JP7297416B2

JP7297416B2 - 液体吐出ヘッドおよび液体吐出ヘッドの製造方法

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Publication number: JP7297416B2
Application number: JP2018168178A
Authority: JP
Inventors: 雄介橋本; 貴信真鍋; 謙児藤井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2018-09-07
Filing date: 2018-09-07
Publication date: 2023-06-26
Anticipated expiration: 2038-09-07
Also published as: US20200079083A1; US11110706B2; JP2020040248A; EP3620304A1; CN110884257B; EP3620304B1; CN110884257A

Description

本発明は、供給口から供給された液体を吐出する吐出口を備えた液体吐出ヘッドおよびその液体吐出ヘッドの製造方法に関する。

液体吐出ヘッドに用いられる基板には、液体を吐出する吐出口とその吐出口に液体を供給する貫通孔である供給口とが形成されている。供給口が形成される部分はシリコン基板で形成されている。近年、装置のコストダウンのために基板を小型化することが求められている。

特許文献１にはインクジェット用の記録ヘッドの製造方法として、貫通孔であるインク供給口の開口径のばらつきを防ぐため、基板材料に対して選択的にエッチングが可能な犠牲層を用いてインク供給口を所定寸法に形成可能な方法が記載されている。

特開平１０－１８１０３２号公報

しかし、基板を小型化すると、シリコン基板の供給口の周囲の壁の厚さが薄くなり、シリコン基板の剛性が低下してしまう。例えば、シリコン基板は、樹脂で形成された支持部材と接合されるが、シリコン基板と支持部材との接合時に掛かる応力により、供給口の開口端コーナー部で割れが生じることがある。割れが生じた場合、所望の吐出を行うことができなくなる虞がある。

よって本発明は、基板における割れの発生を抑制した信頼性の高い液体吐出ヘッドおよび液体吐出ヘッドの製造方法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、液体を吐出可能な複数の吐出口が列を成した吐出口列と、複数の前記吐出口と連通し、前記吐出口が設けられた表面と反対の裏面に開口する供給口と、有した基板を備えた液体吐出ヘッドにおいて、前記供給口は、前記吐出口列に沿って設けられており、前記供給口の前記吐出口列の列方向における端部の少なくとも一方の、前記列方向と交差する幅方向の開口幅は、前記供給口の前記列方向における中央部の、前記幅方向の開口幅よりも狭い幅を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、基板における割れの発生を抑制した信頼性の高い液体吐出ヘッドおよび液体吐出ヘッドの製造方法を実現することができる。

液体吐出ヘッドを示した斜視図である。記録素子基板を示した斜視図である。記録素子基板の断面を示した図である。記録素子基板の表面と裏面とを示した図である。記録素子基板の製造工程を示した図である。液体吐出ヘッドを示した概略斜視図である。記録素子基板の裏面を示した図である。記録素子基板の裏面を示した図である。記録素子基板の裏面を示した図である。

（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は、本実施形態を適用可能な液体吐出ヘッド１を示した斜視図である。液体吐出ヘッド１は、記録素子基板２と電気配線基板３と支持部材４とを備えている。記録素子基板２は支持部材４に支持され、電気配線基板３と接続されている。

図２は、記録素子基板２を示した斜視図である。記録素子基板２は、シリコン基板１１と吐出口形成部材１６とを備えている。吐出口形成部材１６には、液体を吐出可能な複数の吐出口１９と各吐出口に対応した流路とが形成されている。吐出口１９は列を成して設けられている。シリコン基板１１はシリコンで形成された基板であり、シリコン基板１１には供給口１８が設けられており、記録素子基板２の吐出口１９が設けられた表面と反対の裏面に開口する貫通孔である供給口１８が設けられている。供給口１８は、エッチングによって形成され吐出口形成部材１６の流路と連通する。また、シリコン基板１１には、吐出口形成部材１６の流路と対応してエネルギー発生素子１２が形成されている。エネルギー発生素子１２は、吐出口１９と対向する位置に設けられている。エネルギー発生素子１２は列を成して設けられており、供給口１８を挟んで２列設けられている。供給口１８は、面方位が（１００）の単結晶シリコンのシリコン基板１１をエッチングすることで形成された貫通孔である。

