JP2022131422A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 接合面からはみ出た接触材の流動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。【解決手段】 液体吐出ヘッド４は、構造物を備える第１の基板と、接着剤４０を介して前記第１の基板と接合している第２の基板と、を有する。第１の基板には、接着剤４０を介して第２の基板と接合している接合面２４と、第２の基板とは接合していない非接合面２９と、が形成されており、非接合面２９の領域のうち、接合面２４の構造物側の端部である接合端部２５と構造物との間の領域には、凹部３２が形成されていることを特徴とする。【選択図】 図２

Description

本発明は、液体吐出ヘッドに関する。

液体を吐出して記録を行う記録装置には、吐出口から液体を吐出する液体吐出ヘッドが備えられている。接着剤により複数の基板を接合して液体吐出ヘッドを形成する場合、余剰な接着剤が接合面からはみ出すことで、歩留まり低下やデバイス特性の低下が生じるおそれがある。

そこで、特許文献１においては、接着剤を塗布する接合面に溝（凹部）を形成し、接合時に基板同士の押し付けで発生する余剰な接着剤を凹部で収容することができる方法を提示している。余剰な接着剤を凹部で収容することで、接着剤が接合面からはみ出すことを抑制することができる。

特開２０１１－２０７０７２号公報

しかしながら、特許文献１においては、凹部で収容しきれずに接合面から接着剤がはみ出てしまった場合には、凹部は接合面にしか形成されていないため、その後の接着剤の流動を抑制することができない。そのため、例えば圧力発生素子等の構造物にはみ出た接着剤が付着し、記録品位に影響が生じる恐れがあった。

本発明は、上記課題を鑑み、接合面からはみ出た接触材の流動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、構造物を備える第１の基板と、接着剤を介して前記第１の基板と接合している第２の基板と、を有する液体吐出ヘッドにおいて、前記第１の基板には、前記接着剤を介して第２の基板と接合している接合面と、該第２の基板とは接合していない非接合面と、が形成されており、前記非接合面の領域のうち、前記接合面の前記構造物側の端部である接合端部と該構造物との間の領域には、凹部が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、接合面からはみ出た接触材の流動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。

液体吐出ヘッドの概略図。 各基板を接合する際の工程を示す図。 各基板を接合する際の工程を示す図。 第２の実施形態の凹部を示す概略図。 第３の実施形態の凹部を示す概略図。 第３の実施形態の凹部を示す概略図。 第３の実施形態の凹部を示す概略図。 第４の実施形態の凹部を示す概略図。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本願において、構造物とは、後述する圧力発生素子２１（図１）、吐出口３１（図１）および連通口５（図７）のことをいう。また、本願において、前述の構造物が形成されている基板を第１の基板と称し、第１の基板と接着剤により接合している基板を第２の基板と称す。即ち、詳しくは後述する圧力発生基板２が第１の基板とみなされ、流路基板１が第２の基板とみなされる場合がある一方、吐出口基板３が第１の基板とみなされ、圧力発生基板２が第２の基板とみなされる場合もある。

（第１の実施形態）
（液体吐出ヘッド）
図１（ａ）は、本実施形態に係る液体吐出ヘッド４の概要斜視図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＡ－Ａ´断面における断面図である。図１に示すように、液体吐出ヘッド４は、主に、流路基板１、圧力発生基板２、吐出口基板３から構成されており、各基板はそれぞれ接着剤４０（図２）で接合される。

流路基板１は、シリコンやセラミック、樹脂などの基板等で形成されている。流路基板１には、ドライエッチングやウェットエッチング、物理加工などにより形成された貫通孔が形成されており、この貫通孔が液体を圧力発生素子上に供給するための供給流路１１となる。さらに、流路基板１には、吐出口３１から液体を吐出するための圧力を発生する圧力発生素子２１が備えられる空間（圧力発生室１２）が形成されている。圧力発生素子２１がピエゾ素子である場合には、この空間によりピエゾ素子の変位が可能となり、ピエゾ素子の変位による圧力で液体が吐出口３１から吐出される。

