JP2008290332A - インクジェット記録ヘッド及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 記録素子基板の反りやゆがみ、あるいはインク供給部材との剥離によるインク漏れを防止したインクジェット記録ヘッド及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】 記録素子基板とインク供給部材との間に、部材間の線膨張率差を緩和するための支持部材を、段階的に２層以上設ける。
【選択図】 図１
【解決手段】 記録素子基板とインク供給部材との間に、部材間の線膨張率差を緩和するための支持部材を、段階的に２層以上設ける。
【選択図】 図１
Description
本発明は、記録液室内に泡を発生させ、記録液室に体積変化を与える事により、記録液を記録媒体に押し出して記録を行うインクジェット記録装置に搭載される、インクジェット記録ヘッド及びその製造方法に関するものである。
従来、インクジェット記録装置において、吐出口から液体を吐出するためのエネルギー発生素子を備えた記録素子基板と液体を収容するためのインク供給部材との線膨張率差によって、接合界面への応力が増大し、記録素子基板の反りやゆがみが発生し易いという問題があった。
この問題について、図４を用いて説明する。ここで図４は、インクジェット記録ヘッドを表した模式図である。４１は記録素子基板、４２はインク供給部材である。ここで、記録素子基板４１は５ｐｐｍ以下の線膨張率を有する材質であるのに対し、インク供給部材４２は２０ｐｐｍ以上の高い線膨張率の材質で構成されており、この２つの部材間には線膨張率差が存在する。また記録素子基板４１は、インク供給部材４２に接着剤によって固定される。
図４の構成で得られたインクジェット記録ヘッドで印字を行うと、印字中の昇温によって、記録素子基板４１とインク供給部材４２の接合界面に熱応力が発生し、記録素子基板４１の変形や、破損を引き起こし、印字に不良が起きてしまう。
上記の問題を解決する手段として、特許文献１には、記録素子基板とインク供給部材との間に、記録素子基板と同等の線膨張率を有する支持部材を介在させる構成が記載されている。また、本件出願人は、記録素子基板とインク供給部材との間に部材間の線膨張率差を緩和するための支持部材を設ける発明を、特願２００６−１０２０９３号（本願出願時に未公開）として特許出願している。特許文献１について、図５を用いて説明する。ここで図５は、インクジェット記録ヘッドを表した模式図である。記録素子基板５１とインク供給部材５２の間に、支持部材５３を設けている。このとき、この３つの部材における線膨張率の関係は、支持部材５３の線膨張率をａ、インク供給部材５２の線膨張率をｂ、記録素子基板５１の線膨張率をｃとしたときに、ｃ≦ａ＜ｂの条件を満足している。
特開平１０−０４４４２０号公報
本発明の目的は、上記特願２００６−１０２０９３号の発明を更に改良し、記録素子基板の反りやゆがみ、あるいはインク供給部材との剥離によるインク漏れを防止したインクジェット記録ヘッド及びその製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明に係るインクジェット記録ヘッドは、吐出口から液体を吐出するためのエネルギー発生素子を備えた記録素子基板と、液体を収容するためのインク供給部材と、前記インク供給部材と前記記録素子基板との線膨張率差を緩和するための少なくとも２層の支持部材とを備え、前記インク供給部材の線膨張率をα、前記記録素子基板の線膨張率をβとしたとき、α＞βの場合に、インク供給部材側からｎ層目（ｎは２以上の整数）の支持部材の線膨張率をγｎとしたときに、α＞γ１＞・・・＞γｎ＞βの条件を満足することを特徴とする。
本発明により、記録素子基板とインク供給部材とに生じる線膨張率差による応力を低減することができる。これにより、記録素子基板の反りやゆがみ、あるいはインク供給部材との剥離によるインク漏れを防止し、印字品位が高く、且つ高速印字の可能なインクジェット記録ヘッド及びその製造方法の提供が可能となる。
以下で、本発明を実施する最良の実施形態について説明する。ここで本実施形態では、記録素子基板とインク供給部材の間の線膨張率差を軽減するために設ける支持部材を２層設ける例をあげるが、記録素子基板に近い層ほど線膨張率が小さくなるように設ければ、本発明における支持部材の数はこれに限らない。また、本実施形態はブラックインク用インクジェット記録ヘッドを採用しているが、もちろん本発明はカラー用インクジェット記録ヘッドにも適用可能である。