記録素子基板２は、吐出口面１０１と、吐出口面１０１と反対の面である裏面１０２と、吐出口面１０１の側部に設けられる４つの側面２１ａおよび２１ｂと、を有している。側面２１ａは、記録素子基板２の短辺側の側面を形成し、側面２１ｂは、記録素子基板２の長辺側の側面を形成している。シリコン基板１１と吐出口形成部材１６との接合面の少なくとも１辺（本実施形態では２辺）に沿って、後述するリード端子群２４と電気接続され駆動信号と駆動電力を受け取るための接続端子群２０が形成されている。接続端子群２０に入力された駆動信号によってエネルギー発生素子１２が駆動する。液体吐出ヘッド１は、供給口１８を介して流路内に充填されたインク（液体）に、エネルギー発生素子１２が発生する圧力を加えることによって、吐出口１９から液滴を吐出させて記録媒体に付着させて記録を行う。

図３（ａ）は、図２の記録素子基板２のＶｂ２ｅ２－Ｖｂ２ｅ２における断面を示した図であり、図３（ｂ）は、図２の記録素子基板２のＶｂ１ｅ１－Ｖｂ１ｅ１における断面を示した図である。記録素子基板２が備える供給口１８は、図３（ａ）のように、記録素子基板２の裏面１０２の中央部では（吐出口列の列方向と交差する方向の幅方向の）開口幅が広く、図３（ｂ）のように、供給口１８の両端部では、開口幅が狭く形成されている。つまり、記録素子基板２の裏面１０２では、中央部よりも端部の方が、供給口１８の両側の壁が厚くなっている。なお、供給口１８の少なくとも一方の端部が、中央部よりも狭い幅を備えていてもよい。

図４は、シリコン基板１１の表面と裏面とを示した図である。図４（ａ）は、シリコン基板１１の表面を示した図であり、供給口１８の開口は、シリコン基板１１の長手方向（吐出口列の列方向、ここでは上下の方向）に亘り同一の開口幅を備えている。同一の開口幅とは、製造誤差による違いは含めずに同じ開口幅であるという意味であり、具体的には基準の開口幅をＸとするとＸに対して９５％以上１０５％の範囲にある開口幅が、基準の開口幅に対して同一の開口幅となる。図４（ｂ）は、シリコン基板１１の裏面を示した図であり、供給口１８の開口は、シリコン基板１１の長手方向の中央部では、開口幅が広く、長手方向の両端部では開口幅が狭くなっている。このように供給口１８は、シリコン基板１１の表面と裏面とで開口形状が異なっている。

ここで、シリコン基板１１に形成された供給口１８の、長手方向と交差する方向の幅寸法であり、かつ供給口１８の長手方向における中央部の幅寸法を、Ｘ１とする。また、吐出口列端部近傍に形成され、供給口１８の長手方向における中央部より狭い開口の幅寸法をＸ２とする。このとき、Ｘ２≦Ｘ１×１／２の関係を満たすことで、吐出精度を低下させることなく、開口端コーナー部割れを抑制することができる。

また、シリコン基板１１に形成された供給口１８の長手方向の寸法をＹ１とする。また、吐出口列端部近傍に形成され、供給口１８の長手方向における中央部の幅より狭い幅の開口の長手方向の寸法をＹ２とする。このとき、Ｙ２≦Ｙ１×１／１０とすることで、吐出精度を低下させることなく、開口端コーナー部における割れを抑制することができる。例えば、Ｙ２の寸法は０．５ｍｍ以下とすることが好ましい。

図５は、記録素子基板２の製造工程を示した図である。以下、工程順に記録素子基板２の製造方法を説明する。まず、図５（ａ）のように、母材として主面が［１００］面であり、エネルギー発生素子１２を有している面として、表面にあらかじめ成膜されパターニングにより不要部分が除去されているメンブレン膜１３があるシリコン基板１１を用意する。なお、メンブレン膜１３はパターニングが可能なものであれば、特に材質は限定されるものではない。

