JP2021186996A - 液体吐出ヘッド、吐出ユニット、液体を吐出する装置、貼り合わせ基板 - Google Patents

液体吐出ヘッド、吐出ユニット、液体を吐出する装置、貼り合わせ基板 Download PDF

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Abstract

【課題】電気的接続の信頼性を向上する。【解決手段】液体を吐出するノズルに通じる圧力室を加圧する圧電素子40と、圧力発生素子40に接続された配線電極48とを含む第1基板201と、第1基板201に接合され、配線電極48を露出させる開口部252を有する第2基板202とを備え、第2基板202の開口部252内には、配線電極48の表面よりも反射率の高い第3面253が設けられ、第3面253は、第1基板201側との接合面となる第1面202aを基準面とするとき、配線電極48よりも高い位置にあり、第2基板202の第2面202bよりも低い位置にある。【選択図】図5

Description

本発明は液体吐出ヘッド、吐出ユニット、液体を吐出する装置、貼り合わせ基板に関する。
液体吐出ヘッドとして、アクチュエータ基板と保持基板とを接合した貼り合わせ基板を含むものがある。
例えば、圧力室を加圧する圧力発生手段を含むアクチュエータ基板と、アクチュエータ基板の圧力発生手段に対向する凹部を形成した保持基板とを接合したものが知られている(特許文献1)。
特開2017−052111号公報
ところで、液体吐出ヘッドの流路には耐液性を高めるための保護膜を成膜する。この保護膜が圧力発生手段と外部を通じる配線電極(引き出し電極)の表面に形成されると、電気的接続の信頼性が低下するという課題がある。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、電気的接続の信頼性を向上することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明に係る液体吐出ヘッドは、
圧力発生手段と、前記圧力発生手段と外部とを通じる配線電極とを含むアクチュエータ基板と、
前記アクチュエータ基板と接合され、前記配線電極が露出する開口部が設けられた保持基板と、を備え、
前記開口部内には、前記配線電極の表面よりも反射率の高い面を有している
構成とした。
本発明によれば、電気的接続の信頼性が向上する。
本発明の第1実施形態に係る液体吐出ヘッドの要部断面説明図である。 同液体吐出ヘッドの貼り合わせ基板の平面説明図である。 同貼り合わせ基板の開口部近傍の断面説明図である。 貼り合わせ基板に対する保護膜の成膜の説膜の説明に供する断面説明図である。 同じく図3と同様な断面説明図である。 貼り合わせ基板の開口部に対する保護膜の侵入の説明に供する断面説明図である。 同じく図2と同様な平面説明図である。 比較例の貼り合わせ基板の断面説明図である。 同じく図2と同様な平面説明図である。 本発明の第2実施形態に係る貼り合わせ基板の平面説明図である。 本発明の第3実施形態に係る液体吐出ヘッドをノズル面側から見た外観斜視説明図である。 同じくノズル面と反対側から見た外観斜視説明図である。 同じく分解斜視説明図である。 同じく流路構成部材の分解斜視説明図である。 図14の要部拡大斜視説明図である。 同じく流路部分の断面斜視説明図である。 本発明に係る液体を吐出する装置の一例の概略説明図である。 同装置のヘッドユニットの一例の平面説明図である。
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。本発明の第1実施形態について図1ないし図3を参照して説明する。図1は同実施形態に係る液体吐出ヘッドの要部断面説明図、図2は同液体吐出ヘッドの貼り合わせ基板の平面説明図、図3は同貼り合わせ基板の開口部近傍の断面説明図である。
液体吐出ヘッド1は、液体を吐出するノズル11を有するノズル板10と、本発明に係る貼り合わせ基板200とを備えている。
貼り合わせ基板200は、圧電アクチュエータ基板であり、第1基板201と第2基板202とを接着剤204で貼り合わせた(接合した)基板である。
第1基板201は、アクチュエータ基板であり、流路板20と、振動板部材30と、圧電素子40とを含む。流路板20は、液体を吐出するノズルに通じる圧力室21を形成している。振動板部材30は、圧力室21の変位可能な壁面としての振動領域31を形成する。
