JP6344916B2 - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、インク等の液体を吐出する液体吐出ヘッドに関する。

液体、例えばインクを吐出して記録媒体に画像を記録する記録装置の１つとして、液体吐出ヘッドを搭載したサーマル方式のインクジェット記録装置がある。サーマル方式のインクジェット記録装置では、エネルギー発生素子である発熱抵抗体にパルス電圧を印加し、発熱抵抗体と隣接したインク室のインクを瞬間的に沸騰させて生じた気泡の膨張によって、吐出口からインクを吐出して記録媒体に記録する。したがって、一定量のインクを吐出するために必要な駆動エネルギーは、インクの温度や液体吐出ヘッドの温度によって変化する。

使用環境温度が低く、インク粘度が常温（２０℃〜２５℃）時より上昇した場合や、常温においてインク粘度が高い場合、液体吐出ヘッドにおいて、基板上の液体吐出用のエネルギー発生素子とは別に、該基板に設けられた加熱素子であるヒータが駆動する。そして、ヒータにより該基板を加温することで間接的にインクを加温することが知られている。

しかしながら、基板を加熱することでインクだけでなく基板自体、更には液体吐出ヘッド全体の温度も上昇するため、例えば液体吐出ヘッドが高温になることを防止する過昇温保護回路が作動し易くなる。

また、加熱された基板では、該基板の端部側からより多く放熱されるので、該基板の端部と中央部との間に温度差が生じる。そのため、インクが均一に加熱されず、インクの粘度に違いが生じ、インクの吐出速度やインクの吐出量などの吐出特性が基板上の吐出口の位置で異なる。その結果、記録媒体に記録される画像の色濃度や色調が変わり、スジ、ムラ等の画像品位の低下を生じることがある。

このような課題に対して、特許文献１では、液体を加熱することを目的とした加熱素子の他に、基板の端部を囲むように、基板内の温度が均一になることを目的とした加熱素子を配置することで、基板の温度が均一になるようにしている。

特開２００９−８３３号公報

特許文献１に開示された液体吐出ヘッドでは、使用環境温度が低くインクの粘度が常温時より上昇した場合や常温で高粘度のインクを使用する場合、インク流路が形成された基板を加熱することでインクを加熱し、所望のインク粘度に達した後に記録動作を行う。

しかしながら、特許文献１に開示された液体吐出ヘッドの場合、加熱素子でインクを加熱するのではなく、基板を加熱させて、その加熱された基板を介して間接的にインクを加熱する。そのため、加熱素子のエネルギー効率が必ずしもよいとはいえない。さらには、インクの温度を上昇させるのに時間がかかり記録速度が低下するという影響もあった。

また、一般的に、インクを吐出する熱を発生させるエネルギー発生素子が形成された基板と同じ基板の上にインクの温度を上昇させる加熱素子が形成されている。そのため、エネルギー発生素子を駆動させることで基板の温度が上昇し、インクを所望の温度範囲に維持するためには加熱素子に対して複雑な制御を行う必要がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、加熱素子に対して複雑な制御をせずに、加熱素子で液体の温度を直接的に調整することができる、液体吐出ヘッドを提供する。

本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出する吐出口が形成された流路形成部材と、吐出口に液体を供給する液体供給口が形成された基板と、液体を吐出させるエネルギーを発生させるエネルギー発生素子と、を有する。基板の一方の面に、液体供給口の開口が形成されており、かつ、該開口を挟むようにエネルギー発生素子が配置されている。流路形成部材は基板の一方の面に配置されている。流路形成部材と基板とによって、液体供給口から開口を介して吐出口につながる液体流路が形成されている。液体流路の内部であり、基板から離れた位置に、液体を加熱する加熱素子が配置されている。加熱素子は、基板の厚み方向における加熱素子と流路形成部材との間を液体が流れるように、液体流路の内部に配置されている。

本発明では、液体を加熱する加熱素子が、吐出用のエネルギーを発生させるエネルギー発生素子が配置される基板ではなく、液体流路の、基板から離れた位置に位置するため、加熱素子で直接的に液体を加熱することができる。

