記録ヘッドとその製造方法

【課題】吐出口を形成する部材が同一材料でないために、材料毎の濡れ性が異なることから、濡れ性の良い材料の方向に引っ張られてしまい、インクが斜めの方向に吐出してしまうという問題があった。また、吐出口エッジ部および吐出口の一部を形成する天板のエッジ部に横ダレ液が付着している状態で吐出を行った場合、吐出時に横ダレ液がインク滴を引き寄せる状態になり、本来吐出する方向に対し斜めの方向に吐出してしまうという問題があった。
【解決手段】吐出口を形成する部材を同一材料にすることで、濡れ性の違いによる吐出方向へ影響を与えないようにした。また、吐出口部で樹脂が隆起していることから、インク滴吐出時に吐出口周辺部に付着した横ダレ液と吐出インク滴とが接触しないため、吐出インク滴は吐出時に横ダレ液の影響を受けない。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体に熱エネルギを作用させることによって発生する気泡を利用して、所望の液滴を吐出する液体吐出ヘッドを用いた記録ヘッドとその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プリンタ、複写機、ファクシミリ等の機能を有する記録装置、あるいはコンピュータやワードプロセッサ等を含む、複合型電子機器やワークステーションなどの出力機器として用いられる記録装置では、記録情報に基づき、紙、布、プラスチックシート、ＯＨＰ用シート等の記録媒体に向けてインクを吐出することで記録を行なうインクジェット記録装置が普及している。
【０００３】
中でも、産業用に用いられるインクジェット記録装置では、記録に用いられる記録媒体も多種多様であり、これら記録媒体の材質に対する要求も様々なものがある。近年では、これらの要求に対する開発が進み、通常の記録媒体である紙や樹脂薄板などの他に、布、皮革、不織布、更には金属等を記録媒体として用いる記録装置も使用されるようになっている。そして、このインクジェット記録装置は、低騒音、低ランニングコストで、装置の小型化が容易であり、カラー化も容易であるなどの観点から、現在ではプリンタ、複写機、ファクシミリ等へ広く応用されている。
【０００４】
インクジェット記録装置に用いられるインクジェット記録ヘッドは、種々の方式により吐出インク滴を形成するものが知られている。なかでも、インクを吐出するために利用されるエネルギとして、熱を利用するインクジェット記録ヘッドは、高密度のマルチノズル化を比較的容易に実現でき、高解像度、高画質で、また高速な記録を可能とするものである。
【０００５】
この方式は、インクジェット記録ヘッドにおける個々のインク吐出口近傍の、インク流路内それぞれに記録素子を設け、これらに記録信号に応じた電気エネルギもしくは電力を選択的に印加することによって生ずる熱エネルギを利用して、熱作用面上のインクを急激に加熱し、膜沸騰を生じさせ、その際に発生する気泡の圧力によってインク吐出口からインクを吐出することができる。
【０００６】
図１２は、従来のインクジェット記録ヘッドの構成を模式的に示した斜視図である。このような液体吐出ヘッドを製造する方法としては、例えば、ガラスや金属等の板１２０３を用い、板１２０３に切削やエッチング等の加工手段によって微細な溝１２０２を形成した後、溝１２０２を形成した板１２０３と天板１２０１とを接合して液路の形成を行なう方法が知られている。また、その吐出口は、オリフィスプレートと呼ばれる、吐出口が形成されたプレートを付けることで形成される場合もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような方法によって製造されたインクジェット記録ヘッドでは、板１２０３と天板１２０１は液体流路を形成すると同時に、液体流路と連通した吐出口１２０４も形成している。
【０００８】
そして製造において板１２０３と天板１２０１は別部材であるため、材質が異なることも考えられる。その場合、材質毎の濡れ性が異なることから吐出時に濡れ性の良い材料の方が先に濡れるため、インクは濡れ性の良い材料の方向に引っ張られてしまう。その結果、吐出方向は吐出口面に対して垂直に吐出せず、引っ張られた方向である斜めの方向に吐出してしまいインク滴が記録媒体の所望の位置に着弾しないことから、記録品位が低下するという問題があった。
【０００９】
