JP4023131B2

JP4023131B2 - Inkjet printhead manufacturing method

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Publication number: JP4023131B2
Application number: JP2001339781A
Authority: JP
Inventors: 真人安藤; 洋徳永; 厚志中村; 慎二萱場; 伸一堀井
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-11-05
Filing date: 2001-11-05
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2021-11-05
Also published as: JP2003136737A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクをインク吐出ノズルから吐出させて記録媒体上に画像記録を行うためのインクジェットプリントヘッドの製造方法であって、インクをインク吐出ノズルから吐出させるための発熱抵抗体と該インク吐出ノズルとの位置ずれを可能な限り小さくする技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インク加圧室の一面を微小なインク吐出ノズルが形成されたノズルシートで覆い、インク加圧室に設けられた発熱抵抗体の急速な加熱によって生じるインク気泡（バブル）の力によってインク滴をインク吐出ノズルから吐出させる方式のプリントヘッドがある。
【０００３】
上記方式のプリントヘッドとして、図１３及び図１４に示すような構造のシリアル式のプリントヘッドａがある。
プリントヘッドａは、インク加圧室ｂの一つの端面を構成（限定）し発熱抵抗体ｃを備えた基板部材ｄと、インク加圧室ｂの前記端面と異なる２つの端面を構成するバリア層ｆと、インク加圧室ｂの前記３つの端面とは異なる端面を構成し複数のインク吐出ノズルｈが形成されたノズルシートｇとを有する。
【０００４】
基板部材ｄは、シリコン等から成る半導体基板ｅと半導体基板ｅの一方の面に析出形成された発熱抵抗体ｃとから成る。
バリア層ｆは、例えば、露光硬化型のドライフィルムレジストからなり、半導体基板ｅの発熱抵抗体ｃが形成された面の全体に積層された後、フォトリソプロセスによって不要な部分が取り除かれる。
ノズルシートｇは、例えば、ニッケルによる電鋳技術により形成され、インク吐出ノズルｈの位置が発熱抵抗体ｃの位置と合うように、すなわちインク吐出ノズルｈが発熱抵抗体ｃに対向するように基板部材ｄのバリア層ｆの上に貼り合わされる。
【０００５】
上記のように基板部材ｄとバリア層ｆとノズルシートｇで構成されたインク加圧室ｂは、インク供給路ｉと連通されている。そして、インク加圧室ｂ内の発熱抵抗体ｃは半導体基板ｅ上に形成された図示しない導体部を介して外部回路と電気的に接続される。
上記の１個のプリントヘッドａには、通常、１００個単位の複数の発熱抵抗体ｃ、それら発熱抵抗体ｃを備えたインク加圧室ｂを備え、プリンタの制御部からの指令によってこれら発熱抵抗体ｃのそれぞれを一意に選択して発熱抵抗体ｃに対応するインク加圧室ｂのインクをインク加圧室ｂに対向するインク吐出ノズルｈから吐出させることができる。
【０００６】
すなわち、プリントヘッドａにおいて、プリントヘッドａと結合された図示しないインクタンクからインク流路ｉを通じてインク加圧室ｂにインクが満たされる。そして、発熱抵抗体ｃに短時間、例えば、１〜３マイクロ秒の間パルス電流を流すことにより、発熱抵抗体ｃが急速に加熱され、その結果、発熱抵抗体ｃと接する部分に気相のインク気泡が発生し、該インク気泡の膨張によってある体積のインクが押しのけられ、それによって、インク吐出ノズルｈに接する部分の上記押しのけられたインクと同等の体積のインクがインク滴としてインク吐出ノズルｈから吐出され、紙等の記録媒体上に付着（着弾）せしめられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなプリントヘッドａにおいて、発熱抵抗体ｃ（インク加圧室ｂ）とインク吐出ノズルｈとの間の位置関係はインク滴の吐出特性に影響があり、両者の位置ずれが大きくなると、吐出速度の低下や吐出方向の乱れ等の原因となり、場合によっては吐出不可能になる。従って、発熱抵抗体ｃ（インク加圧室ｂ）とインク吐出ノズルｈとの間の位置ずれは印画品位の低下につながるため、大きな問題である。
【０００８】
上記プリントヘッドａの製造工程においては加熱工程があるのが一般的である。例えば、半導体基板ｅ上にバリア層ｆを形成した後にノズルシートｇが積層される（貼り合わされる）が、バリア層ｆを硬化してノズルシートｇを固着（接着）するために、高温での熱硬化工程が行われる。また、ドライフィルムレジストからなるバリア層ｆの耐インク性を得るためのキュア工程も高温で行われる。
【０００９】
上記のように、プリントヘッドの製造工程では加熱工程が必要である。ところで、例えば半導体基板ｅの材料とされるシリコン（シリコンの線膨張率は約３．５×１０^−６〔Ｋ^−１〕）と例えばノズルシートｇの材料とされるニッケル（ニッケルの線膨張率は約１．３×１０^−５〔Ｋ^−１〕）とでは線膨張率が凡そ一桁異なる。
このように線膨張率が大きく異なる材料を加熱工程にて貼り合わせた場合には、加熱工程終了後、室温に戻るときに、それぞれの伸縮率（線膨張率）の差により両者に相対的な位置ずれが生じ、実際には図１５に示すようなそれぞれの発熱抵抗体ｃに対向してインク吐出ノズルｈがある位置関係ではなくなってしまう。そして、このような位置ずれは、貼り合わされる部材間の線膨張率の差が大きいほど大きくなる。
【００１０】
すなわち、図１５に示すように、一つの基板部材ｄに関し、ある部分（ａ）では発熱抵抗体ｃ（インク加圧室ｂ）とインク吐出ノズルｈとが対向した位置関係にあっても、該位置から離れた位置（ｂ）では発熱抵抗体ｃ（インク加圧室ｂ）とインク吐出ノズルｈとの間で位置ずれが生じ、さらに離れた位置（ｃ）ではインク吐出ノズルｈがインク加圧室ｂからもずれてしまう。そして、このような位置ずれは貼り合わされる部材が大きくなるほど大きくなってしまう。
このように、発熱抵抗体ｃ（インク加圧室ｂ）とインク吐出ノズルｈとが対向した位置関係からずれるに従って（図１５（ｂ）参照）吐出方向にずれが生じ、さらにずれ量が大きくなると（図１５（ｃ）参照）インクの吐出が不能になってしまう。
【００１１】
一方では、プリンタ市場の要求は印画スピードを速くする方向にあり、それを達成するための一つの手段として、インクを吐出させる吐出ノズルの数を増大させることがある。この場合、同じ解像度で吐出ノズルの数が増大するときはプリントヘッドの大きさは大きくなり、上記のように線膨張率の差に起因する発熱抵抗体ｃ（インク加圧室ｂ）とインク吐出ノズルｈとの位置ずれの影響はさらに大きくなってしまう。例えば、ラインヘッドのような大型のプリントヘッドの場合には発熱抵抗体ｃ（インク加圧室ｂ）とインク吐出ノズルｈとの間の位置ずれの影響はより顕著になり、極めて重要な問題となる。
【００１２】
本発明は、上記のような点を鑑みてなされたものであり、発熱抵抗体とインク吐出ノズルとの位置ずれを可能な限り小さくしたインクジェットプリントヘッドの製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るインクジェットプリントヘッドの製造方法は、インク加圧室の端面を構成し、複数のインク吐出ノズルが形成されたノズルシートと、前記ノズルシートを支持するヘッドフレームと、前記インク加圧室の前記端面とは異なる端面を構成し、前記インク吐出ノズルに対向し該インク加圧室内のインクを前記インク吐出ノズルから吐出させるための発熱抵抗体を有する基板部材とを有し、前記ヘッドフレームの線膨張率は、前記ノズルシートの線膨張率より大きく、前記ヘッドフレームの線膨張率と、前記基板部材の線膨張率とは、ほぼ同じであり、前記ノズルシートに前記ヘッドフレームが貼り合わされるとともに、前記ヘッドフレームには開口部が形成されており、この開口部内に前記基板部材が配置された状態で前記基板部材と前記ノズルシートとが貼り合わされて成るインクジェットプリントヘッドの製造方法であって、前記インク吐出ノズル間の間隔をＬ _Ａ、前記発熱抵抗体間の間隔をＬ _Ｂとしたとき、室温Ｔ _ＲでのＬ _ＡとＬ _Ｂとの関係を、Ｌ _Ａ＜Ｌ _Ｂにし、室温Ｔ _Ｒより低い温度Ｔ _１であってＬ _Ａ＝Ｌ _Ｂとなる温度環境下で、前記ノズルシートと前記ヘッドフレームとを貼り合わせる工程と、前記ノズルシートと前記基板部材とを、温度Ｔ _１以上の温度環境下で貼り合わせる工程とを有することを特徴とすることにより、上記課題を解決しようとするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る、インクジェットプリントヘッドの製造方法の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（第１の実施の形態）
