JP4656641B2 - 記録ヘッドおよび記録装置 - Google Patents

Description

本発明は記録ヘッドおよび記録装置に関し、特に、インクジェット記録ヘッドにおける、インク供給口が形成された基板と、吐出口が形成された流路構成部材との接合構造に関する。

プリンタなどの記録装置における記録方式には様々なものがあるが、なかでもインクジェット記録方式は、低騒音のノンインパクト記録方式であり、高密度かつ高速な記録動作が可能であるため、広く採用されている。

インクジェット記録ヘッドの構造としては、シリコンなどで製作される基板と、樹脂から製作される流路構成部材とを備えた構造がよく知られている。流路構成部材には、複数の吐出口と、インクを各吐出口に導く複数の流路（インクチャンバー）とが形成されている。基板には、インクに吐出圧力を与えるインク吐出圧力発生素子と、インクをインクチャンバーに供給するインク供給口とが形成されている。流路構成部材は基板上に形成され、接着固定されている。

従来より、流路構成部材を基板上に形成してインクジェット記録ヘッドを製造する方法については、様々な提案がなされている。特許文献１にはインクジェット記録ヘッドの基本的な製造方法が開示されている。この方法によれば、まず、インク吐出圧力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流路パターンが形成される。次に、流路パターンの上に、流路パターンを覆うようにエポキシ樹脂などの樹脂層が形成され、硬化される。基板切断後に溶解可能な樹脂を溶出すると、インクチャンバーが形成される。特許文献２には、流路構成部材の樹脂として、芳香族エポキシ化合物のカチオン重合硬化物が有効であることが開示されている。

近年では、インクジェット記録方式における用紙選択性や耐水性を向上させるために、インクを弱アルカリ性側にすることが行なわれている。しかし、弱アルカリ性のインクを用いると、基板と流路構成部材との密着力を長期に渡って維持することが困難な場合があることがわかってきた。その対策として、特許文献３には、基板と流路構成部材との間に、ポリエーテルアミド樹脂からなる密着層を設け、基板と流路構成部材の密着力を向上させる技術が開示されている。特許文献４には、流路構成部材のうち、流路壁の先端部は特に基板から剥離しやすいいことに鑑み、流路壁と基板との接合面よりも広い平面領域にわたって密着層を形成し、密着力を向上させる方法が開示されている。

ところで、近年、記録媒体への高速記録と高精細な記録とを両立させるため、高速記録の場合には大きなインク吐出液滴を吐出させ、高精細な記録画像を得るためには小さなインク吐出液滴を吐出させるインクジェット記録ヘッドが知られている。このようなインクジェット記録ヘッドには、同一チップ内にサイズの異なるインク吐出口が備えられている。図７には、同一チップ内にサイズの異なるインク吐出口が備えられた、従来技術のインクジェット記録ヘッドの概念図を示す。同図（ａ）はこのインクジェット記録ヘッドの流路付近の一部を示す平面断面図を、同図（ｂ）はｂ−ｂ線に沿った模式的断面図を、同図（ｃ）は、ｃ−ｃ線に沿った模式的断面図を各々示している。インク供給口１０３が設けられた基板１０２上に、樹脂からなる流路構成部材１０８が形成されている。流路構成部材１０８は流路壁１１０と天井部１１１とを備えており、これらによって互いに独立したインクチャンバー１１２ａ，１１２ｂが形成されている。各インクチャンバー１１２ａ，１１２ｂの天井部１１１には、各々大径吐出口１１４ａまたは小径吐出口１１４ｂが形成されている。インクチャンバー１１２ａ，１１２ｂは開口部１１３ａ，１１３ｂによってインク供給口１０３に連通している。吐出口１１４ａ，１１４ｂは、基板１０２上に設けられたインク吐出圧力発生素子１０４ａ，１０４ｂと対向する位置に形成されている。インクチャンバー１１２ａ，１１２ｂの大きさは、吐出口１１４ａ，１１４の大きさ（大径吐出口１１４ａまたは小径吐出口１１４ｂ）に応じて異なっており、この結果、開口部１１３ａ，１１３ｂの幅も異なることとなる。流路壁１１０は、インクチャンバー１１２ａ，１１２ｂの数に応じて複数個設けられている。流路構成部材１０８と基板１０２との間には、流路構成部材１０８と基板１０２との密着力を高める密着層１１５が形成されている。密着層１１５は、基板１０２と各流路壁１１０の基部との間には櫛状部１１５ａとして設けられ、基板１０２と各流路壁１１０との密着力が高められている。
特開昭６１-１５４９４７号公報 特開平３-１８４８６８号公報 特開平１１-３４８２９０号公報 特開２００２-２４８７７１号公報

