JP2023044120A - 流路部材および液体吐出ヘッド - Google Patents
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Abstract
【課題】 基板に形成されている流路が接着剤により塞がれてしまうことを抑制することができる流路部材およびそれを用いた液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。【解決手段】 流路部材116は、第1の面111から流路11が形成されている第1の基板21と、第2の面112を有する第2の基板22と、を有し、第1の面111と第2の面112との間に接着剤13があることにより、第1の基板21と第2の基板22とが接合されている。第1の面111と直交する方向から流路11を見たときに、流路11は、角部を備える多角形の形状となっている。流路11は、第1の面側に位置している第1の部分113と、第1の部分113と連通する第2の部分114と、を有している。第2の部分114の開口面積は、第1の部分113の開口面積よりも大きく、第1の部分113と第2の部分114との段差面33および角部に接着剤が存在している。【選択図】 図1
Description
本発明は、流路部材およびそれを用いた液体吐出ヘッドに関する。
特許文献1には、液体を吐出して記録を行う液体吐出装置が開示されている。液体吐出装置は、液体を吐出する吐出口と、吐出口に液体を供給するための流路と、液体を吐出するための圧力を発生させる圧電素子と、圧電素子の圧力が作用する圧力室と、を備える液体吐出ヘッドを有している。
特許文献1のような液体吐出ヘッドは、一般的に、液体が流動する流路が形成されている複数の基板が接着剤を用いて接合されることにより形成される。
しかしながら、複数の基板を接着剤により接合する際に、余分な接着剤が流路内に流れ込み、流路が塞がれる恐れがある。流路が塞がれると、吐出口に液体を供給できなくなる等の問題が発生する。
本発明は上記課題を鑑み、基板に形成されている流路が接着剤により塞がれてしまうことを抑制することができる流路部材およびそれを用いた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、本発明は、第1の面から流路が形成されている第1の基板と、前記第1の面と対向する第2の面を有する第2の基板と、を有し、前記第1の面と前記第2の面との間に接着剤があることにより、前記第1の基板と前記第2の基板とが接合して形成されている流路部材において、前記第1の面と直交する方向から前記流路を見たときに、前記流路は、角部を備える多角形の形状となっており、前記流路は、前記第1の面側に位置している第1の部分と、前記第1の部分と連通する第2の部分と、を有し、前記第1の面と直交する方向から前記流路を見たときに、前記第2の部分の開口面積は、前記第1の部分の開口面積よりも大きく、前記第1の部分と前記第2の部分との段差面および前記角部に前記接着剤が存在していることを特徴とする。
本発明によれば、基板に形成されている流路が接着剤により塞がれてしまうことを抑制することができる流路部材およびそれを用いた液体吐出ヘッドを提供することができる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、以下に述べる実施形態では本発明を十分に説明するため具体的記述を行う場合もあるが、これらは技術的に好ましい一例を示しており、特に本発明の範囲を限定しているものではない。
(第1の実施形態)
図1は、液体吐出ヘッド110の断面図である。図2(a)は、図1に示す各基板を接合する前における保護基板21の断面図である。図2(b)は、図1に示す各基板を接合する前におけるアクチュエータ基板22の断面図である。図2(c)は、図1に示す各基板を接合する前におけるノズル基板(吐出口基板)23の断面図である。図1に示すように、液体吐出ヘッド110は、少なくとも、保護基板(第1の基板)21とアクチュエータ基板22(第2の基板)と、ノズル基板23(第3の基板)とから構成されている。流路部材116は、保護基板(第1の基板)21とアクチュエータ基板22(第2の基板)を備えている。
図1は、液体吐出ヘッド110の断面図である。図2(a)は、図1に示す各基板を接合する前における保護基板21の断面図である。図2(b)は、図1に示す各基板を接合する前におけるアクチュエータ基板22の断面図である。図2(c)は、図1に示す各基板を接合する前におけるノズル基板(吐出口基板)23の断面図である。図1に示すように、液体吐出ヘッド110は、少なくとも、保護基板(第1の基板)21とアクチュエータ基板22(第2の基板)と、ノズル基板23(第3の基板)とから構成されている。流路部材116は、保護基板(第1の基板)21とアクチュエータ基板22(第2の基板)を備えている。
