JP2006150900A - 液体吐出ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 液滴の吐出速度の高速化、液滴の吐出量の安定化を図り、液滴の吐出効率を向上する。
【解決手段】 発泡室は、素子基板１１の主面を底面として供給路２８に連通され、ヒータ２０によって内部のインクに気泡が発生する第１の発泡室２９と、この第１の発泡室２９に連通された第２の発泡室３０とを有する。そして、ノズル２７は、第２の発泡室３０に連通された吐出口２６を含む吐出口部２５を有し、素子基板１１の主面に平行な断面で、第１の発泡室２９の平均断面積をＳ１、第２の発泡室３０の平均断面積をＳ２、吐出口部２５の平均断面積をＳ３とすれば、Ｓ２＞Ｓ１＞Ｓ３の関係を満たす。
【選択図】 図４

Description

本発明は、例えばインク滴等の液滴を吐出させて被記録材に記録を行うための液体吐出ヘッドおよびその製造方法に関し、特にインクジェット記録方式で記録を行う液体吐出ヘッドに関する。

インクジェット記録方式は、いわゆるノンインパクト記録方式の一つである。このインクジェット記録方式は、記録時に発生する騒音が無視し得る程度に小さく、高速記録が可能である。また、インクジェット記録方式は、種々の被記録材に対して記録が可能であり、いわゆる普通紙に対しても特別な処理を必要とせずにインクが定着して、しかも高精細な画像が廉価に得られることを挙げることができる。このような利点から、インクジェット記録方式は、コンピューターの周辺機器としてのプリンタばかりでなく、複写機、ファクシミリ、ワードプロセッサ等の記録手段として近年急速に普及している。

一般的に利用されているインクジェット記録方式のインク吐出方法には、インク滴を吐出するために用いられる吐出エネルギ発生素子として、例えばヒータ等の電気熱変換素子を用いる方法と、例えばピエゾ素子等の圧電素子を用いる方法とがあり、いずれの方法でも電気信号によってインク滴の吐出を制御することができる。電気熱変換素子を用いるインク吐出方法の原理は、電気熱変換素子に電圧を印加することにより、電気熱変換素子近傍のインクを瞬時に沸騰させて、沸騰時のインクの相変化により生じる急激な気泡の成長によってインク滴を高速に吐出させる。一方、圧電素子を用いるインク吐出方法の原理は、圧電素子に電圧を印加することにより、圧電素子を変位させてこの変位時に発生する圧力によってインク滴を吐出させる。

そして、電気熱変換素子を用いるインク吐出方法は、吐出エネルギ発生素子を配設するためのスペースを大きく確保する必要がなく、液体吐出ヘッドの構造が簡素で、ノズルの高集積化が容易であること等の利点がある。一方で、このインク吐出方法の固有の短所としては、電気熱変換素子が発生する熱等が液体吐出ヘッド内に蓄熱されることによって、飛翔するインク滴の体積が変動することや、消泡によって生じるキャビテーションが電気熱変換素子に及ぼす悪影響や、インク内に溶け込んだ空気が液体吐出ヘッド内の残留気泡となることで、インク滴の吐出特性や画像品質に及ぼす悪影響等があった。

これらの問題を解決するため、従来の液体吐出ヘッドとしては、記録信号によって電気熱変換素子を駆動させて発生した気泡を外気に通気させる構成が開示されている（特許文献１参照）。この構成を採用することにより、飛翔するインク滴の体積の安定化を図り、微少量のインク滴を高速に吐出することが可能となり、気泡の消泡時に発生するキャビテーションを解消することでヒータの耐久性の向上を図ること等が可能となり、更なる高精細画像が容易に得られるようになる。上述した特許文献１において、気泡を外気に通気させるための構成としては、電気熱変換素子と吐出口との間の最短距離を、従来に比して大幅に短くする構成が挙げられている。

この種の従来の液体吐出ヘッドについて説明する。図１５に示すように、従来の液体吐出ヘッドは、インクを吐出させる電気熱変換素子であるヒータ１２０が設けられた素子基板１１１と、この素子基板１１１に接合されてインクの流路を構成するオリフィス基板１１２とを備えている。オリフィス基板１１２は、インク滴を吐出する複数の吐出口１２６と、インクが流動する複数のノズルと、これら各ノズルにインクを供給する供給室１１８とを有している。ノズルは、ヒータ１２０によって内部のインクに気泡が発生する発泡室１２９と、この発泡室１２９にインクを供給する供給路１２８とを有している。図１６に示すように、素子基板１１１には、発泡室１２９内に位置してヒータ１２０が配設されている。また、素子基板１１１には、オリフィス基板１１２に隣接している主面の裏面側からインクを供給するための供給口１１９を有する供給室１１８が設けられている。そして、オリフィス基板１１２には、素子基板１１１上のヒータ１２０に対向する位置に吐出口１２６が設けられている。

以上のように構成された従来の液体吐出ヘッドは、供給口１１９から供給路１２８内に供給されたインクが、各ノズルに沿って供給されて、発泡室１２９内に充填される。発泡室１２９内に充填されたインクは、ヒータ１２０により膜沸騰されて発生する気泡によって、素子基板１１１の主面に対してほぼ直交する方向に飛翔されて、吐出口１２６からインク滴として吐出される。

そして、上述した液体吐出ヘッドを備える記録装置は、記録画像の更なる高画質出力、高品位画像、高解像度出力等を図るために、記録速度の更なる高速化が考慮されている。従来の記録装置では、記録速度を高速化するために、液体吐出ヘッドのノズルごとに吐出させるインク滴の吐出回数を増加する、すなわち吐出周波数を高くする試みが開示されている（特許文献２参照。）。

