JP2005161711A - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 高速且つ高精細な印刷を行うためのインクジェット記録ヘッドであり、インクジェット記録ヘッドのコストアップおよび大型化を招かない構成のインクジェット記録ヘッドを提供する。
【解決手段】 インクジェット記録ヘッドはチップタンク１１を備え、チップタンク１１上にチップ１２が配置されている。チップ１２は一個のチップからなり、チップ上にブラック、シアン、マゼンダ、イエローの色ごとに2列づつインク吐出口群が配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、インクジェット記録方式に用いる記録液滴を発生するためのインクジェット記録ヘッドに関する。

特に、本発明は、インク吐出エネルギーを発生させるインク吐出エネルギー発生素子が形成された基体の主面に対して略垂直方向にインク液滴を吐出する、いわゆる「サイドシュータ型」のインクジェット記録ヘッドに関する。

インクジェット記録方式は、記録時における騒音の発生が無視し得る程度に極めて小さいという点、また高速記録が可能であり、しかも所謂普通紙に定着可能で、特別な処理を必要とせずに記録が行えるという点で、ここ数年急速に普及しつつある。

また、このようなインクジェット記録方式によって記録液滴を吐出する部品であるインクジェット記録ヘッドには、そのヘッド構成により、いわゆる「エッジシュータ型」と「サイドシュータ型」がある。「エッジシュータ型」とはインク吐出エネルギーを発生させるインク吐出エネルギー発生素子が形成された基体の主面に対して、略平行な方向にインク液滴を吐出するものをいう。

インク吐出滴の液量を制御するパラメータの一つとして、前記基体の主面のインク吐出エネルギー発生素子の中心から、流路を介して、該インク吐出エネルギー発生素子に対応するインク吐出口の中心までの距離（以下、OH距離という）が挙げられる。つまり、OH距離によって吐出液滴の大きさが概ね決まる。また、「エッジシュータ型」に比べて「サイドシュータ型」はOH距離を前記基体の主面に形成する膜厚によって管理しやすいので、高精細印刷を実施するための１０ピコリットル以下の小液滴を吐出する液体吐出ヘッドに適している。

さらに、特許文献１、特許文献２および特許文献３に記載のインクジェット記録ヘッドは、吐出口に連通する流路内に配置した発熱抵抗体を加熱することで生成した気泡が吐出口より出て外気と連通するとともに、インク液滴を吐出させることを特徴とする。これらの文献に記載の技術は、インク液滴の吐出量を常に一定量に保つことが可能であることから、小液滴にて高精細記録を行っても印刷むらなどの非常に少ない良好な印刷結果を得ることができる。

一方、近年、更に高速印刷且つ写真画質調の記録結果を得るために、インク液滴の吐出量を変調しながら記録する手段が有力であることが知られている。

具体例としては、高速記録を達成する目的で、高精細印刷実施時に比べて多めの吐出量の液滴を吐出するノズルが必要とされる。更には、より写真画質調の出力を得ようとした場合、同じ色のインク液滴であっても吐出量を変調することで、より粒状感の少ない、なめらかな記録結果を得ることが可能となる。

この要求を満たすためには、同色でありながら異なる吐出量のインク液滴を吐出するためのチップを複数個用意する必要がある。

図７は、このような同色で異なる吐出量のインク液滴を吐出するチップを、Bｋ（ブラック）、C（シアン）、M（マゼンタ）、Y（イエロー）のインク色ごとに2個づつ配置した構成例を示している。この構成例では、イエローインクであれば、それぞれが異なる吐出量のインク液滴を吐出するノズル（インク吐出口）を持つチップ２５とチップ２６をレイアウトしている。そして、４色それぞれのノズルで異なる吐出量のインク液滴を吐出するためのチップを用意する場合には、チップ１９〜２６の合計８個のチップをチップタンク１１上、即ち同一記録ヘッド内に用意している。ここで、チップタンク１１は、各チップにそれぞれのチップが吐出する色のインクを各色のインク収納部から導入するためのインク導入部品である。
特開平４−１０９４０号公報 特開平４−１０９４１号公報 特開平４−１０９４２号公報