アクチュエータ基板22は、例えばシリコン基板からなり、複数のキャビティ(圧力室)12を区画している。アクチュエータ基板22は、表面に振動膜14を支持している。振動膜14は、キャビティ12の天壁を形成しており、キャビティ12を区画している。振動膜14の上には、吐出口から液体を吐出するための圧力を発生させる圧電素子(圧力発生素子)15が配置されている。
アクチュエータ基板22の裏面にノズル基板23が接合されている。ノズル基板23は例えばシリコン基板からなり、アクチュエータ基板22の裏面に接合され、アクチュエータ基板22および振動膜14とともに、キャビティを区画している。ノズル基板23は、キャビティ部と重なるように液体吐出流路16を有し、液体吐出流路の底面に吐出口17が形成されている。吐出口17はノズル基板23を貫通しており、キャビティ12とは反対側に吐出口が位置している。したがって、キャビティ12の容積変化が生じると、キャビティ12に溜められた液体は、液体吐出流路16を通り、吐出口17から吐出される。
保護基板21は、例えばシリコン基板からなる。保護基板21は、圧電素子15を覆うように配置され、アクチュエータ基板22の表面に接着剤13を介して接合されている。接着剤13が第1の面111と第2の面112との間にあることにより、保護基板21とアクチュエータ基板22とが接合される。保護基板21はアクチュエータ基板22の表面に対向する面に凹部18を有している。凹部18内に複数のキャビティ12にそれぞれ対応する複数の圧電素子15が収容されている。凹部18は、圧電素子15を囲み、液体等から圧電素子15を保護するためのものである。
保護基板(第1の基板)21に形成されている流路11は、第1の部分113と第2の部分114を有している。第1の部分113は、流路11のアクチュエータ基板22側の開口115と接続されている部分である。第2の部分114は、第1の部分113と接続されている部分である。
保護基板21上には、インクタンク(不図示)が配置されている。保護基板21を貫通するように流路11が形成されている。保護基板21の流路11は、アクチュエータ基板内のキャビティ12に連通している。したがって、インクタンク内の液体は、流路11を通って、キャビティ12に供給される。
振動膜14上に圧電素子15が配置されていて、圧電アクチュエータが構成されている。圧電素子15は、振動膜形成層上に形成された下部電極(不図示)と下部電極上に形成された圧電素子15と、圧電素子上に形成された上部電極(不図示)とを備えている。
圧電素子15としては、たとえば、ゾルゲル法またはスパッタ法によって形成されたPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)膜を適用することができる。このような圧電素子15は、金属酸化物結晶の焼結体からなる。
圧電素子15は、振動膜14をはさんでキャビティ12に対向する位置に形成されている。すなわち、圧電素子15は、振動膜14のキャビティ12とは反対側の表面に接するように形成されている。振動膜14は、キャビティ12に対向する方向に変形可能な特性を有している。
そして、駆動IC(不図示)から圧電素子15に駆動電圧が印可されると、逆圧電効果によって、圧電素子15が変形する。これにより、圧電素子15とともに振動膜14が変形し、それによって、キャビティ12の容積変化がもたらされ、キャビティ12内の液体が加圧される。加圧された液体は、液体吐出流路16を通って、吐出口17から微小液滴となって吐出される。
図3に、保護基板21とアクチュエータ基板22とを接着材13により接合した後の断面図および平面図を示す。図3に示すように、保護基板21には、凹部18と流路11が形成されている。保護基板21は一体の基板で構成されている。流路11の第1の部分113と第2の部分114との接続部は、段差部となっており、段差面33が形成されている。また、第1の面111と直交する方向から流路11を見たときに(平面視において)、流路は角部を有する多角形の形状となっている。図3においては、四角形となっている。第2の部分114(大開口部31)の開口面積は、第1の部分113(小開口部32)の開口面積よりも大きくなっている。したがって、保護基板21に形成された流路11は、保護基板の厚さ方向途中に段差面33を有しており、そこで大開口部31および小開口部32が連通している。これにより、流路11は、断面視において、第1の面111から裏面に向かって断面積が大きくなるように形成されている。
