JP2007030267A - 液体吐出ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 液体供給口の縁部と液体吐出圧発生素子の一側端との間の寸法精度を一定に保ち、液体のリフィル性能を安定させる。
【解決手段】 表面にヒータ１６が設けられたシリコン基板１１と、シリコン基板１１上に接合されインクを吐出する吐出口１８とこの吐出口１８にインクを供給するインク流路１９とを有するノズル形成層１２と、シリコン基板１１の表面上に設けられこの表面上にノズル形成層１２を密着させるためのノズル密着向上層１３と、シリコン基板１１に設けられインク流路１９にインクを供給するインク供給口１７とを備える。そして、ノズル密着向上層１３は、インク供給口１７よりも開口面積が小さい開口１３ａを有し、この開口１３ａの縁部がインク供給口１７の内側に位置されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えばインク滴等の液体を吐出するための液体吐出ヘッドおよびその製造方法に関する。

一般的なインクジェット記録ヘッドとしては、インクを吐出するためのインク吐出圧発生素子の主面に対してインク滴を垂直方向に吐出させるサイドシュータ型のインクジェット記録ヘッドが知られている。

このサイドシュータ型のインクジェット記録ヘッドは、近年、小型化、高密度化に対応し、半導体製造技術を用いて、基板内にインク吐出圧発生素子を駆動するための電気制御回路が内蔵される構成が提案されている。上述した高機能なインクジェット記録ヘッドは、複数の吐出口（ノズル）にインクを供給する方法として、基板の裏面から基板を貫通して形成された共通のインク供給口から各々のノズルにインクをそれぞれ供給する構造が採られている。

上述したような従来のインクジェット記録ヘッドでは、基板としてシリコン基板を用いる場合、シリコンの異方性エッチング技術を用いて、上述したインク供給口を形成する製造方法が開示されている（特許文献１参照。）。

例えば図４および図５に示すように、従来のインクジェット記録ヘッドは、シリコン基板１１１と、インクを吐出する吐出口１１８とこの吐出口１１８にインクを供給するためのインク流路１１９とが形成されたノズル形成層１１２とを備えている。

シリコン基板１１１の表面上には、この表面上にノズル形成層１１２を密着させるためのノズル密着向上層１１３が設けられている。また、シリコン基板１１１には、裏面に設けられた熱酸化膜１２４をマスクとして、シリコンの異方性エッチングによって、インク流路１１９にインクを供給するインク供給口１１７が形成されている。このインク供給口１１７は、ヒータ１１６の２つの列の間に位置して貫通して開口されている。

シリコン基板１１１の表面上には、複数のヒータ１１６が配設されている。また、ヒータ１１６の下層には、絶縁層であるシリコン酸化膜１２１がシリコン基板１１１の表面上に形成されている。また、ヒータ１１６の上層には、電気信号回路の保護膜として機能するシリコン窒化膜１２２が形成されている。また、シリコン基板１１１には、ノズル形成層１１２が接合される表面上にシリコン酸化膜１２１が形成されており、裏面上に熱酸化膜１２４が形成されている。また、ノズル形成層１１２の上には、撥水層１２３が形成されている。

以上のように構成されたインクジェット記録ヘッドは、吐出口１１８が形成された吐出面が、記録用紙等の被記録材側の記録面に対向するように配置され、インク供給口１１７を介してインク流路１１９内に充填されたインクに、ヒータ１１６によって発生する圧力を加えることによって、吐出口１１８からインク滴を吐出させて被記録材に付着させることで記録を行う。
特開平９−１１４７９号公報

ところで、上述したようなインクジェット記録ヘッドでは、その記録品位を向上させるために、インクジェット記録ヘッドに求められる性能として周波数特性の安定化が挙げられる。この周波数特性を安定させるためには、インク滴を吐出した後のインクのリフィル性能を安定させることが必要である。そして、インクのリフィル性能を安定させるためには、インク供給口の開口縁部とインク吐出圧発生素子のインク供給口側端部との間の寸法精度を一定に保つことが求められる。

しかしながら、インクのリフィル性能がインク供給口の開口幅に依存しているため、上述した特許文献１に開示された製造方法では、リフィル性能が、シリコンの異方性エッチングの加工精度で決定してしまう。ところが、シリコンの異方性エッチングによってシリコン基板にインク供給口を形成する場合には、シリコンの溶解度によってエッチングレートが変化してしまうため、インク供給口の開口幅を寸法精度良く安定して形成することが難しい。

