JP5340038B2 - インクジェット記録ヘッドおよび液体噴射記録ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、インク等の記録液を吐出口から吐出して記録を行う記録装置に用いられるインクジェット記録ヘッドおよび液体噴射記録ヘッドに関するものである。

近年、コンピュータ、ファクシミリ、複写機などの機器が広く普及しており、これらの機器に用いられる記録方式も様々な方式のものが開発されている。中でも記録媒体に対してインクを吐出することで記録を行うインクジェット記録方式を採用したインクジェット記録装置は、他の方式と比較して高精細化が容易であり、しかも高速記録性および静寂性に優れ、且つ廉価であるという優れた特徴を有している。このようなインクジェット記録装置は、インクを吐出する吐出口を備えた記録ヘッドを備えている。そしてインクを吐出する方式としては、ピエゾ素子などの電気機械変換体を用いて吐出するものや、発熱抵抗体などの電気熱変換体を備え、インクを加熱して膜沸騰を生じさせて、その作用によってインクを吐出するもの等が知られている。

図８は、従来のインクジェット記録カートリッジ（以下、単に記録カートリッジともいう）を示した図である。記録カートリッジ６０１は、シリコン等で作られた記録素子基板７０２を含むインクジェット記録ヘッド部と、内部にインクを備えたインク容器部７０９とを一体に構成したものである。記録素子基板７０２には、電気エネルギを熱エネルギに変換することでインクを吐出させるためのヒータが備えられている。記録素子基板７０２は、ヒータにインクジェット記録装置から供給される電気エネルギを伝えるための配線を備えた基板と、インクをヒータに供給するための流路と、インクを吐出させるための複数の吐出口を備えたノズルプレートと、から構成されている。そして１つの記録素子基板７０２には、イエロー、マゼンダ、シアンの３色のインクを吐出させるための吐出口列７０３、７０４、７０５が備えられている。電気配線基板７０６は、インクジェット記録装置から記録素子基板７０２に電気信号を伝えるためのものであり、外部信号入力端子７０７を介してインクジェット記録装置からの電気信号を伝える。電気配線基板７０６と記録素子基板７０２とは記録素子基板７０２の２つの端面で電気配線基板７０６と電気的に接続されており、その電気接続部は封止剤７０８で覆われインクから保護されている。

図９は、記録素子基板７０２を支持する支持基板８０２と、電気配線基板７０６を固定支持する支持板８０４と、を示した図である。支持基板８０２は、記録素子基板７０２を精度良く接着固定するため、アルミナ等の材料を使用して形成されており、研磨処理が施されている。また、支持板８０４も支持基板８０２と同じアルミナ等の材料で構成されている。

図１０は、図８におけるＸ−Ｘ断面図である。支持基板８０２は、インク容器部７０９内のインクを記録素子基板７０２に供給するためのインク供給口８０３を備えており、そのインク供給口８０３と記録素子基板７０２のインク供給口８０３とが連通するように記録素子基板７０２が取り付けられている。また、その記録素子基板７０２の周囲を囲うように支持板８０４が取り付けられている。記録素子基板７０２と支持板８０４との間には、封止剤８０５を入れて封止することで記録素子基板７０２と支持板８０４との間にインクが入り込まないようにしている。もし、封止剤８０５によって封止しなかった場合、記録素子基板７０２と支持板８０４との間にインクが入り、そのインクが記録素子基板７０２の側面端部に付着する。記録素子基板７０２の側面端部はシリコンがむき出しになっており、側面端部にインクが付着するとシリコンが溶出する場合がある。

記録素子基板７０２と支持板８０４との間を封止剤８０５で封止することでシリコンが溶出するのを防ぐことができる。また、記録素子基板７０２と支持板８０４との間を封止剤８０５で封止するのは、記録素子基板と電気配線基板との電気接続部をインクから保護するためでもある。この封止剤８０５には、製造工程での取り扱いが比較的容易な熱硬化型樹脂を用いるのが一般的である。

記録素子基板７０２の取り付け精度は、インクジェット記録装置における記録精度に直接影響する。そこで、その取り付け精度を高めるため、あるいは工程内で歩留まりよく製造するために従来様々な提案がなされている。特許文献１には、記録素子基板を固定するにあたり、記録素子基板と熱的特性がほぼ同等の支持基板を貼り付けて記録素子基板を固定する提案がなされている。また、特許文献２には、記録素子基板と支持部材の間にアルミナ等の支持基板を貼り付け、線膨張率の違いによって記録素子基板の破損を防ぐ方法が提案されている。

