JP2004042536A

JP2004042536A - 液体吐出方法、液体吐出ヘッド及び前記液体吐出ヘッドの製造方法

Info

Publication number: JP2004042536A
Application number: JP2002205570A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Iijima; 飯島　康
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-07-15
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2004-02-12

Abstract

【課題】液体吐出ヘッドの吐出効率、吐出力および吐出速度を向上させる。
【解決手段】吐出口３が形成され、固定端７ｂを支点とし、自由端７ａを自由端とした可動部７が一体的に形成されたノズル部材６が、接着層８により、発熱体２を有する基板１上に接着されている。可動部７は、液室４側へは自由に変位し（図中矢印Ｃ）、液流路５側への変位は狭窄部９に可動部７が当接することで、可動部７の変位量が制限される（図中矢印Ｄ）。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱エネルギ等による気泡の発生によって、所望の液体を吐出する液体吐出ヘッドの液体吐出方法、液体吐出ヘッド及び前記液体吐出ヘッドの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱等のエネルギをインクに与えることで、インクに急峻な体積変化（気泡の発生）を伴う状態変化を生じさせ、この状態変化に基づく作用力によって吐出口からインクを吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行なうインクジェット記録方法、いわゆるバブルジェット記録方法が従来知られている。このバブルジェット記録方法を用いる記録装置には、米国特許第４，７２３，１２９号明細書等の公報に開示されているように、インクを吐出するための吐出口と、この吐出口に連通するインク流路と、インク流路内に配されたインクを吐出するためのエネルギ発生手段としての電気熱変換体が一般的に配されている。
【０００３】
図１３に示す従来の液体吐出ヘッドの側断面模式図を用いてインクの吐出に関して説明する。
【０００４】
従来の液体吐出ヘッドは、基板１０１と、基板１０１上に設けられた発熱体１０２と、吐出口１０３が形成されたノズル部材１０６とで概略構成される。
【０００５】
発熱抵抗体からなる発熱体１０２は、液体１１４に膜沸騰を生じさせて気泡１１１を発生させるために利用される熱エネルギを発生する。
【０００６】
ノズル部材１０６は、液体１１４を吐出する吐出口１０３と、吐出口１０３の形成された液室１０４と、液室１０４に直接連通するための液体１１４が流れる液流路１０５とが形成されており、接着層１０８を介し基板１０１と接合されている。
【０００７】
上述の通り構成された従来の液体吐出ヘッドの発熱体１０２上に発生した気泡１１１は圧力Ｖ１〜Ｖ８を液体１１４に伝播しながら成長する。圧力Ｖ１〜Ｖ８のうち、圧力Ｖ３〜Ｖ６は比較的、吐出口１０３の方向へと圧力を伝播し、特に圧力Ｖ３、Ｖ４が液体１１４の吐出に大きく貢献する。
【０００８】
この様な記録方法によれば、品位の高い画像を高速、低騒音で記録することができると共に、この記録方法を行うヘッドではインクを吐出するための吐出口を高密度に配置することができるため、小型の装置で高解像度の記録画像、さらにカラー画像をも容易に得ることができるという多くの優れた点を有している。このため、バブルジェット記録方法は近年、複写機、ファクシミリ等の多くのオフィス機器に利用されており、さらに、捺染装置等の産業用システムにまで利用されるようになってきている。
【０００９】
このようにバブルジェット技術が多方面の製品に利用されるに従って、次のような様々な要求が近年さらにたかまっている。
【００１０】
例えば、エネルギ効率の向上の要求に対する検討としては、発熱体の表面を保護するための保護膜の厚さを調整するといった発熱体の最適化が挙げられている。この手法は、発生した熱の液体への伝搬効率を向上させる点で効果がある。
【００１１】
また、高画質な画像を得るために、インクの吐出スピードが速く、安定した気泡発生に基づく良好なインク吐出を行える液体吐出方法等を与えるための駆動条件が提案されたり、また、高速記録の観点から、吐出された液体の液室及び液流路内への充填（リフィル）速度の速い液体吐出ヘッドを得るために流路形状を改良したものも提案されている。
