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液体吐出ヘッド - キヤノン株式会社
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発明の名称 液体吐出ヘッド
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−15309(P2007−15309A)
公開日 平成19年1月25日(2007.1.25)
出願番号 特願2005−200956(P2005−200956)
出願日 平成17年7月8日(2005.7.8)
代理人 【識別番号】100123788
【弁理士】
【氏名又は名称】宮崎 昭夫
発明者 三原 弘明 / 稲本 忠喜
要約 課題
素子基板の変形の抑制と、コストダウンを両立した液体吐出ヘッドを提供する。

解決手段
素子基板、チッププレート、マウント接着剤及び周囲封止剤を有する液体吐出ヘッドにおいて、
特許請求の範囲
【請求項1】
液滴を吐出させるための複数の吐出口と液滴を吐出させるためのエネルギーを発生させる発熱素子と前記吐出口の並びに概平行に位置し、液体を前記吐出口へ供給するための供給部とを備えた素子基板と、
前記供給部と連通する連通口を有し、デバイスホールによって前記素子基板を支持するチッププレートと、
前記素子基板と前記チッププレートを結合させるためのマウント接着剤と、
前記素子基板の外周を封止する周囲封止剤と、
を有する液体吐出ヘッドにおいて、
使用温度での温度変化によって発生する前記チッププレートの変形に追従する前記素子基板の変形を、前記周囲封止剤の変形によって抑制し、且つBをAより大きくする寸法変化を生じさせないことを特徴とする液体吐出ヘッド。
A:素子基板における供給部を含まない吐出口列と垂直の寸法
B:素子基板における供給部を含む吐出口列と垂直の寸法
【請求項2】
前記素子基板は単結晶シリコンであることを特徴とする請求項1に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項3】
前記チッププレートは、樹脂であることを特徴とする請求項1または2に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項4】
前記マウント接着剤は熱硬化型接着剤であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項5】
前記周囲封止剤は熱硬化型封止剤であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項6】
前記マウント接着剤と前記周囲封止剤は、同時硬化であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項7】
前記マウント接着剤の硬化温度は、60〜150℃であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項8】
前記周囲封止剤の硬化温度は、60〜150℃であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項9】
前記チッププレートと前記周囲封止剤の弾性率は、概同等であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項10】
液滴を吐出させるための複数の吐出口と液滴を吐出させるためのエネルギーを発生させる発熱素子と前記吐出口の並びに概平行に位置し、液体を前記吐出口へ供給するための供給部とを備えた素子基板と、
前記供給部と連通する連通口を有し、前記素子基板を支持するチッププレートと、
前記素子基板と前記チッププレートを結合させるためのマウント接着剤と、
前記素子基板の外周を封止する周囲封止剤と、
を有する液体吐出ヘッドにおいて、
前記マウント接着剤と前記周囲封止剤が同一温度にて硬化される際の前記素子基板の前記吐出口列と垂直の方向の幅をx、前記xと平行なデバイスホールの幅をy、素子基板の線膨張係数をα1、チッププレートの線膨張係数をα2、周囲封止剤の線膨張係数をα3とすると、
(y・α2−x・α1)/(y−x)≧ α3 ≧ α2 ・・・式(1)
であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項11】
前記チッププレートにおける前記デバイスホールの形状が底面に向かって傾斜していることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、液体を噴射し飛翔液滴を形成して記録を行う液体吐出ヘッドに関するものである。
【0002】
また本発明は紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の被記録媒体に対し記録を行う、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサ等の装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に適用できる発明である。