本実施形態におけるインクジェット記録ヘッドの構成について、図１と図２を用いて説明する。図１（ａ）は、本実施形態におけるインクジェット記録ヘッドの断面の模式図で、図１（ｂ）は、図１（ａ）における記録素子基板等の部分を拡大した模式図である。また図２は、本実施形態におけるインクジェット記録ヘッドの分解された状態の斜視図である。
吐出口から液体を吐出するためのエネルギー発生素子を備えた記録素子基板１０１と液体を収容するためのインク供給部材１０２との間に、記録素子基板１０１と接合される第１の支持部材１０３と、第１の支持部材１０３とインク供給部材１０２に接合される第２の支持部材１０４を設けている。ここで、インク供給部材１０２の線膨張率をα、記録素子基板１０１の線膨張率をβ、第１の支持部材１０３の線膨張率をγ１、第２の支持部材１０４の線膨張率をγ２としたときに、α＞γ１＞γ２＞βの条件を満足している。なお、インク供給部材側からｎ層目（ｎは２以上の整数）の支持部材の線膨張率をγｎとしたときには、満足すべき条件はα＞γ１＞・・・＞γｎ＞βとなる。
また、上記条件のみだけでなく、第１の支持部材１０３の線膨張率をＴ１、第２の支持部材１０４の線膨張率をＴ２としたときに、Ｔ１＞Ｔ２の条件を満足することが好ましい。なお、インク供給部材側からｎ層目（ｎは２以上の整数）の支持部材の厚さをＴｎとしたときには、満足すべき条件はＴ１＞・・・＞Ｔｎとなる。
なお、第１の支持部材と第２の支持部材を合わせて支持部材積層体１０６、支持部材積層体１０６とインク供給部材１０２を合わせてインク供給接合体１０７と呼ぶことにする。また１０８は、インク供給部材におけるインク供給口である。
ここで１０５は、支持部材積層体１０６とインク供給部材１０２との間に設けられた空間を表している。空間１０５は、インク供給部材１０２から支持部材積層体１０６の側面への直接的な応力負荷を低減する役割を果たす。ただし、第１の支持部材１０３と第２の支持部材１０４に用いる材質の組合せによっては、空間１０５を設けない構成を採用する事も可能である。
以下、具体的に本発明に係る実施例について説明する。
まず、本発明の実施例に用いる各部材として、好ましい材料について説明する。
第１の支持部材１０３に用いる材料は、記録素子基板１０１を成すＳｉの線膨張率３ｐｐｍに近い線膨張率、例えば、１〜１０ｐｐｍの材料を採用する事が望ましい。１〜１０ｐｐｍの有機材料として、フィラが添加されたＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）や変性ＰＰＥがある。また他には、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＳＦ（ポリサルフォン）、液晶ポリマー等の熱可塑性樹脂や、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂がある。ここで、フィラは無機系フィラを含み、さらに無機系フィラはＳｉ０２、カーボン、グラファイト等を含んでいる。また、１〜１０ｐｐｍの無機材料には、セラミックス材料として、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＺｒＯ２（ジルコニア）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）、ＳｉＣ（炭化珪素）、ＡｌＮ（窒化アルミ）を含むものが採用できる。さらに、ＳｉＯ２を含むガラス材料や、スーパーインバー、ＳＵＳ３１６、Ｃｕ等の金属材料も採用できる。
また、第２の支持部材１０４に用いる材料は、第１の支持部材１０３の線膨張率とインク供給部材１０２の線膨張率の中間となる線膨張率の材料、例えば、２０〜３０ｐｐｍ程度の材料が望まれる。
ここで、上記のような線膨張率となるように第１の支持部材１０３と第２の支持部材１０４の材料を選択したとき、第２の支持部材１０４の厚さは第１の支持部材１０３の厚さよりも薄くすることが好ましい。これにより、第１の支持部材１０３に起きる変形の度合いを低減できる。
さらに、インク供給部材１０２に用いる材料は、出来るだけフィラの添加率の小さい材料が好ましく、フィラの含有率は２０％以下に抑えた材料とするのが望ましい。また、インク供給部材１０２の材料として、耐薬品性、耐熱性を重視する場合には変性ＰＰＥ、ＰＳＦ等を、ガスバリア性を重視する場合にはＰＰやＰＥＴ等を選択する事が出来る。