しかしながら、同一チップ内でインクチャンバーの大きさが異なる従来技術のインクジェット記録ヘッドには、以下の課題があった。すなわち、特許文献１に記載された方法でインクジェット記録ヘッドを作成する場合、流路パターンの材料であるレジスト材は通常、有機溶剤に溶解し液体状にした後、スピンコート法で塗布される。流路パターンの下には密着層が形成されているため、流路パターンは密着層を覆うように形成される。密着層の櫛状部は特に剥離の可能性が高い流路壁の基部に選択的に設けられるため、有機溶剤に溶解されたレジスト材は、いわば凹凸のある面に塗布されることになる。この結果、有機溶剤に溶解されたレジスト材は、櫛状部のある凸部のところで盛り上がり、その他のところでは低くなる。

ここで、インクチャンバーの大きさが異なる場合、すなわちインクチャンバーの開口部の幅が異なる場合、各インクチャンバーを仕切る流路壁の間隔もそれに応じて異なり、密着層の櫛状部の間隔も異なったものとなる。このため、密着層の櫛状部の間隔が異なると、凸部の間隔も異なり、レジスト材の液面形状が変わってくる。すなわち、櫛状部の間隔が広いところでは、レジスト材の液面が（特に中央部において）より下がり、狭いところではレジスト材の液面が比較的上方のレベルに維持される。この状態でレジスト材が流路構成部材で覆われると、液面の低いところでは流路構成部材がより深い位置まで形成され、液面の高いところでは流路構成部材は比較的浅い位置までしか形成されない。この結果、レジスト材を除去すると、インクチャンバーの高さが部位によって異なることになってしまう（図５（ａ）参照）。インクチャンバーの高さが異なると、インクの吐出性能にばらつきが生じる。また、インクチャンバー高さが異なると、天井部の厚さも異なるため、吐出口のノズル長さがばらつき、インクを吐出する液滴の大きさの制御も難しくなる。これらは、印字性能や品質がばらつく要因となる。

本発明は、インクチャンバーの開口部の幅が同一チップ内で異なるインクジェット記録ヘッドを対象に、上記の従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、かかる構造のインクジェット記録ヘッドを前提に、インクチャンバーの高さのばらつきを抑え、インク吐出性能のばらつきを抑制できるインクジェット記録ヘッドを提供することにある。

本発明の記録ヘッドは、インクを供給するインク供給口を備えた基板と、流路壁と、インク供給口に沿って形成され流路壁によって互いに仕切られた複数のインクチャンバーとを有し、複数のインクチャンバーの各々はインク供給口に開口する開口部とインクを吐出する吐出口とを備えた、基板上に形成された流路構成部材と、基板と流路壁との間に基板から流路壁の方向に突き出して設けられた複数の櫛状部を備え、櫛状部の各々は対応する流路壁と基板との密着力を高める密着層とを有している。開口部の、インク供給口の延びる方向における幅は、少なくとも一部のインクチャンバー同士で互いに異なり、櫛状部同士の空隙部の、インク供給口の延びる方向における幅は略同一である。

インクチャンバーは、櫛状部を含む密着層が形成された基板の上に液状の樹脂を塗布し、その上から流路構成部材を形成し、最後に塗布した樹脂を除去することによって形成される。樹脂は塗布されると、櫛状部の上方で盛り上がり、空隙部の上方では懸垂線状に窪む。本発明の記録ヘッドは、櫛状部同士の空隙部の幅は略同一であるため、空隙部上方での液面（窪み形状）は各空隙部で同じような形状となる。このため、たとえインクチャンバーの開口部の幅が互いに異なっていても、インクチャンバーの高さは略同一に形成され、インク吐出性能のばらつきが効果的に抑制される。

