JP5737973B2 - インクジェット記録ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、インクを吐出して記録を行うインクジェット記録ヘッドおよびその製造方法に関する。

図１は、一般的なインクジェット記録ヘッドを部分的に示した概略構成図である。図１（ａ）は一部を縦断面で示した斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の二点鎖線で囲んだ領域Ａを拡大して示した縦断面図である。

図１に示すインクジェット記録ヘッドは、インクタンク（不図示）から供給口１２０に供給されたインクが、流路１３４を通って吐出口１３３から吐出されるように構成されている。

供給口１２０は、基板１１１に形成されており、共通口１２１と連通口１２２との２つの部分から構成されている。共通口１２１は、基板１１１の流路１３４側とは反対側の表面から、流路１３４に向けて幅が狭まるように形成されている。

連通口１２２は、共通口１２１と流路１３４とを連通させる通路である。連通口１２２は、基板１１１の表面に対して垂直に複数形成されている。図１に示した連通口１２２と同様に基板に垂直に形成された供給口を備えたインクジェット記録ヘッドが特許文献１に記載されている。

図１に示した流路１３４は、基板１１１の表面に形成されたオリフィス部１３１と流路壁１３２に囲まれている。オリフィス部１３１には、複数の吐出口１３３が設けられたプレートで形成されている。基板１１１の表面の、各吐出口１３３に対向する位置には吐出圧力発生素子１１２が設けられている。

吐出圧力発生素子１１２は、流路１３４内のインクに圧力を与えてインクを吐出口１３３から吐出させる。基板１１１の流路側の表面には、吐出圧力発生素子１１２をインクから保護するパッシベイション層１１３が設けられている。

このようなインクジェット記録ヘッドでは、流路１３４内のインクを吐出口１３３から吐出する吐出動作に伴って、流路１３４内に供給口１２０からインクを補充する動作（以下、「リフィル」という。）が行われる。正確なリフィルを行うため、連通口１２２は、各吐出口１３３に近接して設けられている。

上述したように、インクジェット記録ヘッド内には、供給口１２０、流路１３４および吐出口１３３などの空間がある。インクジェット記録ヘッド内のこれらの空間に異物がある場合、異物によりインクの流れが妨げられることがある。また、このような場合、インクと異物との反応により、インクが変性することもある。

このようなことが原因で、インクジェット記録ヘッドは、吐出動作およびリフィルを正常に行えなくなる場合がある。

そのため、インクジェット記録ヘッドの製造過程では、一般的に、インクジェット記録ヘッド内の空間の異物を除去するための洗浄が行われる。インクジェット記録ヘッド内の空間の洗浄方法には、液体や気体などの流体が用いられるものが知られている。

洗浄液等の液体を用いた洗浄方法としては、液体の入った液体槽内で、インクジェット記録ヘッドを揺動させるとともにバブルを吹き掛けるものがある。また、シャワー状の液体をインクジェット記録ヘッドに直接吹き掛けるものもある。

さらに、気体と液体との両方を同時にインクジェット記録ヘッドに吹き掛ける洗浄方法もある。このような洗浄方法は二流体洗浄と呼ばれる。

以上に述べたいずれの洗浄方法でも、図１に示す供給口１２０や吐出口１３３からインクジェット記録ヘッド内の空間への流体の流入および該空間から供給口や吐出口の外への液体の流出を繰り返し行う点で共通している。

このような流体の流れにより、インクジェット記録ヘッド内の空間の壁面に付着している異物に流体から力が加わり、インクジェット記録ヘッド内の空間内の異物がインクジェット記録ヘッドの外部へ除去される。

米国特許第６５５５４８０号

図１に示したインクジェット記録ヘッドを洗浄する際、吐出口１３３から流入した流体は図１（ｂ）の破線矢印に示すように流路１３４内に入り込む。その後、流路１３４内の流体は、慣性の法則にしたがって、基板１１１およびオリフィス部１３１の表面に沿った方向に流動しようとする。