図１、図２に示すプリントヘッド１はフルカラーのバブルインクジェットプリンタ用のプリントヘッドである。
プリントヘッド１は、インク加圧室９（図３、図４参照）の端面を構成しシアン、イエロー、マゼンタ、ブラック各色のインク用に多数のインク吐出ノズル３、３、…（図３、図４参照）が形成されたノズルシート２と、ノズルシート２を支持するヘッドフレーム４と、インク加圧室９の前記端面とは異なる端面を構成しインク吐出ノズル３、３、…に対向し該インク加圧室９内のインクをインク吐出ノズル３、３、…から吐出させるための発熱抵抗体８、８、…（図４参照）が形成された基板部材６、６、…とが結合されたヘッド組立体１１と、インク供給管１７、１７、…が設けられインク加圧室９にインクを供給するためのインク流路１８を構成する各色のインク用の流路板１２、１２、…とを有する。
【００１５】
ノズルシート２、基板部材６、ヘッドフレーム４はそれぞれ、ヘッドフレーム４の線膨張率と基板部材６の線膨張率とがほぼ等しく、かつヘッドフレーム４の線膨張率はノズルシート２の線膨張率より大きくなるように、ノズルシート２は線膨張率が約０．１３×１０^−６〔Ｋ^−１〕のニッケル鋼（６４Ｆｅ，３６Ｎｉ）、基板部材６は線膨張率が約３．５×１０^−６〔Ｋ^−１〕のシリコン、ヘッドフレーム４は線膨張率が約３．５×１０^−６〔Ｋ^−１〕のシリコンとほぼ等しい窒化珪素により形成されて成る。
なお、プリントヘッド１は、基板部材６、６、…に形成された発熱抵抗体８、８、…を図示しない外部の制御部と電気的に接続するためのフレキシブル基板１９（図１、図２には一色のインク分のみを示す）を用いて、その駆動を制御される。
【００１６】
ノズルシート２には上述したように各色用に多数のインク吐出ノズル３、３、…が形成されており、インク吐出ノズル３、３、…は基板部材６、６、…の１個当たり数百個が整列された状態で形成されている。このようなノズルシート２は、例えば、厚さ１５μｍ〜２０μｍで形成され、そこに直径約２０μｍのインク吐出ノズル３、３、…が形成されている（図３〜図５参照）。
【００１７】
上記ノズルシート２にはヘッドフレーム４が貼り合わされている。ヘッドフレーム４は、例えば、厚さ５ｍｍを有し、長方形状をなす外枠４ａの短辺間に３本の桟部材４ｂ、４ｂ、４ｂが等間隔に架け渡し状に一体に形成されてなるものであり、これによって、長方形状をなす４つの空間５、５、…が平行に並んだ状態で形成される（図２参照）。これら空間５、５、…の長さは、例えば、Ａ４サイズの横幅に相当する長さ、約２１ｃｍとなる。
【００１８】
また、上記ノズルシート２には多数の基板部材６、６、…がバリア層１０を介して貼り合わされる（図２、図３、図４参照）。基板部材６は、シリコンから成る半導体基板７と、半導体基板７の一方の面に析出形成された発熱抵抗体８、８、…と、この半導体基板７の発熱抵抗体８、８、…が形成された面に積層され、インク加圧室９、９、…の側面（端面）を限定
（構成）する、すなわち、側壁部となるバリア層１０とから成る（図３、図４参照）。バリア層１０は、例えば、露光硬化型のドライフィルムレジストからなり、上記半導体基板７の発熱抵抗体８、８、…が形成された面の全体に積層された後、フォトリソプロセスによって不要な部分が取り除かれて形成される。
【００１９】
上記基板部材６において、バリア層１０の厚みはほぼ１２μｍ、発熱抵抗体８は一辺がほぼ１８μｍの正方形をなしている。また、インク加圧室９の幅はほぼ２５μｍとされている。
一つの例として、例えば、Ａ４サイズの用紙を縦方向に搬送して使用するラインプリンタの場合、上記ヘッドフレーム４の一つの空間で囲まれた空間内でノズルシート２に形成されるインク吐出ノズル３、３、３…の数は約５，０００個であり、この範囲のノズルシート２に貼り合わせられる基板部材６、６、…（１の色用）の数は１６個である。従って、１個の基板部材６に相当するインク吐出ノズル３、３、…の数は３１０個前後になる。従って、大きさ等に制限のある図面にこれらの数や大きさを正確に表現することは不可能であるので、各図面では理解しやすいように、誇張したりあるいは省略して表現してある。
【００２０】
また、ノズルシート２には流路板１２、１２、…が貼り合わされている。流路板１２、１２、…は、上述したようにインクの各色に対応して１個、計４個ある。流路板１２は、ヘッドフレーム４の空間５内に嵌合されるチャンバー部１３と該チャンバー部１３の片方の面に連続したフランジ部１４とが一体に形成されて成る。フランジ部１４はその長手方向に対する面積がヘッドフレーム４の空間５の長手方向に対する面積より大きく形成されている。チャンバー部１３はフランジ部１４が形成されている側と反対側の端面に開口した空間１５を有しており、空間１５の両側を限定している壁部には基板部材６、６、…を位置させるための切欠凹部１６、１６、…が上記空間１５と連通した状態で形成されている（図３、図４参照）。
【００２１】
また、フランジ部１４のチャンバー部１３が連続されている面と反対側からはインク供給管１７が突設されており、該インク供給管１７は上記空間１５と連通している（図１、図２、図４参照）。
上記流路板１２、１２、…はチャンバー部１３、１３、…がヘッドフレーム４の空間５、５、…内に嵌合され、また、フランジ部１４、１４、…がヘッドフレーム４の外枠４ａ及び桟部４ｂ、４ｂ、…に接触した状態で、ヘッドフレーム４に貼り合わせて（接着）固定されている。そして、ノズルシート２に貼り合わされている基板部材６、６、…は流路板１２、１２、…のチャンバー部１３、１３、…に形成された切欠凹部１６、１６、…内に位置されるとともにチャンバー部１３、１３、…に接着される（図３、図４参照）。
【００２２】
上記のように流路板１２、１２、…がヘッド組立体１１に結合されることによって、流路板１２、１２、…のチャンバー部１３、１３、…とノズルシート２とによって囲まれた閉空間が形成され、該閉空間はインク供給管１７、１７、…のみを通して外部と連通されることになる。そして、基板部材６、６、…は上記空間内に位置し、一の閉空間に関して見れば、一部がオーバーラップしながら互い違いに（いわゆる千鳥状に）配列された基板部材６、６、…の列と列との間にインク流路１８が形成され、インク加圧室９、９、…が上記インク流路１８と連通した状態となる（図３参照）。
【００２３】
上記流路板１２、１２、…に設けられたインク供給管１７、１７、…はそれぞれ異なる色のインクを収納している図示しないインクタンクと各別に接続され、これによって、プリントヘッド１の各インク流路１８、１８、…及びインク加圧室９、９、…にインクが満たされる。
なお、ヘッドフレーム４と流路板１２、１２、…との間にできた隙間２０、２０、…（図３、図４参照）を通して上記フレキシブル基板１９、１９、…の接続片１９ａ、１９ａ、…は、図示していないが、基板部材６、６、…の位置まで延び、基板部材６、６、…に形成され発熱抵抗体８、８、…の各々に電気的に接続されている。
【００２４】
このような構成のプリントヘッド１においては、プリンタの制御部からの指令によって一意に選択された発熱抵抗体８、８、…に短時間、例えば、１〜３マイクロ秒の間電流パルスを通すことにより、発熱抵抗体８、８、…が急速に加熱される。
その結果、発熱抵抗体８、８、…と接する部分に気相のインク気泡が発生し、該インク気泡の膨張によってある体積のインクが押しのけられ、それによって、インク吐出ノズル３、３、…に接する部分の上記押しのけられたインクと同等の体積のインクがインク滴としてインク吐出ノズル３、３、…から吐出され、紙等の記録媒体上に付着（着弾）せしめられる。そして、インクが吐出されたインク加圧室９、９、…にはインク流路１８、１８…を通じて吐出された量と同量のインクが直ちに補充される。
【００２５】
以下、上記構成のプリントヘッド１の製造プロセスについて説明する。
まず、ノズルシート２とヘッドフレーム４とを、例えば、空気に触れると硬化するエポキシ系のシート接着剤によって、室温より低い約１０℃で貼り合わせる。次に、ノズルシート２と基板部材６、６、…とを室温より高い約１０５℃で貼り合わせる。ノズルシート２と基板部材６、６、…との貼り合わせは、バリア層１０を熱硬化させることで為されるので、貼り合わせ温度はバリア層１０の性状によるところが大であり、１０℃に限定されるものではないが、上記したノズルシート２とヘッドフレーム４との貼り合わせ温度は、室温より低く、かつノズルシート２と基板部材６、６、…との貼り合わせ温度以下であることが必要である。このことを図１０のグラフ図によって説明する。
【００２６】
図１０はノズルシート２に形成されたインク吐出ノズル３、３、…の形成間隔（ノズル間間隔）Ｌ_Ａ〔μｍ〕の温度変化による推移と、基板部材６に形成された発熱抵抗体８、８、…の形成間隔（ヒータ間間隔）Ｌ_Ｂ〔μｍ〕の温度変化による推移とを示すグラフ図である。すなわち、直線Ａは室温Ｔ_Ｒでのノズル間間隔をＬ_１とした場合の温度変化による推移を示すものであり、直線Ｂは室温でのヒータ間間隔をＬ_２とした場合の温度変化による推移を示すものである。
【００２７】
そして、上記直線Ａ及びＢは、それぞれ、ノズルシート２の線膨張率をα_１（α_１は約０．１３×１０^−６〔Ｋ^−１〕）、基板部材６、６、…（半導体基板７、７、…）の線膨張率をα_２（α_２は約３．５×１０^−６〔Ｋ^−１〕）、温度をＴ〔K〕とした場合、