圧力発生基板２は、シリコンやセラミック、樹脂などの基板等で形成されている。圧力発生基板２には、圧力発生素子２１や、圧力発生素子２１と接続する電極、選択的に特定の電極に給電するための回路（不図示）等が形成されている。圧力発生素子２１は、圧電性を付与したジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などの多結晶セラミックや、無機薄膜による抵抗発熱体などが用いられる。また流路基板１の供給流路１１と連通し、圧力発生素子２１と隣接する液室２２が形成される。

吐出口基板３は、シリコンやセラミック、樹脂などの基板等で形成されている。また、吐出口基板３には、液体を吐出する吐出口３１が形成されている。吐出口３１は液室２２と連通しており、圧力発生素子２１により発生した圧力が液室２２に伝わり、吐出口３１から液体が吐出される。

基板どうしを接合する接着剤には、エポキシ樹脂や有機シリコン系材料、金属ペースト等が単独もしくは混合して用いられ、接着強度や接液耐久性などを考慮して材料選択される。これらの接着剤を、基板の接合面に塗布し、熱やプレス等のエネルギーを加えることにより化学的もしくは物理的に基板同士を接合する。

複数の基板を接合して液体吐出ヘッドを作成する際、各基板の接合順番や接着剤を塗布する面は自由であり、３つの基板の積層関係が適切であればよい。即ち、圧力発生基板２は流路基板１と吐出口基板３に挟まれた形で接合される。

（基板の接合）
各基板を接合する工程について、図２および図３を参照しながら説明する。図２（ａ）は、流路基板１の圧力発生基板２側の面に接着剤を塗布した状態の概略図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す状態から流路基板１と圧力発生基板２とを接合した際の概略図である。図２（ｃ）は、図２（ｂ）に示す領域Ｂにおける拡大図である。図３（ａ）は、流路基板１と圧力発生基板２とが接合された状態で、圧力発生基板２の吐出口基板３側の面に接着剤を塗布した状態の概略図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す状態から吐出口基板３を圧力発生基板２に接合した際の概略図である。図３（ｃ）は、図３（ｂ）に示す領域Ｃにおける拡大図である。

図２（ａ）に示すように、流路基板１の圧力発生基板２側の面であって圧力発生基板２と接合する面（接合面）２４に接着剤４０を塗布する。また、圧力発生基板２には、流路基板１とは接合しない面である非接合面２９に予め凹部２３を形成しておく。次に、流路基板１と圧力発生基板２とを加熱プレスして接合する（図２（ｂ））。接合後の基板界面、すなわち接合面２４の接着剤厚みは、接合条件にもよるが典型的には数μｍ以下であり、余分な接着剤４１は接合面２４が終端した接合端部２５からはみ出し、圧力発生基板上に濡れ拡がる。ここで、接合端部２５とは、接合面２４の端部のうち構造物側の端部のことである。接合端部２５の先の圧力発生基板上には圧力発生素子２１（構造物とも称する）が存在する。そして、接合端部２５と圧力発生素子２１との間の圧力発生基板２上には凹部２３が形成されている。この凹部２３の接合端部側の際２６では接着剤の表面張力が働き、はみ出した余分な接着剤４１をその先に移動させないための作用が働く。これにより余分な接着剤４１が圧力発生素子２１に接触することを抑制することができる。その結果、接合端部２５からはみ出た接着剤が圧力発生素子２１に付着することによる記録品位への影響を抑制することができる。なお、図２においては、圧力発生基板２が第１の基板に相当し、流路基板１が第２の基板に相当している。