本発明によれば、加熱素子に対して複雑な制御を行わずに加熱素子で液体の温度を直接的に調整することができる。

本発明に係る液体吐出ヘッドの第１の実施形態の概略斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面の概略図である。 加熱素子の配置位置を説明するための記録素子基板の上面図である。 記録素子基板の製造工程の一例を説明する概略図である。 図４に示す製造工程のフローチャートである。 記録素子基板の製造工程の他の一例を説明する概略図である。 図６に示す製造工程のフローチャートである。 図４〜図７に示した製造工程の続きの製造工程を説明する概略図である。 図８に示す製造工程のフローチャートである。 本発明に係る液体吐出ヘッドの第２の実施形態であり、図１のＡ−Ａ断面に対応する断面の概略図である。

以下に、本発明の液体吐出ヘッドを図面に基づいて詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図１に、本発明に係る液体吐出ヘッドの第１の実施形態の概略斜視図を示す。なお、内部構造がわかるように、流路形成部材３の一部分を省略している。また、図２に、図１のＡ−Ａ断面の概略図を示す。図３に、加熱素子の配置位置を説明するための記録素子基板の上面図を示す。なお、図３では、流路形成部材と中間層と第１の保護膜と第２の保護膜とを省略している。

本発明における液体吐出ヘッド２０は、基板２と、基板２上に密着性を向上させる中間層５を挟んで配置された流路形成部材３と、からなる記録素子基板２１を含む。

基板２には液体、例えばインクが供給される液体供給口７が形成されている。そして、基板２の一方の面である、流路形成部材３と対向する面（表面）２ａには、液体供給口７を挟んで、所定の間隔で列状にエネルギー発生素子１が形成されている。また、表面２ａの、基板２の長手方向の端部には、外部との電気的接続を行うコンタクトパッド１３が形成されている。

流路形成部材３には、各エネルギー発生素子１に対応して、各エネルギー発生素子１の上方に吐出口６が形成されており、基板２と流路形成部材３とによって、液体供給口７から液体供給口７の開口７ａを介して吐出口６につながる液体流路８が形成される。

なお、流路形成部材３は、例えばエポキシ樹脂からなる。また、中間層５は必要に応じて設ければよい。本実施形態では、液体供給口７の両側に複数のエネルギー発生素子１が１列ずつ配置されているが、複数列配置されていても構わない。

液体流路８の内部のうち、液体供給口７の開口７ａと流路形成部材３との間に、液体を加熱する、例えばヒータなどの加熱素子１１が設けられている。加熱素子１１は、液体供給口７の長手方向に沿った方向の両端部が、基板２上に配された配線１２を介してコンタクトパッド１３につながっており、コンタクトパッド１３から配線１２を介して加熱素子１１に電力が供給され、加熱素子１１が発熱する。本構成では加熱素子１１が液体に十分に接するため、液体を加温するための熱効率が優れている。

なお、加熱素子１１の表面を保護膜で覆うことで、使用する液体に起因する加熱素子１１への化学的なダメージ、具体的には溶解や錆、腐食を抑制することが可能である。加熱素子１１を基板２上に形成する工程の前後に保護膜９を形成することで、加熱素子１１を保護膜９で挟み込む構成とすることができる。なお、本実施形態の説明では、加熱素子１１の全体を保護膜９で覆う構成を説明するが、加熱素子１１の一部のみを保護膜９で覆う構成や、保護膜９を設けない構成なども可能である。

次に本発明の液体吐出ヘッド２０の記録素子基板２１の製造方法を説明する。図４に、記録素子基板２１の製造工程の一例を説明する概略図であり、加熱素子１１とエネルギー発生素子１が同一工程で形成される場合を示す。また、図５に、図４に示す製造工程のフローチャートを示す。

まず、基板２の表面２ａに犠牲層１６を形成する。この犠牲層１６の位置は、液体供給口７が形成される位置と一致させる。そして、犠牲層１６上に第１の保護膜９ａを形成する（Ｓ１）（図４（ａ）参照）。