しかし、図７に示すような構成は、それぞれのチップ１９〜２６を同一記録ヘッド内で正確な位置にレイアウトするために各チップ間のアライメントが必要となる。このため、印刷の高画質化が進むほど、アライメント精度も厳しいものとなるが、その一方で、記録ヘッドのコストアップおよび大型化を避けなければならないという問題がある。

本発明は上記の従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、高速且つ高精細な印刷を行うためのインクジェット記録ヘッドであり、インクジェット記録ヘッドのコストアップおよび大型化を招かない構成の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に、本発明は、液滴を吐出させるエネルギーを発生させるエネルギー発生手段が形成された基板面に対して略垂直に液滴を吐出する液体吐出ヘッドにおいて、前記液滴の吐出口を複数個並べた吐出口群が２列存在しており、第１の列の前記液滴の吐出口の中心から、流路を介して、該吐出口に対応する前記エネルギー発生手段の中心までの距離と、第２の列の前記液滴の吐出口の中心から、流路を介して、該吐出口に対応する前記エネルギー発生手段の中心までの距離とが異なっているチップを備えたことを特徴とする。このような構成により、同一チップにおいて第１の列の液滴吐出口と第２の列の液滴吐出口のそれぞれから吐出する液滴の量を異ならせることが可能となる。また、異なる大きさの液滴を吐出させるために２種の液滴吐出口の列を一つのチップに設けたことにより、液体吐出口列の間でのアライメントが不要になり、一チップに一列の液滴吐出口を設ける従来例に比べて、印刷の高精細化に応じたアライメント精度の管理が緩和される。

上記の液体吐出ヘッドにおいて、前記エネルギー発生手段が複数形成された基板面と、前記液滴の吐出口が前記エネルギー発生手段の各々に対応して複数形成されている吐出口面とが平行であることが好ましい。

さらに、第１の列の前記液滴の吐出口に対応する前記エネルギー発生手段が、前記基板面に対し前記第２の列の前記液滴の吐出口の中心を通って直交する線上に位置し、第２の列の前記液滴の吐出口に対応する前記エネルギー発生手段が、前記基板面に対し前記第２の列の前記液滴の吐出口の中心を通って直交する線とは離れた位置にあることが好ましい。

さらに、前記第２の列の前記液滴の吐出口が前記第１の列の前記液滴の吐出口よりも、前記流路への液体供給口から見て遠い位置に形成されていることが好ましい。

前記第１の列の前記液滴の吐出口と前記第２の列の前記液滴の吐出口は、前記流路への液体供給口を一つで兼用しており、該液体供給口からは一色の液体が供給されることが好ましい。

また、前記チップが、前記流路への液体供給口から一色のみの液体を供給し、前記第１の列の前記液滴の吐出口および前記第２の列の前記液滴の吐出口から一色のみの液滴を吐出するように構成され、かつ、二色以上に対応するよう二個以上備えられている液体吐出ヘッドであってもよい。

また、前記チップには、前記流路への液体供給口が二色以上の液体を供給するよう二個以上備えられ、かつ前記第１の列の前記液滴の吐出口および前記第２の列の前記液滴の吐出口の組が二組以上それぞれが異なる色の液滴を吐出するよう備えられ、さらに前記チップは単一または複数個備えられている液体吐出ヘッドであってもよい。

上記のような液体吐出ヘッドは、前記第１の列の前記液滴の吐出口および前記第２の列の前記液滴の吐出口の大きさが異なっているものである。

本発明によれば、一つのチップに液滴量の異なる２つの吐出口列を一色ごと、または複数色分設けることにより、チップごとに一つの吐出口列を設ける従来例に比べて、液量の異なる２つの吐出口列の間のアライメントが不要となる。その結果液体吐出ヘッドのコストアップを避けることができる。さらに、液量の異なる２つの吐出口列を一つのチップ内に設けているため、液体吐出ヘッドの大型化を招かない。