圧電素子40は、圧電体41と、圧電体41を挟む共通電極としての下電極42及び個別電極としての上電極43とで構成されている。振動板部材30と下電極42との間には密着層39がある。
第1基板201には、圧電素子40の上電極43及び下電極42と外部とを接続する配線電極48が設けられている。配線電極48は、Alなどが用いられる。
第2基板202は、保持基板であり、第1基板201の圧電素子40を収容する収容部251と、第1基板201の配線電極48を露出する開口部252とを有する。開口部252は貫通穴で形成されている。第2基板202はSi基板で形成した。第2基板202の第1基板201と接合する面を第1面202aとし、第1面202aと反対の面を第2面202bとする。
第2基板202の開口部252内には、配線電極48の表面よりも反射率の高い面(これを「第3面」とする。)253を有している。本実施形態では、第3面253は、開口部252の長手方向の中央部に配置している。
ここで、第3面253は、第2基板202と同じ材質で形成されている。本実施形態では、第2基板202をシリコンで形成しているので、第3面253はシリコンで形成される。なお、第3面253は、第2基板202と同じ材質でなくともよく、Si或いはSiOが挙げられる。また、第3面253は、第2基板202の開口部252の内壁面に隣接して設けている。
第3面253は、第1基板201側との接合面となる第1面202aを基準面とするとき、配線電極48よりも高い位置にあり、第2基板202の第2面202bよりも低い位置にある。
次に、貼り合わせ基板200に対する耐液膜などの保護膜の成膜について図4及び図5を参照して説明する。図4は貼り合わせ基板の断面説明図、図5は同じく図3と同様な要部断面説明図である。
貼り合わせ基板200の第2基板202の第2面202bに保護テープ300を貼り付ける。第2基板202の開口部252(図5に幅広の斜線ハッチングを施した部分)には配線電極48が露出しているので、保護テープ300を貼らずに保護膜301を成膜すると、配線電極48に保護膜301が付着する。配線電極48に保護膜301が付着すると、配線電極48と外部配線とを接続するときに、接続不良が発生する。
保護テープ300を貼付けた後、ALD法によって約10nm〜200nm程度の保護膜301を、圧力室21内に均一に形成する。ALD法は、プリカーサーと呼ばれる気相状態の材料を、材料投入→不要材料のパージ、を繰り返すことで成膜する方法である。ALD法は、成膜速度は低い一方で非常に均一性の高い膜が得られる。
ここで、図5に示すように、第1基板201と第2基板202とが接着剤204によって完全に封止されていれば、保護テープ300によって開口部252は密閉空間となる。したがって、保護膜301を成膜するときに、開口部252内に保護膜301を形成する気相材料が侵入することはなく、配線電極48の表面などに保護膜301が付着することはない。
次に、貼り合わせ基板の開口部に対する保護膜の侵入について図6及び図7を参照して説明する。図6は貼り合わせ基板の断面説明図、図7は同じく図2と同様な平面説明図である。
図6に示すように、第1基板201と第2基板202とが接着剤204によって完全に封止されず、隙間303が生じていると、保護テープ300を貼っても開口部252は密閉空間とならない。そのため、保護膜301を成膜するときに、開口部252内に保護膜301を形成する気相材料が侵入し、配線電極48の表面などに保護膜301が付着する。
ここで、配線電極48はAlで形成されており、配線電極48の表面に保護膜301が付着したことは外観上視認することができない。
一方、開口部252内には、配線電極48の表面よりも高い反射率の第3面253が配置されており、図6及び図7に示すように、第3面253にも開口部252内に侵入した保護膜301を形成する気相材料が付着する。このとき、第3面253は高い反射率を有する面であるため、保護膜301ないし保護膜301を形成する気相材料が付着したことを外観上視認することができる。
これにより、貼り合わせ基板200の良否を容易に判別できるので、電気的接続の信頼性を向上できる。
