JP7387454B2

JP7387454B2 - 液体吐出ヘッド

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Publication number: JP7387454B2
Application number: JP2020004247A
Authority: JP
Inventors: 雄介橋本; 裕之村山; 謙児藤井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2019-02-04
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2023-11-28
Anticipated expiration: 2040-01-15
Also published as: JP2020124913A

Description

本発明は、液体吐出ヘッドに関する。

吐出口からインクなどの液体を吐出して記録媒体に画像を記録する液体吐出ヘッドが知られている。液体吐出ヘッドに求められる信頼性の１つとして、吐出口内へのゴミや異物の侵入を抑制することがある。その原因としては、液体吐出ヘッドに供給される液体にゴミや異物が含まれることが挙げられる。このような液体中のゴミや異物の侵入を抑制して液体吐出ヘッドの信頼性を高めるために、液体吐出ヘッドにフィルタを設ける技術が知られている。特許文献１には、基板を貫通する液体供給路の開口部にメンブレンフィルタ構造が形成された液体吐出ヘッドが記載されている。

特開２００５－１７８３６４号公報

ところで、液体吐出ヘッドに強い衝撃や振動が生じた場合に、吐出口を通じて液体内に気泡を抱き込んでしまうことがある。このように気泡を抱き込んでしまうと、複数の吐出口に連通する共通液室に気泡が滞留してしまい、吐出不良の原因になるため、吐出口を通じて気泡を吸引することが必要になる。しかしながら、特許文献１に記載された液体吐出ヘッドでは、液体供給路の開口部にフィルタが形成されているため、滞留した気泡がフィルタ上の共通液室で合体して大きくなり、吸引時に泡残りが発生することがある。泡残りが発生すると、液体の吐出不良が発生して画像品位の低下を引き起こしてしまう。液体の吸引量を増やすことで泡残りの発生を抑制することもできるが、その場合、吸引による廃液の量が増加してしまう。
そこで、本発明の目的は、吸引による無駄な液体の消費を抑制しながら高い信頼性を実現する液体吐出ヘッドを提供することである。

本発明の液体吐出ヘッドは、基板と、液体を吐出するための複数の吐出口を有する吐出口形成部材と、基板と吐出口形成部材との間に設けられた中間層とを有し、基板が、複数の吐出口に液体を供給するための供給路を有し、吐出口形成部材が、複数の吐出口に連通する共通液室を有し、供給路と共通液室が、中間層に形成された複数の孔からなるフィルタ部を介して連通し、吐出口形成部材が、フィルタ部に対向する位置で共通液室内に突出する壁部を有し、壁部が、複数の吐出口の配列方向と交差する方向に沿って延びている。

以上、本発明によれば、吸引による無駄な液体の消費を抑制しながら高い信頼性を実現する液体吐出ヘッドを提供することができる。

一実施形態に係る液体吐出ヘッドの斜視図である。一実施形態に係る液体吐出ヘッドの透視平面図および断面図である。図２（ａ）の円Ｃで囲まれた領域の拡大図である。共通液室内に滞留する気泡が合体する様子を示す透視平面図である。一実施形態に係る液体吐出ヘッドの変形例を示す透視平面図である。一実施形態に係る液体吐出ヘッドの変形例を示す透視平面図である。一実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法を示す断面図である。一実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、同一の機能を有する構成には図面中に同一の番号を付与し、その説明を省略する場合がある。

図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドの斜視図である。図１（ｂ）は、本実施形態の液体吐出ヘッドを構成する記録素子基板の斜視図である。
液体吐出ヘッド１は、インクなどの液体を吐出して記録媒体に画像を記録するものであり、記録素子基板２と、電気配線基板３と、支持部材４とを有している。記録素子基板２および電気配線基板３は、記録素子基板２が電気配線基板３に形成された開口部（図１には図示せず）内に位置するように、支持部材４に接合されている。なお、支持部材４には、記録素子基板２に液体を供給するための流路（図示せず）が設けられ、２種類以上の液体を供給する場合、それらが混色しないように流路に隔壁が形成されていることが好ましい。

