JP2022020351A - 液体吐出ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 簡便な方法で液体吐出基板の反りを抑制する。【解決手段】 支持部材の第2の面から第1の間隔にある液体吐出基板の第1の面の第1の部分と、支持部材との間に第1の接着剤を介在させ、支持部材の第2の面から第1の間隔よりも短い第2の間隔にある液体吐出基板の第1の面の第2の部分と、支持部材との間に第2の接着剤を介在させる。接着剤を硬化する際に、第1の接着剤の収縮に伴い発生する応力が、第2の接着剤の収縮に伴い発生する応力よりも大きい。【選択図】 図6
Description
本発明は、液体を吐出する液体吐出ヘッド、および液体吐出ヘッドの製造方法に関する。
近年、コストダウンの観点から、製品をより安く生産するために、液体吐出ヘッドは小型化される傾向がある。それに伴い、液体吐出ヘッドの構成部品である液体吐出基板も小サイズ化、薄層化が進んできた。
液体吐出基板はシリコンウエハーから製造されるため、液体吐出基板の小サイズ化や薄層化が行われると、一枚のシリコンウエハーから製造できる基板の個数が多くなり、実質的にコストダウンに繋げることができる。しかし、その一方で、液体吐出基板は薄くなると、反りが発生しやすくなることが新たな課題となった。
液体吐出ヘッドにおいて液体吐出基板が反っていると、液体を吐出した際に印字記録物への着弾が狙いの位置から外れてしまい、印字品位の低下を引き起こしてしまう恐れがある。
基板の反りの対策として、特許文献1には、基板の側面に接着剤を半硬化の状態で配置して基板を支持部材へ実装する方法が記載されている。具体的には、この方法は、コレットで基板の反りを矯正しながら、半硬化の接着剤を完全硬化させて支持部材へ固定することで、基板の反りの矯正を行うものである。
しかし、特許文献1に記載されたような方法は、接着剤を半硬化状態にしてブレードで切断したり、半硬化の接着剤に加熱コレットを直接当接して硬化させたりするような、煩雑な工程を要し、製造工程の負荷が増大する恐れがある。例えば、ブレードで切断した時に接着剤の切削カスが飛び散って液体の吐出口に付着し、開口部を塞ぐ恐れがある。また、半硬化状態の接着剤がコレットの表面に付着して蓄積してしまうと、頻繁にメンテナンス作業が必要となり、連続的な生産ができなくなる恐れもある。
このように、特許文献1に記載されたような方法で基板の反りを抑制すると、製造工程の負荷を増大する恐れがある。
そこで、本発明は、簡便な方法で液体吐出基板の反りを抑制することを目的とする。
上記課題を解決するための本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、液体吐出基板の第1の面と支持部材の第2の面とを接着剤を介して配置し、接着剤を硬化させて前記液体吐出基板と前記支持部材とを接合する液体吐出ヘッドの製造方法において、前記配置する際に、前記第2の面から第1の間隔にある前記第1の面の第1の部分と、前記支持部材との間に第1の接着剤を介在させ、前記第2の面から前記第1の間隔よりも短い第2の間隔にある前記第1の面の第2の部分と、前記支持部材との間に第2の接着剤を介在させ、前記硬化する際に、前記第1の接着剤の収縮に伴い発生する応力が、前記第2の接着剤の収縮に伴い発生する応力よりも大きいことを特徴とする。
本発明によると、簡便な方法で液体吐出基板の反りを抑制することができる。
以下、本発明を実施するための形態を説明する。
図1(a)は、本発明を適用可能な実施形態である液体吐出ヘッドの一部となる、液体吐出ユニット1を示す斜視図である。
液体吐出ヘッドは、この液体吐出ユニット1のほか、液体吐出ユニット1へ電気信号を送信するための電気接続部品や、液体吐出ユニット1へ液体を供給する液体供給部品などを有するが、図示は省略する。この液体吐出ユニット1は、液体吐出基板2と、液体吐出基板2を支持する支持部材3と、液体吐出基板2と支持部材3とを接合する接着剤4と、を有する。なお、液体吐出ユニット1を液体吐出ヘッドとも称する。
