JP2008221110A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】液体を吐出口の開口面に対して垂直な方向に吐出させ、同一サイズの液滴を等間隔に精度良く着弾させることが可能な液体吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】液体吐出ヘッドは、複数の吐出口６と、各吐出口６に個別に対応して設けられたヒータ（不図示）と、各吐出口６に個別に対応して形成された供給口８と、供給口８と吐出口６とを連通する流路７ａ，７ｂとを有している。流路７ａ，７ｂは各吐出口６に対して対をなして形成されており、一対の流路７ａ，７ｂは、吐出口６を中心として互いの液体流入方向が正反対となるように同一直線上に並べられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体を吐出させる液体吐出ヘッドに関する。

液体吐出ヘッドの液体吐出方式としては、ヒータから発生する熱エネルギーにより液体の吐出を行うサーマル方式と、ピエゾ素子に電圧を印可して生じる素子の変形により液体の吐出を行うピエゾ方式とがある。これらのうち、サーマル方式はピエゾ方式と比較して構造が簡単であり、液体吐出ヘッドの小型化や多吐出口化に向いている。

たとえば、プローブ・アレイ調製用の液体吐出ヘッドは、吐出口数が多いことが望まれるため、サーマル方式の液体吐出方式が適していると考えられている。そして、異なった液体が配置されているプローブ・アレイを作製する場合、各吐出口から異なった液体を吐出するが、１枚のプローブ・アレイを調製するにあたって各吐出口からは１回しか吐出が行われず、また液体が配置される位置も決まっている。つまり、プローブ・アレイ調製用の液体吐出ヘッドは、記録媒体へ記録行う場合と異なり、必ずしも複雑な吐出制御は必要としない。したがって、プローブ・アレイ調製用の液体吐出ヘッドには、構造が簡素な、低コストで歩留まりの高い液体吐出ヘッドが望まれる。

そのような構成を有する液体吐出ヘッドとして、以下に示すような液体吐出ユニットが提案されている。

図１３は、従来のサーマルヘッドを構成する、吐出口及び流路等が作製された半導体チップの表面を示す模式図である。なお、図示した半導体チップの各構成要素は実際には異なる平面上に構成されているが、図１３ではそれらが同一平面上にあるかのように描いている。また、図１４は図１３中の丸印で囲んだ部分の拡大図である。

図１３及び図１４において、符号１０１はシリコン基板、符号１０２はＴａＮ、ＴａＳｉＮ、ＴａＡｌ等から成るヒータ、符号１０３はアルミニウム等からなる第一の配線、符号１０４はアルミニウム等からなる第二の配線を示している。また、符号１０５はチップと外部装置との電気的接触をとるためのパッド、符号１０６は吐出口、符号１０７は流路、符号１０８は基板の裏面から基板の表面に液体を供給する供給口を示している。供給口１０８は、後述するようにシリコンの異方性エッチングにより作成するが、その際、基板１０１の裏面では図１６に示すような大きさに広がっている。また、供給口１０８は液体のリザーバーを兼ねている。

図１３で白抜き矢印で示した方向は、後に詳しく説明するが、液体吐出ヘッドが移動する方向であり、以後、この方向を「主走査方向」という。図１３に示すように、チップには、図１３の左右方向に配列された８個の吐出口からなる１組の吐出口群が、図１３の上下方向（主走査方向）に５列に並べられている。各吐出口群では、図１３の左右方向に隣接する吐出口の間隔が２０ｄｐｉ（約１．２７ｍｍ）に配列されている。また、各組の吐出口群は、図１３の左右方向に順次１００ｄｐｉ（約０．２５ｍｍ）の間隔でオフセットされた状態に配置されている。したがって、このチップを主走査方向に移動させながら液体を吐出させたときの実質的な吐出密度は１００ｄｐｉである。

