專利名稱：液體排出頭及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種液體排出頭以及液體排出頭的制造方法。
背景技術：
以噴墨記錄設備為代表的液體排出設備使用形成于液體排出頭的能量產生元件所產生的熱能引起墨的膜沸騰。然后，液體排出設備利用由墨的膜沸騰所產生的氣泡壓力將墨排出到記錄介質以進行記錄操作。液體排出頭包括液體排出頭用基板和排出口構件， 液體排出頭用基板包含在其表面上成列配置的能量產生元件，排出口構件與液體排出頭用基板接合并且包含排出口。液體排出頭需要具有蓄熱性能以將能量產生元件所產生的熱有效地傳遞到墨。日本特開2005-280179號公報論述了一種液體排出頭，在該液體排出頭中， 由氧化硅構成的蓄熱層設置于液體排出頭用基板上的能量產生元件和由硅構成的板之間以確保蓄熱性能。另一方面，為了避免液體排出頭的溫度的過度升高，除了上述蓄熱操作所必需的熱以外的多余的熱必須從液體排出頭適當地釋放出。日本特開2002-11882號公報論述了一種液體排出頭，其能夠通過使設置于能量產生元件上的抗氣蝕(cavitation-resistant) 金屬層延長以傳遞由能量產生元件所產生的部分熱而釋放上述的多余的熱。如上所述，液體排出頭被設置為在保持蓄熱性能的同時釋放多余的熱從而實現有效的記錄操作。當使用包含能量產生元件列(下文中稱為元件列)的液體排出頭用基板來連續地執行記錄操作時，基板的溫度由于能量產生元件所產生的熱而升高。在該情況下，熱在較靠近元件列的端部處比在元件列的中央部處能容易地釋放到元件列的外側的非發熱區域。因此，在液體排出頭用基板的元件列的端部附近和中央部附近之間產生溫差。根據日本特開 2002-11882號公報所論述的方法，形成與各能量產生元件同等地對應的散熱用金屬層，從而不能消除溫差。在頭用基板中產生溫差的情況下，在元件列的中央部和端部之間還產生待排出液體的粘度差。結果，從排出口噴出的液滴的量產生偏差(dispersion)，因此，擔心可能會使記錄圖像的品質劣化。
發明內容
根據本發明的方面，提供一種液體排出頭，其包括液體排出頭用基板，其包括配置有多個能量產生元件的元件列，所述能量產生元件用于產生排出液體用的熱能；排出口構件，其與所述多個能量產生元件中的每一個能量產生元件對應，所述排出口構件包括多個壁和多個排出口，所述多個壁與所述液體排出頭用基板接觸以形成儲存液體用的多個液室，所述多個排出口與所述多個液室中的相應液室連通以利用所述能量產生元件所產生的熱能排出液體；以及多個散熱構件，所述多個散熱構件與所述多個液室中的相應液室對應并且所述散熱構件具有暴露到所述液室的第一部分和暴露到大氣的第二部分。根據本發明的方面，提供一種液體排出頭的制造方法，所述液體排出頭包括液體排出頭用基板，其包括配置有多個能量產生元件的元件列，所述能量產生元件用于產生排出液體用的熱能；排出口構件，其與所述多個能量產生元件中的每一個能量產生元件對應， 所述排出口構件包括多個壁和多個排出口，所述多個壁與所述液體排出頭用基板接觸以形成儲存液體用的多個液室，所述多個排出口與所述多個液室中的相應液室連通以利用所述能量產生元件所產生的熱能排出液體；以及多個散熱構件，所述多個散熱構件與所述多個液室中的相應液室對應并且所述散熱構件具有暴露到所述液室的第一部分和暴露到大氣的第二部分，所述液體排出頭的制造方法包括制備所述液體排出頭用基板的步驟；通過鍍敷方法在所述液體排出頭用基板上形成所述多個散熱構件的步驟；在所述液體排出頭用基板上設置用作所述排出口構件以覆蓋所述多個散熱構件的排出口構件材料的步驟；以及移除所述排出口構件材料的一部分以形成所述排出口構件的步驟。根據本發明，能夠通過使液體排出頭設置有上述能量產生元件來抑制液滴的排出量的偏差。結果，本發明能夠提供一種能獲得高品質記錄圖像的可靠性高的液體排出頭。從下面參照附圖對示例性實施方式的詳細說明，本發明的其它特征和方面將變得明顯。