記録素子基板２は、基板１１と、基板１１に設けられた吐出口形成部材１６とを有している。吐出口形成部材１６には、液体を吐出するための複数の吐出口１９と、それぞれが吐出口１９に連通する複数の流路１７と、複数の流路１７に連通する共通液室１５とが形成されている。複数の吐出口１９は、吐出口形成部材１６の長手方向に沿って所定のピッチで配列され、並列する２つの吐出口列を形成している。共通液室１５は、これら２つの吐出口列の間に配置されている。複数の吐出口１９の配列方向（以下、「吐出口配列方向」という）は、共通液室１５の開口の長手方向に沿っている。図１においては、吐出口配列方向Ｘは、共通液室１５の開口の長手方向と平行である。基板１１には、吐出口１９に対向する位置に、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発熱素子であるエネルギー発生素子１２が設けられている。この熱エネルギーにより、流路１７内の液体を発泡させて吐出口１９から吐出することができる。エネルギー発生素子１２としては、発熱素子（ヒータ）の他、流路１７の壁を変形させることで圧力を発生させて液体を吐出する圧電素子（ピエゾ素子）を用いることもできる。
また、基板１１には、基板１１を貫通して支持部材４の流路に連通する供給路１８が形成されている。供給路１８は、複数の吐出口１９に液体を供給するためのものであり、基板１１の吐出口形成部材１６に対向する面に、吐出口配列方向Ｘに沿って開口する開口部１８ａを有している。複数のエネルギー発生素子１２は、複数の吐出口１９からなる２つの吐出口列に対応して２つの素子列を形成しているが、供給路１８の開口部１８ａは、それら２つの素子列の間に位置している。なお、基板１１の長手方向の端部には、エネルギー発生素子１２に駆動信号と駆動電力を供給するための接続端子群２０も形成されている。

図２（ａ）は、本実施形態の液体吐出ヘッドの吐出口付近を拡大して示す透視平面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ－Ａ線に沿った断面図であり、図２（ｃ）は、図２（ａ）のＢ－Ｂ線に沿った断面図である。図３は、図２（ａ）の円Ｃで囲まれた領域の拡大図である。
液体吐出ヘッド１は、基板１１と吐出口形成部材１６との間の中間層として密着層１３を有している。密着層１３は、基板１１と吐出口形成部材１６との密着性を向上させる機能を有している。このため、例えば、基板１１がシリコンで形成されており、吐出口形成部材１６がエポキシ樹脂で形成されている場合、密着層１３はポリエーテルアミド樹脂で形成されていることが好ましい。密着層１３は、供給路１８と共通液室１５に対向する領域にフィルタ部１４を有している。換言すると、供給路１８と共通液室１５は、密着層１３のフィルタ部１４を介して連通している。フィルタ部１４は、複数の孔１４ａからなり、供給路１８から共通液室１５へと供給される液体に含まれるゴミや異物を除去し、それらが吐出口１９に侵入することを抑制する機能を有している。このような観点から、各孔１４ａは、吐出口１９の直径をＤ、孔１４ａの直径をＥとしたとき、Ｄ＞Ｅの関係を満たしていることが好ましい。

さらにフィルタ部１４の性能を高めるためには、孔１４ａの直径をできるだけ小さくし、隣接する孔１４ａ同士の間隔もできるだけ狭くすることが好ましい。しかしながら、複数の孔１４ａをこのように構成すると、圧力損失（流抵抗）が大きくなって液体の流れが悪くなり、液体の吐出速度に影響を与えるため、孔１４ａの直径や間隔をむやみに小さくすることは好ましくない。すなわち、複数の孔１４ａからなるフィルタ部１４の性能と圧力損失（流抵抗）との間にはトレードオフの関係が成り立つため、孔１４ａの直径や間隔は、フィルタ性能と液体供給性能とのバランスを考慮して決定されることが好ましい。このような観点から、孔１４ａの直径をＥ、隣接する２つの孔１４ａの間隔をＬとしたとき、Ｌ＞Ｅ／２の関係を満たしていることが好ましい。また、複数の孔１４ａは、隣接する３つの孔１４ａの中心が正三角形の頂点に位置するように三角格子状に配置されていることが好ましい。これにより、フィルタ性能と液体供給性能とを両立させることができる。

また、液体吐出ヘッド１は、吐出口形成部材１６に形成され、いずれも共通液室１５内に突出する２種類の突起として、柱状突起１０１，梁状突起１０２を有している。流路１７の入口に面する位置には、柱状突起１０１が設けられている。柱状突起１０１は、流路１７を通じて吐出口１９に供給される液体中のゴミや異物を除去するフィルタとして機能する。また、密着層１３のフィルタ部１４に対向する位置には、吐出口配列方向Ｘに沿って梁状突起１０２が設けられている。梁状突起１０２は、吐出口配列方向Ｘに沿った共通液室１５の中心線上に配置されている。梁状突起１０２は、突出方向の先端がフィルタ部１４に当接していることが好ましく、これにより、供給路１８と共通液室１５との間に形成されたフィルタ部１４を保持し、その強度を向上させることができる。

