JP6312532B2 - 液体吐出ヘッドの素子基板 - Google Patents

Description

本発明は液体を吐出する液体吐出ヘッドに用いられる素子基板の構造に関する。

インクジェットプリンターなどの液体吐出装置に用いられる液体吐出ヘッドの素子基板は、液体の供給口とエネルギー発生素子を備えた基板と、基板に固定され吐出口が形成された吐出口形成部材と、を有している。吐出口形成部材は、液体を供給口から吐出口に供給する圧力室を、基板とともに形成している。近年、液体吐出装置の高画質化のニーズが高まっており、それに伴い液体吐出ヘッドの高密度化が進んでいる。液体吐出ヘッドのドット密度は従来の６００ｄｐｉ（dot per inch）から１２００ｄｐｉへと高められており、それに応じて圧力室を仕切る周囲壁が薄くなっている。このため、吐出口形成部材の剛性を確保することが困難となっており、吐出口形成部材は外力を受けた際に変形が生じやすくなっている。変形に伴って吐出口形成部材が基板から剥離する可能性もある。吐出口形成部材の変形や剥離が生じると吐出口の位置や向きが変わり、液滴を所望の位置に安定的に着弾させることが困難になる。この結果、印字物の品位が低下する。特許文献１には、吐出口形成部材の吐出口面が形成される天板にスリットが設けられた液体吐出ヘッドが開示されている。スリットは吐出口形成部材の変形を吸収し、吐出口形成部材と基板の間に生じる力を低減する。このため、吐出口形成部材の変形や基板からの剥離が生じにくい。スリットは天板の厚さ方向途中で終端している。

特開２００７−３３１２４５号公報

特許文献１に開示される液体吐出ヘッドにおいてはスリットが天板の厚さ方向途中で終端しているため、スリットが十分な深さを確保することができないとともに、天板が一体構成となる。この結果、吐出口形成部材の十分な変形性能を確保することができない。このため、吐出口形成部材が大きな外力を受けた際、依然として変形や基板からの剥離が生じる可能性がある。本発明は、大きな外力を受けても変形や基板からの剥離が生じにくい、液体吐出ヘッドの素子基板を提供することを目的とする。

本発明の液体吐出ヘッドの素子基板は、液体の供給口を備えた基板と、基板上に位置する吐出口形成部材と、を有している。吐出口形成部材は、液体を吐出する吐出口を備えた天板と、天板の周縁に沿って延び天板を基板に連結する側壁と、を有している。基板と天板と側壁は、供給口と連通し液体を供給口から吐出口に供給する圧力室を形成している。天板は側壁の互いに対向する部分の間で分割されている。

吐出口形成部材の天板が側壁の互いに対向する部分の間で分割されているため、天板の分割された個々の部分は外力を受けた際に独立して変形することができる。このため、天板の分割された個々の部分が基板に追従して変形しやすくなり、吐出口形成部材と基板の界面に生じるひずみも低減される。その結果、吐出口形成部材の変形や基板からの剥離が生じにくい。

本発明によれば、大きな外力を受けても変形や基板からの剥離が生じにくい、液体吐出ヘッドの素子基板を提供することができる。

本発明の一実施形態の液体吐出ヘッドと素子基板の斜視図である。 図１に示す素子基板の平面図及び側面図である。 天板が一体形成された素子基板の平面図及び側面図である。 図１に示す素子基板の製造方法を示す図である。 第２の実施形態に係る素子基板の側面図である。 図５に示す素子基板の製造方法を示す図である。