【００１２】
特開昭６３−１９９９７２号公報には、液流路へ向かうバック波を考慮した液流路構造が提案されている。このバック波は、吐出方向へ向かうエネルギでないため損失エネルギとして知られている。ここでは、発熱素子が形成する気泡の発生領域よりも離れ、かつ、発熱素子に関して吐出口とは反対側に位置する弁が開示されている。この弁は、板材等を利用する製造方法によって、流路の天井に貼り付いたように初期位置に位置し、気泡の発生に伴って、流路内へ垂れ下がる。この様に、バック波の一部を弁によって抑える。液体吐出に直接寄与しないバック波が流路内に発生した時点で、気泡により発生した圧力のうち、吐出に直接関係する圧力はすでに流路からの液体を吐出可能な状態としている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、バック波によって開く構造の弁機構を設けた場合には、インクの吐出のための気泡は液流路上流側にも当然のごとく成長し、その過程で液流路上部に配された弁機構が、成長する気泡の流れに対応しながら（流されながら）動くことになる。すなわち、弁機構が開口するまでには気泡の成長過程の大半の時間が過ぎてしまうことになる。そのため、本来の目的であるバック波を抑制して吐出エネルギの損失を十分に防止することができない場合があった。特に、高い駆動周波数で吐出するような記録装置に適用した場合、その周波数に対応できなくなってしまうおそれがあった。
【００１４】
本発明は、吐出効率、吐出力及び吐出速度を向上させ、リフィル時間を短縮できる液体吐出方法、液体吐出ヘッド及び前記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。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の液体吐出方法は、　液体を吐出する吐出口が形成された液室と、前記液室に連通する液流路と、前記液体に気泡を発生させる、前記液室に設けられた気泡発生手段と、前記液室内に設けられた変位可能な可動部とを有する液体吐出ヘッドを用いる液体吐出方法であって、
前記可動部が前記気泡の膨張に伴って液体を伝播する正圧により変位することで前記液室と前記液流路との連通部を実質的に塞ぐ工程と、
前記可動部が前記気泡の収縮に伴って液体を伝播する負圧により変位することで前記液室と前記液流路とを実質的に連通させる工程とを有する。
【００１６】
また、本発明の液体吐出ヘッド液体を吐出する吐出口が形成された液室と、前記液室に連通する液流路と、前記液体に気泡を発生させる、前記液室に設けられた気泡発生手段とを有する液体吐出ヘッドにおいて、
前記気泡の膨張時には前記膨張により前記液体を伝播した正圧により変位することで前記液室と前記液流路との連通部を実質的に塞ぎ、前記気泡の収縮時には前記収縮により前記液体を伝播した負圧により変位することで前記液室と前記液流路とを実質的に連通させる、前記液室に設けられた変位可能な可動部を有する。
【００１７】
以上の通り、本発明では、液室内に可動部が設けられており、気泡発生手段による気泡の膨張の際には、可動部は液体を伝播する正圧により変位して液室と液流路との連通部を実質的に塞ぐ。このため、液体を吐出させるための気泡の膨張時に発生するバック波による圧力の液流路側への伝播が阻止される。さらに、気泡の収縮の際には、可動部は液体を伝播する負圧により変位して液室と液流路とを実質的に連通するため、吐出された液量に相当する量の液体が速やかに供給される。
【００１８】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、気泡発生手段と吐出口とは対向して配置されているものであってもよいし、気泡発生手段が形成された基板と、吐出口が形成され、かつ、凹部が形成されたノズル部材とを接合することで液室及び液流路が形成されているものであってもよいし、可動部は、ノズル部材と一体的に形成され、ノズル部材側が固定端で、基板側が自由端となる片持ち梁であってもよいし、液体が流れていない状態で、自由端と基板側との距離が最短となる姿勢を保持しているものであってもよい。また、ノズル部材は高分子重合体からなるものでもよいし、気泡発生手段は、熱エネルギを発生させるための電気熱変換体を備えているものであってもよいし、電気熱変換体によって印加される熱エネルギにより、液体に生ずる膜沸騰を利用して吐出口から液体を吐出させるものであってもよい。
【００１９】
