JPH1142782A - 液体噴射記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 気泡の排除効率を向上させ、気泡による画質
欠陥の発生頻度を大幅に低減した液体噴射記録ヘッドを
提供する。 【解決手段】 チャネル基板には共通液室および個別流
路となる溝が形成されており、ヒータ基板１には複数の
発熱素子４が形成されるとともに、その上に厚膜樹脂層
３が成層され、発熱素子４上部のピット６および共通液
室８と個別流路５を連通させるバイパス流路７の部分が
除去されている。共通液室８の端部の１ないし複数本の
ノズルはダミーノズルとし、対応するダミー個別流路で
はピット６とバイパス流路７が直接接続され、バイパス
流路７がダミー個別流路内へ延在するように樹脂を除去
してある。これによってダミー個別流路の流路抵抗を下
げ、共通液室８の端部に滞留する気泡を効率よく外部へ
排出させて画質欠陥を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ノズルから液体を
噴射して被記録媒体に付着させ、記録を行なう液体噴射
記録ヘッドに関するものであり、特に液体を噴射しない
ダミーノズルを有した液体噴射記録ヘッドに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、液体噴射記録方式の液体噴射記録
ヘッドとしては、例えば圧電材料により圧力室を機械的
に変形させ、生じた圧力で液体をノズルより噴射させる
圧電型の液体噴射記録ヘッドや、液体流路に配されたヒ
ータに通電し、液体を気化させ、その圧力で液体をノズ
ルより噴射させるサーマル型の液体噴射記録ヘッドが知
られている。

【０００３】公知の液体噴射記録ヘッドとして、特開平
５−１３８８８４号公報などに記載されたものがある。
図７は、従来の液体噴射記録ヘッドの一例の外観図、図
８は、同じくヒータ基板の平面図、図９は、同じくＣ断
面図である。図中、１はヒータ基板、２はチャネル基
板、３は厚膜樹脂層、４は発熱素子、５は個別流路、６
はピット、７はバイパス流路、８は共通液室、９はノズ
ル、１０は気泡、１１は液滴、１２はヒートシンク、１
３はボンディングワイヤである。

【０００４】チャネル基板２には、共通液室８や個別流
路５となる溝等が形成されている。チャネル基板２とし
てシリコンを用いた場合、例えば異方性エッチングによ
って共通液室８や個別流路５となる溝等を形成すること
ができる。異方性エッチングによってこれらの共通液室
８や個別流路５となる溝等を形成する方法としては、特
開平２−２３５６４２号公報や、特開平６−１８３００
２号公報に記載されているように、（１００）結晶面を
表面に持つシリコンウェハ上に、エッチングマスクをパ
ターニングした後、加熱した水酸化カリウム（ＫＯＨ）
水溶液等を用いてエッチングを行なえばよい。この異方
性エッチングを用いて形成された共通液室８や個別流路
５となる溝等は、所定の角度を有した形状となる。

【０００５】ヒータ基板１には、液体を吐出させる発熱
素子４が複数個配置されている。ここでは液体噴射素子
として発熱素子４を用いているが、圧電素子等の他の液
体を吐出させるためのエネルギー変換素子を用いること
ができる。また、ヒータ基板１には発熱素子４のほか、
図示しない駆動回路等が形成され、その上に厚膜樹脂層
３が設けられている。厚膜樹脂層３は、図８に示すよう
に発熱素子４上は除去されており、ピット６を形成して
いる。このピット６は、発熱素子４の駆動により発生し
た気泡の成長領域を制限するものであり、効率よく気泡
の成長時の圧力を液体の噴射に用いることができる。図
８に示す複数個のピット６のうち、ヒータ基板１の両端
に配された２つずつのピット６には発熱素子４が設けら
れていない。これは、液体を噴射しないダミーノズルに
連通するダミー液体流路の一部をなすダミーピットであ
る。また厚膜樹脂層３は、図８に示すように液体を共通
液室８から個別流路５に供給するためのバイパス流路７
となる部分も除去されている。図８ではすべての個別流
路５（ダミー液体流路を含む）に共通の凹部としてバイ
パス流路７を形成しているが、各個別流路５ごとに共通
液室８と連通する溝として形成される場合もある。