さらに、吐出口形成部材１６には、共通液室１５内に突出する分断壁（壁部）１０３が形成されている。分断壁１０３は、梁状突起１０２の両側に設けられ、吐出口配列方向Ｘ（共通液室１５の開口の長手方向）と交差する方向に沿って延びている。分断壁１０３が吐出口配列方向Ｘと交差する方向に沿って延びているとは、分断壁１０３が吐出口配列方向Ｘに垂直な方向に対して２０度以内の傾きの範囲内で延びていることを意味する。好ましくは、分断壁１０３は、吐出口配列方向Ｘに垂直な方向に沿って（垂直な方向に平行に）延びている。分断壁１０３は、梁状突起１０２と同様に、フィルタ部１４に当接していることが好ましく、これにより、供給路１８と共通液室１５との間に形成されたフィルタ部１４を保持し、その強度を向上させることができる。また、分断壁１０３は、吐出口配列方向Ｘにおいて流路１７に対応する位置に配置され、流路１７に面する端部を有している。したがって、分断壁１０３は、柱状突起１０１と同様に、液体中のゴミや異物を除去するフィルタとしても機能する。
加えて、分断壁１０３は、上述した機能の他、吐出口１９を通じて液体内に気泡を抱き込んでしまった場合に、そのような気泡が吐出口配列方向Ｘに合体して大きくなるのを抑制する機能も有している。以下、この機能について、図４を参照しながら説明する。図４（ａ）は、分断壁を備えていない液体吐出ヘッドにおいて、共通液室内に滞留する気泡が合体する様子を示す透視平面図である。図４（ｂ）は、分断壁を備えた本実施形態の液体吐出ヘッドにおいて、共通液室内に滞留する気泡が合体する様子を示す透視平面図である。

図４（ａ）に示すように、分断壁１０３を備えていない液体吐出ヘッド２０１では、共通液室１５を吐出口配列方向Ｘに分断する構造物が存在しない。そのため、吐出口１９を通じて液体内に抱き込まれた気泡１０４が共通液室１５内のフィルタ部１４上に滞留した場合、それらが吐出口配列方向Ｘに合体して大きくなり、液体の吐出不良を発生させることがある。これを抑制するには、吐出口１９を通じて気泡１０４を吸引することが考えられるが、大きくなった気泡１０４のために、吸引時に泡残りが発生する可能性がある。液体の吸引量を増やすことで泡残りの発生を抑制することもできるが、その場合、吸引による廃液の量が増加してしまう。
一方、図４（ｂ）に示すように、本実施形態の液体吐出ヘッド１では、共通液室１５を吐出口配列方向Ｘに分断する分断壁１０３が設けられている。これにより、吐出口１９を通じて液体内に抱き込まれた気泡１０４が共通液室１５内のフィルタ部１４上に滞留した場合でも、それらが吐出口配列方向Ｘに合体して大きくなることを抑制することができる。その結果、供給路１８と共通液室１５との間にフィルタ部１４を設けることで高い信頼性を確保しながら、共通液室１５内での気泡の大型化を抑制して吸引による無駄な液体の消費を抑制することができる。

なお、分断壁１０３は、上述したように、フィルタ部１４の強度向上という観点からはフィルタ部１４に当接していることが好ましい。ただし、共通液室１５内での気泡の大型化を抑制するという観点からは、分断壁１０３はフィルタ部１４に当接していなくてもよく、両者の間に数μｍ程度の隙間があってもよい。また、分断壁１０３の平面形状および配置は上述したものに限定されるものではない。図５および図６は、そのような分断壁の変形例を示す透視平面図である。なお、分離壁（壁部）１０３とフィルタ部１４とは、いずれも有機樹脂で形成することが好ましい。
図５（ａ）に示すように、液体吐出ヘッド１には梁状突起１０２が設けられていなくてもよく、すなわち、分断壁１０３のみが設けられていてもよい。また、図５（ｂ）に示すように、分断壁１０３の端部は、液体の吐出方向から見て、流路１７に向かうにつれて幅が狭くなる形状（先細形状）を有していてもよい。また、気泡の合体を良好に抑制するために、吐出口配列方向Ｘと交差する方向に沿って延びる分断壁１０３は、吐出口配列方向Ｘに複数設けられていることが好ましい。すなわち、分断壁１０３は、吐出口配列方向Ｘにおいて重複しないように複数設けられていることが好ましい。具体的には、分断壁１０３は、吐出口配列方向Ｘに３つ以上設けられていることが好ましい。なお、梁状突起１０２を介して分断壁が接続している場合（例えば、分断壁Ａと分断壁Ｂが接続している場合）、分断壁Ａと分断壁Ｂとは別の分断壁であるとみなし、すなわち、分断壁は複数設けられているものとする。