近年はインクジェット記録ヘッド（以下、単に記録ヘッドともいう）の製造コストの中で最も高価な記録素子基板のコストを削減するために、記録素子基板のサイズを小さくして、シリコンウエハ１枚当りの取り個数を多くすることが求められている。記録素子基板サイズを小さくする手段として、吐出口列の間隔を狭くすることが考えられる。しかし、吐出口列の間隔を狭くすると、必然的に吐出口周囲の壁部が薄くなり、その結果記録素子基板に剛性の弱い部分ができてしまう。前述したように記録素子基板の周囲は熱硬化型の封止剤によって封止されており、硬化する際の硬化収縮によってその内部に応力が生じ、その応力は記録素子基板を外側へ引くように作用する。

図１１は、図１０の断面図おける封止材８０５の周辺部を拡大した図であり、封止剤８０５内の応力が記録素子基板７０２に作用する様子を示した図である。記録ヘッドの製造時には、記録素子基板７０２と支持板８０４と支持基板８０２とを固定する接着剤と封止剤を硬化させるために１００℃のオーブンへ投入する。その際、熱により各部材は膨張し、膨張した状態で硬化される。このときの膨張率は各部材の材質によって異なる。接着剤と封止剤の硬化後に記録ヘッドをオーブンから取り出すと各部材は室温まで温度が下がるために膨張していた状態から元の状態に戻ろうとする。さらに一般的な熱硬化型封止剤においては、約５％の硬化収縮が発生することが知られている。したがって、図のように硬化時の硬化収縮と各部材の温度による変化によって、封止剤８０５内部には図の矢印の方向に応力が発生する。この図はインクジェット記録ヘッドの一部のみを表しているため図には表れていないが、記録素子基板７０２の反対側側面も同様の状態である。つまり記録素子基板７０２には側面から外側に向けた力が働いていることになる。

特開平１０−４４４２０号公報 特開２００２−１９１１９号公報

このように、記録素子基板７０２に応力がかかる場合、図１０からもわかるように、封止剤８０５と接している記録素子基板７０２の開口部側部の断面積は小さいため、力が加わった場合には変形しやすい。また、記録素子基板７０２は支持基板８０２と接している面とその対向する面とで吐出口、インク供給口等からなる開口面積が異なる。よって、記録素子基板７０２に封止剤８０５によって力が加えられる場合、反りを伴って変形することが考えられる。このように変形した記録素子基板７０２の記録ヘッドで記録を行う場合、インクジェット記録装置の記録ヘッドから吐出されたインク滴の着弾位置がずれてしまい記録品位が低下する。さらには製造の段階で記録素子基板７０２が変形により破損する場合がある。

よって本発明は、記録品位が低下することがなく、製造工程で破損することのないインクジェット記録ヘッドおよび液体噴射記録ヘッドを提供することを目的とする。

そのため本発明のインクジェット記録ヘッドは、吐出口を備えた記録素子基板が支持部材によって支持されており、前記記録素子基板と隣接する部分が封止剤によって封止されているインクジェット記録ヘッドにおいて、前記支持部材における、前記記録素子基板の側面と対向する位置にリブが設けられており、前記リブは前記封止剤からの応力を受けて変位することが可能であり、前記リブの始点部から頂点部までの長さは、前記記録素子基板の厚みよりも長いことを特徴とする。

また、本発明の液体噴出記録ヘッドは、液体を吐出する吐出口を備える記録素子基板と、前記記録素子基板が接着される面を備え当該面にて前記記録素子基板を支持する支持部材と、前記記録素子基板の一側面と当該一側面の裏面の他側面とを封止する封止剤と、前記一側面および前記他側面に沿って形成され、かつ、前記一側面および前記他側面に対向する位置に形成される板状部材と、を備えており、前記封止剤は、前記一側面と前記板状部材との間の領域、および、前記他側面と前記板状部材との間の領域に配されており、前記板状部材の始点部から頂点部までの長さは、前記記録素子基板の厚みよりも長いことを特徴とする。

本発明によれば、インクジェット記録ヘッドの支持部材には、記録素子基板の側端面と対向する位置にリブが設けられており、そのリブは封止剤からの応力を受けて変位する。これによって、記録品位が低下することがなく、製造工程で破損することのないインクジェット記録ヘッドを提供することができる。