また、同一色でそれぞれが異なる量の液滴を吐出する２つの吐出口を有することで、液滴の吐出量を変調しながら記録できるので、高速印刷記録と同時に、写真画質調の高品位な印刷記録も得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施の形態によるインクジェット記録ヘッドにおける吐出口の開口面を上から見た模式図であり、図２は図１のＡ−Ａ’断面の一部分を示す。図３は図１のＡ−Ａ’断面の模式的斜視図である。また、図２は図３のB−B’断面を示している。

本実施形態のインクジェット記録ヘッドは図１に示すようにチップタンク１１を備え、チップタンク１１上にチップ１２が配置されている。チップ１２は一個のチップからなり、チップ上にブラック、シアン、マゼンダ、イエローの色ごとに2列づつインク吐出口群が配置されている。各列のインク吐出群は、インク吐出口５，６をそれぞれ複数個直線上に並べた構成である。

また、チップ１２に形成されているインク吐出口５、６のうち、インク吐出口５が小液滴を吐出し、インク吐出口６が大液滴を吐出する開口部（ノズル部）である。

チップタンク１１は、各色のインク吐出口５，６に、それぞれのインク吐出口が吐出するインクを各色のインクタンク（不図示）から導入するためのインク導入部品である。

また、図１に示す形態の液体吐出ヘッドでは、一つのチップ１２に、インク供給口７が４色の液体を供給するよう４個備えられ、かつ第１の列のインク吐出口５および第２の列のインク吐出口６の組が４色の液滴を吐出するよう４組備えられている。

チップ１２は、図２及び図３に示すように、流路８を形成する樹脂層４を基板２上に設け、樹脂層４に流路８と繋がるインク吐出口５，６を形成した構造である。インク吐出口５，６と流路８を連絡する連絡路がノズルとなっている。

流路８と接する基板３の表面に発熱抵抗体１、２が配置されている。流路８は基板３に形成されたインク供給口７によりインク供給可能となっている。

樹脂層４の、インク吐出口５，６が開口する開口面と、基板３の発熱抵抗体１，２が配置された面とが平行であり、インク吐出口５，６が開口する開口面全体において、上記のインク吐出口の開口面と発熱抵抗体の配置面との間の距離が同じである。

また、図２に示すように発熱抵抗体１は、インク吐出口５の中心を通って基板３の主面と直交する線上において配置されている。このため、基板３の主面の発熱抵抗体の中心から、インク吐出口の開口面におけるインク吐出口の中心まで流路中心を通って結んだ距離（OH距離）が距離Xであり、この距離Xが基板３の主面からインク吐出口５の開口面までの距離と等しい。一方、発熱抵抗体２は、インク吐出口６の中心とは離れ基板３の主面と直交する線上において配置されている。このため、OH距離が距離Xに比べて長い距離Yである。

このような構成により、インク吐出口５に対応するノズルが相対的に小さな吐出量（例えば、１〜３ピコリットル）のインク液滴を吐出し、インク吐出口６に対応するノズルが相対的に大きな吐出量（例えば、５〜１０ピコリットル）のインク滴を吐出することができる。

また、図４は本発明の別の実施形態によるインクジェット記録ヘッドにおける吐出口の開口面を上から見た模式図である。

図４に示す形態のインクジェット記録ヘッドでは、チップタンク１１上に２個のチップ１３，１４が配置されている。チップ１３はブラック用であり、チップ１３上にはブラックインクを吐出するインク吐出口群が２列で配置されている。また、チップ１４はカラー用であり、チップ１４上には、シアン、マゼンダ、イエローの色ごとに2列づつインク吐出口群が配置されている。

