JP2023079433A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

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Abstract

【課題】 接合される基板面に形成された構造体に対してはみ出した接着剤の流動を制御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】 液体吐出ヘッドは、構造体が形成されている第一の基板1と、第二の基板2と、第三の基板3と、を有する。第一の基板1と第二の基板2は、接着剤4を介して接合しており、第一の基板1と第三の基板3は、接着剤4を介して接合している。第一の基板1には、角部の曲率半径がR2である開口が形成されており、第二の基板には、角部の曲率半径がR1である開口が形成されており、R1とR2がR1<R2の関係を満たすことを特徴とする。【選択図】 図4

Description

本発明は、液体吐出ヘッドに関する。
近年、圧力センサーや加速度センサーなどのMEMS(Micro Electro Mechanical System)等の製造において、接着剤を介して基板どうしを接合した基板接合体から構成されるデバイスが作製されている。その一例として液体を吐出する液体吐出ヘッドが挙げられる。
液体吐出ヘッドの例としてインクジェット記録ヘッドが挙げられる。インクジェット記録ヘッドは、インクを吐出するためのエネルギーを与えるエネルギー発生素子を有する。また、基板表面上には吐出口部材が形成され、吐出口部材にはインクを吐出する吐出口が複数開口している。また、基板にはインクの流路としての貫通孔が形成され、貫通孔を通り基板の裏面側から表面側に向かってインクが供給される。貫通孔と吐出口とは連通しており、貫通孔を通過したインクはエネルギー発生素子から与えられる力により吐出口から吐出される。エネルギー発生素子としては、ヒーター素子のような通電加熱によりインクを沸騰させうる素子や、圧電素子のような体積変化を利用して液体に圧力を加えうる素子が挙げられる。
基板接合体から構成されるデバイスの例として、特許文献1には液体吐出装置を開示している。具体的には、ノズル開口に連通する圧力発生室と、圧電体層と前期圧電体層に設けられた電極とを備えた圧電素子とを備えている。圧力発生室に溜められた液体は、ノズル開口を介して発射される。
特開2013-91272号公報
特許文献1のような液体吐出装置では、一般的に複数の基板は接着剤を用いて接合される。しかしながら、これらの基板を接合する際に接合される基板面に形成された構造体に対してはみ出した接着剤が吐出特性に影響を与える場合があった。例えば、圧電素子の振動板にかかって振動特性が変化することや、エネルギー発生素子の配置された共通液室に液体を供給するための供給口が目詰まりし、液体の供給が滞ることで吐出特性に影響を与えることがあった。
上記課題を鑑み、本発明は、接合される基板面に形成された構造体に対してはみ出した接着剤の流動を制御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、第一の面と、前記第一の面の裏面である第二の面と、を有し、前記第一の面に構造体が形成されている第一の基板と、前記第一の基板の第一の面と対向する第二の面を有する第二の基板と、前記第一の基板の第二の面と対向する第一の面を有する第三の基板と、を有する液体吐出ヘッドにおいて、前記第一の基板と前記第二の基板は、前記第一の基板の第一の面と前記第二の基板の第二の面との間にある接着剤を介して接合しており、前記第一の基板と前記第三の基板は、前記第一の基板の第二の面と前記第三の基板の第一の面との間にある接着剤を介して接合しており、前記第一の基板の第二の面側であって前記構造体の裏側の領域には、角部の曲率半径がR2である開口が形成されており、前記第二の基板の第二の面側であって前記構造体と対向する領域には、角部の曲率半径がR1である開口が形成されており、R1とR2がR1<R2の関係を満たすことを特徴とする。
本発明によれば、接合される基板面に形成された構造体に対してはみ出した接着剤の流動を制御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。
実施形態1の接合基板の断面図 実施形態1の各基板の断面図 本発明の課題が生じた場合の実施形態1の接合基板の断面図 実施形態1の各基板に本発明を適用した場合の断面図 曲率半径と角部這い上がりとはみ出し幅の関係を示したグラフ 本発明を適用した場合の実施形態1の接合基板の断面図 実施形態2の接合基板の断面図 実施形態2の各基板の断面図 本発明の課題が生じた場合の実施形態2の接合基板の断面図 実施形態2の各基板に本発明を適用した場合の断面図 本発明を適用した場合の実施形態2の接合基板の断面図 実施形態3の接合基板の断面図 実施形態3の各基板の断面図 本発明の課題が生じた場合の実施形態3の接合基板の断面図 実施形態3の各基板に本発明を適用した場合の断面図 本発明を適用した場合の実施形態3の接合基板の断面図 実施形態4の接合基板の断面図 実施形態4の各基板の断面図 本発明の課題が生じた場合の実施形態4の接合基板の断面図 実施形態4の各基板に本発明を適用した場合の断面図 本発明を適用した場合の実施形態4の接合基板の断面図