次に、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明は、記録ヘッド全般に適用することができるが、ここでは、インクに吐出エネルギを与える手段として電気熱変換体が用いられるインクジェット記録ヘッドを例に説明する。なお、本発明の対象には、記録ヘッドのみならず、記録ヘッドが搭載される記録装置も含まれるが、記録装置の構成自体は従来技術の記録装置と同一であるため、詳細な説明は省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る記録ヘッドの記録素子基板を示す部分破断斜視図である。記録素子基板１は、例えば厚さ０．５〜１ｍｍのシリコン（Ｓｉ）基板２を有している。基板２の中央付近には、長細い矩形の平面形状を有するインク供給口３が開口している。基板２上には、インク供給口３の長手方向に沿って、両側に複数のインク吐出圧力発生素子４が形成されている。インク吐出圧力発生素子４はＴａＮからなる電気熱変換素子であり、成膜技術により形成される。インク吐出圧力発生素子４を駆動する電気信号を受ける電極部１２が、基板２の両外側の縁部に沿って配列形成されている。電極部１２は基板２内を延びる電気配線（図示せず）を介して、インク吐出圧力発生素子４と接続されている。電極部１２上には、金（Ａｕ）などからなる、電気信号を受け取る電気接続パッド１３が形成されている。

図２は、記録素子基板の一部を示す斜視図である（後述する流路構成部材の図示は省略している。）。基板２の上にはほぼ全面にわたって、インク吐出圧力発生素子４や電極部１２を保護する窒化シリコン（ＳｉＮ）層６が形成されている。その上には、インク吐出圧力発生素子４を覆う位置にタンタル（Ｔａ）層７が形成されている。Ｔａ層７は、インクによる電触や、インクバブルの消泡によるキャビテーションから生じるインク吐出圧力発生素子４へのダメージを防止するために設けられている。Ｔａ層７は、隣接するインク吐出圧力発生素子４を順次覆いながら、インク吐出圧力発生素子４の配列方向に沿って帯状に形成され、インク供給口３を挟んだ両側の帯状部が両端部同士で接続され、全体が矩形状に形成されている。

図３は、記録素子基板の部分平面図および部分断面図である。同図（ａ）は、記録素子基板の部分平面図であり、天井部の図示は省略している。同図（ｂ）は、同図（ａ）のｂ−ｂ線に沿った断面図、同図（ｃ）は、同図（ａ）のｃ−ｃ線に沿った断面図である。Ｔａ層７までの層が形成された基板２上には、エポキシ樹脂のカチオン重合化合物からなる流路構成部材８が形成されている。流路構成部材８は、流路壁１０とその上に配置された天井部１１とを有している。

流路壁１０はインク供給口３に沿って櫛歯状に複数個形成されている。基板２上には、各流路壁１０と天井部１１によって仕切られた複数のインクチャンバー１２ａ，１２ｂが形成されている。インクチャンバー１２ａとインクチャンバー１２ｂは後述するように、内空寸法が互いに異なっている。インク供給口３の各側にあるインクチャンバー１２ａ，１２ｂは、各々インクチャンバー列１８を形成している。

各インクチャンバー１２ａ，１２ｂの天井部１１には、インクを吐出する大径吐出口１４ａまたは小径吐出口１４ｂが選択的に設けられており、吐出口群１７を形成している（図１参照）。大径吐出口１４ａの一回の吐出量は例えば５ｐｌ（ピコリットル）程度であり、小径吐出口１４ｂは例えば２ｐｌ程度である。これらの吐出口１４ａ，１４ｂは、対応するインク吐出圧力発生素子４ａ，４ｂと対向して設けられている。インクはインク供給口３から供給され、各インク吐出圧力発生素子４ａ，４ｂの発熱により発生した気泡の圧力によって、吐出口１４ａ，１４ｂから吐出される。