このため、図４に示したように、シリコン基板１１１に形成されるインク供給口１１７の開口幅には、差分（Ｅ−Ｄ）＝１０〜２０μｍ程度のバラツキを生じてしまう。このため、従来のインクジェット記録ヘッドでは、インク供給口１１７の開口幅を高精度に形成することが困難であり、インクのリフィル性能にバラツキが生じるという問題があった。

そこで、本発明は、液体供給口の縁部と液体吐出圧発生素子の一側端との間の寸法精度を一定に保ち、液体のリフィル性能を安定させ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、表面に液体吐出圧発生素子が設けられたシリコン基板と、シリコン基板上に接合され液体を吐出する吐出口とこの吐出口に液体を供給する液体流路とを有するノズル形成層と、シリコン基板の表面上に設けられこの表面上にノズル形成層を密着させるためのノズル密着向上層と、シリコン基板に設けられ液体流路に液体を供給する液体供給口とを備える。そして、ノズル密着向上層は、液体供給口よりも開口面積が小さい開口を有し、この開口の縁部が液体供給口の内側に位置されている。

上述したように本発明によれば、液体の流量を良好に制御され、液体のリフィル性能を安定させることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１に、本実施形態のインクジェット記録ヘッドの模式的な斜視図を示す。

図２に、実施形態のインクジェット記録ヘッドにおけるインク吐出構造部分の模式的な断面図、図３にノズル密着向上層がなすパターン部をシリコン基板１１の表面側から見た模式的な横断面図を示す。なお、図２は、図１におけるＦ−Ｆ断面図に対応している。

図１および図２に示すように、本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、インク吐出圧発生素子として発熱抵抗体等のヒータ１６が表（おもて）面に所定のピッチで２列に並んで設けられたシリコン基板１１を備えている。

シリコン基板１１の表面上には、この表面上に後述するノズル形成層１２を密着させるためのノズル密着向上層１３が設けられている。また、シリコン基板１１には、裏面に設けられた熱酸化膜２４をマスクとして、シリコンの異方性エッチングによって、インク流路１９にインクを供給する四角形状のインク供給口１７が形成されている。このインク供給口１７は、ヒータ１６の２つの列の間に位置して貫通して開口されている。

また、このインクジェット記録ヘッドは、インクを吐出する吐出口１８とこの吐出口１８にインクを供給するインク流路１９とを有し、シリコン基板１１の表面上に接合される、樹脂材からなるノズル形成層１２を備えている。

すなわち、このノズル形成層１２は、いわゆるオリフィスプレートであって、各ヒータ１６の主面に対向する位置にヒータ１６の主面に直交して開口された吐出口１８を有する発泡室２０と、共通のインク供給口１７から各吐出口１８にそれぞれ連通された各インク流路１９とが形成されている。

そして、ノズル密着向上層１３は、図３に示すように、インク供給口１７よりも開口面積が小さい四角形状の開口１３ａを有し、この開口１３ａの縁部がインク供給口１７の内側に位置されている。

つまり、本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、図２に示すように、インク供給口１７の短辺方向の開口幅をＡ、ノズル密着向上層１３の開口１３ａにおける短辺方向の開口幅をＢとしたときに、Ａ＞Ｂの関係を満たしている。

以上のように構成されたインクジェット記録ヘッドは、吐出口１８が形成された吐出面が、記録用紙等の被記録材側の記録面に対向するように配置され、インク供給口１７を介してインク流路１９内に充填されたインクに、ヒータ１６によって発生する圧力を加えることによって、吐出口１８からインク滴を吐出させて被記録材に付着させることで記録を行う。

なお、本発明に係るインクジェット記録ヘッドは、例えば、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などの装置、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搭載可能である。また、インクジェット記録ヘッドを用いることによって、例えば紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど種々の被記録材に記録を行うことが可能である。なお、本発明において、『記録』とは、文字や図形などの意味を持つ画像を被記録材に対して付与することだけでなく、パターンなどの意味を持たない画像を付与することも含めている。

以上のように構成されたインクジェット記録ヘッドの製造方法について説明する。

図２に示したように、シリコン基板１１は、結晶方位が＜１００＞面にされているものが用いられている。なお、本発明は、図２によってシリコン結晶の面方位が限定されるものではない。シリコン基板１１の表面上には、複数のヒータ１６が配設されている。また、ヒータ１６の下層には、絶縁層であるシリコン酸化膜２１がシリコン基板１１の表面上に形成されている。また、ヒータ１６の上層には、電気信号回路の保護膜として機能するシリコン窒化膜２２が形成されている。