ブラック用のチップ１３では、吐出量が異なる２種のインク吐出口群が同一チップ内に配置されている。一方、カラー用チップ１４では、C、M、Yの各色ごとに、吐出量が異なる２種のインク吐出口群を同一チップ内に配置することで、カラーノズル間の色間アライメントを不要としている。また、ブラック用のチップ１３のインク吐出口は、カラー用チップ１４のインク吐出口に比べて大きく形成されている。

このように図４に示す形態の液体吐出ヘッドでは、一つのブラック用のチップ１２に、インク供給口７がブラックインクを供給するよう１個備えられ、かつ第１の列のインク吐出口５および第２の列のインク吐出口６の組がブラックのインク滴を吐出するよう１組備えられ、さらに、一つのカラー用チップ１４に、インク供給口７が３色（C、M、Y）のインクを供給するよう３個備えられ、かつ第１の列のインク吐出口５および第２の列のインク吐出口６の組が３色（C、M、Y）のインク滴を吐出するよう３組備えられている。

図４の形態では、高速記録を目的として、ブラックノズルのみカラーノズルとは別構成チップとしている。

また、図５は、本発明のさらに別の実施形態のインクジェット記録ヘッドにおける吐出口の開口面を上から見た模式図である。

図５に示す形態のインクジェット記録ヘッドでは、チップタンク１１上に、ブラック（Ｂｋ）ノズル用チップ１５と、シアン（Ｃ）ノズル用チップ１６、マゼンダ（Ｍ）ノズル用チップ１７、イエロー（Ｙ）ノズル用チップ１８の合計４チップが配置されている。この場合、各色毎にチップを用意したので、各色のチップにおいて複数列のインク吐出口群を形成する場合に各色のインク吐出口群のアライメントの必要がなくなる。

新規なインクジェット記録ヘッドの生産の開始当初は比較的歩留まりが低くなることがあり、１チップあたりのインク吐出口の数が多い分だけ、かえって生産歩留まりが不利な場合がある。このような場合には、図５に示したように各色毎にチップを別々に配置することで、生産歩留まりの低下が抑えられる場合もある。

図５に示すように本発明は、図１及び図４に示した例に代え、４色（Bｋ、C、M、Y）に対応するために４個のチップ１５〜１８の各々が、一つのインク供給口７から一色のみの液体を供給し、第１の列のインク吐出口５および第２の列のインク吐出口６から一色のみのインク滴を吐出するように構成された液体吐出ヘッドであってもよい。

次に、本実施形態のインクジェット記録ヘッドの製造方法について説明する。図６の（ａ）〜（ｄ）は本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法の一例を説明するための工程図であり、図６（ｅ）は図２と同じ断面図である。ここでは、説明の便宜上、ある一つの色を吐出させる部位の製法を述べる。

まず、図６（ａ）に示すように、インク吐出のための熱エネルギーを発生させる発熱抵抗体１，２を備えた基板３に溶解可能な樹脂層９を、フォトリソグラフィおよびエッチング等を用いた公知の方法で、断面が長方形のインク流路パターンに形成する。このとき、図６（ａ）に示すように、インク流路パターンは発熱抵抗体１および２の中心線に対して非対称に配置される。

次に、前記溶解可能な樹脂層９からなるインク流路パターン上に図６（ｂ）に示すように樹脂層４を、該インク流路パターンを被覆すよう形成する。ここに、樹脂層４に用いる樹脂は感光性を有するとともに、前記溶解可能な樹脂層９とは相溶しない性質を有するものである。

次に、紫外線あるいはＤｅｅｐ−ＵＶなどにより、樹脂層９の、発熱抵抗体１の垂直上方の対応する部分にインク吐出口５となるパターンを形成し、さらに樹脂層９の、発熱抵抗体２を基準にして発熱抵抗体１とは反対側に離れた部分に、インク吐出口６となるパターンを形成する。