特に、特許文献２では、インクの流路を局所的に狭める空間や突起状の流体抵抗要素を供給口近傍に配設することによって、供給口から供給路へのインクの流れを改善する構成が提案されている。
特開平４−１０９４１号公報 米国特許第６，１５８，８４３号

ところで、上述した従来の液体吐出ヘッドは、インク滴を吐出する際、発泡室内に成長する気泡によって、発泡室内に充填されたインクの一部が供給路に押し戻されてしまう。このため、従来の液体吐出ヘッドでは、発泡室内のインクの体積が減少することに伴って、インク滴の吐出量が減少するという不都合がある。

また、従来の液体吐出ヘッドは、発泡室内に充填されたインクの一部が供給路に押し戻される際に、成長する気泡の供給路側に臨む圧力の一部が、供給路側に逃げ出したり、発泡室内の内壁と気泡との摩擦によって圧力損失が発生したりしてしまう。このため、従来の液体吐出ヘッドは、気泡の圧力が低下することに伴って、インク滴の吐出速度が低下するという問題がある。

また、従来の液体吐出ヘッドは、更なる高画質出力、高品位画像、高解像度出力等を得るため、吐出口の大きさを微小にしているので、吐出口に充填されたインクが固着しやすくなるといった問題がある。

また、従来の液体吐出ヘッドは、吐出口部まで充填されたインクが吐出口表面の大気中の雰囲気によってインクが蒸発され、インクの粘度が変動するので、吐出不良が生じるといった問題もある。

そこで、本発明は、液滴の吐出速度の高速化、液滴の吐出量の安定化を図り、液滴の吐出効率を向上することができる液体吐出ヘッドおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る液体吐出ヘッドは、
液滴を吐出させるためのエネルギを発生する吐出エネルギ発生素子と、
この吐出エネルギ発生素子が設けられた素子基板と、
液滴を吐出するためのノズルと、このノズルに液体を供給するための供給室とを有し、素子基板の主面に接合されたオリフィス基板とを備える。また、ノズルは、液滴を吐出する吐出口と、吐出エネルギ発生素子によって気泡が発生する発泡室と、この発泡室に液体を供給するための供給路とを有する。また、発泡室は、素子基板の主面を底面として供給路に連通され、吐出エネルギ発生素子によって内部の液体に気泡が発生する第１の発泡室と、この第１の発泡室に連通された第２の発泡室とを有する。そして、ノズルは、第２の発泡室に連通された吐出口を含む吐出口部を有し、素子基板の主面に平行な断面で、第１の発泡室の平均断面積をＳ１、第２の発泡室の平均断面積をＳ２、吐出口部の平均断面積をＳ３とすれば、Ｓ２＞Ｓ１＞Ｓ３の関係を満たす。

上述したように本発明に係る液体吐出ヘッドによれば、第２の発泡室の平均断面積が第１の発泡室の平均断面積よりも大きくされたことで、吐出口表面での液体の蒸発を抑制し、液体の増粘による吐出不能を回避し吐出動作の安定性を向上することができる。さらに、本発明によれば、使用する液体の成分や粘度の自由度を向上することができ、より一層良好な品位の印字を行うことができる。これにより、液体の吐出特性の向上、および吐出動作の信頼性の向上を図ることができる。

以下、本発明の具体的な実施形態について、インク等の液滴を吐出する液体吐出ヘッドを、図面を参照して説明する。

まず、本実施形態に係る液体吐出ヘッドの概略を説明する。本実施形態の液体吐出ヘッドは、インクジェット記録方式の中でも特に、液体のインクを吐出するために利用されるエネルギとして熱エネルギを発生する手段を備え、その熱エネルギによってインクの状態変化を生起させる方式が採用されたインクジェット記録ヘッドである。この方式が用いられることにより、記録される文字や画像等の高密度化および高精細化が達成されている。特に本実施形態では、熱エネルギを発生する手段として発熱抵抗素子を用い、この発熱抵抗素子によりインクを加熱して膜沸騰させたときに発生する気泡による圧力を利用してインクを吐出している。

詳細については後述するが、液体吐出ヘッドは、発熱抵抗素子である複数のヒータのそれぞれに、インクの流路であるノズルを個別に独立して形成するための隔離壁が、吐出口から供給口近傍まで延設された構成にされている。このような液体吐出ヘッドは、例えば特開平４−１０９４０号公報、特開平４−１０９４１号公報に開示されたインクジェット記録方法が適用されたインク吐出手段を有しており、インクの吐出時に発生する気泡が吐出口を介して外気に通気されている。

そして、液体吐出ヘッドは、図１に示すように、複数のヒータおよび複数のノズルを有し各ノズルの長手方向が互いに平行に配列された第１のノズル列１６と、供給口３６を挟んで第１のノズル列１６に対向する位置に配列された第２のノズル列１７とを備えている。

第１および第２のノズル列１６、１７は、いずれも隣接する各ノズルの間隔が６００ｄｐｉピッチに形成されている。また、第２のノズル列の各ノズル１７は、第１のノズル列１６の各ノズルに対して、隣接する各ノズルのピッチが互いに１／２ピッチずれて配列されている。

また、第１のノズル列１６と第２のノズル列１７は、吐出口から吐出されるインク滴の吐出量が互いに異ならせて構成されている。第１のノズル列１６と第２のノズル列１７は、吐出口の開口面積が互いに異なるととも、後述する素子基板の主面に平行なヒータの面積が互いに異なっている。さらに、第１のノズル列１６と第２のノズル列１７は、ヒータと吐出口との間の最短距離が等しくそれぞれ形成されている。