次に、図３（ａ）に示すように、予め凹部２３を接合した吐出口基板３を準備する。圧力発生基板２の吐出口基板３側の面に接着剤４０を塗布する。この際、吐出口基板３には、吐出口３１の横に凹部２３を予め形成しておく。その後、吐出口基板３を接合して液体吐出ヘッド４を形成する。図２と同様に、余分な接着剤４１が接合端部２５からはみ出し、吐出口基板上に濡れ拡がると、接着剤４１が吐出口３１（構造物とも称する）に付着する可能性がある。そこで、上述したように、吐出口基板３に凹部２３を形成することで、凹部２３の段差部で接着剤の表面張力が働き、はみ出した接着剤がその先に流動することを抑制することができる。これにより余分な接着剤４１による吐出口３１の閉塞を防ぐことが可能となるため、記録品位への影響を抑制することができる。その他、吐出口近傍へのはみ出しの移動を制限する効果として、吐出口３１近傍の液室の体積変化が抑えられ、吐出量特性への影響を少なくする効果もある。なお、図３においては、吐出口基板３が第１の基板に相当し、圧力発生基板２が第２の基板に相当している。

また、はみ出た接着剤が凹部の段差部を超えたとして、その接着剤は凹部内に収容されることになる。これにより、接着剤が構造物に付着することを抑制することができる効果も得られる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について、図４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については同一の符号を付し、説明は省略する。本実施形態は、接着剤の流動を抑制するための凹部の形状に特徴がある。なお、圧力発生基板２に形成した凹部２３を用いて以下説明を行うが、吐出口基板３に形成する凹部についても同様に適用することができる。図４（ａ）は、本実施形態における流路基板１と圧力発生基板２とを示す概略図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す領域Ｄにおける拡大図である。以下の説明において、凹部２３の形成角度θとは、凹部２３の側壁６と基板の主面７とのなす角のことであり、即ち、図４（ｂ）に示す角度θのことである。

図４（ｂ）に示すように、凹部２３の形成角度θを９０度未満とするのが良い。接着剤のはみ出しが多い場合は凹部２３の際２６に表面張力による接着剤のせり出しが起こり、これが凹部２３の内壁に接触すると堰き止め効果が崩れて凹部２３の内部に接着剤が流れ込んでしまう。凹部２３の形成角度θが小さいほどせり出しと内壁の接触が起こりにくくなり、堰き止め効果も維持しやすい。なお、より好ましくは、凹部２３の形成角度θを７０度以下とすることが好ましくは、さらには、５０度以下にすることがより好ましい。しかしながら、凹部２３の形成角度θが小さすぎると凹部の形成が複雑になることから、凹部２３の形成角度θは、３０度以上であることが好ましい。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について、図５、図６および図７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については同一の符号を付し、説明は省略する。本実施形態は、凹部２３を形成する位置や凹部２３の寸法に特徴がある。図５（ａ）は、本実施形態における流路基板１と圧力発生基板２とを示す概略図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す領域Ｅにおける拡大図である。

凹部２３は、なるべく圧力発生素子２１から離れた位置に形成するのが好ましい。圧力発生素子２１がＰＺＴ（ピエゾ素子）である場合、溝を掘り込んだ凹部２３にはＰＺＴによる振動の応力が加わりやすくなるため共振周波数が変化するなど、凹部２３がＰＺＴに近いほど振動状態が影響を受けやすくなる可能性があるためである。図５に示すように、なるべく影響がない範囲、例えば、凹部２３を、接合端部２５と圧力発生素子２１の接合端部２５側の端部３３との中間位置２７よりも接合端部２５側に収まるように配置することで影響を小さくすることができる。さらに、より好ましくは、接合端部２５と圧力発生素子２１の端部３３との間の領域を３等分した場合に、該３等分した領域のうち、接合端部２５に最も近い領域内に凹部２３を形成することが好ましい。

同様な理由から、凹部２３の幅２８は，接合端部２５と圧力発生素子２１の距離の半分以下の幅３０以下にとどめ、デバイス特性への影響を小さくするのが好ましい。凹部２３の幅２８を小さくすることで、凹部２３周辺の強度の低下を最小限に抑えることができる。なお、凹部２３の幅２８とは、凹部２３の長辺と短辺のうち、短辺の長さのことをいう（図８参照）。