支持部材3は、液体吐出基板2を接合する際の土台となり、かつ、吐出する液体を液体供給部品から液体吐出基板2へ供給するための通り道となる流路構造(不図示)をもった部品である。支持部材3の材質に特に制限はないが、土台として頑丈な剛体であること好ましいため、金属、セラミック、成型樹脂などが好適であり、本実施形態では酸化アルミニウム(Al2O3)で形成された支持部材3を使用する。
図1(b)は、液体吐出基板2を示す断面斜視図である。液体吐出基板2は、液体を吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子7を備えたシリコン基板13に対し、表側に樹脂で形成された吐出口形成部材14と、裏側に樹脂で形成されたカバープレート15(樹脂層)と、を張り合わせた構成となっている。シリコン基板13は、エネルギー発生素子7へ液体を供給できるように裏面と表面とを貫通する液体の流路16を備えている。
シリコン基板13の表面に貼り合わせる吐出口形成部材14は、シリコン基板13の流路16の開口よりも微細な吐出口5を列状に配置した構造を持っており、微小な液滴で液体を吐出することができる。一方、シリコン基板13の裏面に貼り合わせるカバープレート15は、シリコン基板13の流路16の開口よりも小さな開口17を備えており、支持部材3の流路の開口部と向かい合わせた状態で接着することで流路構造の一部となる。シリコン基板13の裏面にカバープレート15を張り合わせた液体吐出基板2では、カバープレート15の小さな開口17を、これよりも大きい、支持部材3の開口部を合わせて接着するため、多少のずれが合っても流路を連通させられるメリットがある。
シリコン基板13の薄層化に伴い、このような液体吐出基板2では、シリコン基板13と裏面に貼り合わせたカバープレート15との線膨張差により、裏面のカバープレート15の方が縮みが大きいため、液体吐出基板2は上反りになりやすい傾向がある。
なお、裏面のカバープレート15をコスト削減の観点等から省略する場合もある。このような液体吐出基板2では、表面に貼り合わせる吐出口形成部材14の収縮の影響により、下反りになりやすい傾向がある。
図2は液体吐出基板2の反りを説明するための側面図である。液体吐出基板2の反りとは、吐出口5が形成された吐出口形成面6を基準とした時に、液体吐出基板2の長手方向(X方向)における中央部6cと端部6eとで、高さの差(Z方向の位置の差)が生じている状態のことである。つまり、液体吐出基板2を側面から見た際に、中央部6cが端部6eよりも高ければ上反りの液体吐出基板2aである(図2(a))。すなわち、上反りの液体吐出基板2aは、吐出口形成面6の側に向かって凸となる形状である。一方で、液体吐出基板2の長手方向における中央部6cが端部6eよりも低ければ下反りの液体吐出基板2bである(図2(b))。図1(b)のようなシリコン基板13の表裏面のそれぞれに樹脂層が貼り付けられた構成で、図2(a)に示すような上反りの形状である場合、例えば液体吐出基板2の総厚が1000μmのもので、例えば10μm程度の反り(図2の反り6hの長さ)を有する。
また、液体吐出基板2の反りは、液体吐出基板2の長手および短手のどちらにも発生するが、液体吐出基板2の長手側面から見た反りの方がより顕著に現れやすい。ここで、液体吐出基板2の長手方向は、吐出口5の配列方向でもある。
このような反りがある液体吐出基板2を支持部材3に対して接着剤4で接合すると、液体吐出ユニット1の形態になっても液体吐出基板2の上反りまたは下反りが残留してしまう。液体吐出基板2の反りが残留した状態の液体吐出ユニット1から製作した液体吐出ヘッドで液体を吐出すると、印字記録物への着弾が狙いの位置から外れてしまい、印字品位の低下を引き起こす恐れがある。これは、通常、液体を吐出する際、吐出口形成面6と印字記録物とを向かい合わせて略平行にした状態とするが、液体吐出基板2に反りがあると、吐出口と印字記録物との距離や角度が吐出口の位置によって異なってしまう。そのため、液体が反れた方向に吐出されたり、吐出口5から印字記録物までの距離の違いにより吐出された液体が受ける空気抵抗の差で着弾精度のばらつきが生じたりする恐れがある。