一方、供給口１２０の連通口１２２は、基板１１１の表面に垂直に形成されている。流路１３４内における流体の進行方向は急には変わらないため、流体は流路１３４から供給口１２０内にスムーズに流入しない。たとえば、吐出口１３３から流路１３４内に入った流体は、該流路１３４に沿って最も近い連通部１２２を通り過ぎてしまう場合がある。

そのため、供給口１２０、特に流路１３４側にある連通口１２２における流体の流れは、部分的に緩やかになる場合がある。そのため、連通口１２２の壁面に流体から加わる力が十分に得られず、連通口１２２を十分に洗浄することができない場合がある。

また、ひとつの共通口１２１に対して多数の連通口１２２を形成する必要がある場合、異物が付着しうる連通口１２２の壁面の総面積が大きくなる。そのため、連通口１２２の異物を全て除去することは困難になる。

さらに、連通口１２２が基板１１の表面に垂直な方向に細長く形成される場合には、流体が連通口１２２に入り込みにくくなる。そのため、この場合にも連通口１２２の洗浄が困難になる。

また、図１に示した連通口１２２のような基板１１１の表面に垂直な穴を形成することは一般的に難しく、図１や特許文献１に記載されているように、壁面が凹凸形状となることが多い。

連通口１２２を形成する有力な方法として、エッチングと壁面の保護とを繰り返し行うボッシュプロセスがある。しかし、ボッシュプロセスを用いて形成された連通口の壁面も、スキャロップ形状と呼ばれる周期的な凹凸形状となる。

このように基板１１１の表面に垂直に形成された連通口１２２の壁面を平滑に形成することは困難である。平滑でない連通口１２２の壁面には異物が付着しやすい。また、平滑でない連通口１２２の壁面に付着した異物は除去されにくい。

そこで、本発明は、供給口を効果的に洗浄可能な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。

上記目的を達成するため、インクジェット記録ヘッドは、供給口が形成された基板と、吐出口が形成されたオリフィス部と、が対向して配置され、前記供給口から供給された液体が前記基板と前記オリフィス部との間の流路を通って前記吐出口から吐出されるインクジェット記録ヘッドであって、前記供給口は、前記流路側に交差するスキャロップ形状の壁面を有し、前記オリフィス部の、前記供給口に対向する位置から前記流路内に突出し、前記オリフィス部から離れるほど細くなるテーパ状の柱状部を有することを特徴とする。

本発明によれば、供給口を効果的に洗浄可能なインクジェット記録ヘッドおよびその製造方法を提供することができる。

一般的なインクジェット記録ヘッドの概略構成図である。 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した概略構成図である。 図２に示したインクジェット記録ヘッドの変形例を示した概略構成図である。 図２に示したインクジェット記録ヘッドの製造過程を示した断面図である。 図２に示したインクジェット記録ヘッドの製造過程を示した断面図である。 図２に示したインクジェット記録ヘッドの製造過程を示した断面図である。 図２に示したインクジェット記録ヘッドの変形例を示した断面図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド１を部分的に示した概略構成図である。図２（ａ）は一部を縦断面で示した部分斜視図である。図２（ｂ）は図２（ａ）の二点鎖線で囲んだ領域Ｂを拡大して示した、Ｘ−Ｘ’線に沿った横断面図である。図２（ｃ）は図２（ａ）の二点鎖線で囲んだ領域Ｂを拡大して示した縦断面図である。

本実施形態に係るインクジェット記録ヘッド１は、インクタンク（不図示）から供給口２０に供給されたインクが、流路３４を通って吐出口３３から吐出されるように構成されている。

インクジェット記録ヘッド１は、厚さ方向に貫通する供給口２０が形成された基板１１を有する。供給口２０は、共通口２１と連通口２２との２つの部分から構成されている。

共通口２１は、基板１１の流路３４側とは反対側の表面から、流路３４に向けて幅が狭まるように形成されている。連通口２２は、共通口２１と流路３４とを連通させる通路である。連通口２２は、基板１１の表面に対して垂直に複数形成されている。

一般に、基板１１の表面に正確に垂直な連通口２２を形成することは困難である。そのため、垂直な状態には、正確には垂直な状態ではないが、実質的に垂直とみなせる状態を含むものとする。