（第１の実施形態）
図１（ａ）は液体吐出ヘッドの概略斜視図であり、図１（ｂ）は液体吐出ヘッドの素子基板の部分破断斜視図である。図２は素子基板２をより詳細に示している。図２（ａ）は吐出口面を示す素子基板の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のａ−ａ線に沿った素子基板の断面図、図２（ｃ）は図２（ｂ）の破線で囲んだ天板の部分断面図、図２（ｄ）は図２（ａ）のｂ−ｂ線から見た素子基板の側面図である。液体吐出ヘッド１は複数の素子基板２を有している。素子基板２は液体吐出ヘッド１の支持部材３に接着剤で固定されている。素子基板２は基板４と、基板４上に位置する吐出口形成部材５と、を有している。基板上の吐出口形成部材５は樹脂材料で形成されている。吐出口形成部材５は天板６と側壁７を有し、側壁７は天板６の周縁に沿って延び、天板６を基板４に連結している。側壁７は，互いに対向し素子基板２の長辺方向Ｌに平行に延びる第１及び第２の側壁７ａ，７ｂと、互いに対向し短辺方向Ｓに平行に延びる第３及び第４の側壁７ｃ，７ｄと、を有している。基板４と天板６と側壁７は圧力室８を形成している。天板６を貫通して多数の貫通孔９が形成されている。貫通孔９の一端は圧力室８に開口し、他端は液体を吐出する吐出口１０を形成している。複数の吐出口１０は素子基板２の長辺方向Ｌに２列に配列する吐出口列１１を形成している。すなわち、２つの吐出口列１１のそれぞれは所定のピッチで一列に配列した複数の吐出口１０からなり、長辺方向Ｌに互いに平行に延びている。吐出口形成部材５は圧力室８を吐出口１０毎に仕切る多数の仕切り壁１２を有している。仕切り壁１２は天板６と基板４を連結している。

基板４の上面、すなわち圧力室８と対向する面にはエネルギー発生素子１３が設けられている。エネルギー発生素子１３は、電気熱変換素子（ヒーター）または圧電素子（ピエゾ素子）からなる。エネルギー発生素子１３は圧力室８をはさんで各貫通孔９（吐出口１０）と対向する位置に設けられ、吐出口１０と同様、２つの列をなしている。基板４は、基板４を貫通し液体タンク（図示せず）から液体が供給される供給口１４を備えている。供給口１４は２つのエネルギー発生素子１３の列の間を、基板４の長辺方向Ｌに沿ってエネルギー発生素子１３の列と平行に延びている。供給口１４と２つの吐出口列１１の組は一つの素子基板２に複数個設けられてもよい。基板４はエネルギー発生素子１３に電気エネルギーを供給するための接続端子１５を備えている。接続端子１５は支持部材３に接着されたフレキシブル配線基板１６と電気接続され、フレキシブル配線基板１６はコンタクトパッド１８と電気接続されている。エネルギー発生素子１３は、接続端子１５とフレキシブル配線基板１６とコンタクトパッド１８を介して、液体吐出装置の本体（図示せず）から電気エネルギーを供給される。圧力室８は供給口１４と連通しており、液体は供給口１４から圧力室８に供給され、エネルギー発生素子１３によって吐出エネルギーを与えられ、吐出口１０から液滴として吐出する。

天板６は、側壁７に支持され圧力室８に面した第１の層２１と、第１の層２１に積層され吐出口１０を有する第２の層２２からなる２層の積層構造を有している。貫通孔９は第１の層２１と第２の層２２を貫通して直線状に延びている。すなわち第１の層２１は圧力室８に開口する第１の貫通孔９ａを有し、第２の層２２は吐出口１０を有する第２の貫通孔９ｂを有し、第１の貫通孔９ａと第２の貫通孔９ｂは直線状に連通して、一体の貫通孔９を形成している。

天板６は側壁７の互いに対向する部分、具体的には第１の側壁７ａと第２の側壁７ｂとの間で第１の部分２３と第２の部分２４とに分割されている。天板６は２つの吐出口列１１の間、好ましくは圧力室８を挟んで供給口１４と対向する領域で分割されている。より好ましくは、天板６は天板６の２つの側壁７ａ，７ｂからの距離がほぼ等しくなる位置、すなわち天板６の長辺方向中心線Ｌ１、またはこの近傍に沿って分割されている。

