CN102431302B - 液体排出头及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
液体排出头及其制造方法。液体排出头包括：液体排出头用基板，其包括配置有多个能量产生元件的元件列，能量产生元件用于产生排出液体用的热能；排出口构件，其与多个能量产生元件中的每一个能量产生元件对应，排出口构件包括多个壁和多个排出口，多个壁与液体排出头用基板接触以形成储存液体用的多个液室，多个排出口与多个液室中的相应液室连通以利用能量产生元件所产生的热能排出液体；以及多个散热构件，多个散热构件与多个液室中的相应液室对应并且散热构件具有暴露到液室的第一部分和暴露到大气的第二部分。
Description
技术领域
本发明涉及一种液体排出头以及液体排出头的制造方法。
背景技术
以喷墨记录设备为代表的液体排出设备使用形成于液体排出头的能量产生元件所产生的热能引起墨的膜沸腾。然后，液体排出设备利用由墨的膜沸腾所产生的气泡压力将墨排出到记录介质以进行记录操作。液体排出头包括液体排出头用基板和排出口构件，液体排出头用基板包含在其表面上成列配置的能量产生元件，排出口构件与液体排出头用基板接合并且包含排出口。液体排出头需要具有蓄热性能以将能量产生元件所产生的热有效地传递到墨。日本特开2005-280179号公报论述了一种液体排出头，在该液体排出头中，由氧化硅构成的蓄热层设置于液体排出头用基板上的能量产生元件和由硅构成的板之间以确保蓄热性能。
另一方面，为了避免液体排出头的温度的过度升高，除了上述蓄热操作所必需的热以外的多余的热必须从液体排出头适当地释放出。日本特开2002-11882号公报论述了一种液体排出头，其能够通过使设置于能量产生元件上的抗气蚀(cavitation-resistant)金属层延长以传递由能量产生元件所产生的部分热而释放上述的多余的热。如上所述，液体排出头被设置为在保持蓄热性能的同时释放多余的热从而实现有效的记录操作。
当使用包含能量产生元件列(下文中称为元件列)的液体排出头用基板来连续地执行记录操作时，基板的温度由于能量产生元件所产生的热而升高。在该情况下，热在较靠近元件列的端部处比在元件列的中央部处能容易地释放到元件列的外侧的非发热区域。因此，在液体排出头用基板的元件列的端部附近和中央部附近之间产生温差。根据日本特开2002-11882号公报所论述的方法，形成与各能量产生元件同等地对应的散热用金属层，从而不能消除温差。
在头用基板中产生温差的情况下，在元件列的中央部和端部之间还产生待排出液体的粘度差。结果，从排出口喷出的液滴的量产生偏差(dispersion)，因此，担心可能会使记录图像的品质劣化。
发明内容
根据本发明的方面，提供一种液体排出头，其包括：液体排出头用基板，其包括配置有多个能量产生元件的元件列，所述能量产生元件用于产生排出液体用的热能；排出口构件，其与所述多个能量产生元件中的每一个能量产生元件对应，所述排出口构件包括多个壁和多个排出口，所述多个壁与所述液体排出头用基板接触以形成储存液体用的多个液室，所述多个排出口与所述多个液室中的相应液室连通以利用所述能量产生元件所产生的热能排出液体；以及多个散热构件，所述多个散热构件与所述多个液室中的相应液室对应并且所述散热构件具有暴露到所述液室的第一部分和暴露到大气的第二部分。