以下に、図面を参照しつつ、本件開示の技術の好適な実施の形態について説明する。ただし、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状およびそれらの相対配置等は、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものである。よって、この発明の範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。特に図示あるいは記述をしない構成や工程には、当該技術分野の周知技術または公知技術を適用することが可能である。また、重複する説明は省略する場合がある。
なお、本発明にかかる曲率半径は接合面から各基板を見た時の平面図であらわされる開口の角部の形状である。深さ方向は開口の深さにもよるが、接着剤の流入面(接合面)から凹部あるいは貫通孔の深さの1/2以上が同じ曲率半径で形成されていることが好ましく、より好ましくは3/4以上が同じ曲率半径で形成されていることであり、最も好ましいのは。一貫して同じ曲率半径で形成されていることである。
また、本実施形態は3枚の基板の接合を例に記載をしているが、本件はこれに限定されるものではなく、3枚以上の基板の接合にも適用することができる。
(実施形態1)
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態1にかかる液体吐出ヘッド用基板について説明する。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。
液体吐出ヘッドは、インクジェットプリンタ等の記録装置が有する部材である。記録装置には、他に液体吐出ヘッドに供給する液体を収納する液体収納部や、記録を行う記録媒体の搬送機構などが設けられている。
図1は、本発明の実施形態1にかかる液体吐出ヘッド用の接合基板の断面図である。なお、図1は本発明の課題となる開口への接着剤の影響は不図示としたものである。
液体吐出ヘッドは、第一の基板1と第二の基板2と第三の基板3とを含む。これらの基板はそれぞれ、1a、1b、2a、2b、3a、3bで示される第一の面、第二の面を有している。図2(a)から(c)は本実施形態1の接合された基板をばらした断面図である。
それぞれの基板は接着剤4で接合されて液体吐出ヘッド用基板が形成される。つまり、接合基板は少なくとも接着剤を用いて接合面を複数有するものである。
第一の基板1は、例えばシリコン基板からなり、第一の面1aには振動膜6が設けられており、振動膜6の上に圧電素子5(構造体)が形成されている。第二の面1bには圧力室7を形成する開口(空間)が形成されている。振動膜6は圧力室の天壁を形成しており、複数の圧力室7を区画している。
第二の基板2は例えばシリコン基板からなる。第二の基板2は圧電素子5を覆うように配置されている。第二の基板の第二の面2bには圧電素子5に対向する面に凹部8が形成されており、接着剤4を介して第一の基板の第一の面1aに接合されている。凹部8内に複数の圧力室7にそれぞれ対応する複数の圧電素子5が収容される。
第一の基板の第二の面1bに第三の基板3が接合されている。第三の基板3は例えばシリコン基板からなり、第二の基板2および振動膜6とともに、圧力室7を区画している。第三の基板3は、液体吐出流路9を有し、液体吐出流路の底面に液体を吐出する吐出口10が形成されている。吐出口10は液体吐出流路9と共に第三の基板3を貫通しており、圧力室7とは反対側に吐出口を有している。したがって、圧力室7の容積変化が生じると、圧力室7に溜められた液体は、液体吐出流路9を通り、吐出口10から吐出される。
第二の基板2上には、インクタンク(不図示)が配置されている。第二の基板2を貫通するように貫通孔11が形成されている。第二の基板2の貫通孔11は第一の基板1も貫通し、基板内の圧力室7に連通している。したがって、インクタンク内の液体は、貫通孔11を通って、圧力室7に供給される。
振動膜6上に圧電素子5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5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5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。
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、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。