１組の吐出口群に含まれる８個のヒータ１０２は、１組の第１の配線１０３および第２の配線１０４によって接続されている。チップの長辺方向の長さは約１２ｍｍ、短辺方向の長さは約７ｍｍである。１つのチップ含まれる吐出口数は４０個である。ヒータ１０２は、図１３に示すように、その両端が第１および第２の配線１０３，１０４に接続されている。

図１５は図１４のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。図１６は図１３に示した半導体チップの裏面を示す模式図である。図１５及び図１６において、図１３及び図１４に示した参照番号と同じ構成には同一の参照番号を付している。

吐出口１０６及び流路１０７は、あらかじめ吐出口１０６および流路１０７が形成された吐出口形成部材１１２をシリコン基板１０１に貼り付けて形成することができる。あるいは、フォトリソグラフィ技術を用いて半導体プロセスの延長でそれらを形成することも可能である。特に、半導体チップがより大きな面積で作製される必要がある場合、吐出口及び流路が形成された吐出口形成部材をシリコン基板に貼り付ける方法ではチップの作製が困難となるため、フォトリソグラフィ技術を用いた製法を用いること望ましい。

供給口１０８は、ＴＭＡＨ溶液を用いたシリコンの異方性エッチングにより作製され、図１５に示すように、シリコン基板１０１の表面に対して５４．７°の角度で開口している。そして、供給口１０８の形状は四角錐台の形状になっている。図１５に示す例では基シリコン基板１０１の供給口１０８の幅を１００μｍと設定した。したがって、シリコン基板１０１の厚さが６２５μｍの場合、シリコン基板１０１の裏面での供給口１０８の幅は約１ｍｍとなる。

画像記録用の従来の液体吐出ヘッドでは基板の裏面に設けられたインクタンクからヒータ部へ液体を導くことが供給口の主目的である。しかしながら、前記したようにプローブ・アレイ調製用の液体吐出ヘッドでは液体の吐出量の総量が少ないため供給口を液体のリザーバーとして用いることが可能である。

チップを裏面から見た場合、供給口１０８は図１６に示すように正方形の形状になる。液体は基板１０１の裏面側の開口部すなわち供給口１０８から基板１０１の表面側に導かれ、流路１０７を通って吐出口１０６まで導かれる。ヒータ１０２の両端に電圧が印可されると、ヒータ１０２近傍の液体が過熱されて膜発泡を起こし、そのときに発生する圧力によって液体が吐出口１０６から吐出する。

図１７に従来の液体吐出ヘッドの模式図を示す。図１７において、符号１２１は液体吐出ヘッド、符号１２２は図１３に示した半導体チップ、符号１０６は吐出口を示している。図１７の半導体チップ２２は、説明を明確にするため吐出口１０６のみを示している。

従来の液体吐出ヘッド１２１に備えられた各半導体チップ１２２は、５行５列に配置された４０個の吐出口１０６を有している。液体吐出ヘッド１２１は２５個の半導体チップ１２２を備えているため、液体吐出ヘッド１２１は全体で１０００個の吐出口１０６を有している。

図１８に、従来の液体吐出ヘッドの構造をより詳細に示す。

液体吐出ヘッド１２１は、アルミナや樹脂等からなる窓枠状に穴１２５のあけられた基板１２４に、半導体チップ１２２を貼り付けて構成される。各チップ１２２のパッド１０５（図１３参照）は、フレキシブル配線基板（不図示）を介してヘッド外部の構成と電気的に接続されている。

図１９に、従来の液体吐出ヘッドを用いたプローブ・アレイ調製装置の模式図を示す。

図１９の符号１２１は液体吐出ヘッド、符号１３１はヘッドの移動を略平行に案内するシャフト、符号１３２はプローブ・アレイが固定されるステージ、符号１３３はプローブ・アレイとなるガラス基板を示している。液体吐出ヘッド１２１は図１９のＸ方向に移動し、ステージ１３２はＹ方向に移動する。したがって、液体吐出ヘッド１２１はステージ１３２に対して相対的に２次元状に移動可能になっている。