第１の実施形態のインクジェット記録カートリッジを部品毎に分解した模式的斜視図である。 （ａ）は、記録素子基板の表面を表わした図であり、（ｂ）は、裏面を表わした図である。 第１の実施形態の支持部材の底面を表わした平面図である。 支持部材に形成されているリブと記録素子基板の接合部の一部を示した断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、第１の実施形態のリブを設けた支持部材で封止剤が硬化収縮した場合に発生する応力の様子を示した図である。 第１の実施形態のリブの変形例を示した平面図である。 （ａ）は、第２の実施形態のリブを設けた支持部材の一部を拡大して示した断面図であり、（ｂ）は第２の実施形態の変形例のリブを設けた支持部材の一部を拡大して示した断面図である。 従来のインクジェット記録カートリッジを示した図である。 従来の記録素子基板を支持する支持基板と、電気配線基板を固定支持する支持板と、を示した図である。 図８におけるＸ−Ｘ断面図である。 封止剤内の応力が記録素子基板に作用する様子を示した図である。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態を説明する。
図１は、本実施形態のインクジェット記録カートリッジ（以下、単に記録カートリッジともいう）を部品毎に分解した模式的斜視図である。電気配線基板Ｈ１３０１には、記録素子基板Ｈ１１０１を組み込むためのデバイスホールＤＨと、記録素子基板Ｈ１１０１の電極に対応した電極端子Ｈ１３０２と、記録装置本体からの制御信号を受け取る外部信号入力端子Ｈ１３０３と、が備えられている。外部入力端子Ｈ１３０３と電極端子Ｈ１３０２とは銅箔の配線でつながっている。支持部材Ｈ１５０１は樹脂成型により形成されており、本実施形態で使用した樹脂材料には、剛性を向上させるためにガラスフィラを３５％混入した樹脂材料を使用している。この支持部材Ｈ１５０１は、インク貯留部Ｈ１５０６からのインク供給路Ｈ１５０２を有し、記録素子基板との接合面Ｈ１５０４にインク供給路Ｈ１５０２と平行になるようにインク供給路Ｈ１５０２の両側に板状部材からなる２個のリブＨ１５０３を有している。本実施形態においてリブの厚みは０．５ｍｍである。後述するように封止剤に発生した応力によりこのリブが容易に変形可能なように、リブの厚みは０．５ｍｍ以下が好ましい。

図２Ａおよび図２Ｂは、記録素子基板Ｈ１１０１を表わしており、図２（ａ）は表面、図２（ｂ）は裏面をそれぞれ表わしている。記録素子基板Ｈ１１０１には、厚さ０．６２ｍｍのＳｉ基板の片側に、インクを吐出するための複数のエネルギ発生素子（不図示）（以下、ヒータともいう）と、各エネルギ発生素子に電力を供給するＡｌ等の電気配線（不図示）が成膜技術により形成されている。また、記録素子基板Ｈ１１０１には、各ヒータに対応して設けられた複数のインク流路と複数のインク吐出口Ｈ１１０３とがフォトリソグラフィ技術により形成されている。また、記録素子基板Ｈ１１０１には、複数のインク流路にインクを供給するためのインク供給口Ｈ１１０２が裏面に開口するように形成されている。

図３は、本実施形態の支持部材Ｈ１５０１の底面を表わした平面図である。本実施形態の特徴的な点は、インク供給路Ｈ１５０２の両側にリブＨ１５０３を設けたことである。このリブＨ１５０３は、支持部材Ｈ１５０１と一体で形成されてもよいし、別体で形成し、接着剤等で接着してもよい。

図４は、支持部材Ｈ１５０１に形成されているリブＨ１５０３と記録素子基板Ｈ１１００の接合部の一部を示した断面図である。本実施形態のリブＨ１５０３は図のように、記録素子基板Ｈ１１０１と支持部材Ｈ１５０１の壁部Ｈ１５０９間に設けられている。そして封止剤Ｈ１２０２は、記録素子基板Ｈ１１０１とリブＨ１５０３との間を封止するように設けられる。封止剤Ｈ１２０２によって、記録素子基板Ｈ１１０１と隣接する部分だけが封止されているため、リブＨ１５０３と壁部Ｈ１５０９の間の領域Ｈ１５０５には封止剤Ｈ１２０２は設けていない。つまりこの領域Ｈ１５０５は空間となっている。またこの空間領域に封止剤が流れ込まないようにするために、リブの先端部における記録素子基板側の部分がテーパ形状となっている。また記録素子基板Ｈ１１０１は熱硬化性の接着剤Ｈ１２０１によって支持部材Ｈ１５０１に接着することで固定されており、記録素子基板Ｈ１１０１の周囲を封止剤Ｈ１２０２で覆う構成となっている。接着剤Ｈ１２０１と封止剤Ｈ１２０２は、硬化温度が低く短時間で硬化し耐インク性のあるものが望ましい。本実施形態では、接着剤Ｈ１２０１と封止剤Ｈ１２０２は、エポキシ樹脂を主成分とした熱硬化型を使用している。これら熱硬化型接着剤Ｈ１２０１と封止剤Ｈ１２０２は、１００℃で１時間のキュアを行うことで耐インク性および接着性等の所望の性能が出るものを使用した。ただし、接着剤Ｈ１２０１と封止剤Ｈ１２０２はこれに限ったものではなく、それぞれのインクジェット記録ヘッド（液体噴射記録ヘッド）に要求される条件を満足すれば他のものでも良い。