次に、比較例について図8及び図9を参照して説明する。図8は同比較例の貼り合わせ基板の断面説明図、図9は同じく図2と同様な平面説明図である。
比較例では、第2基板202の開口部252内に、第1実施形態の第3面253を備えていない構成としている。
この比較例の構成でも、図8に示すように、第1基板201と第2基板202とが接着剤204によって完全に封止されず、隙間303が生じていると、保護テープ300を貼っても開口部252は密閉空間とならない。そのため、保護膜301を成膜するときに、開口部252内に保護膜301を形成する気相材料が侵入し、配線電極48の表面などに保護膜301が付着する。
ここで、配線電極48はAlで形成されており、図9に示すように、配線電極48の表面は保護膜301が付着していない状態と同じであり、配線電極48の表面に保護膜301が付着したことを外観上視認することができない。
そのため、貼り合わせ基板200の不良を判別することができない。したがって、不良の貼り合わせ基板200がそのまま液体吐出ヘッド1の構成部品として使用される。結果として、配線電極48と外部との電気的接続の信頼性が低下する。
次に、本発明の第2実施形態について図10を参照して説明する。図10は同実施形態に係る貼り合わせ基板の平面説明図である。
貼り合わせ基板200の第2基板202に開口部252は、平面視において、矩形状をしている。そして、本実施形態では、開口部252の四隅の角部に第3面253を配置している。
次に、本発明の第3実施形態について図11ないし図16を参照して説明する。図11は同実施形態に係る液体吐出ヘッドをノズル面側から見た外観斜視説明図、図12は同じくノズル面と反対側から見た外観斜視説明図、図13は同じく分解斜視説明図、図14は同じく流路構成部材の分解斜視説明図、図15は図14の要部拡大斜視説明図、図16は同じく流路部分の断面斜視説明図である。
液体吐出ヘッド1は、ノズル板10と、流路板(個別流路部材)20と、振動板部材30と、共通流路支流部材50と、ダンパ部材60と、共通流路本流部材70、フレーム部材80と、第2基板となる配線部材(フレキシブル配線基板)101などを備えている。配線部材101にはヘッドドライバ(ドライバIC)102が実装されている。本実施形態では、個別流路部材20と振動板部材30とによって第1基板となるアクチュエータ基板2を構成している。
ノズル板10には、液体を吐出する複数のノズル11を有している。複数のノズル11は、二次元状にマトリクス配置されている。
個別流路部材20は、複数のノズル11に各々連通する複数の圧力室(個別液室)21と、複数の圧力室21に各々通じる複数の個別供給流路22と、複数の圧力室21に各々通じる複数の個別回収流路23とを形成している。1つの圧力室21及びこれに通じる個別供給流路22と個別回収流路23を併せて個別流路25と称する。
振動板部材30は、圧力室21の変形な可能な壁面である振動領域31を形成し、振動領域31には圧電素子40が一体に設けられている。また、振動板部材30には、個別供給流路22に通じる供給側開口32と、個別回収流路23に通じる回収側開口33とが形成されている。圧電素子40は、振動領域31を変形させて圧力室21内の液体を加圧する圧力発生手段である。
なお、個別流路部材20と振動板部材30とは、部材として別部材であることに限定さるものではない。例えば、SOI(Silicon on Insulator)基板を使用して個別流路部材20及び振動板部材30を同一部材で一体に形成することができる。つまり、シリコン基板上に、シリコン酸化膜、シリコン層、シリコン酸化膜の順に成膜されたSOI基板を使用し、シリコン基板を個別流路部材20とし、シリコン酸化膜、シリコン層及びシリコン酸化膜とで振動領域31を形成することができる。この構成では、SOI基板のシリコン酸化膜、シリコン層及びシリコン酸化膜の層構成が振動板部材30となる。このように、振動板部材30は個別流路部材20の表面に成膜された材料で構成されるものを含む。
共通流路支流部材50は、2以上の個別供給流路22に通じる複数の共通供給流路支流52と、2以上の個別回収流路23に通じる複数の共通回収流路支流53とを交互に隣接して形成している。
共通流路支流部材50には、個別供給流路22の供給側開口32と共通供給流路支流52を通じる供給口54となる貫通孔と、個別回収流路23の回収側開口33と共通回収流路支流53を通じる回収口55となる貫通孔が形成されている。