Ａ：Ｌ_Ａ＝Ｌ_１＋Ｌ_１ α_１（Ｔ−Ｔ_Ｒ）
Ｂ：Ｌ_Ｂ＝Ｌ_２＋Ｌ_２ α_２（Ｔ−Ｔ_Ｒ）
（ただし、Ｌ_２＞Ｌ_１、Ｔ_Ｒは室温）
で表される。
【００２８】
そこで、まず曲線Ａと曲線Ｂとが交わる温度Ｔ＝Ｔ_１（本実施の形態では１０℃、すなわち２８３Ｋ）でヘッドフレーム４とノズルシート２とを貼り合わせる。
次に、温度Ｔ_１以上であり室温より高い温度Ｔ＝Ｔ_２（本実施の形態では１０５℃、すなわち３７８Ｋ）でノズルシート２に基板部材６、６、…を貼り合わせる。
【００２９】
上記したように、温度Ｔ_１でヘッドフレーム４とノズルシート２とを貼り合わせることにより、貼り合わせ温度Ｔ_１以上の温度では、上記したようにヘッドフレーム４は５ｍｍの厚さを有し、十分な剛性を有するため、ノズルシート２はヘッドフレーム４の伸長に倣うことになる。さらに、ヘッドフレーム４の線膨張率はノズルシート２の線膨張率より大きいため、ノズルシート２はノズルシート２の方がヘッドフレーム４より小さく伸長しようとし、ノズルシート２は緊張した状態、つまりピンと張った状態にある。その結果、ノズルシート２に形成されたインク吐出ノズル３、３、…の間隔、すなわち、ノズル間間隔はヘッドフレーム４の線膨張率に従って推移することになる。
【００３０】
また、ヘッドフレーム４の線膨張率は上記したように基板部材６の線膨張率とほぼ同じであるので、同じ温度下ではノズル間間隔とヒータ間間隔とがほぼ同じになる。従って、発熱抵抗体８、８、…（インク加圧室９、９、…）とインク吐出ノズル３、３、…との位置ずれが生じなくなる。
【００３１】
そこで、プリントヘッドとして完成したときにおけるノズル間間隔はプリントヘッドが使用されるプリンタが求められる精細度によって決まってくるわけであるから、Ｌ_２は設計値として決まってくる。この場合必要とされるＬ_１は、ノズルシート２の線膨張率α_１、半導体基板７の線膨張率（ヘッドフレーム４の線膨張率でもある）α_２、ノズルシート２とヘッドフレーム４との貼り合わせ温度Ｔ_１、該貼り合わせ温度Ｔ_１と室温Ｔ_Ｒとの差ΔＴ（ΔＴ＝Ｔ_１ −Ｔ_Ｒ）から、図１０から逆算して次式
Ｌ_１＝Ｌ_２（α_２ ΔＴ＋１）／（α_１ ΔＴ＋１）
から求めることができる。
【００３２】
ところで、ノズルシート２の製造上のばらつきで、室温Ｔ_Ｒでのノズル間間隔がＬ_１に対して短すぎたり、長すぎたりすることがある。このような場合には、ヘッドフレーム４とノズルシート２との貼り合わせ温度を変えることによって調整することができる。
【００３３】
上記したように、ヘッドフレーム４の線膨張率はノズルシート２の線膨張率より大きいことが望ましい。なぜなら、ヘッドフレーム４とノズルシート２とを低温（温度Ｔ_１）で貼り合わせた後、室温に戻るときに、ヘッドフレーム４によって、（１）引っ張られる方向に力を受けるか、（２）縮まる方向に力を受けるかであるが、ヘッドフレーム４の線膨張率がノズルシート２の線膨張率より小さい場合には（２）のように縮まる方向に力を受け、ノズルシート２にインク吐出ノズル３、３、…と発熱抵抗体８、８、…との位置ずれが生じる恐れのある凹凸（皺）が発生する可能性があるからである。
【００３４】
また、上記ヘッドフレーム４とノズルシート２との貼り合わせ温度Ｔ_１はその後に行われるどのプロセスにおける温度よりも低いことが望ましい。これによって、ヘッドフレーム４とノズルシート２とを貼り合わせた後のプロセス中、ノズルシート２には常に張力が与えられた状態となり、ノズルシート２に皺が発生することを防止できる。
【００３５】
続いて、上記のようにしてヘッドフレーム４とノズルシート２と基板部材６、６、…とが結合されたヘッド組立体１１に流路板１２、１２、…が取り付けられる。
上記したプリントヘッド１の製造プロセスを、図５乃至図９を参照しながら詳しく説明する。
まず、ノズルシート２をニッケル鋼によって形成し、これを平坦な面を有する支持治具２１の上に載置する（図５参照）。ノズルシート２を支持治具２１の上に載置するのは、ノズルシート２は極めて薄く形成されていて、それ自体では形状保持ができないからである。
【００３６】
次いで、空気に触れることで硬化する、例えば、エポキシ系のシート接着剤を使用して支持治具２１に載置されているノズルシート２にヘッドフレーム４を貼り付ける（図６参照）。なお、図６において、ノズルシート２及びヘッドフレーム４について波線で示す部分２´及び４´はそれぞれ１０℃に冷却したことによって縮んだ分を概念的に示すものである。
【００３７】
次いで、支持治具２１が取り除かれ、基板部材６、６、…が１０℃の温度環境下でノズルシート２に貼り合わせられる（図７参照）。なお、図７は工程を概念的に示すものであるので、基板部材６を各色６個ずつしか示していない。
以上のようにして、ヘッド組立体１１が形成される（図８参照）ので、そこで、別の工程で組み立てられていた流路板組立体２２がヘッド組立体１１にノズルシート２とヘッドフレーム４との貼り合わせ温度（１０℃）以上の温度環境下で結合（接着）される（ノズルシート２に流路板１２が貼り合せられる）（図９参照）。なお、流路板組立体２２は上記した流路板１２が４個一体的に結合されたもので、図示しない結合部材によって組み立てられる。
【００３８】
上記したプリントヘッド１にあっては、予め、基板部材６の基材となる半導体基板７の材料であるシリコンの線膨張率にほぼ等しい線膨張率を有し、かつノズルシート２の線膨張率より大きい線膨張率を有する窒化珪素で形成されたヘッドフレーム４をノズルシート２に低温（温度Ｔ_１）で貼り合わせておき、それからヘッドフレーム４とノズルシート２との貼り合わせ温度以上である温度（温度Ｔ_２）で基板部材６、６、…をノズルシート２に貼り合わせるので、ノズルシート２に形成されたインク吐出ノズル３、３、…の形成間隔と、基板部材６、６、…の発熱抵抗体８、８、…の形成間隔とをノズルシート２とヘッドフレーム４との貼り合わせ温度以上の温度環境下では常に一致させることができ、インクの吐出性能の良いプリントヘッドを得ることができ、ヘッドフレーム４とノズルシート２とを低温で貼り合わせた後、室温に戻るときに、ヘッドフレーム４によって、ノズルシート２が引っ張られる方向に力を受けるため、ノズルシート２に凹凸（皺）が発生することを防止できる。
【００３９】
従って、基板部材６が大型化して基板部材１個あたりの発熱抵抗体８、８、…の数、すなわち、基板部材１個に対するインク吐出ノズル３、３、…の数が増えても、インク吐出ノズル３、３、…と発熱抵抗体８、８、…との位置ずれが起こり難い。従って、プリントヘッドの大型化をし易くなり、特にラインプリンタ用のプリントヘッドのようにスパンの長いプリントヘッドの形成に好適である。
【００４０】
また、ヘッドフレーム４にノズルシート２と貼り合わせることによって、ノズルシート２に大きな剛性を与えることができ、上記実施の形態に示したように、４色用のプリントヘッドを一体化させてラインプリンタ用のプリントヘッドを形成することが可能になる。
なお、本実施の形態では、フルカラーのバブルインクジェットプリンタ用のプリントヘッドとして説明したが、本発明に係るインクジェットプリントヘッドは、モノカラーのプリンタとしても適用可能であり、また、フルカラーのプリンタ用のプリントヘッドとして適用する場合であっても、上記した４色一体型に限るものではなく、各色独立したプリントヘッドとして構成しても構わない。
【００４１】
（第２の実施の形態）
本実施の形態では、上記ノズルシート２、基板部材６、ヘッドフレーム４はそれぞれ、ヘッドフレーム４の線膨張率と基板部材６の線膨張率とがほぼ等しく、かつヘッドフレーム４の線膨張率はノズルシート２の線膨張率より小さくなるように、ノズルシート２は線膨張率が約１．３×１０^−５〔Ｋ^−１〕のニッケル、基板部材６は線膨張率が約３．５×１０^−６〔Ｋ^−１〕のシリコン、ヘッドフレーム４は線膨張率が約３．５×１０^−６〔Ｋ^−１〕のシリコンとほぼ等しい窒化珪素により形成されて成る場合について説明する。なお、プリントヘッド１の構成及び動作は上記第１の実施の形態と同様であるので説明を省略し、プリントヘッド１の製造プロセスについてのみ説明する。
【００４２】
まず、ノズルシート２とヘッドフレーム４とを、例えば、熱硬化型のシート接着剤によって、室温より高い約１５０℃で貼り合わせる。次に、ノズルシート２と基板部材６、６、…とを室温より高い約１０５℃で貼り合わせる。ノズルシート２と基板部材６、６、…との貼り合わせは、バリア層１０を熱硬化させることで為されるので、貼り合わせ温度はバリア層１０の性状によるところが大であり、１０５℃に限定されるものではないが、上記したノズルシート２とヘッドフレーム４との貼り合わせ温度は、ノズルシート２と基板部材６、６、…との貼り合わせ温度以上であることが必要である。このことを図１１のグラフ図によって説明する。
【００４３】
