JP2008119955A - インクジェット記録ヘッド及び該ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 普通紙を高速で印刷し、写真を高画質で印刷するために、安定した大小液滴吐出をするインクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録ヘッドの製造方法を提供する。
【解決手段】 吐出量の異なるノズルが一体に基板上に形成され、吐出量により、吐出方向に対する吐出口壁面の角度を異ならせる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、記録用液体（以下インクと称する）を飛翔的液滴としてインク吐出口から吐出させ被記録材に付着させることにより記録を行うインクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録ヘッドの製造方法に関するものである。

インクジェット記録方式（液体噴射記録方式）に適用されるインクジェット記録ヘッドは、一般に微細な記録液吐出口（以下、オリフィスと称す）、液流路および該液流路の一部に設けられる液体吐出エネルギー発生部を複数備えている。そして、このようなインクジェット記録ヘッドで高品位の画像を得るためには、前記オリフィスから吐出される記録液小滴がそれぞれの吐出口より常に同じ体積、吐出速度で吐出されることが望ましい。これを達成するために、特開平４−１０９４０号公報、特開平４−１０９４１号公報及び特開平４−１０９４２号公報においては、インタ吐出圧力発生素子（電気熱変換素子）に記録情報に対応して駆動信号を印加し、電気熱変換素子に熱エネルギーを発生させてインク内に形成させた気泡を外気と連通させてインク液滴を吐出させる方法が開示されている。

このような方法を実現するためのインクジェット記録ヘッドとしては、電気熱変換素子とオリフィスとの距離（以下、「ＯＨ距離」と称す。）が短い方が好ましい。また前記方法においては、ＯＨ距離がその吐出堆積をほぼ決定するため、ＯＨ距離を正確に、また再現良く設定できることが必要である。従来、インクジェット記録ヘッドの製造方法としては、特開昭５７−２０８２５５号公報〜特開昭５７−２０８２５６号公報に記載されている方法がある。すなわち、インク吐出圧力発生素子が形成された基体上にインク流路およびオリフィス部からなるノズルを感光性樹脂材料を使用してパターン形成して、この上にガラス板などの蓋を接合する方法である。また、特開昭６１−１５４９４７号公報に記載されている方法もある。すなわち、溶解可能な樹脂にてインク流路パターンを形成し、該パターンをエポキシ樹脂などで被覆して該樹脂を硬化し、基板を切断後に前記溶解可能な樹脂パターンを溶出除去する方法等がある。しかし、これらの方法は、いずれも気泡の成長方向と吐出方向とが異なる（ほぼ垂直）タイプのインクジェット記録ヘッドの製造方法である。そして、このタイプのヘッドにおいては、基板を切断することによりインク吐出圧力発生素子とオリフィスとの距離が設定されるため、インク吐出圧力発生素子とオリフィスとの距離の制御においては、切断精度が非常に重要なファクターとなる。しかしながら、切断はダイシングソー等の機械的手段にて行うことが一般的であり、高い精度を実現することは難しい。

また、気泡の成長方向と吐出方向とがほぼ同じタイプのインクジェット記録ヘッドの製造方法としては、特開昭５８−８６５８号公報に記載されている方法がある。すなわち、基体とオリフィスプレートとなるドライフィルムとをパターニングされた別のドライフィルムを介して接合し、フォトリソグラフィーによってオリフィスを形成する方法である。また、特開昭６２−２６４９７５号公報に記載されている方法もある。すなわち、インク吐出圧力発生素子が形成された基体と電鋳加工により製造されるオリフィスプレートとをパターニングされたドライフィルムを介して接合する方法等がある。しかし、これらの方法では、いずれもオリフィスプレートを薄く（例えば２０μｍ以下）かつ均一に作成することは困難であった。また、たとえ作成できたとしても、インク吐出圧力発生素子が形成された基体との接合工程はオリフィスプレートの脆弱性により極めて困難となる。一方、特開平６−２８６１４９号公報には、ＯＨ距離を極めて高い精度で短くかつ再現よく形成可能なインクジェット記録ヘッドの製造方法に関する発案が記載されている。