図２（ｂ）には図２（ａ）に示した連通口２２の壁面をＸ−Ｘ’線に沿った面に投影した位置が破線で示されている。ここで、破線で囲まれた領域を「連通口２２の横断面」と呼ぶこととする。

図２に示した流路３４は、基板１１の連通口２２側に形成されたオリフィス部３１と流路壁３２に囲まれている。オリフィス部３１と流路壁３２は樹脂材料で形成されている。

オリフィス部３１は基板１１の表面に平行なプレート状である。流路壁３２はオリフィス部３１と基板１１との間を部分的に連結している。本実施形態では、オリフィス部３１は流路壁３２と一体に形成されているが、オリフィス部は一枚のプレート（オリフィスプレート）として流路壁とは別に形成されていてもよい。

オリフィス部３１には、厚さ方向に貫通した複数の吐出口３３が設けられている。基板１１の表面の、各吐出口３３に対向する位置には吐出圧力発生素子１２が設けられている。

吐出圧力発生素子１２は、流路３４内のインクに圧力を与えてインクを吐出口３３から吐出させる。本実施形態に係るインクジェット記録ヘッド１はサーマル式であり、吐出圧力発生素子１２としてヒータを用いている。しかし、吐出圧力発生素子１２は、流路３４内のインクに圧力を与えられるものであればよい。

基板１１の表面には、吐出圧力発生素子１２をインクから保護するパッシベイション層１３が設けられている。パッシベイション層１３と、オリフィス部３１と、の間の隙間、すなわち流路３４の高さは、３μｍから３０μｍまでの間で適宜決定される。

連通口２２は基板１１の表面に垂直な４つの壁面に囲まれた空間である。連通口２２の横断面の各辺の長さは１０ｕｍから２００ｕｍまでの間で適宜決定される。本実施形態では、連通口２２の横断面の形状は正方形である。しかし、連通口２２の横断面の形状は適宜決定することができ、たとえば、長方形や円形であってもよい。

吐出口３３と連通口２２とを図２（ａ）に示すＸ−Ｘ’線に沿った面に投影した際の、吐出口３３と連通口２２との最短距離Ｌは２０μｍから２００μｍまでの間で適宜決定される。距離Ｌの長さは、たとえば、リフィル特性に合わせて決定される。距離Ｌが短い方が迅速なリフィルが可能となる。

本実施形態に係るインクジェット記録ヘッド１は柱状部４１を有している。柱状部４１は、オリフィス部３１の連通口２２に対向する位置から、オリフィス部３１に垂直な方向に突出している。すなわち、柱状部４１は連通口２２に向かって延びている。

柱状部４１は、パッシベイション層１３の表面に一致する面まで延びている。つまり、柱状部４１の高さは、流路３４の高さに合わせて３μｍから３０μｍまでの間で適宜決定される。柱状部４１は四角柱状であり、図２（ｂ）に示すように横断面における四隅が面取りされている。

また、図２（ｂ）に点線で示すように、柱状体４１の横断面の対角線の交点と連通口２２の横断面の対角線の交点は等しい。ここで、基板１１の表面に直交し、柱状体４１および連通口２２の対角線の交点を通る線を、柱状体４１および連通口２２の中心軸と呼ぶこととする。すなわち、柱状体４１の中心軸と連通口２２の中心軸とは共通している。

柱状体４１の横断面の面積は、連通口２２の横断面の面積を基準として適宜決定可能である。柱状体４１の横断面の面積は、たとえば、連通口２２の横断面の面積の１０％から７０％までの間で適宜決定することができる。

本実施形態に係るインクジェット記録ヘッド１では、製造工程中の洗浄工程の際に、吐出口３３から流入し、流路３４を基板１１の表面に平行に流動する流体は、柱状部４１によってその進路を妨げられる。したがって、流路３４内の流体は、柱状部４１によって強制的に進行方向が変えられる。

図２（ｂ）および図２（ｃ）に破線矢印で示すように、柱状部４１によって進行方向が変えられた流体は、様々な方向に流動する。特に、図２（ｃ）に示すように、柱状体４１に進行方向が変えられた流体は、連通口２２内にスムーズに導かれる。