天板６は、短辺方向Ｓに互いに隣接し長辺方向Ｌの全長を延びる複数の間隙２５，２６のそれぞれによって厚さ方向Ｔに部分的に分割され、全ての複数の間隙２５，２６によって厚さ方向Ｔの全範囲で分割されている。すなわち、天板６の第１の層２１に第１の層２１を貫通する第１の間隙２５が、第２の層２２に第２の層２２を貫通する第２の間隙２６が設けられ、第１の間隙２５と第２の間隙２６が天板６の分離部２８ａを構成している。第１の間隙２５は天板６の長辺方向中心線Ｌ１より第２の側壁７ｂに近接した位置を、長辺方向Ｌの全長に渡って延びており、第２の間隙２６は天板６の長辺方向中心線Ｌ１より第１の側壁７ａに近接した位置を、長辺方向Ｌの全長に渡って延びている。第１の層２１と第２の層２２は密着しているため、第１の間隙２５と第２の間隙２６は連通していない。しかし、第１の層２１と第２の層２２は接着されていないため、相対移動、特に短辺方向Ｓへの相対移動が可能である。この密着部は、隣接する間隙２５，２６の間に位置し隣接する間隙２５，２６の間の液体の連通を遮断する遮断部２７ａを形成している。第１の間隙２５は圧力室８に面しているため供給口１４から圧力室８に供給される液体が侵入するが、遮断部２７ａによって液体の第２の間隙２６への侵入が防止される。このため、液体が第２の間隙２６を通って吐出口面１７に達することが防止される。

図２（ｄ）に示すように、本実施形態では側壁７は分割されていない。しかし、図２（ｅ）に示すように側壁７を分割することもできる。第１の間隙２５はさらに第３及び第４の側壁７ｃ，７ｄを、天板６との接続部から基板４との接続部まで厚さ方向Ｔに延びている。この結果、側壁７ｃ，７ｄも２つに分割され、従って吐出口形成部材５全体が２つに分割されている。

本実施形態では天板６は２層で構成され、それぞれの層に互いに連通しない間隙が設けられている。しかし、天板６は３層以上で構成されていてもよく、隣接する層の界面に、隣接する層の各々に設けられた間隙同士が連通しない遮断部が設けられていればよい。

次に、上述した天板６の分離構造の効果について説明する。図３は、天板が一体形成された素子基板の、図２と同様の図であり、同図（ａ），（ｂ）は図３（ａ），（ｂ）に対応している。吐出口形成部材５と基板４は図２（ａ），図３（ａ）に示すように、素子基板２の短辺方向Ｓの外力Ｆを受ける。外力Ｆは例えば、基板４や吐出口形成部材５の周囲に形成される封止材の膨張及び収縮によって発生する。基板４は供給口１４が開口しているため剛性が低く、外力Ｆに対して短辺方向Ｓに変形しやすい。これに対して吐出口形成部材５は大きな開口がないため剛性が高く、外力Ｆに対して短辺方向Ｓに変形しにくい。このため、吐出口形成部材５は基板４の変形に追従することができず、基板４との界面１９で短辺方向Ｓの剪断力を受ける。これによって吐出口形成部材５が変形し、基板４との界面１９で剥離が発生する。これに対し、本実施形態の素子基板２は長辺方向Ｌに延びる分離部２８ａを有している。天板６の第１の部分２３と第２の部分２４は分離部２８ａで相対移動可能であるため、基板４に追随して変形することができる。換言すれば、天板６は外力Ｆに対して基板４と同程度の変形性能を有するため、吐出口形成部材５と基板４の界面１９でひずみが生じにくくなる。その結果、吐出口形成部材５の基板４との界面１９で剥離が発生しにくくなる。図２（ｅ）に示す吐出口形成部材５全体が分割される構成では、この効果は特に高い。

