JP2008189727A - 接着構造及び接着方法並びに液滴吐出ヘッド及び液滴吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接着界面において発生する応力を緩和して、接着の信頼性や耐久性を向上させた接着構造及び接着方法並びに液滴吐出ヘッド及び液滴吐出ヘッドの製造方法を提供すること。
【解決手段】接着層２３を介してノズル基板１１及び流路形成基板１２が貼り合わされており、接着層２３が、流路形成基板１２の接着領域に分散して配置された複数の接着部２３ａを有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、接着構造及び接着方法並びに液滴吐出ヘッド及び液滴吐出ヘッドの製造方法に関する。

液滴吐出ヘッドは、吐出口から液状体を吐出するものであり、内部にインクタンクから吐出口に液状体を供給するための流路が形成されている。一般に、このような液滴吐出ヘッドは、流路となる溝や孔などが形成された複数の基板を接着剤で貼り合せることで形成されている。すなわち、吐出口が形成されたノズル基板と圧力発生室を形成する流路形成基板とは、接着剤で貼り合わされている。
ここで、ノズル基板と流路形成基板とは、それぞれ異なる材料で構成されていることが多い。そのため、ノズル基板と流路形成基板との熱膨張係数の違いから、ノズル基板と流路形成基板との接着界面に剪断応力が生じてしまう。ここで、接着剤による接着強度は、接着剤自体の接着力と発生した応力との差となっている。そのため、接着力の高い接着剤を用いて接着した場合であっても、接着界面に発生する応力が大きい場合には、高い接着強度が得られない。
そこで、流路形成基板のうちノズル基板との接着領域の端部近傍にスリットを形成してノズル基板と接着しない非接着領域を形成し、接着界面に発生する応力の緩和を図った液滴吐出ヘッドが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１３８５２８号公報

しかしながら、上記従来の液滴吐出ヘッドにおいても、以下の課題が残されている。すなわち、スリットの形成によって設けられた非接着領域の端部において剪断応力が集中してしまうという問題がある。また、接着領域が広くなるにしたがって接着界面に生じる剪断応力が大きくなるため、非接着領域における応力の緩和効果が小さくなるという問題がある。

本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたもので、接着界面において発生する応力を緩和して、接着の信頼性や耐久性を向上させた接着構造及び接着方法並びに液滴吐出ヘッド及び液滴吐出ヘッドの製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明にかかる接着構造は、接着層を介して貼り合わされた第１及び第２部材を有する接着構造であって、前記接着層が、前記第１部材の接着領域に分散して配置された複数の接着部を有することを特徴とする。

また、本発明にかかる接着方法は、第１及び第２部材を接着層により貼り合わせる接着方法であって、前記第１部材の接着領域に複数の接着部を分散して配置する工程を有することを特徴とする。

この発明では、接着部を分散配置して各接着部による接着面積を小さくすることで、発生する応力が小さくなる。これにより、接着界面において発生する応力が緩和して、第１及び第２部材間の接着信頼性や耐久性が向上する。すなわち、各接着部において発生する応力は、接着部による接着面積が大きくなるにしたがって増大する。そこで、接着部を分散配置することで１つの接着部による接着面積を小さくして接着部ごとで接着を行うことで、１つの接着部において発生する応力が小さくなる。これにより、各接着部において発生する応力が抑制されるため、接着層全体として発生する応力が抑制される。
また、接着界面における応力の発生を軽減することで、接着部を構成する接着剤の接着力を有効に利用できる。

また、本発明にかかる接着構造は、前記接着層が、前記接着部よりも高い弾性を有して複数の該接着部の間を充填する充填部を有することが好ましい。
この発明では、接着部の間を弾性の高い充填部で充填することで、接着層による封止性が向上する。ここで、充填部が接着部よりも高い弾性を有しているため、各接着部において発生した応力の影響が充填部に及ぶことが防止される。

また、本発明にかかる接着構造は、前記複数の接着部が、島状に配置されていることが好ましい。
この発明では、接着部を島状にすることで各接着部の周囲の長さを短くなるため、各接着部において発生する応力をより確実に抑制できる。

