JP6579780B2 - 液体吐出ヘッドおよび支持部材 - Google Patents

Description

本発明は、液体を吐出する液体吐出ヘッドおよび支持部材に関する。

液体吐出装置に用いられる液体吐出ヘッドは、記録媒体に対して液体（インク）を吐出することで記録を行う。液体吐出ヘッドは、インクを吐出する記録素子基板、記録素子基板を支持する支持部材、支持部材にインクをインクタンクから導くための筺体、筺体と一体的に流路を形成する流路プレートとから主に構成される。記録素子基板には、インクに熱を与え吐出させるために発熱抵抗素子が配置され、記録データに応じて発熱抵抗素子には選択的に電気が印加される。そのため、記録中には、発熱抵抗素子の熱により記録素子基板の温度が上昇し、それが画像に悪影響を及ぼすことがある。それを解決するために従来技術では、記録中の記録素子基板の温度上昇を低減するために、支持部材の材料には放熱性の高いアルミナを使用してきた（特許文献１）。

特開２０１０−４６８５３号公報

しかしながら、近年ビジネス用に改良されたインクなど従来使用してきたインクの弱点であった耐水性や耐マーカー性を克服したインクが開発されるようになってきた。それに伴い、インクの粘度は高粘度してきている。高粘度インクを吐出させるには、通常、インクを温め、低粘度化させる必要があるが、アルミナを使用した支持部材では温めたインクが冷えやすいなど、インクの温度を吐出前に事前に短時間で安定させることが困難であった。すなわち、支持部材に従来のアルミナを使用した液体吐出ヘッドでは、選択可能なインクが制限されていた。

そこで、支持部材の材料を従来のアルミナに比較して熱伝導性の低い樹脂に変更することで、記録素子基板の保温性能を高めることが考えられる。しかし、従来の支持部材の形状をそのまま適用して樹脂化した場合、記録素子基板を接着、固定する工程で樹脂の膨張、収縮により記録素子基板の割れが発生した。

よって本発明は、樹脂材料で形成され、膨張、収縮により搭載される記録素子基板への影響を抑制した支持部材、および支持部材を備える液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

そのため本発明の液体吐出ヘッドは、吐出口から液体を吐出可能な記録素子基板と、該記録素子基板が接着される接着部を備え、前記記録素子基板を支持する板状の樹脂部材からなる支持部材と、前記支持部材が接合される筐体と、を備えた液体吐出ヘッドにおいて、前記支持部材は、前記記録素子基板が接着される底面を備える凹部と、前記凹部が設けられる面の裏面に、前記支持部材の外周に沿って設けられる第１のリブ、及び前記凹部と前記第１のリブとの間の領域に設けられる肉抜き部とを備え、前記第１のリブの厚みをｔ１、前記接着部の厚みをｔ２、前記肉抜き部の厚みをｔ３とした場合、ｔ１＞ｔ２＞ｔ３の関係を満たすことを特徴とする。

本発明の液体吐出ヘッドによれば、電流が大きい太いリードと電流が小さい細いリードが混在する電気配線基板と記録素子基板とのボンディングにおける安定性と、ボンディング時間の短縮を両立することができる。

液体吐出ヘッドを示した図である。 液体吐出ヘッドの支持部材を示した図である。 本発明における課題を説明するための図である。 従来の支持部材と本実施形態の支持部材とを示した図である。 従来の支持部材と本実施形態の支持部材とを示した図である。 支持部材を示した図である。 支持部材を示した図である。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。
図１（ａ）は、本発明の液体吐出ヘッドを適用可能な液体吐出ヘッド１を示した図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩＢ―ＩＢにおける断面図である。液体吐出ヘッド１は、液体吐出基板としての二つの記録素子基板１１Ａ、１１Ｂ、支持部材１２、電気配線部材１４、電気コンタクト基板１５（電気配線基板）、筐体２１、流路形成部材２２、ジョイント部材（不図示）等から構成されている。記録素子基板１１Ａは、厚さ０．７２５ｍｍのＳｉ基板に、インク流路である長溝状の貫通口である第一のインク供給口１１０が６列形成されている。