また、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、液体を吐出する吐出口が形成された液室と、前記液室に連通する液流路と、前記液体に気泡を発生させる気泡発生手段とを有する液体吐出ヘッドの製造方法において、
前記気泡の膨張に伴って液体を伝播する正圧により変位することで前記液室と前記液流路との連通部を実質的に塞ぎ、かつ、前記気泡の収縮に伴って液体を伝播する負圧により変位することで前記液室と前記液流路とを実質的に連通させる可動部を前記液室に形成する工程を有する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態に関して図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１に本発明の第１の実施形態の液体吐出ヘッドの側断面模式図を、また図２に、図１に示した液体吐出ヘッドの平面模式図を、図３に発熱体２が設けられた基体１７の拡大断面図をそれぞれ示す。
【００２１】
発熱体２の発熱面に実質的に平行に対面する様に吐出口３が配された、いわゆるサイドシュータータイプのヘッドであり、発熱体２が設けられた基板１と、発熱体２に対応した液室４及び液流路５を構成するための凹部及び液体を吐出する吐出口３が形成され、かつ、可動部７を有するノズル部材６とで概略構成される。
【００２２】
基板１には、発熱体２に電気信号を供給するための配線電極の他に、発熱体２を選択的に駆動するためのトランジスタ、ダイオード、ラッチ、シフトレジスタ等の機能素子が一体的に作り込まれている。
【００２３】
発熱体２は発熱抵抗体からなり、その寸法は本実施形態では３０μｍ×３０μｍで、基板１上に設けられており、液体に米国特許第４，７２３，１２９号明細書に記載されている様な膜沸騰を生じさせて気泡を発生させるために利用される熱エネルギを発生する。
【００２４】
また、発熱体２は図３に示すように、シリコン等からなる基体１７上に、絶縁及び蓄熱を目的として酸化シリコンまたは窒化シリコンからなる下部層１６を有する。その上に、発熱体２を構成するハフニウムボライド（ＨｆＢ_２）、窒化タンタル（ＴａＮ）、タンタルアルミニウム（ＴａＡｌ）等からなる０．０１〜０．２μｍ厚の発熱抵抗層１５と、パターニングされたアルミニウム等からなる０．２〜１．０μｍ厚の配線電極１４とが配されている。この配線電極１４から発熱抵抗層１５に電圧を印加し、配線電極１４の間に位置する発熱抵抗層１５に電流を流して発熱させる。
【００２５】
また、発熱抵抗層１５上に酸化シリコンやチッ化シリコン等からなる保護層１３が０．１〜２．０μｍ厚で形成されている。さらにその上には、タンタル等からなる０．１〜０．６μｍ厚の耐キャビテーション層２７が成膜されており、インク等の各種の液体から少なくとも発熱抵抗層１５を保護している。特に、気泡の発生、消泡の際に発生する圧力波や衝撃波は非常に強く、堅くてもろい酸化膜の耐久性を著しく低下させることがあるため、金属材料であるタンタル（Ｔａ）等が耐キャビテーション層２７として用いられる。
【００２６】
なお、前述の保護層１３及び耐キャビテーション層２７は必ずしも必須ではなく、このような保護層１３を必要としない発熱抵抗層１５の材料としては、例えばイリジウム−タンタル−アルミ合金等が挙げられる。
【００２７】
さらに、発熱体２として電気信号に応じて発熱する発熱抵抗層１５で構成されたものを示したが、これに限られることなく、吐出液を吐出させるのに十分な気泡を発泡液に生じさせることのできるものであればよい。例えば、レーザ等の光を受けることで発熱するような光熱変換体や高周波を受けることで発熱するような発熱体２であってもよい。
【００２８】
なお、前述の基体１７には、発熱抵抗層１５とこの発熱抵抗層１５に電気信号を供給するための配線電極１４とで構成される発熱体２の他に、この発熱体２を選択的に駆動するためのトランジスタ、ダイオード、ラッチ、シフトレジスタ等の機能素子が一体的に半導体製造工程によって作り込まれていてもよい。
【００２９】
ノズル部材６は、液体を吐出する吐出口３と、吐出口３の形成された液室４と、液室４に直接連通するための液体を流すための液流路５とがレーザ加工により形成されており、接着層８を介し基板１と接合される。図２に示すように液流路５の流路幅は、液室４の幅より狭く、液室４と液流路５との境界部に狭窄部９が形成されている。
【００３０】