包含于說明書中并構成說明書的一部分的附圖闡釋本發明的示例性實施方式、特征和方面，并且與說明書一起用于解釋本發明的原理。圖IA是本發明的液體排出設備的立體圖，圖IB是本發明的頭單元的立體圖。圖2A是本發明的液體排出頭的俯視示意圖，圖2B是本發明的液體排出頭的立體圖，圖2C是本發明的液體排出頭的剖視示意圖。圖3A、圖;3B和圖3C是本發明的液體排出頭的俯視示意圖。圖4A是本發明的液體排出頭的立體圖，圖4B是本發明的液體排出頭的俯視示意圖。圖5A、圖5B、圖5C和圖5D是示出本發明的液體排出頭的制造方法的示意性剖視圖。
具體實施例方式下面將參照附圖詳細說明本發明的各種示例性實施方式、特征和方面。液體排出頭可以被安裝于打印機、復印機、容納通信系統的傳真機、具有打印機單元的文字處理器和以復合方式組合有各種處理單元的工業記錄設備。使用上述液體排出頭使得能夠在諸如紙、絲、纖維、布帛、皮革、金屬、塑料、玻璃、木材和陶瓷等各種記錄介質上進行記錄。本說明書使用的術語“記錄”不僅意味著附著諸如文字和圖形等具有含義的圖像， 還意味著附著諸如圖案等沒有含義的圖像。另一術語“液體”應被廣義地解釋，其指的是被排出到記錄介質并且用于圖像、裝飾和圖案的形成、用于記錄介質的加工和用于墨或記錄介質的處理的液體。這里所說的墨或記錄介質的處理指的是用于利用包含在墨中的色材的凝固或不溶解來提高被排出到記錄介質的墨的定著性、用于提高記錄品質或著色性或用于提高圖像耐久性的處理。
這里將說明液體排出設備。圖IA是能安裝本發明的液體排出頭的液體排出設備的示意圖。如圖IA所示，絲杠5004通過與驅動馬達5013的正/反轉動連動的驅動力傳遞齒輪5011、5009而轉動。滑架HC能夠載置有頭單元并且滑架HC具有與絲杠5004的螺旋槽 5005接合的銷(未示出)，所以當絲杠5004轉動時，滑架HC沿箭頭a的方向和箭頭b的方向往復移動。該滑架HC載置有頭單元40。接著，將說明頭單元。圖IB是示出能夠安裝于圖IA所示的液體排出設備的頭單元40的示例的立體圖。液體排出頭41 (下文中依據上下文稱為頭)與接觸墊44導通，接觸墊44經由柔性電路板43連接到液體排出設備。頭41接合到墨盒42，使得頭41和墨盒 42形成為一體以構成頭單元40。雖然這里所示例的頭單元40是墨盒42和頭41形成為一體的類型，但是墨盒可以是單獨的以形成可拆裝的類型。接著，將說明液體排出頭。圖2A是本發明的液體排出頭41的俯視圖。圖2B是示出圖2A中的區域X的放大立體圖。圖2C是沿著圖2A中的線A-A’截取的液體排出頭41 的示意性剖視圖。液體排出頭41包括液體排出頭用基板21和排出口構件6。液體排出頭用基板21 的一側具有能量產生元件8，所述能量產生元件用于產生排出液體用的熱能。排出口構件6 設置為與液體排出頭用基板21接觸。液體排出頭用基板21設置有供給口 2，所述供給口 2 貫通液體排出頭用基板21的配置有能量產生元件8的正面和與正面相反的背面以供給液體。包括多個能量產生元件8的元件列以多個能量產生元件8沿著供給口 2排列(rim)的方式被配置于供給口 2的兩側。另外，多個端子3被設置于液體排出頭用基板21的端部以從液體排出設備的外部供給驅動能量產生元件8用的電信號和電力。能量產生元件8由發熱電阻層15和一對電極16構成，發熱電阻層15用于通過通電而發熱，電極16為發熱電阻層供給電力并且主要由諸如鋁等導電材料構成。能量產生元件8經由熱氧化層12和蓄熱層13被設置于由硅制成的板1上，其中熱氧化層12由硅構成。能量產生元件8被由氮化硅(SiN)制成的保護層17覆蓋以保護能量產生元件8 不受墨的影響。