圧電素子5は、例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5は、金属酸化物結晶の焼結体からなる。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となる第一の基板1を形成することができる。
圧電素子5は、振動膜6を挟んで圧力室7に対向する位置に形成されている。すなわち、圧電素子5は、振動膜6の圧力室7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6は、圧力室7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5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5が変形する。これにより、圧電素子5とともに振動膜6が変形し、それによって、圧力室7の容積変化がもたらされ液体が加圧される。
加圧された液体は、液体吐出流路9を通って、吐出口10から微小液滴となって吐出される。
図2(a)から(c)の基板の加工は特に限定されるものではなく、一般的な基板加工プロセスで実施される。例えば、シリコン基板であれば半導体製造プロセスを用いることができる。基板の表面に所望のエッチングマスクを形成したのちに、Siドライエッチングを実施することで加工することが可能となる。エッチングマスクは例えば、ノボラック系フォトレジストを使用し、露光及び現像しパターニングすることで形成することができる。
Siドライエッチングは例えばエッチングステップにSFガス、コーティングステップにCガスを使用する、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ることもできる。本発明にかかる開口の角部の曲率半径は、フォトレジストの露光マスクを変えることにより任意に変えることが可能である。
また、これらの基板の少なくとも接合する面の開口(例えば第一の基板の第二の面1bと第三の基板の第一の面3a)は接合前に加工が必要であるが、接合する面の以外の開口の形成や基板薄化などの基板加工は接合前に実施しても接合後に実施しても良い。
接着剤4としては、基板に対して密着性が高い材料が好適に用いられる。また、気泡などの混入が少なく塗布性が高い材料が好ましく、また接着剤の厚さを薄くしやすい低粘度な材料が好ましい。接着剤は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、およびウレタン樹脂からなる群より選択されるいずれかの樹脂を含むことが好ましい。
接着剤4の硬化方式としては、熱硬化方式、および紫外線遅延硬化方式が挙げられる。なお、基板のいずれかに紫外線透過性がある場合は、紫外線硬化方式も使用できる。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、接合面のいずれか一方の基板に転写する方法で実施する。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、感光性接着剤であれば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、接合前の膜厚で1.0μm以上、好ましくは2.0μm、より好ましくは5.0μm以上である。
接着剤を厚くすることでボイドが抑制することができるが、それぞれの接合面の開口に対してはみ出しが生じやすくなり、本発明の課題が生じやすくなる。
図3に第一の基板1、第二の基板2、第三の基板3をそれぞれ接着剤4を用いて接合した後の断面模式図を示す。図3に示した接着剤の影響箇所12について説明する。接着剤4のはみ出しは制御されていない状態であると第二の基板の第二の面2bの凹部8に対してはみ出し、振動膜6にかかることがある。また、第一の基板の第二の面2bの圧力室7の角部を這い上がり、同様に振動膜6にかかることもある。このように振動膜6に接着剤のはみ出し部がかかると振動特性に影響を与え、吐出性能に影響を及ぼす場合がある。また。貫通孔11に対しても、接着剤のはみ出しが生じることで流路が狭くなったり閉塞したりすることで吐出性能に影響を及ぼす場合がある。
本発明は接合面を複数有する接着剤を用いた接合基板において、それぞれの接合面に形成された開口の角部の曲率半径の大小関係を規定することで、はみ出し部を制御することで良好な吐出性能を得ることができる。
図5に、実験的に曲率半径Rを変えた開口を有する基板を、接着剤を用いて接合した際の、開口の角部の這い上がりと接合面のはみ出し幅の測定結果を曲率半径が8μmの時を基準にして示したものである。ここでの這い上がりとは、開口にはみ出した接着剤が開口の角部を表面張力によって接合界面X-Yに対して高さ方向Zに伝わっていく現象を示す。はみ出し幅とは。接合界面X-Yと同一平面において開口から接着剤がX軸あるいはY軸にはみ出した幅を示す。図5によると、曲率半径Rが大きくなると這い上がりが減少し相対的にはみ出し幅が増加する傾向にある。特に20μmを超えると這い上がりの抑制効果を十分に得ることができる。また、曲率半径Rが小さくなるほど、這い上がりが増加し相対的にはみ出し幅が減少する傾向にある。つまり、複数の接合面の開口の角部の曲率半径の大小関係を規定し、接着剤のはみ出しを制御することができる。