図５（ｂ－１）～（ｅ－１）は、図２のＶｂ１ｅ１－Ｖｂ１ｅ１に相当する位置における断面図であり、図５（ｂ－２）～（ｅ－２）は、図２のＶｂ２ｅ２－Ｖｂ２ｅ２に相当する位置における断面図である。図５の（ａ）で示されたシリコン基板１１の表面に、樹脂をスピンコート法、ダイレクトコート法やスプレー法等により塗布して、表面の密着層となる保護層１４の所望のパターンを形成する。なお、パターン形成方法としては、レジストを塗布して、露光及び現像することによりレジストパターンを形成し、レジストをマスクとして保護層１４をエッチングすることで行ってもよいし、感光性の材料を用いて直接パターニングを行ってもよい。

また、シリコン基板１１の裏面に、保護層１４をパターニングして、吐出口列端部近傍に中央部より狭い開口幅のエッチングパターンを形成する。エッチングパターンを形成する方法としては、保護層１４を用いずに、裏面に直接レーザ光照射やドリル加工により異なる幅の開口のエッチングパターンを形成してもよい。続いて、シリコン基板１１に先導孔１７を形成する。先導孔１７を形成する手段としては、レーザ光照射、ドリル等を用いることができる。また、加工はシリコン基板１１の表面から行ってもよいし、裏面から行ってもよい。先導孔１７は、貫通孔でも未貫通孔でもよい。また、表面のメンブレン膜１３や保護層１４の損傷を防ぐことを目的として、表面を環化ゴムやテープ等により保護した後に先導孔１７の加工を行ってもよい。

その後、図５（ｃ－１）、（ｃ－２）に示すように、シリコン基板１１にエッチング処理を行うことによって、シリコン基板１１に、吐出口列端部近傍に中央部より狭い開口の貫通孔を形成する。シリコン基板１１のエッチングは、所望のアルカリ性を示す液を使用したウェットエッチングでもよいし、所望の比率からなるガスを使用したドライエッチングでもよい。なお、エッチング処理は、シリコン基板１１の表面を環化ゴムやテープ等により保護して処理してもよい。

次に、図５（ｄ－１）、（ｄ－２）に示すように、感光性樹脂による樹脂層１５を形成する。この方法としては、供給口１８内に穴埋め材を充てんしてから、スピンコート法、ダイレクトコート法やスプレー法等により塗布してもよいし、樹脂層１５をフィルム化してから貼りつけてもよい。その後、露光及び現像することによって、樹脂層１５に所望の流路パターンを形成する。

その後、図５（ｅ－１）、（ｅ－２）に示すように、樹脂層１５上に吐出口形成部材１６となる被覆樹脂をスピンコート法、ダイレクトコート法やスプレー法等により塗布する。その後、吐出口１９に相当する部分を露光及び現像して除去することにより、吐出口１９を有する吐出口形成部材１６を形成する。続いて、裏面に形成した保護層１４はドライエッチングによる除去を行う。更に、穴埋め材を使用した場合は、それを除去した後に、樹脂層１５および吐出口形成部材１６が形成されたシリコン基板１１を樹脂層１５が溶解する溶剤に浸漬させて、樹脂層１５のシリコン基板１１からの除去を行う。これによって、吐出口１９および供給口１８とこれらを連通する流路（供給路）を備えたシリコン基板１１が得られる。そして、このシリコン基板１１をレーザーソータやダイシングソータ等によって切断分離することにより記録素子基板２が得られる。

図６は、本実施形態の液体吐出ヘッド１を示した概略斜視図である。図６（ａ）は液体吐出ヘッド１の分解斜視図であり、図６（ｂ）は斜視図である。支持部材４には、凹部が形成されており、その凹部に記録素子基板２の供給口と対応する流路２６が設けられている。電気配線基板３は、支持部材４の凹部が形成された面上に、記録素子基板２にインクを供給するための電気信号を印加する目的で設けられている。電気配線基板３は、記録素子基板２を組み込むためのデバイスホール２３を有し、デバイスホール２３の２辺に記録素子基板２の接続端子群２０に対応したリード端子群２４が形成されている。リード端子群２４は、吐出口面１０１の２辺に沿って形成された接続端子群２０とともに、電気接続部（不図示）を形成している。電気配線基板３は、インクジェット記録装置から駆動信号と駆動電力を受け取る外部信号入力端子２５を有している。