図１１はノズルシート２に形成されたインク吐出ノズル３、３、…の形成間隔（ノズル間間隔）Ｌ_Ａ〔μｍ〕の温度変化による推移と、基板部材６に形成された発熱抵抗体８、８、…の形成間隔（ヒータ間間隔）Ｌ_Ｂ〔μｍ〕の温度変化による推移とを示すグラフ図である。すなわち、直線Ａは室温Ｔ_Ｒでのノズル間間隔をＬ_１とした場合の温度変化による推移を示すものであり、直線Ｂは室温でのヒータ間間隔をＬ_２とした場合の温度変化による推移を示すものである。
【００４４】
そして、上記直線Ａ及びＢは、それぞれ、ノズルシート２の線膨張率をα_３（α_３は約１．３×１０^−５〔Ｋ^−１〕）、基板部材６、６、…（半導体基板７、７、…）の線膨張率をα_４（α_４は約３．５×１０^−６〔Ｋ^−１〕）、温度をＴ〔K〕とした場合、
Ａ：Ｌ_Ａ＝Ｌ_１＋Ｌ_１ α_３（Ｔ−Ｔ_Ｒ）
Ｂ：Ｌ_Ｂ＝Ｌ_２＋Ｌ_２ α_４（Ｔ−Ｔ_Ｒ）
（ただし、Ｌ_２＞Ｌ_１、Ｔ_Ｒは室温）
で表される。
【００４５】
そこで、まず直線Ａと直線Ｂとが交わる温度Ｔ_３（本実施の形態では１５０℃、すなわち４２３Ｋ）でヘッドフレーム４とノズルシート２とを貼り合わせる。
次に、温度Ｔ_３以下であり室温より高い温度Ｔ_４（本実施の形態では１０５℃、すなわち３７８Ｋ）でノズルシート２に基板部材６、６、…を貼り合わせる。
【００４６】
上記したように、温度Ｔ_３でヘッドフレーム４とノズルシート２とを貼り合わせることにより、貼り合わせ温度Ｔ_３以下の温度では、上記したようにヘッドフレーム４は５ｍｍの厚さを有し、十分な剛性を有するため、ノズルシート２はヘッドフレーム４の収縮に倣うことになる。さらに、ヘッドフレーム４の線膨張率はノズルシート２の線膨張率より小さいため、ノズルシート２はノズルシート２の方がヘッドフレーム４より大きく収縮しようとし、ノズルシート２は緊張した状態、つまりピンと張った状態にある。その結果、ノズルシート２に形成されたインク吐出ノズル３、３、…の間隔、すなわち、ノズル間間隔はヘッドフレーム４の線膨張率に従って推移することになる。
【００４７】
また、ヘッドフレーム４の線膨張率は上記したように基板部材６の線膨張率とほぼ同じであるので、同じ温度下ではノズル間間隔とヒータ間間隔とがほぼ同じになる。従って、発熱抵抗体８、８、…（インク加圧室９、９、…）とインク吐出ノズル３、３、…との位置ずれが生じなくなる。
【００４８】
そこで、プリントヘッドとして完成したときにおけるノズル間間隔はプリントヘッドが使用されるプリンタが求められる精細度によって決まってくるわけであるから、Ｌ_２は設計値として決まってくる。この場合必要とされるＬ_１は、ノズルシート２の線膨張率α_３、半導体基板７の線膨張率（ヘッドフレーム４の線膨張率でもある）α_４、ノズルシート２とヘッドフレーム４との貼り合わせ温度Ｔ_３、該貼り合わせ温度Ｔ_３と室温Ｔ_Ｒとの差ΔＴ（ΔＴ＝Ｔ_３ −Ｔ_Ｒ）から、図１１から逆算して次式
Ｌ_１＝Ｌ_２（α_４ ΔＴ＋１）／（α_３ ΔＴ＋１）
から求めることができる。
【００４９】
ところで、ノズルシート２の製造上のばらつきで、室温Ｔ_Ｒでのノズル間間隔がＬ_１に対して短すぎたり、長すぎたりすることがある。このような場合には、ヘッドフレーム４とノズルシート２との貼り合わせ温度を変えることによって調整することができる。
【００５０】
上記したように、ヘッドフレーム４の線膨張率はノズルシート２の線膨張率より小さいことが望ましい。なぜなら、ヘッドフレーム４とノズルシート２とを高温（温度Ｔ_３）で貼り合わせた後、室温に戻るときに、ヘッドフレーム４によって、（１）引っ張られる方向に力を受けるか、（２）縮まる方向に力を受けるかであるが、ヘッドフレーム４の線膨張率がノズルシート２の線膨張率より大きい場合には（２）のように縮まる方向に力を受け、ノズルシート２にインク吐出ノズル３、３、…と発熱抵抗体８、８、…との位置ずれが生じる恐れのある凹凸（皺）が発生する可能性があるからである。
【００５１】
また、上記ヘッドフレーム４とノズルシート２との貼り合わせ温度Ｔ_３はその後に行われるどのプロセスにおける温度よりも高いことが望ましい。これによって、ヘッドフレーム４とノズルシート２とを貼り合わせた後のプロセス中、ノズルシート２には常に張力が与えられた状態となり、ノズルシート２に皺が発生することを防止できる。
続いて、上記のようにしてヘッドフレーム４とノズルシート２と基板部材６、６、…とが結合されたヘッド組立体１１に流路板１２、１２、…が取り付けられる。
【００５２】
図１２に上記第１，第２実施形態の４色一体型のプリントヘッド１を備えたフルカラーのバブルインクジェット方式のラインプリンタ２３の構成を示す。ラインプリンタ２３は、全体が長方形状の筐体２４に収納されて形成され、記録媒体としての用紙２６を収納した用紙トレイ２５をこの筐体２４の正面に形成されたトレイ出入口より装着することにより、用紙２６を給紙できるようになされている。
【００５３】
用紙トレイ２５は、このようにトレイ出入口よりラインプリンタ２３に装着されると、所定の機構により用紙２６が給紙ローラ２７に押し当てられ、この給紙ローラ２７の回転により、矢印Ａ方向で示すように、用紙２６が用紙トレイ２５よりラインプリンタ２３の背面側に向かって送り出される。ラインプリンタ２３は、この用紙送りの側に反転ローラ２８が配置され、この反転ローラ２８の回転等により、矢印Ｂで示すように、正面方向に用紙２６の送り方向が切り換えられる。
【００５４】
ラインプリンタ２３は、このようにして用紙送り方向が矢印Ｂで示す方向に切り換えられてなる用紙２６が用紙トレイ２５の上を横切るように拍車ローラ２９等により搬送され、矢印Ｃに示すように、ラインプリンタ２３の正面側に配置された排出口より排出される。ラインプリンタ２３は、この拍車ローラ２９から排出口までの間に、矢印Ｄにより示すように、ヘッドカートリッジ３０が交換可能に配置される。
【００５５】
ヘッドカートリッジ３０は、それぞれイエロー，マゼンタ，シアン，ブラックのラインヘッドをそれぞれ配置してなるプリントヘッド１が所定形状のホルダー３１の下面側に配置され、このホルダー３１に順次イエロー，マゼンタ，シアン，ブラックのインクカートリッジＹ，Ｍ，Ｃ，Ｂを配置して形成されるようになされている。これによりラインプリンタ２３は、これら各色のインクに対応するラインヘッドより用紙２６に付着させて画像を印刷できるようになされている。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、インクをインク吐出ノズルから吐出させるためのエネルギー発生素子と該インク吐出ノズルとの間の位置ずれを可能な限り小さくすることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るインクジェットプリントヘッドの構成を示す斜視図である。
【図２】本発明に係るインクジェットプリントヘッドの構成を示す分解斜視図である。
【図３】本発明に係るプリントヘッドの構成を示す要部拡大図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。
【図５】ノズルシートを支持治具の上に載置した状態を示す斜視図である。
【図６】ヘッドフレームとノズルシートとの結合工程を示す説明図である。
【図７】ノズルシートに基板部材を結合する工程を示す説明図である。
【図８】ヘッドフレーム、ノズルシート、基板部材が組み立てられたヘッド組立体を示す図である。
【図９】ヘッド組立体に流路部材を結合する工程を示す説明図である。
【図１０】第１の実施の形態によるヘッドフレームとノズルシートとの貼り合わせ温度及び基板部材のノズルシートへの貼り合わせ温度をノズルシートのインク吐出ノズルの形成間隔の伸縮曲線及び基板部材の発熱抵抗体の形成間隔の伸縮曲線とともに示すグラフ図である。
【図１１】第２の実施の形態によるヘッドフレームとノズルシートとの貼り合わせ温度及び基板部材のノズルシートへの貼り合わせ温度をノズルシートのインク吐出ノズルの形成間隔の伸縮曲線及び基板部材の発熱抵抗体の形成間隔の伸縮曲線とともに示すグラフ図である。
【図１２】フルカラーのバブルインクジェット方式のラインプリンタの構成を示す斜視図である。
【図１３】従来のプリントヘッドの構成を示す斜視図である。
【図１４】従来のプリントヘッドの構成を示す分解斜視図である。
【図１５】従来の問題点を示す断面図である。
【符号の説明】
１プリントヘッド
２ノズルシート
３インク吐出ノズル
４ヘッドフレーム
６基板部材
８発熱抵抗体
９インク加圧室[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to an ink jet print head for recording an image on a recording medium by discharging ink from an ink discharge nozzle.A manufacturing method ofThe present invention relates to a technique for minimizing the positional deviation between a heat generating resistor for discharging ink from an ink discharge nozzle and the ink discharge nozzle.