また、ノズル部材６には上述したように、平板片持梁形状の可動部７が設けられている。この可動部７は、幅が液流路５の幅よりも広く、また、液室４内の液流路５側に液室４の天井から基板１に対して垂直に設けられている。可動部７は液室４の天井側に開放時の支点となる固定端７ｂと、基板１側に自由端７ａとを有し、ノズル部材６と同一部材からなる。本実施形態では可動部７、高分子フィルム（ポリイミド）にレーザ加工を施すことで形成されている。また、可動部７は、液流路５側へは狭窄部９に当接することより変位量が制限され（図１中矢印Ｃ）、液室４内方向へのみ大きく変位（図１中矢印Ｄ）する。
【００３１】
基板１と可動部７の自由端７ａとの間には、２μｍの間隔のスリット１０が形成されている。
【００３２】
スリット１０は、気泡が成長するときに、可動部７が変位する前に可動部７の周囲の隙間から気泡がすり抜けない程度の実質的に密閉な状態を形成している。可動部７の少なくとも自由端７ａは、気泡による圧力が及ぶ領域内に配されている。したがって図１において、液体が流れていない状態では可動部７より液室４側の領域Ａと液流路５側の領域Ｂとは実質的に隔離されている。
【００３３】
発熱体２の発熱面から熱が発生して液室４で気泡が発生すると、気泡の発生と成長に伴う圧力或いは成長する気泡に圧された可動部７の自由端７ａは、液流路５の狭窄部９により領域Ｂ側への変位が制限されるため、領域Ａと領域Ｂとが遮断されることで液室４はほぼ完全な密閉状態となり、これと同時に気泡の圧力により液体が吐出口３から吐出される。
【００３４】
なお、可動部７を含むノズル部材６を構成する材料としては、吐出する液体に対して耐溶剤性があり、可動部７として良好に動作するための弾性を有し、スリット１０が形成できるものであればよく、本実施形態では、ポリイミド等の高分子フィルム（本実施形態では、宇部興産のユーピレックス）を用いた。
【００３５】
なお、これ以外にノズル部材６の材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、メラミン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリブタジエン、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルサルフォン、ポリアリレート、ポリイミド、ポリサルフォン、液晶ポリマー（ＬＣＰ）等の近年のエンジニアリングプラスチックに代表される耐熱性、耐溶剤性、成型製、レーザ加工性の良好な樹脂、及びその化合物、もしくは、二酸化珪素、チッ化珪素、ニッケル、金、ステンレス等の金属、合金及びその化合物、もしくは表面にチタンや金をコーティングしたものを用いてもよい。
【００３６】
また、可動部７の厚さは、可動部７としての強度を達成でき、可動部７として良好に動作するという観点からその材質と形状等を考慮して決定すればよいが、０．５μｍ〜１０μｍ程度が望ましい。
【００３７】
図４は、発熱体２に印加される駆動信号の一例を示すグラフである。
【００３８】
横軸は発熱体２に印加される駆動信号の時間、縦軸はその電圧値を示す。発熱体２を駆動し、液体を吐出するためには、前述の発熱抵抗層１５に配線電極１４を介してに示されるような矩形パルスを印加し、配線電極１４間の発熱抵抗層１５を急峻に発熱させる。
【００３９】
本実施形態では、電圧２４Ｖ、パルス幅７μｓｅｃ、電流１５０ｍＡ、駆動信号を６ｋＨｚの周期で電気エネルギを発熱体２に印加した。
【００４０】
なお、駆動信号の条件はこれに限られることなく、発泡液を適正に発泡させることができる駆動信号であればよい。
【００４１】
図５は、本実施形態の液体吐出ヘッドの液流路に沿って切断した斜視図である。
【００４２】
共通液室２６は液流路５に吐出液を供給するためのものである。
【００４３】
次に、本実施形態の液体吐出ヘッドの液体の吐出動作について説明する。
【００４４】
図６（ａ）〜図６（ｃ）は本実施形態の液体吐出ヘッドの吐出動作を説明するための断面模式図である。
【００４５】
図６（ａ）は、発熱体２に電気エネルギ等のエネルギが印加される前の状態であり、発熱体２が熱を発生する前の初期状態を示している。可動部７の自由端７ａと基板１との間には所定の間隔のスリット１０が形成されている。また、液室４及び液流路５には液体で満たされている。
【００４６】
図６（ｂ）は、発熱体２に電気エネルギ等が印加されて発熱体２が発熱し、発生した熱によって膜沸騰に伴う気泡１１が発生し膨張することで、吐出液１２が吐出されようとしている状況を示している。