支持部材４の形成方法としては、樹脂材料やアルミナ材料により形成してもよいし、粉末材料を焼結して形成してもよい。なお、樹脂材料をモールド成形する場合は、形状的剛性を向上させるためにガラス等からなるフィラーを混入した樹脂材料を使用してもよい。支持部材４を構成する材料は、変性ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）などの樹脂材料、あるいはＡｌ₂Ｏ₃に代表されるセラミック材料等を幅広く用いることができる。この支持部材４は、記録液を供給するための記録液供給路を有し、２つ以上の記録液を有する場合は、各記録液が混色しないように隔壁が形成されていることが好ましい。

次に、支持部材４の凹部に、流路２６の開口周囲に沿って接着剤２７を塗布し、記録素子基板２を支持部材４に接合する。接着剤２７の塗布方法は、転写ピンによる転写であってもよいし、ディスペンサによる描画塗布であってもよい。これによって、支持部材４の流路２６と記録素子基板２の供給口１８とが連通する。記録素子基板２を支持部材４に接合する際は、接着剤２７を塗布した後、接着剤２７を記録素子基板２の裏面１０２で押し付けることが好ましい。その後、電気配線基板３を支持部材４の主平面に接着剤（不図示）を用いて接合する。これらの接合工程で用いられる接着剤は、耐インク性の良好なものが好ましく、例えば、エポキシ樹脂を主成分とした熱硬化性接着剤を使用することができる。

次に、記録素子基板２の側面２１ａと凹部の側壁との間の空間を封止材２８によって封止する。その後、電気接続部を封止材２８によって封止する。続いて、記録素子基板２の接続端子群２０と電気配線基板３とのリード端子群２４で形成される電気接続部（リード端子群２４の上方）を封止し、封止材２８を加熱硬化させる。

このように、記録素子基板２の供給口１８において、長手方向の中央部における開口幅よりも狭い開口幅の開口を長手方向の両端部に設ける。これによって、歩留まりの低下を抑制することができる液体吐出ヘッドおよび液体吐出ヘッドの製造方法を実現することができる。

（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。

図７は、本実施形態における記録素子基板３０の裏面を示した図である。記録素子基板３０の裏面における供給口１８の開口は、長手方向の両端部は、開口幅が狭くなっており、その間（両端部以外）では、開口幅の広い部分と開口幅の狭い部分とが交互に配置された形状となっている。供給口１８の開口をこのような形状とすることで、吐出精度を低下させることなく、開口端コーナー部で発生する記録素子基板２の割れの発生を抑制することができる。なお、供給口１８は、両端部以外では、複数の幅方向の開口幅を備えていてもよい。

（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８は、本実施形態における記録素子基板４０の裏面を示した図である。記録素子基板４０の裏面における供給口１８の開口は、長手方向の両端部で、多段の異なる開口幅を備えており、両端部が最も開口幅が狭くなっている。本実施形態では、長手方向の両端部で、２段の異なる開口幅を備えている。つまり供給口１８は、長手方向の両端部で最も狭い開口幅の開口であり、それと隣接して２番目に狭い開口幅の開口が設けられており、更に、２番目に狭い開口幅の開口と隣接して、最も広い開口幅の開口が設けられている。供給口１８の開口をこのような形状とすることで、吐出精度を低下させることなく、開口端コーナー部で発生する記録素子基板２の割れの発生を抑制することができる。

（第４の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第４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９は、本実施形態における記録素子基板５０の裏面を示した図である。記録素子基板５０の供給口１８の開口は、表面と裏面とが同一の開口形状を備えた開口となっている。つまり、表面の供給口１８の開口も、長手方向の両端部で開口幅が狭くなった形状を備えている。供給口１８の開口をこのような形状とすることで、吐出精度を低下させることなく、開口端コーナー部で発生する記録素子基板２の割れの発生を抑制することができる。尚、製造誤差による開口形状の違いがあっても、その違いのみであれば、それらは同一の開口形状であると見なす。

２記録素子基板
３電気配線基板
４支持部材
１１シリコン基板
１２エネルギー発生素子
１５樹脂層
１６吐出口形成部材
１８供給口
３０記録素子基板
４０記録素子基板
５０記録素子基板
１０１吐出口面