流路11が角部を有することで、毛細管現象によって角部から接着剤19が這い上がりやすくなるため、接着材の這い上がり位置を制御しやすくなる。角部がない場合、例えば円に近い形状の場合では全周にわたって接着剤が這い上がるため、平面視で見た場合、流路11の開口部分を塞ぐ可能性がある。それに対して、流路11に角部がある場合には、接着剤が流路の全周ではなく角部を優先的に流れ、そして段差部に形成された段差面33に流れ込むため、流路を閉塞することを抑制することができる。段差面33で接着剤を一定量保持できるため、段差面以上のさらなる接着剤の這い上がりも抑制でき、流路を閉塞することを抑制できる。したがって、余分な接着剤は角部と段差面に存在し、流路までを閉塞してしまうことが抑制される。
この実施形態では、保護基板21の厚さが、100μm~600μmである。また、図3に示す断面図で見た際に、流路11の小開口部の左右方向の長さは50μm~100であり、大開口部の左右方向の長さは80μmから150μmである。ただし、大開口部の開口面積>小開口部の開口面積という関係は維持し、逆転されることはない。
次に、本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法について、図4A(a)から図4B(j)を用いて説明する。図4は、各製造工程における概略図である。液体吐出ヘッドの製造方法は大きく分けて、保護基板21の形成工程と、アクチュエータ基板22の形成工程、ノズル基板23の形成工程、それぞれを接合する工程とを含む。本実施形態は、保護基板21とアクチュエータ基板22の接合の際に接着剤の這い上がり防止を目的とする件だが、それ以外の接合工程にも適用される。
まず図4A(a)に示すように、400μm厚さの保護基板(シリコン基板)を準備し、アクチュエータ基板22と接合される面と逆側の面に、流路11を形成すべき領域に開口を有するエッチングマスク41を形成した。エッチングマスクはノボラック系フォトレジストを使用し、露光及び現像することで形成した。
そして、図4A(b)に示すように、このマスクを用いてSiドライエッチングすることによって、流路11の大開口部31を保護基板21の厚さ方向途中まで形成した。エッチング深さは300μmとし、エッチングステップにSF6ガス、コーティングステップにC4F8ガスを使用した、いわゆるボッシュプロセスと呼ばれるエッチング手法を用いた。ただし、ボッシュプロセス以外の方法で形成することも可能である。
次に、エッチングマスク41を除去し、図4A(c)に示すように、保護基板4のアクチュエータ基板と接合される面側にエッチングマスク42を設けた。エッチングマスク42の形成は、まずノボラック系のポジ型レジストを使用し、露光及び現像することで形成した。
次に、エッチングマスク42をマスクとして、図4A(c)に示すように、Siドライエッチングによって保護基板21をエッチングし、小開口部32を形成し、大開口部と連通することで流路11を形成した。その際のエッチング条件としては、エッチングステップとコーティングステップを用いたいわゆるボッシュプロセスと呼ばれる手法を用いた。
小開口部32を形成すると同時にのちのアクチュエータ基板表面に形成された振動膜および圧電素子部分を収容するための凹部18も同時に形成した。深さは100μmから120μmになった。
小開口部32を形成すると同時にのちのアクチュエータ基板表面に形成された振動膜および圧電素子部分を収容するための凹部18も同時に形成した。深さは100μmから120μmになった。
その後、レジストマスク42を除去し、図4A(d)で示すように、保護基板21を形成した。
一方、アクチュエータ基板22の準備工程は以下の通りである。まず、図4A(e)に示すように、600μm厚さのアクチュエータ基板(シリコン基板)を準備し、その表面に、振動膜形成層が形成される。振動膜形成層は、例えばプラズマCVDによって形成される。
次に、振動膜形成層上に、水素バリア膜(不図示)、下部電極(不図示)、圧電体膜および上部電極(不図示)が順に形成される。下部電極および上部電極は、たとえばスパッタ法によって形成され、圧電体膜は、ゾルゲル法によって形成されるが、スパッタ法によって形成してもよい。こうして圧電素子15を形成した。アクチュエータ部を駆動できるように層間膜や配線層を形成することで、アクチュエータ基板を形成した。
次に、アクチュエータ基板上の複数の膜をエッチングして、圧電体膜および電極を貫通する液体供給路44を形成した。
次に、図4A(f)に示すように、保護基板21の対抗面に接着剤を1.0μmから2.0μmの厚さで塗布し、流路11と液体供給路44が一致するように、アクチュエータ基板22と保護基板21を接合した。接着剤塗布方法は、ドライフィルム上に接着剤をスピンコートし、保護基板21に転写する方法で実施した。ただし、接着剤塗布方法としては、それに限ったことではなく、スクリーン印刷や、感光性接着材を用いたフォトリソパターニングで実施しても良い。
