JP4806801B2 - 接合応力が軽減されたプリントヘッド及び方法 - Google Patents

Description

プリントヘッドの製造において、微細加工されたシリコンアレイを有するチップがプラスチックホルダに取り付けられることが多い。微細加工されたシリコン板は、薄い可撓性のガラス膜に覆われることが多い。シリコンアレイ構造体は、インクリザーバと流体連通しており、吐出ノズルと連通すると共に複数のアクチュエータ（例えば、圧電加熱素子）を有する複数のインク流路を備え、これら複数のアクチュエータは、インクを加圧して、インクの液滴を印刷媒体上に吐出するように選択的に動作可能である。シリコンアレイ構造体は、プラスチック材料、複合材料、又は他の適切な材料から作製することができるホルダ又はマウントに直接接着接合されることが多い。ホルダは、プリントへッドシリコンのための構造マウント又は支持体としての役割を果たすことに加えて、インクリザーバ及びプリントシステムの他の構成要素を備えることが多い。

これらの構造が提示する１つの課題は、シリコン又はガラスの熱膨張係数とプラスチックの熱膨張係数との間には大きな差が存在することである。したがって、シリコンアレイとプラスチックホルダとの熱膨張差は、ガラス膜及びシリコン板において大きな機械的応力を生成する可能性がある。この応力の結果として、シリコンアレイは、曲がるか若しくは反り、インクジェットノズルの指向性を弱める可能性があるか、又は亀裂を生じ、プリントヘッドを破損させるおそれさえある。膨張におけるこの差はまた、高温の印加を伴うプリントヘッド製造工程を複雑にする可能性があり、操作中大きな温度差を許容することができないため、プリントヘッド操作を複雑にする場合がある。

シリコン又はガラスと同様の熱膨張係数を有する材料のプリントヘッドホルダを構成することは可能であるが、これは一般的に経済的でも実用的でもなく、プリントヘッドモジュールのコストに悪影響を及ぼすことになる。

本発明のさまざまな特徴及び利点は、本発明の特徴を例示として共に示す添付の図面と一緒に以下で説明される詳細な説明から明らかになるであろう。

微細加工されたシリコンアレイが接合されたプリントヘッドモジュールの正面図である。 図１のプリントヘッドモジュールの垂直断面図である。 ガラス板を微細加工されたアレイに接合したプリントヘッドモジュールの一実施形態の正面断面図である。 図３のプリントヘッドモジュールの垂直断面図である。

ここで、図示される例示的な実施形態が参照され、これを説明するために特有の用語が本明細書において使用される。それでも、本発明の範囲の制限がこれによって意図されるものではないことは理解されるであろう。本明細書に示される本発明による特徴の変形及びさらなる変更、並びに、当業者及び本開示の所有権を有する者には思い浮かぶであろう、本明細書で示される本発明の原理の付加的な適用は、本発明の範囲内で考慮されるべきである。

上述したように、微細加工されたシリコンアレイを有するチップは、プリントヘッドアレイのプラスチックホルダに取り付けられることが多い。そのような構成が図１及び図２に示されている。インクジェットプリントヘッドモジュール１０は、微細加工されたシリコン板１４によって形成されるインク吐出構造体１２を備え、可撓性で薄いガラス膜１６がシリコン板１４に接合されている。微細加工されたシリコン板は、その側面１８のうちの片面又は両面に形成される複数のインクチャネルを備え、複数のアクチュエータ２０（例えば、圧電アクチュエータ）が、インク液滴２２を加圧して、プリントヘッドモジュール１０の下に配置される印刷媒体２４（例えば、紙）上に吐出するために、インクチャネルのそれぞれに隣接して配置される。