また、図１２の吐出口１２０４は板１２０３と天板１２０１の、それぞれの端面１２０６、１２０７にて平面的に形成されている。また、インクは、吐出する際に端面１２０６、１２０７の吐出口エッジ部１２０５および吐出口の一部を形成する天板１２０１のエッジ部１２０８に横ダレ液となって広がることから、吐出後に横ダレ液が吐出口エッジ部１２０５および吐出口の一部を形成する天板１２０１のエッジ部１２０８に残ってしまうことがある。
【００１０】
吐出口エッジ部１２０５および吐出口の一部を形成する天板１２０１のエッジ部１２０８に横ダレ液が付着している状態で吐出を行った場合、吐出時に付着している横ダレ液がインク滴を引き寄せる状態になり、引き寄せられたインク滴は本来吐出する方向に対し斜めの方向に吐出してしまうことになる。
【００１１】
したがって、インクの吐出方向が安定せず、記録媒体の所望の位置にインク滴が着弾しないことから記録品位が低下するという問題があった。
【００１２】
よって本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、液体を吐出口面に対し垂直に吐出することができる液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の記録ヘッドは、１つもしくは複数の吐出口と、前記吐出口に連通する液体流路と、前記液体流路内に設けたヒータとを有し、前記ヒータによって液体を発泡させることで、吐出口から液体を吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、前記吐出口と連通する流路内に、吐出時の発泡に伴ない一端が変位可能に設けられた可動弁を有し、前記吐出口の周囲は同一素材で構成され、かつ、吐出口周囲の部材を保持しているプレートの吐出口を有する端面に対して、吐出口周囲の部材が隆起していることを特徴とする。
【００１４】
また本発明の記録ヘッドの製造方法は、吐出口を形成する部材よりも弾力性の低い材料によって保持された吐出口と、前記吐出口に連通する液体流路と、前記液体流路内に設けたヒータとを有し、前記ヒータによって液体を発泡させることで、吐出口から液体を吐出させる記録ヘッドの製造方法において、前記吐出口は、端面を研磨することによって形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の記録ヘッドによれば、吐出口周囲が同一材料の部材で構成されているため、部材の濡れ性の違いによる吐出時の影響を受けない。さらに吐出口を構成する樹脂部材は、その樹脂部材を保持しているプレートの吐出口を有する端面に対して隆起していることから、横ダレ液が吐出時にインク滴と接触することがなくなり、インク滴は吐出口面に対し垂直方向に吐出する事ができる。
【００１６】
また、吐出口周囲の部材は樹脂である為、切断、研磨加工時にクラック等は発生しにくい。
【００１７】
さらに、本発明のインクジェット記録ヘッドによれば、吐出口を形成するオリフィスプレートの役割を、隆起した樹脂部が行なうため、オリフィスプレートが不要となるので、装置のコストダウンにつながる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態の詳細を説明する。
図１は、本発明の一実施形態である記録ヘッド１１０を具えた記録装置１１１の内部構造を示す平面図である。
【００１９】
図１において、記録装置１１１は、複数の記録ヘッド１１０、各記録ヘッド１１０が有する個別の回復ユニット１１２、インクを収納するカートリッジ１１３、搬送部１１４、オペレーションパネル部１１５、用紙１０３を記録装置本体に繰り出す給紙部１１６などから構成される。
【００２０】
図２は、記録ヘッド１１０を分解した状態を示す分解斜視図である。
図に示すように、ヒータボード１０１はセラミック製のベースプレート１００によって支持されている。そのヒータボード１０１をベースプレート１００と挟む形で配線基板１０２が配されている。そして、ヒータボード１０１上のヒータと配線基板１０２とは各配線に対応してワイヤボンディングにより電気的に接続されている。
【００２１】
図３は、本発明の一実施形態であるインク吐出装置１１１における、液体供給系の構成を模式的に示す図である。
装置に着脱可能なカートリッジ１１３、記録ヘッド１１０の吐出口に適正なオリフィス面を構成するためのサブタンク１１８、カートリッジ１１３からサブタンク１１８へインクを供給するための供給ポンプ１１９、サブタンク１１８から液体吐出ヘッド１１０へインクを供給するための加圧ポンプ１２０、液体吐出ヘッド１１０の加圧時に記録ヘッド１１０からインクのリターン流路を閉鎖するための回復弁１２１により構成される。