【0003】
なお、本発明における、『記録』とは、文字や図形等の意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を付与することも意味する。
【背景技術】
【0004】
従来、液体吐出ヘッドの吐出口から記録液(インク)を吐出することにより記録を行う液体吐出記録装置が、低騒音、高速記録などの点で優れた記録装置として知られている。
【0005】
この液体吐出記録法については、これまでにもさまざまな方式が提案され改良が加えられて商品化されたものもあれば現在実用化への努力が続けられているものもある。
【0006】
この種の液体吐出ヘッドは、例えば図5、図6に示すようにインクを吐出するための吐出口3を有するオリフィスプレート4と各吐出口3に連通した流路5と、流路5の一部を構成し、かつ吐出のためのエネルギーを発生する発熱素子2と各流路5に液体を供給する供給部6を有する素子基板1と、素子基板1がデバイスホール7上でマウント接着剤8によって接着され、供給部6に連通している連通口9を有するチッププレート10と、チッププレート10上に固定され、素子基板1とリード部11によって電気的に接続されることで液体を吐出させるための電気信号を素子基板1へ伝える電気配線部材12と、素子基板1と電気配線部材12との電気接続部を保護するための電気部封止剤13と、素子基板1の側面を保護し、素子基板1とデバイスホール7の間に液体が溜まるのを防止するための周囲封止剤14と、更に、液体を貯蔵するタンク部17によって構成されている。
【0007】
上記のような構成を有するヘッドにおいて、素子基板1は単結晶シリコンを用いるのが一般的である。単結晶シリコンは線膨張係数が非常に小さいため、マウント接着剤8の硬化温度よりも低温環境下では、チッププレート10が素子基板1より大きく収縮し、チッププレート10とマウント接着剤8で接着されている素子基板1は、その収縮に追随して大きく変形する。素子基板1の変形は、素子基板1で最も変形し易い最外供給部外部15で発生し、基板内側への弓形変形が起こる。このような変形が起こることで液体の吐出方向が所望の位置と異なる位置に着弾する不具合が発生するのである。このような不具合を防止するため、特開2001-129977号公報(特許文献1)では、素子基板1とチッププレート10との線膨張係数の差を小さくすることで素子基板の変形を抑える手法として、チッププレート10の材質にアルミナ等のセラミックを用いることが開示されている。また、素子基板1の変形は、最外供給部外部15で発生するため、最外供給部外部15の領域を広げ、その部分の剛性を上げることで変形を防止する方法もとられている。また、特開平6-246920号公報(特許文献2)では、更に別の部材を接合することで、所望の部材同士の変形量を合わせ込む方法も開示されている。
【特許文献1】特開2001-129977号公報
【特許文献2】特開平6-246920号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
上記構成の液体吐出ヘッドは、良好な液体の吐出が可能であり、安定的に生産可能である。
【0009】
しかしながら、高価なセラミックをチッププレート10の材料として採用することや、素子基板1の最外供給部外部15の領域を広げることで素子基板1が大きくなり、ウェハからの取り個数が減少すること、更に別の部材を接合することは、液体吐出ヘッドが高価なものとなってしまう。
【課題を解決するための手段】
【0010】
液滴を吐出させるための複数の吐出口と液滴を吐出させるためのエネルギーを発生させる発熱素子と前記吐出口の並びに概平行に位置し、液体を前記吐出口へ供給するための供給部とを備えた素子基板と、
前記供給部と連通する連通口を有し、デバイスホールによって前記素子基板を支持するチッププレートと、
前記素子基板と前記チッププレートを結合させるためのマウント接着剤と、
前記素子基板の外周を封止する周囲封止剤と、
を有する液体吐出ヘッドにおいて、
使用温度での温度変化によって発生する前記チッププレートの変形に追従する前記素子基板の変形を、前記周囲封止剤の変形によって抑制し、且つBをAより大きくする寸法変化を生じさせないことを特徴とする。
【0011】
A:素子基板における供給部を含まない吐出口列と垂直の寸法
B:素子基板における供給部を含む吐出口列と垂直の寸法
周囲封止剤が使用温度内で収縮変形することによって、素子基板の側面から素子基板を引っ張り、素子基板の収縮変形を抑制する。また、周囲封止剤が素子基板を引っ張りすぎて、素子基板が太鼓状に膨らんだ場合、素子基板の供給部の角部は非常に脆いので亀裂が生じるため、周囲封止剤は素子基板が太鼓状にならない範囲内で引っ張ることで、素子基板の変形が抑制された液体吐出ヘッドが可能となる。なお、図3には、太鼓状に変形した素子基板の供給部から亀裂が生じた状態を示す。ここでいう使用温度とは、液体吐出ヘッドの駆動環境温度、及び搬送時の環境温度で、-30〜60℃の間を意味する。
【0012】
また、前記素子基板は単結晶シリコンであることを特徴とする。