インク供給口１１０を挟んだ両側には、電気熱変換素子がそれぞれ１列ずつ並べて配置されて形成されており、さらに電気熱変換素子に電力を供給するＡｌなどからなる電気配線が形成されている。これら電気熱変換素子と電気配線とは成膜技術により形成されている。記録素子基板１１Ｂは、記録素子基板１１Ａと平行に離間して設けられている。材料は記録素子基板１１Ａと同様に０．７２５ｍｍのＳｉ基板であり、その上にインク流路である長溝状の貫通口である第一のインク供給口が１列形成されている。

各記録素子基板における電気熱変換素子は、各列でインク流路を挟んで千鳥状に配列されている。すなわち各列の吐出口１６の位置が、その並び列方向に直交する方向で重ならないようにずれて配置されている。さらに、この電気熱変換素子と接続された電気配線に電力を供給するための電極部が電気熱変換素子の両外側の側辺に沿って配列して形成されている。そしてＳｉ基板上で電極部等が形成された面上には、電気熱変換素子に対応したインク流路を形成するインク流路壁とその上方を覆う天井部とを有している。

その天井部は吐出口１６が開口しており、樹脂材料からなる構造体がフォトリソ技術によって形成されている。吐出口１６は、記録素子基板１１の吐出口が設けられた面に、電気熱変換素子に対向して設けられており、吐出口列を形成している。インク流路から供給されたインクは各電気熱変換素子の発熱することで発生した気泡の圧力によって、各電気熱変換素子に対向する吐出口１６から吐出される。

電気配線部材１４は、記録素子基板１１に対してインクを吐出する（吐出可能とする）ための電気信号を印加する電気信号経路を形成するものである。電気配線部材１４には、それぞれの記録素子基板１１に対応して開口部が形成されている。この開口部の縁付近には、それぞれの記録素子基板１１の電極部に接続される電極端子が形成されている。電気配線部材の端部には、電気信号を受け取るための外部信号入力端子を有する電気コンタクト基板１５と電気的接続を行うための電気端子接続部が形成されており、電極端子と電気端子接続部は連続した銅箔の配線パターンでつながっている。

電気配線部材１４と記録素子基板１１との電気的な接続は、例えば、記録素子基板１の電極部と電気配線部材１４の電極端子とを熱超音波圧着法により接合することにより行われている。そして、記録素子基板１１と電気配線部材１４との電気接続部分は、第１の封止剤と第２の封止剤とによって封止されており、これによって電気接続部分がインクによる腐食や外的衝撃から保護されている。第１の封止剤は、主に電気配線部材１４の電極端子と記録素子基板１１の電極部との接続部の裏側からの封止と記録素子基板の外周部分の封止とに用いられており、第２の封止剤は、接続部の表側からの封止に用いられている。

電気配線部材１４の端部には、電気コンタクト基板１５が異方性導電フィルムを用いて熱圧着して電気的に接続されている。電気コンタクト基板１５には、位置決め用の端子位置決め穴と、固定用の端子結合穴とが形成されている。ジョイント部材は、圧縮永久ひずみが小さいゴム材料で作られており、これを支持部材１２と流路形成部材２２との間に挟んで圧接させることで、インク供給口とインク導入口との連通部で、インクリークが発生する恐れを低減することができる。

