JP4895358B2 - インクジェット記録ヘッド - 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液滴を形成して記録動作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に関する。

一般的なインクジェット記録カートリッジを図１０を用いて説明する。なお、ここではイエロー、マゼンダ、シアンのインクを吐出させ印刷を行うためのカラーカートリッジを例にあげて説明する。
図１０において、インクジェット記録カートリッジ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である。そして記録素子基板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インク吐出口とを備えたノズルプレート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。

次に、インクジェット記録ヘッド部における記録素子基板７０２の周囲の一般的な構成を、図１１および図１２を用いて説明する。
図１１は、支持基板８０２と支持板８０４とを表した平面図である。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使用される。また、支持板８０４は電気配線基板７０６を固定支持するためのものであり、支持基板８０２と同じ材質で構成されている。

図１２は図１０のＣ−Ｃ断面図である。支持基板８０２は、インク容器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、同様に記録素子基板７０２を支持するために支持板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、インクが入り込まないようにするために樹脂等の封止剤８０５を用いて封止している。これは、記録素子基板７０２と支持板８０４との間にインクが入って記録素子基板７０２の側面端部に付着した場合、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いるためシリコンが溶出してしまうためである。さらに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ため、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。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（特許文献１）。また、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（特許文献２）。

特開平１０−４４４２０号公報 特開２００２−１９１１９号公報

近年はインクジェット記録ヘッドの製造コストの中で一番高価な記録素子基板のコストを削減するために、できる限り記録素子基板のサイズを小さくして、ウエハ１枚当りの取り数を多くすることが求められている。しかし、吐出口の配列はそのままで基板サイズを小さくすると必然的に吐出口周囲の壁部が少なくなり、その結果記録素子基板に剛性の弱い壁部ができてしまう。そして、前述したように記録素子基板の周囲は熱硬化型樹脂によって封止されており熱硬化型樹脂は、硬化後の硬化収縮によってその内部に応力を発生させ、その応力は記録素子基板にかかることになる。ここで、封止剤が硬化収縮することによって記録素子基板にかかる応力の概要について説明する。

図１３は、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。硬化後にオーブンから取り出される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。このように、記録素子基板７０２上記のような応力がかかる場合、図１２からもわかるように記録素子基板７０２の封止剤８０５が接している部分の断面積は小さいために、応力がかかった場合に変形し易い。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開口面積が異なることから、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を用いた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はずれてしまい、記録品位が劣化する。さらには製造の段階で記録素子基板７０２が破損する場合がある。

一方で、それぞれ開口部を有する電気配線基板７０６と、これを下から支持する支持板８０４とを、両者の開口部が重なるように接着剤で貼り付けるときに、余分な接着剤が、接合された開口部の接合端面からはみ出てしまうことがある。このはみ出た接着剤が、電気配線基板の端面から上側の表面に回りこむと、電気接合部の良好な電気接合や記録媒体との接触という不都合を招くことになる。これを防ぐには、電気配線基板７０６の開口の大きさを支持板８０４の開口よりも大きくする。これにより、接合端面からはみ出た接着剤が支持板８０４の開口部の内部へ垂れ下がるので、電気配線基板７０６の上側表面に回りこむことはない。

また、製造の効率の上からは、接着剤を塗布するニードルは、なるべく細い内径のものは使用したくないという要望もあった。本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、記録素子基板７０２が変形、破損することなく高記録品位での記録を安定して行うことができ、かつ製造コストが安価なインクジェット記録ヘッドを提供することを目的とする。

そのために本発明のインクジェット記録ヘッドは、インクを吐出するための吐出口列と、インクを吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子とを備えた記録素子基板と、前記記録素子基板と電気的に接続される電気配線基板と、前記記録素子基板と前記電気配線基板とを接着剤を介して支持する支持基板と、を有し、前記記録素子基板の側面と前記支持基板との間の領域に封止剤が充填されたインクジェット記録ヘッドにおいて、前記領域はリブによって、前記記録素子基板の側面に隣接する第１の領域と前記第１領域に対して前記記録素子基板から離れた側の第２領域とに分けられており、前記第２領域の深さは前記第１領域の深さより浅く、前記第２領域には前記電気配線基板の一部が張り出していることを特徴とする。

本発明のインクジェット記録ヘッドは、記録素子基板をインクから保護するための封止剤の充填溝にリブを設けている。このリブを設けたことで、充填される充填剤の体積を減らし、充填剤の硬化収縮で発生する応力を低減し、記録素子基板への応力の影響を少なくして、高記録品位の記録ができるインクジェット記録ヘッドを実現できた。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本実施形態のインクジェット記録カートリッジを部品毎に分解した模式的斜視図である。また図２は、記録素子基板Ｈ１１０１を表した平面図であり、図２（ａ）は表面、図２（ｂ）は裏面を表している。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。また同様に記録素子基板Ｈ１１０１には、各ヒータに対応して設けられた複数の不図示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、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、インク吐出口が形成されている面と反対側の面に開口するように形成されている。