気泡１１の膨張により、液室４内の液体を伝播した正圧は可動部７を矢印Ｅの方向へと可動させる。しかし、可動部７の、矢印Ｅ方向への機械的変位は、ストッパとなる狭窄部９により制限される。これにより、液室４は実質的に密閉状態となり、気泡１１の膨張に伴う圧力は領域Ｂには伝播しない。また、この密閉状態は気泡１１の力を、大気に開放されている吐出口３の方へ集中させることとなる。この様にして、気泡１１の成長に基づく圧力波は、吐出口３に向けて直上方向に集中的に伝わる。この様な圧力波の直接的な伝播により、吐出液１２が滴として吐出口から高速、高吐出力、高吐出効率で吐出される（図６（ｃ）参照）。また、液室４が密閉され吐出に寄与する液体の容積が常に一定であるため毎回の吐出量が安定に吐出される。
【００４７】
図６（ｃ）は、気泡１１がその内部圧力の減少によって収縮し、消滅していく状態を示している。気泡１１の収縮による負圧により、可動部７が液室４の領域Ａ側に変位する（図中矢印Ｆ方向）。この時、領域Ａ及び領域Ｂは連通した状態になる。これに伴い、液流路５から液室４へは、吐出された液量に相当する量の液体が速やかに供給される。この液流路５から液室４への速やかなる液体の供給は、気泡１１によるバック波の影響を受けることがないため領域Ｂから領域Ａへの液体流れの一方向性が強いことと、可動部７が開き、液体の供給に対する可動部７の抵抗が低減されることとが並行してなされることによるものである。
【００４８】
なお、発熱体２上での気泡１１の消滅に伴い、吐出口３から上流側に向かって液体のメニスカス２５が後退するが、上述のように液体の供給が急速に達成されることで、液体が吐出口３の位置でメニスカス２５が形成され、定常状態に戻る。
【００４９】
また、以上の説明に用いた図１、図５、図６の基板１の表面は、発熱体２の発熱面と実質的に平坦につながり、発熱体２の表面が大きく落ち込んだ形状となっていない。このような場合、領域Ａへの液体の供給は、基板の表面に沿ってなされる。このため、発熱体２の発熱面上に液体が淀むことが抑制され、液体中に溶存していて析出した析出気泡や、消泡できずに残ったいわゆる残留気泡が除去され易く、また液体への蓄熱が高くなり過ぎることもない。従って、より安定した気泡の発生を高速に繰り返し行うことができる。なお、基板１の表面が実質的に平坦な内壁に限らず、図３に示したような発熱体表面となだらかにつながり、なだらかな内壁を有する液流路であればよく、発熱体２上に液体の淀みを生じたり液体中に大きな乱流を生じたりしない形状であればよい。
【００５０】
次に、気泡から液体への圧力伝搬について、本実施形態の液体吐出ヘッドにおける気泡から液体への圧力伝搬の状況を示す図である図７と、従来の液体吐出ヘッドにおける気泡から液体への圧力伝搬の状況を示す図とを比較しながら説明する。
【００５１】
図１３に示すように、従来の液体吐出ヘッドは、液流路１０５方向に発生した気泡１１１による圧力Ｖ７、Ｖ８の伝搬方向を規制する障害物はない。このため、気泡１１１は液流路１０５方向に大きく成長し、気泡１１１による圧力伝搬方向は、圧力Ｖ１〜Ｖ８のように気泡１１１の表面のほぼ垂直方向に沿った様々な方向を向いている。このうち、液吐出に最も影響を及ぼす吐出口１０３へ向かう圧力成分は、Ｖ３〜Ｖ６、すなわち吐出口１０３に近い側の圧力伝搬成分である。しかし、Ｖ３及びＶ４は吐出口１０３に最も近いため液吐出に効率よく寄与するが、Ｖ５及びＶ６の吐出口１０３へ向かう成分は比較的小さい。
【００５２】
これに対し、図７に示すように、本実施形態の場合には、可動部７により液室４と液流路５が遮断されることで、液室４は密閉状態となり、気泡１１の圧力伝搬成分Ｖ３〜Ｖ６を吐出口３の方へと導く。その結果、気泡１１の圧力が直接的に効率よく液吐出に寄与する。そして、気泡１１自体も吐出口３方向へ成長し、これにより気泡１１による圧力のほとんどすべてが吐出口３の方へ向けられる。このように、可動部７によって気泡１１の圧力伝搬方向のみならず気泡１１自体の成長をも制御することにより、吐出効率、吐出力及び吐出速度等の飛躍的な向上を達成することができる。
【００５３】
なお、吐出液に用いることができる記録液体として以下の表１に示すような組成のインクを用いて記録を行った。
【００５４】
【表１】

【００５５】
吐出力の向上によってインクの吐出速度が高くなったため、液滴の着弾精度が向上し非常に良好な記録画像を得ることができた。
【００５６】
以上により、気泡発生時に液室と液流路を実質的に遮断することで、液室内容積を一定になり毎回の吐出量が安定し、気泡及び気泡発生時の圧力の液流路への伝播を防ぐことで、吐出効率、吐出力及び吐出速度を飛躍的に向上させ、リフィル時間を短縮できる。
【００５７】
次に、上述した本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法について説明する。
【００５８】
液体吐出ヘッドの製造工程の概略は、次の通りである。
【００５９】