インク吐出構造体１２は、エポキシのような接着剤によってホルダ２６に接合される。ホルダは、インク吐出構造体を支持し、また内側インクリザーバ３０（図２の断面図に示される）へとつながるインク入口２８を備え、内側インクリザーバ３０は、インクを、インク吐出構造体のインクチャネル及びノズルに供給及び分配して、上述したようにインクの引き込み及び吐出を可能にする。ホルダは、微細加工シリコンアレイとプリンタシステムの機械フレーム（図示せず）との間に機械的インタフェースを提供する位置決めピン３２を備えることもできる。

ホルダ２６は、プラスチック材料若しくはポリマー材料、複合材料、又は任意の他の適切な材料から作製することができる。しかしながら、上述したように、一方のシリコン又はガラスの熱膨張係数と、プラスチック材料又はポリマー材料の熱膨張係数とには大きな差が存在する。特に、シリコン及びガラスはそれぞれ、約３×１０^-6／℃である熱膨張係数を有するのに対して、プリントヘッドモジュールに頻繁に使用されるポリマー材料の熱膨張係数は、典型的には、約１５〜１７×１０^-6／℃である。

複数のアクチュエータ２０は、プリントシステムの他の部品と同様に熱を生成し、この熱はシステム全体にわたって自然に分散されることが理解されるであろう。しかしながら、全システムの所与の温度変化は、さまざまな構成要素それぞれの熱膨張係数に応じて、それらの構成要素の膨張差を生み出す。微細加工されたアレイ１２とプラスチックホルダ２６との膨張差は、ガラス膜１６及びシリコン板１４において大きな機械的応力を生成する可能性がある。この応力の結果として、微細加工されたアレイは曲がり、インクジェットノズルの指向性に影響を及ぼす可能性がある。さらに悪いことには、ガラス膜又はシリコンチップは、亀裂を生じ、プリントヘッドを破損させるおそれがある。熱膨張差はまた、接着剤を硬化させるか又はキャビティを熱封止するような高温の印加を伴う工程を含むプリントヘッド製造を複雑にする。熱膨張差はまた、大きな温度差を許容することができないため、通常のプリントヘッド操作を複雑にする場合がある。シリコン又はガラスと同様の熱膨張係数を有する材料のプリントヘッドホルダを構成することは可能であるが、これは一般的に経済的でも実用的でもなく、プリントヘッドモジュールのコストに悪影響を及ぼすことになる。

有利には、本発明者らによって、ポリマー取り付け構造体とこれに接合されるシリコン構造体との間の応力を軽減する構造及び方法が開発されている。当該構造及び方法は、微細加工されたプリントヘッドを含むインクジェットプリントヘッドに特に適用されるように本明細書で開示されているが、これらに限定されない。むしろ、当該構造及び方法は概して、プラスチック材料又は大きく異なる熱膨張係数を有する他の何らかの材料に接合される、シリコンチップ又は基板を有するあらゆる構造体に関連する。

改良された構成を有するプリントヘッドモジュール１００の一実施形態が、図３及び図４に示されている。この実施形態では、プリントヘッドモジュールは概して、微細加工されたシリコンアレイのインク吐出構造体１０４が取り付けられているポリマー材料又は他の材料から成るホルダ体１０２を備える。図１に示されるプリントヘッド構造体と同様に、シリコンアレイは微細加工されたシリコン板１０６を備え、可撓性で薄いガラス膜１０８が、陽極接合又はエポキシのような接着剤等によって、シリコン板１０６に接合されている。ガラス膜の厚みは、約５０μｍの範囲内とすることができるが、この厚みに限定されない。図１の実施形態と同様に、微細加工されたシリコン板は、その側面１１０のうちの片面又は両面に形成される複数のインクチャネルと、インク液滴を加圧して各インクチャネルから印刷媒体（図示せず）上に吐出するために、圧電アクチュエータのような複数のアクチュエータ（図示せず）とを備える。

ホルダ体１０２は、インクをシリコンアレイ１０４に供給する、内側インクリザーバ１１４へとつながるインク入口１１２を備える。ホルダ体は、微細加工されたシリコンアレイとプリンタシステムの機械フレーム（図示せず）との間の機械的インタフェースを提供する位置決めピンを受け取るスロット１１６を備えることもできる。