ところで、インク吐出圧発生素子としてヒーターを用いたバブルジェット（登録商標）方式において、小液滴吐出に有効なバブルスルーインクジェット方式が提案されている。バブルスルーインクジェット方式は、ヒーター加熱により発生したバブルをヒーターからオリフィスまでのインクと共に吐出する構成である。よって、特開平６−２８６１４９号公報に示されるサイド吐出型の場合、ヒーター上部のノズル高さを低くしたほうが、安定してバブルスルーする。

近年、印刷画像の品位が飛躍的に向上した。吐出量を小さくし、紙面上の記録密度を高めるのとで達成している。しかし、この方向は、印刷画像は向上するが、記録密度を高める必要があるために、記録速度が犠牲になることが多い。そこで、複数の吐出量を吐出するノズルを一体に形成する提案がされている。例えば、吐出量５ｐｌで１２００ｄｐｉ密度と吐出量２ｐｌで１２００ｄｐｉ密度を同一基板上に作りこむことで、普通紙モードのようにそれ程画質を気にしない場合には、５ｐｌのみで高速に印刷する。また、写真印刷のような高画質が求められる場合には、２ｐｌと５ｐｌ併用で高画質印刷を実現する。
特開平４−１０９４０号公報 特開平４−１０９４１号公報 特開平４−１０９４２号公報 特開昭５７−２０８２５５号公報 特開昭５７−２０８２５６号公報 特開昭６１−１５４９４７号公報 特開昭５８−８６５８号公報 特開昭６２−２６４９７５号公報 特開平６−２８６１４９号公報

しかし、吐出量大ノズルは、写真印刷のような高画質印刷の場合には濃い色の部分に良く使われるために吐出量のバラツキが色味に大きく影響を及ぼす。また、吐出量が規定値よりも超える場合には、紙面上でのインク溢れが発生し、画質の劣化となる。一方、吐出量小ノズルは、吐出口が小さいためにヒーターの前方の流体抵抗（ヒーターから吐出口までの流体抵抗）が高く、ヒーター後方への圧力の逃げ（吐出パワーロス）が大きいために吐出が不安定となっていた。図５（ａ）は、従来の吐出量の異なる大小ノズルが一体に基板上に形成された模式図であり、図５（ｂ）は、そのＡ―Ａ断面図である。インク流路高さｈ１＝１４μｍ、OH距離ｈ２＝２５μｍのノズル形状で、吐出量大を5ｐｌとすると、吐出口径D＝φ１６μｍ程度となる。また、吐出量小を２ｐｌとすると、吐出口径ｄ＝φ１１μｍ程度となる。吐出量大５ｐｌのヒーター前方流体抵抗を基準にすると、吐出量小２ｐｌはおおよそ４．５倍もの前方流体抵抗の増加となる。

また、吐出量小ノズルは紙面への打ち込みが吐出量大ノズルより高い（例えば、２ｐｌは、５ｐｌの２倍の打ち込み）ので昇温が問題となる。前記したように、吐出口が小さいためにヒーターの前方の流体抵抗（ヒーターから吐出口までの流体抵抗）が高く、ヒーター後方への圧力の逃げ（吐出パワーロス）が大きいためにヒーターが大きくなっていることも昇温を悪くしている。

そこで、本発明は、上記課題を解決し、普通紙を高速で、写真を高画質で印刷するために、安定した大小液滴吐出をするインクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録ヘッドの製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明は、上記課題を達成するために、インクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録ヘッドの製造方法を、つぎのように構成したことを特徴とするものである。すなわち、本発明のインクジェット記録ヘッドは、インク吐出発生素子が形成された基板、該基板上にインク流路パターンとインク流路パターンに接続された吐出口を形成するインク流路形成材、により成るインクジェット記録ヘッドにおいて、吐出量の異なるノズルが一体に基板上に形成され、吐出量により、該基板表面の垂直方向のインク流路角度が異なることを特徴とする。吐出量は２種類であり、ノズル列方向に交互に配置されている。または、前記基板に開けられたインク供給口の長辺両側にそれぞれのノズル列が配置されていることを特徴とする。前記インク流路角度は、吐出量大ノズルの方が、前記吐出方向に対する吐出口壁面の角度（以下、吐出口テーパーと略す）小さいことを特徴とする。