すなわち、基板１上のノズル部材６と対向した箇所に予め樹脂層を形成し、その上にレーザ加工によりノズル、可動部７、吐出口３、液流路５の形成されたノズル部材６を接合することにより、液体吐出ヘッドを製造する。
【００６０】
以下に、液体吐出ヘッドの製造工程の詳細に関して説明する。
【００６１】
まず、本実施形態の液体吐出ヘッドに用いられるノズル部材６の製造方法の一例を図８を用いて説明する。
【００６２】
ノズル部材６は、ポリイミド、ポリエステル、ポリサルフォン等の重合体物質であり、好ましくは１５〜２００μｍまでの間の厚みであり、２５〜７５μｍまでの間の厚みが最も好ましく、多くのノズルが連続して形成可能な、連続的な長尺の高分子フィルム１８の形態で供給される。複数の製造工程を通じて、長尺の高分子フィルム１８には、その搬送を補助するためのスプロケットホール（不図示）が形成されている。
【００６３】
高分子フィルム１８は、大径のリール１９上にセットされている。上述の第１及び第２の実施形態では、高分子フィルム１８としてポリイミド（宇部興産社のユーピレックス）を用いたが、その他にも東レ−デュポン社のカプトン等でもよい。
【００６４】
接着層８の接着剤は、塗布ローラ２０、不図示のスピンコータ等によって高分子フィルム１８上に塗布され、その後、乾燥させ、定着させた。また、この接着剤としては、エポキシ樹脂（主材として油化シェル社のエピコート１００１、硬化材として旭電化社のＳＰ１７０）を用いた。但し、その他にも、フェノール樹脂、レソルシノール樹脂、ユリア樹脂、エチレン尿素樹脂、フラン樹脂、ポリウレタン、シリコーン樹脂などが適用可能である。この接着剤からなる接着層８の厚みは２μｍとした。ただし、１〜２５μｍまでの間で良好な接着状態が得られた。
【００６５】
次に、レーザ２２から放射される所定数のパルスのレーザビームにより、高分子フィルム１８上に配されたフォトマスク２１を介して高分子フィルム１８のレーザ加工を行い、液流路５、可動部７、吐出口３、液室４等の各種機能構造を形成した。このレーザ加工工程は、レーザ２２を用いて、１，５００ｍＪ／ｃｍ^２のパワーで行った。本発明では、吐出口３の口径はφ３０μｍとした。レーザ発信源として、ＫｒＦエキシマレーザを用いた。その他の発信源として、Ｆ２、ＡｒＦ、ＫｒＣｌ、ＸｅＣｌ、ＹＡＧレーザを用いてもよい。
【００６６】
次いで、各機能構造を形成した高分子フィルム１８をブレード２３によりカットした。
【００６７】
次に基板１の製造方法について説明する。
【００６８】
図９（ａ）〜図９（ｄ）は、本発明の液体吐出ヘッドに用いられる基板１の製造方法の一例を示す図である。
【００６９】
図９（ａ）に示すように、シリコンウエハからなる基板１上に、半導体製造工程で用いるのと同様の製造装置を用いてハフニウムボライドや窒化タンタル等からなる発熱体２を有する電気熱変換素子を形成する。その後、次工程における感光性樹脂との密着性の向上を目的として基板１の表面を洗浄する。さらなる密着性の向上は、基板１の表面に紫外線−オゾン等による表面改質を行った後、例えばシランカップリング剤（日本ユニカ製：Ａ１８９）をエチルアルコールで１重量％に希釈した液を上記改質表面上にスピンコートすることで達成される。
【００７０】
次に、上記のようにして表面洗浄を行うことで密着性を向上させた基板１上に、図９（ｂ）に示すように、紫外線感光性樹脂フィルム（東京応化製：ドライフィルム　オーディルＳＹ−３１８）であるドライフィルム３０をラミネートした。
【００７１】
次に、図９（ｃ）に示すように、ドライフィルム３０上にフォトマスク３１を配し、このフォトマスク３１を介してドライフィルム３０のうち、ノズル部材６との接着領域として残す部分に紫外線Ｕを照射した。この露光工程は、キヤノン（株）製：ＭＰＡ−６００を用いて、約６００ｍＪ／ｃｍ^２の露光量で行った。
【００７２】
次に、図９（ｄ）に示すように、ドライフィルム３０を、キシレンとブチルセルソルブアセテートとの混合液からなる現像液（東京応化製：ＢＭＲＣ−３）で現像した。未露光部分を溶解し、露光して硬化した部分をノズル部材６との接着領域として形成した。さらに、基板１の表面に残った不要物を酸素プラズマアッシング装置（アルカンテック社製：ＭＡＳ−８００）で約９０秒間処理して取り除いた。引き続いて、１５０℃で２時間、さらに紫外線照射１００ｍＪ／ｃｍ^２を行い、露光部分を完全に硬化させた。
【００７３】
この後、バンプボンダー（九州松下製）を用いて、素子基板の電気接続部に金のスタッドバンプを形成した。シリコン基板を、厚さ０．０５ｍｍのダイヤモンドブレードを取り付けたダイシングマシン（東京精密製：ＡＷＤ−４０００）で各々の素子基板に切断、分離した。