続いて、本実施形態におけるインクジェット記録ヘッドの製造方法として、好ましい製造方法について説明する。
第１の支持部材１０３と第２の支持部材１０４の接合体である支持部材積層体１０６を形成する方法には、インサート成形法がある。この方法は例えば、第１の金型内で成形して得られた第２の支持部材１０４を、第２の金型内にインサートした後、第１の支持部材１０３に用いる樹脂を第２の金型内に流し込み、支持部材積層体１０６を得る方法である。
また、支持部材積層体１０６がカーボンフィラやガラスフィラが添加されたＰＰＳ等の樹脂である場合、支持部材積層体１０６を形成する方法には、２色成形法が利用できる。この方法は例えば、１次成形で第２の支持部材１０４を成形した後に、２次成形で第１の支持部材１０３を成形することで、支持部材積層体１０６を得る方法である。
また、インク供給接合体１０７は、支持部材積層体１０６とインク供給部材１０２とを、一体成形する事により製造される。上で得られた支持部材積層体１０６を、インク供給部材１０２を成形する金型内に固定し、インク供給部材１０２と一体的に成形する。この際、インク供給部材に用いる樹脂は第２の支持部材１０４に到達し、界面が溶融して接合される。
以上により、インクジェット記録ヘッドの印字品質を保持した上で、接着剤を用いずに、支持部材積層体１０６とインク供給部材１０２とを一体成形する事が出来る。
なお、記録素子基板１０１と支持部材積層体１０６との支持固定は、接着剤によってなされる。接着剤は０．０５〜０．１ｍｍと他の部材に比べて薄く、弾性率も低い為、インク供給部材から受ける熱応力に比べて、接着剤から受ける熱応力は小さい。従って、接着剤による記録素子基板への影響は相対的に小さく、ここでは問題としていない。
（実施例１：第１の支持部材にフィラ６０％〜７０％添加ＰＰＳ使用）
以下、実施例１について説明する。
以下、実施例１について説明する。
まず、記録素子基板は主にＳｉ（シリコン）から成り、線膨張率３ｐｐｍを有する。
第１の支持部材の材料には、フィラを６０％〜７０％添加したＰＰＳを採用している。このとき、第１の支持部材の線膨張率は、ＭＤ方向（樹脂の流れ方向）に１〜１０ｐｐｍ程度である。
また第２の支持部材には、フィラが３０〜４０％添加された変性ＰＰＥを採用しており、ＧＥプラスチックス社製の変性ＰＰＥ、ＰＣＮ２９１０を使用している。この材料の線膨張率はＭＤ方向に２１ｐｐｍである。
一方、インク供給部材の材料には、フィラの添加されていない変性ＰＰＥを採用しており、ＧＥプラスチックス社製の変性ＰＰＥ、ＳＥ１Ｘを使用している。この材質の線膨張率は６０ｐｐｍである。
なお、第１の支持部材は、厚さ１〜３ｍｍの長方形型で、中央部にはインク供給口が具備されており、このインク供給口はインク供給部材から記録素子基板へのインクの流路となる。第２の支持部材も同様に、第１の支持部材のインク供給口に対応するよう、中央部にインク供給口が具備されている。第２の支持部材の厚さは０．２〜０．５ｍｍで、第１の支持部材の厚さよりも薄くしている。
ここで、本実施例における記録素子基板について、図３を用いて説明する。図３は、記録素子基板を表した模式図である。本実施例における記録素子基板のサイズは、幅２〜３ｍｍ、長さ（吐出口方向）２５〜３５ｍｍ、厚さ０．５〜０．８ｍｍである。また、インクを吐出する吐出口Ｈ１１０７を備えており、図３の様に配列されている。そして、記録素子基板はインク供給口Ｈ１１０２を、第１の支持部材のインク供給口へ連通させる位置に接着剤で接合固定される。なお、図３において、Ｈ１１０３は電気熱変換素子、Ｈ１１０４は電極部、Ｈ１１０５はバンプ、Ｈ１１０６はインク流路壁、Ｈ１１０８は吐出口群、Ｈ１１１０はＳｉ基板をそれぞれ示している。
以上の構成により、記録素子基板とインク供給部材の間に発生する応力を緩衝、分散し、各層の接合部の剥離や、記録素子基板の変形や割れを防止する事が可能になる。この結果を（表１）の実施例１の欄に示した。
なお（表１）の比較例１は、第２の支持部材を設けない構成をとっている。第１の支持部材には、実施例１と同様に、フィラが添加されたＰＰＳ、インク供給部材にはフィラの添加されていないＳＥ１Ｘを選択している。この構成では、記録素子基板とインク供給部材との剥離を避けられない。