本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法は、インク吐出発生素子が形成された基板上に、溶解可能な樹脂によってインク流路パターンを形成し、該インク流路パターン上に露光により選択的に硬化させることが可能な被覆樹脂をコートし、選択的に露光した後、未硬化の被覆樹脂部を除去することによりインク吐出圧力発生素子上方の被覆樹脂層にインク吐出口を形成するとともに、前記溶解可能な樹脂によるインク流路パターンを溶出除去してインク流路を形成する製造方法において、前記被覆樹脂を複数回露光することにより、吐出量に応じて吐出口テーパーを異ならせていることを特徴とする。

以上に説明したように、本発明のインクジェット記録ヘッドの構成および製造方法によると、吐出量大ノズルの吐出量の安定化と、吐出量小ノズルの安定吐出、昇温の改善を行えることで、普通紙を高速で、写真を高画質で印刷することが実現できる。また、従来のインクジェット記録ヘッドの製造方法に対して露光工程が１工程数増えるだけなので、トータルの製造工程からすると軽微の工数増であるので、ほとんどコストアップなくインクジェット記録ヘッドを製造することができる。

上記した本発明のインクジェット記録ヘッドの構成および製造方法によると、吐出量大ノズルの吐出量の安定と、吐出量小ノズルの安定吐出、昇温の改善を行えることで、普通紙を高速で、写真を高画質で印刷することが実現できる。

以下に、本発明の実施例について説明をする。

図１（ａ）〜図１（ｂ）は、本発明の実施例１のインクジェット記録ヘッド構成示す摸式図であり、図２（ａ）〜図２（ｃ）、図３（ｄ）〜図３（ｇ）のそれぞれは、本実施例に係るインクジェット記録ヘッドの製作手順が示されている。シリコン、ガラス、セラミック等からなる基板１は、液流路構成部材の一部として機能し、また、後述のインク流路およびインク吐出口を形成する材料層の支持体として機能し得るものであれば、その形状、材質に特に限定されることなく使用できる。上記基板１には、吐出量大用のヒーター２と吐出量小用のヒーター２１が所望の個数が供給口の長辺両側に配置される。このヒーターにより、近傍のインクを加熱することでバブルが発生し、インクが吐出口から吐出される。図１（ａ）は、インクを吐出する面からの透視図であり、吐出量大用の吐出口６と、吐出量小用の吐出口６１がそれぞれのヒーターと同一位置に形成されている。

図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、本発明のインクジェット記録ヘッドのノズル構造を最も良く表している。吐出量大用の吐出口６の吐出口テーパーがほとんど０°であることで、製造工程におけるテーパーの角度バラツキがないために、吐出量への影響大である吐出口径（吐出口面積）が安定する。

一方、吐出量小用の吐出口６１の吐出口テーパーθ＝5°〜１０°であることで、吐出口テーパーが０°の場合よりヒーターの前方の流体抵抗（ヒーターから吐出口までの流体抵抗）を低くできる。ちなみに、インク流路高さｈ１＝１４μｍ、OH距離ｈ２＝２５のノズル形状で、吐出量大を5ｐｌとすると、吐出口径D＝φ１６μｍ程度となる。また、吐出量小を２ｐｌとすると、吐出口径ｄ１＝φ１１μｍ程度、吐出口テーパーθ＝５°とする。この場合、吐出量大５ｐｌのヒーター前方流体抵抗を基準にすると、吐出量小２ｐｌはおおよそ３．２倍となり、従来の吐出口テーパー無しの４．５倍よりも前方流体抵抗の増加を大きく改善できる。更に、吐出口テーパーθ＝１０°とすると、２．５倍とまで大幅に改善できる。