また、シリコン基板１１には、ノズル形成層１２が接合される表面上にシリコン酸化膜２１が形成されている。このシリコン基板１１の裏面上には、熱酸化膜２４が形成されている。さらに、シリコン窒化膜２２の上に、ノズル密着向上層１３をスピンコート等によって塗布し、ポジ型レジストを利用して紫外線・Ｄｅｅｐ−ＵＶ光等による露光・現像を行い所望のパターンを形成する。

ノズル密着向上層１３は、例えばポリエーテルアミド樹脂からなり、シリコン基板とノズル形成層１２との密着性を向上させる役割を果たしている。本実施形態では、ノズル密着向上層１３として、熱可塑性樹脂であるポリエーテルアミド樹脂を用いたが、材料を限定するものではない。ただし、ノズル密着向上層１３としては、インクに溶解しない材料を選定することが求められる。

このとき、ノズル密着向上層１３は、フォトリソグラフィ工程によるパターニングで形成されるので、図２中に示す寸法Ｃが高精度にパターニングされている。このノズル密着向上層１３は、インク供給口１７よりも開口面積が小さい四角形状の開口１３ａを有しており、この開口１３ａの縁部がインク供給口１７の内側に位置されている。

このため、インク吐出動作の際には、ノズル密着向上層１３がなすパターンの開口１３ａの周縁部が、実質的にインク供給口１７の周縁部に相当するので、インク供給口１７の縁部と、ヒータ１６の一側端との間の寸法Ｃが、実質的に、ノズル密着向上層１３がなすパターンの開口１３ａの周縁部と、ヒータ１６の一側端との間の寸法に相当することになる。すなわち、ノズル密着向上層１３がなすパターンの開口１３ａの縁部が比較的高精度に形成されているので、寸法Ｃの精度を一定に保つことができる。

次に、ノズル密着向上層１３の上に、溶解可能な樹脂層（不図示）でインク流路１９を形成する部分となるパターンを形成するために、溶解可能な樹脂層を例えばスピンコート法等で塗布した後、紫外線・Ｄｅｅｐ−ＵＶ光等による露光・現像を行う。さらに、この溶解可能な樹脂層の上に、熱可塑性樹脂によってノズル形成層１２をスピンコート法等によって塗布する。さらに、このノズル形成層１２の上には、ドライフィルム・フォトレジストをラミネートする等によって撥水層２３を形成する。

その後、紫外線・Ｄｅｅｐ−ＵＶ光等による露光・現像を行って所望のパターンに形成し、ノズル形成層１２に吐出口１８を形成する。次に、シリコン基板１１の裏面上に設けられた熱酸化膜２４をマスクとして、シリコン基板１１の裏面側から異方性エッチングを行って貫通穴を形成し、この貫通穴をインク供給口１７として利用する。このとき、インク供給口１７をなす開口部の内周側に、ノズル密着向上層１３がなすパターンの開口が位置されている。

続いて、インク流路１９および発泡室２０になる溶解可能な樹脂層を、吐出口１８およびインク供給口１７から溶出させることによって、インク流路１９および発泡室２０を形成する。以上のような製造工程を経て、インクジェット記録ヘッドのインク吐出構造部分が形成される。

上述したインクジェット記録ヘッドを構成するインク吐出構造部分は、以下のような工程を経てインクジェット記録ヘッドとして作製することができる。ヒータ１６の駆動用の接続端子（不図示）をパターニングしたシリコン基板１１を結合するとともに、アルミニウム製またはアルミナセラミック製のベースプレート（不図示）をシリコン基板１１に放熱用として接合し、次いで、各部材を保持するホルダおよびインクを供給するためのインクタンクを結合することで、インクジェット記録ヘッドとして組み立てられる。

以上のように作製された実施形態のインクジェット記録ヘッドを用いて、ｐＨ１０のアルカリインクを吐出させて記録状態を評価したところ、良好な記録を得ることができた。また、上述のアルカリインクにインクジェット記録ヘッドを、６０℃で、３ヶ月間浸漬させた後に、記録状態の評価を行ったところ、良好な記録を得ることができた。

上述したように、本実施形態のインクジェット記録ヘッドによれば、インク供給口１７よりも開口面積が小さい開口１３ａを有し、この開口１３ａの縁部がインク供給口１７の内側に位置されているノズル密着向上層１３を備えることによって、インク供給口１７の縁部、厳密にはノズル密着向上層１３の開口１３ａの周縁部とヒータ１６の一側端との間の寸法Ｃを高精度に保つことが可能になる。