接着剤厚みは接合時のボイドをなくすために厚く形成することが好ましく、1.0μm以上、好ましくは2.0μm、より好ましくは5.0μm以上とした。接着剤を厚くすることで、接合した際の保護基板の貫通孔への這い上がりが大きくなるが、小開口部から大開口部になる段差部分で接着剤の這い上がりを捕捉することが可能となった。また、貫通孔の形状に角部を有することで、接着剤這い上がりの位置を制御することが可能となり、捕捉が容易となった。
その結果、角部から這い上がった接着材は、段差部に形成された段差面に流れ込むため、流路を閉塞することを抑制できる。
次に、図4B(g)に示すように、アクチュエータ基板の裏面から研削することによって薄化した。その後、裏面からレジストマスクを形成後、ドライエッチングによってキャビティ12を形成した。
次に、図4B(i)に示すように、ノズル基板23を準備した。ノズル基板23に液体吐出流路16を形成した後、アクチュエータ基板とノズル基板を接合後、吐出口17を形成した。その後、図4B(j)に示すように、アクチュエータ基板22のキャビティ12を覆うように、ノズル基板23をアクチュエータ基板22の裏面に接合した。
以上の工程を経て、本実施形態の液体吐出ヘッド110を製造した。
(第2の実施形態)
第2の実施形態について説明する。なお、第1の実施形態と同様の箇所については同様の符号を付し、説明は省略する。第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。図5は、本実施形態における保護基板21の断面図および平面図である。本実施形態においては、図5に示すように、保護基板の流路11の大開口部31の平面視の形状を円形にした。これにより、小開口部32の角部から接着剤を這い上がらせて、大開口部の段差面33で余分な接着剤を保持することに加え、段差面から33からさらに上方に接着剤が這い上がることを抑制することができる。大開口部31の平面視の形状が円状の場合には、大開口部31には接着剤が這い上がりやすい角部がないため、接着剤のさらなる這い上がりを抑制することができる。
第2の実施形態について説明する。なお、第1の実施形態と同様の箇所については同様の符号を付し、説明は省略する。第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。図5は、本実施形態における保護基板21の断面図および平面図である。本実施形態においては、図5に示すように、保護基板の流路11の大開口部31の平面視の形状を円形にした。これにより、小開口部32の角部から接着剤を這い上がらせて、大開口部の段差面33で余分な接着剤を保持することに加え、段差面から33からさらに上方に接着剤が這い上がることを抑制することができる。大開口部31の平面視の形状が円状の場合には、大開口部31には接着剤が這い上がりやすい角部がないため、接着剤のさらなる這い上がりを抑制することができる。
(第3の実施形態)
第3の実施形態について説明する。なお、第1の実施形態と同様の箇所については同様の符号を付し、説明は省略する。第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。図6は、本実施形態における保護基板21の断面図および平面図である。本実施形態においては、保護基板21に形成された段差面に、大開口部31(第2の部分)に向かって突出する突出部51を設けた。本形態にすることで、接着材が角部から這い上がった先に尖り部51があるため、尖り部51を超えた接着材が段差面に捕捉しやすくなる。接合後に熱等の影響で接着材が動く可能性も考えられるが、尖り部51と段差面の間に捕捉された接着材はそれ以上動かないため、流路の閉塞をより抑制することができる。
第3の実施形態について説明する。なお、第1の実施形態と同様の箇所については同様の符号を付し、説明は省略する。第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。図6は、本実施形態における保護基板21の断面図および平面図である。本実施形態においては、保護基板21に形成された段差面に、大開口部31(第2の部分)に向かって突出する突出部51を設けた。本形態にすることで、接着材が角部から這い上がった先に尖り部51があるため、尖り部51を超えた接着材が段差面に捕捉しやすくなる。接合後に熱等の影響で接着材が動く可能性も考えられるが、尖り部51と段差面の間に捕捉された接着材はそれ以上動かないため、流路の閉塞をより抑制することができる。
図7(a)から(c)に尖り部51の製造方法を示す。保護基板21の流路11の小開口部32と大開口部31の加工順番を逆にする、つまり小開口部を形成後、大開口部を形成し連通することで、尖り部51を形成した。図7に示すように小開口部32を深さ100μm程度加工した後に、反対面側から大開口部31を加工し連通することで、図7(c)に示すような尖り部51を形成することが可能である。