（特徴構成）
図２（ａ）から図２（ｅ）は、本実施形態の液体吐出ヘッドの板状の支持基板である支持部材１２を示した図である。図２（ａ）は、支持部材１２の表面を示した斜視図であり、図２（ｂ）は裏面を示した斜視図である。図２（ｃ）は、支持部材１２の正面図であり、図２（ｄ）は図２（ｃ）のＩＩＤ―ＩＩＤにおける断面図、図２（ｅ）は、図２（ｄ）のβ部の拡大図である。記録素子基板１１（１１Ａ、１１Ｂ）が接着され支持する支持部材１２は、樹脂材料から成り、射出成形により所望の形状に成形される。使用する樹脂材料は、記録素子基板１１の材料であるＳiと線膨張差が極力小さい材料であることが望ましい。ここでは、ＰＰＳ／ＰＰＥの変性ＰＰＥ樹脂を使用し、線膨張率を低減するために必要に応じてフィラーを混ぜている。

支持部材１２には、記録素子基板１１にインクを導くための複数の第二のインク供給口１０２が形成され、支持部材１２と記録素子基板１１とは、互いのインク供給口（インク供給口１１０と第二のインク供給口１０２と）が連通するように精度よく接着固定される。こうすることで、第二のインク供給口１０２からインク供給口１１０へインクを供給可能となる。接着に用いられる接着材１７は、低粘度で硬化温度が低く、短時間で硬化し、かつ、耐インク性のあるものが望ましい。本実施形態では、接着材１７としては、エポキシ樹脂を主成分とした熱硬化接着材を用い、接着層の厚みは８５μｍとした。

図３（ａ）、図３（ｂ）は、本発明における課題を説明するための比較例としての図であり、各図における支持部材５２は樹脂材料から形成されている。図３（ａ）は厚さｔ１の支持部材５２を示しており、図３（ｂ）は、厚さｔ１よりも薄い厚さｔ２の支持部材５３を示した図である。また図３（ｃ）は支持部材が収縮に伴い記録素子基板が変形する様子を示した図である。図３（ａ）における支持部材５２は、板厚ｔ１を記録素子基板の板厚ｔｓに対して十分厚くしている。このような板厚ｔ１の支持部材５２と記録素子基板１１とを接着するにあたり、熱をかけ熱硬化型の接着材を固めて常温に戻す。その際、支持部材５２の線膨張率が記録素子基板１１の線膨張率よりも大きいために、支持部材５２が大きく収縮することで、記録素子基板１１には張力がかかり、記録素子基板１１に直線状に並列して設けられる各供給口は図３（ｃ）に示す破線のように大きく内側に反る。そのため各供給口には引張応力がかかる。この傾向は記録素子基板１１の中心から外側にいくほど顕著であり、特に最外列に位置する４箇所の角部Ｐにかかる応力はその他列に比べ大きくなる。そして、供給口の角部Ｐにかかる引張応力がＳｉ材料の許容量を超えると、そこを起点としてクラックが入る場合がある。

一方、図３（ｂ）に示すように支持部材５３のように板厚を記録素子基板１１の板厚ｔｓと略同等程度の薄肉である板厚ｔ２にした場合も、熱硬化性の接着剤に熱をかけ接着固定後、常温に戻した際に、支持部材５３は変形する。しかしながら図３（ａ）に比べて支持部材５３の厚みが薄く支持部材５３自体の面の強度が比較的弱いため、図３（ａ）とは変形の様子が異なる。具体的には、支持部材５３の記録素子基板側の面は接着材により固定されているので、その裏面よりも収縮が少なく、支持部材５３には、図３（ｂ）の破線で示したように記録素子基板側に凸となる変形が生じる。このような変形が生じると、搭載される記録素子基板との密着性や、記録素子基板に対して回復を行うためにキャッピングを行う際にキャップ部材のシール性が悪化する等の影響がある。