図4(a)から(c)に第一の基板1、第二の基板2、第三の基板3に形成された本発明にかかる開口の平面図を示した。図4(a)の凹部8の開口の角部の曲率半径R1を小さくすることで第一の基板の第一の面1aにはみ出した接着剤4を凹部8の角部を通じて積極的に這い上がらせ、はみ出し量を減らすことができ、振動膜6にかかる接着剤の影響を抑制することができる。
更に、図4(b)の圧力室7の角部の曲率半径R2を大きくすることで、第三の基板の第一の面3aにはみ出した接着剤4が圧力室7の角部を這い上がることを抑制することが可能となり、振動膜6にかかる接着剤の影響を抑制することができる。つまり、R1<R2とすることにより振動膜6にかかる接着剤の影響を抑制することが可能となる。R2の曲率半径を有する開口は、第一の基板の第二の面側であって構造体の裏側の領域に形成されている。
図5の結果より、図4(a)から(c)に示すR1は角部での接着剤の這い上がりを助長させ、はみ出し幅を減少させるために12μm未満であることが好ましく、より好ましくは8μm以下である。R2は角部での接着剤の這い上がりを抑制させる観点から、20μmより大きいことが好ましく、より好ましくは30μm以上である。
また、図4(a)に示される貫通孔11の開口の角部R3は接着剤が這い上がり過ぎると第一の基板の第一の面1aに這い上がった接着剤が及び、第一の基板の第一の面1aを汚染する可能性がある。一方で、接着剤の這い上がりを抑制し過ぎると、貫通孔11の断面積が狭くなったり閉塞したりすることでインクの流れに影響を及ぼす場合がある。そのため、R3はR1<R3<R2であることが好ましく、12μm≦R3≦20μmであることが好ましい。
図4(a’)や(a’’)のように貫通孔11が段差部15を有している場合においては、這い上がった接着剤を段差部15に溜まり、第一の基板の第一の面1aへの到達を抑制できる。このため、段差部15を有する構成において接着剤は角部を積極的に這い上がらせることができる。すなわち、R3はR3≦R1<R2であることが好ましい。このとき、段差部15を挟んで第一の基板の第一の面1a側の貫通孔11の曲率半径をR3よりも大きくして第一の基板の第一の面1aへの到達を抑制しても良い。
液体吐出流路9の開口形状は特に限定されるものではないが、圧力室7の開口にはみ出した接着剤が液体吐出流路9に及んだ場合に吐出口10に影響を及ぼす場合がある。このため、図4(c)に示されるように液体吐出流路の角部の曲率半径をR4とした際にR2=R4であることが好ましく、R2<R4の構成であることがより好適である。
図6に図4(a)から(c)に示されるような本発明にかかる構成の第一の基板1、第二の基板2、第三の基板3を接着剤4を介して接合した基板の断面図を示した。本発明を用いることで、接合面を複数有する接合基板において、はみ出した接着剤が制御され吐出性能に影響を及ぼすことなく、良好な吐出性能を得ることができる。
(実施形態2)
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態2に係る液体吐出ヘッド用基板について説明する。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。また、実施形態2の説明は実施形態1と異なる点を中心に説明する。
なお、本実施形態の図では吐出口が上方、液体の供給口が下方に配置された姿勢で図示されているが、これは液体吐出ヘッドの流路形成部の製造時における姿勢を示したものであり、使用時には、吐出口を下方にした配置で用いられる場合が多い。
図7は、本発明の実施形態2にかかる液体吐出ヘッド用接合基板の断面図である。なお、図7は本発明の課題となる開口への接着剤の影響は不図示としたものである。図8(a)から(c)は本実施形態の各基板をばらした断面図である。それぞれの基板は接着剤4で接合されて液体吐出ヘッド用基板が形成される。
第一の基板1は、例えばシリコン基板からなり、第一の面1aにはエネルギー発生素子16とエネルギー発生素子16に対応した供給口18が形成されている。第一の基板の第二の面1bには流路19を形成する開口が形成されている。第一の基板1に形成された供給口18と流路19は連通しており、流路19から供給口18を通り、エネルギー発生素子16の配置された共通液室17へ液体が導入される。