[0002]
[Prior art]
  One side of the ink pressurization chamber is covered with a nozzle sheet on which minute ink ejection nozzles are formed, and ink droplets are inked by the force of ink bubbles (bubbles) generated by rapid heating of the heating resistor provided in the ink pressurization chamber. There is a print head that discharges from a discharge nozzle.
[0003]
  As a print head of the above system, there is a serial print head a having a structure as shown in FIGS.
  The print head a constitutes (limits) one end face of the ink pressurizing chamber b and includes a substrate member d provided with a heating resistor c, and a barrier layer constituting two end faces different from the end face of the ink pressurizing chamber b. f and a nozzle sheet g having a different end face from the three end faces of the ink pressurizing chamber b and having a plurality of ink discharge nozzles h formed thereon.
[0004]
  The substrate member d is composed of a semiconductor substrate e made of silicon or the like and a heating resistor c deposited on one surface of the semiconductor substrate e.
  The barrier layer f is made of, for example, an exposure-curing dry film resist, and is laminated on the entire surface of the semiconductor substrate e where the heating resistor c is formed, and then unnecessary portions are removed by a photolithography process.
  The nozzle sheet g is formed by, for example, an electroforming technique using nickel, and is a substrate so that the position of the ink discharge nozzle h matches the position of the heating resistor c, that is, the ink discharge nozzle h faces the heating resistor c. It is bonded onto the barrier layer f of the member d.
[0005]
  As described above, the ink pressurizing chamber b composed of the substrate member d, the barrier layer f, and the nozzle sheet g communicates with the ink supply path i. The heating resistor c in the ink pressurizing chamber b is electrically connected to an external circuit via a conductor portion (not shown) formed on the semiconductor substrate e.
  The single print head a is usually provided with a plurality of heating resistors c in units of 100 and an ink pressurizing chamber b provided with the heating resistors c. Each of the resistors c can be uniquely selected, and the ink in the ink pressurizing chamber b corresponding to the heating resistor c can be ejected from the ink ejection nozzle h facing the ink pressurizing chamber b.
[0006]
  That is, in the print head a, the ink pressurization chamber b is filled with ink from an ink tank (not shown) coupled to the print head a through the ink flow path i. Then, by applying a pulse current to the heating resistor c for a short time, for example, 1 to 3 microseconds, the heating resistor c is rapidly heated, and as a result, the portion in contact with the heating resistor c is in a gas phase. An ink bubble is generated, and a certain volume of ink is pushed away by the expansion of the ink bubble, whereby an ink having a volume equivalent to the pushed-off ink in a portion in contact with the ink discharge nozzle h is formed as an ink droplet. And is deposited (landed) on a recording medium such as paper.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
  In the print head a as described above, the positional relationship between the heating resistor c (ink pressurizing chamber b) and the ink ejection nozzle h affects the ejection characteristics of the ink droplets. This may cause a decrease in the discharge speed, a disturbance in the discharge direction, and the like, and in some cases, discharge becomes impossible. Therefore, a positional shift between the heating resistor c (ink pressurizing chamber b) and the ink discharge nozzle h is a serious problem because it leads to a decrease in print quality.
[0008]
  In the manufacturing process of the print head a, there is generally a heating process. For example, the nozzle sheet g is laminated (bonded) after the barrier layer f is formed on the semiconductor substrate e, but the barrier layer f is cured and fixed (adhered) at a high temperature. A thermosetting process is performed. Further, a curing step for obtaining ink resistance of the barrier layer f made of a dry film resist is also performed at a high temperature.
[0009]
  As described above, a heating process is required in the print head manufacturing process. By the way, for example, silicon used as the material of the semiconductor substrate e (the linear expansion coefficient of silicon is about 3.5 × 10^-6[K^-1]), For example, which is the material of the nozzle sheet g (the linear expansion coefficient of nickel is about 1.3 × 10^-5[K^-1]) And the linear expansion coefficient differ by about one digit.
  When materials having greatly different linear expansion coefficients are pasted together in the heating process as described above, when the temperature returns to room temperature after the heating process is completed, the relative expansion and contraction ratio (linear expansion coefficient) is relatively different from each other. A positional shift occurs, and the positional relationship in which the ink discharge nozzles h are actually opposed to the respective heating resistors c as shown in FIG. 15 is lost. And such a position shift becomes so large that the difference of the linear expansion coefficient between the members bonded together is large.
[0010]
  That is, as shown in FIG. 15, with respect to one substrate member d, even if the heating resistor c (ink pressurizing chamber b) and the ink discharge nozzle h face each other in a certain part (a), At a position (b) away from the position, a displacement occurs between the heating resistor c (ink pressurizing chamber b) and the ink ejection nozzle h, and at a further distance (c), the ink ejection nozzle h presses the ink. It will shift from the room b. And such a position shift will become so large that the member bonded together becomes large.
  As described above, as the heating resistor c (ink pressurizing chamber b) and the ink discharge nozzle h deviate from the positional relationship facing each other (see FIG. 15B), a shift occurs in the discharge direction, and the shift amount further increases. (Refer to FIG. 15C) Ink ejection becomes impossible.
[0011]
  On the other hand, the demand of the printer market is in the direction of increasing the printing speed, and as one means for achieving this, the number of ejection nozzles that eject ink may be increased. In this case, when the number of ejection nozzles increases at the same resolution, the size of the print head increases, and the heating resistor c (ink pressurizing chamber b) and the ink ejection due to the difference in linear expansion coefficient as described above. The influence of the positional deviation from the nozzle h is further increased. For example, in the case of a large print head such as a line head, the influence of the positional deviation between the heating resistor c (ink pressurizing chamber b) and the ink discharge nozzle h becomes more significant, which is a very important problem. Become.
[0012]
  The present invention has been made in view of the above points, and an ink jet print head in which positional deviation between a heating resistor and an ink discharge nozzle is made as small as possible.Manufacturing methodThe purpose is to provide.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
  Inkjet printhead according to the present inventionThe manufacturing method of the present invention comprises an end surface of an ink pressurizing chamber, a nozzle sheet on which a plurality of ink discharge nozzles are formed, a head frame that supports the nozzle sheet, and an end surface different from the end surface of the ink pressurizing chamber And a substrate member having a heating resistor facing the ink discharge nozzle and discharging the ink in the ink pressurizing chamber from the ink discharge nozzle, and the linear expansion coefficient of the head frame is The linear expansion coefficient of the head frame is larger than the linear expansion coefficient of the nozzle sheet, and the linear expansion coefficient of the substrate member is substantially the same. The head frame is bonded to the nozzle sheet, and the head frame is attached to the head frame. Has an opening, and the substrate member and the nozzle sheet are bonded together with the substrate member disposed in the opening. A manufacturing method of ink jet printing heads, the distance between the ink discharge nozzles L _A , The interval between the heating resistors is L _B Room temperature T _R L at _A And L _B The relationship with L _A <L _B And room temperature T _R Lower temperature T ₁ And L _A = L _B A step of bonding the nozzle sheet and the head frame, and the nozzle sheet and the substrate member at a temperature T ₁ The process of bonding under the above temperature environmentIt is intended to solve the above-described problem by having the above.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, the ink jet print head according to the present invention.Manufacturing methodThe embodiment will be described with reference to the drawings.
  (First embodiment)
  The print head 1 shown in FIGS. 1 and 2 is a print head for a full-color bubble inkjet printer.
