した状態で固定されている。

このように形成された補強リブ１０は、供給路６の内面に接触して固定されており、例えば吐出口形成部材２の液体による膨潤や、実装工程での接着材の収縮によるせん断応力に起因して剥がれるおそれが小さい。また、この補強リブ１０が基板１上で占める平面的な面積は、特許文献１の構成と同程度であってもよいが、本実施形態の補強リブ１０が、インクの流通を特に阻害することはなく、吐出特性を損ないにくい。補強リブ１０の剥離抑制のために補強リブ１０に加わる応力を緩和するという観点から、吐出口列に平行な列をなすように複数の補強リブ１０が配置されることが好ましい。特に、複数個の補強リブ１０が一定間隔で並べて配置されることが好ましい。補強リブ１０の高さ、すなわち供給路６の内部に入り込む深さは、吐出口形成部材２の接合面の平面度を考慮すると１０μｍ以下であることが好ましい。この補強リブ１０の供給路６の内部に入り込む深さは、液体吐出ヘッド４の製造過程におけるテープと充填材を配設するプロセスの条件によって制御することができる。この点については後述する。

［液体吐出ヘッドの製造方法］
本発明の液体吐出ヘッドの具体的な製造方法について説明する。
（実施例１）
図３（ａ）〜３（ｈ）は、液体吐出ヘッドの製造方法の実施例１の各工程を順番に示す断面図である。図３（ａ）に示すように、シリコンからなる基板１の第１の面、すなわちシリコンの結晶方位が〈１００〉である面に、ＴａＳｉＮからなる発熱素子であるエネルギー発生素子５と、その制御信号用の電気配線（不図示）と、密着向上樹脂層９を形成した。その後、配線保護層としてＳｉＮ等からなる絶縁層を形成した成膜によって形成した（不図示）。さらに、配線保護層や密着向上樹脂層９を覆うように、耐アルカリ保護層１２を塗布した。そして、レーザー等を用いて、基板１の供給路６が形成される部分に、貫通孔１３を形成した。密着向上樹脂層９は、基板１と吐出口形成部材２との密着性を向上させるための層である。耐アルカリ保護層１２は環化ゴム等からなり、供給路６を形成する工程等で用いられる強アルカリエッチング液による、配線保護層や密着向上樹脂層９などを含む基板１の表面へのダメージを抑えるための層である。

次に、図３（ｂ）に示すように、基板１の両面から異方性エッチングを行って供給路６を形成した。異方性エッチングの際には、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）をエッチング液として使用した。その後、耐アルカリ保護層１２を除去した。耐アルカリ保護層１２を除去した後に、図３（ｃ）に示すようにテープ１４を貼りつけた。本実施例のテープ１４は基材と粘着剤の２層構造であり、例えばポリオレフィンからなる基材と、アクリル系のＵＶ硬化タイプの粘着剤が用いられる。ただし、例えばポリエステルやアクリル等からなる基材や、ゴム系の熱硬化タイプの粘着材等を使用してもよい。一例としては、減圧環境下でテープ１４を基板１に貼り付け、その後に常圧に戻して、その際の圧力によってテープ１４の粘着剤を供給路６の内部まで引き込むようにした。このようにしてテープ１４を貼り付けることにより、粘着剤の一部が供給路６の内部に入り込んだ状態にした。テープ１４の寸法（粘着剤の厚さなど）や貼り付け工程の条件（圧力など）は、前述したようにテープ１４の一部が供給路６の内部に入り込むことができるように設定した。言い換えると、粘着剤の厚さや貼り付け工程の圧力条件によって、テープ１４が供給路６内に入り込む深さを調整することができる。具体的には、厚さが約５０μｍの粘着剤を有するテープ１４を、１００Ｐａ程度の減圧環境下で基板１に貼り付け、その後に常圧に戻すことにより、基板１の第１の面から供給路６の内部に約５μｍ入り込んだ状態にすることができた。ただし、テープ１４の一部が供給路６内に入り込むように貼り付けることができれば、減圧環境を利用するのではなく、ローラー等で加圧して基板１に貼り付ける方法を採用してもよい。

次に、図３（ｄ）に示すように、基板１の第２の面（第１の面と反対側の面）側から充填材１５を塗布した。このとき、テープ１４を、充填材１５のストップ層として利用した。充填材１５は、テープ１４に沿って供給路６内に隙間なく充填される。充填材１５は、固形分濃度３０ｗｔ％のポリビニルアルコール水溶液を用い、ベーク後の膜厚が約２０μｍとなるように塗布を行うことで形成した。それから、図３（ｅ）に示すようにテープ１４を剥離した。図３（ｃ），３（ｄ）に示すように一部が供給路６内に入り込むようにテープ１４を貼りつけていたため、テープ１４の剥離後には、図３（ｅ）に示すように充填材１５と供給路６の内面との間に隙間１９が生じた。