【０００６】ヒータ基板１とチャネル基板２は位置合わ
せされて接合される。これによって共通液室８からバイ
パス流路７、個別流路５へと連通した流路が形成され、
その開口端がノズル９となる。また、個別流路５の途中
にはピット６が形成されており、ピット６の底部に発熱
素子４が配置されている構造となる。液体は共通液室８
の入口から供給され、バイパス流路７を通り、個別流路
５へ供給される。個別流路５内の発熱素子４の駆動に応
じ、ピット６内で成長した気泡の圧力によって個別流路
５内の液体がノズル９から押し出され、液滴１１として
噴射され、記録が行なわれる。

【０００７】ヒータ基板１はヒートシンク１２に固定さ
れ、発熱素子４で発生する熱を逃がす。また、ヒートシ
ンク１２上には図示しない配線基板も形成されており、
プリンタ本体から供給される電力や信号を、ボンディン
グワイヤ１３を介してヒータ基板１に伝えるとともに、
ヒータ基板１に設けられている各種のセンサーの信号等
をプリンタ本体へ伝える。

【０００８】このような従来の液体噴射記録ヘッドにお
いて、図９に示すように共通液室８内に気泡１０が残留
すると、使用している間に気泡１０は成長し、この気泡
１０が個別流路５を閉鎖してしまうことがある。個別流
路５が気泡１０で閉鎖されると液体の供給が阻止され、
液滴が噴射しないために印字不良が発生し、画質欠陥を
引き起こす。気泡１０は、液体導入時に液体とともに混
入したり、あるいは、発熱素子４で発生する熱によって
液体の温度が上昇し、液体中の溶けている気体が析出
し、共通液室８内で成長して発生するものである。特
に、気泡１０は液体の流れが少ない共通液室８の両端部
などに集中して残留する。

【０００９】共通液室８内に残留した気泡１０を排除す
る方法としては、ノズル９から吸引する方法が一般的で
ある。ノズル９から吸引すると、吸引された液体量だけ
の液体が図示しないタンクから供給される。供給された
液体は共通液室８の形状に沿って広がり、個別流路５側
へ導かれ、その液体の流れとともに気泡１０も個別流路
５へと進み、液体とともにノズル９から外部へ排出され
る。しかし、画質欠陥の大きな原因となる共通液室８の
両端部に滞留した気泡１０は、液体の流れが極端に少な
い領域に存在しているため、排除することは難しい。吸
引回数を増加することも考えられるが、吸引の実行頻度
が高いほど、記録に用いる液体の使用効率が低下し、ま
た吸引した廃液を保持するための廃液タンクの容量が大
きくなり、装置全体の大型化を招くという問題がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した事
情に鑑みてなされたもので、装置を大型化することな
く、気泡の排除効率を向上させ、気泡による画質欠陥の
発生頻度を大幅に低減した液体噴射記録ヘッドを提供す
ることを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の液体噴射記録ヘ
ッドでは、ダミーノズルに対応する個別流路では、樹脂
をバイパス流路から連続して個別流路の内部まで除去し
ている。これによってダミーノズルについてはバイパス
流路から個別流路への液体の流れがスムースになり、メ
ンテナンス動作によって吸引を行なったときに、共通液
室内に残留している気泡を排除しやすくなる。ダミーノ
ズルに対応する流路抵抗を他よりも低くしておけば、吸
引時にダミーノズルからの液体の吸引量が多くなるため
液体の流れも速くなり、効率よくダミーノズルから気泡
を排出できる。また、ダミーノズルを共通液室の端部に
配置すれば、共通液室の端部に残留していた気泡も良好
に排出できる。このように共通液室内に残留した気泡を
ダミーノズルから効率的に排除できるので、装置の大型
化を抑えつつ、メンテナンス動作の短縮化し、また廃液
量を低減し、気泡の残留による画質欠陥の発生頻度を大
幅に低減することができ、信頼性を向上させることがで
きる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の液体噴射記録ヘ
ッドの第１の実施の形態を示すヒータ基板の平面図、図
２は、同じくＡ−Ａ断面図、図３は、同じくＢ−Ｂ断面
図である。図中、図７ないし図９と同様の部分には同じ
符号を付してある。２１はダミーノズル、２２はダミー
個別流路である。この第１の実施の形態における外観は
図７と同様である。

【００１３】ヒータ基板１は、ＬＳＩ等の製造装置、製
造方法を用いて作成される。例えば、単結晶シリコンの
表面に、酸化シリコンなどの蓄熱層を設け、その上部に
液体吐出素子を構成する。ここでは、液体吐出素子とし
て発熱素子４を形成する。発熱素子４は複数個形成さ
れ、電力や信号を供給するための信号線が接続される。
発熱素子４は、同一チップ内またはチップ外に設けられ
た駆動回路等から与えられる信号によって発熱する。発
熱素子４の上部には、発熱素子４の保護のため、酸化シ
リコン、窒素シリコン、タンタルなどの単層もしくは複
数の層で構成される保護膜を設ける。