(第4の実施形態)
第4の実施形態について説明する。なお、第1の実施形態と同様の箇所については同様の符号を付し、説明は省略する。第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。図8は、本実施形態における保護基板21の断面図および平面図である。本実施形態においては、図8に示すように、小開口部32が保護基板21に複数形成されており、一つの大開口部31が複数の小開口部32と連通していることを特徴とする。大開口部31が複数の小開口部に連通した形状にすることで、接着材が小開口部から這い上がった後に段差面33が広い領域になる。これにより、流路の閉塞をより抑制することができる。大開口部および小開口部のそれぞれは、シリコンのリアクティブイオンエッチングによって形成した。
第4の実施形態について説明する。なお、第1の実施形態と同様の箇所については同様の符号を付し、説明は省略する。第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。図8は、本実施形態における保護基板21の断面図および平面図である。本実施形態においては、図8に示すように、小開口部32が保護基板21に複数形成されており、一つの大開口部31が複数の小開口部32と連通していることを特徴とする。大開口部31が複数の小開口部に連通した形状にすることで、接着材が小開口部から這い上がった後に段差面33が広い領域になる。これにより、流路の閉塞をより抑制することができる。大開口部および小開口部のそれぞれは、シリコンのリアクティブイオンエッチングによって形成した。
(第5の実施形態)
第5の実施形態について説明する。なお、第1の実施形態と同様の箇所については同様の符号を付し、説明は省略する。第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。図9は、本実施形態における保護基板21の断面図および平面図である。本実施形態においては、保護基板の流路の大開口部の形成をシリコンの異方性ウエットエッチングによって形成した。エッチング液にTMAHを用いて実施したが、KOHのようなアルカリ溶液を用いても良い。図9(a)は、シリコン基板を(100)基板を使用した場合を示す。図9(b)は、(110)基板を使用した場合で示している。図9(a)と(b)のように形状が異なるが、どちらも、大開口部を形成し、その後、反対側の面から小開口部を形成し複数連通させた。小開口部の形成はSiのリアクティブイオンエッチングを用いて形成した。
第5の実施形態について説明する。なお、第1の実施形態と同様の箇所については同様の符号を付し、説明は省略する。第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。図9は、本実施形態における保護基板21の断面図および平面図である。本実施形態においては、保護基板の流路の大開口部の形成をシリコンの異方性ウエットエッチングによって形成した。エッチング液にTMAHを用いて実施したが、KOHのようなアルカリ溶液を用いても良い。図9(a)は、シリコン基板を(100)基板を使用した場合を示す。図9(b)は、(110)基板を使用した場合で示している。図9(a)と(b)のように形状が異なるが、どちらも、大開口部を形成し、その後、反対側の面から小開口部を形成し複数連通させた。小開口部の形成はSiのリアクティブイオンエッチングを用いて形成した。
(100)基板を用いた場合は、平面方向の面積が大きくなり、デバイスチップが大きくなることが懸念点として挙げられるが、基板コストが安いというメリットがある。また、大開口部の開口面積が第1の面111の裏面に向かって大きくなっていることにより、流抵抗が下がり、インクの供給が有利になる。逆に(110)基板を用いた場合、基板コストが高いという懸念点が挙げられるが、図9(b)のように断面方向で垂直に形成可能なので、デバイスチップが小さくなるというメリットが挙げられる。大開口部を実施例4のように異方性ウエットエッチングで形成することによって、接着剤が小開口部の角部から這い上がった後の段差面が広く、閉塞されにくい構成にすることができた。
(第6の実施形態)
第6の実施形態について説明する。なお、第1の実施形態と同様の箇所については同様の符号を付し、説明は省略する。第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。図10は、本実施形態における保護基板21の断面図および平面図である。本実施形態においては、図10に示すように、流路中の段差面33を複数形成した(図10においては2つ)。段差面33が複数形成されることで、這い上がってきた接着剤を補足することができる箇所も複数となる。これにより、接着剤が流路を閉塞してしまうことをより抑制することができるようになる。