基板１上にスピンコート法等によりポジ型感光性樹脂を塗布して、厚さ１５μｍの型材１６を形成した。その後、図３（ｆ）に示すように、フォトリソグラフィ法により型材１６をパターニングした。このとき、補強リブ１０を形成する部分に位置する型材１６は除去し、共通液室８となる部分の型材１６は残すようにパターニングを行った。

次に、図３（ｇ）に示すように、パターニングされた型材１６の上に、スピンコート法等によりネガ型感光性樹脂層を塗布して、厚さ２０μｍの吐出口形成部材２を形成した。このとき、基板１の第１の面から深さ約５μｍの範囲に生じている、充填材１５と基板１の供給路６の内面との間の隙間１９にも、ネガ型感光性樹脂層（吐出口形成部材２を構成する材料）を塗布した。この部分が補強リブ１０になった。すなわち、基板１のテープ１４を剥がした後の位置を含む領域に吐出口形成部材２を形成することにより、充填材１５と基板１の供給路６の内面との間の隙間１９に補強リブ１０を形成した。そして、フォトリソグラフィ法により吐出口形成部材２をパターニングし、吐出口３を形成した。また、充填材１５を除去した。最後に、図３（ｈ）に示すように型材１６を除去して、圧力室１８、個別流路７、共通液室８、柱状突起１１を形成した。それから２００℃に加熱して熱硬化を行った。

以上説明した工程によって、１枚の基板１に複数の液体吐出機構が形成されたウエハを作製した。このウエハの基板１をダイシングにより切断して、複数のチップを得た。切り出されたチップは、液体供給のためのチッププレート（不図示）に接続され、液体吐出ヘッド４が構成された。このようにして本発明の液体吐出ヘッド４が完成した。

なお、補強リブ１０が基板１の第１の面から供給路６内に好ましい深さだけ入り込むように制御するために、テープ１４の粘着剤の厚さは１０〜５０μｍとすることが好ましい。そして、テープ１４の貼付工程は、５０〜２００Ｐａの低真空度または中真空度の減圧環境下で行うことが好ましい。充填材１５としては、ポリビニルアルコールやワックスや環化ゴムなどが使用できるが、後工程で使用される有機溶剤に溶解しにくく、水や湯などで容易に除去できる材料であることが好ましい。充填材１５は、ディスペンスやスクリーン印刷によって塗布され、乾燥させられることによって形成される。供給路６内において充填材１５によって充填される深さは、強度の観点から１０μｍ以上であることが好ましい。

本実施例の液体吐出ヘッド４の補強リブ１０は、吐出口形成部材２に一体的に形成され、基板１の供給路６の内面に密着して固定されている。従って、補強リブ１０は容易に剥離することはなく、基板１と吐出口形成部材２との接合強度を向上させる。そして、この補強リブ１０は、液体の流れの中間に位置するのではなく、供給路６の内面に密着しているため、流抵抗にはならず、液体の流れを阻害することはない。

（実施例２）
図４を参照して本発明の実施例２の液体吐出ヘッドの製造方法について説明する。実施例１と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。
実施例１においては、テープ１４を、一部が供給路６内に入り込むように貼り付けることで、補強リブ１０を供給路６の内部に入り込むように形成した。これに対し、本実施例では、図４（ａ），４（ｂ）に示すように実施例１と同様に基板１の第１の面に耐アルカリ保護層１２を塗布し、供給路６を形成した後に、図４（ｃ）に示すように、テープ１４を基板１の第１の面に平行に貼り付けた。そして、図４（ｄ）に示すように、充填材１５を基板１の第２の面（第１の面と反対側の面）側からテープ１４に接する位置に塗布した。すなわち、基板１の第１の面から見て供給路６内の浅い位置に充填材１５が充填されるようにした。充填材１５の固形分濃度は２０ｗｔ％であり、ベーク後の膜厚が約５０μｍになるように形成した。次に、図４（ｅ）に示すように、６０℃で５分間の加熱を行い、充填材１５をベークした。実施例１と比べて充填材１５の水分量が多く、膜厚が厚いために、ベーク時に熱収縮が起こった。その結果、充填材１５と供給路６の内面との間であって、基板の第１の面から深さ約５μｍの範囲に、隙間１９が生じた。その後、図４（ｆ）〜４（ｈ）に示すように、実施例１と同様に吐出口形成部材２を形成し、その一部を充填材１５と供給路６の内面との間の隙間１９に浸入させ、補強リブ１０を形成した。そして、フォトリソグラフィ法等を用いて、吐出口３、個別流路７、共通液室８、柱状突起１１、圧力室１８を形成し、２００℃に加熱して熱硬化を行った。本実施例でも、補強リブ１０を基板１の供給路６の内面に密着して形成することで、剥離のおそれを低減し、基板１と吐出口形成部材２との接合強度を向上させた。そして、補強リブ１０は、流抵抗にはならず、液体の流れを阻害することはない。なお、本実施例では、充填材１５の固形分濃度、塗布量、ベーク温度を調整することで、充填材１５と供給路６の内面との間の隙間１９を調整し、所望の大きさの補強リブ１０を形成することができる。