また、本発明にかかる液滴吐出ヘッドは、液状体を吐出する吐出口を有する液滴吐出ヘッドであって、上記記載の接着構造を備えることを特徴とする。
また、本発明にかかる液滴吐出ヘッドの製造方法は、液状体を吐出する吐出口を有する液滴吐出ヘッドの製造方法であって、上記記載の接着方法を用いた接着工程を備えることを特徴とする。
この発明では、上述と同様に、接着界面において発生する応力が緩和されるため、接着信頼性や耐久性を向上させることができる。

以下、本発明における液滴吐出ヘッドの一実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。ここで、図１は液滴吐出ヘッドの斜視図、図２は図１の分解斜視図、図３は図１の断面図、図４は接着層を示す断面図及び平面図である。なお、以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を用い、ほぼ直方体形状を有する液滴吐出ヘッド１の水平面内における一辺方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸と直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸及びＹ軸方向と直交する方向であって各基板の積層方向である鉛直方向をＺ軸方向とする。また、＋Ｚ方向を上方、−Ｚ方向を下方とする。

［液滴吐出ヘッド］
本実施形態における液滴吐出ヘッド１は、インク（液状体）を液滴状にしてノズルから吐出するものである。
そして、液滴吐出ヘッド１は、図１から図３に示すように、ノズル基板（第２部材）１１と、ノズル基板１１の上面に設けられた流路形成基板（第１部材）１２と、流路形成基板１２の上面に設けられて圧電素子１３の駆動により変位する振動板１４と、振動板１４の上面に設けられた封止基板（第１部材）１５と、封止基板１５上に設けられて圧電素子１３を駆動する駆動回路部１６とを備えている。

ノズル基板１１は、例えばＳＵＳなどのステンレス鋼で構成されている。そして、ノズル基板１１には、貫通孔であってインクの液滴を吐出するノズル開口部（吐出口）２１が複数（６個）配列して形成されている。ここで、ノズル開口部２１の配列方向は、Ｙ軸方向となっている。そして、配列して形成された複数のノズル開口部２１によって、ノズル開口群２１Ａ〜２１Ｄが構成されている。ここで、ノズル開口群２１Ａ、２１ＢはＸ軸方向に関して対向配置されており、ノズル開口群２１Ｃ、２１ＤはＸ軸方向に関して対向配置されている。また、ノズル開口群２１Ｃはノズル開口群２１Ａに対して＋Ｙ側に形成され、ノズル開口群２１Ｄはノズル開口群２１Ｂに対して＋Ｙ側に形成されている。なお、図１では、ノズル開口群２１Ａ〜２１Ｄは、それぞれ６個のノズル開口部２１によって構成されているように示されているが、実際には例えば７２０個程度のノズル開口部２１によって構成されている。

流路形成基板１２は、例えばシリコンによって構成されており、異方性エッチングによって複数の貫通孔及びこの貫通孔の側壁から内部に向けてそれぞれ突出する複数の隔壁２２が形成されている。この複数の隔壁２２は、平面視でほぼ櫛歯状に形成されており、この貫通孔を区画している。また、流路形成基板１２の下面には、図４に示すように、ノズル基板１１がこの貫通孔の下面側を覆うように接着層２３を介して接着されている。

接着層２３は、ノズル基板１１との接着領域において分散して複数配置された接着部２３ａと、複数の接着部２３ａの間を充填する充填部２３ｂとを備えている。
接着部２３ａは、例えばエポキシ系の樹脂材料のような高い剛性を有する熱硬化性の接着剤で構成されている。そして、接着部２３ａは、平面視でほぼ矩形であって、流路形成基板１２の接着領域において隣接する他の接着部２３ａと離間するように島状に分散している。ここで、接着部２３ａは、引張剪断接着強さが例えば約３０ＭＰａであり、硬さが例えばＤ８０であり、２０℃における線膨張率が例えば６５×１０^−６／℃となっている。
充填部２３ｂは、例えばアクリル系の樹脂材料のように接着部２３ａよりも高い弾性及び低い接着力を有する熱硬化性の接着剤で構成されている。そして、充填部２３ｂは、接着部２３ａの間隙を埋めるように配置されている。ここで、充填部２３ｂは、引張強さが例えば約６ＭＰａであり、硬さが例えばＡ４４であり、２０℃における線膨張率が例えば約２２０×１０^−６／℃となっている。