電気配線基板Ｈ１３０１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Ｈ１１０４に対応する電極端子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とを有している。この外部入力端子Ｈ１３０３と電極端子Ｈ１３０２とは銅箔の配線でつながっている。

図３は、本実施形態のリブＨ１５０３を有した支持部材Ｈ１５０１を表した平面図である。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ーを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（図５参照）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の両側にリブＨ１５０３を有している。

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Ｈ１１０１の接合部分の一部を模式的に示す断面図である。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に貼り付けられており、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。本実施形態において、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おり、この接着剤を用いた場合、接着層の厚みは５０μｍ程度と設定した。また、本実施形態で使用した熱硬化型接着剤Ｈ１２０１と封止剤Ｈ１２０２は、１００℃、１時間キュアを行うことで、上記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。上記接着剤と封止剤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に要求される条件を満足すれば他のものでも良い。

図５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。このようにリブＨ１５０３を設けたことで、封止剤Ｈ１２０２が入る部分の容積が減り、結果的に充填される封止剤Ｈ１２０２の体積を減らすことができる。その結果、記録素子基板Ｈ１１０１と隣接して覆っている封止剤Ｈ１２０２の体積も減って、硬化収縮する量も減ることから図のように記録素子基板Ｈ１１０１にかかる応力を減らすことができる。そして、記録素子基板Ｈ１１０１の位置のずれ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。

なお、本実施形態でリブＨ１５０３を記録素子基板Ｈ１１０１の長手方向の端面と対面する位置に配置した。これは図２からもわかるように、記録素子基板Ｈ１１０１は長手方向の端面とインク供給口とが近い位置関係にあり、長手方向の端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からである。もちろん長手方向ではない端部と平行な位置にもリブを設けてもよい。これにより、更に記録素子基板Ｈ１１０１に作用する応力を低減させることもでき、応力によるずれを防止できることは言うまでもない。

また、このリブＨ１５０３はできる限り記録素子基板Ｈ１１０１に近い位置に配置することが好ましい。近い位置に配置することで、さらに記録素子基板Ｈ１１０１にかかる応力を低減することができるからである。

次に、支持部材Ｈ１５０１と電気配線基板Ｈ１３０１を接着剤Ｈ１３０４にて固定した際のはみ出し防止について説明する。
図６は、記録素子基板Ｈ１１０１と電気配線基板Ｈ１３０１の間にニードルＨ１２０３を用いて封止剤Ｈ１２０２を充填する様子を示した図である。封止塗布領域にリブＨ１５０３を設けることで、封止剤の応力を大きくすることない。また、電気配線基板Ｈ１３０１の開口部が支持部材Ｈ１５０１の電気配線基板Ｈ１３０１の接合面の開口部よりも小さく開口していることで、電気配線基板Ｈ１３０１下部空隙が形成され、接着剤Ｈ１３０４を留めることが可能になる。その結果、接着剤Ｈ１３０４が電気配線基板Ｈ１３０１の上面、および側面にはみ出すことがなくなり、製造時に用いる接着治具に接着剤Ｈ１３０４が付着するのを回避することができた。

（第２の実施形態）
本発明における第２の実施形態について図を用いて説明する。
図７は、本実施形態の支持部材Ｈ１５０１とリブＨ１５０３を表した平面図である。
本実施形態では第１の実施形態と比較して、リブＨ１５０３の長さのみが異なり、他の構成は同じである。本実施形態のリブＨ１５０３は第１の実施形態のリブの長手方向両端部を短くして、記録素子基板Ｈ１１０１と隣接する封止溝Ｈ１５０５Ｂと、隣接しない封止溝Ｈ１５０５Ａとを連通させる。このようにすることで、充填された封止剤がリブＨ１５０３の両端部を介して両方の充填溝Ｈ１５０５Ａ、Ｈ１５０５Ｂに流れ込み、両充填溝の封止剤の液面高さは等しくなる。そして封止剤の液面が記録素子基板Ｈ１１０１の吐出口を有した面と同一高さになるまで封止剤Ｈ１２０２を充填する。

記録装置が記録を行う際には、ノズルが常に正常な状態で吐出を行うことができるように、吐出口面に付着したインクやゴミ等を拭き取る動作であるワイピングを行っている。封止剤Ｈ１２０２によって形成された面の高さが記録素子基板Ｈ１１０１の吐出口を有する面の高さと異なり、ワイピングによってインクが拭き取られない場合、封止剤Ｈ１２０２の部分にはインクが残ってしまい、そのインクは増粘してしまう。さらにその増粘したインクが次に行われるワイピングによって吐出口部分に運ばれた場合、吐出口を塞いでしまうことも考えられる。このような不具合を防止するために記録素子基板Ｈ１１０１の吐出口を有する面と同じ高さまで封止剤Ｈ１２０２を充填する。