また、図６（ａ）に示すように、梁状突起１０２の両側にそれぞれ複数の分断壁１０３が設けられていてもよい。この場合、複数の分断壁１０３をフィルタ部１４に当接させてフィルタ部１４の強度向上を図るためには、吐出口配列方向Ｘにおいて隣接する分断壁１０３同士の間隔をできるだけ狭くすることが好ましい。しかしながら、分断壁１０３同士の間隔が狭すぎると、圧力損失（流抵抗）が大きくなって液体の流れが悪くなり、液体の吐出速度に影響を与えてしまう。すなわち、複数の分断壁１０３によるフィルタ部１４の強度向上と圧力損失（流抵抗）との間にはトレードオフの関係が成り立つ。そのため、分断壁１０３同士の間隔は、フィルタ部１４の強度向上と液体供給性能とのバランスを考慮して決定されることが好ましい。このような観点から、吐出口配列方向Ｘにおいて、複数の吐出口１９の間隔をＦ、複数の分断壁１０３の間隔をＧとしたとき、Ｇ≧２Ｆの関係を満たしていることが好ましい。これにより、フィルタ部１４の強度向上と液体供給性能とを両立させることができる。
なお、複数の分断壁１０３の配置は、液体の吐出方向から見て、図６（ａ）に示すように梁状突起１０２に対して対称でなくてもよく、図６（ｂ）に示すように梁状突起１０２に対して非対称であってもよい。この場合、複数の分断壁１０３をフィルタ部１４に当接させることで、複数の分断壁１０３が対称に配置されている場合に比べて、フィルタ部１４の強度をより一層向上させることができる。

次に、図７および図８を参照して、本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法について説明する。図７（ａ）から図８（ｃ）は、本実施形態の製造方法の各工程における液体吐出ヘッドの概略断面図であり、図１（ｂ）に対応する図である。

まず、単結晶シリコンからなり、主面が（１００）面である基板１１を用意する。基板１１の表面１１ａには、図７（ａ）に示すように、エネルギー発生素子１２が設けられている。
次に、基板１１の表面１１ａに、例えばポリエーテルアミド樹脂などの有機樹脂を塗布し、パターニングを行い、図７（ｂ）に示すように、フィルタ部１４を有する密着層１３を形成する。樹脂の塗布方法としては、スピンコート法、ダイレクトコート法、スプレー法などを用いることができる。また、パターニングは、レジストを塗布し、露光および現像を行うことでレジストパターンを形成し、それをエッチングマスクとしたエッチングにより行われる。なお、感光性の樹脂材料を用いて、直接パターニングを行ってもよく、フィルム化したものを貼りつけて所望のパターンを形成してもよい。

次に、図７（ｃ）に示すように、基板１１の表面１１ａ側に、パターニングにより共通液室１５および流路１７を形成するための型材２１を形成する。型材２１のパターニングは、レジストを塗布し、露光および現像を行うことでレジストパターンを形成し、それをマスクとしたエッチングにより行われる。なお、感光性の樹脂材料を用いて、直接パターニングを行ってもよく、フィルム化したものを貼りつけて所望のパターンを形成してもよい。
次に、型材２１上に、例えばエポキシ樹脂などの有機樹脂を塗布し、パターニングを行うことで、図８（ａ）に示すように、吐出口１９を備えた吐出口形成部材１６を形成する。樹脂の塗布方法としては、スピンコート法、ダイレクトコート法、スプレー法などを用いることができる。また、パターニングは、吐出口１９に相当する部分を露光および現像により除去することで行われる。なお、レジストパターンを形成し、それをエッチングマスクとしたエッチングによりパターニングを行ってもよく、フィルム化したものを貼りつけて所望のパターンを形成してもよい。

次に、基板１１の表面１１ａ側を環化ゴムやテープなどにより保護した後、基板１１にエッチング処理を行うことで、図８（ｂ）に示すように、基板１１に供給路１８を形成する。なお、事前に先導孔を形成しておくことで、エッチング時間の短縮を図ることができる。したがって、基板１１の裏面１１ｂに、事前に樹脂層をパターニングして開口を有するエッチングマスクを形成し、その開口を通じて基板１１に先導孔を形成しておくことが好ましい。先導孔を形成する方法としては、レーザ光照射、ドリルなどを用いることができる。基板１１のエッチングは、所望のアルカリ性を示す液を用いたウェットエッチングでもよく、所望の比率からなるガスを用いたドライエッチングでもよい。
その後、基板１１を保護した環化ゴムやテープなどを除去し、共通液室１５および流路１７を形成するための型材２１を除去する。これにより、図８（ｃ）に示すように、吐出口形成部材１６に共通液室１５および流路１７が形成されるとともに、共通液室１５内に突出する分断壁１０３が形成される。そして、このような基板１１をレーザーソータやダイシングソータなどによって切断分離することで、記録素子基板２が得られる。