また、流路形成基板１２に形成された貫通孔は、図１から図３に示すように、流路形成基板１２とノズル基板１１と振動板１４とで囲まれることにより複数（６個）の圧力発生室２４を形成する。
この圧力発生室２４は、ノズル開口群２１Ａ〜２１Ｄを構成するノズル開口部２１に対応してＹ軸方向に複数配列して形成されている。そして、ノズル開口群２１Ａに対応して形成された複数の圧力発生室２４によって圧力発生室群２４Ａが構成され、ノズル開口群２１Ｂに対応して形成された複数の圧力発生室２４によって圧力発生室群２４Ｂが形成され、ノズル開口群２１Ｃに対応して形成された複数の圧力発生室２４によって圧力発生室群２４Ｃが形成され、ノズル開口群２１Ｄに対応して形成された複数の圧力発生室２４によって圧力発生室群２４Ｄが形成される。ここで、圧力発生室群２４Ａ、２４ＢはＸ軸方向に関して対向配置され、圧力発生室群２４Ｃ、２４ＤはＸ軸方向に関して対向配置されている。
そして、圧力発生室２４の基板外縁部側の端部は、流路形成基板１２に形成された貫通孔である供給路２５に連通されており、この供給路２５を介して流路形成基板１２に形成された貫通孔である連通部２６により互いに連通されている。

振動板１４は、流路形成基板１２の上面に設けられた弾性膜２７と、弾性膜２７の上面に設けられた下電極膜２８とを備えている。弾性膜２７は、例えば厚さ１〜２μｍ程度の二酸化シリコンによって形成されている。また、下電極膜２８は、例えば厚さ０．２μｍ程度のＰｔ（白金）などによって形成されている。なお、下電極膜２８は、圧電素子１３に共通する電極となっている。

圧電素子１３は、図２及び図３に示すように、下電極膜２８の上面に設けられた圧電体膜３１と、圧電体膜３１の上面に設けられた上電極膜３２と、上電極膜３２の引出配線であるリード電極３３とを備えている。
ここで、圧電体膜３１は、例えば厚さ１μｍ程度の金属酸化物によって構成されている。また、上電極膜３２は、例えば厚さ０．１μｍ程度のＰｔなどによって構成されている。そして、リード電極３３は、例えば厚さ０．１μｍ程度のＡｕ（金）などによって構成されている。
また、圧電素子１３は、複数のノズル開口部２１及び圧力発生室２４のそれぞれに対応して複数設けられている。すなわち、圧電素子１３は、ノズル開口部２１ごと（圧力発生室２４ごと）に設けられている。そして、上述のように、下電極膜２８が複数の圧電素子１３の共通電極として機能し、上電極膜３２及びリード電極３３が複数の圧電素子１３の個別電極として機能する。

そして、ノズル開口群２１Ａを構成するノズル開口部２１と対応してＹ軸方向に複数並んで設けられた圧電素子１３により圧電素子群１３Ａが形成され、ノズル開口群２１Ｂと対応して設けられた圧電素子１３により圧電素子群１３Ｂが形成され、ノズル開口群２１Ｃと対応して設けられた圧電素子１３により圧電素子群（図示略）が形成され、ノズル開口群２１Ｄと対応して設けられた圧電素子１３により圧電素子群（図示略）が形成される。ここで、圧電素子群１３Ａ、１３ＢはＸ軸方向に関して対向配置され、ノズル開口群２１Ｃと対応する圧電素子群とノズル開口群２１Ｄと対応する圧電素子群とはＸ軸方向に関して対向配置されている。
なお、圧電素子１３は、圧電体膜３１、上電極膜３２及びリード電極３３に加えて下電極膜２８を含むものであってもよい。すなわち、本実施形態における下電極膜２８は、圧電素子１３としての機能と振動板１４としての機能とを兼ね備える構成としてもよい。また、本実施形態では、弾性膜２７及び下電極膜２８によって振動板１４が構成されているが、弾性膜２７を省略して下電極膜２８が弾性膜２７の機能を兼ね備える構成としてもよい。