根据本发明的方面，提供一种液体排出头的制造方法，所述液体排出头包括：液体排出头用基板，其包括配置有多个能量产生元件的元件列，所述能量产生元件用于产生排出液体用的热能；排出口构件，其与所述多个能量产生元件中的每一个能量产生元件对应，所述排出口构件包括多个壁和多个排出口，所述多个壁与所述液体排出头用基板接触以形成储存液体用的多个液室，所述多个排出口与所述多个液室中的相应液室连通以利用所述能量产生元件所产生的热能排出液体；以及多个散热构件，所述多个散热构件与所述多个液室中的相应液室对应并且所述散热构件具有暴露到所述液室的第一部分和暴露到大气的第二部分，所述液体排出头的制造方法包括：制备所述液体排出头用基板的步骤；通过镀敷方法在所述液体排出头用基板上形成所述多个散热构件的步骤；在所述液体排出头用基板上设置用作所述排出口构件以覆盖所述多个散热构件的排出口构件材料的步骤；以及移除所述排出口构件材料的一部分以形成所述排出口构件的步骤。
根据本发明，能够通过使液体排出头设置有上述能量产生元件来抑制液滴的排出量的偏差。结果，本发明能够提供一种能获得高品质记录图像的可靠性高的液体排出头。
从下面参照附图对示例性实施方式的详细说明，本发明的其它特征和方面将变得明显。
附图说明
包含于说明书中并构成说明书的一部分的附图阐释本发明的示例性实施方式、特征和方面，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1A是本发明的液体排出设备的立体图，图1B是本发明的头单元的立体图。
图2A是本发明的液体排出头的俯视示意图，图2B是本发明的液体排出头的立体图，图2C是本发明的液体排出头的剖视示意图。
图3A、图3B和图3C是本发明的液体排出头的俯视示意图。
图4A是本发明的液体排出头的立体图，图4B是本发明的液体排出头的俯视示意图。
图5A、图5B、图5C和图5D是示出本发明的液体排出头的制造方法的示意性剖视图。
具体实施方式
下面将参照附图详细说明本发明的各种示例性实施方式、特征和方面。
液体排出头可以被安装于打印机、复印机、容纳通信***的传真机、具有打印机单元的文字处理器和以复合方式组合有各种处理单元的工业记录设备。使用上述液体排出头使得能够在诸如纸、丝、纤维、布帛、皮革、金属、塑料、玻璃、木材和陶瓷等各种记录介质上进行记录。
本说明书使用的术语“记录”不仅意味着附着诸如文字和图形等具有含义的图像，还意味着附着诸如图案等没有含义的图像。
另一术语“液体”应被广义地解释，其指的是被排出到记录介质并且用于图像、装饰和图案的形成、用于记录介质的加工和用于墨或记录介质的处理的液体。这里所说的墨或记录介质的处理指的是用于利用包含在墨中的色材的凝固或不溶解来提高被排出到记录介质的墨的定着性、用于提高记录品质或着色性或用于提高图像耐久性的处理。
这里将说明液体排出设备。图1A是能安装本发明的液体排出头的液体排出设备的示意图。
如图1A所示，丝杠5004通过与驱动马达5013的正/反转动连动的驱动力传递齿轮5011、5009而转动。滑架HC能够载置有头单元并且滑架HC具有与丝杠5004的螺旋槽5005接合的销(未示出)，所以当丝杠5004转动时，滑架HC沿箭头a的方向和箭头b的方向往复移动。该滑架HC载置有头单元40。
接着，将说明头单元。图1B是示出能够安装于图1A所示的液体排出设备的头单元40的示例的立体图。液体排出头41(下文中依据上下文称为头)与接触垫44导通，接触垫44经由柔性电路板43连接到液体排出设备。头41接合到墨盒42，使得头41和墨盒42形成为一体以构成头单元40。虽然这里所示例的头单元40是墨盒42和头41形成为一体的类型，但是墨盒可以是单独的以形成可拆装的类型。
接着，将说明液体排出头。图2A是本发明的液体排出头41的俯视图。图2B是示出图2A中的区域X的放大立体图。图2C是沿着图2A中的线A-A’截取的液体排出头41的示意性剖视图。