また、共通流路支流部材50は、複数の共通供給流路支流52に通じる1又は複数の共通供給流路本流56の一部56aと、複数の共通回収流路支流53に通じる1又は複数の共通回収流路本流57の一部57aを形成している。
共通流路支流部材50は、第1基板であるアクチュエータ基板2と接合する第2基板である。共通流路支流部材50には、アクチュエータ基板2の圧電素子40を収容する収容部251と、アクチュエータ基板2の圧電素子40と外部を接続する配線電極(前記第11実施形態の配線電極48)を露出する開口部252とを有する。
ダンパ部材60は、共通供給流路支流52の供給口54と対面する(対向する)供給側ダンパ62と、共通回収流路支流53の回収口55と対面する(対向する)回収側ダンパ63を有している。
ここで、共通供給流路支流52及び共通回収流路支流53は、同じ部材である共通流路支流部材50に交互に並べて配列された溝部を、変形可能な壁面を形成するダンパ部材60で封止することで構成している。
共通流路本流部材70は、複数の共通供給流路支流52に通じる共通供給流路本流56と、複数の共通回収流路支流53に通じる共通回収流路本流57を形成する。
フレーム部材80には、通供給流路本流56の一部56bと、共通回収流路本流57の一部57bが形成されている。共通供給流路本流56の一部56bはフレーム部材80に設けた供給ポート81に通じ、共通回収流路本流57の一部57bはフレーム部材80に設けた回収ポート82に通じている。
このように構成したので、前記第1実施形態と同様に、圧力発生手段に通じる配線電極に保護膜が成膜されることが防止されて良否判別が容易になる。
次に、本発明に係る液体を吐出する装置としての印刷装置の一例について図17及び図18を参照して説明する。図17は同装置の概略説明図、図18は同装置の吐出ユニットの一例の平面説明図である。
印刷装置500は、液体を吐出する装置である。印刷装置500は、搬入手段501と、案内搬送手段503と、印刷手段505と、乾燥手段507と、搬出手段509などを備えている。搬入手段501は、ウェブ状のシート材Pを搬入する。案内搬送手段503は、搬入手段501から搬入されたシート材Pを印刷手段505に案内搬送する。印刷手段505は、シート材Pに対して液体を吐出して画像を形成する印刷を行う。乾燥手段507は、シート材Pを乾燥する。搬出手段509は、シート材Pを搬出する。
シート材Pは搬入手段501の元巻きローラ511から送り出され、搬入手段501、案内搬送手段503、乾燥手段507、搬出手段509の各ローラによって案内、搬送されて、搬出手段509の巻取りローラ591にて巻き取られる。
このシート材Pは、印刷手段505において、吐出ユニット550に対向して搬送され、吐出ユニット550から吐出される液体によって画像が印刷され、吐出ユニット555から吐出される処理液で後処理が行われる。
ここで、吐出ユニット550には、例えば、搬送方向上流側から、4色分のフルライン型ヘッドアレイ551A、551B、551C、551D(以下、色の区別しないときは「ヘッドアレイ551」という。)が配置されている。
各ヘッドアレイ551は、液体吐出手段であり、それぞれ、搬送される連続体510に対してブラックK,シアンC、マゼンタM、イエローYの液体を吐出する。なお、色の種類及び数はこれに限るものではない。
ヘッドアレイ551は、例えば、本発明に係る液体吐出ヘッド1をベース部材552上に千鳥状に並べて配置したものであるが、これに限らない。
なお、上記実施形態においては、貼り合わせ基板が液体吐出ヘッドを構成部材である例で説明しているが、これに限るものではない。
つまり、配線電極を有する第1基板と、第1基板に接合され、配線基板を露出させる開口部を有する第2基板とを備え、開口部内には、配線電極の表面よりも反射率の高い面を有している構成とする。
このような貼り合わせ基板としては、例えば半導体基板などを挙げることができる。
これにより、電気的接続の信頼性を向上できる。