そこで、本実施形態の液体吐出ヘッド１における支持部材１２は、図２（ｄ）に示すように、支持部材１２の板厚は、接着部の板厚ｔ２と、その他主面の板厚ｔ１とで、異なっている。具体的には、支持部材１２の、記録素子基板１１を接着するための接着剤が塗布されている領域に対応する接着部の板厚ｔ２は、その他主面の板厚ｔ１よりも薄くする構成としている。その際、接着部とその他主面とで形成される段差部（凹部）は記録素子基板１１の接着面側に設けている。そして、（凹部の底面に）記録素子基板１１を接着した際に、記録素子基板１１の（凹部の底面側と反対の）吐出口面側が支持部材１２と略同一か飛び出さない構成にし、液体吐出ヘッド１が落下した際の記録素子基板１１の破損を抑制している。

図４（ａ）から図４（ｄ）、図５（ａ）から図５（ｂ）は、本発明の効果を説明するための図であり、図４（ａ）、図４（ｃ）、図５（ａ）は比較例としての図、図４（ｂ）、図４（ｄ）、図５（ｂ）は本実施形態の図を示す。図４（ｂ）のように支持部材１２における接着部の板厚ｔ２をその周囲の板厚ｔ１よりも薄くしてｔ２部の樹脂の体積を減らすことでｔ２部の樹脂が発生する応力も減るので、熱の硬化収縮により支持部材１２が収縮する力が弱まり、各供給口にかかる引張応力を低減することができる。

図４（ｃ）の比較例と、図４（ｄ）の本実施形態の支持部材１２とを比較して分かるように、インク供給口にかかる引張応力が低減しているのが分かる。このように、支持部材１２のインク供給口が内側へと反る量も低減することができ、その結果、インク供給口の角部Ｐでの亀裂の発生を抑制することができた。

また、図５（ｂ）に示すように接着部以外の主面は、接着部の板厚よりも厚く構成されているので、一様に薄い比較例（図５（ａ））の場合に比べて、支持部材１２の断面二次モーメントが高まり、接着材の硬化収縮で発生する曲げに対する剛性が高まる。すなわち、図５（ｂ）の破線で示したように、支持部材１２の変形（反り）を少なくし、反りによって記録素子基板の短手方向かかる引張応力を低減することができる。

このように、支持部材１２の接着部の板厚をその他主面の板厚よりも薄い構成とすることで、記録素子基板１１の破損の回避と支持部材１２の変形抑制とを両立する液体吐出ヘッドおよび支持部材を実現することができた。

（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。なお、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のみ説明する。

射出成形で支持部材１２を製造する場合、接着部以外の主面の板厚を全面的に厚くすると、射出成型における硬化時の樹脂の中心部と表面部との温度差によるボイドや局所的な樹脂のヒケ、成形後に残る残留応力による全体的な変形などが生じることがある。そこで、ヒケや変形を抑制するために、支持部材１２の樹脂の体積を減らした上で、支持部材の全体の厚さを均一にすることが望ましい。

図６（ａ）から図６（ｄ）は、本実施形態の支持部材６２を示した図である。図６（ａ）は表面、図６（ｂ）は裏面の斜視図であり、図６（ｃ）は正面図、図６（ｄ）は、図６（ｃ）のＶＩＤ−ＶＩＤにおける断面図である。本実施形態では、図６（ｂ）に示すように、支持部材６２の裏面には、肉抜き部１２１が設けられている。肉抜き部１２１は、支持部材６２の外縁部が連続的につながる、肉抜き部の厚みより厚い第一のリブ１２２を残し、かつその他の肉厚が略均一になるように形成するのが好ましい。本実施形態の肉抜き部１２１の厚さは、接着部６３の板厚ｔ２の厚さおよび第一のリブ１２２の厚さｔ１よりも薄い厚さｔ３としている。

すなわち、本実施形態の支持部材６２は、外縁部の板厚ｔ１、接着部の板厚ｔ２、肉抜き部の板厚ｔ３の３種類の板厚を備え、各部位の厚みは、ｔ１＞ｔ２＞ｔ３の関係となっている。これにより、支持部材６２の外周に沿って設けられる第一のリブ１２２で支持部材全体の剛性、面強度を確保しつつ、接着部の板厚ｔ２によって記録素子基板１１にかかる引張応力も緩和し、肉抜き部により成形性を向上することができます。