次に、基板２の表面２ａ上に、液体供給口７が形成される位置を挟むようにして、複数のエネルギー発生素子１を配置し、第１の保護膜９ａ上に加熱素子１１を配置する（Ｓ２）（図４（ｂ）参照）。

次に、基板２の表面２ａ上を覆うように、第２の保護膜９ｂを形成する（Ｓ３）（図４（ｃ）参照）。

次に、第２の保護膜９ｂの不要な領域を除去する（Ｓ４）（図４（ｄ）参照）。なお、第２の保護膜９ｂの不要な領域を除去する工程は省略することも可能である。

以上のようにして、第１の保護膜９ａと第２の保護膜９ｂとからなる保護膜９に囲まれた加熱素子１１が形成される。本方法では、エネルギー発生素子１と加熱素子１１とが同一工程で形成できることから、加熱素子１１を形成する工程を新たに追加しなくてよい。

図６に、記録素子基板２１の製造工程の他の一例を説明する概略図であり、加熱素子１１とエネルギー発生素子１とが異なる工程で形成される場合を示す。また、図７に、図６に示す製造工程のフローチャートを示す。

基板２の表面２ａの液体供給口７が形成される位置に犠牲層１６を形成し、表面２ａ上に犠牲層１６を挟むようにして複数のエネルギー発生素子１を列状に配置する。そして、基板２の表面２ａを覆うように、第１の保護膜９ａを形成する（Ｓ１１）（図６（ａ）参照）。

次に、加熱素子１１を、犠牲層１６と対向するように、第１の保護膜９ａ上に配置する（Ｓ１２）（図６（ｂ）参照）。

次に、加熱素子１１を覆うように、第１の保護膜９上に第２の保護膜９ｂを形成する（Ｓ１３）（図６（ｃ）参照）。

次に、第２の保護膜９ｂの不要な領域を除去する（Ｓ１４）（図６（ｄ）参照）。なお、第２の保護膜９ｂの不要な領域を除去する工程は省略することも可能である。

以上のようにして、第１の保護膜９ａと第２の保護膜９ｂとからなる保護膜９に囲まれた加熱素子１１が形成される。

図４から図７を用いて説明した上述の２つの製造方法の場合、エネルギー発生素子１は基板２上に形成され、加熱素子１１は保護膜９の一部を形成する第１の保護膜９ａ上に形成される。つまり、エネルギー発生素子１と加熱素子１１とは互いに異なる層に形成されるため、エネルギー発生素子１につながる配線（不図示）と加熱素子１１につながる配線１２との干渉を避けることが可能となる。したがって、加熱素子１１に電力を供給する配線１２を配置するスペースを基板２上に別途追加しなくてもよく、基板２のサイズを大きくしなくてよい。

図８に、図４〜図７に示した製造工程の続きの製造工程を説明する概略図を示す。また、図９に、図８に示す製造工程のフローチャートを示す。

保護膜９上に中間層５となる膜を形成し、基板２の他方の面である、表面２ａとは反対の面（裏面）２ｂに、液体供給口７を形成する際にマスク１５となるレジスト等を塗布し、ベークにより硬化させる。そして、保護膜９上の中間層５となる膜をパターニングするために、該膜上にレジストをスピンコート等により塗布し、露光及び現像をして、余分なレジストを除去する。次に、該膜上に残ったレジストをマスクとしてドライエッチング等により該膜をパターニングした後、該膜上の残ったレジストを剥離して、中間層５が形成される。同様の工程で基板２の裏面２ｂにマスク１５を形成する（Ｓ２１）（図８（ａ）参照）。

次に、保護膜９上の、中間層５で覆われていない位置に、液体流路８の一部を形成するための型材であるポジ型レジスト（以下、「型材」と称する）１７を形成する（Ｓ２２）（図８（ｂ）参照）。

次に、基板２の表面２ａの上を覆うように、流路形成部材３となるネガ型感光性樹脂膜２３をスピンコート等により形成し、紫外線やＤｅｅｐ ＵＶ光等による露光と現像により吐出口６を形成する（Ｓ２３）（図８（ｃ）参照）。

