JP4865495B2 - 液体吐出ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体を吐出する液体吐出ヘッドに関し、具体的にはインクを被記録媒体に吐出することにより記録を行うインクジェット記録ヘッドに関するものである。また本発明はそのような液体吐出ヘッドの製造方法に関するものである。

液体を吐出する液体吐出ヘッドを用いる例としては、インクを被記録媒体に吐出して記録を行うインクジェット記録方式が挙げられる。

インクジェット記録方式に用いられる一般的な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ー発生素子として、例えばヒーター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がある。いずれの方法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。

近年は、インターネット、デジタルカメラの普及により、記録画像に対する高解像度化の欲求がますます増大してきている。

そのためインクジェット記録ヘッド（以下、ヘッド）からより細かい液体を吐出させることができるように、吐出口の微小口径化が行われている。しかしながら吐出口の径を微小化（例えば数μｍ）すると、吐出時の吐出口部分の流動抵抗が極めて高くなり吐出効率が悪化することが知られている。

このような問題に対して、特許文献１では吐出口を含む第一吐出口部に、流動に対して垂直な断面積を吐出口よりも大きくした第二吐出口部を設け、吐出口方向への流抵抗を小さくすることにより、吐出効率の悪化を防いでいる。
特開２００４−０４２６５１号公報

しかしながら、本発明者らが特許文献１に開示のヘッドを実際に作製し、吐出を行ったところ、形状（吐出口径の大きさ）、材料によっては稀にではあるが、吐出方向や吐出量のばらつきなどの吐出不良が確認された。

吐出不良が確認されたヘッドでは一部の吐出口周辺の部材が歪んで変形しており、本発明者らの検討の結果、歪みの原因は吐出口部分にかかる応力によるものであることがわかった。

すなわちインクジェット記録ヘッドの壁部材は長時間インクと接しているため材料によっては膨潤してしまったり、また熱によって膨張する場合がある。これにより発生した応力によって、周囲に比べ厚みが小さく強度の低い吐出口部分に変形が生じたと考えられる。

本発明は前述した従来にはない新規の問題点を解決するために考案されたものであって、微小口径の吐出口を有するインクジェット記録ヘッドにおいて、膨潤、膨張などによる応力を緩和し、吐出口部分の変形を抑えたインクジェット記録ヘッドを提供することを目的とする。

本発明は、液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子を有する基板と、前記エネルギー発生素子に対向して設けられ、液体を吐出する吐出口と、前記エネルギー発生素子により前記液体を吐出するためのエネルギーが液体に作用する部屋と、前記部屋と前記吐出口とを連通する吐出部と前記部屋へ前記液体を供給する供給路と、を有する液体吐出ヘッドにおいて、前記部屋を構成する壁部材に前記部屋とは独立した中空部が設けられ、前記中空部は、前記吐出部の前記基板側の端部よりも前記基板から離れた位置まで延在して形成されており、前記吐出口から前記基板に向かう方向にみて、前記中空部は少なくとも前記吐出口全体を挟んで対向していることを特徴とする液体吐出ヘッドである。

また本発明は、液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子を有する基板と、前記エネルギー発生素子に対向して設けられ、液体を吐出する吐出口と、前記エネルギー発生素子により前記液体を吐出するためのエネルギーが発生される部屋と、前記部屋と前記吐出口とを連通する吐出部と、前記部屋へ前記液体を供給する供給路と、を有する液体吐出ヘッドの製造方法において、前記基板上に除去可能な材料層を形成する工程と、前記除去可能な材料層にパターニングを行い、前記部屋を形成する予定の領域の、前記液体の供給方向に対しての側面と対向する位置に、型部材を形成する工程と、前記型部材上に被覆樹脂層を形成する工程と、前記被覆樹脂層に、前記型部材を露出する部位を形成する工程と、前記型部材を露出する部位を介して前記型部材を除去し、前記吐出部の前記基板側の端部よりも前記基板から離れた位置まで延在した中空部を形成する工程と、を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法である。