液体排出头41包括液体排出头用基板21和排出口构件6。液体排出头用基板21的一侧具有能量产生元件8，所述能量产生元件用于产生排出液体用的热能。排出口构件6设置为与液体排出头用基板21接触。液体排出头用基板21设置有供给口2，所述供给口2贯通液体排出头用基板21的配置有能量产生元件8的正面和与正面相反的背面以供给液体。包括多个能量产生元件8的元件列以多个能量产生元件8沿着供给口2排列(run)的方式被配置于供给口2的两侧。
另外，多个端子3被设置于液体排出头用基板21的端部以从液体排出设备的外部供给驱动能量产生元件8用的电信号和电力。能量产生元件8由发热电阻层15和一对电极16构成，发热电阻层15用于通过通电而发热，电极16为发热电阻层供给电力并且主要由诸如铝等导电材料构成。能量产生元件8经由热氧化层12和蓄热层13被设置于由硅制成的板1上，其中热氧化层12由硅构成。
能量产生元件8被由氮化硅(SiN)制成的保护层17覆盖以保护能量产生元件8不受墨的影响。可允许的是，在覆盖能量产生元件8的保护层17上设置由钽等制成的抗气蚀层，该抗气蚀层用于缓和气消泡消失时发生的气蚀所引起的冲击。
排出口构件6在与各能量产生元件8相对的位置具有用于利用能量产生元件8所产生的能量来排出液体的排出口7。排出口构件6还包括壁6a和壁6b，壁6a用作使排出口7和供给口2连通的流路11，壁6b用作用于储存临时排出的液体的液室5。排出口构件6和液体排出头用基板21保持彼此接触以形成流路11和液室5。液体从供给口2供给并经由流路11被运送到液室5中然后在一对电极16之间通电。结果，能量产生元件8发热以引起液体的膜沸腾。通过如此所产生的气泡压力，液滴从排出口7被排出到记录介质以实现记录操作。
液体排出头用基板21包括与相应的液室5对应的多个散热构件4。散热构件4的一部分被排出口构件6覆盖从而形成不暴露到大气的第一部分4a。散热构件4的第一部分4a具有暴露到液室5的面4c。当流路11和液室5填充有液体时，面4c接触该液体。散热构件4还包括第二部分4b，在第二部分4b的上方不存在排出口构件6并且第二部分4b暴露到大气。暴露到液室5的面4c和暴露到大气的第二部分4b使从液室5中的墨吸收的热能够被释放到大气中。暴露到大气的第二部分4b的表面积越大，越容易释放热。
接着，将说明基板中的温度分布。当具有包括成列配置的多个能量产生元件8的元件列的液体排出头41通过高速打印操作连续地进行记录操作时，因为元件列的中央部周围的非发热区域的面积小于元件列的端部的非发热区域的面积，所以元件列的中央部及其邻近部分不能比元件列的端部有效地释放热。更具体地，虽然在元件列的端部附近所产生的热能够逃逸到板1的端部，但是因为存在供给口2，所以中央部及其邻近部分不能经由板1实现热的释放。因此，在液体排出头41中产生温差。
当设置大量元件而使元件列长时，该温差变得显著。另外，当多个供给口2设置于液体排出头41时，该现象在中央部附近变得更加显著。当液体排出头41内产生温差时，即使能量产生元件8所产生的能量的量或排出口7的直径相等，排出的液滴的量也不能均等。这可能会导致被记录物的不均匀性的发生。这被认为是由于温度变化所引起的墨的粘度的变化而引起的。在元件列的中央部附近，墨的温度随着基板的温度升高而升高从而降低墨的粘度，使得气泡的大小增大。另一方面，在元件列的端部，基板温度不那么容易升高，墨的粘度不降低，由此，空气气泡的大小变得较小。因此，认为从元件列的热容易逃逸的端部排出的液滴的量小于从元件列的热较不易逃逸的中央部附近排出的液滴的量。