図１及び図２の実施形態とは異なり、シリコンアレイ１０４は、ホルダ１０２に直接接合されない。代わりに、図３及び図４の実施形態において、シリコンアレイは、当該シリコンアレイの両側に対称的に配置される一対の比較的厚いガラス取り付け板１１８に、（例えば、エポキシ又は他の接着剤によって）接合される。すなわち、アレイの各側面１１０は、各ガラス板の片側に接合される。各ガラス板の反対側は逆に、プラスチックホルダ１０２に、例えばエポキシのような接着剤によって接合される。

ガラスは、シリコンとほぼ同一の熱膨張係数を有する。特に、上述したようにシリコン及びガラスはいずれも、約３×１０^-6／℃である熱膨張係数を有する。しかしながら、ホルダ１０２は、ガラスとは大きく異なる比率で膨張する。たとえば、プリントヘッドモジュールに頻繁に使用されるポリマー材料は、１５〜１７×１０^-6／℃の範囲内の熱膨張係数を有する。

有利には、ガラス取り付け板１１８の厚みによって、これらの板がシリコンアレイ１０４とホルダ体１０２との熱膨張差によって引き起こされる結果として生じる機械的応力を吸収し減衰させることができるようになる。ガラス板の厚みは、このガラス板の厚みによってプラスチックホルダの熱膨張によって導入される力の吸収（減衰）が可能であるように、且つ高温によって誘発される応力を壊れ易いシリコンチップインクジェットアレイに伝達しないように選択される。幾つかの要因がこの機能に寄与する。第１に、ガラス取り付け板は、ホルダの比較的薄い壁部分１２０に取り付けられる。ガラス取り付け板は、これらの板が接合されるホルダの薄い壁部分の厚みと少なくとも同じ大きさの厚みを有する。より広範には、ガラス板は、ホルダ肉厚の約１倍〜３倍の厚みを有し得る。

本明細書で使用される場合、「ホルダ肉厚」という用語は、ガラス板１１８が接合される領域でのホルダ１０２の壁１２０の典型的な最小の厚みを指す。ホルダは、ガセットと、ホルダ壁に接続するより厚い他の強化構造体とを備えることができ、この領域でこれらと（例えば、射出成形によって）一体形成することができるが、重要であるのは、この領域での典型的な最小肉厚である。ホルダ肉厚は、典型的には、約０．３ｍｍ〜約０．５ｍｍの間で変化する。したがって、ガラス板の厚みは、約０．３ｍｍ〜約１．５ｍｍの範囲にわたることができる。特定の一実施形態において、ガラス取り付け板は約０．７ｍｍの厚みを有し、これに隣接するホルダ肉厚は約０．５ｍｍである。所与の熱膨張量下で特定の構造体によって生成される力の量は、小さい構造体であるほど小さくなる。したがって、薄いホルダ壁は厚い壁よりも小さい膨張力を生成し、比較的厚い応力減衰層はその膨張力に抵抗するためのより大きい力をもたらす。

ガラス板１１８の厚みはまた、ガラスの弾性率（ヤング率）対ホルダのポリマー材料の弾性率にも関連する。ポリマー材料は典型的には、１ＧＰａ未満〜約４ＧＰａの範囲内の弾性率を有する。他方で、ガラスは約６４Ｇｐａの範囲内の弾性率を有する。したがって、プラスチックホルダと同じ全体剛性を有するガラス板は、ホルダ肉厚よりも小さい厚みを有することになる。（ホルダと同じ剛性を有するために、ガラス板の厚みは、ガラスの弾性率とプラスチックホルダ材料の弾性率との比に比例する。）したがって、ガラス板が、ホルダ肉厚の１倍〜３倍の厚みを有する場合、ガラス板の機械的強度、及び機械的応力の吸収能力は、ホルダ壁のそれよりも実質的に大きい。熱膨張差によって引き起こされる応力を十分に吸収するために、より弾性な（すなわち、より低い弾性率を有する）応力減衰層はより厚くなる必要があるが、より剛性な（すなわち、より高い弾性率を有する）応力減衰層はより薄く且つ依然として十分に応力を吸収することができる。