ここで、複数のヒータおよび複数のノズルが高密度に配列されている第１および第２のノズル列１６，１７を備える液体吐出ヘッドを最適化する概念について簡単に説明する。

一般に、液体吐出ヘッドの吐出特性に影響を及ぼす物理量としては、複数設けられたノズル内におけるイナータンス（慣性力）とレジスタンス（粘性抵抗）が大きく作用している。任意の形状の流路内を移動する非圧縮性流体の運動方程式は、以下に示す２式によって表される。
Δ・ｖ＝０ （連続の式） ・・・式１
（∂ｖ／∂ｔ）＋（ｖ・Δ）ｖ＝−Δ（Ｐ／ρ）＋（μ／ρ）Δ²ｖ＋ｆ （
ナビエ・ストークスの式） ・・・式２
式１および式２を、対流項および粘性項が充分に小さく、外力がないものとして近似すると、
Δ²Ｐ＝０ ・・・式３
となり、圧力が調和関数を用いて表される。

そして、液体吐出ヘッドの場合には、図２に示すような３開口モデル、および図３に示すような等価回路によって表現される。

イナータンスは、静止流体が急に動き出すときの「動き難さ」として定義される。電気的に表現すると、電流の変化を阻害するインダクタンスＬと似た働きをする。機械的なバネマスモデルでは、重さ（ｍａｓｓ）に相当する。

イナータンスを式で表すと、開口に圧力差を与えたときの、流体体積Ｖの２階時間微分、すなわち流量Ｆ（＝ΔＶ／Δｔ）の時間微分との比で表される。
（Δ²Ｖ／Δｔ²）＝（ΔＦ／Δｔ）＝（１／Ａ）×Ｐ ・・・式４
なお、Ａ：イナータンスとする。

例えば、擬似的に、密度ρ、長さＬ、断面積Ｓoとされたパイプ型の管流路を仮定すると、この擬似的な１次元流管路のイナータンスＡoは、
Ａo＝ρ×Ｌ／Ｓo
で表され、流路の長さに比例し、断面積に反比例することが分かる。

図３に示したような等価回路に基づいて、液体吐出ヘッドの吐出特性をモデル的に予測、解析することができる。

本発明の液体吐出ヘッドにおいて、吐出現象は、慣性流から粘性流に移行する現象とされている。特に、ヒータによる発泡室内での発泡初期においては、慣性流が主であり、逆に、吐出後期（すなわち、吐出口に生じたメニスカスがインク流路側に移動を開始したときから、毛細管現象によってインクが吐出口の開口端面まで充填されて復帰するまでの時間）においては、粘性流が主となる。その際、上述した関係式から、発泡初期には、イナータンス量の関係により、吐出特性、特に、吐出体積および吐出速度への寄与が大きくなり、吐出後期には、レジスタンス（粘性抵抗）量が、吐出特性、特に、インクのリフィルに要する時間（以下、リフィル時間と称する。）への寄与が大きくなる。

ここで、レジスタンス（粘性抵抗）は、式１と、
ΔＰ＝ηΔ²μ ・・・式５
となる定常ストークス流で記述され、粘性抵抗Ｂを求めることができる。また、吐出後期では、図２に示したモデルにおいて、吐出口近傍にメニスカスが生じて、主に毛細管力による吸引力により、インクの流動が生じるため、２開口モデル（１次元流モデル）で近似することができる。

すなわち、粘性流体を記述したポアズイユの式６から求めることができる。
（ΔＶ／Δｔ）＝（１／Ｇ）×（１／η）｛（ΔＰ／Δｘ）×Ｓ（ｘ）｝
・・・式６
ここで、Ｇ：形状因子である。また、粘性抵抗Ｂは、任意の圧力差に従って流れる流体に起因するため、
Ｂ＝∫₀ ^L｛（Ｇ×η）／Ｓ（ｘ）｝Δｘ ・・・式７
により、求められる。

上述した式７により、レジスタンス（粘性抵抗）は、密度ρ、長さＬ、断面積Ｓoであるようなパイプ型の管流路を仮定すると、
Ｂ＝８η×Ｌ／（π×Ｓo²） ・・・式８
となり、近似的にノズルの長さに比例し、かつ、ノズルの断面積の２乗に反比例する。

このように、液体吐出ヘッドの吐出特性、特に、吐出速度、インク滴の吐出体積、リフィル時間のいずれをも向上させるためには、イナータンスの関係から、ヒータから吐出口側へのイナータンス量を、ヒータから供給口側へのイナータンス量と比較して可能な限り大きくし、かつ、ノズル内のレジスタンスを小さくすることが、必要十分条件である。

本発明に係る液体吐出ヘッドは、上述した観点と、さらに、複数のヒータおよび複数のノズルを高密度に配設するという命題に対して、両方を満足させることを可能とする。

次に、本実施形態に係る液体吐出ヘッドについて、具体的な構成を図面を参照して説明する。

図４および図５に示すように、液体吐出ヘッドは、発熱抵抗素子である複数の吐出エネルギ発生素子としてのヒータ２０が設けられた素子基板１１と、この素子基板１１の主面に積層されて接合されて複数のインクの流路を構成するオリフィス基板１２とを備えている。