大径吐出口１４ａと小径が吐出口１４ｂは、各々インクチャンバー１２ａ，１２ｂに対応している。このため、インクチャンバー１２ａはインクチャンバー１２ｂよりも内部容積が大きくされている。各インクチャンバー１２ａ，１２ｂはインク供給口３に開口する開口部１３ａ，１３ｂを備えており、開口部１３ａのインク供給口３の延びる方向１６における幅Ａは、開口部１３ｂの幅Ｂより大きい。本実施形態ではインクチャンバー１２ａ，１２ｂは、各インクチャンバー列１８において、供給口３の延びる方向１６に沿って交互に設けられている。すなわち、幅の異なる開口部１３ａ，１３ｂが一列のインクチャンバー列１８の中で交互に設けられている。しかし、開口部は必ずしもこのように配列される必要はなく、開口部の幅は、一列のインクチャンバー列１８を構成する複数のインクチャンバー１２の間で、少なくとも一部が互いに異なっていればよい。なお、インク内の異物の捕捉や、流れ抵抗の調整のため、開口部１３ａ，１３ｂ付近に柱からなるフィルター部材を設けてもよい。

流路構成部材８とＳｉＮ層６との間には、ポリエーテルアミド樹脂からなる密着層１５が形成されている。密着層１５は、基板２と流路壁１０との間に基板２から流路壁１０の方向に突き出して設けられた複数の櫛状部１５ａを備えている。密着層１５は流路構成部材８と基板２との密着力を高める効果を有している。各櫛状部１５ａは各流路壁１０と基板２との間に挟まれており、流路壁１０と基板２との密着力を高めるように作用する。

櫛状部１５ａは流路壁１０に完全に覆われている。これは、櫛状部１５ａがインクチャンバー１２ａ，１２ｂ内に張り出すと、インクチャンバー１２ａ，１２ｂ内のインクの流動に悪影響が生じるおそれがあるためである。

隣接する櫛状部１５ａ同士の間にある空隙部の、インク供給口３の延びる方向１６における幅は略同一である。すなわち、インクチャンバー１２ａにおける流路壁１０の櫛状部１５ａからの張り出し長さをＣ，インクチャンバー１２ｂにおける流路壁１０の櫛状部１５ａからの張り出し長さをＤとすると、インクチャンバー１２ａにおける櫛状部１５ａ同士の空隙部の間の幅（Ａ＋２Ｃ）は、インクチャンバー１２ｂにおける櫛状部同士の空隙部の間の幅（Ｂ＋２Ｄ）と略等しい。このように櫛状部同士の空隙部の幅を揃えることによる効果は、以下の製造方法のところで説明する。

図４は、インクジェット記録ヘッドの製造工程を示すステップ図である。以下、実施例に基づいて、同図を参照しながらインクジェット記録ヘッドの主要部の製造方法を説明する。

まず、図４（ａ）を参照し、結晶軸〈１００〉のシリコンウエハからなる基板２の下面に、インク供給口３となる部分を残してインク供給口マスク２１を形成した。次に、基板２の上面に、インク吐出圧力発生素子４ａ，４ｂと電極部１２（図１参照）とを形成した。その上に、保護層としてＳiＮ層６を形成し、さらにその上にＴａ層７を形成した。この段階のインクジェット記録ヘッドの状態は図３にも示されている。

次に、図４（ｂ）を参照し、基板２上に、密着層１５となるポリエーテルアミド層を２.０μｍの厚みで形成した。ポリエーテルアミド層には日立化成工業製のＨＩＭＡＬ１２００（商品名）を用い、これをスピンナーで基板２上に塗布後、１００℃で３０分、次いで２５０℃で１時間にわたって加熱し、ベークを行った。次に、形成したポリエーテルアミド層上に、東京応化工業製のＯＦＰＲ８００（商品名）を所定のパターンで形成し、このパターンをマスクとして、酸素プラズマアッシングによりエッチングを行った。その後マスクとして使用したＯＦＰＲのパターンを剥離して、密着層１５を形成した。密着層１５の櫛状部１５ａは、上述の通り空隙部の幅が互いに等しくなるように形成された。