図１９では複数のプローブ・アレイとなるガラス基板１３３を固定してプローブを塗布する場合の構造を示したが、１枚の大きなプローブ・アレイとなるガラス基板上にプローブ・アレイを調製した後に、そのガラス基板を切断してプローブ・アレイを得ても良い。

上述した構成の液体吐出ヘッドは、特許文献１に開示されている。
特開平１１−２９１５００号公報

図２０は、従来の液滴吐出ヘッドによる液滴の吐出状態を示す簡略図である。図２１は、従来の液滴吐出ヘッドで液滴をガラス基板上に吐出させた後の液滴の状態を示す図である。

液滴吐出ヘッドから吐出されるプローブ溶液は、所望とする本来の液滴（主滴）１１４の後に、それに付随して主滴よりも径の小さい液滴（副滴）１１５が吐出されることがある。従来の液滴吐出ヘッドでは主滴と副滴とが同じ位置に着弾しないという現象が起こる。

熱エネルギによって液滴を吐出させるサーマル方式では、吐出時にヒータ１０２の表面に真空状態の泡１１３が生成され、その圧力によって液滴が吐出口１０６から吐出される。このとき、ヒータ１０２付近の液体が泡１１３の圧力によって流路内に押しのけられる。従来の液滴吐出ヘッドの流路構造は、供給口１０８側から延びた流路の端部付近に吐出口１０６が形成された構造になっている。そのため、液滴の吐出時にヒータ１０２付近から流路内に押しのけられる液体は、供給口１０８側へ向かう量の方が流路の端部側へ向かう量よりも多い。このように、従来の液滴吐出ヘッドでは、液滴の吐出時に流路内を供給口１０８側へ向かう液体と流路の端部側へ向かう液体とのベクトル和がゼロでない。その影響により、液滴が吐出口１０６の開口面に対して垂直な方向に吐出されず、図２０（ｂ）に示すように、特に体積の小さい副滴が上記方向から大きくずれて吐出される。

主滴と副滴が同位置に着弾しないと、以下に示す問題が生じる。

調製されたプローブ・アレイ上に試験液を垂らし、反応したプローブ溶液の蛍光反応によって試験液との反応の有無を判断し、蛍光反応を示したプローブ溶液の液滴中心を読み取って、その画像認識が行われる。しかし、図２１に示すように主滴の周囲に副滴が着弾しているとプローブ溶液の液滴中心を正確に読み取ることができず、画像認識ミスが起じる可能性がある。

また、吐出させたプローブ溶液の液滴が所望のサイズよりも小さくなる。その結果、プローブ溶液は試験液に対してわずかに蛍光反応を示すだけとなり、そのようなプローブ溶液を反応を示さなかったものと誤認識する可能性がある。

さらには、副滴が近隣の他のプローブ溶液に付着してしまい、そのプローブ溶液が正確な試験を行えなくなることもあり得る。

そこで本発明は、液体を吐出口の開口面に対して垂直な方向に吐出させ、同一サイズの液滴を等間隔に精度良く着弾させることが可能な液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出する複数の吐出口と、各吐出口に個別に対応して設けられた、該吐出口から液体を吐出するためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子と、各吐出口に個別に対応して形成された供給口と、前記供給口と前記吐出口とを連通する流路と、を有する液体吐出ヘッドにおいて、前記流路は前記各吐出口に対をなして形成されており、一対の前記流路は、前記吐出口を中心として互いの液体流入方向が正反対となるように同一直線上に並べられていることを特徴とする。

本発明によれば、液体を吐出口の開口面に対して垂直な方向に吐出させ、同一サイズの液滴を等間隔に精度良く着弾させることが可能な液体吐出ヘッドを提供することができる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の液体吐出ヘッドが用いられるプローブ担体製造装置の概略斜視図である。図１に示すプロ−ブ担体製造装置３１は、装置ベース３２と、担体４２を支持するための担体支持台３３と、液体吐出装置４０を支持する液体吐出装置支持台３４と、プローブ溶液供給ユニット３５とを有する。担体支持台３３、液体吐出装置支持台３４、及びプローブ溶液供給ユニット３５は、それぞれ装置ベース３２に対して移動可能に設けられている。プローブ担体製造装置は、プローブ溶液供給ユニット３５に保持されたプローブ溶液を液体吐出装置４０へ供給し、さらに、供給されたプローブ溶液を担体４２上で液体吐出装置４０から吐出することで、担体４２にプローブ溶液を付与するものである。