素子基板１１は、例えば、ガラス、セラミックス、樹脂、金属等によって形成されており、一般にはＳｉによって形成されている。

素子基板１１の主面上には、インクの流路毎に設けられたヒータ２０と、このヒータ２０に電圧を印加する電極（図示せず）と、この電極に電気的に接続された所定の配線パターンをなす配線（図示せず）とがそれぞれ設けられている。なお、図示しないが、ヒータ２０の代わりに、例えばピエゾ素子等の圧電素子が用いられてもよく、圧電素子に電圧を印加することによって、圧電素子を変位させてこの変位時に発生する圧力によってインク滴が吐出される。

また、素子基板１１の主面上には、蓄熱の発散性を向上させる絶縁膜（図示せず）が、ヒータ２０を被覆するように設けられている。また、素子基板１１の主面上には、気泡が消泡した際に生じるキャビテーションから主面を保護するための保護膜（図示せず）が、絶縁膜を被覆するように設けられている。

オリフィス基板１２は、樹脂材料によって厚さが２０〜７５μｍ程度に形成されている。オリフィス基板１２は、図４および図５に示すように、インク滴を吐出する複数の吐出口２６を有し内部をインクが流動する複数のノズル２７とを有している。

また、素子基板１１には、オリフィス基板１２に隣接する主面の裏面側から各ノズル２７にインクを供給するための供給口１９を有する供給室１８が設けられている。

ノズル２７は、インク滴を吐出する吐出口２６を有する吐出口部２５、ヒータ２０によって内部のインクに気泡を発生させる第１の発泡室２９と、吐出口部２５と第１の発泡室２９とを連通させる第２の発泡室３０と、第１の発泡室２９にインクを供給するための供給路２８とを有している。

また、各ヒータ２０は、図５に示すように、互いに平行に配列された複数のノズル２７を個々に区切るためのノズル壁３５で３方向が囲まれており、１方向が供給路２８に連通されている。

吐出口部２５は、第２の発泡室３０の上端面の開口に連通して設けられ、吐出口部２５の側壁面と第２の発泡室３０の側壁面との間に段差が形成されている。

吐出口部２５の吐出口２６は、素子基板１１上に設けられたヒータ２０に対向する位置に形成されている。本実施形態では、吐出口２６の直径が例えば７μｍ程度の丸孔にされている。なお、吐出口２６は、吐出特性上の必要に応じて、放射状をなすほぼ星形状に形成されてもよい。

図４に示すように、第２の発泡室３０は、側壁面が、素子基板１１の主面に直交する平面、換言すればオリフィス基板１２の厚み方向に直交する平面に対して、傾斜角θ２が１０°〜４５°の範囲内で傾斜されて、ヒータ２０の主面に平行な断面で、その断面積が吐出口２６側に向かって縮小されている。また、第２の発泡室３０の上端面は、段差をもって吐出口部２５の下端の開口に連通されている。

一般に発泡室をエッチング処理によって形成する場合には、傾斜角θ２が、１０°〜４５°の範囲内であれば側壁面を傾斜させて容易に形成することができる。そして、この範囲内で側壁面が傾斜されることで、ノズル２７内で吐出口２６側に向かってインクを良好に流動させることが可能になり、気泡の圧力損失を低減し、吐出速度の向上を図ることができる。

上述のノズル２７の構成では、第１の発泡室２９の側壁面および吐出口部２５の壁面がヒータ２０の主面に直交する方向に平行にそれぞれ形成され、第２の発泡室３０の側壁面のみが傾斜角θ２で傾斜される構成にされたが、第１の発泡室２９の側壁面および吐出口部２５の壁面も、第２の発泡室３０の側壁面と同様に所望の傾斜角で傾斜されてもよい。

以下、他のノズル２７の構成として、第１の発泡室２９の側壁面、吐出口部２５の壁面が傾斜された構成を説明する。なお、他の構成のノズル２７において、便宜上、形状が異なる各発泡室および吐出口部にも同一符号を付している。

他のノズル２７の構成として、図６に示すように、第１の発泡室２９は、側壁面が、素子基板１１の主面に直交する平面に対して、傾斜角θ１が１０°〜４５°の範囲内で傾斜されて、ヒータ２０の主面に平行な断面で、その断面積が吐出口２６側に向かって縮小されている。また、第１の発泡室２９の上端面は、段差をもって第２の発泡室３０の下端の開口に連通されている。

また、図示しないが、供給路２８の少なくとも一部では、供給路２８の側壁面も同様に、傾斜角が１０°〜４５°の範囲内で傾斜されており、素子基板１１の主面に平行な断面で、その断面積が、オリフィス基板１２の吐出口２６側に位置する表面側に向かって縮小されている。換言すれば、供給路２８の少なくとも一部で、インクの流動方向に直交する平面上での供給路２８の幅が、オリフィス基板１２の厚み方向に沿って変化されている。

更に他の構成のノズル２７として、図７に示すように、吐出口部２５は、壁面が、素子基板１１の主面に直交する平面に対して、傾斜角θ１が１０°以下で傾斜されて、ヒータ２０の主面に平行な断面で、その断面積が吐出口２６側に向かって縮小されている。 なお、上述した実施形態に係るノズル２７では、第１および第２の発泡室２９，３０、吐出口部２５のいずれかの側壁面が傾斜される構成が採られたが、必要に応じて、第１の発泡室２９の側壁面、第２の発泡室３０の側壁面、吐出口部２５の壁面がそれぞれ傾斜される構成が組み合わされてもよい。また、第１および第２の発泡室２９，３０、吐出口部２５の側壁面がヒータ２０の主面に直交する方向に平行にそれぞれ形成されてもよいことは勿論である。