次に、基板２の表面２ａの上および基板２の側面２ｃを覆うように、保護材１８をスピンコート等により形成する。そして、基板２に化学的にエッチング、例えば４メチル水酸化アンモニウム（ＴＭＡＨ）等の強アルカリ溶液による異方性エッチングを行う。保護材１８で覆われた部分や、マスク１５で覆われた部分はエッチングされないので、基板２の裏面２ｂのマスク１５で覆われていない部分がエッチングされる。そして、犠牲層１６及び犠牲層１６上の保護膜９の一部までエッチングされることで、液体供給口７が形成される（Ｓ２４）（図８（ｄ）参照）。なお、犠牲層１６としてはアルミニウムなどのエッチングされやすい材料がよく、そのため、犠牲層１６の大きさと同じ大きさに液体供給口７の開口７ａが形成される。

次に、マスク１５及び保護材１８を除去する。さらに型材１７を吐出口６及び液体供給口７から溶出させることにより、液体流路８が形成されるとともに、流路形成部材３も完成する（Ｓ２５）（図８（ｅ）参照）。

本発明の液体吐出ヘッド２０では、液体を加熱する加熱素子１１が液体供給口７の開口７ａと流路形成部材３との間、つまり液体流路８の内部に位置し、保護膜９を介して液体を加熱することができる。液体流路８は、各吐出口６に向かう液体が必ず流れるため、直接的に液体を加熱することができる。また、加熱素子１１は、液体とは保護膜９を介して、あるいは直接接するため、基板２を介して液体を加熱する場合に比べて液体の温度調節がしやすく、かつ、効率的に液体を加熱しやすい。そのため、液体を加熱するためのエネルギーを少なくすることができる。

さらに、加熱素子１１は基板２から離れており、基板２を介して液体を加熱するのではないため、基板２の温度上昇を抑制することができる。また、エネルギー発生素子１は基板２の表面２ａ上に位置し、加熱素子１１は、保護膜９（第１の保護膜９ａ）上に位置する。つまり、エネルギー発生素子１と加熱素子１１とは異なる層に位置するため、コンタクトパッド１３からエネルギー発生素子１につながる配線とコンタクトパッド１３から加熱素子１１につながる配線１２とが干渉し合うことを抑制することができる。さらに、基板２に加熱素子１１配置用の追加の領域を設けなくてよく、特殊な製造工程が増えるわけではないので、加熱素子１１を設けることによる、基板２の大型化や製造コストの増加を抑制することができる。

なお、本発明は、液体供給口７から開口７ａを介して吐出口６に至る液体流路８内の、基板２から離れた位置に加熱素子１１を配置すればよいので、液体供給口７内であり、基板２とは接しない位置に加熱素子１１を配置することも可能である。

本発明の液体吐出ヘッド２０は、例えば、記録媒体を支持し搬送する搬送機構などを備えた記録装置に用いることができる。

［第２の実施形態］
次に、本発明に係る液体吐出ヘッドの第２の実施形態について説明する。図１０に、本発明に係る液体吐出ヘッドの第２の実施形態であり、図１のＡ−Ａ断面に対応する断面の概略図を示す。なお、上述の実施形態と同様の構成については説明を省略する。

本実施形態では、流路形成部材３の、液体供給口７と対向する部分、より具体的には加熱素子１１と対向する部分に、液体流路８に向かって突出する突起部１０が設けられている。この突起部１０に、加熱素子１１が保護膜９を介して（保護膜９がない場合は直接）固定されている。加熱素子１１が突起部１０に固定されたことによって、加熱素子１１の熱効率が大きく低下することはない。液体、例えばインクの主成分である水と、流路形成部材３を構成する材料の一例であるエポキシ樹脂の熱伝導率は、それぞれ０．６Ｗ／ｍＫ、０．３Ｗ／ｍＫである。つまり、エポキシ樹脂の熱伝導率は水の約１／２と小さい。そのため、加熱素子１１の一面が流路形成部材３の突起部１０に固定されていても、加熱素子１１の熱は突起部１０から逃げずに液体に伝わりやすい。