そこで、本実施形態では、液体吐出基板2と支持部材3とを接合する接着剤4の硬化収縮の特性を利用して、反りがある液体吐出基板2と支持部材3とを接合して液体吐出ユニット1の形態にしたときに、液体吐出基板2の反りを抑制するものである。すなわち、液体吐出基板2と支持部材3とを接合する前と比べて接合した(接着剤4の硬化終了)後に、液体吐出基板2の反りの大きさ6h(図2)を小さくする。なお、液体吐出基板2の中央部6cと端部6eとの高さが等しく、水平になることが最も好ましい。
次に、接着剤4について説明する。一般的に接着剤4は、硬化する過程で体積が減少する特性、すなわち、硬化収縮の特性をもっている。そして、本実施形態では、液体吐出基板2と支持部材3との間に接着剤4を配置しているため、接着剤4が収縮すると、液体吐出基板2と支持部材3とを引き寄せようとする力が働く。ここで、支持部材3は土台として頑丈な剛体であるため、接着剤4の硬化収縮に伴って生じる応力は、主に液体吐出基板2を引き寄せることに使われ、それが反り部に作用すれば、反りを抑制させることができる。すなわち、液体吐出基板2の反りの高さが異なる部位に対して接着剤4の硬化収縮による応力の差を生じさせることで、液体吐出基板2の反りを抑制させることができる。よって、本実施形態では、硬化収縮率の大きな接着剤を用いることが好適となる。このような接着剤4としては、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、エポキシアクリレート樹脂、イミド樹脂、アミド樹脂等の接着剤が挙げられる。また、その硬化方式としては、硬化剤を混合する2液混合硬化、加熱による熱硬化、紫外線照射によるUV硬化等が挙げられる。本実施形態では、硬化収縮率が5%程度の熱硬化のエポキシ樹脂の接着剤4を使用する例を説明する。
(第1の実施形態)
本実施形態では、図2(a)に示したような上反りの液体吐出基板2a(2)を用いた例を説明する。
本実施形態では、図2(a)に示したような上反りの液体吐出基板2a(2)を用いた例を説明する。
本実施形態は、液体吐出基板2が接合される支持部材3の表面に凹部8が設けられており、この凹部8に接着剤4を配置する。図3は、長手方向(X方向)における中央部に凹部8を有する支持部材3を示す図であり、図3(a)はその上面図であり、図3(b)はその側面図である。本実施形態では、例えば凹部8の深さ8hが300μmのものを使用する。図3(a)に示すように、凹部8は支持部材3の表面において、接合される液体吐出基板2の長手方向に交差する方向(本実施形態ではY方向)に延在している。
図4は、支持部材3の表面のうちの液体吐出基板2を接着する領域に接着剤4を配置した状態を示しており、図4(a)はその上面図であり、図4(b)は図4(a)のA-A断面図である。接着剤4は、例えば支持部材3の流路の開口の周囲を囲うように配置される。図4(b)に示すように、凹部8の内部は接着剤4で埋まり、さらに凹部8から突出するような高さとなるように接着剤4が配置されている。例えば、支持部材3の表面から150μm程度飛び出した高さまで配置されている。また、凹部8がない領域の支持部材3の平坦な表面3aにも接着剤4が配置されており、この接着剤4は凹部8から突出する接着剤4と上端の高さの位置が同程度となるように配置されている。
図5は、接着剤4が配置された支持部材3に対し上反りがある液体吐出基板2a(2)を配置した状態の液体吐出ユニット1を示す図であり、図5(a)はその上面図であり、図5(b)は図5(a)のB-B断面図である。この時、上反りがある液体吐出基板2の中央部6cの裏面の部分が、支持部材3の凹部8と重なるように、液体吐出基板2と支持部材3とを配置する。なお、液体吐出基板2の反りの大きさ6hは、単体の状態で例えば10μm程度である。図5(b)に示すように、液体吐出基板2の吐出口形成面6と反対の面、すなわち、液体吐出基板2の裏面9が、接着剤4と接触した状態となっている。ここで、液体吐出基板2は反りを有しているため、液体吐出基板2の裏面9(第1の面)は、支持部材3の平坦な表面3a(第2の面)から第1の間隔にある第1の部分と、表面3aから第1の間隔よりも短い第2の間隔にある第2の部分と、を備える。