【００２２】
供給ポンプ１１９は、後述するリサイクル動作にも使用され、その際の経路選択のため供給弁１２２が配置されている。
【００２３】
記録ヘッド１１０から排出されたインクを再利用するリサイクル動作は、液体吐出ヘッド吐出面下方に設置された回復桶１２３、回復桶１２３からサブタンク１１８へのインクの流路選択のためのリサイクル弁１２４により行なわれる。
【００２４】
図４は、本発明の記録ヘッドの吐出ノズル近傍を示す断面斜視図であり、図５は液体吐出ヘッド１１０の吐出口周辺の構成を示す断面図である。
図６は、本発明の記録ヘッドにおいて、インクが吐出する過程を時間の経過に沿って表したノズル部側面の断面図である。
【００２５】
以下に図４、図５、図６を参照し、液体の吐出メカニズムを説明する。
ヒータボード１には液体を加熱発泡するためのヒータ２が複数配置されている。ヒータ２にはチッ化タンタル等の抵抗体が用いられ、厚さは０．０１〜０．５μｍ、シート抵抗は単位面積あたり１０〜３００Ωのものが用いられる。
【００２６】
なお、ヒータの材料はチッ化タンタル以外のものでもよく、厚さやシート抵抗もこれに限定するものではない。
【００２７】
ヒータ２の接続両端部の一方には通電のためのアルミニウム等の電極（不図示）が接続されており、他方はヒータ２に通電を制御するためのスイッチングトランジスタ（不図示）が接続されている。
【００２８】
スイッチングトランジスタは制御用のゲート素子等の回路からなるＩＣによって駆動を制御され、ヘッド外部からの信号によって、所定のパターンで駆動するようになっている。
【００２９】
複数のヒータ各々に対応して吐出ノズル１４が形成されており、吐出ノズル１４は複数の各吐出口と連通し、また、吐出ノズル１４はヒータボード１とノズル壁５、厚さ５〜１０μｍ程度のノズルの補強壁３、厚さ２μｍ程度の天板ノズル７とから囲まれた管状をなしている。この時、補強壁３は吐出口から、ヒータ２にできるだけ近接した位置まで存在するよう構成する。
【００３０】
可動弁６が自由端９を吐出口方向に向け支点１０を共通液室内に位置させるよう設けられており、支点１０は弁支持部材１１に取り付けられ、弁支持部材１１は弁台座１２によってヒータボード１に取り付けられる。
【００３１】
天板ノズル７は、Ｓｉ等で構成される天板８に貼り付けられており、天板８は異方性エッチング等で形成されたインク供給開口１７を備え、外部からの液体を供給液室１６に導入可能としている。
【００３２】
共通液室１６から吐出ノズル１４に供給された液体は、吐出ノズル１４内の所定の位置に配置されたヒータ２で加熱され発泡する。
【００３３】
吐出ノズル１４内の液体の発泡が始まると、それに伴い可動弁６も変位を開始し、液体の流れが吐出口方向へ向かうのを容易にする。その後発泡した気泡内の圧力が減少することによって気泡は収縮し、吐出口から出たインク滴が切り離されて液体が吐出する。このようなメカニズムで液体は吐出口から吐出する。
【００３４】
図６（ａ）は、ヒータ２に電気エネルギ等のエネルギが印加される前の状態であり、ヒータ２に熱が発生する前の状態である。
【００３５】
図６（ｂ）は、ヒータ２に電気エネルギが印加されて発熱することによって、気泡を発生させた状態を示した図である。このとき、可動弁６は気泡発生に基づく圧力により気泡圧力の伝搬方向を吐出口方向に導くよう、弁台座１２の吐出口側の支点１０を支点にして変位する。
【００３６】
そして、気泡３１が大きくなるにつれ液体は吐出口方向に押し出される形となり、液体は吐出口において吐出液柱２０となる。このとき液体はノズル周囲部に広がろうとして、それが横ダレ液２１となって、ノズル周囲部に広がる。一方、図１３に示すように従来は、ノズル周辺部が別部材によって形成されているため、濡れ性の影響から横ダレ液２１は均等に広がらずに図１３（ｂ）のように吐出液柱２０は曲がってしまう。
【００３７】
しかし、本実施形態では吐出口周辺部は同一材料で構成されているため、異なる濡れ性の影響を受けることなく吐出液柱２０は成長することができる。
【００３８】
図６（ｃ）は気泡３１が膜沸騰後、液体が吐出される瞬間の図である。