図５（ａ）から図５（ｃ）は、本実施形態のリブＨ１５０３を設けた支持部材Ｈ１５０１で封止剤Ｈ１２０２が硬化収縮した場合に発生する応力の様子を示した図である。封止剤Ｈ１２０２が硬化すると、硬化収縮と温度の変化によって図５（ａ）の矢印の方向に応力が発声する。そして、リブＨ１５０３は、封止剤Ｈ１２０２に応力が発生すると、その応力によって図５（ｂ）のように支持部材Ｈ１５０１との交点を支点にして傾くように構成されている。このようにリブＨ１５０３が変形することで封止剤Ｈ１２０２に発生した応力を吸収できるので、封止剤に発生した応力による記録素子基板Ｈ１１０１への影響は大幅に低減される。記録素子基板Ｈ１１０１は長手方向に沿って形成される側面（以下（長側面ともいう）とインク供給口とが比較的近い位置関係にあり、長側面に外部から力が加わった場合に、変形もしくは破損をし易くなっている。そのため、図５（ｃ）のようにリブＨ１５０３は、記録素子基板Ｈ１１０１の長側面と対向する位置に連続的に設けられており、記録素子基板Ｈ１１０１の両側に掛かる応力はほぼ均等に軽減される。その結果、記録素子基板Ｈ１１０１の変形等による記録品位への影響を問題のないレベルにまで抑えることができる。

図６は、本実施形態のリブの変形例を示した平面図である。この図６のように、リブＨ１６０３を記録素子基板の長側面の幅全域に亘って、対向するように設けてもよい。上述したようにリブＨ１６０３の変形により封止剤に発生した応力を吸収するので、リブはより薄く、長いほうが好ましい。具体的には、リブＨ１６０３は記録素子基板に形成されるインク供給口Ｈ１５０２と同等か,好ましくはより長く形成することが好ましい。またリブＨ１６０３の変形を容易にするために、リブは連続しているほうが好ましいが、断続的に複数のリブが記録素子基板の長側面に沿って形成されていてもよい。この際にはリブ同士の間隔は、そのメニスカス力により、封止剤がリブと壁部Ｈ１５０９との間に流れ出さないような大きさにすることが好ましい。

なお、本実施形態では記録素子基板Ｈ１１０１の長側面と対向する位置のみにリブＨ１５０３を設けたが、これに限定するものではなく、長側面と対向する位置と同時に記録素子基板の短側面と対向する位置に設けてもよい。同様に、本発明において、記録素子基板の少なくとも一側面とその裏面である他側面を封止すればよいが、その他の側面についても封止してもよい。

このように、記録素子基板の長側面と対向する位置に、封止剤による応力の影響を受けて記録素子基板の側面方向に変位可能なリブを設けて、そのリブと記録素子基板の間を封止剤で封止する。これによって、記録素子基板にかかる封止剤からの応力を低減することができ、製造工程における記録素子基板の破損や、記録品位の低下を防止することができた。

（第２の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。本実施形態の基本的な構成は、第１の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成についてだけ説明する。

図７（ａ）は、本実施形態のリブＨ１７０３を設けた支持部材Ｈ１７０１の一部を拡大して示した断面図であり、図７（ｂ）は本実施形態の変形例のリブＨ１８０３を設けた支持部材Ｈ１８０１の一部を拡大して示した断面図である。