本発明によるインクジェット記録ヘッドは、壁部材のうち部屋の壁面となる部材内に、液体の流路と連通しない独立した中空部を有している。このため壁部材の膨潤や熱による膨張によって発生する応力を緩和することができる。その結果、吐出口の変形量は抑制され、液滴の吐出量や吐出方向のバラツキを低減させることができる。よって吐出口を微小口径化した場合であっても記録品位の低下がないインクジェット記録ヘッドを可能としている。

本発明の適用例として、インクジェット記録方式に用いられるヘッドを例に挙げて説明を行うが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、バイオッチップ作成や電子回路印刷等にも適用できる。

まず、本発明を適用可能なインクジェット記録ヘッドについて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す模式図である。

本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、インク吐出エネルギー発生素子１として発熱抵抗体が所定のピッチで２列に並んで形成されたＳｉの基板２を有している。基板２には、Ｓｉを異方性エッチングすることによって形成されたインク供給口３が、発熱抵抗体の２つの列の間に開口されている。基板２上には、インク流路を形成する壁部材４によって、各インク吐出エネルギー発生素子１の上方に開口する吐出口５と、インク供給口３から各インク吐出口５に連通する個別のインク流路１５が形成されている。

このインクジェット記録ヘッドは、インク供給口３が形成された面が記録媒体の記録面に対面するように配置される。そしてこのインクジェット記録ヘッドは、インク供給口３を介してインク流路１５内に充填されたインクに、インク吐出エネルギー発生素子１によって発生する圧力を加えることによって、インク吐出口５からインク液滴を吐出させ、これを記録媒体に付着させることによって記録を行う。

このインクジェット記録ヘッドは、プリンタ、複写機、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。

次いで本発明によるインクジェット記録ヘッドの構造の特徴について図２を参照して詳しく説明する。

図２（ａ）は吐出口方向から見た本発明のインクジェット記録ヘッドの平面透視図である。また図２（ｂ）は図２（ａ）の線Ａ−Ａ’に沿った模式的断面図であり、また図２（ｃ）は後述する他の例における線Ａ−Ａ’に沿った模式的断面図である。図２（ｄ）は図２（ａ）の線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図である。

図２（ａ）に示すように、エネルギー発生素子によりエネルギー発生素子により発生されるエネルギーが液体に作用する部屋１０を形成する壁部材４に、中空部９が形成されている。中空部９は、部屋１０および供給路１２とは独立して形成されている。互いに対向する中空部９は、吐出口から基板に向かう方向にみて、少なくとも、吐出口５全体を挟み込むように設けられている。また図２（ａ）に示すように、中空部９が、部屋１０および供給路１２の一部を挟み込むように設けられ、部屋１０全体は中空部９によって挟みこまれる領域（図２（ａ）中、破線枠Ｅ）に存在するとより好ましい。また中空部９は供給路１２と対向する位置（図中２（ａ）、破線枠Ｆ）に設けられた外気連通口１１を介して外気と連通している。しかし密閉された状態でも構わない。

またここで言う部屋１０とは、吐出口から基板方向にみて、少なくともエネルギー発生素子１を囲い込むことができる領域を意味する。

図２（ｂ）に示すように本実施形態の一例では、エネルギー発生素子１に対応するように設けられた部屋１０と相互に連通するように吐出部１３が設けられ、吐出部１３は吐出口５を有している。

図２（ｂ）に示す形状のヘッドにおいて、部屋１０の、基板２と平行な断面積において、局地的に減少する部位（図２（ｂ）中、点線で図示）が吐出部１３の基板側開の開口１４であり、該開口１４から吐出口５までを吐出部１３とする。吐出部１３は、部屋１０と、吐出口５とを連通している。これは図３に示す他の例でも同様である。

図２（ｃ）の例では、中空部９は、基板２から垂直に吐出部１３の基板側開口１４と同程度の高さまで設けられている。

図４に、壁部材４の吐出口５から基板２との接合面までの高さＬに対する中空部９の垂直断面長さｌの比と、吐出口５の変形量との関係を示す。図４に示すように、壁部材４に対する中空部９の割合を増やすに従い、吐出口５の変形量が減少している事から、基板２から吐出口５へと向かう向きでは中空部９の割合が大きいとより応力緩和の効果が大きいといえる。