図２は、本発明の第１の実施形態の液滴吐出ヘッドにおける一組の供給口、吐出口および流路を示す図である。図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

図２及び図３において、符号１はシリコン基板、符号２はＴａＮ、ＴａＳｉＮ、ＴａＡｌ等から成る、吐出口６から液体を吐出するためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子としてのヒータを示している。また、符号３はアルミニウム等からなる第１の配線、符号４はアルミニウム等からなる第２の配線を示している。さらに、符号５は液滴吐出ヘッドと外部装置との電気的接触をとるためのパッド、符号６は吐出口、符号７は液体流路、符号８はシリコン基板の裏面側から表面側に液体を供給する供給口を示している。ヒータ２及び供給口８は、各吐出口６に個別に対応して設けられている。

本実施形態の液滴吐出ヘッドでは、２つの流路７ａ，７ｂが１つの吐出口６に連通している。一対の液体流路７ａ，７ｂは、吐出口６を中心として互いの液体流入方向が正反対となるように合流している。同一直線上に並んだ流路７ａ，７ｂの各々の中心線が、吐出口６の中心軸と垂直に交わっている。また、２つの液体流路７ａ，７ｂは、吐出口６の中心と供給口８の中心とを結んだ線に対して線対称になっている。

供給口８は、シリコンの異方性エッチングによってシリコン基板１に形成されている。供給口８の開口面は図２に示すような正方形であり、供給口８の断面形状は図３に示すようにシリコン基板１の裏面に向かって広がっている。供給口８の開口面は矩形であってもよい。

また、円柱状の柱状部材１０が供給口８の外周に沿って配置されている。柱状部材１０は、供給口８からゴミ等の異物が侵入し、それが液体流路７ａ，７ｂを通って吐出口６に詰まるのを防止するフィルタの役割を有している。柱状部材１０は吐出口６の付近にも設けられている。これらの柱状部材１０は、吐出口６及び流路７ａ，７ｂを形成している吐出口形成部材にそれと同じ材料で一体的に構成されており、流路７ａ，７ｂの形成と同時にフォトリソグラフィ工程で形成される。本実施形態では、吐出口６の開口径は２１μｍであり、柱状部材１０同士の間隔は吐出口６の直径より狭い１１μｍ程度の間隔になっている。

本実施形態の液滴吐出ヘッドは、上述したように、流路７ａ，７ｂが吐出口６を中心として対称に配置されている。そのため、液滴の吐出時にヒータ２付近から一方の流路７ａ側に向かう液体と、他方の流路７ａ側に向かう液体とのベクトル和がゼロになる。これにより、液滴を吐出口６の開口面に対して垂直な方向に吐出させ、主滴と副滴とを同一位置に着弾させることができる。

また、従来の液滴吐出ヘッドでは吐出口に連通する流路が１つであるため、流路にゴミが侵入した場合には直ちに流路が詰まるおそれがあった。これに対し、本実施形態では吐出口６に複数の流路７ａ，７ｂが連通する構成になっているため、一方の流路にゴミが侵入した場合でも他方の流路を通じて吐出口６に液体を供給することができる。さらに、吐出口６に連通する流路の数が増えることによって、吐出口６近傍に貯留する液体の体積が大きくなり、液滴吐出ヘッドを長時間放置したときに生じうる吐出口６近傍の液体の濃度変化を抑えることができる。また、液滴の体積の変化や、粘度上昇により、液滴が吐出口６の開口面に対して垂直な方向に吐出されなかったりすることがあるが、本実施形態における流路７ａ，７ｂの構成によれば、このような問題も緩和することができる。