  The print head 1 constitutes an end face of the ink pressurizing chamber 9 (see FIGS. 3 and 4), and a large number of ink ejection nozzles 3, 3,... For each color ink of cyan, yellow, magenta, and black (FIG. 3, FIG. 4), a head frame 4 that supports the nozzle sheet 2, and an end face different from the end face of the ink pressurizing chamber 9 to face the ink discharge nozzles 3, 3,. The substrate members 6, 6,... On which the heating resistors 8, 8,... (See FIG. 4) for discharging the ink in the ink pressurizing chamber 9 from the ink discharge nozzles 3, 3,. .. Are provided with ink supply pipes 17, 17,... And ink flow paths 12 for supplying ink to the ink pressurizing chamber 9. And have.
[0015]
  The nozzle sheet 2, the substrate member 6, and the head frame 4 each have substantially the same linear expansion coefficient of the head frame 4 and the linear expansion coefficient of the substrate member 6, and the linear expansion coefficient of the head frame 4 is the linear expansion coefficient of the nozzle sheet 2. The nozzle sheet 2 has a linear expansion coefficient of about 0.13 × 10 10 so as to be larger.^-6[K^-1Nickel steel (64Fe, 36Ni), the substrate member 6 has a linear expansion coefficient of about 3.5 × 10^-6[K^-1The silicon and head frame 4 has a linear expansion coefficient of about 3.5 × 10^-6[K^-1] Formed of silicon nitride substantially equal to silicon.
  The print head 1 has a flexible substrate 19 (FIGS. 1 and 2) for electrically connecting the heating resistors 8, 8,... Formed on the substrate members 6, 6,. Is used to control the driving of the ink.
[0016]
  As described above, a large number of ink discharge nozzles 3, 3,... Are formed on the nozzle sheet 2 for each color, and the ink discharge nozzles 3, 3,. The pieces are formed in an aligned state. Such a nozzle sheet 2 is formed with a thickness of 15 μm to 20 μm, for example, and ink discharge nozzles 3, 3,... Having a diameter of about 20 μm are formed therein (see FIGS. 3 to 5).
[0017]
  A head frame 4 is bonded to the nozzle sheet 2. The head frame 4 has a thickness of 5 mm, for example, and is formed by integrally forming three cross members 4b, 4b, 4b across the short sides of a rectangular outer frame 4a at equal intervals. Thus, four rectangular spaces 5, 5,... Are formed in parallel with each other (see FIG. 2). The length of these spaces 5, 5,... Is, for example, a length corresponding to the width of A4 size, which is about 21 cm.
[0018]
  Further, a large number of substrate members 6, 6,... Are bonded to the nozzle sheet 2 via a barrier layer 10 (see FIGS. 2, 3, and 4). The substrate member 6 includes a semiconductor substrate 7 made of silicon, heating resistors 8, 8,... Deposited on one surface of the semiconductor substrate 7, and heating resistors 8, 8,. Are stacked on the applied surfaces, and the side surfaces (end surfaces) of the ink pressurizing chambers 9, 9,... Are limited.
It consists of a barrier layer 10 that constitutes (that is, a side wall) (see FIGS. 3 and 4). The barrier layer 10 is made of, for example, an exposure-curing dry film resist, and is laminated on the entire surface of the semiconductor substrate 7 on which the heating resistors 8, 8,... Are formed, and then unnecessary portions are formed by a photolithography process. Removed and formed.
[0019]
  In the substrate member 6, the barrier layer 10 has a thickness of approximately 12 μm, and the heating resistor 8 has a square shape with a side of approximately 18 μm. The width of the ink pressurizing chamber 9 is approximately 25 μm.
  As an example, for example, in the case of a line printer that transports and uses A4 size paper in the vertical direction, ink discharge nozzles formed on the nozzle sheet 2 in a space surrounded by one space of the head frame 4 The number of 3, 3, 3,... Is about 5,000, and the number of substrate members 6, 6,... (For one color) bonded to the nozzle sheet 2 in this range is 16. Therefore, the number of ink ejection nozzles 3, 3,... Corresponding to one substrate member 6 is about 310. Therefore, since it is impossible to accurately express these numbers and sizes in drawings with size restrictions, etc., they are exaggerated or omitted for easy understanding. .
[0020]
  Further, the flow path plates 12, 12,... Are bonded to the nozzle sheet 2. As described above, there are four flow path plates 12, 12,... Corresponding to each color of ink. The flow path plate 12 is formed by integrally forming a chamber portion 13 fitted in the space 5 of the head frame 4 and a flange portion 14 continuous with one surface of the chamber portion 13. The area of the flange portion 14 in the longitudinal direction is larger than the area of the space 5 of the head frame 4 in the longitudinal direction. The chamber portion 13 has a space 15 opened on the end surface opposite to the side on which the flange portion 14 is formed, and substrate members 6, 6,. .. Are formed in communication with the space 15 (see FIGS. 3 and 4).
[0021]
  An ink supply pipe 17 projects from the opposite side of the surface of the flange section 14 where the chamber section 13 is continuous, and the ink supply pipe 17 communicates with the space 15 (see FIGS. 1 and 2). 2, see FIG.
  .. Are fitted into the spaces 5, 5,... Of the head frame 4, and the flange portions 14, 14,. 4a and the crosspieces 4b, 4b,... Are in contact with (fixed to) the head frame 4 and fixed. The substrate members 6, 6,... Bonded to the nozzle sheet 2 are positioned in the notch recesses 16, 16,... Formed in the chamber portions 13, 13,. At the same time, it is adhered to the chamber portions 13, 13,... (See FIGS. 3 and 4).
[0022]
  As described above, the flow path plates 12, 12,... Are coupled to the head assembly 11, thereby closing the flow path plates 12, 12,. A space is formed, and the closed space is communicated with the outside only through the ink supply pipes 17, 17,. The substrate members 6, 6,... Are located in the above-described space, and when viewed with respect to one closed space, the substrate members 6, 6,. The ink flow path 18 is formed between the lines, and the ink pressurizing chambers 9, 9,... Are in communication with the ink flow path 18 (see FIG. 3).
[0023]
  The ink supply pipes 17, 17,... Provided on the flow path plates 12, 12,... Are respectively connected to ink tanks (not shown) that store inks of different colors. The ink flow paths 18, 18,... And the ink pressurization chambers 9, 9,.
  The connecting pieces 19a, 19a of the flexible substrates 19, 19,... Through the gaps 20, 20,... (See FIGS. 3 and 4) formed between the head frame 4 and the flow path plates 12, 12,. .. Are not shown, but extend to the positions of the board members 6, 6,... And are electrically connected to the heating resistors 8, 8,.
[0024]
  In the print head 1 having such a configuration, a current pulse is passed through the heating resistors 8, 8,... Uniquely selected by a command from the printer control unit for a short time, for example, 1 to 3 microseconds. , The heating resistors 8, 8,... Are rapidly heated.
  As a result, gas-phase ink bubbles are generated at the portions in contact with the heating resistors 8, 8,..., And a certain volume of ink is pushed away by the expansion of the ink bubbles, thereby causing the ink discharge nozzles 3, 3,. The ink having a volume equivalent to the pushed-off ink in the contacted portion is ejected as ink droplets from the ink ejection nozzles 3, 3,... And is attached (landed) on a recording medium such as paper. The ink pressurizing chambers 9, 9,... From which the ink has been discharged are immediately replenished with the same amount of ink that has been discharged through the ink flow paths 18, 18..
[0025]
  Hereinafter, a manufacturing process of the print head 1 configured as described above will be described.
  First, the nozzle sheet 2 and the head frame 4 are bonded together at about 10 ° C., which is lower than room temperature, using, for example, an epoxy-based sheet adhesive that cures when exposed to air. Next, the nozzle sheet 2 and the substrate members 6, 6,... Are bonded together at about 105 ° C., which is higher than room temperature. The bonding between the nozzle sheet 2 and the substrate members 6, 6,... Is performed by thermosetting the barrier layer 10. Therefore, the bonding temperature largely depends on the properties of the barrier layer 10 and is limited to 10 ° C. However, the bonding temperature between the nozzle sheet 2 and the head frame 4 described above needs to be lower than room temperature and not more than the bonding temperature between the nozzle sheet 2 and the substrate members 6, 6,. It is. This will be described with reference to the graph of FIG.
[0026]
  FIG. 10 shows the formation interval (inter-nozzle interval) L of the ink discharge nozzles 3, 3,... Formed on the nozzle sheet 2._A Transition due to the temperature change of [μm] and the formation interval (inter-heater interval) L of the heating resistors 8, 8,... Formed on the substrate member 6_B It is a graph which shows transition by the temperature change of [micrometer]. That is, the straight line A is the room temperature T_R The distance between nozzles at L₁ The straight line B shows the distance between the heaters at room temperature.₂ It shows the transition due to temperature change.
[0027]
  The straight lines A and B represent the linear expansion coefficient of the nozzle sheet 2 as α.₁ (Α₁ Is about 0.13 × 10^-6[K^-1], The linear expansion coefficient of the substrate members 6, 6,... (Semiconductor substrates 7, 7,.₂ (Α₂ Is about 3.5 × 10^-6[K^-1]) When the temperature is T [K],
  A: L_A = L₁ + L₁ α₁ (T-T_R )
  B: L_B = L₂ + L₂ α₂ (T-T_R )
  (However, L₂ > L₁ , T_R Is room temperature)
  It is represented by
[0028]
  Therefore, first, the temperature T = T at which the curve A and the curve B intersect₁ The head frame 4 and the nozzle sheet 2 are bonded together at 10 ° C. (ie, 283 K in the present embodiment).