また本発明の発明者らの検討により、部屋１０と中空部９の間の壁部材４の厚み（図２（ｂ）中、Ｄ）は、基板２との接着強度が維持できる範囲で薄いほうが好ましいことがわかっている。

部屋１０および吐出口５を形成する壁部材４が、例えば高分子材料により形成されている場合には使用中に吸湿・吸水をしたり、また金属材料によって形成されている場合は熱の影響により膨張する。これによって発生した応力は流体が存在する部屋１０に向かう向きに発生しているが、周囲に比べ剛性の低い吐出口５にかかると、その結果吐出口５が変形してしまう場合がある。変形した吐出口５は液滴の吐出量や吐出方向に異常な変化をもたらし、印刷品位の低下を招く。

しかし、本実施形態のように壁部材４に中空部９を設けることで、吐出口５と同程度、もしくは吐出口５よりも剛性の低い箇所ができる。その結果、応力は中空部９に分散され、吐出口５の応力を緩和する事ができる。それにより吐出口５の変形が緩和される為、液滴の吐出量や吐出方向の変化を抑制する事ができ、印字品位を向上させることができる。

上述の方法以外に、吐出部分に集中する応力を解放させる構造としては、壁部材を、吐出口側から基板側まで掘り込んだ溝構造も考えられる。このような構造は応力の解放には効果的ではある、しかしながら、隣接する吐出口を接続し拘束する面が無くなる為、壁部材の強度との兼ね合いの点が課題となる。

また同様の理由により本発明のインクジェット記録ヘッドでは、部屋１０よりも供給方向の下流の位置で中空部９に外気連通口１１を設けている。

また、図２（ｂ）においては、部屋１０の中心線（図２（ｂ）中、破線）に対して対称となるように中空部９を形成し、吐出口５に対する応力を均等に緩和させている。これは不均一に応力を分散させてしまったために予期せぬ部位に応力を集中させてしまわないように配慮したためである。

また図２（ｃ）は図２（ｂ）に示す実施形態の変形例を示す断面図である。図２（ｃ）に示される例では基板２から吐出口５を上方向にみて中空部９の下側の端面が基板２によって形成されている。本実施例のような形態においても本発明による応力緩和の効果は十分に得ることができる。

以上の説明では、図２（ｂ）のように吐出部１３について、基板２に平行な面での断面積が、段階的に変化する二段形状になっているものを用いて説明を行った。しかし本発明はこれに限られるものではなく、たとえば図３に示されるような吐出部１３の形状であっても構わない。

次いで図５（ｇ）〜５（ｇ）および図６（ａ）〜６（ｇ）を参照して実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの製造方法を説明する。

図５（ａ）〜５（ｇ）は図１の線ａ−ａ’に沿った模式的断面図であり、図６（ａ）〜６（ｇ）は図２（ａ）の線Ａ−Ａ’に沿った模式的断面図である。

まず図５（ａ），図６（ａ）に示すように、吐出エネルギー発生素子１として電気熱変換素子を形成したＳｉの基板２を用意した。次に基板２上に第一層６および第二層７を連続して、スピンコート法によりそれぞれ塗布した。第一層６および第二層７は、波長が３００ｎｍ以下の紫外光であるＤｅｅｐ−ＵＶ光（以下、ＤＵＶ光と称する。）を照射することによって、分子中の結合が破壊されて溶解可能な樹脂によって形成される。第一層６としては、ポリメチルイソプロペニルケトン（ＰＭＩＰＫ）をシクロヘキサノン溶媒で沃化した液を使用した。また第二層７としては、メタクリル酸メチル（ＭＭＡ）とメタクリル酸（ＭＡＡ）をラジカル重合させて、ポリマー化させた２元共重合体（Ｐ（ＭＭＡ−ＭＡＡ）＝９０〜７０：１０〜３０）をシクロヘキサノン溶媒で溶解した液を使用した。