次に、図４（ｃ）を参照し、東京応化工業製のポジレジストＯＤＵＲ（商品名）を基板２上に１３.５μｍの厚みで塗布した。レジストは有機溶剤に溶解後、スピンナーでスピンコート法によって塗布した。次に、形成したレジスト層の上にマスクを形成し、レジスト材をエッチングした。この際、流路壁１０が形成される部位は、密着層１５の櫛状部１５ａが完全に露出するようにレジスト層を除去した（図示せず）。このようにして、所定の形状を有する流路パターン２２を形成した。

次に、図４（ｄ）を参照し、流路パターン２２を覆うようにエポキシ樹脂のカチオン重合化合物からなる樹脂層２３を形成した。樹脂層２３は流路パターン２２の上だけでなく櫛状部１５ａの上方空間にも充填され、流路壁１０が形成される。その後、パターニングによって吐出口１４ａ，１４ｂを開口した。

次に、図４（ｅ）を参照し、基板２にＳi異方性エッチングによってインク供給口３を形成した。

次に、図４（ｆ）を参照し、ＳiＮ層６の、インク供給口３上の部分を除去し、流路パターン２２を溶解して除去し、インクチャンバー１２ａ，１２ｂを形成した。そして、流路構成部材８となるエポキシ樹脂層を完全に硬化させるために、２００℃で１時間加熱を行い、インクジェット記録ヘッドの主要部が完成した。

ここで、櫛状部同士の間の空隙部の幅を揃えることの効果について説明する。図５は、スピンナーで流路パターン２２のもととなるレジスト材を塗布したときの状態を示す模式図である。同図（ａ）は従来技術における、櫛状部同士の空隙部の幅が異なっているときの状況を、同図（ｂ）は本発明における、櫛状部同士の空隙部の幅を揃えたときの状況を各々示す。図５（ａ）に示すように、櫛状部１５ａ同士の空隙部の幅が異なっている場合、空隙部の幅の狭いところ（インクチャンバー１２ｂに対応）ではエポキシ樹脂の液面２４が空隙部の中央付近でも大きく下がることはない（図中ｈ１）。このため、インクチャンバー１２ｂが形成される部分には相対的に高い樹脂層２３が形成されることになる。これに対して、隙部の幅の広いところ（インクチャンバー１２ａに対応）ではエポキシ樹脂の液面２４が空隙部の中央付近を中心に大きく下がってしまう（図中ｈ２）。このため、インクチャンバー１２ａが形成される部分には相対的に低い樹脂層２３が形成されることになる。この結果、インクチャンバーの高さが互いに異なってしまう（図中ｈ３，ｈ４）。一方、櫛状部１５ａ同士の空隙部の幅が揃っている場合、図５（ｂ）に示すように、エポキシ樹脂はどの空隙部でも同じような液面２４の形状となるため、各空隙部において、液面高さはｈ５に揃い、インクチャンバー１２ａ，ｂの高さもｈ６に略一致することになる。このように櫛状部同士の間の空隙部の幅を揃えることによって、インクチャンバー１２ａ，ｂをほぼ同じ高さに形成することが可能となる。

（第２の実施形態） 続いて、本発明の第２の実施形態に係る記録ヘッドについて説明する。図６は、本発明の第２の実施形態に係る記録ヘッドの部分平面図および部分断面図である。同図（ａ）は、記録素子基板の部分平面図であり、天井部の図示は省略している。同図（ｂ）は、同図（ａ）のｂ−ｂ線に沿った断面図、同図（ｃ）は、同図（ａ）のｃ−ｃ線に沿った断面図である。