このように、柱状体４１が設けられていることにより、十分な量の流体が流路３４から連通口２２内に流入する。したがって、本実施形態に係るインクジェット記録ヘッド１では、流体から連通口２２の壁面に十分な力が加わるため、供給口２０の特に連通口２２内を効果的に洗浄することができる。

なお、インクジェット記録ヘッドの供給口は、本実施形態のように流路３４側の連通口２２が基板１１の表面に垂直に形成されていなくてもよい。さらに、供給口は、本実施形態のように、共通口２１と連通口２２によって構成されていなくてもよい。

インクジェット記録ヘッドの供給口は、流路３４に交差する壁面に囲まれている構成であれば、柱状体４１の作用にて、流路３４を流動する流体を供給口内にスムーズに流入させることができる。したがって、柱状体４１による供給口の洗浄効果は、このような構成を有するいずれの供給口にも有効である。

図３を参照して、本実施形態に係る柱状部４１の変形例について説明する。図３の各図は図２（ｂ）に対応した横断面図である。

図３（ａ）に示す柱状部４１ａは、横断面の形状が正方形である。また連通口２２の横断面の各辺は、柱状部４１ａの横断面の各辺と平行である。したがって、柱状部４１ａの横断面の四辺と、該各辺に対応する連通口２２の四辺と、の距離ｌが全て等しい。当該構成により、連通口２２のいずれの壁面にも流体が均一に当たるようになる。これにより、連通口２２の洗浄効果が均一化する。

図３（ｂ）に示す柱状部４１ｂは、横断面の四辺が連通口２２の断面の四辺に対して傾いていている。また、図３（ｃ）に示す柱状部４１ｃは、横断面の形状が円形である。その他、柱状部の横断面の形状は適宜決定することができる。

図３（ｄ）に示す柱状部４１ｄは、柱状部は４本に分けて形成されている。また、図３（ｅ）に示す構成では、中央に柱状部４１ｆが配置され、該柱状部４１ｆの周りに柱状部４１ｅが４本設けられている。柱状部４１ｆと柱状部４１ｅとでは、横断面の面積が異なり、本数も異なる。

図３（ｄ）および図３（ｅ）に示すように、複数の柱状部を設ける際には、連通口２２の隅部にそれぞれ柱状部を配置することが望ましい。連通口２２の特に隅部には洗浄工程時に流体が行き届きにくいが、当該構成により連通口２２の隅部の洗浄を効果的に行うことができる。

以上、本実施形態の柱状部を例示したが、柱状部の配置や形状や数量などは適宜決定することができる。

次に、本実施形態に係るインクジェット記録ヘッド１の製造方法について図４、図５および図６を参照して説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、表面に複数の吐出圧力発生素子１２が配列され、該吐出圧力発生素子１２を保護するパッシベイション層１３が形成された基板１１を用意する。

次に、図４（ｂ）に示すように、ポジレジスト５１をパターニングする。ポジレジスト５１のパターニングでは、ポリメチルイソプロペニルケトンを主成分とする樹脂を基板１１の表面への塗布、プロキシタイプの露光機によるＵＶ（ＵｌｔｒａＶｉｏｌｅｔ）光の露光、キシレンによる現像、の各処理を順次施す。

ポジレジスト５１は後に溶出されて図２に示す流路３４になる部分にパターニングされる。したがって、ポジレジスト５１に代えて、溶出可能な他の材料を、パターニングしてもよい。

次に、図４（ｃ）に示すように、ポジレジスト５１を覆うように、エポキシ樹脂５２をパターニングする。本実施形態では、エポキシ樹脂５２として、カチオン重合型のものを用いた。

次に、図４（ｄ）に示すように、エポキシ樹脂５２に露光、現像を行うことにより吐出口３３を形成する。図４（ｃ）に示したエポキシ樹脂５２は、図４（ｄ）に示すように一体としてオリフィス部３１、流路壁３２および柱状部４１を構成する。