上反りがある液体吐出基板2a(2)では、長手方向における中央部6cの裏面の部分が第1の部分であり、長手方向における端部6eの裏面の部分が第2の部分である。そして、液体吐出基板2の裏面9における第1の部分と支持部材3との間に第1の接着剤としての接着剤4を介在させ、裏面9の第2の部分と支持部材3との間に第2の接着剤としての接着剤4を介在させる。このように、本実施形態では第1の接着剤と第2の接着剤は同じ材料の接着剤を用いる。なお、下反りがある液体吐出基板2bでは、長手方向における端部6eの裏面の部分が第1の部分であり、長手方向における中央部6cの裏面の部分が第2の部分である。
図6は図5(a)のB-B断面において接着剤4の硬化を説明するための図である。例えば加熱温度100℃の硬化炉で1時間加熱することで接着剤4が硬化していき、その過程で接着剤4が収縮を起こす(図6(a))。凹部8に設けられ、液体吐出基板2の中央部6cの裏面の部分を接着する接着剤4は、液体吐出基板2の端部6eの裏面の部分を接着する接着剤4よりも凹部8の深さの分だけ接着剤4の体積が大きい。したがって、凹部8に設けられた接着剤4の硬化収縮に伴って生じる応力4aは、端部6eの裏面の部分を接着する接着剤4の硬化収縮に伴って生じる応力4bよりも大きい。
そのため、この硬化収縮に伴う応力の差によって、接着剤4の硬化が完了した状態では、液体吐出基板2の反りが抑制される(図6(b))。なお、図6(b)において、符号4eは硬化が完了した接着剤を示し、符号2cは反りが抑制された液体吐出基板を示している。図6(b)の状態の液体吐出基板2では、上反りの大きさは例えば1μm程度とすることができる。
ここで、支持部材3の凹部8の深さ8h(図3(b))に関して説明する。支持部材3の凹部8の深さ8hが極端に浅いと接着剤4の硬化収縮による応力が反りの矯正に不足する可能性が生じるし、深さ8hが極端に深いと上反りの基板が逆転して下反りになる恐れがある。部品の寸法精度や接着剤4のLOT差などが要因でばらつきが予想されるため、おおよそではあるが、支持部材3の凹部8の深さ8hは、液体吐出基板2の反りの大きさ÷接着剤の硬化収縮率 の計算式で、目安を知ることができる。
図7は本実施形態の変形例を示す図である。図7は図5(b)に対応する図であり、液体吐出基板2の両端部に接着剤4よりも硬化時間の短い接着剤10を配置している。
接着剤4の硬化収縮は凹部8上のみだけでなく、接着剤4が配置された支持部材3のその他の表面上においても小さいながら接着剤4の硬化収縮が発生する。そのため、液体吐出基板2の全体が支持部材3の側に引き寄せられ、特に液体吐出基板2の端部6eの裏面の部分を接着する接着剤4が中央部6cの反りを抑制する効果を小さくすることも考えられる。
そこで、液体吐出基板2の端部6eの裏面の部分の近傍を接着剤4の硬化が終了する前に支持部材3に固定することが好ましい。例えば図7に示す変形例では、液体吐出基板2の両端に接着剤4よりも硬化時間の短い接着剤10(第3の接着剤)を配置して、先に両端を支持部材3に固定する。接着剤10で先に液体吐出基板2の両端が支持部材3に固定されているため、後に硬化する端部6eの裏面の部分を接着する接着剤4の硬化収縮が規制される。これより、中央部6cの反りがより矯正されやすくなる。
図8は本実施形態の変形例を示す図であり、支持部材3に設ける凹部8の例を説明するための図である。図8(a)、(b)は支持部材3の断面図、図8(c)、(d)は支持部材の上面図である。凹部8の形状は特に制限はなく、凹部8の底面が平坦でなく、曲面11a(図8(a))や傾斜面11b(図8(b))であってよい。また、支持部材3の表面に開口して側面には開口していないような凹部11c(図8(c))であってもよい。また、複数の凹部11d(図8(d))が設けられていてもよい。
また、凹部の深さの差をもたせれば、凹部は液体吐出基板2の反りを矯正したい領域だけではなく、反りの矯正に寄与しない領域に設けられていてもよい。この場合、接着剤4を凹部に落とし込むことで狙い通りの位置に接着剤4を配置できるメリットがある。