第１の実施形態では、記録素子基板Ｈ１１０１の高さとリブＨ１５０３の高さは略同じ高さであった。しかし、本実施形態では、リブを設ける部分の支持部材Ｈ１７０１、Ｈ１８０１の溝を第１の実施形態よりも深くしている。硬化後の封止剤から応力を受けた際のリブの変位は、リブ始点部Ｈ１５０３Ａ（図５（ｂ）参照）よりも、リブ頂点部Ｈ１５０３Ｂ（図５（ｂ）参照）の方が大きい。つまり、第１の実施形態では、記録素子基板Ｈ１１０１の封止されている端面は、支持部材Ｈ１５０１との接着部に近い下部から上部まで均等に応力が低減されているのではなく、下部から上部に向かうに伴って、より多く応力が低減されている。そこで、本実施形態のように記録素子基板Ｈ１１０１と支持部材Ｈ１７０１の接着面よりも低い（深い）位置からリブＨ１７０３を設けることで、記録素子基板Ｈ１１０１の下部にかかる封止剤Ｈ１２０２からの応力がより低減される。本実施形態の構成は、第１の実施形態に比べて記録素子基板Ｈ１１０１と支持部材Ｈ１７０１との接合部の応力の影響を軽減出来る点で好ましい。

また、図７（ｂ）のように、リブＨ１８０３の支点部に近い部分の溝を深くし、他の部分は記録素子基板Ｈ１１０１の接着面と等しい高さにしてもよい。これは図７（ａ）と比較して封止剤Ｈ１２０２の絶対量が少ないために、封止剤の硬化時に発生する応力が低減する上に、さらにリブＨ１８０３によって記録素子基板Ｈ１１０１にかかる応力を低減させることができる点で好ましい。また、図７（ａ）の構成よりも、使用する封止剤Ｈ１２０２の量を減らすことができるので、製造におけるコストダウンにもなる。

このように、支持部材に設けるリブを、記録素子基板と支持部材の接着面よりも低い位置から設けることで、記録素子基板にかかる封止剤からの応力を効率よく低減することができる。これによって、記録素子基板にかかる封止剤からの応力を低減することができ、製造工程における記録素子基板の破損や、記録品位の低下を防止することができた。

Ｈ１１０１ 記録素子基板
Ｈ１２０１ 接着剤
Ｈ１２０２ 封止剤
Ｈ１３０１ 電気配線基板
Ｈ１５０１ 支持部材
Ｈ１５０３ リブ
Ｈ１５０３Ａ リブ根本部
Ｈ１５０３Ｂ リブ端部
Ｈ１５０４ 接合面
Ｈ１６０３ リブ
Ｈ１７０１ 支持部材
Ｈ１７０３ リブ
Ｈ１８０１ 支持部材
Ｈ１８０３ リブ

Claims (11)

1. 吐出口を備えた記録素子基板が支持部材によって支持されており、前記記録素子基板と隣接する部分が封止剤によって封止されているインクジェット記録ヘッドにおいて、
   前記支持部材における、前記記録素子基板の側面と対向する位置にリブが設けられており、前記リブは前記封止剤からの応力を受けて変位することが可能であり、前記リブの始点部から頂点部までの長さは、前記記録素子基板の厚みよりも長いことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 前記記録素子基板を挟んで２個の前記リブが設けられていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
3. 前記リブは前記支持部材と一体で形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド。
4. 前記リブは前記支持部材と別体で形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド。
5. 前記リブは、前記記録素子基板の幅全域に亘って設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。
6. 前記リブと前記記録素子基板の間は前記封止剤によって封止されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。
7. 前記リブの始点部の位置は、前記支持部材における前記記録素子基板の接着面よりも低い位置にあることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。
8. 前記リブと前記記録素子基板との間で前記封止剤を受ける前記支持部材の底面の一部は、前記支持部材の前記記録素子基板が接着されている面であることを特徴とする請求項７に記載のインクジェット記録ヘッド。
9. 液体を吐出する吐出口を備える記録素子基板と、前記記録素子基板が接着される面を備え当該面にて前記記録素子基板を支持する支持部材と、前記記録素子基板の一側面と当該一側面の裏面の他側面とを封止する封止剤と、前記一側面および前記他側面に沿って形成され、かつ、前記一側面および前記他側面に対向する位置に形成される板状部材と、を備えており、
   前記封止剤は、前記一側面と前記板状部材との間の領域、および、前記他側面と前記板状部材との間の領域に配されており、前記板状部材の始点部から頂点部までの長さは、前記記録素子基板の厚みよりも長いことを特徴とする液体噴射記録ヘッド。
10. 前記板状部材は前記記録素子基板の側面方向に変位可能であることを特徴とする、請求項９に記載の液体噴射記録ヘッド。
11. 前記板状部材と前記支持部材との交点の位置は、前記支持部材の面よりも低い位置にあることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の液体噴射記録ヘッド。

Images