このため、このインクジェット記録ヘッドでは、シリコンの異方性エッチングによって形成されたインク供給口１７の開口幅Ａに依存すること無く、ノズル密着向上層１３がなすパターンの開口１３ａによってインク流量を良好に制御することが可能である。したがって、このインクジェット記録ヘッドによれば、インクのリフィル性能を安定させ、インク吐出動作の信頼性、記録品位を向上させることができる。

実施形態のインクジェット記録ヘッドの一部を破断して模式的に示す斜視図である。 インクジェット記録ヘッドを模式的に示す縦断面図である。 ノズル密着向上層がなすパターンをインクジェット記録ヘッドの表面側から模式的に示す横断面図である。 従来のインクジェット記録ヘッドを模式的に示す縦断面図である。 従来のノズル密着向上層がなすパターンをインクジェット記録ヘッドの表面側から模式的に示す横断面図である。

符号の説明

１１ シリコン基板
１２ ノズル形成層
１３ ノズル密着向上層
１３ａ 開口
１６ ヒータ
１７ インク供給口
１８ 吐出口
１９ インク流路

Claims (6)

1. 表面に液体吐出圧発生素子が設けられたシリコン基板と、
   前記シリコン基板上に接合され、液体を吐出する吐出口と該吐出口に液体を供給する液体流路とを有するノズル形成層と、
   前記シリコン基板の表面上に設けられ該表面上に前記ノズル形成層を密着させるためのノズル密着向上層と、
   前記シリコン基板に設けられ前記液体流路に液体を供給する液体供給口とを備え、
   前記ノズル密着向上層は、前記液体供給口よりも開口面積が小さい開口を有し、該開口の縁部が前記液体供給口の内側に位置されている液体吐出ヘッド。
2. 表面に液体吐出圧発生素子が設けられたシリコン基板と、
   前記シリコン基板上に接合され、液体を吐出する吐出口と、該吐出口に液体を供給する液体流路とを有するノズル形成層と、
   前記シリコン基板の前記表面上に設けられ該表面上に前記ノズル形成層を密着させるためのノズル密着向上層と、
   前記シリコン基板に設けられ前記液体流路に液体を供給する四角形状の液体供給口とを備え、
   前記ノズル密着向上層は、前記液体供給口よりも開口面積が小さい四角形状の開口を有し、該開口の縁部が前記液体供給口の内側に位置され、
   前記液体供給口の短辺方向の開口幅をＡ、前記ノズル密着向上層の前記開口の短辺方向の開口幅をＢとしたとき、Ａ＞Ｂの関係を満たしている液体吐出ヘッド。
3. 前記ノズル密着向上層は、熱可塑性樹脂材である請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 表面に液体吐出圧発生素子が設けられたシリコン基板と、
   前記シリコン基板上に接合され、液体を吐出する吐出口と該吐出口に液体を供給する液体流路とを有するノズル形成層と、
   前記シリコン基板の表面上に設けられ該表面上に前記ノズル形成層を密着させるためのノズル密着向上層と、
   前記シリコン基板に設けられ前記液体流路に液体を供給する液体供給口とを備える液体吐出ヘッドの製造方法において、
   前記シリコン基板上に、前記液体供給口よりも開口面積が小さい開口をする前記ノズル密着向上層を、該開口の縁部を前記液体供給口の内側に位置させて形成する工程を有する液体吐出ヘッドの製造方法。
5. 表面に液体吐出圧発生素子が設けられたシリコン基板と、
   前記シリコン基板上に接合され、液体を吐出する吐出口と該吐出口に液体を供給する液体流路とを有するノズル形成層と、
   前記シリコン基板の表面上に設けられ該表面上に前記ノズル形成層を密着させるためのノズル密着向上層と、
   前記シリコン基板に設けられ前記液体流路に液体を供給する四角形状の液体供給口とを備える液体吐出ヘッドの製造方法において、
   前記液体供給口よりも開口面積が小さい四角形状の開口を有し、該開口の縁部を前記液体供給口の内側に位置させ、前記液体供給口の短辺方向の開口幅をＡ、前記ノズル密着向上層の前記開口の短辺方向の開口幅をＢとしたときにＡ＞Ｂの関係を満たすように前記ノズル密着向上層を、前記シリコン基板上に形成する工程を有する液体吐出ヘッドの製造方法。
6. 前記ノズル密着向上層を、熱可塑性樹脂材によって形成する請求項４または５に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。

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