Claims

液体を吐出可能な複数の吐出口が列を成した吐出口列と、複数の前記吐出口と連通し、前記吐出口が設けられた表面と反対の裏面に開口する供給口と、有した基板を備えた液体吐出ヘッドにおいて、
前記供給口は、前記吐出口列に沿って設けられており、前記供給口の前記吐出口列の列方向における端部の少なくとも一方の、前記列方向と交差する幅方向の開口幅は、前記供給口の前記列方向における中央部の、前記幅方向の開口幅よりも狭い幅を備え、
前記供給口の前記中央部における前記幅方向の開口幅をＸ１、前記供給口の前記端部における前記幅方向の開口幅をＸ２としたとき、Ｘ２≦Ｘ１×１／２の関係を満たすことを特徴とする液体吐出ヘッド。
液体を吐出可能な複数の吐出口が列を成した吐出口列と、複数の前記吐出口と連通し、前記吐出口が設けられた表面と反対の裏面に開口する供給口と、有した基板を備えた液体吐出ヘッドにおいて、
前記供給口は、前記吐出口列に沿って設けられており、前記供給口の前記吐出口列の列方向における端部の少なくとも一方の、前記列方向と交差する幅方向の開口幅は、前記供給口の前記列方向における中央部の、前記幅方向の開口幅よりも狭い幅を備え、
前記供給口の前記列方向における長さをＹ１とし、前記端部の、前記幅方向の開口幅が狭い部分の前記列方向の長さをＹ２としたとき、Ｙ２≦Ｙ１×１／１０の関係を満たすことを特徴とする液体吐出ヘッド。
液体を吐出可能な複数の吐出口が列を成した吐出口列と、複数の前記吐出口と連通し、前記吐出口が設けられた表面と反対の裏面に開口する供給口と、有した基板を備えた液体吐出ヘッドにおいて、
前記供給口は、前記吐出口列に沿って設けられており、前記供給口の前記吐出口列の列方向における端部の少なくとも一方の、前記列方向と交差する幅方向の開口幅は、前記供給口の前記列方向における中央部の、前記幅方向の開口幅よりも狭い幅を備え、
前記基板は、前記吐出口が形成された第１部材と、前記供給口が形成された第２部材と、が接合された基板であり、
前記第２部材における前記第１部材と接合する側の面と、前記第２部材における前記接合する側の面と対向する面とは、前記供給口の開口形状が異なることを特徴とする液体吐出ヘッド。
前記接合する側の面における前記供給口は、前記列方向において同一の開口幅を備えて
いる請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
前記基板は、前記吐出口が形成された第１部材と、前記供給口が形成された第２部材と、が接合された基板であり、
前記第２部材における前記第１部材と接合する側の面と、前記第２部材における前記接
合する側の面と対向する面とでは、前記供給口の開口形状が同一である請求項１に記載の
液体吐出ヘッド。
前記基板は、前記基板を支持する支持部材と接着されている請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
前記第２部材は、シリコンで形成されている請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
前記支持部材は、樹脂で形成されている請求項６に記載の液体吐出ヘッド。
前記接合する側の面と対向する面における前記供給口は、前記中央部に、複数の前記幅方向の開口幅を備えている請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
前記接合する側の面と対向する面における前記供給口は、前記列方向における両端部では、第１開口幅の開口を備え、前記中央部では、前記第１開口幅よりも幅の広い第２開口幅の開口と、前記第１開口幅の開口と、が交互に配置されている請求項９に記載の液体吐出ヘッド。
前記接合する側の面と対向する面における前記供給口は、前記列方向における両端部では、第１開口幅の開口を備え、前記中央部の前記列方向における両端部では、前記第１開口幅よりも広い第２開口幅の開口を備え、前記中央部の前記両端部以外では、前記第２開口幅よりも広い第３開口幅の開口を備えている請求項９に記載の液体吐出ヘッド。
液体を吐出可能な複数の吐出口が列を成した吐出口列と、複数の前記吐出口と連通し、前記吐出口が設けられた表面と反対の裏面に開口する供給口と、有した基板を備えた液体吐出ヘッドの製造方法において、
前記吐出口列に沿って設けられており、前記供給口の前記吐出口列の列方向における端部の少なくとも一方の、前記列方向と交差する幅方向の開口幅は、前記供給口の前記列方向における中央部よりも狭い幅を備えている前記供給口を形成する工程を有し、
前記供給口の前記中央部における前記幅方向の開口幅をＸ１、前記供給口の前記端部における前記幅方向の開口幅をＸ２としたとき、Ｘ２≦Ｘ１×１／２の関係を満たす開口幅とすることを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。