封止基板１５は、図１から図３に示すように、例えば流路形成基板１２と同一材料であるシリコン単結晶によって形成されている。また、封止基板１５には、連通部２６のそれぞれと対応するリザーバ部３５がＹ軸方向に延びるように形成されている。このリザーバ部３５と上述した連通部２６とによってリザーバ３６が構成される。そして、封止基板１５には、各連通部２６の側壁に接続されて各連通部２６にインクを導入する導入路３７が形成されている。
また、封止基板１５の上面には、コンプライアンス基板（第２部材）４１が接合されている。このコンプライアンス基板４１は、封止膜４２及び固定板４３を有しており、封止基板１５と上述した接着層２３と同様の接着構造により接着されている。

封止膜４２は、例えば厚さ６μｍ程度のポリフェニレンスルフィドフィルムのような剛性が低く可撓性を有する材料によって形成されており、リザーバ部３５の上部を封止している。
また、固定板４３は、例えば厚さ３０μｍ程度のステンレス鋼のような金属などの硬質の材料によって形成されている。この固定板４３のうち、リザーバ部３５に対応する領域は、厚さ方向で完全に除去された開口部４４となっている。したがって、リザーバ部３５の上部は、可撓性を有する封止膜４２のみによって封止されているので、内部圧力の変化によって変形可能な可撓部４５となっている。また、リザーバ部３５の外側のコンプライアンス基板４１上には、導入路３７に連通してリザーバ部３５に機能液を供給するための機能液導入口４６が形成されている。

また、封止基板１５のうちＸ軸方向における中央部には、図２及び図３に示すように、Ｙ軸方向に延びる溝部４７が形成されている。この溝部４７により、封止基板１５は、圧力発生室群２４Ａに対応する圧電素子群１３Ａを封止する封止部４８Ａと、圧力発生室群２４Ｂに対応する圧電素子群１３Ｂを封止する封止部４８Ｂと、圧力発生室群２４Ｃに対応する上記圧電素子群を封止する封止部（図示略）と、圧力発生室群２４Ｄに対応する上記圧電素子群を封止する封止部（図示略）とに分けられる。
すなわち、封止基板１５のうち、圧電素子１３と対向する領域には、圧電素子１３の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で、その空間を密封可能な圧電素子保持部４９が形成されている。圧電素子保持部４９は、圧電素子群１３Ａ、１３Ｂなどの各圧電素子群を覆う大きさで形成されている。また、圧電素子１３のうち、少なくとも圧電体膜３１は、この圧電素子保持部４９内に密封されている。
圧電素子保持部４９によって封止されている圧電素子１３のうち、リード電極３３の基板中央部側の端部は、溝部４７において露出した流路形成基板１２上に配置されている。ここで、このように溝部４７において露出した流路形成基板１２上に位置するリード電極３３の一部が圧電素子１３の電気的接続部となっている。

駆動回路部１６は、それぞれ封止基板１５の上に圧電素子群１３Ａ、１３Ｂなどの各圧電素子群と対応して配設されている。この駆動回路部１６は、例えば回路基板または駆動回路を含む半導体集積回路（ＩＣ）を有している。また、駆動回路部１６は、液滴吐出ヘッド１の外部に設けられた外部コントローラ（図示略）と電気的に接続されており、液滴吐出ヘッド１がこの外部コントローラによって制御される。
そして、駆動回路部１６は、溝部４７において露出しているリード電極３３とワイヤ５１によって接続されている。なお、圧電素子１３の上電極膜３２とワイヤ５１とがリード電極３３を介して接続されているが、リード電極３３を設けずに上電極膜３２を溝部４７において露出させてワイヤ５１と接続する構成としてもよい。