図４に示す処理に続いて、図５に示す処理が行われる。図４では吐出口３３が上向きになるように示したが、図５では説明の便宜上、吐出口３３が下向きになるように示している。

まず、図５（ａ）に示すように、基板１１のオリフィス部３１とは反対側の表面の、図２に示した供給口２０を形成しない部分にマスク材５４をパターニングする。そして、基板１１の表面のオリフィス部３１および流路壁３２を覆うようにソルベントコート５３をパターニングする。ソルベントコート５３は、環化ゴムで形成され、オリフィス部３１および流路壁３２を保護する。

次に、図５（ｂ）に示すように、基板１１の表面の、マスク材５４に覆われていない部分に結晶異方性エッチングを施し、共通口２１を形成する。そして、スプレー法により、共通口２１にポジレジスト（不図示）を塗布する。

次に、図５（ｃ）に示すように、ボッシュプロセスにより、基板１１を掘り進み、連通口２２をパッシベイション層１３まで形成する。そして、ＣＤＥ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｄｒｙ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法により、パッシベイション層１３の連通口２２に対応する部分を除去する。連通口２２の形成には、ボッシュプロセスに代えて、高密度プラズマを使った方法を用いてもよい。

次に、図５（ｄ）に示すように、キシレンにより、ソルベントコート５３を除去する。そして、基板１１の吐出口３３側からＵＶ光を照射してポジレジスト５１を感光させる。このとき、ＵＶ光は、オリフィス部３１を透過し、ポジレジスト５１全体が感光する。そして、乳酸メチルを用いて、感光したポジレジスト５１を除去し、流路３４を形成する。

そして、純水槽中で揺動させるとともにバブルを付与して洗浄工程を行う。このとき、図５（ｄ）に破線矢印で示すように、吐出口３３から流路３４に流入した純水は、柱状体４１によって流動方向が変化させられ、連通口２２内に流入する。そのため、連通口２２には、十分な量の純水が流入し、連通口２２の壁面には十分な力が加わる。これにより、連通口２２の壁面に付着した異物はインクジェット記録ヘッドの外部へ除去される。

図５に示す処理に続いて、図６に示す処理が行われる。図６では図４と同様に吐出口３３が上向きになるように示している。

図４および図５に示した製造過程では、基板１１のロットごとに、図２に示した複数のインクジェット記録ヘッド１がつながっている状態である。そのため、各インクジェット記録ヘッド１ごとに、基板１１を切り分ける図６に示す処理が必要となる。

インクジェット記録ヘッド１は、ダイシング装置（不図示）によって切り分ける。そのための準備工程として、図６に示す基材６０に、基板１１を各ロットごとに基板１１がつながった状態のインクジェット記録ヘッドを貼り付ける。基材６０としては、たとえば、ＵＶテープを用いることができる。このとき、基板１１の吐出口３３とは反対側の表面が、基材６０に対する接着面となる。

その後、図６（ａ）に示すように、基材６０を固定し、各インクジェット記録ヘッド１ごとに、ダイシング装置に備えられたダイシングソー６１によって切り分ける。その際、ダイシングソー６１と基板１１との摩擦により発生する熱を冷まし、基板１１の切り屑を除去する目的で、ダイシングソー６１の基板１１との接触部に、ダイシング装置に備えられた水冷ノズル６３により水を吹きかける。各インクジェット記録ヘッド１の間には、図６（ａ）に示すように、ダイシングソー６１の厚さに応じたスペーシング６２が形成される。

次に、図６（ｂ）に示すように、切り分けられたインクジェット記録ヘッド１を、洗浄装置６４によって洗浄液を吹き掛けて洗浄する。その際、図６（ｃ）に示すように、各インクジェット記録ヘッド１内の空間のみならず、スペーシング６２にも洗浄液が流れる。これにより、ダイシングにより生じた基板１１の切り屑が除去される。