天板６の第１の部分２３と第２の部分２４の短辺方向Ｓの相対移動可能量は、第１の間隙２５の短辺方向Ｓの幅ｗ１と第２の間隙２６の短辺方向Ｓの幅ｗ２のいずれか小さい方で決定される。一方、第１及び第２の間隙２５，２６の幅ｗ１，ｗ２が大きいと吐出口形成部材５の剛性が低下し、第１及び第２の間隙２５，２６を起点とする吐出口形成部材５の割れが生じる可能性がある。従って、第１及び第２の間隙２５，２６の短辺方向Ｓの幅ｗ１，ｗ２は５μｍ以上、５０μｍ以下であることが望ましい。また、第１及び第２の間隙２５，２６の幅ｗ１，ｗ２が互いに異なると、第１の間隙２５と第２の間隙２６の一方で第１の部分２３と第２の部分２４の接触が生じた後も他方では第１の部分２３と第２の部分２４の相対移動が生じる。その場合、接触の生じた部分を中心に天板６が面外方向に変形する可能性がある。このため、第１の層２１と第２の層２２の相対移動可能量を第１の間隙２５と第２の間隙２６で同じにすることが望ましく、第１の間隙２５の短辺方向Ｓの幅ｗ１と第２の間隙２６の短辺方向Ｓの幅ｗ２はほぼ同一であることが好ましい。同様の理由から、第１の間隙２５の深さｄ１と第２の間隙２６の深さｄ２もできるだけ同じであることが望ましく、第１の層２１の厚さｔ１とこれに隣接する第２の層２２の厚さｔ２は等しいことが好ましい。

遮断部２７ａは前述のとおり、第１の間隙２５と第２の間隙２６の間の液体の連通を防止し、液体が第１の間隙２５と第２の間隙２６を通って吐出口１０から漏洩することを防止する。このため、本実施形態では第１の間隙２５と第２の間隙２６の間に、第１の層２１と第２の層２２が密着した遮断部２７ａが形成されている。遮断部２７ａでは第１の層２１と第２の層２２が相対移動する際に摩擦力が生じるため、遮断部２７ａが長いと第１の層２１と第２の層２２が相互に拘束されやすくなる。従って、遮断部２７ａの短辺方向Ｓの長さｗ３、または隣接する間隙２５，２６の短辺方向Ｓの離隔距離ｗ３は、第１の間隙２５と第２の間隙２６の短辺方向Ｓの幅ｗ１，ｗ２の合計以下であることが望ましい。すなわちｗ３≦ｗ１＋ｗ２の関係を満たすことが好ましい。

次に、図４を参照して上述した吐出口形成部材５の製造方法を説明する。まず、図４（ａ）に示すように、基板４の上に側壁７となる樹脂層１０７を形成する。樹脂層１０７は感光性を有し、ドライフィルムによって基板４に貼り付けることができる。次に、図４（ｂ）に示すように、樹脂層１０７を露光し、側壁７となる部分の潜像パターン３１を形成する。次に、図４（ｃ）に示すように、潜像パターン３１が施された樹脂層１０７の上に第１の層の材料１２１を形成する。次に、図４（ｄ）に示すように、第１の層の材料１２１を露光し、貫通孔９ａと第１の間隙２５の潜像パターン３２を形成する。次に、図４（ｅ）に示すように、第１の層の材料１２１を現像し、貫通孔９ａと第１の間隙２５に相当する部分を、樹脂層１０７の側壁７となる部分の内側部と共に除去することで、図４（ｅ）に示す側壁７と第１の層２１を形成する。次に、図４（ｆ）に示すように、第２の層の材料１２２を第１の層２１の上に形成する。次に、図４（ｇ）に示すように、第２の層の材料１２２を露光し、第１の層２１と同様に貫通孔９ｂと第２の間隙２６の潜像パターン３３を形成する。次に、第２の層の材料１２２を現像し、貫通孔９ｂと第２の間隙２６に相当する部分を除去することで、図４（ｈ）に示す吐出口形成部材５が得られる。その後、基板４の供給口１４などを形成し、素子基板２が完成する。