図9は、下反りがある液体吐出基板2bを用いる場合の接着剤4の硬化を説明するための図である。図9(a)のように、支持部材3には、液体吐出基板2の両端部に対応する位置に凹部8がそれぞれ設けられており、液体吐出基板2の中央部に対応する位置に凹部は設けられておらず平坦面となっている。上述の液体吐出基板2aを用いる場合と同様に、凹部8のそれぞれに凹部8から接着剤4が突出するように接着剤4を配置する。凹部8がない領域である支持部材3の平坦な表面にも接着剤4が配置されており、この接着剤4は凹部8から突出する接着剤4と上端の高さの位置が同程度となるように配置されている。接着剤4の硬化前の状態(図9(a))に比べ、接着剤4の硬化後は接着剤4の硬化収縮に伴って生じる応力の差により液体吐出基板2の両端部が液体吐出基板2の中央部と比べて支持部材3の側へ大きく引き寄せられる。これにより、液体吐出基板2bの反りが抑制された液体吐出基板2cを得ることができる(図9(b))。
(第2の実施形態)
本実施形態では、硬化収縮率の異なる2種類の接着剤を用いて液体吐出基板2の反りを抑制する。
本実施形態では、硬化収縮率の異なる2種類の接着剤を用いて液体吐出基板2の反りを抑制する。
図10は2種類の接着剤12a、12bを介して液体吐出基板2と支持部材3とを配置させた断面図を示す。図10(a)は上反りがある液体吐出基板2aを適用した図であり、図10(b)は下反りがある液体吐出基板2bを適用した図である。反りが大きい箇所を接着する領域に対して硬化収縮率が大きい接着剤12aを配置し、反りが大きくない領域に対して接着剤12aよりも硬化収縮率の小さい接着剤12を配置する。図10(a)では、液体吐出基板2aの中央部を接着する領域に接着剤12aを配置し、その他の接着領域には接着剤12bを配置する。図10(b)では、液体吐出基板2bの両端部を接着する領域には接着剤12aを配置し、その他の接着領域には接着剤12bを配置する。そして、接着剤12a、12bを硬化させると、硬化収縮率の大きい接着剤12aの方が、接着剤12bよりも硬化収縮に伴って発生する液体吐出基板2を引き寄せる応力が大きいため、液体吐出基板の反りを抑制することができる。
なお、上述の実施形態のように支持部材3に凹部8を設け、この凹部8に硬化収縮率の大きい接着剤12aを配置してもよい。これにより、液体吐出基板2の反りを一層抑制することができる。
1 液体吐出ユニット
2 液体吐出基板
3 支持部材
4 接着剤
8 凹部
2 液体吐出基板
3 支持部材
4 接着剤
8 凹部
Claims (16)
- 液体吐出基板の第1の面と支持部材の第2の面とを接着剤を介して配置し、接着剤を硬化させて前記液体吐出基板と前記支持部材とを接合する液体吐出ヘッドの製造方法において、
前記配置する際に、前記第2の面から第1の間隔にある前記第1の面の第1の部分と、前記支持部材との間に第1の接着剤を介在させ、前記第2の面から前記第1の間隔よりも短い第2の間隔にある前記第1の面の第2の部分と、前記支持部材との間に第2の接着剤を介在させ、
前記硬化する際に、前記第1の接着剤の収縮に伴い発生する応力が、前記第2の接着剤の収縮に伴い発生する応力よりも大きいことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。 - 前記第1の部分は前記液体吐出基板の長手方向における前記第1の面の中央部であり、前記第2の部分は前記長手方向における前記第1の面の端部である、請求項1に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記第1の部分は前記液体吐出基板の長手方向における前記第1の面の端部であり、前記第2の部分は前記長手方向における前記第1の面の中央部である、請求項1に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記配置する際に、前記第1の部分と前記支持部材との間に、前記第2の面に設けられた凹部に配された前記第1の接着剤を介在させ、前記第2の部分と前記第2の面との間に前記第2の接着剤を介在させる、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