当元件列的长度超过大约10mm时，该现象开始出现；当元件列的长度超过大约15mm时，该现象被认为是显著的。当使用传统的包括640个在没有任何散热构件4的情况下配置的能量产生元件8的液体排出头41执行50％占空(duty)记录操作时，在位于元件列的端部处的能量产生元件8和位于中央部处的能量产生元件8之间产生大约10℃的温差。在该情况下，50％占空记录操作指的是：当成列配置的喷嘴的数量是640时，从作为640个喷嘴的1/2的320个喷嘴排出墨的操作。
图3A、图3B和图3C通过放大示出图2A所示的液体排出头41的区域X。设置散热构件4以将墨的热释放到大气从而减小元件列的端部和中央部之间的温差。位于元件列的中央部的散热构件4的暴露到大气的第二部分4b被设计成其表面积比位于元件列的端部附近的散热构件4的暴露到大气的第二部分4b的表面积大。逃逸到大气的热与元件的表面积成比例，因此中央部附近的热被设计成较容易逃逸到大气。
如图3A所示，与位于元件列的端部附近的能量产生元件对应的第二部分4b的表面积可以被设定为较小。如图3B所示，表面积可以从端部朝向中央部逐渐增大。如图3C所示，可以以各种形状形成第二部分4b。散热构件4的暴露到液室5并与液体接触的面4c的表面积被设定为在所有液室中基本上均等。这保持液室5中的液体流阻均等。
如上所述，通过适当地调整散热构件4的暴露到大气的第二部分4b的表面积，能够减小基板内的温差。结果，能够减小记录图像时可能会发生的打印品质的不均匀性，由此实现可靠性高的液体排出头41。
优选地，散热构件4由热传导系数比板1用的硅的热传导系数(148W/(m·k))高的材料制成，即，由热传导系数比液体排出头41用的其它材料的热传导系数高的材料制成。另外，要求散热构件即使与液体接触也不产生诸如腐蚀等任何化学反应。更具体地，材料可以主要由金、铜和银中的任何一种构成。对于金来说热传导系数是320W/(m·k)，对铜来说热传导系数是398W/(m·k)，对银来说热传导系数是420W/(m·k)。由于金具有良好的耐墨性，所以金可能是最好用的材料。
图4A是形成有三个供给口2的液体排出头41的部分截断立体图。图4B是图4A中的区域Y的放大俯视图。当设置多个供给口2时，散热金属的暴露到大气的第二部分4b可以通过移除排出口构件6的部分区域6b而形成。在该情况下，也通过确保元件列的、基板温度容易升高的中央部附近的第二部分4b的表面积较大，能够从中央部有效地释放热。在设置有多个供给口2的液体排出头中，沿着位于中央部的供给口2形成的元件列不如沿着位于端部的供给口2设置的元件列有效地释放热。因此，与沿着位于中央部的供给口2所形成的能量产生元件对应的第二部分4b的表面积被设定为比与沿着位于端部的供给口2所形成的能量产生元件对应的第二部分4b的表面积大。结果，能够减小元件列中的温差。
接着，将说明液体排出头41的制造方法。图5A至图5D是示出当沿着图2A中的线A-A’垂直于基板21剖切时各步骤中的液体排出头41的截面的示意性剖视图。这里，将说明金用于散热构件4的材料的情况。
首先，制备由硅制成的板1。板1具有设置有热氧化层12的正面和设置有热氧化层22的背面，热氧化层12用作诸如晶体管等驱动器件的分离层，热氧化层22用作形成供给口2时的掩模。大约200nm至500nm厚的牺牲层25设置于正面的一部分，在该部分中，通过利用钻出供给口2所用的蚀刻液蚀刻并且施加导电材料而期望快速地钻出供给口2。牺牲层25可以使用主要由铝或多晶硅构成的材料(例如，Al-Si合金)通过溅射和干蚀刻而形成于与供给口2对应的部分。蓄热层13设置于具有牺牲层25的板1。根据CVD方法，蓄热层13由厚度为大约500nm至1μm的氧化硅(SiO2)形成。