本実施形態では、加熱素子１１が流路形成部材３の突起部１０に固定されているため、記録動作中やヘッドリフレッシング動作時の液体の流れに起因する圧力に対して加熱素子１１の信頼性が向上する。

１ エネルギー発生素子
２ 基板
３ 流路形成部材
６ 吐出口
７ 液体供給口
８ 液体流路
９ 保護膜
１１ 加熱素子
２０ 液体吐出ヘッド
２１ 記録素子基板

Claims (9)

1. 液体を吐出する吐出口が形成された流路形成部材と、前記吐出口に前記液体を供給する液体供給口が形成された基板と、前記液体を吐出させるエネルギーを発生させる複数のエネルギー発生素子と、を有する液体吐出ヘッドであって、
   前記基板の一方の面に、前記液体供給口の開口が形成されており、かつ、該開口を挟むように各前記エネルギー発生素子が配置されており、
   前記流路形成部材は、前記基板の前記一方の面に配置されており、
   前記流路形成部材と前記基板とによって、前記液体供給口から前記開口を介して前記吐出口につながる液体流路が形成され、
   前記液体流路の内部であり、前記基板から離れた位置には、前記液体を加熱する加熱素子が配置されており、
   前記加熱素子は、前記基板の厚み方向における前記加熱素子と前記流路形成部材との間を前記液体が流れるように、前記液体流路の内部に配置されている、液体吐出ヘッド。
2. 前記加熱素子は、長手方向の端部が前記開口の周縁よりも内側に配置されている、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記流路形成部材から前記液体流路に向かって突出する突起部を有し、
   前記加熱素子が前記突起部に固定されている、請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記加熱素子は前記開口と前記吐出口との間に位置する、請求項１から３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記加熱素子の少なくとも一部が保護膜に覆われている、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. 前記加熱素子はヒータである、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. 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と、
   記録媒体を搬送する搬送機構と、
   を有する、記録装置。
8. 液体を吐出する吐出口が形成された流路形成部材と、前記吐出口に前記液体を供給する液体供給口が形成された基板と、前記液体を吐出させるエネルギーを発生させるエネルギー発生素子と、を有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
   前記基板の一方の面に第１の保護膜を形成し、該第１の保護膜の上に、前記液体供給口が形成される位置と対向するように加熱素子を配置するとともに、前記基板の前記一方の面の前記第１の保護膜が形成されていない領域に、前記液体供給口が形成される位置を挟むようにエネルギー発生素子を列状に配置する工程と、
   前記基板の前記一方の面を覆うように第２の保護膜を形成する工程と、
   前記第２の保護膜の上に、型材と、前記流路形成部材となる膜とをこの順に形成する工程と、
   前記膜の、前記エネルギー発生素子と対向する位置に前記吐出口を形成する工程と、
   前記基板に前記液体供給口を形成してから前記型材を除去する工程と、
   を含む、液体吐出ヘッドの製造方法。
9. 液体を吐出する吐出口が形成された流路形成部材と、前記吐出口に前記液体を供給する液体供給口が形成された基板と、前記液体を吐出させるエネルギーを発生させるエネルギー発生素子と、を有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
   前記基板の一方の面に、前記液体供給口が形成される位置を挟むように前記エネルギー発生素子を列状に配置してから前記基板の前記一方の面を覆うように第１の保護膜を形成する工程と、
   前記第１の保護膜の上の、前記液体供給口が形成される位置と対向する位置に加熱素子を配置する工程と、
   前記基板の前記一方の面を覆うように第２の保護膜を形成する工程と、
   前記第２の保護膜の上に、型材と、前記流路形成部材となる膜とをこの順に形成する工程と、
   前記膜の、前記エネルギー発生素子と対向する位置に前記吐出口を形成する工程と、
   前記基板に前記液体供給口を形成してから前記型材を除去する工程と、
   を含む、液体吐出ヘッドの製造方法。