第二の基板2は例えばシリコン基板やSUS基板からなる。第二の基板2はエネルギー発生素子16を覆うように配置されており、第二の基板の第二の面2bにはエネルギー発生素子16に対向する面に共通液室17となる凹部8が形成されている。凹部8が複数の共通液室17にそれぞれ対応する複数のエネルギー発生素子16が収容されるように接合される。また、凹部8の底面には液体を吐出する吐出口10が形成されている。吐出口10は凹部8とともに第二の基板2を貫通しており、それぞれのエネルギー発生素子16に対応した吐出口10を有している。したがって、共通液室17の容積変化が生じると、共通液室17に溜められた液体は、吐出口10から吐出される。第二の基板2は接着剤4を介して第一の基板の第一の面1aに接合されている。
第一の基板の第二の面1bに第三の基板3が接合されている。第三の基板3は例えばシリコン基板からなり、第三の基板3を貫通するように、流路を変換する開口20が形成されている。
流路を変換する開口20によって、流路19は液体供給流路と液体回収流路が形成され、負圧制御ユニット(不図示)によって液体供給流路と液体回収流路との間には差圧が生じている。この差圧によって液体供給流路内の液体が、供給口18から共通液室17、さらに供給口18を経由して液体回収流路に流れる。
この流れによって、記録を休止している吐出口10や共通液室17において、吐出口10からの蒸発によって生じる増粘した液体、泡および異物などを液体回収流路へ回収することができる。また、吐出口10や共通液室17の液体が増粘するのを抑制することができる。
更に、第三の基板3の上流には、インクタンク(不図示)が配置されている。第三の基板3に形成された流路を変換する開口20は第一の基板1の流路19と供給口18と貫通し、共通液室17に連通している。すなわち、本実施形態では、供給口18が液体吐出ヘッドによって吐出される液体の供給経路となる。
第一の基板の第一の面1aには、エネルギー発生素子16に接続する配線層や層間絶縁膜などから構成される表面メンブレン層(不図示)が形成されている。また、供給口18と流路19は、フォトレジストなどを用いて作製したエッチングマスクを用いてエッチングを行うことで形成される。例えば、エネルギー発生素子16が電気熱変換素子である場合、駆動IC(不図示)から電気熱変換素子に駆動電圧が印可されると、液体内に気泡を瞬間的に発生させる。そして、気泡の成長によって共通液室17に生じる圧力変化を利用して、液滴を吐出口10から吐出させる。
図8の(a)から(c)の基板の加工は特に限定されるものではなく、実施形態1と同様に一般的な基板加工プロセスで実施され、本発明にかかる開口の角部の曲率半径は、フォトレジストの露光マスクを変えることにより任意に変えることが可能である。また、これらの基板の少なくとも接合する面の開口は接合前に加工が必要であるが、接合する面の以外の開口の形成や基板薄化などの基板加工は接合前に実施しても接合後に実施しても良い。
接着剤4の材料、硬化方式や塗布方法は実施形態1と同様であり、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、接合前の膜厚で1.0μm以上、好ましくは2.0μm、より好ましくは5.0μm以上である。接着剤を厚くすることでボイドが抑制することができるが、それぞれの接合面の開口に対してはみ出しが生じやすくなり、本発明の課題が生じやすくなる。
図9に第一の基板1、第二の基板2、第三の基板3をそれぞれ接着剤4を用いて接合した後の断面模式図を示す。図9に示した接着剤の影響箇所12について説明する。接着剤4のはみ出しは制御されていない状態であると第二の基板の第二の面2bの凹部に対してはみ出し、供給口18にかかることがある。また、第二の基板の第二の面2bの流路19の角部を這い上がり、同様に供給口18にかかることもある。
このように供給口18に接着剤4のはみ出し部がかかると供給口18が閉塞し、共通液室17への液体の供給ができなくなる。また、本実施形態のように液体供給流路内の液体が、供給口18から共通液室17、さらに供給口18を経由して液体回収流路に流れるような構成の場合には、供給口18が狭くなる。これにより、吐出口10からの蒸発によって生じる増粘した液体、泡および異物などを液体回収流路へ回収しにくくなり、吐出口10や共通液室17の液体が増粘し吐出性能に影響を及ぼす場合がある。
本発明は本実施形態のように接合面を複数有する接着剤を用いた接合基板において、それぞれの接合面に形成された開口の角部の曲率半径の大小関係を規定することで、はみ出し部を制御することで良好な吐出性能を得ることができる。
図10(a)から(c)に第一の基板1、第二の基板2、第三の基板3に形成された本発明にかかる開口の平面図を示した。図10(a)の凹部8の開口の角部の曲率半径R1を小さくすることで第一の基板の第一の面1aにはみ出した接着剤4を凹部8の角部を通じて積極的に這い上がらせ、はみ出し量を減らすことができ、供給口18にかかる接着剤の影響を抑制することができる。
更に、図10(b)の流路19の角部の曲率半径R2を大きくすることで、第三の基板の第一の面3aにはみ出した接着剤が流路19の角部を這い上がることを抑制することが可能となり、供給口18にかかる接着剤の影響を抑制することができる。