本願において、吐出される液体は、ヘッドから吐出可能な粘度や表面張力を有するものであればよく、特に限定されないが、常温、常圧下において、または加熱、冷却により粘度が30mPa・s以下となるものであることが好ましい。より具体的には、水や有機溶媒等の溶媒、染料や顔料等の着色剤、重合性化合物、樹脂、界面活性剤等の機能性付与材料、DNA、アミノ酸やたんぱく質、カルシウム等の生体適合材料、天然色素等の可食材料、などを含む溶液、懸濁液、エマルジョンなどであり、これらは例えば、インクジェット用インク、表面処理液、電子素子や発光素子の構成要素や電子回路レジストパターンの形成用液、3次元造形用材料液等の用途で用いることができる。
液体を吐出するエネルギー発生源(圧力発生手段)として、圧電アクチュエータ(積層型圧電素子及び薄膜型圧電素子)、発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いるサーマルアクチュエータ、振動板と対向電極からなる静電アクチュエータなどを使用するものが含まれる。
「吐出ユニット」は、液体吐出ヘッドに機能部品、機構が一体化したものであり、液体の吐出に関連する部品の集合体が含まれる。例えば、「吐出ユニット」は、ヘッドタンク、キャリッジ、供給機構、維持回復機構、主走査移動機構、液体循環装置の構成の少なくとも一つを液体吐出ヘッドと組み合わせたものなどが含まれる。
ここで、一体化とは、例えば、液体吐出ヘッドと機能部品、機構が、締結、接着、係合などで互いに固定されているもの、一方が他方に対して移動可能に保持されているものを含む。また、液体吐出ヘッドと、機能部品、機構が互いに着脱可能に構成されていても良い。
例えば、吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。また、チューブなどで互いに接続されて、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。ここで、これらの吐出ユニットのヘッドタンクと液体吐出ヘッドとの間にフィルタを含むユニットを追加することもできる。
また、吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとキャリッジが一体化されているものがある。
また、吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドを走査移動機構の一部を構成するガイド部材に移動可能に保持させて、液体吐出ヘッドと走査移動機構が一体化されているものがある。また、液体吐出ヘッドとキャリッジと主走査移動機構が一体化されているものがある。
また、吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドが取り付けられたキャリッジに、維持回復機構の一部であるキャップ部材を固定させて、液体吐出ヘッドとキャリッジと維持回復機構が一体化されているものがある。
また、吐出ユニットとして、ヘッドタンク若しくは流路部品が取付けられた液体吐出ヘッドにチューブが接続されて、液体吐出ヘッドと供給機構が一体化されているものがある。このチューブを介して、液体貯留源の液体が液体吐出ヘッドに供給される。
主走査移動機構は、ガイド部材単体も含むものとする。また、供給機構は、チューブ単体、装填部単体も含むものする。
なお、ここでは、「吐出ユニット」について、液体吐出ヘッドとの組み合わせで説明しているが、「吐出ユニット」には上述した液体吐出ヘッドを含むヘッドモジュールやヘッドユニットと上述したような機能部品、機構が一体化したものも含まれる。
「液体を吐出する装置」には、液体吐出ヘッド、吐出ユニット、ヘッドモジュール、ヘッドユニットなどを備え、液体吐出ヘッドを駆動させて液体を吐出させる装置が含まれる。液体を吐出する装置には、液体が付着可能なものに対して液体を吐出することが可能な装置だけでなく、液体を 気中や液中に向けて吐出する装置も含まれる。
この「液体を吐出する装置」は、液体が付着可能なものの給送、搬送、排紙に係わる手段、その他、前処理装置、後処理装置なども含むことができる。
例えば、「液体を吐出する装置」として、インクを吐出させて用紙に画像を形成する装置である画像形成装置、立体造形物(三次元造形物)を造形するために、粉体を層状に形成した粉体層に造形液を吐出させる立体造形装置(三次元造形装置)がある。
また、「液体を吐出する装置」は、吐出された液体によって文字、図形等の有意な画像が可視化されるものに限定されるものではない。例えば、それ自体意味を持たないパターン等を形成するもの、三次元像を造形するものも含まれる。