【0013】
また、前記チッププレートは、樹脂であることを特徴とする。
【0014】
また、前記マウント接着剤は熱硬化型接着剤であることを特徴とする。
【0015】
また、前記周囲封止剤は熱硬化型封止剤であることを特徴とする。
【0016】
また、前記マウント接着剤と前記周囲封止剤は、同時硬化であることを特徴とする。
【0017】
また、前記マウント接着剤の硬化温度は、60〜150℃であることを特徴とする。
【0018】
また、前記周囲封止剤の硬化温度は、60〜150℃であることを特徴とする。
【0019】
また、前記チッププレートと前記周囲封止剤の弾性率は、概同等であることを特徴とする。
【0020】
また、液滴を吐出させるための複数の吐出口と液滴を吐出させるためのエネルギーを発生させる発熱素子と前記吐出口の並びに概平行に位置し、液体を前記吐出口へ供給するための供給部とを備えた素子基板と、
前記供給部と連通する連通口を有し、前記素子基板を支持するチッププレートと、
前記素子基板と前記チッププレートを結合させるためのマウント接着剤と、
前記素子基板の外周を封止する周囲封止剤と、
を有する液体吐出ヘッドにおいて、
前記マウント接着剤と前記周囲封止剤が同一温度にて硬化される際の前記素子基板の前記吐出口列と垂直の方向の幅をx、前記xと平行なデバイスホールの幅をy、素子基板の線膨張係数をα1、チッププレートの線膨張係数をα2、周囲封止剤の線膨張係数をα3とすると、
(y・α2−x・α1)/(y−x)≧ α3 ≧ α2 ・・・式(1)
であることを特徴とする。
【0021】
また、前記チッププレートにおける前記デバイスホールの形状が底面に向かって傾斜していることを特徴とする。
【発明の効果】
【0022】
本発明の液体吐出ヘッドは、チッププレートに結合された素子基板の温度変化による変形を、周囲封止剤の変形を規定することで抑制し、コストアップ無しに、温度環境の変化が発生しても良好な液体の吐出が実現可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0023】
以下に、本発明のより具体的な態様を示す。
【0024】
図2(a)には、マウント接着剤、周囲封止剤が硬化した状態の概略図を示す(電気配線部材、電気部封止剤は略す)。そして、周囲封止剤が無い場合のある温度Δtだけ低下したときの状態を図2(b)、周囲封止剤が有る場合のある温度Δtだけ低下したときの状態を図2(c)に示す。ある温度Δtだけ低下したときの最外供給部外部における周囲封止剤領域の寸法変化は、デバイスホールの収縮量y・Δt・α2から素子基板の収縮量2・aを引いた値である。
【0025】
素子基板の収縮量はチッププレートに追従するため、その収縮量は最大でx・Δt・α2である。よって、周囲封止剤領域の寸法変化は、最小で(y-x)・Δt・α2 である。
【0026】
一方、周囲封止剤の寸歩変化は、(y-x)・Δt・α3である。
【0027】
よって、周囲封止剤が素子基板を引っ張るためには、周囲封止剤の収縮量の方が、周囲封止剤領域の寸法変化よりも大きくならなければならない。よって、
(y-x)・Δt・α3 ≧(y-x)・Δt・α2
また、周囲封止剤が素子基板を引っ張りすぎて、素子基板を破壊する恐れがあるため、素子基板が太鼓状にならない範囲で引っ張る必要がある。即ち、周囲封止剤の変形量は最大で、素子基板の最大変形部が真っ直ぐになるところまでであるから、
(y-x)・Δt・α2 + x・Δt・(α2-α1)≧(y-x)・Δt・α3
よって、
(y・α2−x・α1)/(y−x)≧ α3 ≧ α2 ・・・式(1)
となる。
【実施例】
【0028】
(実施例1)
まず、本発明が適用される液体吐出ヘッドの概略構成を説明する。
【0029】
図1には、チッププレート10上のデバイスホール7に塗布されたマウント接着剤8を介して素子基板1が配され、その後、チッププレート10に固定された電気配線部材12と素子基板1とを電気的に接続し、更に周囲封止剤14が素子基板1周辺に塗布された後、電気配線部材12と素子基板1との電気接続部を電気部封止剤13で封止した後、加熱されることでマウント接着剤8、周囲封止剤14、電気部封止剤13が熱硬化し、その後常温に戻った状態を示す。
【0030】
素子基板1は、シリコンウェハ上にフォトリソグラフィーで回路を形成し、その回路の一部に液体を吐出させるための発熱素子2と、異方性エッチングによって形成された液体を発熱素子2へ供給するための供給部6とを有する。また、チッププレート10は、PPO(ポリフェニレンオキサイド)とポリスチレンとの変性物から成り、マウント接着剤8、周囲封止剤14及び電気部封止剤13にはいずれも熱硬化型エポキシ材料を用いる。
【0031】
本実施例においては、周囲封止剤14の硬化時における素子基板1の幅xが5.8mm、チッププレート10のデバイスホールの幅yが8.5mmであり、素子基板1の線膨張係数α1は2ppm、チッププレート10の線膨張係数α2は30ppm、硬化後の周囲封止剤14の線膨張係数α3は60ppmである。
【0032】
式(1)より、