【００１４】その上に厚膜樹脂層３を形成する。厚膜樹
脂層３は、感光性樹脂を塗布し、ホトリソグラフィ工程
により、パターニングする。感光性樹脂としては、例え
ば感光性ポリイミドを用いることができる。感光性ポリ
イミドの厚さは、液体噴射記録ヘッドの目標とする特性
に合わせて、数μｍ〜５０μｍ程度の中から任意に選ぶ
ことができる。感光性ポリイミドは、このままでは液体
に対して溶解してしまう恐れがあるので、例えば熱を加
え、液体に溶解しないようにポリイミドを硬化させる。
感光性ポリイミド以外にも、非感光性ポリイミド、ドラ
イフィルムなどのポリマ系材料を用いることができる。
厚膜樹脂層３のパターニングの際に、図１に示すよう
に、発熱素子４上の樹脂を除去し、発熱素子４の発熱に
よって発生した気泡の成長領域を制限するためのピット
６を形成する。また、共通液室８と個別流路５を連通さ
せるバイパス流路７、およびバイパス流路７からダミー
個別流路２２へ延在する部分についても樹脂を除去す
る。

【００１５】チャネル基板２は従来の液体噴射記録ヘッ
ドと同様であり、例えばシリコンを異方性エッチングし
て共通液室８や個別流路５あるいはダミー個別流路２２
となる溝等を形成したものである。異方性エッチング
は、例えば（１００）結晶面を表面に持つシリコンウェ
ハ上に、エッチングマスクをパターニングした後、加熱
した水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液等を用いてエッチ
ングを行なえばよい。異方性エッチングを用いて形成さ
れた共通液室８や個別流路５、ダミー個別流路２２とな
る溝等は所定の角度を有した形状となる。

【００１６】このようにして作成された、ヒータ基板
１、チャネル基板２は位置合わせされて接合される。こ
れによって、共通液室８からバイパス流路７、個別流路
５を通って、ノズル９に至る液体の流路が形成される。
また、ダミーノズル２１に対応する流路として、共通液
室８からバイパス流路７およびダミー個別流路２２を通
ってダミーノズル２１に至る流路が形成される。

【００１７】ダミーノズル２１以外の液体を噴射するノ
ズルに対応する流路では、図１、図３に示すようにピッ
ト６とバイパス流路７は同一平面において厚膜樹脂層３
を介して分離された構成をなしている。上述のように、
ピット６は、発熱素子４の発熱によって液体が気化して
発生した気泡の成長領域を制限するために設けられたも
のであり、特にピット６の後部の厚膜樹脂層３の壁は、
液体をノズル前面へ押し出す効果を発揮する。さらに、
ピット６の後部の厚膜樹脂層３の壁とバイパス流路７ま
での距離を変更することで、個別流路５の発熱素子４前
後の流路抵抗比を変えることができ、液体噴射記録ヘッ
ドの周波数特性などの印字特性を制御できる。このこと
から、液体を吐出する液体流路ではピット後部のポリイ
ミド壁は重要な役割を持つものである。

【００１８】しかしながら、ダミー個別流路２２におい
ては、ピット後部の厚膜樹脂層３の壁は、液体が流れる
上で抵抗となり、気泡を除去する効果を低下させること
が分かった。そこで、図１、図２に示すように、ピット
６とバイパス流路７の間の厚膜樹脂層３を除去して両者
を直接接続し、バイパス流路７がダミー個別流路２２内
へ延在するような形状となるように厚膜樹脂層３をパタ
ーニングしている。これによって共通液室８からダミー
個別流路２２への液体の流れがスムースになる。そのた
め、共通液室８内の気泡は吸引時にダミー個別流路２２
内に入りやすくなる。また、ダミー個別流路２２では、
ダミー個別流路２２以外の個別流路５と比較して厚膜樹
脂層３を除去した分だけ流路抵抗が減少する。ノズル９
の側から吸引する際には、いずれのノズル９についても
等圧で吸引するため、流路抵抗の小さい方が液体排出量
が多い。そのため、吸引を行なうと流路抵抗が小さいダ
ミーノズル２１からの液体排出量が多くなるので、共通
液室８内の気泡もダミー個別流路２２を通ってダミーノ
ズル２１から排出されやすくなり、共通液室８内の気泡
を効率よく排除することができる。