  Next, the temperature T₁ Above, higher than room temperature T = T₂ The substrate members 6, 6,... Are bonded to the nozzle sheet 2 at 105 ° C. (ie, 378 K in the present embodiment).
[0029]
  As mentioned above, the temperature T₁ By bonding the head frame 4 and the nozzle sheet 2 together, the bonding temperature T₁ At the above temperature, since the head frame 4 has a thickness of 5 mm and has sufficient rigidity as described above, the nozzle sheet 2 follows the extension of the head frame 4. Furthermore, since the linear expansion coefficient of the head frame 4 is larger than the linear expansion coefficient of the nozzle sheet 2, the nozzle sheet 2 tends to expand smaller than the head frame 4, and the nozzle sheet 2 is in a tensioned state, that is, with a pin. It is in a stretched state. As a result, the interval between the ink ejection nozzles 3, 3,... Formed on the nozzle sheet 2, that is, the interval between the nozzles changes according to the linear expansion coefficient of the head frame 4.
[0030]
  Since the linear expansion coefficient of the head frame 4 is substantially the same as the linear expansion coefficient of the substrate member 6 as described above, the nozzle-to-nozzle spacing and the heater-to-heater spacing are substantially the same at the same temperature. Therefore, the positional deviation between the heating resistors 8, 8,... (Ink pressurizing chambers 9, 9,...) And the ink discharge nozzles 3, 3,.
[0031]
  Therefore, when the print head is completed, the nozzle-to-nozzle spacing is determined by the definition required by the printer in which the print head is used.₂ Is determined as a design value. L required in this case₁ Is the linear expansion coefficient α of the nozzle sheet 2₁ The linear expansion coefficient of the semiconductor substrate 7 (also the linear expansion coefficient of the head frame 4) α₂ The bonding temperature T between the nozzle sheet 2 and the head frame 4₁ , The bonding temperature T₁ And room temperature T_R ΔT (ΔT = T₁ -T_R ), The following formula is calculated backward from FIG.
  L₁ = L₂ (Α₂ ΔT + 1) / (α₁ ΔT + 1)
  Can be obtained from
[0032]
  By the way, due to the manufacturing variation of the nozzle sheet 2, the room temperature T_R The distance between nozzles is L₁ May be too short or too long. In such a case, it can be adjusted by changing the bonding temperature between the head frame 4 and the nozzle sheet 2.
[0033]
  As described above, the linear expansion coefficient of the head frame 4 is desirably larger than the linear expansion coefficient of the nozzle sheet 2. This is because the head frame 4 and the nozzle sheet 2 are cooled at a low temperature (temperature T₁ ), When the head frame 4 returns to room temperature, the head frame 4 is subjected to (1) a force in the pulling direction or (2) a force in the contracting direction. When the rate is smaller than the linear expansion coefficient of the nozzle sheet 2, a force is applied in the direction of contraction as shown in (2), and the nozzle sheet 2 has the ink discharge nozzles 3, 3,... And the heating resistors 8, 8,. This is because there is a possibility of occurrence of irregularities (wrinkles) that may cause displacement.
[0034]
  Further, the bonding temperature T between the head frame 4 and the nozzle sheet 2 is as follows.₁ Is preferably below the temperature in any subsequent process. Thereby, during the process after the head frame 4 and the nozzle sheet 2 are bonded together, the nozzle sheet 2 is always in a tensioned state, and wrinkles can be prevented from occurring in the nozzle sheet 2.
[0035]
  Subsequently, the flow path plates 12, 12,... Are attached to the head assembly 11 in which the head frame 4, the nozzle sheet 2, and the substrate members 6, 6,.
  The manufacturing process of the print head 1 will be described in detail with reference to FIGS.
  First, the nozzle sheet 2 is formed of nickel steel, and this is placed on a support jig 21 having a flat surface (see FIG. 5). The reason why the nozzle sheet 2 is placed on the support jig 21 is that the nozzle sheet 2 is formed extremely thin and cannot retain its shape by itself.
[0036]
  Next, the head frame 4 is affixed to the nozzle sheet 2 placed on the support jig 21 by using, for example, an epoxy sheet adhesive, which is cured by contact with air (see FIG. 6). In FIG. 6, the portions 2 ′ and 4 ′ indicated by wavy lines in the nozzle sheet 2 and the head frame 4 conceptually show the amount of shrinkage due to cooling to 10 ° C., respectively.
[0037]
  Next, the support jig 21 is removed, and the substrate members 6, 6,... Are bonded to the nozzle sheet 2 under a temperature environment of 10 ° C. (see FIG. 7). Since FIG. 7 conceptually shows the process, only six substrate members 6 are shown for each color.
  As described above, the head assembly 11 is formed (see FIG. 8). Therefore, the flow path plate assembly 22 assembled in another process is added to the nozzle assembly 2 and the head frame 4 in the head assembly 11. Are bonded (adhered) under a temperature environment equal to or higher than the bonding temperature (10 ° C.) (the flow path plate 12 is bonded to the nozzle sheet 2) (see FIG. 9). The flow path plate assembly 22 is formed by integrally connecting the four flow path plates 12 described above, and is assembled by a coupling member (not shown).
[0038]
  In the print head 1 described above, the linear expansion coefficient of the nozzle sheet 2 is approximately equal to the linear expansion coefficient of silicon, which is a material of the semiconductor substrate 7 serving as the base material of the substrate member 6, in advance. A head frame 4 formed of silicon nitride having a larger linear expansion coefficient is applied to the nozzle sheet 2 at a low temperature (temperature T₁ ) And then a temperature (temperature T) that is equal to or higher than the bonding temperature of the head frame 4 and the nozzle sheet 2.₂ , And the substrate members 6, 6... Are bonded to the nozzle sheet 2, so that the formation intervals of the ink discharge nozzles 3, 3,. , 8,... Can be always matched under a temperature environment equal to or higher than the bonding temperature of the nozzle sheet 2 and the head frame 4, and a print head with good ink ejection performance can be obtained. 4 and the nozzle sheet 2 are bonded together at a low temperature, and when returning to room temperature, the head frame 4 receives a force in the direction in which the nozzle sheet 2 is pulled. Can be prevented.
[0039]
  Therefore, even if the substrate member 6 is increased in size and the number of heating resistors 8, 8,... Per substrate member, that is, the number of ink ejection nozzles 3, 3,. The positional deviation between the nozzles 3, 3,... And the heating resistors 8, 8,. Therefore, it is easy to increase the size of the print head, and it is particularly suitable for forming a print head having a long span such as a print head for a line printer.
[0040]
  Further, by bonding the nozzle sheet 2 to the head frame 4, the nozzle sheet 2 can be given a great rigidity. As shown in the above embodiment, the print head for four colors is integrated to form a line printer. This makes it possible to form a print head.
  Although the present embodiment has been described as a print head for a full-color bubble inkjet printer, the inkjet print head according to the present invention can also be applied as a mono-color printer, and a print for a full-color printer. Even when it is applied as a head, it is not limited to the four-color integrated type described above, and may be configured as an independent print head for each color.
[0041]
  (Second Embodiment)
  In the present embodiment, the nozzle sheet 2, the substrate member 6, and the head frame 4 each have substantially the same linear expansion coefficient of the head frame 4 and the linear expansion coefficient of the substrate member 6, and the linear expansion coefficient of the head frame 4 is The nozzle sheet 2 has a linear expansion coefficient of about 1.3 × 10 10 so as to be smaller than the linear expansion coefficient of the nozzle sheet 2.^-5[K^-1], The substrate member 6 has a linear expansion coefficient of about 3.5 × 10^-6[K^-1The silicon and head frame 4 has a linear expansion coefficient of about 3.5 × 10^-6[K^-1The case of being formed of silicon nitride that is substantially equal to silicon of FIG. Since the configuration and operation of the print head 1 are the same as those in the first embodiment, description thereof will be omitted, and only the manufacturing process of the print head 1 will be described.
[0042]
  First, the nozzle sheet 2 and the head frame 4 are bonded to each other at about 150 ° C., which is higher than room temperature, using, for example, a thermosetting sheet adhesive. Next, the nozzle sheet 2 and the substrate members 6, 6,... Are bonded together at about 105 ° C., which is higher than room temperature. Since the bonding of the nozzle sheet 2 and the substrate members 6, 6,... Is performed by thermosetting the barrier layer 10, the bonding temperature largely depends on the properties of the barrier layer 10 and is limited to 105.degree. However, the bonding temperature between the nozzle sheet 2 and the head frame 4 needs to be equal to or higher than the bonding temperature between the nozzle sheet 2 and the substrate members 6, 6,. This will be described with reference to the graph of FIG.
[0043]
  FIG. 11 shows the formation interval (inter-nozzle interval) L of the ink discharge nozzles 3, 3,... Formed on the nozzle sheet 2._A Transition due to the temperature change of [μm] and the formation interval (inter-heater interval) L of the heating resistors 8, 8,... Formed on the substrate member 6_B It is a graph which shows transition by the temperature change of [micrometer]. That is, the straight line A is the room temperature T_R The distance between nozzles at L₁ The straight line B shows the distance between the heaters at room temperature.₂ It shows the transition due to temperature change.