(y・α2−x・α1)/(y−x)≧ α3 ≧ α2

(y・α2−x・α1)/(y−x)≒90
α3 ≒60
α2 ≒30
よって、式(1)を満たしている。
【0033】
マウント接着剤8、周囲封止剤14の硬化温度が100℃で、常温(25℃)に戻った場合、
この時の素子基板の変形量は、
周囲封止剤が無い場合の素子基板の収縮量≪:x・Δt・α2≫から、周囲封止剤の収縮によって素子基板が引っ張られる量≪・・・即ち、周囲封止剤領域の寸法変化から周囲封止剤の寸法変化を引いた値:(y-x)・Δt・α3-(y-x)・Δt・α2≫を引いた値となるため、

x・Δt・α2-[(y-x)・Δt・α3]-y・Δt・α2
[5.8・(100-25)・30 -(8.5-5.8)・(100-25)・(60-30)]/1000000
=2.6・75・30/1000000≒0.0059mm

である。周囲封止剤14による引っ張りがなければ、最大5.8・(100-25)・30≒0.013mmであり、変形量は大きく抑制され、液体の吐出の精度も向上する。
【0034】
但し、周囲封止剤の弾性率が非常に低い場合には、周囲封止剤の変形で素子基板の変形を抑制することが難しくなっていくため、周囲封止剤の弾性率はチッププレートの弾性率と概同等であることが望ましい。
【0035】
(実施例2)
さらに、本発明のより好ましい形態に対応する実施例を、図4を用いて説明する。
【0036】
この実施形態においては、チッププレート10におけるデバイスホール7の形状が底面に向かって傾斜していることで、図1、図2に示す一般的な形態に比べて、周囲封止剤14の流れがさらに良く、効率的に流れを作ることが出来る。その際、デバイスホールの幅y’は、周囲封止剤14の封止領域の断面積S、平均封止高さhとすると、

S≒(y’-x)・h

となる。
【0037】
他の点については前記実施例1における議論がそのまま成り立つ。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】本発明に係る液体吐出ヘッドの第1の実施例を示す概略図である。
【図2】(a)本発明に係る液体吐出ヘッドにおいて、加熱によってマウント接着剤、周囲封止剤が硬化した際の状態を示した概略図である。
【0039】
(b)液体吐出ヘッドのマウント接着剤が硬化し、周囲封止剤がない場合の常温での状態を示した本発明の効果を説明するための概略図である。
【0040】
(c)本発明に係る液体吐出ヘッドのマウント接着剤、周囲封止剤が硬化し、常温の状態を示した概略図である。
【図3】従来の液体吐出ヘッドが太鼓状に変形し、素子基板に亀裂が生じた状態を示す概略図である。
【図4】本発明に係る液体吐出ヘッドの第2の実施例を示す概略図である。
【図5】従来の液体吐出ヘッドを示す概略図である。
【図6】従来の液体吐出ヘッドを示す概略斜視図である。
【符号の説明】
【0041】
1 素子基板
2 発生素子
3 吐出口
4 オリフィスプレート
5 流路
6 供給部
7 デバイスホール
8 マウント接着剤
9 連通口
10 チッププレート
11 リード部
12 電気配線部材
13 電気部封止剤
14 周囲封止剤
15 最外供給部外部
16 亀裂
17 タンク部




 

 


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