つまり、R1<R2とすることにより供給口18にかかる接着剤の影響を抑制することが可能となる。また、第三の基板3の流路を変換する開口20の曲率半径R5は、第三の基板の第一の面3aにはみ出した接着剤が流路を変換する開口20にかかった場合に開口を這い上がって第三の基板の第二の面3bに到達する可能性がある。このため、R2<R5であると、より好ましい。つまり、R1<R2<R5であると、より好ましい。
図5の結果より、図10(a)から(c)に示すR1は角部での接着剤の這い上がりを助長させ、はみ出し幅を減少させるために12μm未満であることが好ましく、より好ましくは8μm以下である。R2は角部での接着剤の這い上がりを抑制させる観点から、20μmより大きいことが好ましく、より好ましくは30μm以上である。
図11に図10(a)から(c)に示されるような本発明にかかる構成の第一の基板1、第二の基板2、第三の基板3を接着剤4を介して接合した基板の断面図を示した。本発明を用いることで、接合面を複数有する接合基板において、はみ出した接着剤が制御され吐出性能に影響を及ぼすことなく、良好な吐出性能を得ることができる。
(実施形態3)
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態3に係る液体吐出ヘッド用基板について説明する。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。また、実施形態3の説明は実施形態1と異なる点を中心に説明する。
図12は、本発明の実施形態3にかかる液体吐出ヘッド用接合基板の断面図である。なお、図12は本発明の課題となる開口への接着剤の影響は不図示としたものである。図13(a)から(c)は本実施形態の各基板をばらした断面図である。それぞれの基板は接着剤4で接合されて液体吐出ヘッド用基板が形成される。
第一の基板1は、例えばシリコン基板からなり、第一の面1aには振動膜6が設けられており、振動膜6の上に凹部8が形成されており、凹部8の底部に圧電素子5が形成されている。ここで、凹部8は基板を加工して形成しても良いし、図13(b’)に示すようにSU-8等の永久レジスト等を用いて露光と現像をすることで所望の箇所に形成することができる。
第二の基板2は例えばシリコン基板からなる。第二の基板2は圧電素子5を覆うように配置されており、接着剤4を介して第二の基板の第二の面2bと第一の基板の第一の面1aが接合されている。
第三の基板の第一の面3aには圧力室7を形成する開口が形成されている。それぞれの基板は凹部8内に複数の圧力室7にそれぞれ対応する複数の圧電素子5が収容されるように接合される。
第三の基板3は例えばシリコン基板からなり、少なくとも圧力室7となる開口と液体を吐出する吐出口10が形成されている。実施形態2には実施形態1に記載されている液体吐出流路は図示されていないが、実施形態1と同様に液体吐出流路を圧力室7と吐出口10の間に設けても良い。
第一の基板の第二の面1bに第三の基板の第一の面3aが接合され、振動膜6は圧力室7の天壁を形成しており、複数の圧力室7を区画している。
図14に第一の基板1、第二の基板2、第三の基板3を、それぞれ接着剤4を用いて接合した後の断面図を示す。図14に示した接着剤の影響箇所12について説明する。接着剤4のはみ出しは制御されていない状態であると第一の基板の第一の面1aの凹部8の角部をみ出した接着剤が這い上がり振動膜6にかかることがある。また、第二の基板の第二の面2bの圧力室7ではみ出しが生じ、振動膜6にかかることもある。このように振動膜6に接着剤のはみ出し部がかかると振動特性に影響を与え、吐出性能に影響を及ぼす場合がある。
本発明はそれぞれの基板の接合面に形成された開口の角部の曲率半径を変えることで、はみ出し部を制御することで良好な吐出性能を得ることができる。
図15(a)から(c)に第一の基板1、第二の基板2、第三の基板3に形成されや本発明にかかる開口の平面図を示した。図15(b)の凹部8の開口の角部の曲率半径R1を大きくすることで第二の基板の第一の面2aにはみ出した接着剤4を凹部8の角部の這い上がりを抑制することで、振動膜6にかかる接着剤の影響を抑制することができる。
更に、図15(c)の圧力室7の角部の曲率半径R2を小さくすることで、第三の基板の第一の面にはみ出した接着剤4が圧力室7の角部を這い上がらせることができ、振動膜6にかかる接着剤の影響を抑制することができる。つまり、R1>R2とすることにより振動膜6にかかる接着剤の影響を抑制することが可能となる。
図5より、R1は角部での接着剤の這い上がりを抑制させる観点から、20μmより大きいことが好ましく、より好ましくは30μm以上である。R2は角部の這い上がりを助長させる観点から、12μm未満であることが好ましく、より好ましくは8μm以下である。
また、図15(a)に示される貫通孔11の開口の角部R3は接着剤が這い上がり過ぎると第一の基板の第一の面1aに這い上がった接着剤が及び、第一の基板の第一の面1aを汚染する可能性がある。一方で、接着剤の這い上がりを抑制し過ぎると、貫通孔11の断面積が狭くなったり閉塞したりすることで液体の流れに影響を及ぼす場合がある。そのため、R3はR1>R3>R2であることが好ましく、12μm≦R3≦20μmであることが好ましい。