また、（表１）の比較例２では、第１の支持部材と第２の支持部材を設けない構成をとっている。インク供給部材にはフィラの添加されていないＳＥ１Ｘを選択している。この構成では、記録素子基板とインク供給部材との剥離だけでなく、記録素子基板の変形や割れを避けられない。
（実施例２：第１の支持部材にアルミナ使用）
以下、実施例２について説明する。
以下、実施例２について説明する。
まず、記録素子基板は主にＳｉ（シリコン）から成り、線膨張率３ｐｐｍを有する。ここで、本実施例における記録素子基板は、実施例１と同様の構成をとっている。
第１の支持部材に用いる材料には、京セラ社製のアルミナＡ−４７６を使用し、線膨張率は７ｐｐｍであった。
第２の支持部材に用いる材料には、ＧＥプラスチックス社製の変性ＰＰＥ、ＰＣＮ２９１０を使用した。線膨張率は２０〜３０ｐｐｍである。
一方、インク供給部材２に用いる材料には、フィラの含有率は２０％以下に抑えた変性ＰＰＥを採用しており、ＧＥプラスチックス社製の変性ＰＰＥ、ＳＥ１Ｘを使用した。この材質の線膨張率は６０ｐｐｍである。
なお、第１の支持部材は、厚さ１〜３ｍｍの長方形型で、中央部にはインク供給口が具備されており、このインク供給口はインク供給部材から記録素子基板へのインクの流路となる。第２の支持部材も同様に、第１の支持部材のインク供給口に対応するよう、中央部にインク供給口が具備されている。第２の支持部材の厚さは０．２〜０．５ｍｍで、第１の支持部材の厚さよりも薄くしている。
１０１ 記録素子基板
１０２ インク供給部材
１０３ 第１の支持部材
１０４ 第２の支持部材
１０５ 空間
１０６ 支持部材積層体
１０７ インク供給接合体
１０８ インク供給部材におけるインク供給口
１０２ インク供給部材
１０３ 第１の支持部材
１０４ 第２の支持部材
１０５ 空間
１０６ 支持部材積層体
１０７ インク供給接合体
１０８ インク供給部材におけるインク供給口
Claims (8)
- 吐出口から液体を吐出するためのエネルギー発生素子を備えた記録素子基板と、液体を収容するためのインク供給部材と、前記インク供給部材と前記記録素子基板との線膨張率差を緩和するための少なくとも２層の支持部材とを備え、
前記インク供給部材の線膨張率をα、前記記録素子基板の線膨張率をβとしたとき、α＞βの場合に、インク供給部材側からｎ層目（ｎは２以上の整数）の支持部材の線膨張率をγｎとしたときに、α＞γ１＞・・・＞γｎ＞βの条件を満足することを特徴とするインクジェット記録ヘッド。 - インク供給部材側からｎ層目（ｎは２以上の整数）の支持部材の厚さをＴｎとしたときに、Ｔ１＞・・・＞Ｔｎの条件を満足することを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
- 前記支持部材の材質が、フィラが添加されたＰＰＳを少なくとも含んでいる樹脂であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド。
- 前記支持部材の材質が、フィラが添加された変性ＰＰＥを少なくとも含んでいる樹脂であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド。
- 前記支持部材の材質が、アルミナを少なくとも含んでいるセラミックスであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド。
- 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法において、
前記支持部材を前記インク供給部材の金型内に固定し、前記インク供給部材と一体成形した後、前記記録素子基板を前記支持部材に接着剤によって接合する事を特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法。 - 前記支持部材は２色成形によって形成される事を特徴とする請求項６に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
- 前記支持部材はインサート成形によって形成される事を特徴とする請求項６に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
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