【００７４】
次に、このようにして得られた基板１に対して、図１０に示すように、ノズル部材６を位置決めし、接合した。ノズル部材６の基板１に対する接合は、基板１の発熱体２が設けられた面に対して、ノズル部材６の接着剤８が対向するように配置し、ノズル部材６の吐出口３と基板１の発熱体２とを位置決めしたのち、加熱された加熱ツール２４によってノズル部材６を基板１に対して圧着し、その後キュア炉にて接着剤８を完全硬化させた。
【００７５】
以上の方法で可動部７を有する液体吐出ヘッドを組み立てた。
【００７６】
上述した製造方法によれば、メッキ等の複雑な製造工程を経ることなく容易に、かつ、位置ズレのない精度の高い可動部７を得ることができることに加え、液流路５、可動部７等をポリイミドで形成しているため、酸やアルカリ性の液体に強く信頼性の高い液体吐出ヘッドを提供することができる。
【００７７】
また、本例の製造方法によって製造された液体吐出ヘッドは、発熱体２とノズル３２とが高精度に位置決めされているので、発熱体２の発熱による発泡の圧力を効率よく受けることができ、吐出効率において優れたものとなる。
【００７８】
特に、ノズル部材６をエキシマレーザで一括して加工することで、液流路５と、可動部７と、ノズル３２との相対位置精度を高めることができる。また高密度に形成することも可能である。そして、これらの高密度、高精度製造技術により、吐出し安定化が図られ印字品位が向上した液体吐出ヘッドを得ることができる。また、基板１はウエハ上に、ノズル部材６は高分子フィルム１８上に一括形成することが可能なため、ヘッドを多量に低コストで製造することが可能である。
【００７９】
なお、本発明の液体吐出ヘッドのノズル部材６は、液流路５を一体的に作り込んだ樹脂の成形体に対してエキシマレーザを照射することにより、吐出口３を穿孔加工した溝付部材であってもよい。また、ニッケルの電鋳により、吐出口３が設けられたオリフィスプレートを形成し、オリフィスプレートの裏面に厚さ２５μｍのドライフィルムを配し、これをパターニングすることで可動部７と、液室４と、液流路５とを形成したものであってもよい。
（第２の実施形態）
次に、図１１に本発明の第２の実施形態の液体吐出ヘッドの側断面模式図を、また図１２に、図１１に示した液体吐出ヘッドの平面模式図をそれぞれ示す。
【００８０】
本実施形態の液体吐出ヘッドは、液室３４の両側に可動部３７と、液流路３５と、狭窄部３９とが設けられている点が第１の実施形態と異なるが、それ以外の構成は基本的に同様であるため、詳細の説明は省略する。
【００８１】
また、本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法も、第１の実施形態に示した製造方法と同様であるため、詳細の説明は省略する。
【００８２】
本実施形態も、第１の実施形態と同様に気泡の膨張時に液室と液流路を実質的に遮断することで、液室内容積を一定になり毎回の吐出量が安定し、気泡及び気泡発生時の圧力の液流路への伝播を防ぐことで、吐出効率、吐出力及び吐出速度を飛躍的に向上させ、リフィル時間を短縮できる。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、可動部が気泡の膨張に伴って液体を伝播する正圧により変位することで液室と液流路との連通部を実質的に塞ぐため、液体を吐出させるための気泡の膨張時に発生するバック波による圧力の液流路側への伝播が阻止される。また、可動部が気泡の収縮に伴って液体を伝播する負圧により変位することで液室と液流路とを実質的に連通されるため、吐出された液量に相当する量の液体が速やかに供給される。これらにより、気泡の膨張により発生する圧力エネルギが吐出口付近の液体に効率よく伝達されるとともに、液体の供給が速やかに行われるため、吐出効率、吐出力及び吐出速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の液体吐出ヘッドの側断面模式図である。
【図２】図１に示した液体吐出ヘッドの平面模式図である。
【図３】発熱体が設けられた基板の拡大断面図である。
【図４】発熱体に印加される駆動信号の一例を示すグラフである。
【図５】本発明の第１の実施形態の液体吐出ヘッドの斜視断面模式図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の液体吐出ヘッドの吐出動作を説明するための断面模式図である。
【図７】本発明の第１の実施形態の液体吐出ヘッドにおける、気泡から液体への圧力伝搬について説明する図である。