液体が吐出されるとき、気泡内部圧の減少により気泡３１は収縮していく。気泡３１が収縮することで吐出液柱２０根元部の液面２５は共通液室側へと引き込まれ、吐出液柱２０は、吐出口エッジ部２４によって均等に広がっている横ダレ液２１と切り離される。
【００３９】
吐出液柱２０が切り離される際に、吐出口周辺部が隆起していない場合、横ダレ液２１と吐出液柱根本部分が切り離されないので横ダレ液２１の影響を受け、図１３（ｃ）のように吐出方向が安定しない。
【００４０】
ノズル周囲部が隆起している場合でも、可動弁とヒータとの距離が、液体流路の高さ寸法であるヒータから天板までの距離の１/２以上の距離を有している場合は、気泡３１の収縮の際の負圧によるエネルギは、可動弁６をヒータ方向へ引き込むためにエネルギを消費してしまう。その結果、吐出液柱根本部の液面２５を共通液室側に充分に引き込むことができずに、横ダレ液２１と吐出液柱根本部の液面２５との切り離れが悪くなり、液滴の吐出方向に影響を与えることになる。
【００４１】
図６（ｄ）は、気泡が消滅すると共に吐出液柱２０は液体から切り離され、主滴２２、副滴２３として吐出される状態を示す図である。この時後退したメニスカスは矢印方向に戻り、ノズル内にインクが供給される状態を表す図である。
【００４２】
図６（ｄ）にあるように、吐出後には吐出口周辺部に横ダレ液が付着した状態になり、この状態で再び吐出が行なわれることになるが、本実施形態の液体吐出ヘッドにおいては、吐出口部で樹脂が隆起していることから、インク滴吐出時に吐出口周辺部に付着した横ダレ液と吐出インク滴とが接触しないようになっているため、吐出インク滴は吐出時に横ダレ液の影響を受けない。
【００４３】
従って、吐出するインク滴を吐出口面に対して垂直方向に吐出することができる。
【００４４】
図７から図１１は、液体吐出ヘッドの正面図と側面図を用いて、製造方法を工程毎に模式的に示した断面図である。ここで、図７から図１１を参照し、液体吐出ヘッドの製造方法を説明する。
【００４５】
図７（ａ−１）、（ａ−２）のように、本実施形態においては、素子基板（シリコンウエハ）Ｂ上に半導体製造工程で用いるものと同様の製造装置を用いて、ハフニュウムボライドやチッ化タンタル等からなるヒータを形成した後、次工程における感光性樹脂フィルムＤＦとの密着性の向上を目的として素子基板Ｂの表面に洗浄を施す。
【００４６】
さらに密着性の向上を目的として素子基板Ｂ表面に紫外線−オゾン等による表面改質を行なう。例えばシランカップリング剤をエチルアルコールで１重量％に希釈した液を上記改質表面上にスピンコートすることで達成される。
【００４７】
次に表面洗浄を行い、密着性を向上した素子基板Ｂ上に図７（ｂ−１）、（ｂ−２）に示すように紫外線感光樹脂フィルムＤＦをラミネートした。
【００４８】
なお、図中の一点鎖線は最終工程における切断面を示す線であり、後工程で切断することにより切断面に吐出口が現れる。
次に図８（ｃ−１）、（ｃ−２）に示すように、感光性樹脂フィルムＤＦ上にフォトマスクを介して紫外線感光性樹脂フィルムの補強壁３、可動弁６を接着するための弁台座１２として残す部分に紫外線を照射した。
【００４９】
そして、次の工程では図８（ｄ−１）、（ｄ−２）に示すように、紫外線を照射し残った補強壁３上に紫外線感光性樹脂フィルムＤＦをラミネートした。
【００５０】
このラミネートした紫外線感光性樹脂フィルムＤＦにフォトマスクを配し、図９（ｅ−１）、（ｅ−２）のようにノズル壁５として残す部分に紫外線を照射する。
【００５１】
次に図９（ｆ−１）、（ｆ−２）に示すように、紫外線感光樹脂フィルムＤＦをキシレンとブチルセルソルブアセテートとの混合液からなる現像液で現像し、未露光部分を融解させ、露光して硬化した部分をノズル壁５として形成した。上記ノズル壁５を形成した後、図１０（ｇ−１）、（ｇ−２）のように弁台座１２に可動弁６を接着剤等で固定する。
【００５２】
その後、図１０（ｈ−１）、（ｈ−２）のように予め、感光性樹脂フィルムを材料とした天板ノズル７をラミネートした天板８をノズル壁５に溶着する。
【００５３】
このように製造されたものは、次の工程で吐出口の突き合わせ面で切断することによって、吐出口が現れる。以下にこの切断する工程を説明する。
【００５４】
図１１（ｉ−１）、（ｉ−２）は、切断面において切断した状態を模式的に示す断面図である。