[0044]
  The straight lines A and B represent the linear expansion coefficient of the nozzle sheet 2 as α.₃ (Α₃ Is about 1.3 × 10^-5[K^-1], The linear expansion coefficient of the substrate members 6, 6,... (Semiconductor substrates 7, 7,.₄ (Α₄ Is about 3.5 × 10^-6[K^-1]) When the temperature is T [K],
  A: L_A = L₁ + L₁ α₃ (T-T_R )
  B: L_B = L₂ + L₂ α₄ (T-T_R )
  (However, L₂ > L₁ , T_R Is room temperature)
  It is represented by
[0045]
  Therefore, first, the temperature T at which the straight line A and the straight line B intersect₃ (In this embodiment, the head frame 4 and the nozzle sheet 2 are bonded together at 150 ° C., ie, 423 K).
  Next, the temperature T₃ T, which is below and higher than room temperature₄ The substrate members 6, 6,... Are bonded to the nozzle sheet 2 at 105 ° C. (ie, 378 K in the present embodiment).
[0046]
  As mentioned above, the temperature T₃ By bonding the head frame 4 and the nozzle sheet 2 together, the bonding temperature T₃ At the following temperature, as described above, the head frame 4 has a thickness of 5 mm and has sufficient rigidity, so that the nozzle sheet 2 follows the contraction of the head frame 4. Further, since the linear expansion coefficient of the head frame 4 is smaller than the linear expansion coefficient of the nozzle sheet 2, the nozzle sheet 2 tends to contract more than the head frame 4 in the nozzle sheet 2, and the nozzle sheet 2 is in a tense state, that is, with a pin. It is in a stretched state. As a result, the interval between the ink ejection nozzles 3, 3,... Formed on the nozzle sheet 2, that is, the interval between the nozzles changes according to the linear expansion coefficient of the head frame 4.
[0047]
  Since the linear expansion coefficient of the head frame 4 is substantially the same as the linear expansion coefficient of the substrate member 6 as described above, the nozzle-to-nozzle spacing and the heater-to-heater spacing are substantially the same at the same temperature. Therefore, the positional deviation between the heating resistors 8, 8,... (Ink pressurizing chambers 9, 9,...) And the ink discharge nozzles 3, 3,.
[0048]
  Therefore, when the print head is completed, the nozzle-to-nozzle spacing is determined by the definition required by the printer in which the print head is used.₂ Is determined as a design value. L required in this case₁ Is the linear expansion coefficient α of the nozzle sheet 2₃ The linear expansion coefficient of the semiconductor substrate 7 (also the linear expansion coefficient of the head frame 4) α₄ The bonding temperature T between the nozzle sheet 2 and the head frame 4₃ , The bonding temperature T₃ And room temperature T_R ΔT (ΔT = T₃ -T_R ), The following formula is calculated backward from FIG.
  L₁ = L₂ (Α₄ ΔT + 1) / (α₃ ΔT + 1)
  Can be obtained from
[0049]
  By the way, due to the manufacturing variation of the nozzle sheet 2, the room temperature T_R The distance between nozzles is L₁ May be too short or too long. In such a case, it can be adjusted by changing the bonding temperature between the head frame 4 and the nozzle sheet 2.
[0050]
  As described above, the linear expansion coefficient of the head frame 4 is preferably smaller than the linear expansion coefficient of the nozzle sheet 2. This is because the head frame 4 and the nozzle sheet 2 are heated at a high temperature (temperature T₃ ), When the head frame 4 returns to room temperature, the head frame 4 is subjected to (1) a force in the pulling direction or (2) a force in the contracting direction. When the rate is larger than the linear expansion coefficient of the nozzle sheet 2, a force is applied in the direction of contraction as shown in (2), and the nozzle sheet 2 is connected to the ink discharge nozzles 3, 3,... And the heating resistors 8, 8,. This is because there is a possibility of occurrence of irregularities (wrinkles) that may cause displacement.
[0051]
  Further, the bonding temperature T between the head frame 4 and the nozzle sheet 2 is as follows.₃ Is preferably higher than the temperature in any subsequent process. Thereby, during the process after the head frame 4 and the nozzle sheet 2 are bonded together, the nozzle sheet 2 is always in a tensioned state, and wrinkles can be prevented from occurring in the nozzle sheet 2.
  Subsequently, the flow path plates 12, 12,... Are attached to the head assembly 11 in which the head frame 4, the nozzle sheet 2, and the substrate members 6, 6,.
[0052]
  FIG. 12 shows the configuration of a full-color bubble inkjet line printer 23 equipped with the four-color integrated print head 1 of the first and second embodiments. The line printer 23 is formed by being accommodated in a rectangular casing 24 as a whole, and a sheet tray 25 storing a sheet 26 as a recording medium is mounted from a tray entrance formed on the front surface of the casing 24. The paper 26 can be fed.
[0053]
  When the paper tray 25 is thus attached to the line printer 23 from the tray inlet / outlet, the paper 26 is pressed against the paper feed roller 27 by a predetermined mechanism. In this way, the paper 26 is sent out from the paper tray 25 toward the back side of the line printer 23. In the line printer 23, a reversing roller 28 is disposed on the paper feeding side, and the feeding direction of the paper 26 is switched to the front direction as indicated by an arrow B by the rotation of the reversing roller 28 and the like.
[0054]
  In the line printer 23, the paper 26 in which the paper feeding direction is switched in the direction indicated by the arrow B is conveyed by a spur roller 29 or the like so as to cross over the paper tray 25. The paper is discharged from a discharge port arranged on the front side of the printer 23. In the line printer 23, the head cartridge 30 is disposed between the spur roller 29 and the discharge port so that the head cartridge 30 can be replaced as indicated by an arrow D.
[0055]
  In the head cartridge 30, the print head 1 in which yellow, magenta, cyan, and black line heads are respectively arranged is arranged on the lower surface side of a holder 31 having a predetermined shape. Ink cartridges Y, M, C, and B are arranged and formed. Thus, the line printer 23 can print an image by attaching it to the paper 26 from the line head corresponding to each color ink.
[0056]
【The invention's effect】
  As described above, according to the present invention, the positional deviation between the energy generating element for discharging ink from the ink discharge nozzle and the ink discharge nozzle can be reduced as much as possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an ink jet print head according to the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view showing a configuration of an ink jet print head according to the present invention.
FIG. 3 is an enlarged view of a main part showing a configuration of a print head according to the present invention.
4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV in FIG. 3;
FIG. 5 is a perspective view showing a state in which a nozzle sheet is placed on a support jig.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a process of joining a head frame and a nozzle sheet.
FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating a process of bonding a substrate member to a nozzle sheet.
FIG. 8 is a view showing a head assembly in which a head frame, a nozzle sheet, and a substrate member are assembled.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a process of coupling a flow path member to the head assembly.
FIG. 10 shows the bonding temperature between the head frame and the nozzle sheet and the bonding temperature of the substrate member to the nozzle sheet according to the first embodiment. It is a graph shown with the expansion-contraction curve of the formation interval of a resistor.
FIG. 11 shows the bonding temperature between the head frame and the nozzle sheet and the bonding temperature of the substrate member to the nozzle sheet according to the second embodiment, and the expansion / contraction curve of the ink discharge nozzle formation interval of the nozzle sheet and the heat generation of the substrate member. It is a graph shown with the expansion-contraction curve of the formation interval of a resistor.
FIG. 12 is a perspective view illustrating a configuration of a full-color bubble inkjet line printer.
FIG. 13 is a perspective view illustrating a configuration of a conventional print head.
FIG. 14 is an exploded perspective view showing a configuration of a conventional print head.
FIG. 15 is a cross-sectional view showing a conventional problem.
[Explanation of symbols]
  1 Print head
  2 Nozzle sheet
  3 Ink discharge nozzle
  4 Head frame
  6 Board members
  8 Heating resistor
  9 Ink pressurizing chamber

Claims

A nozzle sheet that forms an end surface of the ink pressurizing chamber and has a plurality of ink discharge nozzles;
A head frame that supports the nozzle sheet;
A substrate member having an end surface different from the end surface of the ink pressurizing chamber and having a heating resistor facing the ink discharge nozzle and discharging ink in the ink pressurization chamber from the ink discharge nozzle;
Have
The linear expansion coefficient of the head frame is larger than the linear expansion coefficient of the nozzle sheet,
The linear expansion coefficient of the head frame and the linear expansion coefficient of the substrate member are substantially the same,
The head frame is bonded to the nozzle sheet, and an opening is formed in the head frame, and the substrate member and the nozzle sheet are bonded in a state where the substrate member is disposed in the opening. An inkjet printhead manufacturing method comprising:
The distance between the ink discharge nozzles L _A , The interval between the heating resistors is _LB When the room temperature _{T R} L _{A at} And L _B The relationship with L _A _{<L B} West,
Room temperature _{T R} Lower temperature T ₁ And L _A = L _B Bonding the nozzle sheet and the head frame under a temperature environment of:
The nozzle sheet and the substrate member are heated at a temperature T _1. A method for producing an ink jet print head, comprising the step of bonding under the above temperature environment .