図16に図15(a)から(c)に示されるような本発明にかかる構成の第一の基板1、第二の基板2、第三の基板3を接着剤4を介して接合した断面図を示した。本発明を用いることで、接合面を複数有する接合基板において、はみ出した接着剤が制御され吐出性能に影響を及ぼすことなく、良好な吐出性能を得ることができる。
(実施形態4)
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態4に係る液体吐出ヘッド用基板について説明する。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。また、実施形態4の説明は実施形態2と異なる点を中心に説明する。
なお、本実施形態の図では吐出口が上方、液体の供給口が下方に配置された姿勢で図示されているが、これは液体吐出ヘッドの流路形成部の製造時における姿勢を示したものであり、使用時には、吐出口を下方にした配置で用いられる場合が多い。
図17は、本発明の実施形態4にかかる液体吐出ヘッド用接合基板の断面図である。なお、図17は本発明の課題となる開口への接着剤の影響は不図示としたものである。図18(a)から(c)は本実施形態の各基板をばらした断面図である。それぞれの基板は接着剤4で接合されて液体吐出ヘッド用基板が形成される。
第一の基板1は、例えばシリコン基板からなり、第一の面1aにはエネルギー発生素子16とエネルギー発生素子16に対応した供給口18が形成されている。第一の基板の第一の面1a上に凹部8が形成されており、凹部8の底部にエネルギー発生素子16が形成されている。ここで、凹部8は基板を加工して形成しても良いし、図18(b’)に示すようにSU-8等の永久レジスト等を用いて露光と現像をすることで所望の箇所に形成することができる。
第二の基板2は例えばシリコン基板やSUS基板からなり、液体を吐出する吐出口10が複数形成されている。第一の基板の第二の面1bに第三の基板の第一の面3aを、エネルギー発生素子16に対応する位置に吐出口が配置されるように接合する。第一の基板の第一の面に形成された凹部が共通液室17となり、例えば、エネルギー発生素子16が電気熱変換素子である場合、駆動IC(不図示)から電気熱変換素子に駆動電圧が印可されると、液体内に気泡を瞬間的に発生させる。そして、気泡の成長によって共通液室17に生じる圧力変化を利用して、液滴を吐出口10から吐出させる。
第三の基板3は例えばシリコン基板からなる。第三の基板3には流路19と流路変換部材が一体となって形成されている。流路19は実施形態2と同様に液体供給流路と液体回収流路が形成され、負圧制御ユニット(不図示)による差圧によって液体供給流路内の液体が、供給口18から共通液室17、さらに供給口18を経由して液体回収流路に流れる。第三の基板の第二の面3bには流路変換用の開口が形成されており、開口は流路19と共に第三の基板3を貫通している。
第一の基板1に形成された供給口18と第二の基板2に形成された流路19は連通しており、流路19から供給口18を通り、エネルギー発生素子16の配置された共通液室17へ液体が導入される。
図19に第一の基板1、第二の基板2、第三の基板3を、それぞれ接着剤4を用いて接合した後の断面図を示す。図19に示した接着剤の影響箇所12について説明する。接着剤4のはみ出しは制御されていない状態であると第一の基板の第一の面1aの凹部8の角部をみ出した接着剤が供給口18にかかることがある。
また、第一の基板の第二の面2bの流路19ではみ出しが生じ、流路19の角部を這い上がって同様に供給口18にかかることもある。
このように供給口18に接着剤のはみ出し部がかかると供給口18が閉塞し、液体の供給ができなくなる。また、本実施形態のように液体供給流路内の液体が、供給口18から共通液室17、さらに供給口18を経由して液体回収流路に流れるような構成の場合には、供給口18が狭くなる。これにより、吐出口からの蒸発によって生じる増粘した液体、泡および異物などを液体回収流路へ回収しにくくなり、吐出口10や共通液室17の液体が増粘し吐出性能に影響を及ぼす場合がある。
本発明は本実施形態のように接合面を複数有する接着剤を用いた接合基板において、それぞれの接合面に形成された開口の角部の曲率半径の大小関係を規定することで、はみ出し部を制御することで良好な吐出性能を得ることができる。
図20(a)から(c)に第一の基板1、第二の基板2、第三の基板3に形成されや本発明にかかる開口の平面図を示した。図20(b)の凹部8の開口の角部の曲率半径R1を大きくすることで第二の基板の第二の面2bにはみ出した接着剤4を凹部8の角部の這い上がりを抑制することで、供給口18にかかる接着剤の影響を抑制することができる。