そして、第２の発泡室３０の平均的な断面積は、素子基板１１の主面に平行な断面で、第１の発泡室２９の平均的な断面積に比べて大きされており、第１の発泡室２９と第２の発泡室３０との連通部分に段差形状をなすように形成されている。また、第１の発泡室２９の平均的な断面積は、素子基板１１の主面に平行な断面で、吐出口部２６の平均的な断面積に比べて大きされており、吐出口部２６と第２の発泡室３０との連通部分に段差形状をなすように形成されている。

すなわち、ノズル２７は、素子基板１１の主面に平行な断面で、第１の発泡室２９の平均断面積Ｓ１、第２の発泡室３０の平均断面積Ｓ２、吐出口部２５の平均断面積Ｓ３は、
Ｓ２＞Ｓ１＞Ｓ３
の関係を満たすような構造に形成されている。

また、第１の発泡室２９と第２の発泡室３０は、段差をもって連通され、素子基板１１の主面に平行な断面で、第１の発泡室２９の断面積よりも第２の発泡室３０の断面積が大きくされている。また、第２の発泡室３０と吐出口部２６は、段差をもって連通され、素子基板１１の主面に平行な断面で、第２の発泡室３０の断面積が吐出口部２６の断面積よりも大きくされている。

また、第１の発泡室２９は、供給路２８の延長上にあり、吐出口２６に対向する底面がほぼ矩形状をなすように形成されている。

ここで、ノズル２７は、吐出口２６と素子基板１１の主面に平行なヒータ２０の主面との間の最短距離ＯＨが７５μｍ以下となるように形成されている。

ノズル２７では、ヒータ２０の主面に平行な第１の発泡室２９の上端面と、第１の発泡室２９に隣接する供給路２８の主面に平行な上端面とが、供給口１９まで同一平面で連続している。

供給路２８は、一端が第１の発泡室２９に連通されるとともに他端が供給室１８に連通されて形成されている。また、供給路２８は、素子基板１１の主面からの高さが、第２の発泡室３０の上端面までの高さ以下にされている。

また、ノズル２７は、図４および図５に示すように、素子基板１１の主面に対向する内壁面が、供給口１９から第１の発泡室２９にわたって素子基板１１の主面に平行になるようにそれぞれ形成されている。また、ノズル２７は、吐出口２６から吐出されるインク滴の吐出方向と、供給路２８内を流動するインクの流動方向とが直交するように形成されている。また、ノズル２７は、吐出口２６から供給室１８に至る流路の断面積が、複数の段階で変化するように構成されてもよい。

また、供給室１８内には、供給口１９に隣接する位置に、各ノズル２７毎にインク中の塵を濾過して除去するための円柱状のノズルフィルタ（不図示）が、素子基板１１とオリフィス基板１２とに跨ってそれぞれ立設されている。このノズルフィルタは、供給口１９から例えば２０μｍ程度離れた位置に設けられている。また、供給室１８内の各ノズルフィルタの間隔は、例えば１０μｍ程度とされている。このノズルフィルタによって、供給路２８および吐出口２６に塵埃が詰まることが防止されて、良好な吐出動作が確保される。

以上のように構成された液体吐出ヘッドについて、インク滴を吐出口２６から吐出する動作を説明する。

まず、液体吐出ヘッドでは、供給室１８内に供給されたインクが、供給口１９から第１および第２のノズル列１６，１７の各ノズル２７にそれぞれ供給される。各ノズル２７に供給されたインクは、供給路２８に沿って流動して第１の発泡室２９内に充填される。第１の発泡室２９内に充填されたインクは、ヒータ２０により膜沸騰されて発生する気泡の成長圧力によって、素子基板１１の主面に対してほぼ直交する方向に飛翔させられて、吐出口部２５の吐出口２６からインク滴として吐出される。

以上のように構成された液体吐出ヘッドの製造方法について、図８、図９、図１０および図１１を参照して簡単に説明する。なお、図１１は、図８、図９および図１０に示す横断面図に直交する縦断面図である。

第１の工程は、図８（ａ）に示すように、主面にヒータ２０が設けられた素子基板１１上に、第１の発泡室２９、供給路２８および第２の発泡室３０を構成する溶解可能なポジレジストを塗布する工程である。図８（ｂ）に示すように、素子基板１１のヒータ２０が配設された主面上に、ポリメチルイソプロペニルケトン（ＰＭＩＰＫ）を主成分とする溶解可能な第１のポジ型レジスト１３をスピンコート法によって塗布する。続いて、図８（ｃ）および図１１（ａ）に示すように、第１のポジ型レジスト１３上にメタクリル酸エステルを含むポリメタクリレート（ＰＭＭＡ）を主成分とする溶解可能な第２のポジ型レジスト１４をスピンコート法によって塗布する。

第２の工程は、第２の発泡室３０と第１の発泡室２９を、上述した本発明の特徴である形状にパターン形成する工程である。図８（ｄ）および図１１（ｂ）に示すように、露光装置（ウシオ電機製：ＵＸ−３０００ＳＣ）に、波長選択手段として波長２６０ｎｍ以上のＤｅｅｐ−ＵＶ光を遮断する遮光フィルタを装着することで、波長２６０ｎｍ未満のみを透過させ、波長が２１０〜２６０ｎｍ付近のＤｅｅｐ−ＵＶ光を照射させて、マスク２２を用いてメタクリル酸エステルを含むポリメタクリレート（ＰＭＭＡ）の第２のポジ型レジスト１４を露光し、現像することで、第２の発泡室３０および供給路２８の上層部をパターニングする。