接着，使用通电时发热的由TaSiN或WSiN构成的高电阻材料通过溅射形成层厚为大约10nm至50nm的发热电阻层15。另外，通过溅射形成厚度为大约100nm至1μm的主要由铝形成的导电层。导电层用作对发热电阻层15通电用的一对电极16。通过利用干蚀刻加工发热电阻层15和导电层然后利用湿蚀刻移除部分导电层而形成一对电极16。与被移除部分对应的发热电阻层15用作能量产生元件8。然后，借助于CVD方法，在基板的整个面上形成主要由氮化硅(SiN)形成的具有绝缘性、厚度为大约100nm至1μm的保护层17。结果，发热电阻层15和一对电极16由保护层17覆盖。在上述加工之后，实现图5A所示的状态。
接着，在保护层17上形成由诸如钛、钨等高熔点金属形成的防扩散层20以防止散热构件4的材料的扩散。另外，在通过镀敷(plating)形成散热构件4时用作晶种层(seed layer)的底涂金层(under coat gold layer)26通过溅射设置于防扩散层20上(图5B)。
具有开口的抗蚀图案23以比散热构件4的厚度大的厚度设置于底涂金层26上，其中在所述开口中将形成散热构件4。可以借助于光刻法通过涂布、曝光和显影形成该抗蚀图案23。在该情况下，以如图3A至图3C所示的散热构件4的暴露到大气的部分4b的形状制作开口。具体地，位于元件列的中央部附近的开口比端部附近的开口大。
接着，使用电解电镀方法形成用作散热构件4的金属构件4C。更具体地，在包含亚硝酸金盐的电解液中将电流供到底涂金层26。结果，仅抗蚀图案23的开口设置有金属构件4C(图5C)。在该情况下，位于元件列的端部的散热构件4设置有比位于元件列的中央部附近的散热构件4小的表面积。
之后，移除抗蚀图案，然后，以金属构件4C作为掩膜蚀刻底涂金层26。虽然在该情况下，蚀刻了金属构件4C的表面，但是，因为金属构件4C的厚度远大于底涂金层26的厚度，所以金属构件4C残留在基板上。另外，以金属构件4C作为掩膜蚀刻防扩散层20以移除防扩散层20(图5D)。以上述方式，完成液体排出头用基板21。在形成金属构件4C时的同时，通过电解电镀方法形成用于从液体排出设备的外部接收电信号的端子3。结果，可以在不增加制造过程的数量的情况下通过同时形成散热构件4和端子3而设置两者。
通过旋涂法在液体排出头用基板21的面上形成可溶解树脂，并且通过光刻技术在待形成流路11和液室5的部分形成成型材料(未示出)。在该情况下，成型材料被设置为使得其保持与金属构件4C的面对液室5的面4c接触。结果，面4c以接触液体的方式暴露到液室5。多个金属构件4C的面4c被设置成具有基本上相同的暴露到液室5的面积。
作为排出口构件材料，通过旋涂法将阳离子聚合环氧树脂施加于成型材料并且使用热板烘焙和固化阳离子聚合环氧树脂以形成用作排出口构件6的固化材料。通过光刻技术从与排出口7以及散热构件4的暴露到大气的第二部分4b对应的部分部分地移除固化材料。结果，形成排出口构件6。在该情况下，与位于元件列的中央部附近的能量产生元件8对应的第二部分4b形成有比与位于元件列的端部的能量产生元件8对应的第二部分4b大的表面积。
利用环化橡胶层保护排出口构件6，热氧化层22被制成为开口并且用作形成供给口2用的掩模。