以上の説明では、補強リブ１０を供給路６の内部に入り込むように形成したが、基板１に設けられたその他の凹部（例えば共通液室など）の内部に入り込むように補強リブ１０を形成することも可能である。

１ 基板
２ 吐出口形成部材
３ 吐出口
４ 液体吐出ヘッド
５ エネルギー発生素子
６ 供給路
１０ 補強リブ

Claims (14)

1. エネルギー発生素子を備えた基板と、前記基板に積層されており、液体を吐出する吐出口を有する吐出口形成部材と、前記吐出口形成部材に設けられた補強リブと、前記基板に形成され、前記液体の流路の一部を構成する凹部と、を有し、前記補強リブは前記凹部の内部に入り込んでいることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記補強リブは前記凹部の内面に密着して固定されている、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記凹部は、前記基板を厚さ方向に貫通する供給路である、請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記供給路は、前記基板と前記吐出口形成部材との間に構成されている共通液室と個別流路と圧力室とを介して、前記吐出口と連通している、請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記補強リブが前記基板の前記吐出口形成部材との接合面から前記凹部の内部に入り込む深さが、０μｍより大きく１０μｍ以下である、請求項１から４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記補強リブが一定間隔で複数個並べて配置されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記基板と前記吐出口形成部材との間に樹脂層が設けられている、請求項１から６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
8. 基板に、該基板を貫通する貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔が形成された前記基板にテープを貼り付ける工程と、前記貫通孔の内部の前記テープに接する位置に充填材を塗布する工程と、前記充填材を塗布した後に前記テープを剥がす工程と、前記基板の前記テープを剥がした後の位置の少なくとも一部を含む領域に吐出口形成部材を形成する工程と、前記吐出口形成部材に、該吐出口形成部材を貫通する吐出口を形成する工程と、を含み、
   前記テープを貼り付ける工程において前記テープの一部を前記貫通孔の内部に入り込ませ、前記テープを剥がす工程において前記充填材と前記貫通孔の内面との間に隙間を生じさせ、前記吐出口形成部材を形成する工程において前記吐出口形成部材を構成する材料の一部を前記隙間の内部に進入させ、前記隙間の内部に進入させた材料により補強リブを形成することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
9. 前記テープを貼り付ける工程では、減圧環境下で前記テープを貼り付けた後に常圧に戻すことにより前記テープの一部を前記貫通孔の内部に引き込む、請求項８に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
10. 基板に、該基板を貫通する貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔が形成された前記基板にテープを貼り付ける工程と、前記貫通孔の内部の前記テープに接する位置に充填材を塗布する工程と、前記充填材を塗布した後に前記テープを剥がす工程と、前記基板の前記テープを剥がした後の位置の少なくとも一部を含む領域に吐出口形成部材を形成する工程と、前記吐出口形成部材に、該吐出口形成部材を貫通する吐出口を形成する工程と、を含み、
    塗布した前記充填材を収縮させて前記充填材と前記貫通孔の内面との間に隙間を生じさせ、前記吐出口形成部材を形成する工程において前記吐出口形成部材を構成する材料の一部を前記隙間の内部に進入させ、前記隙間の内部に進入させた材料により補強リブを形成することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
11. 前記補強リブを、前記基板の前記吐出口形成部材との接合面から０μｍより大きく１０μｍ以下の深さだけ前記貫通孔の内部に入り込むように形成する、請求項８から１０のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
12. 前記補強リブを一定間隔で複数個並べて形成する、請求項８から１１のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
13. 前記貫通孔は、液体の流路の一部を構成する供給路である、請求項８から１２のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
14. 前記基板と前記吐出口形成部材との間に共通液室と個別流路と圧力室とを構成して、前記供給路と前記吐出口とを連通させる、請求項１３に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。

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