次いで図５（ｂ），図６（ｂ）示すように、ＤＵＶ光を照射させる露光装置を用いて、波長２１０〜２６０ｎｍのＤＵＶ光を照射させて、第二層７を露光および現像することによって、第二層７に所望の流路パターンを形成した。第二層７で形成されたパターンは、インク流路壁内に空洞を設けるための型部材（型パターン）となる。なお第二層７に流路パターンを形成する際、第二層７と第一層６とでは、波長２１０〜２６０ｎｍ付近のＮＵＶ光に対する感度比が非常に大きいため、第一層６が感光されることなく、第二層７をパターニングできる。

引き続き図５（ｃ）、図６（ｃ）に示すように、上述した露光装置を用いて波長が２６０〜３３０ｎｍ付近のＮｅａｒ−ＵＶ光（以下、ＮＵＶ光と称する。）を照射することにより、第一層６を露光および現像することによって、第一層６に所望の流路パターンおよび中空部９の型となるパターンを形成した。

なお図２（ｂ）に示されるように最終的に部屋１０周囲の中空部９が基板２と壁部材４とに隔てられた形状を形成した場合には、例えば以下の方法により可能となる。すなわち図７（ａ）に示すように第二層７を介して下層を露光し、その後現像することにより、第二層７の下に部分的に第一層６が存在しない箇所を設けて第二層７の一部が中空に在る状態をつくればよい。なお第二層７を介した第一層６への露光による第二層７への影響は、上述したように互いに異なる感光波長域を有する樹脂の組み合わせの選択により可能である。また、図７（ｂ）のように、中空部９と基板２とを隔てるための壁部材４を最初に形成した後に、第１層６、第２層７を積層し、パターニングして、型パターンを形成することも可能である。この場合には、部屋１０から吐出部１３までの高さにわたる中空部９が形成されることになる。

次いで図５（ｄ）、図６（ｄ）に示すように、下記の樹脂組成物に、トリエタノールアミンをＳＰ−１７０の１３モル％添加したものをメチルイソブチルケトン／キシレン混合溶媒に６０ｗｔ％の濃度で溶解した。これを、第一層６と第二層７とで構成される中空部型材およびインク流路型材上にスピンコート法により塗布し、被覆樹脂層８を形成した。
樹脂組成物
名称 重量部
ＥＨＰＥ−３１５８ ダイセル化学（株）製 １００
Ａ−１８７ 日本ユニカー（株）製 ５
ＳＰ−１７０ 旭電化工業（株）製 ２
本発明の実施例は被覆樹脂層８として上記の樹脂組成物を使用したが、その他適用可能な樹脂としてマイクロケム社製ＳＵ−８などの厚膜レジストを使用しても何ら問題はない。

続いて図５（ｅ）、図６（ｅ）に示すように、インク吐出口５および外気連通口１１を形成するために、キヤノン（株）製ＭＰＡ−６００ｓｕｐｅｒにて被覆樹脂層８を露光した。

その後、図５（ｆ）、図６（ｆ）に示すように、ＰＥＢを行い現像することによって吐出口５のパターンを形成すると同時に、中空部９を形成するために第一層６および第二層７を除去するための外気連通口１１を形成した。

なお外気連通口１１は流路形成予定部位よりも供給方向の下流（図５（ｆ）中、矢印）の領域に形成した。

次いで，図５（ｇ）に示すように、インク供給のための開口部であるインク供給口３を、ＴＭＡＨによるシリコンの異方性エッチングにより形成した。

その後，図５（ｇ）、図６（ｇ）に示すようにＵＳＨＩＯ製ＣＥ−９０００により全面照射を行い、乳酸メチル中に超音波を付与しつつ浸漬し、中空部形成用の型パターンおよびインク流路パターンである溶解可能な第二層７および第一層６を溶出した。最後に、２００℃／１時間加熱し、被覆樹脂層８を完全に硬化させ、壁部材４を形成した。