なお、本実施形態においてはリブＨ１５０３の両端部を短くしたがが、片側の端部でもよいし、端部に限らずリブＨ１５０３を中間で分けるようにリブ中央部を無くすことでも上記目的を達成することはできる。ただし、記録素子基板Ｈ１１０１への応力の影響を考慮した場合には端部で両充填溝が連通していることが好ましい。また、リブの一部を完全に取り除かなくても、リブに封止剤Ｈ１２０２が流動できる程度の切り欠きを入れてもよい。

（第３の実施形態）
本発明における第３の実施形態について図を用いて説明する。
図８は、本実施形態の支持部材Ｈ１５０１とリブＨ１５０３を表した平面図であり、図９は封止剤Ｈ１２０２を充填する様子を表した図であり、図９（ａ）はその縦断面図であり、図９（ｂ）はその上面図である。本実施形態では前述した実施形態と同様にリブＨ１５０３を設けることで、記録素子基板Ｈ１１０１への応力の影響を減らしている。そして、第２の実施形態と比較して、封止剤Ｈ１２０２を充填する充填溝Ｈ１５０５Ｂの深さを浅くしてある。その他の構成は他の実施形態と同じである。
本実施形態のように充填溝Ｈ１５０５Ｂの深さを浅くすることで、充填する封止剤Ｈ１２０２の量を減らすことができ、硬化後の収縮を減らすことができる。これによって記録素子基板Ｈ１１０１にかかる応力も低減することができる。さらに、充填溝Ｈ１５０５Ｂの体積は接着剤Ｈ１３０４のはみ出し量よりも多く設計されているため、接着剤Ｈ１３０４は電気配線基板の上面、および側面にはみ出すことは無い。

こうすることによって、封止剤Ｈ１２０２の絶対量を減らし、封止剤Ｈ１２０２の硬化収縮時に発生する記録素子基板Ｈ１１０１への応力を低減でき、その結果、高記録品位での記録が可能なインクジェット記録ヘッドを実現することができた。

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。 記録素子基板を表した平面図であり、図２（ａ）は表面、図２（ｂ）は裏面を表している。 第１の実施形態のリブを有した支持部材を表した平面図である。 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分の一部を模式的に示す断面図である。 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。 記録素子基板と電気配線基板の間にニードルを用いて封止剤を充填する様子を示した図である。 第２の実施形態の支持部材とリブを表した平面図である。 第３の実施形態の支持部材とリブを表した平面図である。 封止剤を充填する様子を表した図であり、図９（ａ）は縦断面図であり、図９（ｂ）上面図である。 従来のインクジェット記録カートリッジの斜視図である。 従来の支持基板と支持板とを表した平面図である。 図１０のＣ−Ｃ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。

符号の説明

６０１ インクジェット記録カートリッジ
７０２ 記録素子基板
８０２ 支持基板
８０４ 支持板
Ｈ１１０１ 記録素子基板
Ｈ１１０２ インク供給口
Ｈ１１０３ 吐出口
Ｈ１２０１ 接着剤
Ｈ１２０２ 封止剤
Ｈ１２０３ ニードル
Ｈ１３０１ 電気配線基板
Ｈ１５０１ 支持部材
Ｈ１５０３ リブ
Ｈ１５０５Ａ 充填溝
Ｈ１５０５Ｂ 充填溝
Ｈ１５０６ インク貯留部

Claims (6)

1. インクを吐出するための吐出口列と、インクを吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子とを備えた記録素子基板と、
   前記記録素子基板と電気的に接続される電気配線基板と、
   前記記録素子基板と前記電気配線基板とを接着剤を介して支持する支持基板と、を有し、
   前記記録素子基板の側面と前記支持基板との間の領域に封止剤が充填されたインクジェット記録ヘッドにおいて、
   前記領域はリブによって、前記記録素子基板の側面に隣接する第１の領域と前記第１領域に対して前記記録素子基板から離れた側の第２領域とに分けられており、前記第２領域の深さは前記第１領域の深さより浅く、前記第２領域には前記電気配線基板の一部が張り出していることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 前記吐出口列と前記リブとが平行になるように前記記録素子基板が支持された前記支持基板を有することを特徴とした請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
3. 前記リブの高さは前記記録素子基板が前記支持基板に支持された状態の高さよりも低い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. 前記リブは前記第１領域と前記第２領域とを連通する連通部を有していることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。
5. 前記連通部は前記リブの端部に設けられていることを特徴とする請求項４に記載のインクジェット記録ヘッド。
6. 前記第２領域には、前記第１領域よりも少ない量の封止剤が充填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。

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