第6の実施形態について説明する。なお、第1の実施形態と同様の箇所については同様の符号を付し、説明は省略する。第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。図10は、本実施形態における保護基板21の断面図および平面図である。本実施形態においては、図10に示すように、流路中の段差面33を複数形成した(図10においては2つ)。段差面33が複数形成されることで、這い上がってきた接着剤を補足することができる箇所も複数となる。これにより、接着剤が流路を閉塞してしまうことをより抑制することができるようになる。
11 流路
13 接着剤
21 第1の基板
111 第1の面
112 第2の面
113 第1の部分
114 第2の部分
116 流路部材
13 接着剤
21 第1の基板
111 第1の面
112 第2の面
113 第1の部分
114 第2の部分
116 流路部材
Claims (9)
- 第1の面から流路が形成されている第1の基板と、
前記第1の面と対向する第2の面を有する第2の基板と、
を有し、
前記第1の面と前記第2の面との間に接着剤があることにより、前記第1の基板と前記第2の基板とが接合して形成されている流路部材において、
前記第1の面と直交する方向から前記流路を見たときに、前記流路は、角部を備える多角形の形状となっており、
前記流路は、前記第1の面側に位置している第1の部分と、前記第1の部分と連通する第2の部分と、を有し、
前記第1の面と直交する方向から前記流路を見たときに、前記第2の部分の開口面積は、前記第1の部分の開口面積よりも大きく、
前記第1の部分と前記第2の部分との段差面および前記角部に前記接着剤が存在していることを特徴とする流路部材。 - 前記第1の面と直交する方向から前記流路を見たときに、前記第2の部分は、円形の形状となっている請求項1に記載の流路部材。
- 前記段差面には、前記第2の部分に向かって突出する突出部が形成されている請求項1または2に記載の流路部材。
- 前記第1の部分は、前記第1の基板に複数形成されており、
前記複数の第1の部分が、1つの前記第2の部分に連通している請求項1ないし3のいずれか1項に記載の流路部材。 - 前記第2の部分の前記開口面積は、前記第1の面の裏面に向かって大きくなる請求項1ないし4のいずれか1項に記載の流路部材。
- 前記段差面は、複数形成されている請求項1ないし5のいずれか1項に記載の流路部材。
- 液体を吐出する吐出口を有する吐出口基板と、
請求項1ないし6のいずれか1項に記載の流路部材と、
を有する液体吐出ヘッドにおいて、
前記流路部材の第1の基板に形成されている前記流路は、前記吐出口に液体を供給するための流路であることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 前記第2の基板は、液体を吐出するための圧力を発生させる圧力発生素子をさらに有し、
前記第1の基板は、前記圧力発生素子を囲む凹部をさらに有する請求項7に記載の液体吐出ヘッド。 - 前記吐出口基板は、前記第2の基板に接着剤を介して接合されている請求項7または8に記載の液体吐出ヘッド。
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JP2021151988A JP2023044120A (ja) | 2021-09-17 | 2021-09-17 | 流路部材および液体吐出ヘッド |
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Family Applications (1)
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JP2021151988A Pending JP2023044120A (ja) | 2021-09-17 | 2021-09-17 | 流路部材および液体吐出ヘッド |
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2021
- 2021-09-17 JP JP2021151988A patent/JP2023044120A/ja active Pending
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2022
- 2022-09-14 US US17/932,213 patent/US20230086168A1/en active Pending
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