図１（ｃ）は、本発明の実施例２のインクジェット記録ヘッドを示す模式図である。吐出量大用の吐出口６と、吐出量小用の吐出口６１がそれぞれのインク供給口３の両側に交互に配置されている。その他の構成は実施例１のインクジェット記録ヘッドと同様である。

（第１の実施形態）
図２を用いて、本発明の第１の実施形態のインクジェット記録ヘッドの製造方法を説明する。

図２（ａ）は、ヒーター２を含む基板１上に、溶解可能な樹脂４を被覆する。被覆する方法は、スピンコート、ロールコート等がある。また、ドライフィルムをラミネートしてもよい。溶解可能な樹脂４は、例えば東京応化工業（株）ポジレジストＯＤＵＲなどが上げられる。図２（ｂ）は、インク流路の形に前記溶解可能な樹脂４をパターニングするため、フォトマスク１００を介して光を露光する工程を示す。露光・現像後には、図２（ｃ）のようにのポジレジスト４パターンが形成される。図３（ｄ）は、インク流路となる被覆樹脂層５を被覆する工程を示す。被覆樹脂層５としては、インク吐出口６および６１をフォトリソグラフィーで容易にかつ精度よく形成できることから、感光性のものが好ましい。材料としては、エポキシ樹脂のカチオン重合硬化物が構造材料として優れた強度、密着性、耐インク性を有している。被覆する方法は、溶解可能な樹脂４と同じくスピンコート、ロールコート等がある。

図３（ｅ）は、前記被覆樹脂層５に吐出量大の吐出口６を形成するために、フォトマスク２００を介して光を露光する第１の露光工程を示す。被覆樹脂層５はネガ型感光性樹脂であるため、フォトマスク２００の黒部２０１および２０２が露光されない。吐出量大の吐出口６は、この第１の露光工程で露光を終了し、潜像600が形成されるが、吐出量小の吐出口６１は、次の第２の露光工程を行う。図３（ｆ）は、前記被覆樹脂層５に吐出量小の吐出口６１を形成するために、フォトマスク２１０を介して光を露光する第２の露光工程を示す。同様に、フォトマスク２1０の黒部２１１および２１２が露光されない。ここで、フォトマスク２1０の黒部２１１は、吐出量大の吐出口６よりは十分に大きく、吐出口６部に露光の影響がないようにする。図３（ｅ）、（ｆ）から、吐出量小の吐出口６１は、第１の露光工程と第２の露光工程の両方を経験することで、光の回折や、被覆樹脂層５のネガ型感光性樹脂の硬化反応の進行により、吐出口テーパーの潜像610が形成される。潜像６００および６１０は、後工程で現像される（未硬化部が除去される）ため、吐出口６および６１が形成される。図３（ｇ）は、インク供給口３をSiの異方性エッチング等により形成した後に最後に溶解可能な樹脂４をアルカリ液、溶剤などによって溶解除去する工程を示す。

（第２の実施形態）
図４を用いて、本発明の第２の実施形態のインクジェット記録ヘッドの製造方法を説明する。

図４（ａ）は、前記被覆樹脂層５に吐出量大の吐出口６を形成するために、フォトマスク２２０を介して光を露光する第１の露光工程を示す。実際の生産工程では、キヤノン社製の結像形露光装置であるMPA６００FAのような高精度の露光機を使用し、光学系が複雑であるので、模式図により説明する。ここで、Fは露光時にマスクパターンが結像するフォーカスとする。図４（ａ）では、前記被覆樹脂層５の表面にフォーカスを合わせる。

被覆樹脂層５はネガ型感光性樹脂であるため、フォトマスク２２０の黒部２２１および２２２が露光されない。吐出量大の吐出口６は、この第１の露光工程で露光を終了し、潜像600が形成される。吐出量小の吐出口６１は、第１の露光工程では吐出口となる潜像を形成しないので、吐出口６１よりは十分に大きく、吐出口６１部に露光の影響がないようにする。