最後に、各インクジェット記録ヘッド１が基材６０から剥がされ、インクジェット記録ヘッド１が完成する。

なお、本実施形態に係るインクジェット記録ヘッド１では、記録装置に取り付けられて使用された後、再使用を行う際、インクの再充填（リフィル）をする前の洗浄も同様に効果的に行うことができる。
（第２の実施形態）
図７は本発明の第２の実施形態を部分的に示した概略構成図である。図７の各図は、図２（ｃ）に対応する縦断面図である。本実施形態に係るインクジェット記録ヘッドは、以下に述べる構成以外は、第１の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド１の構成と同様である。図７では、第１の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド１と共通する構成は同一の符号で示している。

本実施形態に係るインクジェット記録ヘッドには、吐出圧力発生素子１２と基板１１との間に機能層１４および絶縁層１５が設けられている。機能層１４は、吐出圧力発生素子１２などを駆動するための電気回路を含んでいる。絶縁層１５は、必要な電気的接続を確保しつつ、機能層１４と吐出圧力発生素子１２などの他の部品とを電気的に絶縁している。

図７に示したインクジェット記録ヘッドは、いずれも、機能層１４が連通口２０の周りに設けられており、当該部分に対応するパッシベイション層１３が流路３４内に膨らみ出ている。

図７（ａ）に示したインクジェット記録ヘッドでは、図２と同様の四角柱状の柱状部４１ｇが吐出圧力発生素子１２が設けられた絶縁層１５の表面を含む面まで延びている。このインクジェット記録ヘッドでは、機能層１５が設けられていても、第１の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド１と同様に、効果的な洗浄を行うことができる。

図７（ｂ）に示したインクジェット記録ヘッドでは、オリフィス部３１から離れるほど細くなるようなテーパ状の柱状部４１ｈが、吐出圧力発生素子１２が設けられた絶縁層１５の表面を含む面まで延びている。すなわち、柱状部４１ｈのテーパ状の面は、連通口２２側を向いている。このインクジェット記録ヘッドでは、洗浄工程時に、テーパ状の柱状部４１ｈに衝突した流体の進行方向が、連通口２２側に、よりスムーズに変えられる。これにより、連通口２２内の洗浄をより効果的に行うことができる。

また、図７（ｃ）に示したインクジェット記録ヘッドでは、図２と同様の四角柱状の柱状部４１ｉが連通口２２内まで延びている。このインクジェット記録ヘッドでは、柱状体４１ｉが長く、洗浄工程時に、より多くの流体の進行方向が柱状体４１ｉによって変えられる。これにより、連通口２２内の洗浄をより効果的に行うことができる。

１１ 基板
１２ 吐出圧力発生素子
１３ パッシベイション層
２０ 供給口
２１ 共通口
２２ 連通口
３１ オリフィス部
３２ 流路壁
３３ 吐出口
３４ 流路
４１ 柱状部

Claims (7)

1. 供給口が形成された基板と、吐出口が形成されたオリフィス部と、が対向して配置され、前記供給口から供給された液体が前記基板と前記オリフィス部との間の流路を通って前記吐出口から吐出されるインクジェット記録ヘッドであって、
   前記供給口は、前記流路に交差するスキャロップ形状の壁面を有し、
   前記オリフィス部の、前記供給口に対向する位置から前記流路内に突出し、前記オリフィス部から離れるほど細くなるテーパ状の柱状部を有することを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 前記柱状部は、前記供給口内に入り込んでいる、請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
3. 前記供給口は、前記流路側とは反対側に形成された共通口と、該共通口と前記流路とを連通させ、ひとつの前記共通口に対し、複数形成された連通口と、で構成されている、請求項１または２に記載のインクジェット記録ヘッド。
4. 前記柱状部は、前記オリフィス部の前記流路側の面に垂直に延びている、請求項３に記載のインクジェット記録ヘッド。
5. 前記連通口の中心軸と、前記柱状部の中心軸と、が一致している、請求項４に記載のインクジェット記録ヘッド。
6. ひとつの前記連通口に対し、複数の前記柱状部が設けられ、
   前記複数の柱状部が、前記オリフィス部の前記連通口の隅部に対向する位置から延びている、請求項３または４に記載のインクジェット記録ヘッド。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッドの吐出口から流路を通して供給口へ流体を流すことを含む洗浄工程を有するインクジェット記録ヘッドの製造方法。

Images