記凹部は前記第2の面において前記液体吐出基板の長手方向に交差する方向に延在する、請求項4に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記第1の接着剤と前記第2の接着剤とは同じ材料である、請求項4または請求項5に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記第1の接着剤は前記第2の接着剤よりも硬化収縮率が大きい、請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記第1の接着剤および前記第2の接着剤の硬化が終了する前に、前記第2の部分の近傍と前記支持部材とを固定する、請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記第1の接着剤および前記第2の接着剤よりも硬化に要する時間が短い第3の接着剤を用いて前記第2の部分の前記近傍と前記支持部材とを固定する、請求項8に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 液体吐出基板と、接着剤を介して前記液体吐出基板の第1の面が接合される第2の面を備える支持部材と、を有する液体吐出ヘッドにおいて、
前記液体吐出基板の長手方向における前記第1の面の中央部は、前記第2の面に設けられた凹部に配された前記接着剤を介して前記支持部材と接合され、前記長手方向における前記第1の面の端部は、前記第2の面に配された前記接着剤を介して前記支持部材と接合されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 液体吐出基板と、接着剤を介して前記液体吐出基板の第1の面が接合される第2の面を備える支持部材と、を有する液体吐出ヘッドにおいて、
前記液体吐出基板の長手方向における前記第1の面の中央部は、第1の接着剤を介して前記第2の面と接合され、前記長手方向における前記第1の面の端部は、第2の接着剤を介して前記第2の面と接合され、前記第1の接着剤は前記第2の接着剤よりも硬化収縮率が大きいことを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 前記液体吐出基板は、前記第1の面を備える樹脂層と、前記樹脂層の前記第1の面の裏面と接合されたシリコン基板と、を有する、請求項10または請求項11に記載の液体吐出ヘッド。
- 液体吐出基板と、接着剤を介して前記液体吐出基板の第1の面が接合される第2の面を備える支持部材と、を有する液体吐出ヘッドにおいて、
前記液体吐出基板の長手方向における前記第1の面の端部は、前記第2の面に設けられた凹部に配された前記接着剤を介して前記支持部材と接合され、前記長手方向における前記第1の面の中央部は、前記第2の面に配された前記接着剤を介して前記支持部材と接合されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 液体吐出基板と、接着剤を介して前記液体吐出基板の第1の面が接合される第2の面を備える支持部材と、を有する液体吐出ヘッドにおいて、
前記液体吐出基板の長手方向における前記第1の面の端部は、第1の接着剤を介して前記第2の面と接合され、前記長手方向における前記第1の面の中央部は、第2の接着剤を介して前記第2の面と接合され、前記第1の接着剤は前記第2の接着剤よりも硬化収縮率が大きいことを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 前記第1の接着剤は前記第2の面に設けられた凹部に配されている、請求項11または請求項14に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記凹部は前記第2の面において前記長手方向に交差する方向に延在する、請求項10、13、15のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
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