図４（ｂ）は、前記被覆樹脂層５に吐出量小の吐出口６１を形成するために、フォトマスク２３０を介して光を露光する第２の露光工程を示す。同様に、フォトマスク２３０の黒部２３１および２３２が露光されない。フォトマスク２３０の黒部２３１は、吐出量大の吐出口６よりは十分に大きく、吐出口６部に露光の影響がないようにする。図４（ｂ）では、前記被覆樹脂層５の層厚の中間にフォーカスをあわせる表面にフォーカスを合わせ場合を示が、基板１の表面までの適当な位置とする。本実施例に用いたエポキシ樹脂のカチオン重合硬化物を被服樹脂層とした場合には、フォーカス位置が吐出口表面から基板表面に移動するほど、吐出口テーパーが大きくなることが、実験で確認されている。

図４（ａ）、（ｂ）の工程から、潜像６００および６１０が形成され、後工程で現像される（未硬化部が除去される）ため、吐出口６および６１が形成される。図４（ｃ）は、インク供給口３をSiの異方性エッチング等により形成した後に最後に溶解可能な樹脂４をアルカリ液、溶剤などによって溶解除去する工程を経てインクジェット記録ヘッドのインク吐出部が完成する。

前記インクジェット記録ヘッドの第１の製造方法および第２の製造方法は、第２の露光工程が従来製造方法より増えるが、製造工程全体からすると大きな工程増ではない。よって、コストアップも軽微である。

（ａ）は本発明の実施例１のインクジェット記録ヘッド構成を示す摸式図である。（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。（ｃ）は本発明の他の実施例おけるインクジェット記録ヘッドを示す模式図である。 本発明の第１の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を説明するための断面図である。 図２に引き続き、本発明の第１の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を説明するための断面図である。 本発明の第２の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を説明するための断面図である。 従来のインクジェット記録ヘッドを示す模式図である。

符号の説明

１ 基板
２ ヒーター
３ インク供給口
４ 樹脂（インク流路パターン）
５ 被覆樹脂層
６ 吐出口
θ 吐出口壁面の角度

Claims (9)

1. インク吐出発生素子が形成された基板、該基板上にインク流路パターンとインク流路パターンに接続された吐出口を形成するインク流路形成材を有するインクジェット記録ヘッドにおいて、
   吐出量の異なるノズルが一体に基板上に形成され、吐出量に応じて、吐出方向に対する吐出口壁面の角度が異なることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 吐出量は２種類であり、ノズル列方向に交互に配置されてい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。
3. 吐出量は２種類であり、前記基板に開けられたインク供給口の長辺両側にそれぞれのノズル列が配置されてい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。
4. 前記吐出口壁面の角度は、吐出量大ノズルの方が、前記基板表面の垂直方向に対する角度小さい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。
5. インク吐出発生素子が形成された基板上に、溶解可能な樹脂によってインク流路パターンを形成し、該インク流路パターン上に露光により選択的に硬化させることが可能な被覆樹脂をコートし、選択的に露光した後、未硬化の被覆樹脂部を除去することによりインク吐出圧力発生素子上方の被覆樹脂層にインク吐出口を形成するとともに、前記溶解可能な樹脂によるインク流路パターンを溶出除去してインク流路を形成するインクジェット記録ヘッドの製造方法において、
   前記被覆樹脂を複数回露光することにより、吐出量に応じて、前記吐出口壁面の角度角度を異ならせることを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法。
6. 前記被覆樹脂を複数回露光することで、吐出量大と吐出量小の吐出口部の露光量が異なることを特徴とする請求項５に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
7. 吐出量大と吐出量小の吐出口部の露光量は、吐出量小の吐出口部の方が多いこと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。
8. 前記被覆樹脂を複数回露光する際に、吐出量大と吐出量小の吐出口部の露光フォーカスを異ならせることを特徴とする請求項５に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
9. 吐出量大と吐出量小の吐出口部の露光フォーカスは、吐出量大の方が吐出量小より吐出口部の方が前記被覆樹脂の表面に近いことを特徴とする請求項８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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