次に、図８（ｅ）および図１１（ｃ）に示すように、露光装置（ウシオ電機製：ＵＸ−３０００ＳＣ）に、波長選択手段として波長２６０ｎｍ未満のＤｅｅｐ−ＵＶ光を遮断する遮光フィルタを装着することで、波長２６０ｎｍ以上のみを透過させ、波長が２６０〜３３０ｎｍ付近のＮｅａｒ−ＵＶ光を照射させて、マスク２３を用いてＰＭＩＰＫを主成分とする第１のポジ型レジスト１３を露光し、現像することで、第１の発泡室２９および供給路２８の下層部をパターニングする。ここで第１のポジ型レジストをＰＭＩＰＫ、第２のポジ型レジストをＰＭＭＡにしたが、本発明は選択的にパターニングができればよいので、第１のポジ型レジストをＰＭＭＡ、第２のポジ型レジストをＰＭＩＰＫに変更しても何ら問題はない。

第３の工程は、オリフィス基板１２に吐出口部２６を形成する工程である。図９（ａ）に示すように、オリフィス基板１２の材料となる光カチオン重合開始材を含むエポキシ樹脂２１をスピンコートによって塗布し、９０℃で３分間のプリベークを行う。続いて、図９（ｂ）および図１１（ｄ）に示すように、インクを撥水させる撥水材１５をダイレクトコートにて塗布する。その後、図９（ｃ）および図１１（ｅ）に示すように、露光装置（キヤノン製：マスクアライナーＭＰＡ−６００ｓｕｐｅｒ）を使用し、マスク２４を用いて０．２Ｊ／ｃｍ²の露光量で露光し、ＰＥＢ（Post Exposure Bake）／現像することによって吐出口部２５を形成する。その後、１００℃程度に加熱してオーブンに投入し、エポキシ樹脂２１を半硬化させる。

第４の工程は、供給口１９から吐出口２６までの流路をなすノズル２７を形成する工程である。アルカリ溶液から保護するためにオリフィス基板１２全面を覆うように環化イソプレンを塗布する。続いて、図１０（ａ）に示すように、シリコンである素子基板１１を濃度２２％、８３℃のテトラメチルマンモニウムハイドライド（ＴＭＡＨ）に１６時間浸し、供給口１９を形成する。また、供給口１９を形成するためにマスクおよびメンブレンとして使用する窒化シリコンを予め素子基板１１にパターニングしておく。このように異方性エッチングした後に、素子基板１１の裏面が上向きになるようにドライチング装置に装着し、ＣＦ₄ガスに５％の酸素を混合してなる混合ガスでメンブレン膜を除去し、キシレンによって環化イソプレンを除去した。

その後、低圧水銀灯を用いて波長３３０ｎｍ以下の電離放射線をオリフィス基板１２全面に向けて照射し、ＰＭＩＰＫを主成分とする第１の電離放射性分離型ポジレジスト１４と、ＰＭＭＡを主成分とする第２の電離放射性分離型ポジレジスト１３とを分解反応させる。続いて、素子基板１１全体を乳酸メチルに浸し、各レジスト１３，１４を一括除去する。

最後に、オリフィス基板１２となるエポキシ樹脂２１を、２００℃程度に加熱してオーブンで完全硬化させることによって、図１０（ｂ）および図１１（ｆ）に示すような液体吐出ヘッドが作製される。

上述したように本実施形態の液体吐出ヘッドによれば、ノズル２７内で流路の高さ、幅、あるいは断面積が変化しており、かつ、素子基板１１の主面から吐出口２６に至る方向に沿って、一旦第２の発泡室３０でインクの体積が増加するように構成されており、吐出口２６付近は、インク滴が吐出される際に、吐出されるインク滴が、素子基板１１の主面に対して垂直な方向に吐出される構成にされている。

つまり、本実施形態に係る液体吐出ヘッドによれば、第２の発泡室３０の平均断面積Ｓ２が第１の発泡室２９の平均断面積Ｓ１よりも大きくされたことで、吐出口２６表面でのインクの蒸発を抑制し、インクの増粘による吐出不能を回避し、吐出動作の安定性を向上することができる。さらに、この液体吐出ヘッドによれば、使用するインクの成分や粘度の自由度を向上することができ、より一層良好な品位の記録（印字）を行うことができる。これにより、吐出特性の向上、吐出動作の信頼性の向上を図ることができる。

なお、図示しないが、供給路２８の素子基板１１の主面に平行な上面の一部は、第１の発泡室２９の上端面と同一平面で連続する供給路２８の上面よりも高くされて段差によって接続されており、供給路２８の素子基板１１の主面からの高さが最大となる最大高さが、素子基板１１の主面から第２の発泡室３０の上端面までの高さよりも低くされるように構成されてもよい。また、第１の発泡室２９、第２の発泡室３０および吐出口部２６の各体積の総和は、供給路２８の体積よりも小さくなるように形成されてもよい。

以下、各実施例について説明する。各実施例において、基本構成が上述した実施形態と同様であるため、実施形態と異なる構成について説明する。

（実施例１）
上述した液体吐出ヘッドは、図４，図５および図１１（ｆ）に代表的に示したように、ヒータ２０を加熱することによって発生する気泡が吐出口２６を介して外気と連通される構造をなす。そのため、吐出口２６から吐出されるインク滴の体積は、ヒータ２０と吐出口２６との間に位置するインクの体積、すなわち第１の発泡室２９と第２の発泡室３０と吐出口部２５内にそれぞれ充填されたインクの総体積に大きく依存する。言い換えれば、吐出されるインク滴の体積は、液体吐出ヘッドのノズル２７部分の構造によってほぼ決定される。