【００１９】ダミーノズル２１は、共通液室８の端部に
設けるとよい。図１に示した例では、共通液室８の両端
部の２本ずつのノズルをダミーノズル２１とした例を示
している。もちろん、ダミーノズル２１とする本数は任
意である。ダミーノズル２１を共通液室８の端部に設け
ることによって、共通液室８の端部に滞留しやすい気泡
を吸引によって排出することができる。図４は、本発明
の液体噴射記録ヘッドの第１の実施の形態における吸引
動作時の液体の流れの説明図である。上述のように、液
体を噴射するノズル９では流路抵抗が大きいので液体の
流れは遅く、流量も少ないが、ダミーノズル２１では流
路抵抗が小さいので液体の流れが速くなり、全体として
図４に示すように液体は共通液室８の端部へ流れ、流量
も多くなる。そのため、共通液室８内の左右両端に残留
した気泡は、図４に示す液体の流れに沿ってダミー個別
流路２２へ導かれ、ダミーノズル２１から効率的に排出
される。

【００２０】また、ダミーノズル２１を共通液室８の端
部に設けることによって、液体の噴射特性の悪い共通液
室８の端部のノズルを用いずに記録を行なうことができ
るので、良好な画質を得ることができる。また、上述の
ように気泡は共通液室８の両端部に滞留しやすいが、端
部のノズルを記録に用いないことによって、気泡の影響
を受けにくくすることができる。

【００２１】なお、この例ではダミー個別流路２２には
発熱素子４を設けていないが、発熱素子４が形成してあ
ってもかまわない。また、バイパス流路７のダミー個別
流路２２内への延在部分の長さは任意である。

【００２２】図５は、本発明の液体噴射記録ヘッドの第
２の実施の形態を示す断面図である。図中の符号は図１
ないし図３と同様である。図５は、図１におけるＡ−Ａ
断面、すなわちダミーノズル２１およびダミー個別流路
２２の断面を示している。この例では、上述の例と同様
にバイパス流路７とピット６とを直接接続してバイパス
流路７をダミー個別流路２２内まで延在させるととも
に、ダミーノズル２１に対応するチャネル基板２側の構
造も変更し、ダミー個別流路２２となる溝と共通液室８
とを直接接続するように構成している。

【００２３】このような構成によれば、液体を噴射する
ノズル９に対応する個別流路５と共通液室８を分離して
いたチャネル基板２の突起部が、ダミーノズル２１に対
応する流路ではなくなるため、さらに気泡がダミー個別
流路２２に入りやすくなるとともに、流路抵抗を小さく
することができ、共通液室８内の気泡をさらに効率よく
外部へ排出することが可能となる。

【００２４】図６は、本発明の液体噴射記録ヘッドの第
１の実施の形態および第２の実施の形態における記録実
験結果の説明図である。実際に、図２、図５に示すよう
なダミー個別流路２２を持つ液体噴射記録ヘッドを作成
し、印字実験を行なった。比較のため、図７ないし図９
に示す従来の液体噴射記録ヘッドも作成した。具体的に
は、１８８本のノズルを有し、両端のそれぞれ１０本ず
つのノズルをダミーノズルとしたそれぞれの構造の液体
噴射記録ヘッドを作成した。

【００２５】従来の液体噴射記録ヘッドにおいては、１
８８本のノズルに対応した個別液体流路はすべて図３に
示す流路構造を有し、ダミーノズルに対応する流路もピ
ット後部に厚膜樹脂層３の壁が存在している。すべて同
一構造の流路であるから、個別流路の流路抵抗はすべて
同一である。

【００２６】図１ないし図３に示す本発明の第１の実施
の形態における液体噴射記録ヘッドでは、１８８本のノ
ズルのうち、両端のそれぞれ１０本ずつのノズルについ
て、ピット後部の厚膜樹脂層３の壁をなくし、バイパス
流路とピットとを直接接続してバイパス流路がダミー個
別流路内まで延在した構造のダミーノズルとした。

【００２７】さらに本発明の第２の実施の形態における
液体噴射記録ヘッドとして、１８８本のノズルのうち、
両端のそれぞれ１０本ずつのノズルについて図５に示し
た構造のダミーノズルとした。ダミー個別流路は、ヒー
タ基板側でピットとバイパス流路を直接接続するととも
に、チャネル基板側の個別流路と共通液室間の突起部を
取り除いた構造をなす。ので、図２に示す構造に比べ、
さらに個別液体流路の流路抵抗を下げた流路構造とな
る。