続いて図６（ｄ）に示すように、流路にインクを供給するための開口部であるインク供給口７を、基板３の発熱抵抗体１および２の間に形成する。インク供給口７の形成は、基板３に穴を開ける手法であればいずれの方法でも良く、ドリルによる穴開け、サンドブラスト法などが用いられるが、好ましくは、Ｓｉ基板へのアルカリ溶液による異方性エッチングによると、精度良く形成可能である。

さらに、図６（ｅ）に示すように前記溶解可能な樹脂層９を溶出除去することにより、インク供給口７からインク吐出口５と６を連絡する流路８が完成する。

最後に、上述の工程により完成したチップ（図１の符号１２）について発熱抵抗体１および２を駆動するための電気的接合を行う（不図示）。さらに、前記チップをチップタンク（図１の符号１１）に所定の配置で接合するとともに前記チップの各色のインク供給口にインクタンク（不図示）より所定色のインクを導入することで、インクジェット記録ヘッドが完成する。

このようにして作製したインクジェット記録ヘッドにおいて、同一チップ内に形成されたインク吐出口は、フォトリソグラフィーのアライメント精度にて形成されているため、相対位置精度は優れたものとなっている。

また、完成したインクジェット記録ヘッドのチップは図２に示したように、前記ＯＨ距離としての、発熱抵抗体１からインク吐出口５までの距離Ｘおよび発熱抵抗体２からインク吐出口６までの距離Ｙは異なるものとなる。このため、同一チップ内に異なる大きさのインク液滴を吐出可能なノズル（吐出口）を有する記録ヘッドを得ることができ、この記録ヘッドにより、高速且つ超高精細記録が可能となる。

このような形態は、例えば特許文献１、２、３に記載のインクジェット記録ヘッド（例えば特許文献１、２、３参照）に特に最適である。各特許文献には、発熱抵抗体（電気熱変換素子）に、記録情報に対応した駆動信号を印加し、電気熱変換素子にインクの核沸騰を越える急激な温度上昇を与える熱エネルギーを発生させ、インク内に気泡を形成させ、この気泡を外気と連通させてインク液滴を吐出させる方法が記載され、この方法を用いた記録ヘッドにさらに上述した構成を適用すれば、数種類の吐出量のインク液滴を吐出可能であり、その上、インク液滴の体積や速度を安定化し、高品位な画像を得ることができる。

また、上述した記録ヘッドの構成および製法は、紙やフィルムなどの記録媒体の、その搬送方向に対して交差する方向に関する全幅に渡り、同時に記録ができるフルラインタイプの記録ヘッドにも有効である。

さらに、実施例をあげて本発明をより詳細に説明する。

本実施例においては図６の（ａ）〜（ｅ）に示す手順に従って、インクジェット記録ヘッドを作製した。

まず、基板３の材料にＳｉを用い、発熱抵抗体１，２には窒化タンタルを、樹脂層４にはポリメチルイソプロペニルケトン（東京応化工業（株）製、ＯＤＵＲ−１０１０Ａ）を用い、Ｄｅｅｐ−ＵＶ露光を用いて、樹脂層９からなるインク流路パターンを形成した。この時、インク流路パターンの高さは１３μｍである。

次に、樹脂層９からなるインク流路パターンの上に、表１の組成からなる樹脂層４をスピンコート法により被覆した。

次に、紫外線を用いた露光方法により、樹脂層４の、発熱抵抗体１の垂直上方の対応する部分にインク吐出口５となる円形のパターンを形成し、さらに樹脂層４の、発熱抵抗体２を基準にして発熱抵抗体１とは反対側に離れた部分に、インク吐出口６となる円形のパターンを形成する。

露光にはキヤノン（株）製露光装置ＭＰＡ−６００Ｓｕｐｅｒを用いた。またＰＥＢ（Ｐｏｓｔ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｂａｋｅ）、現像にはキヤノン（株）製ＣＤＳ−６３０を用い、現像液にはメチルイソブチルケトンとキシレンの混合液を用いた。この時のＯＨ距離は、図２のインク吐出口５側の距離Ｘが２５μｍ、インク吐出口６側の距離Ｙが７０μｍである。