図６（ａ）に、吐出口基板３に形成した凹部２３の一例を示す。図６（ｂ）に、図６（ａ）に示す領域Ｆの拡大図を示す。凹部２３の深さは、接着剤の表面張力による盛り上がりが崩れて凹部内部への接着剤の濡れ広がりが発生した場合を考慮するとなるべく深いほど良い。一方、凹部周辺の機械強度や前述のデバイス特性への影響を考えた場合は浅いほど良い。これらを考慮して、凹部を形成する基板の厚み３５に対して、凹部２３の深さ（接合面２４からの深さ）３６は、０．０１倍以上、０．８０倍以下とするのが好ましい。さらには、凹部２３の深さ３６は、０．０１倍以上、０．５０倍以下であることが、凹部周辺の機械強度等の観点からより好ましい。

図７（ａ）に、供給流路１１と接合面２４の間に凹部２３を形成した例を示す。図７（ｂ）に、図７（ａ）に示す領域Ｇの拡大図を示す。図７に示すように、供給流路１１と液室２２とが供給流路１１の流路径よりも小さい径を有する連通口５（構造物とも称する）により連通する場合には、余分な接着剤４１が少量であっても連通口５の一部を塞ぐと、液体の流抵抗が大きくなり、好ましくない。そこで、本実施形態においては、図７に示すように、接合端部２５と連通口５との間に凹部２３を形成している。このような凹部２３を形成することで、余分な接着剤４１が連通口５を塞いでしまうことを抑制することができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態について、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については同一の符号を付し、説明は省略する。本実施形態は、凹部２３を形成する領域に特徴がある。図８（ａ）は、流路基板１および圧力発生基板２を接合した状態のものを圧力発生基板側から見たときの平面図である。図８（ｂ）～（ｄ）は、図８（ａ）に示す領域Ｈにおける拡大図である。なお、一例として、図８においては圧力発生素子２１と接合端部２５との間に凹部２３が形成されている形態を図示しているが、本実施形態はこれに限られない。即ち、図３（ｃ）に示したように、吐出口３１と接合端部２５との間に凹部２３を形成する場合においても同様である。

図８（ｂ）～（ｄ）に示すように、凹部２３の平面配置は、接合端部２５と圧力発生素子２１との間の領域であればどのように配置しても良い。したがって、図８（ｂ）に示すように、圧力発生素子２１の周囲を囲うように連続的に凹部２３を形成してもよく、或いは、図８（ｃ）に示すように、断続的に形成してもよい。または、図８（ｄ）に示すように、複数の凹部２３が圧力発生素子２１の周囲を取り囲むように形成されていてもよい。

液体吐出ヘッド４を、流路基板１、圧力発生基板２、吐出口基板３を接合して作製した。流路基板１は、厚さ５００μｍのシリコン基板に１００μｍ×１００μｍの開口サイズの供給流路１１、および１５０μｍ×２０００μｍのサイズで深さ１００μｍの圧力発生室１２を備える。圧力発生基板２には、シリコン基板上にチタン酸ジルコン酸鉛によるＰＺＴ素子を１００μｍ×１９００μｍのサイズで電極および駆動回路とともに形成した。また、圧力発生基板２には、液室２２を１５０μｍ×２５００μｍのサイズ、１００μｍの深さで形成し、ＰＺＴ素子の周囲を囲うように幅１０μｍの凹部を形成した。吐出口基板３には、厚み１０μｍのシリコンに、直径２０μｍの吐出口３１を形成した。これら３つの基板を、ケイ素を含むベンゾシクロブテン樹脂を主成分とする熱硬化型の接着剤で接合した。液体吐出ヘッドの吐出口３１を観察したところ、余分な接着剤のはみ出しによる閉塞は確認されなかった。