このように、本実施形態では支持部材６２に肉抜き部１２１を設けて、樹脂の体積を減らすことで、ボイドおよび樹脂のヒケや、変形等の成形上のトラブルを回避することができた。また、接着部６３の板厚ｔ２は、外縁部の板厚ｔ１よりも薄くする構成としているので、記録素子基板１１の破損の回避と支持部材６２の変形抑制とを両立する液体吐出ヘッドおよび支持部材を実現することができた。

（第３の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第３の実施形態を説明する。なお、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のみ説明する。

図７（ａ）から図７（ｃ）は、本発明を適用する第３の実施形態を示す図である。図７（ａ）は、支持部材７２を筺体２１にビス３１にて接合した状態を示すヘッドの斜視図である。図７（ｂ）は、支持部材７２の表面の斜視図、図７（ｃ）は、裏面の斜視図であり、図７（ｄ）は、支持部材７２の正面図、図７（ｅ）は、図７（ｄ）のＶＩＩＥ―ＶＩＩＥにおける断面図である。図７（ｂ）に示すように、支持部材７２には、ビス締結用の（ビスが挿入される）貫通穴１２３を、記録素子基板１１Ａと外縁部との間に１個、記録素子基板１１Ｂと外縁部との間に１個の合計２個設けている。このビス締結部にはビス締め付けによる比較的大きな応力が加わるため、支持部材７２の剛性低下が懸念される。そこで、本実施形態では、図７（ｃ）に示すように、貫通穴の外周部と外縁部の第一のリブ１２２と橋渡しする第二のリブ１２４が配置されている。この第二のリブ１２４が梁として機能することにより支持部材７２の面強度を向上させつことができる。

このように、貫通穴に向かうリブを設けることで、ビス締め用に設けた貫通穴による強度低下を抑えることができた。また、接着部の板厚ｔ２は、外縁部の板厚ｔ１よりも薄くする構成としているので、記録素子基板１１の破損の回避と支持部材７２の変形抑制とを両立する液体吐出ヘッドおよび支持部材を実現することができた。尚、本発明においては本実施形態のビスによる締結に限らず、支持部材７２と液体吐出ヘッドの筐体２１とを接着剤や溶着等の各種手法で固定する形態も含むものである。

１ 液体吐出ヘッド
１１ 記録素子基板
１２ 支持部材
５２ 支持部材
５３ 支持部材
６２ 支持部材
７２ 支持部材

Claims (6)

1. 吐出口から液体を吐出可能な記録素子基板と、該記録素子基板が接着される接着部を備え、前記記録素子基板を支持する板状の樹脂部材からなる支持部材と、前記支持部材が接合される筐体と、を備えた液体吐出ヘッドにおいて、
   前記支持部材は、前記記録素子基板が接着される底面を備える凹部と、前記凹部が設けられる面の裏面に、前記支持部材の外周に沿って設けられる第１のリブ、及び前記凹部と前記第１のリブとの間の領域に設けられる肉抜き部とを備え、前記第１のリブの厚みをｔ１、前記接着部の厚みをｔ２、前記肉抜き部の厚みをｔ３とした場合、ｔ１＞ｔ２＞ｔ３の関係を満たすことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記接着部には、前記記録素子基板に液体を供給可能な供給口が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記支持部材の前記接着部は、複数の前記供給口を備えた第１の接着部と、１つの前記供給口を備えた第２の接着部と、を含むことを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記肉抜き部に貫通穴が設けられ、前記第１のリブから前記貫通穴に向かって延びる第２のリブが設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記樹脂部材は、変性ＰＰＥ樹脂であ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１項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記貫通穴には前記支持部材と前記筐体とを固定するためのビスが設けられていることを特徴とする請求項４に記載の液体吐出ヘッド。