したがって、本実施例の液体吐出ヘッドによれば、インクムラがない高品位な画像を記録することができた。なお、実施例１の液体吐出ヘッドでは、構造として気泡を外気に通気させるために、ヒータ２０の主面と吐出口２６との間の最短距離ＯＨが３０μｍ以下にされている。上述したように、液体吐出ヘッドは、第２の発泡室３０の体積を比較的大きくすることによって、インク滴を安定した吐出量で飛翔させることができた。

（実施例２）
本実施例の液体吐出ヘッドは、構造として、図１２に示すように、実施例１の液体吐出ヘッドに比べて、オリフィス基板１２の厚み方向に平行な吐出口部２５の長さが大きく、すなわちヒータ２０の主面と吐出口２６との間の最短距離ＯＨが長くされており、その最短距離ＯＨが３０μｍ〜７５μｍ程度にされている。これに伴って吐出口部２５の体積は、実施例１の吐出口部２５と異なっているが、実施例１と同様に、第１の発泡室２９の平均断面積Ｓ１、第２の発泡室３０の平均断面積Ｓ２、吐出口部２５の平均断面積Ｓ３は、
Ｓ２＞Ｓ１＞Ｓ３
の関係を満たすような構造に形成されている。

通常、吐出口部２５が細長い筒状に形成された場合、インクの蒸発によって固着しやすくなるが、本実施例の液体吐出ヘッドによれば、実施例１と同様に、吐出不良がない画像を記録することができた。上述したように、液体吐出ヘッドによれば、第２の発泡室３０の平均断面積Ｓ２を大きくすることによって、インク滴を安定した吐出量で飛翔させることができた。

（実施例３）
本実施例の液体吐出ヘッドは、図１３および図１４に代表的な構造を示すように、供給路２８と第１の発泡室２９との間にノズル壁３５の一部３５ａが突出して設けられ隔離されており、供給口１９から供給されたインクが、第２の発泡室３０から吐出口部２５と第１の発泡室２９内にそれぞれ充填される。このため、この液体吐出ヘッドによれば、発泡後のリフィル時間が、従来の液体吐出ヘッドよりも短縮されて、より一層の高速記録が可能になった。

実施形態の液体吐出ヘッドの概略を説明するための斜視図である。 実施形態の液体吐出ヘッドを３開口モデルで示す模式図である。 実施形態の液体吐出ヘッドを等価回路で示す模式図である。 実施形態の液体吐出ヘッドの構造を説明するための縦断面図である。 実施形態の液体吐出ヘッドの構造を説明するための透視平面図である。 第１の発泡室の他の例を説明するための縦断面図である。 吐出口部の他の例を説明するための縦断面図である。 実施形態の液体吐出ヘッドの第１および第２の製造工程を説明するための横断面図である。 実施形態の液体吐出ヘッドの第３の製造工程を説明するための横断面図である。 実施形態の液体吐出ヘッドの第４の製造工程を説明するための横断面図である。 実施形態の液体吐出ヘッドの各製造工程を説明するための縦断面図である。 実施例２の液体吐出ヘッドの構造を説明するための縦断面図である。 実施例３の液体吐出ヘッドの構造を説明するための横断面図である。 実施例３の液体吐出ヘッドの構造を説明するための平面図である。 従来の液体吐出ヘッドの構造を説明するための横断面図である。 従来の液体吐出ヘッドの構造を説明するための平面図である。

符号の説明

１１ 素子基板
１２ オリフィス基板
１３ 第１のポジレジスト
１４ 第２のポジレジスト
１５ 撥水材
１６ 第１のノズル列
１７ 第２のノズル列
１８ 供給室
１９ 供給口
２０ ヒータ
２１ エポキシ樹脂
２５ 吐出口部
２６ 吐出口
２７ ノズル
２８ 供給路
２９ 第１の発泡室
３０ 第２の発泡室
３５ ノズル壁

Claims (15)