本実施形態では、記録ヘッドの第１のインクチャンバー列１８ａは大径吐出口１４ａが形成されたインクチャンバー１２ａだけで構成されており、第２のインクチャンバー列１８ｂは小径吐出口１４ｂが形成されたインクチャンバー１２ｂだけで構成されている。このため、インクチャンバー１２ａ，１２ｂの開口部１３ａ，１３ｂの幅も、各インクチャンバー列１８ａ，１８ｂの中では同一であり、インクチャンバー列１８ａ，１８ｂ同士では異なっている。すなわち、開口部１３ａのインク供給口３の延びる方向１６における幅Ｅは、開口部１３ｂの幅Ｆより大きい。一方、インクチャンバー１２ａにおける流路壁１０の櫛状部１５ａからの張り出し長さをＧ，インクチャンバー１２ｂにおける流路壁１０の櫛状部１５ａからの張り出し長さをＨとすると、インクチャンバー１２ａにおける櫛状部１５ａ同士の空隙部の幅（Ｅ＋２Ｇ）は、インクチャンバー１２ｂにおける櫛状部同士の空隙部の幅（Ｆ＋２Ｈ）と略等しい。その他の構成は、第１の実施形態とまったく同様である。また、製造方法も第１の実施形態とまったく同様である。また、本実施形態の効果も第１の実施形態と全く同様である。すなわち、各インクチャンバー列１８ａ，１８ｂの中だけでなく、インクチャンバー列１８ａ，１８ｂ同士でも櫛状部１５ａの間隙部の幅が揃えられるため、インクチャンバー１２ａ，１２ｂの高さもほぼ揃えられ、インク吐出性能のばらつきが抑えられる。

以上説明したように、本発明によれば、同一チップ内でインクチャンバーの幅の異なるインクジェット記録ヘッドにおいて、インクチャンバーの高さをインクチャンバーの幅によらずほぼ一定にすることができる。したがって、インクを吐出する吐出性能のばらつきを抑え、より高品質のインクジェット記録ヘッドを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る記録ヘッドの記録素子基板を示す部分破断斜視図である。 図１に示す記録ヘッドの記録素子基板の一部を示す斜視図である。 図１に示す記録ヘッドの記録素子基板の部分平面図および部分断面図である。 図１に示す記録ヘッドの製造工程を示すステップ図である。 スピンナーでレジスト材を塗布したときの状態を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る記録ヘッドの記録素子基板の部分平面図および部分断面図である。 同一チップ内にサイズの異なるインク吐出口が備えられた、従来技術のインクジェット記録ヘッドの概念図である。

符号の説明

１ 記録素子基板
２ 基板
３ インク供給口
４ インク吐出圧力発生素子
６ 密着層
８ 流路構成部材
１０ 流路壁
１２ａ，１２ｂ インクチャンバー
１３ａ，１３ｂ 開口部
１４ａ，１４ｂ 吐出口
１５ 密着層
１５ａ 櫛状部

Claims (7)

1. インクを供給するインク供給口を備えた基板と、
   流路壁と、前記インク供給口に沿って形成され該流路壁によって互いに仕切られた複数のインクチャンバーとを有し、該複数のインクチャンバーの各々は前記インク供給口に開口する開口部とインクを吐出する吐出口とを備えた、前記基板上に形成された流路構成部材と、
   前記基板と前記流路壁との間に該基板から該流路壁の方向に突き出して設けられた複数の櫛状部を備え、該櫛状部の各々は対応する該流路壁と該基板との密着力を高める密着層とを有し、
   前記開口部の、前記インク供給口の延びる方向における幅は、少なくとも一部の前記インクチャンバー同士で互いに異なり、
   前記櫛状部同士の空隙部の、前記インク供給口の延びる方向における幅は略同一である、記録ヘッド。
2. 前記開口部の前記幅は、一列のインクチャンバー列を構成する前記複数のインクチャンバーの間で、少なくとも一部が互いに異なっている、請求項１に記載の記録ヘッド。
3. 前記流路構成部材は、少なくとも２列のインクチャンバー列を形成し、
   前記開口部の前記幅は前記各インクチャンバー列の中では略同一であり、前記各インクチャンバー列同士では互いに異なっている、請求項１に記載の記録ヘッド。
4. 前記櫛状部は前記流路壁に完全に覆われている、請求項１から３のいずれか１項に記載の記録ヘッド。
5. 前記密着層はポリエーテルアミド樹脂を含んでいる、請求項１から４のいずれか１項に記載の記録ヘッド。
6. 前記流路構成部材はエポキシ樹脂のカチオン重合化合物を含んでいる、請求項１から５のいずれか１項に記載の記録ヘッド。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の記録ヘッドを備えた記録装置。

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