比較として、圧力発生基板２および吐出口基板３に凹部２３を形成せず、その他の構造は同じ寸法で作製した液体吐出ヘッドを作製したところ、接着剤のはみ出しによる吐出口３１の閉塞が０．５％の割合で発生していた。

２，３ 第１の基板
２，３ 第２の基板
４ 液体吐出ヘッド
２３ 凹部
２４ 接合面
２９ 非接合面
２５ 接合端部
４０ 接着剤

Claims (16)

1. 構造物を備える第１の基板と、
   接着剤を介して前記第１の基板と接合している第２の基板と、
   を有する液体吐出ヘッドにおいて、
   前記第１の基板には、前記接着剤を介して第２の基板と接合している接合面と、該第２の基板とは接合していない非接合面と、が形成されており、
   前記非接合面の領域のうち、前記接合面の前記構造物側の端部である接合端部と該構造物との間の領域には、凹部が形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記液体吐出ヘッドは、液体を吐出する吐出口を備える吐出口基板と、前記吐出口から液体を吐出するための圧力を発生する圧力発生素子を備える圧力発生基板と、前記圧力発生素子上に液体を供給する流路を備える流路基板と、を有し、
   前記第１の基板は、前記圧力発生基板であり、
   前記第２の基板は、前記流路基板であり、
   前記構造物は、前記圧力発生素子である請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記液体吐出ヘッドは、液体を吐出する吐出口を備える吐出口基板と、前記吐出口から液体を吐出するための圧力を発生する圧力発生素子を備える圧力発生基板と、前記圧力発生素子上に液体を供給する流路を備える流路基板と、を有し、
   前記第１の基板は、前記吐出口基板であり、
   前記第２の基板は、前記圧力発生基板であり、
   前記構造物は、前記吐出口である請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記液体吐出ヘッドは、液体を吐出する吐出口を備える吐出口基板と、前記吐出口から液体を吐出するための圧力を発生する圧力発生素子を備える圧力発生基板と、前記圧力発生素子上に液体を供給する流路を備える流路基板と、を有し、
   前記圧力発生基板には、前記流路の流路径よりも小さい径を有する連通口が形成されており、
   前記流路基板の前記流路は、前記圧力発生基板の前記連通口と接続されており、
   前記第１の基板は、前記圧力発生基板であり、
   前記第２の基板は、前記流路基板であり、
   前記構造物は、前記連通口である請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記凹部の形成角度は９０度未満である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記凹部の形成角度は７０度以下である請求項１ないし５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記凹部の形成角度は５０度以下である請求項１ないし６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記凹部の形成角度は３０度以上である請求項１ないし７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記凹部は、前記接合端部と前記構造物の該接合端部側の端部との中間位置よりも該接合端部側に収まって形成されている請求項１ないし８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
10. 前記凹部は、前記接合端部と前記構造物の該接合端部側の端部との間の領域を３等分したときに、該３等分した領域のうち該接合端部に最も近い領域内に収まって形成されている請求項１ないし９のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
11. 前記凹部の幅は、前記接合端部と前記構造物との距離の半分以下である請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
12. 前記凹部の前記接合面からの深さは、該凹部が形成されている前記第１の基板の厚みに対して、０．０１倍以上、０．８０倍以下である請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
13. 前記凹部の前記接合面からの深さは、該凹部が形成されている前記第１の基板の厚みに対して、０．０１倍以上、０．５０倍以下である請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
14. 前記第１の基板および前記第２の基板の平面図を見たときに、前記凹部は、前記構造物の周囲を連続的に取り囲んで形成されている請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
15. 前記第１の基板および前記第２の基板の平面図を見たときに、前記凹部は、前記構造物の周囲を断続的に取り囲んで形成されている請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
16. 前記第１の基板および前記第２の基板の平面図を見たときに、複数の前記凹部が、前記構造物の周囲を取り囲んで形成されている請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
    

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