［液滴吐出ヘッドの製造方法］
次に、以上のような構成の液滴吐出ヘッド１の製造方法について説明する。なお、本実施形態では、ノズル基板１１と流路形成基板１２との接着工程や封止基板１５とコンプライアンス基板４１との接着工程に特徴があるため、この点を中心に説明する。
まず、流路形成基板１２及び弾性膜２７を形成する。ここでは、流路形成基板１２を構成するシリコン基板に熱酸化処理を施すことで、ＳｉＯ_２で構成された弾性膜２７を形成する。そして、弾性膜２７上に下電極膜２８を設けて振動板１４を形成し、振動板１４上に圧電素子１３を形成する。続いて、流路形成基板１２を構成するシリコン基板にエッチング処理を施すことで、圧力発生室２４、供給路２５及び連通部２６を形成する。

次に、流路形成基板１２とノズル基板１１とを接着層２３により接着する接着工程を行う。ここでは、例えば液滴吐出法（インクジェット法）などを用いて流路形成基板１２の表面のうちノズル基板１１との接着領域に複数の接着部２３ａを島状に分散して配置する。そして、例えば液滴吐出法などを用いて島状に配置された接着部２３ａの間を充填部２３ｂで充填する。その後、ノズル基板１１の接着領域を接着層２３に当接させ、加熱処理を施して接着部２３ａ及び充填部２３ｂを加熱硬化し、流路形成基板１２とノズル基板１１とを接着させる。このとき、ノズル基板１１と流路形成基板１２との間の熱膨張係数の違いによって接着部２３ａに応力が発生するが、接着部２３ａが島状に分散配置されているので、この応力が緩和される。また、充填部２３ｂが各接着部２３ａ間を充填するので、ノズル基板１１と流路形成基板１２とが接着層２３により封止性よく接着される。以上のようにして、圧電素子１３が設けられた流路形成基板１２を形成する。

一方、流路形成基板１２とは別に、封止基板１５を構成するシリコン基板にエッチング処理を施すことで、リザーバ部３５や溝部４７、圧電素子保持部４９を形成する。次に、封止基板１５とコンプライアンス基板４１とを、上述した接着工程と同様の方法により接着層２３で接着する。以上のようにして、コンプライアンス基板４１が接着された封止基板１５を形成する。その後、流路形成基板１２と封止基板１５とを接合し、封止基板１５上に駆動回路部１６を実装する。以上のようにして、液滴吐出ヘッド１を製造する。

［液滴吐出ヘッドの動作］
このような構成の液滴吐出ヘッド１によりインクの液滴を吐出するには、上述した外部コントローラによって外部に設けられて機能液導入口４６に接続された機能液供給装置（図示略）を駆動する。そして、上記機能液供給装置から送出された機能液は、機能液導入口４６を介してリザーバ３６に供給されて後、ノズル開口部２１に至るまでの液滴吐出ヘッド１の内部流路を満たす。
また、上記外部コントローラは、封止基板１５上に実装された駆動回路部１６などに、例えば駆動電力や指令信号を送信する。そして、指令信号を受信した駆動回路部１６は、上記外部コントローラからの指令に基づく駆動信号を各圧電素子１３に送信する。これにより、圧力発生室２４に対応するそれぞれの下電極膜２８及び上電極膜３２の間に電圧が印加され、弾性膜２７、下電極膜２８及び圧電体膜３１に変位が生じ、この変位によって各圧力発生室２４の容積が変化して内部圧力が高まり、ノズル開口部２１から液滴が吐出される。