次に、流路８にインクを供給するための開口部であるインク供給口７をＳｉの基板３に、ＴＭＡＨによる異方性エッチングにより形成する。

次に、上記基板にＤｅｅｐ−ＵＶ光を全面照射後、乳酸メチルに浸漬し、超音波洗浄槽中で約２時間処理して樹脂層９を除去し、その後純水で約１０分間洗浄し乾燥することで、流路８が形成される。

このようにして得られたチップ内には、異なる２種類のＯＨ距離を持つノズルが形成され、異なる２種類の吐出量からなるインク液滴を、選択的に吐出し、記録媒体に対して印刷を行うことが可能となり、高速印刷であり且つ、粒状感のない超写真画質調の印刷が可能となる。

本発明の実施形態によるインクジェット記録ヘッドにおいてインク吐出口面を上から見た模式図である。 図１に示したＡ−Ａ’線断面図である。 図１のＡ−Ａ’線断面で切断した記録ヘッドの一部を示す模式的斜視図である。 本発明の別の実施形態によるインクジェット記録ヘッドについてインク吐出口面を上から見た模式図である。 本発明の別の実施形態によるインクジェット記録ヘッドについてインク吐出口面を上から見た模式図である。 本発明のインクジェット記録ヘッドの基本的な製造方法を説明するための工程図である。 従来のインクジェット記録ヘッドについてインク吐出口面を上から見た模式図である。

符号の説明

１，２ 発熱抵抗体
３ 基板
４ 樹脂層
５，６ インク吐出口
７ インク供給口
８ 流路
９ 樹脂層
１１ チップタンク
１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８ チップ

Claims (8)

1. 液滴を吐出させるエネルギーを発生させるエネルギー発生手段が形成された基板面に対して略垂直に液滴を吐出する液体吐出ヘッドにおいて、
   前記液滴の吐出口を複数個並べた吐出口群が２列存在しており、第１の列の前記液滴の吐出口の中心から、流路を介して、該吐出口に対応する前記エネルギー発生手段の中心までの距離と、第２の列の前記液滴の吐出口の中心から、流路を介して、該吐出口に対応する前記エネルギー発生手段の中心までの距離とが異なっているチップを備えたことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記エネルギー発生手段が複数形成された基板面と、前記液滴の吐出口が前記エネルギー発生手段の各々に対応して複数形成されている吐出口面とが平行である、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 第１の列の前記液滴の吐出口に対応する前記エネルギー発生手段が、前記基板面に対し前記第２の列の前記液滴の吐出口の中心を通って直交する線上に位置し、
   第２の列の前記液滴の吐出口に対応する前記エネルギー発生手段が、前記基板面に対し前記第２の列の前記液滴の吐出口の中心を通って直交する線とは離れた位置にある、請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記第２の列の前記液滴の吐出口が前記第１の列の前記液滴の吐出口よりも、前記流路への液体供給口から見て遠い位置に形成されている、請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記第１の列の前記液滴の吐出口と前記第２の列の前記液滴の吐出口は、前記流路への液体供給口を一つで兼用しており、該液体供給口からは一色の液体が供給される、請求項１から４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記チップが、前記流路への液体供給口から一色のみの液体を供給し、前記第１の列の前記液滴の吐出口および前記第２の列の前記液滴の吐出口から一色のみの液滴を吐出するように構成され、かつ、二色以上に対応するよう二個以上備えられている、請求項１から５に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記チップには、前記流路への液体供給口が二色以上の液体を供給するよう二個以上備えられ、かつ前記第１の列の前記液滴の吐出口および前記第２の列の前記液滴の吐出口の組が二組以上それぞれが異なる色の液滴を吐出するよう備えられ、さらに前記チップは単一または複数個備えられている、請求項１から５に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記第１の列の前記液滴の吐出口および前記第２の列の前記液滴の吐出口の大きさが異なっている、請求項１から７のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。

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