（第２の実施形態）
図５を参照して、本発明の第２の実施形態を説明する。第２の実施形態は以下の記載を除いて第１の実施形態と同じである。図５（ａ），（ｂ）は図３（ｂ），（ｃ）に対応しており、それぞれ図２（ａ）のａ−ａ線に沿った断面図と天板の部分断面図を示している。本実施形態の天板６の分離部２８ｂは第１の間隙２５と第２の間隙２６によって構成されているが、第１の層２１と第２の層２２が密着しておらず分離している。すなわち、遮断部２７ｂは、隣接する層２１，２２の間の隣接する間隙２５，２６の間に位置しメニスカスが形成される空隙２７ｂによって形成されている。遮断部（空隙）２７ｂはメニスカスによって圧力室８の液体が吐出口１０に漏洩することを防止する。遮断部２７ｂにメニスカスが形成されるためには、遮断部２７ｂの断面積が貫通孔９の断面積の総和より小さいことが望ましい。例えば吐出口の開口面積が最大となる黒色インクを吐出する液体吐出ヘッドでは、吐出口の開口面積の総和の９０％以下となるように遮断部２７ｂの開口部面積（断面積）を設定する必要があり、空隙２７ｂの厚さ方向Ｔの寸法ｄ５は１μｍ以下であることが好ましい。遮断部２７ｂの短辺方向Ｓの幅ｗ６は、外力Ｆによって第１の部分２３と第２の部分２４が離れる方向に変形したときに第１の間隙２５と第２の間隙２６が連通しないように十分な長さを有する必要がある。遮断部２７ｂの短辺方向Ｓの幅ｗ６は、第１の実施形態と同様、１０μｍ〜５０μｍの範囲とすることが好ましい。また、遮断部２７ｂの短辺方向Ｓの幅ｗ６は、外力Ｆによって第１の部分２３と第２の部分２４が近づく方向に変形したときに吐出口形成部材５の変形が起こらないように設定される。具体的には、空隙２７ｂの短辺方向Ｓの幅ｗ６は、空隙２７ｂを短辺方向Ｓに挟んで互いに隣接する２つの間隙２５，２６のそれぞれの短辺方向Ｓの幅ｗ４，ｗ５以下であることが望ましい。すなわち、ｗ４≧ｗ６かつｗ５≧ｗ６であることが好ましい。これらの幅以下であると、吐出口形成部材５の剥離を抑制し、メニスカスを維持することができる。

分離部２８ｂは第１の実施形態と同様、吐出口形成部材５の長辺方向中心線Ｌ１またはこの近傍に沿って形成されることが好ましく、より詳しくは、分離部２８ｂは圧力室８を挟んで供給口１４と対向する領域に形成されることが好ましい。第１及び第２の間隙２５，２６の短辺方向Ｓの幅ｗ４，ｗ５は５μｍ以上、５０μｍ以下であることが望ましく、第１の間隙２５の短辺方向Ｓの幅ｗ４と第２の間隙２６の短辺方向Ｓの幅ｗ５はほぼ同一であることが好ましい。隣接する第１の層２１と第２の層２２は、空隙２７ｂを挟んだ位置で同じ厚さｄ３，ｄ４を有していることが好ましい。