最後に，インク吐出エネルギー発生素子１を駆動するための電気的接合（図示せず）を行って、インクジェット記録ヘッドが完成した。

このようにして製造されたインクジェット記録ヘッドは従来のインクジェット記録ヘッドの構成よりインクの膨潤や熱によるインク吐出口５の変形が低減されることを形状測定機によって確認できた。さらに印字耐久を続けていくと従来の中空部を設けないインクジェット記録ヘッドより本実施形態による中空部を設けたインクジェット記録ヘッドの方が安定して吐出できた。

本発明の実施例に係るインクジェット記録ヘッドの構成の一例を示す斜視図である。 本発明の実施例に係るインクジェット記録ヘッドの構造の一例を示す説明図である。 本発明の実施例に係るインクジェット記録ヘッドの構造の一例を示す模式的断面図である。 基板に垂直な方向の長さおいて壁部材中に中空部が占める割合と吐出口の変形量との関係の一例を示すグラフである。 本発明の実施例に係るインクジェット記録ヘッドの製造方法の一例を示す模式的断面図である。 本発明の実施例に係るインクジェット記録ヘッドの製造方法の一例を示す模式的断面図である。 本発明の実施例に係るインクジェット記録ヘッドの製造方法の一例を示す模式的断面図である。

符号の説明

１ エネルギー発生素子
２ 基板
３ 供給口
４ 壁部材
５ 吐出口
９ 中空部
１０ 部屋
１２ 供給路
１３ 吐出部

Claims (9)

1. 液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子を有する基板と、前記エネルギー発生素子に対向して設けられ、液体を吐出する吐出口と、前記エネルギー発生素子により発生されるエネルギーが液体に作用する部屋と、前記部屋と前記吐出口とを連通する吐出部と、前記部屋へ前記液体を供給する供給路と、を有する液体吐出ヘッドにおいて、
   前記部屋を構成する壁部材に、前記部屋とは独立した中空部が設けられ、前記中空部は、前記吐出部の前記基板側の端部よりも前記基板から離れた位置まで延在して形成されており、前記吐出口から前記基板に向かう方向にみて、前記中空部は、少なくとも前記吐出口全体を挟んで対向していることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記中空部を構成する壁面の一部が前記基板によって形成されていることを特徴とする請求項１に液体吐出ヘッド。
3. 前記中空部は前記エネルギー発生素子の中心に対し対称な形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記壁部材および前記吐出口を形成する吐出口形成部材が樹脂によって形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記樹脂がエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記中空部は前記吐出口から前記基板方向にみて、前記部屋全体を挟んで対向していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
7. 液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子を有する基板と、前記エネルギー発生素子に対向して設けられ、液体を吐出する吐出口と、前記エネルギー発生素子により前記液体を吐出するためのエネルギーが発生される部屋と、前記部屋と前記吐出口とを連通する吐出部と、前記部屋へ前記液体を供給する供給路と、を有する液体吐出ヘッドの製造方法において、
   前記基板上に除去可能な材料層を形成する工程と、前記除去可能な材料層にパターニングを行い、前記部屋を形成する予定の領域の、前記液体の供給方向に対しての側面と対向する位置に、型部材を形成する工程と、前記型部材上に被覆樹脂層を形成する工程と、
   前記被覆樹脂層に、前記型部材を露出する部位を形成する工程と、
   前記型部材を露出する部位を介して前記型部材を除去し、前記吐出部の前記基板側の端部よりも前記基板から離れた位置まで延在した中空部を形成する工程と、
   を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
8. 前記除去可能な材料層がポジ型感光性樹脂によって形成されていることを特徴とする請求項７に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
9. 前記除去可能な材料層は、前記基板に直接積層される第一層と、前記第一層上に積層される第二層とによって形成され、
   前記型部材を形成する工程において、前記第二層を介して前記第一層の露光を部分的に行い、現像を行うことにより、前記第二層と、前記第二層の前記基板側である下側に部分的に存在する前記第一層とで、前記型部材を形成する請求項７または８に記載の液体吐出ヘッドの製像方法。

Images