【００２８】それぞれの液体噴射記録ヘッドに液体を注
入し、数回の気泡排除メンテナンスを行なった後、印字
実験を行なった。その結果、従来の液体噴射記録ヘッド
では画質欠陥の発生頻度が１．３％程度であったのに比
べ、本発明の第１の実施の形態で示した液体噴射記録ヘ
ッドでは画質欠陥の発生頻度が０．７％まで減少した。
このように、本発明においてダミー個別流路のピット後
部のポリイミド壁をなくし、バイパス流路をダミー個別
流路内まで延在させることによって、共通液室内に残留
した気泡をメンテナンス時の吸引動作によって効率よく
排除することができ、画質欠陥の発生率を減少させるこ
とができた。

【００２９】さらに図５に示す本発明の第２の実施の形
態で示した液体噴射記録ヘッドにおいては、欠陥画質の
発生頻度は０．５％まで減少し、上述の第１の実施の形
態で説明した本発明の効果をより一層高めることができ
た。

【００３０】上述の各実施の形態では、液体噴射記録ヘ
ッドに共通液室が１個の場合しか図示していないが、本
発明はこれに限らない。例えば複数色一体型の液体噴射
記録ヘッドのように、独立した共通液室が複数個存在す
る場合には、各共通液室について、その端部に１ないし
複数本ずつのダミーノズルを設け、図２や図５に示した
ような流路構造とすればよい。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、共通液室内に残留した気泡を、気泡排除動作
によってダミーノズルから効率的に外部へ排出すること
ができる。よって、気泡排除動作の時間および回数の短
縮を図ることができ、排液量を低減することができ、装
置の大型化を抑えることができる。さらに、残留してい
る気泡による画質欠陥の発生頻度を大幅に低減すること
ができ、信頼性を向上することができるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の液体噴射記録ヘッドの第１の実施の
形態を示すヒータ基板の平面図である。

【図２】 本発明の液体噴射記録ヘッドの第１の実施の
形態を示すＡ−Ａ断面図である。

【図３】 本発明の液体噴射記録ヘッドの第１の実施の
形態を示すＢ−Ｂ断面図である。

【図４】 本発明の液体噴射記録ヘッドの第１の実施の
形態における吸引動作時の液体の流れの説明図である。

【図５】 本発明の液体噴射記録ヘッドの第２の実施の
形態を示す断面図である。

【図６】 本発明の液体噴射記録ヘッドの第１の実施の
形態および第２の実施の形態における記録実験結果の説
明図である。

【図７】 従来の液体噴射記録ヘッドの一例の外観図で
ある。

【図８】 従来の液体噴射記録ヘッドの一例におけるヒ
ータ基板の平面図である。

【図９】 従来の液体噴射記録ヘッドの一例におけるＣ
断面図である。

【符号の説明】

１…ヒータ基板、２…チャネル基板、３…厚膜樹脂層、
４…発熱素子、５…個別流路、６…ピット、７…バイパ
ス流路、８…共通液室、９…ノズル、１０…気泡、１１
…液滴、１２…ヒートシンク、１３…ボンディングワイ
ヤ、２１…ダミーノズル、２２…ダミー個別流路。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一列に配置された複数のノズルと、該ノ
   ズルのそれぞれに対応した個別流路と、複数の前記個別
   流路に共通した共通液室と、前記個別流路と前記共通液
   室とを液的に連通させるバイパス流路と、前記個別流路
   に設けられ液体を付勢して前記ノズルから液滴を噴射さ
   せる液体噴射素子を備え、前記個別流路の少なくとも一
   部は樹脂で形成され、前記バイパス流路は前記樹脂を設
   けない凹部として形成されており、少なくとも一つの前
   記ノズルは液体を吐出しないダミーノズルとし、該ダミ
   ーノズルに対応した個別流路では前記バイパス流路から
   連続して前記樹脂が除去されていることを特徴とする液
   体噴射記録ヘッド。
2. 【請求項２】 前記ダミーノズルに対応した個別流路の
   流路抵抗が、前記ダミーノズル以外の液体を噴射するノ
   ズルに対応する個別流路の流路抵抗よりも小さいことを
   特徴とする請求項１に記載の液体噴射記録ヘッド。
3. 【請求項３】 前記ダミーノズルは、前記共通液室の端
   部に接続されるように設けられていることを特徴とする
   請求項１に記載の液体噴射記録ヘッド。
4. 【請求項４】 さらに、前記個別流路と前記共通液室と
   が直結していることを特徴とする請求項１に記載の液体
   噴射記録ヘッド。