更に、図20(c)の流路19の角部の曲率半径R2を小さくすることで、第三の基板の第一の面3aにはみ出した接着剤4が流路19の角部を這い上がらせることができ、供給口18にかかる接着剤の影響を抑制することができる。つまり、R1>R2とすることにより供給口18にかかる接着剤の影響を抑制することが可能となる。
図11より、R1は角部での接着剤の這い上がりを抑制させる観点から、20μmより大きいことが好ましく、より好ましくは30μm以上である。R2は角部の這い上がりを助長させる観点から、12μm未満であることが好ましく、より好ましくは8μm以下である。
図21に図20(a)から(c)に示されるような本発明にかかる構成の第一の基板1、第二の基板2、第三の基板3を接着剤4を介して接合した断面図を示した。本発明を用いることで、接合面を複数有する接合基板において、はみ出した接着剤が制御され吐出性能に影響を及ぼすことなく、良好な吐出性能を得ることができる。
1 第一の基板
1a 第一の基板の第一の面
1b 第一の基板の第二の面
2 第二の基板
2a 第二の基板の第一の面
2b 第二の基板の第二の面
3 第三の基板
3a 第三の基板の第一の面
3b 第三の基板の第二の面
4 接着剤
5 圧電素子
6 振動膜
7 圧力室
8 凹部
9 液体吐出流路
10 吐出口
11 貫通孔
12 接着剤の影響箇所
13 制御された接着剤
14 永久レジスト
15 段差部
16 エネルギー発生素子
17 共通液室
18 供給口
19 流路
20 流路を変換する開口

Claims (10)

  1. 第一の面と、前記第一の面の裏面である第二の面と、を有し、前記第一の面に構造体が形成されている第一の基板と、
    前記第一の基板の第一の面と対向する第二の面を有する第二の基板と、
    前記第一の基板の第二の面と対向する第一の面を有する第三の基板と、
    を有する液体吐出ヘッドにおいて、
    前記第一の基板と前記第二の基板は、前記第一の基板の第一の面と前記第二の基板の第二の面との間にある接着剤を介して接合しており、
    前記第一の基板と前記第三の基板は、前記第一の基板の第二の面と前記第三の基板の第一の面との間にある接着剤を介して接合しており、
    前記第一の基板の第二の面側であって前記構造体の裏側の領域には、角部の曲率半径がR2である開口が形成されており、
    前記第二の基板の第二の面側であって前記構造体と対向する領域には、角部の曲率半径がR1である開口が形成されており、
    R1とR2がR1<R2の関係を満たすことを特徴とする液体吐出ヘッド。
  2. 前記第一の基板の第二の面側の開口と第三の基板とで形成される空間は圧力室である請求項1に記載の液体吐出ヘッド。
  3. 前記第二の基板には、該第二の基板を貫通し、角部の曲率半径がR3である開口がさらに形成されており、
    R1、R2およびR3がR1<R3<R2の関係を満たす請求項1または2に記載の液体吐出ヘッド。
  4. 前記第二の基板には、該第二の基板を貫通し、段差を有する貫通孔がさらに形成されており、
    前記段差を有する貫通孔のうち、前記第二の基板の第二の面の開口の角部の曲率半径をR3としたとき、
    R1、R2およびR3がR3≦R1<R2の関係を満たす請求項1または2に記載の液体吐出ヘッド。
  5. 前記第三の基板には、液体を吐出する吐出口と、前記吐出口に液体を供給する液体吐出流路とがさらに形成されており、
    前記液体吐出流路の角部の曲率半径をR4としたとき、
    R1とR4がR4≧R2の関係を満たす請求項1ないし4のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
  6. 前記第二の基板には吐出口が形成されており、
    前記第二の基板の開口と第一の基板で形成される空間は共通液室であり、
    前記第一の基板の開口と第三の基板で形成される空間は流路であり、
    前記構造体は、前記吐出口から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である請求項1に記載の液体吐出ヘッド。
  7. 前記第三の基板には、前記流路と接続される開口がさらに形成されており、
    該第三の基板の開口の角部の曲率半径をR5としたとき、
    R1、R2およびR5がR1<R2<R5の関係を満たす請求項6に記載の液体吐出ヘッド。
  8. R1<12μm、R2>20μm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. 前記エネルギー発生素子は電気熱変換素子である請求項1ないし8のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
  10. 前記構造体は、液体の吐出のための圧力を発生する圧電素子である請求項1ないし8のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
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