次に、図６を参照して上述した吐出口形成部材５の製造方法を説明する。まず、図６（ａ）に示すように、基板４の上に感光性を有する型材材料１２９を塗布し、その後露光、現像を行い圧力室８となる型材２９を形成する。次に、図６（ｂ）に示すように、側壁７と第１の層２１となる樹脂層１０７を塗布する。次に、図６（ｃ）に示すように、側壁７と第１の層２１となる樹脂層１０７を露光し現像することによりパターニングを行う。次に、図６（ｄ）に示すように、遮断部２７ｂを形成するための犠牲部３０を形成する。犠牲部３０は、薄く形成可能でかつ除去が容易であれば任意の材料を選択することが可能であり、例えばアルミニウムなどの金属膜、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）、レジストなどが利用できる。犠牲部３０となる薄膜を形成し、その後レジストでパターニングし、不要な部分をエッチングで除去することで、所望の位置に犠牲部３０を形成する。次に、図６（ｅ）に示すように、第２の層の材料１２２を第１の層２１の上に形成する。次に、図６（ｆ）に示すように、第２の層の材料１２２をパターニングし第２の層２２を形成する。次に、図６（ｇ）に示すように、犠牲部３０をエッチング液で選択的に除去し、更に型材２９を除去することで図６（ｈ）に示す素子基板２が得られる。その後、基板４の供給口１４などを形成し、素子基板２が完成する。

２ 素子基板
４ 基板
５ 吐出口形成部材
６ 天板
７ 側壁
８ 圧力室
１０ 吐出口

Claims (15)

1. 液体の供給口を備えた基板と、前記基板上に位置する吐出口形成部材と、を有し、前記吐出口形成部材は、液体を吐出する吐出口を備えた天板と、前記天板の周縁に沿って延び前記天板を前記基板に連結する側壁と、を有し、前記基板と前記天板と前記側壁は、前記供給口と連通し前記液体を前記供給口から前記吐出口に供給する圧力室を形成し、前記天板は前記側壁の互いに対向する部分の間で分割されている、ことを特徴とする液体吐出ヘッドの素子基板。
2. 前記天板は、それぞれが複数の前記吐出口からなり互いに平行に延びる２つの吐出口列を有し、前記天板は前記２つの吐出口列の間で分割されている、請求項１に記載の素子基板。
3. 前記天板は、短辺方向に互いに隣接し長辺方向の全長を延びる複数の間隙のそれぞれによって厚さ方向に部分的に分割され、全ての前記複数の間隙によって前記厚さ方向の全範囲で分割されている、請求項１または２に記載の素子基板。
4. 前記複数の間隙は前記短辺方向に５μｍ以上、５０μｍ以下の幅を有している、請求項３に記載の素子基板。
5. 前記複数の間隙は前記短辺方向に同じ幅を有している、請求項３または４に記載の素子基板。
6. 隣接する前記間隙の間に、前記隣接する間隙の間の前記液体の連通を遮断する遮断部が形成されている、請求項３から５のいずれか１に記載の素子基板。
7. 前記天板は複数の層からなり、前記複数の間隙の各々は前記複数の層の各々を貫通し、前記遮断部は前記複数の層が互いに密着することによって形成されている、請求項６に記載の素子基板。
8. 隣接する前記層は同じ厚さを有している、請求項７に記載の素子基板。
9. 隣接する前記遮断部の前記短辺方向の離隔距離は、前記遮断部を前記短辺方向に挟んで互いに隣接する２つの前記間隙の前記短辺方向の幅の合計以下である、請求項７または８に記載の素子基板。
10. 前記天板は複数の層からなり、前記複数の間隙の各々は前記複数の層の各々を貫通し、前記遮断部は、隣接する前記層の間の隣接する前記間隙の間に位置しメニスカスが形成される空隙によって形成されている、請求項６に記載の素子基板。
11. 前記空隙の前記厚さ方向の幅の寸法は１μｍ以下である、請求項１０に記載の素子基板。
12. 前記空隙の前記短辺方向の幅の寸法は、前記遮断部を前記短辺方向に挟んで互いに隣接する２つの前記間隙のそれぞれの前記短辺方向の幅以下である、請求項１０または１１に記載の素子基板。
13. 隣接する前記層は、前記厚さ方向に前記空隙を挟んだ位置で同じ厚さを有している、請求項１０から１２のいずれか１項に記載の素子基板。
14. 前記側壁は分割されていない、請求項１から１３のいずれか１項に記載の素子基板。
15. 前記側壁は前記天板とともに分割されている、請求項１から１３のいずれか１項に記載の素子基板。

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