さらに、応力が力と材料の断面積との関数であるため、ガラス板の厚みは膨張差によって生成される応力を軽減する。所与の力を吸収する材料が多いほど、結果として生じる応力は小さくなる。ガラスは、ホルダのプラスチック壁よりも厚いため、シリコンアレイ構造体をより剛性にし、（高温に起因する）プラスチック膨張によって導入される力の分離を可能にし、壊れ易いシリコンチップ構造体を保護する。これによって、プリントヘッドの故障、チップのひび割れの数が減り、生産収率が高まる。

応力減衰膜又は応力吸収膜として使用されるガラス板１１８は、シリコンアレイチップ１０４及びプラスチックハウジング１０２の両方と相互作用する。ガラス板１１８のより大きな厚みは、ホルダ１０２の熱膨張差によって生成される応力を吸収し、この応力を壊れ易いシリコンチップアレイ１０４に伝達しない。さらに、ガラス取り付け板は、プリントヘッドモジュールを全体的に剛性化し、接合時又はプリントヘッド使用中に生じる温度変化に対して影響を受けにくくなるようにする。

本開示はプリントヘッドモジュールの一実施形態を示すが、本明細書で開示される原理は、シリコン構造体がプラスチック材料又は大きく異なる熱膨張係数を有する他の何らかの材料に接合される、あらゆる構造体に適用される。したがって、シリコンチップ／装置と、接合される取り付け構造体との間の熱膨張差からの応力を減衰するシステム及び方法、より詳細には、インクジェットプリントヘッド構造体のそのようなシステムが提供される。

上記の構成は本発明の原理の適用を例示するものであることを理解されたい。添付の特許請求の範囲に示されるような本発明の原理及び概念から逸脱することなく、多くの変更を行うことができることは、当業者には明らかであろう。

Claims (8)

1. 熱膨張係数α_sを有するシリコンインクジェットチップと、
   前記シリコンチップを担持及び支持するように構成され、ホルダ肉厚、及びα_sとは実質的に異なる熱膨張係数α_hを有するプリントヘッドホルダと、
   α_sと実質的に同様である熱膨張係数α_g、及び前記ホルダ肉厚と少なくとも同じ大きさの厚みを有するガラス板とを備え、
   前記シリコンチップは、前記シリコンチップの両側に配置される一対の前記ガラス板に接合され、前記ガラス板の反対側は前記ホルダに接合され、それによって、前記シリコンチップと前記ホルダとの間の熱膨張差によって生成される応力が減衰されることを特徴とするインクジェットプリントヘッド。
2. 前記ガラス板の前記厚みは、前記ガラス材料の弾性率と前記プリントヘッドホルダの材料の弾性率との比に比例する厚みよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
3. 前記ガラス板の前記厚みは前記ホルダ肉厚の約２倍であることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
4. 前記ホルダ肉厚は０．５ｍｍ以下であり、前記ガラス板の前記厚みは少なくとも０．７ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
5. 前記ガラス板は同様の大きさ及び形状の一対のガラス板を含み、ガラス板はそれぞれ、前記シリコンチップの両側に対する第１の側と、前記ホルダに対する第２の側に対称的に接合されることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
6. α_s及びα_gは約３×１０^-6／℃の範囲内にあり、α_hは１５〜１７×１０^-6／℃の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
7. 前記インクジェットチップを包囲すると共に、前記インクジェットチップと前記ガラス板との間に接合されるガラス膜をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
8. 前記ガラス膜は前記ガラス板の約１／１０の厚みを有することを特徴とする請求項７に記載のインクジェットプリントヘッド。

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