図１０（ｈ−１）、（ｈ−２）の状態のものを、厚さ０．０５ｍｍのダイヤモンドブレードを取り付けたダイシングマシンで図１１（ｉ−１）、（ｉ−２）に示すような状態に切り離す。次に、切断面の平滑化と、吐出口周囲の樹脂材料部を隆起させるため、分離した際にできた切断面に一定の圧力をかけながら研磨を行なう。この際、切断時における基準部材である素子基板Ｂと比べて、吐出口周囲を形成している樹脂材料は弾力性が高いため、研磨加工後に加工時の圧力を解除することで、その吐出口周囲の誦す材料は、図１１（ｊ−２）に示すように、切断面より隆起する。本実施形態では０．２μｍ〜２μｍ程度吐出口周囲を隆起させた。
【００５５】
なお、本実施形態では吐出口を形成する際に、吐出口を突き合わせた状態のものを切断し、その後研磨することによって形成しているが、この方法に限定するものではなく、上記にある切断した状態のものを単体で製造し、その後に吐出口を有する面を研磨する製造方法でもよい。
【００５６】
また、本実施形態において流路壁の形成には紫外線感光性樹脂フィルムを使用したが、これに限定するものではなく弾力性の高い材質であれば、他の材質の物で形成してもよい。
【００５７】
また、本実施形態において補強壁の形成に、紫外線感光性樹脂フィルムを使用したが、これに限定するものではなく弾力性の高い材質であれば、他の材質の物で形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施形態である、液体吐出ヘッド１１０を具えたインク吐出装置１１１の内部構造を示す正面図である。
【図２】液体吐出ヘッド１１０を分解した状態を示す分解斜視図である。
【図３】本発明の一実施例であるインク吐出装置１１１における、液体供給系の構成を示す図である。
【図４】本発明のヘッド吐出ノズル近傍を示す断面斜視図である。
【図５】液体吐出ヘッド１１０の吐出口周辺の構成を示す断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は、インクが吐出する過程を時間の経過に沿って表したノズル部側面の断面図である。
【図７】液体吐出ヘッドの製造方法を説明する図である。
【図８】液体吐出ヘッドの製造方法を説明する図である。
【図９】液体吐出ヘッドの製造方法を説明する図である。
【図１０】液体吐出ヘッドの製造方法を説明する図である。
【図１１】液体吐出ヘッドの製造方法を説明する図である。
【図１２】従来のインクジェット記録ヘッドの構成を模式的に示した斜視図である。
【図１３】（ａ）から（ｄ）は、従来例にてインクの弾道が曲げられる過程を示すノズル部側面の断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
２ヒータ
３補強壁
６可動弁
８天板
１３吐出口
１４吐出ノズル
１９メニスカス
２０吐出液柱
２１横ダレ液
３１気泡

【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つもしくは複数の吐出口と、前記吐出口に連通する液体流路と、前記液体流路内に設けたヒータとを有し、前記ヒータによって液体を発泡させることで、吐出口から液体を吐出させる記録ヘッドにおいて、
前記吐出口と連通する流路内に、吐出時の発泡に伴ない一端が変位可能に設けられた可動弁を有し、前記吐出口の周囲は同一素材で構成され、かつ、吐出口周囲の部材を保持している基板の吐出口を有する端面に対して、吐出口周囲の部材が隆起していることを特徴とする記録ヘッド。
【請求項２】
前記吐出口の周囲を構成する部材は感光性エポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の記録ヘッド。
【請求項３】
前記可動弁と前記ヒータとの距離は、前記液体流路内のヒータと前記液体流路の一部を構成しているヒータと対面する面との距離の１/２以下であることを特徴とする請求項１に記載の記録ヘッド。
【請求項４】
吐出口を形成する部材よりも弾力性の低い材料によって保持された吐出口と、前記吐出口に連通する液体流路と、前記液体流路内に設けたヒータとを有し、前記ヒータによって液体を発泡させることで、吐出口から液体を吐出させる記録ヘッドの製造方法において、前記吐出口は、端面を研磨することによって形成されていることを特徴とする記録ヘッドの製造方法。
【請求項５】
前記吐出口は、一対の記録ヘッドの吐出口を突き合わせた状態に形成されたものを前記吐出口の突き合わせ面で切断し、その後切断面を研磨することで周囲の部材を隆起させていることを特徴とする請求項４に記載の記録ヘッドの製造方法。

【図１】