【図８】本発明の第１の実施形態の液体吐出ヘッドに用いられるノズル部材の製造方法の一例を説明する図である。
【図９】本発明の第１の実施形態のノズル部材の製造方法の一例を説明するための図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態の基板の製造方法の一例を説明するための図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態の液体吐出ヘッドの側断面模式図である。
【図１２】図１１に示した液体吐出ヘッドの平面模式図である。
【図１３】従来の液体吐出ヘッドの側断面模式図である。
【符号の説明】
１　　基板
２　　発熱体
３　　吐出口
４、３４　　液室
５、３５　　液流路
６　　ノズル部材
７、３７　　可動部
７ａ　　自由端
７ｂ　　固定端
８　　接着層
９、３９　　狭窄部
１０　　スリット
１１　　気泡
１２　　吐出液
１３　　保護層
１４　　配線電極
１５　　発熱抵抗層
１６　　下部層
１７　　基体
１８　　高分子フィルム
１９　　リール
２０　　塗布ローラ
２１、３１　　フォトマスク
２２　　レーザ
２３　　ブレード
２４　　加熱ツール
２５　　メニスカス
２６　　共通液室
２７　　耐キャビテーション層
３０　　ドライフィルム

Claims

液体を吐出する吐出口が形成された液室と、前記液室に連通する液流路と、前記液体に気泡を発生させる、前記液室に設けられた気泡発生手段と、前記液室内に設けられた変位可能な可動部とを有する液体吐出ヘッドを用いる液体吐出方法であって、
前記可動部が前記気泡の膨張に伴って液体を伝播する正圧により変位することで前記液室と前記液流路との連通部を実質的に塞ぐ工程と、
前記可動部が前記気泡の収縮に伴って液体を伝播する負圧により変位することで前記液室と前記液流路とを実質的に連通させる工程とを有することを特徴とする液体吐出方法。
前記可動部は前記液室の壁面を固定端とする片持ち梁であり、前記液体が流れていない状態では、前記可動部の自由端と、前記壁面と対向する別の壁面との距離が最短となる姿勢を保持する工程を含む請求項１に記載の液体吐出方法。
液体を吐出する吐出口が形成された液室と、前記液室に連通する液流路と、前記液体に気泡を発生させる、前記液室に設けられた気泡発生手段とを有する液体吐出ヘッドにおいて、
前記気泡の膨張時には前記膨張により前記液体を伝播した正圧により変位することで前記液室と前記液流路との連通部を実質的に塞ぎ、前記気泡の収縮時には前記収縮により前記液体を伝播した負圧により変位することで前記液室と前記液流路とを実質的に連通させる、前記液室に設けられた変位可能な可動部を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
前記気泡発生手段と前記吐出口とは対向して配置されている請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
前記気泡発生手段が形成された基板と、前記吐出口が形成され、かつ、凹部が形成されたノズル部材とを接合することで前記液室及び前記液流路が形成されている請求項３または４に記載の液体吐出ヘッド。
前記可動部は、前記ノズル部材と一体的に形成され、前記ノズル部材側が固定端で、前記基板側が自由端となる片持ち梁である請求項５に記載の液体吐出ヘッド。
前記可動部は、前記液体が流れていない状態で、前記自由端と前記基板側との距離が最短となる姿勢を保持している請求項６に記載の液体吐出ヘッド。
前記ノズル部材は高分子重合体からなる請求項５ないし７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
前記気泡発生手段は、熱エネルギを発生させるための電気熱変換体を備えている請求項３ないし８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
前記電気熱変換体によって印加される熱エネルギにより、液体に生ずる膜沸騰を利用して前記吐出口から液体を吐出させる請求項９に記載の液体吐出ヘッド。
液体を吐出する吐出口が形成された液室と、前記液室に連通する液流路と、前記液体に気泡を発生させる気泡発生手段とを有する液体吐出ヘッドの製造方法において、
前記気泡の膨張に伴って液体を伝播する正圧により変位することで前記液室と前記液流路との連通部を実質的に塞ぎ、かつ、前記気泡の収縮に伴って液体を伝播する負圧により変位することで前記液室と前記液流路とを実質的に連通させる可動部を前記液室に形成する工程を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。