次に、記録素子基板２を接合するための支持部材４を用意する。支持部材４は、樹脂材料やアルミナ材料を成形することで形成されてもよく、粉末材料を焼結することで形成されてもよい。なお、樹脂材料をモールド成形する場合、形状的剛性を向上させるために、その樹脂材料にガラスなどからなるフィラーを混入してもよい。支持部材４の材料としては、変性ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）などの樹脂材料や、Ａｌ_２Ｏ_３に代表されるセラミック材料などを幅広く用いることができる。
次に、記録素子基板２の接続端子群２０に電気配線基板３の対応するリード端子群を接合する。そして、支持部材４の凹部に接着剤を塗布し、支持部材４の流路と記録素子基板２の供給路１８とが連通するように、記録素子基板２を支持部材４に接合する。接着剤の塗布方法は、転写ピンによる転写であってもよく、ディスペンサーによる描画塗布であってもよい。ここで用いられる接着剤としては、液体としてインクを用いる場合、耐インク性の良好なものが好ましく、例えば、エポキシ樹脂を主成分とした熱硬化性接着剤を使用することができる。このように、電気配線基板３に接合された記録素子基板２を支持部材４に接合することで、図１に示す液体吐出ヘッド１が形成される。

１０液体吐出ヘッド
１１基板
１３密着層（中間層）
１４フィルタ部
１６吐出口形成部材
１０３分断壁（壁部）

Claims

基板と、液体を吐出するための複数の吐出口を有する吐出口形成部材と、前記基板と前記吐出口形成部材との間に設けられた中間層とを有し、前記基板が、前記複数の吐出口に液体を供給するための供給路を有し、前記吐出口形成部材が、前記複数の吐出口に連通する共通液室を有し、前記供給路と前記共通液室が、前記中間層に形成された複数の孔からなるフィルタ部を介して連通する、液体吐出ヘッドであって、
前記吐出口形成部材が、前記フィルタ部に対向する位置で前記共通液室内に突出する壁部を有し、前記壁部が、前記複数の吐出口の配列方向と交差する方向に沿って延びていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
前記壁部が、前記フィルタ部に当接している、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
前記壁部が、前記共通液室と前記吐出口とを連通する流路に面する端部を有する、請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
前記壁部の前記端部が、液体の吐出方向から見て、前記流路に向かうにつれて幅が狭くなる形状を有する、請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
前記吐出口形成部材が、複数の前記壁部を有する、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。
前記共通液室は、前記複数の吐出口からなる並列する２つの吐出口列の間に位置し、前記複数の壁部は、前記配列方向に沿った前記共通液室の中心線の両側に配置されている、請求項５に記載の液体吐出ヘッド。
前記複数の壁部は、液体の吐出方向から見て、前記中心線に対して非対称に配置されている、請求項６に記載の液体吐出ヘッド。
前記配列方向において、前記複数の吐出口の間隔をＦ、前記複数の壁部の間隔をＧとしたとき、Ｇ≧２Ｆの関係を満たす、請求項５から７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
前記吐出口の直径をＤ、前記フィルタ部の前記孔の直径をＥとしたとき、Ｄ＞Ｅの関係を満たす、請求項１から８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
前記フィルタ部の前記複数の孔は、隣接する２つの孔の間隔をＬとしたとき、Ｌ＞Ｅ／２の関係を満たす、請求項９に記載の液体吐出ヘッド。
前記複数の孔は、隣接する３つの孔の中心が正三角形の頂点に位置するように三角格子状に配置されている、請求項１０に記載の液体吐出ヘッド。
前記フィルタ部および前記壁部がそれぞれ有機樹脂で形成されている、請求項１から１１のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
前記基板がシリコンで形成されており、前記フィルタ部がポリエーテルアミド樹脂で形成されており、前記壁部がエポキシ樹脂で形成されており、請求項１から１２のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
前記壁部は、前記配列方向と交差する方向に複数設けられている、請求項１から１３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
前記配列方向は、前記共通液室の開口の長手方向に沿っている、請求項１から１４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。