図４は、図２に示した構成の変形例である。

１つの吐出口６に連通する流路は１対に限られることはなく、液滴の吐出時にヒータ２付近から各流路に向かう液体のベクトル和がゼロになるのであれば任意の複数対の流路が連通する構成になっていてもよい。例えば、図４に示すように４つの流路７ａ〜７ｄが１つの吐出口６に連通していてもよい。図４に示す構成では、流路７ａ，７ｄと、流路７ｂ，７ｃとがそれぞれ対になっており、吐出口６の直下で互いの液体流入方向が正反対となるように合流している。さらに、流路７ａ，７ｄと流路７ｂ，７ｃとは、それぞれ、同一直線上に並んだ流路の各々の流路中心線が、吐出口６の中心軸と垂直に交わり、また、吐出口６の中心線と供給口８の中心とを結んだ線に対して線対称となっている。そのため、液滴の吐出時にヒータ２付近から各流路７ａ，７ｄに向かう液体のベクトル和がゼロになっている。このように、吐出口６に連通する流路の数がさらに増えることによって、上述の問題をさらに緩和することができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態の液滴吐出ヘッドにおける一組の供給口、吐出口および流路を示す図である。本実施形態の液滴吐出ヘッドも、各構成要素は第１の実施形態と同様である。ただし、本実施形態においては流路７ａ，７ｂの壁面を曲面とし、第１の実施形態の流路よりも、液体が供給口８と吐出口６との間を流れやすい構造となっている。図２及び図４に示した液滴吐出ヘッドと同様に、図５に示す液滴吐出ヘッドも、供給口８の４辺の全てから液体が供給される構造になっている。このような構造によれば、ゴミなどの異物が一部の柱状部材１０にトラップされてその部分で液体が流れなくなっても、その他の部分から液体を供給することができる。そのため、液滴吐出ヘッドの寿命を長くすることができるという利点がある。

その一方で、図５に示す破線Ｒで示す領域に気泡が入り込んだ場合には、吐出口６側から液体を強制的に吸引しても気泡がその部分に滞留し、気泡を取り除くことが困難である。そのため、吐出口形成部材で供給口８の何辺かを塞ぎ、破線Ｒの領域内に気泡が入り込まないような構造とすることが好ましい。

図６は供給口８の１辺を吐出口形成部材で塞いだ構成を示し、図７は供給口８の２辺を吐出口形成部材で塞いだ構成を示している。図８は図７に示した流路形状を有する液滴吐出ヘッドで液体を吐出させたときの液滴の状態を示す図である。従来の液滴吐出ヘッドのように主滴と副滴の着弾位置がずれるようなことはなく、すべての液滴のサイズが均一に、そして、等間隔に着弾している。

なお、流路のパターンは、液滴の吐出時にヒータ付近から各流路に向かう液体のベクトル和がゼロになっているのであれば、自由に形成することができる。例えば、流路７ａ，７ｂは、図９に示すように一定の幅を有する形状であってもよい。この場合、供給口８からすぐに流路７ａ，７ｂの幅が一定になっているため、液体の流速を安定させることができる。ただし、吐出口６の近傍の流路の幅は一定である必要はなく、図１０に示すように吐出口６の近傍では流路の幅が狭くなっていてもよい。このように、吐出口６の近傍における流路の幅を変化させることにより、液滴の吐出速度を調節することができる。図１０のＢ−Ｂ線に沿った断面図を図１１に示す。

（第３の実施形態）
図１２は、本発明の第３の実施形態の液滴吐出ヘッドにおける一組の供給口、吐出口および流路を示す図である。本実施形態の液滴吐出ヘッドも、各構成要素は第１及び第２の実施形態と同様である。ただし、本実施形態においては、吐出口６が供給口８の１つの角部に最も近くなるように配置されている。言い換えれば、吐出口６は供給口８の対角線の延長上に配置されている。これによって、供給口８から吐出口６までの流路長が短くなり、流路７ａ，７ｂの体積が小さくなる。そのため、吐出口６側から液体を強制的に吸引して液滴吐出ヘッドの回復動作を行うときに、吸引して廃棄する液体の量を減らすことができ、またリザーバーに供給する液体の量も少量にすることができる。