1. 液滴を吐出させるためのエネルギを発生する吐出エネルギ発生素子と、
   前記吐出エネルギ発生素子が設けられた素子基板と、
   液滴を吐出するためのノズルと、該ノズルに液体を供給するための供給室とを有し、前記素子基板の主面に接合されたオリフィス基板と
   を備え、前記ノズルが、液滴を吐出する吐出口と、前記吐出エネルギ発生素子によって気泡が発生する発泡室と、該発泡室に液体を供給するための供給路とを有する液体吐出ヘッドにおいて、
   前記発泡室は、前記素子基板の主面を底面として前記供給路に連通され、前記吐出エネルギ発生素子によって内部の液体に気泡が発生する第１の発泡室と、該第１の発泡室に連通された第２の発泡室とを有し、
   前記ノズルは、前記第２の発泡室に連通された前記吐出口を含む吐出口部を有し、前記素子基板の主面に平行な断面で、前記第１の発泡室の平均断面積をＳ１、前記第２の発泡室の平均断面積をＳ２、前記吐出口部の平均断面積をＳ３とすれば、
   Ｓ２＞Ｓ１＞Ｓ３
   の関係を満たすことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記第１の発泡室と前記第２の発泡室は段差をもって連通され、前記素子基板の主面に平行な断面で、前記第１の発泡室の断面積よりも前記第２の発泡室の断面積が大きく、
   前記第２の発泡室と前記吐出口部は段差をもって連通され、前記素子基板の主面に平行な断面で、前記第２の発泡室の断面積が前記吐出口部の断面積よりも大きい請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記供給路は、前記素子基板の主面からの高さが、前記第２の発泡室の上端面までの高さ以下である請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 液滴を吐出させるためのエネルギを発生する吐出エネルギ発生素子と、
   前記吐出エネルギ発生素子が設けられた素子基板と、
   液滴を吐出するためのノズルと、該ノズルに液体を供給するための供給室とを有し、前記素子基板の主面に接合されたオリフィス基板と
   を備え、前記ノズルが、液滴を吐出する吐出口と、前記吐出エネルギ発生素子によって気泡が発生する発泡室と、前記発泡室に液体を供給するための供給路とを有する液体吐出ヘッドにおいて、
   前記発泡室は、前記吐出エネルギ発生素子によって内部の液体に気泡が発生する第１の発泡室と、前記第１の発泡室に連通された第２の発泡室とを有し、前記第１の発泡室と前記供給路とが、ノズル壁の一部によって隔離され、前記供給路が前記第２の発泡室に連通され、
   前記ノズルは、前記第２の発泡室に連通された前記吐出口を含む吐出口部を有し、前記素子基板の主面に平行な断面で、前記第１の発泡室の平均断面積をＳ１、前記第２の発泡室の平均断面積をＳ２、前記吐出口部の平均断面積をＳ３とすれば、
   Ｓ２＞Ｓ１＞Ｓ３
   の関係を満たすことを特徴とする液体吐出ヘッド。
5. 前記第１の発泡室および前記第２の発泡室は、互いに平行に配列された複数のノズルを個々のノズルに区切るためのノズル壁で３方向が囲まれ、
   前記第１の発泡室と前記供給路は、各壁面が前記素子基板の主面に直交する平面に対して、傾斜角が４５°以下で傾斜され、前記吐出口側に向かって縮小されている請求項１〜４のいずれかに１項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記第１の発泡室および前記第２の発泡室は、互いに平行に配列された複数のノズルを個々のノズルに区切るためのノズル壁で３方向が囲まれ、
   前記第２の発泡室は、壁面が前記素子基板の主面に直交する平面に対して、傾斜角が４５°以下で傾斜され、前記吐出口側に向かって縮小されている請求項１〜５のいずれかに１項に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記ノズルは、前記吐出口からの液滴の吐出方向と前記供給路内を流動する液体の流動方向とが直交するように形成されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記ノズルは、前記吐出エネルギ発生素子によって発生する気泡が、前記吐出口を介して外気に通気されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記吐出エネルギ発生素子は、圧力変化によって液滴を吐出させるための圧電素子である請求項１〜７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
10. 前記オリフィス基板には、複数の前記吐出エネルギ発生素子にそれぞれ対応する複数の前記ノズルが設けられ、
    複数の前記ノズルは、前記各ノズルの長手方向が平行に配列された第１のノズル列と、前記供給室を間に挟んで前記第１のノズル列に対向する位置に配列された第２のノズル列とがそれぞれ設けられ、前記第２のノズル列の前記各ノズルは、前記第１のノズル列の前記各ノズルに対して、隣接する前記各ノズル間のピッチが互いに１／２ピッチずれて配列されている請求項１〜９のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
11. 前記第１のノズル列と前記第２のノズル列は、前記吐出口から吐出される液滴の吐出量が互いに異なる請求項１０に記載の液体吐出ヘッド。
12. 前記第１のノズル列と前記第２のノズル列は、前記吐出口の開口面積が互いに異なる請求項１１に記載の液体吐出ヘッド。
13. 前記第１のノズル列と前記第２のノズル列は、前記素子基板の主面に平行な前記吐出エネルギ発生素子の面積が互いに異なる請求項１０に記載の液体吐出ヘッド。
14. 前記第１のノズル列と前記第２のノズル列は、前記吐出エネルギ発生素子と前記吐出口との間の最短距離が等しくそれぞれ形成されている請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
15. 液滴を吐出させるためのエネルギを発生する吐出エネルギ発生素子と、
    前記吐出エネルギ発生素子が主面に設けられた素子基板と、
    液滴を吐出するためのノズルと、該ノズルに液体を供給するための供給室とを有し、前記素子基板の主面に接合されたオリフィス基板と
    を備え、前記ノズルが、液滴を吐出する吐出口を含む吐出口部と、前記吐出エネルギ発生素子によって気泡が発生する発泡室と、該発泡室に液体を供給するための供給路とを有し、前記発泡室が、前記吐出エネルギ発生素子によって内部の液体に気泡が発生する第１の発泡室と、該第１の発泡室に連通された第２の発泡室とを有する液体吐出ヘッドの製造方法において、
    前記吐出エネルギ発生素子が主面に設けられた前記素子基板上に、前記第１の発泡室と前記供給路との型となる第１の波長帯域に感光する第１のポジ型レジストを塗布する工程と、
    前記第１のポジ型レジスト上に、前記第２の発泡室の型となる第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域に感光する第２のポジ型レジストを塗布する工程と、
    前記第２の発泡室のパターンを形成するために、前記第２のポジ型レジストを感光させる第２の波長帯域のＵＶ光を使用して、露光・現像する工程と、
    前記第１のポジ型レジストを感光させる第１の波長帯域のＵＶ光を使用して、露光・現像する工程と、
    前記第１および第２のポジ型レジスト層によって形成された流路パターン上に、ネガ型有機樹脂を塗布・露光・現像・加熱することで、前記吐出口部を有する前記オリフィス基板を積層する工程と、
    前記オリフィス基板を介して、下層に形成した２層の前記ポジレジストにＤｅｅｐ−ＵＶ光を照射し、溶剤による除去を行うことで、前記ノズルおよび前記供給室を有し前記素子基板の主面に接合された前記オリフィス基板を形成する工程と、を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。

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