上記「液体が付着可能なもの」とは、液体が少なくとも一時的に付着可能なものであって、付着して固着するもの、付着して浸透するものなどを意味する。具体例としては、用紙、記録紙、記録用紙、フィルム、布などの被記録媒体、電子基板、圧電素子などの電子部品、粉体層(粉末層)、臓器モデル、検査用セルなどの媒体であり、特に限定しない限り、液体が付着するすべてのものが含まれる。
上記「液体が付着可能なもの」の材質は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど液体が一時的でも付着可能であればよい。
また、「液体を吐出する装置」は、液体吐出ヘッドと液体が付着可能なものとが相対的に移動する装置があるが、これに限定するものではない。具体例としては、液体吐出ヘッドを移動させるシリアル型装置、液体吐出ヘッドを移動させないライン型装置などが含まれる。
また、「液体を吐出する装置」としては、他にも、用紙の表面を改質するなどの目的で用紙の表面に処理液を塗布するために処理液を用紙に吐出する処理液塗布装置、原材料を溶液中に分散した組成液を、ノズルを介して噴射させて原材料の微粒子を造粒する噴射造粒装置などがある。
なお、本願の用語における、画像形成、記録、印字、印写、印刷、造形等はいずれも同義語とする。
1 液体吐出ヘッド
2 アクチュエータ基板(第1基板)
10 ノズル板
11 ノズル
20 個別流路部材
21 圧力室
22 個別供給流路
23 個別回収流路
30 振動板部材
40 圧電素子
48 配線電極
50 共通流路支流部材(第2基板)
52 共通供給流路支流
53 共通回収流路支流
56 共通供給流路本流
57 共通回収流路本流
200 貼り合わせ基板
201 第1基板(アクチュエータ基板)
202 第2基板(保持基板)
252 開口部
253 第3面(配線電極の表面よりも反射率の高い面)
500 印刷装置(液体を吐出する装置)
550 吐出ユニット

Claims (9)

  1. 圧力発生手段と、前記圧力発生手段と外部とを通じる配線電極とを含むアクチュエータ基板と、
    前記アクチュエータ基板と接合され、前記配線電極が露出する開口部が設けられた保持基板と、を備え、
    前記開口部内には、前記配線電極の表面よりも反射率の高い面を有している
    ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
  2. 前記反射率の高い面は、前記開口部の内壁面に隣接して設けられている
    ことを特徴とする請求項1に記載の液体吐出ヘッド。
  3. 前記開口部は、平面視において、複数の角部を有し、
    前記反射率の高い面は、前記開口部の角部に配置されている
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の液体吐出ヘッド。
  4. 前記開口部は、平面視において、矩形状であり、
    前記反射率の高い面は、前記開口部の長手方向の中央部に配置されている
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の液体吐出ヘッド。
  5. 前記反射率の高い面は、前記保持基板と同じ材質で形成されている
    ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
  6. 前記反射率の高い面は、シリコンで形成されている
    ことを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
  7. 請求項1ないし6のいずれかに記載の液体吐出ヘッドを備えている
    ことを特徴とする吐出ユニット。
  8. 請求項1ないし6のいずれかに記載の液体吐出ヘッド、又は、請求項7に記載の吐出ユニットを備えている
    ことを特徴とする液体を吐出する装置。
  9. 配線電極を有する第1基板と、
    前記第1基板に接合され、前記配線基板を露出させる開口部を有する第2基板と、を備え、
    前記開口部内には、前記配線電極の表面よりも反射率の高い面を有している
    ことを特徴とする貼り合わせ基板。
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