また、供給口８から液体が流れる方向（液体が供給される辺と垂直な方向）が吐出口６に向かう方向に近づけることができるため、液体が流れやすくなり、安定して液体を吐出口６に供給することができる。また、気泡が供給口８から吐出口６に向かう液体の流れに乗って流れやすくなるため、気泡を排出するために行う液体の吸引量を少量にすることができる。さらに、流路内を流れる液体の流動性が高まることから、吸引回復時に加える負圧が小さくても済むようになる。その結果、液滴吐出ヘッドの各部材にダメージを与えるおそれが小さくなり、液滴吐出ヘッドの長寿命化にもつながる。

なお、本実施形態では、供給口８の２辺から液体が供給される構造を示してあるが、供給口８の４辺すべてから液体が供給される構造であってもよい。

本発明の液体吐出ヘッドが用いられるプローブ担体製造装置の概略斜視図である。 本発明の第１の実施形態の液滴吐出ヘッドにおける一組の供給口、吐出口および流路を示す図である。 図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図２に示した構成の変形例である。 本発明の第２の実施形態の液滴吐出ヘッドにおける一組の供給口、吐出口および流路を示す図である。 供給口の１辺を吐出口形成部材で塞いだ構成を示す図である。 供給口の２辺を吐出口形成部材で塞いだ構成を示す図である。 図７に示した流路形状を有する液滴吐出ヘッドで液体を吐出させたときの液滴の状態を示す図である。 流路が一定の幅を有する構成を示す図である。 流路の幅が吐出口の近傍で狭くなった構成を示す図である。 図１０のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 本発明の第３の実施形態の液滴吐出ヘッドにおける一組の供給口、吐出口および流路を示す図である。 従来のサーマルヘッドを構成する、吐出口及び流路等が作製された半導体チップの表面を示す模式図である。 図１３中の丸印で囲んだ部分の拡大図である。 図１４のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。 図１３に示した半導体チップの裏面を示す模式図である。 従来の液体吐出ヘッドの模式図である。 従来の液体吐出ヘッドの構造をより詳細に示す図である。 従来の液体吐出ヘッドを用いたプローブ・アレイ調製装置の模式図である。 従来の液滴吐出ヘッドによる液滴の吐出状態を示す簡略図である。 従来の液滴吐出ヘッドで液滴をガラス基板上に吐出させた後の液滴の状態を示す図である。

符号の説明

１ シリコン基板
２ ヒータ
６ 吐出口
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ 流路
８ 供給口
１０ 柱状部材

Claims (7)

1. 液体を吐出する複数の吐出口と、各吐出口に個別に対応して設けられた、該吐出口から液体を吐出するためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子と、各吐出口に個別に対応して形成された供給口と、前記供給口と前記吐出口とを連通する流路と、を有する液体吐出ヘッドにおいて、
   前記流路は前記各吐出口に対をなして形成されており、一対の前記流路は、前記吐出口を中心として互いの液体流入方向が正反対となるように同一直線上に並べられていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記対をなす前記流路は、前記吐出口の中心と前記供給口の中心とを結んだ線に対して線対称になっている、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 複数の柱状部材が前記供給口の外周に沿って形成されており、前記柱状部材同士の間隔は前記吐出口の開口径よりも小さい、請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記柱状部材は、前記吐出口を形成する吐出口形成部材に一体的に形成されている、請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記供給口は正方形又は矩形であり、前記供給口の対角線の延長上に前記吐出口が配置されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記各吐出口に対して複数対の前記流路が形成されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記供給口は、シリコン基板に異方性エッチングによって形成されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。

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