之后，使用四甲基氢氧化铵溶液(TMAH溶液)或氢氧化钾水溶液(KOH溶液)湿蚀刻板1的背面以形成用作供给口2的贯通孔。然后，移除牺牲层25。通过使用表面的晶体取向为(100)面的单晶硅基板作为板1，使用碱溶液(例如，TMAH溶液或KOH溶液)通过晶体各向异性蚀刻而制作供给口2。在上述板1中，(111)面的蚀刻速率远低于其它结晶面的蚀刻速率，使得形成相对于硅基板平面成大约54.7°角的供给口2。之后，移除环化橡胶层和成型材料从而完成具有散热构件4的液体排出头41，其中散热构件4具有暴露到液室5的面4c(图2C)。而且，虽然上面说明了通过湿蚀刻方法来形成供给口的方法，但是可以为相同的目的应用干蚀刻方法。
虽然已经参照示例性实施方式说明了本发明，但是可以理解的是本发明不限于所公开的示例性实施方式。所附权利要求书的范围应符合最宽泛的解释，从而涵盖所有的变型、等同结构和功能。
Claims (8)
1.一种液体排出头，其包括：
液体排出头用基板，其包括配置有多个能量产生元件的元件列，所述能量产生元件用于产生排出液体用的热能；
排出口构件，其与所述多个能量产生元件中的每一个能量产生元件对应，所述排出口构件包括多个壁和多个排出口，所述多个壁与所述液体排出头用基板接触以形成储存液体用的多个液室，所述多个排出口与所述多个液室中的相应液室连通以利用所述能量产生元件所产生的热能排出液体；以及
多个散热构件，所述多个散热构件与所述多个液室中的相应液室对应并且所述散热构件具有暴露到所述液室的第一部分和暴露到大气的第二部分，
在所述多个散热构件中，第一散热构件的所述第二部分的表面积比第二散热构件的所述第二部分的表面积大，其中，所述第一散热构件与所述元件列的中央部对应，所述第二散热构件与所述元件列的比所述第一散热构件靠近端部的部分对应。
2.根据权利要求1所述的液体排出头，其特征在于，
构成所述散热构件的材料的热传导性比构成所述排出口构件的材料的热传导性和构成所述液体排出头用基板的材料的热传导性中的任一方高。
3.根据权利要求1所述的液体排出头，其特征在于，
所述散热构件主要由金、铜和银中的任一种构成。
4.根据权利要求1所述的液体排出头，其特征在于，
所述散热构件的所述第二部分的表面积从所述元件列的端部朝向所述元件列的中央部逐渐增大。
5.根据权利要求1所述的液体排出头，其特征在于，
所述液体排出头用基板包括与所述液体排出头用基板的外部电连接以驱动所述能量产生元件的端子，所述液体排出头用基板由与所述散热构件相同的材料形成。
6.根据权利要求1所述的液体排出头，其特征在于，
多个所述第一部分的表面积相等。
7.一种液体排出头的制造方法，所述液体排出头包括：液体排出头用基板，其包括配置有多个能量产生元件的元件列，所述能量产生元件用于产生排出液体用的热能；排出口构件，其与所述多个能量产生元件中的每一个能量产生元件对应，所述排出口构件包括多个壁和多个排出口，所述多个壁与所述液体排出头用基板接触以形成储存液体用的多个液室，所述多个排出口与所述多个液室中的相应液室连通以利用所述能量产生元件所产生的热能排出液体；以及多个散热构件，所述多个散热构件与所述多个液室中的相应液室对应并且所述散热构件具有暴露到所述液室的第一部分和暴露到大气的第二部分，
所述液体排出头的制造方法包括：
制备所述液体排出头用基板的步骤；
通过镀敷方法在所述液体排出头用基板上形成所述多个散热构件的步骤；
在所述液体排出头用基板上设置用作所述排出口构件以覆盖所述多个散热构件的排出口构件材料的步骤；以及
移除所述排出口构件材料的一部分以形成所述排出口构件的步骤。
8.根据权利要求7所述的液体排出头的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括：
在形成所述散热构件的同时，通过镀敷形成用于驱动所述能量产生元件的端子的步骤。
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