［液滴吐出装置］
以上のような液滴吐出ヘッド１は、図５に示すような液滴吐出装置１００に設けられる。この液滴吐出装置１００は、液滴吐出ヘッド１を備えるインクジェット式記録装置である。
液滴吐出ヘッド１は、インクカートリッジなどと連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成しており、液滴吐出装置１００に搭載されている。液滴吐出ヘッドを有する記録ヘッドユニット１０１、１０２には、インク供給手段を構成するカートリッジ１０３、１０４が着脱可能に設けられている。そして、この記録ヘッドユニット１０１、１０２を搭載したキャリッジ１０５が装置本体１０６に取り付けられたキャリッジ軸１０７に軸方向で移動自在に取り付けられている。

記録ヘッドユニット１０１、１０２は、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。そして、駆動モータ１０８の駆動力が複数の歯車（図示略）及びタイミングベルト１０９を介してキャリッジ１０５に伝達されることで、記録ヘッドユニット１０１、１０２を搭載したキャリッジ１０５がキャリッジ軸１０７に沿って移動するようになっている。一方、装置本体１０６には、キャリッジ軸１０７に沿ってプラテン１１０が設けられており、給紙ローラ（図示略）などにより給紙された紙などの記録媒体である記録シート１１１がプラテン１１０上に搬送されるようになっている。

以上のような構成の接続構造及び接着方法並びに液滴吐出ヘッド１及び液滴吐出ヘッド１の製造方法によれば、接着部２３ａを分散配置して接着界面において発生する応力を緩和し、ノズル基板１１と流路形成基板１２との間や封止基板１５とコンプライアンス基板４１との間における接着信頼性や耐久性の向上が図れる。そして、接着界面における応力の発生を軽減することで、接着部２３ａを構成する接着剤の接着力を有効に利用できる。
また、接着部２３ａの間を接着部２３ａよりも弾性の高い充填部２３ｂで充填することで、接着層２３による封止性の向上が図れる。
さらに、接着部２３ａを島状に配置して各接着部２３ａの周囲の長さを短くすることで、各接着部２３ａにおける応力の発生がより確実に抑制される。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、接着部が平面視でほぼ矩形状となっているが、隣接する接着部同士が離間していれば、他の形状であってもよい。また、接着部が島状に配置されているが、接着部において発生する応力を抑制できれば、ストライプ状など他の形状であってもよい。
また、流路形成基板に接着部及び充填部を配置した後にノズル基板と接着させているが、ノズル基板に接着部及び充填部を配置した後に流路形成基板を接着させてもよい。
そして、接着層が充填部を有しているが、十分な封止性を得ることができれば、充填部を有さない構成としてもよい。
さらに、液滴吐出ヘッドに本発明の接着構造を適用しているが、他の部材に本発明の接着構造を適用してもよい。

一実施形態の液滴吐出ヘッドを示す斜視図である。 図１の分解斜視図である。 図１の断面図である。 接着層を示すもので、（ａ）が断面図、（ｂ）が平面図である。 液滴吐出ヘッドを備える液滴吐出装置を示す斜視図である。

符号の説明

１ 液滴吐出ヘッド、１１ ノズル基板（第２部材）、１２ 流路形成基板（第１部材）、１５ 封止基板（第１部材）、２１ ノズル開口部（吐出口）、２３ 接着層、２３ａ 接着部、２３ｂ 充填部、４１ コンプライアンス基板（第２部材）

Claims (6)

1. 接着層を介して貼り合わされた第１及び第２部材を有する接着構造であって、
   前記接着層が、前記第１部材の接着領域に分散して配置された複数の接着部を有することを特徴とする接着構造。
2. 前記接着層が、前記接着部よりも高い弾性を有して複数の該接着部の間を充填する充填部を有することを特徴とする請求項１に記載の接着構造。
3. 前記複数の接着部が、島状に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の接着構造。
4. 第１及び第２部材を接着層により貼り合わせる接着方法であって、
   前記第１部材の接着領域に複数の接着部を分散して配置する工程を有することを特徴とする接着方法。
5. 液状体を吐出する吐出口を有する液滴吐出ヘッドであって、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の接着構造を備えることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
6. 液状体を吐出する吐出口を有する液滴吐出ヘッドの製造方法であって、
   請求項４に記載の接着方法を用いた接着工程を備えることを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。

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