可允許的是，在覆蓋能量產生元件8的保護層17上設置由鉭等制成的抗氣蝕層，該抗氣蝕層用于緩和氣消泡消失時發生的氣蝕所引起的沖擊。排出口構件6在與各能量產生元件8相對的位置具有用于利用能量產生元件8所產生的能量來排出液體的排出口 7。排出口構件6還包括壁6a和壁6b，壁6a用作使排出口 7和供給口 2連通的流路11，壁6b用作用于儲存臨時排出的液體的液室5。排出口構件 6和液體排出頭用基板21保持彼此接觸以形成流路11和液室5。液體從供給口 2供給并經由流路11被運送到液室5中然后在一對電極16之間通電。結果，能量產生元件8發熱以引起液體的膜沸騰。通過如此所產生的氣泡壓力，液滴從排出口 7被排出到記錄介質以實現記錄操作。液體排出頭用基板21包括與相應的液室5對應的多個散熱構件4。散熱構件4的一部分被排出口構件6覆蓋從而形成不暴露到大氣的第一部分4a。散熱構件4的第一部分 4a具有暴露到液室5的面如。當流路11和液室5填充有液體時，面如接觸該液體。散熱構件4還包括第二部分4b，在第二部分4b的上方不存在排出口構件6并且第二部分4b暴
6露到大氣。暴露到液室5的面如和暴露到大氣的第二部分4b使從液室5中的墨吸收的熱能夠被釋放到大氣中。暴露到大氣的第二部分4b的表面積越大，越容易釋放熱。接著，將說明基板中的溫度分布。當具有包括成列配置的多個能量產生元件8的元件列的液體排出頭41通過高速打印操作連續地進行記錄操作時，因為元件列的中央部周圍的非發熱區域的面積小于元件列的端部的非發熱區域的面積，所以元件列的中央部及其鄰近部分不能比元件列的端部有效地釋放熱。更具體地，雖然在元件列的端部附近所產生的熱能夠逃逸到板1的端部，但是因為存在供給口 2，所以中央部及其鄰近部分不能經由板1實現熱的釋放。因此，在液體排出頭41中產生溫差。當設置大量元件而使元件列長時，該溫差變得顯著。另外，當多個供給口 2設置于液體排出頭41時，該現象在中央部附近變得更加顯著。當液體排出頭41內產生溫差時，即使能量產生元件8所產生的能量的量或排出口 7的直徑相等，排出的液滴的量也不能均等。 這可能會導致被記錄物的不均勻性的發生。這被認為是由于溫度變化所引起的墨的粘度的變化而引起的。在元件列的中央部附近，墨的溫度隨著基板的溫度升高而升高從而降低墨的粘度，使得氣泡的大小增大。另一方面，在元件列的端部，基板溫度不那么容易升高，墨的粘度不降低，由此，空氣氣泡的大小變得較小。因此，認為從元件列的熱容易逃逸的端部排出的液滴的量小于從元件列的熱較不易逃逸的中央部附近排出的液滴的量。當元件列的長度超過大約IOmm時，該現象開始出現；當元件列的長度超過大約 15mm時，該現象被認為是顯著的。當使用傳統的包括640個在沒有任何散熱構件4的情況下配置的能量產生元件8的液體排出頭41執行50%占空(duty)記錄操作時，在位于元件列的端部處的能量產生元件8和位于中央部處的能量產生元件8之間產生大約10°C的溫差。在該情況下，50%占空記錄操作指的是當成列配置的噴嘴的數量是640時，從作為640 個噴嘴的1/2的320個噴嘴排出墨的操作。圖3A、圖;3B和圖3C通過放大示出圖2A所示的液體排出頭41的區域X。設置散熱構件4以將墨的熱釋放到大氣從而減小元件列的端部和中央部之間的溫差。位于元件列的中央部的散熱構件4的暴露到大氣的第二部分4b被設計成其表面積比位于元件列的端部附近的散熱構件4的暴露到大氣的第二部分4b的表面積大。逃逸到大氣的熱與元件的表面積成比例，因此中央部附近的熱被設計成較容易逃逸到大氣。如圖3A所示，與位于元件列的端部附近的能量產生元件對應的第二部分4b的表面積可以被設定為較小。如圖3B所示，表面積可以從端部朝向中央部逐漸增大。如圖3C 所示，可以以各種形狀形成第二部分4b。散熱構件4的暴露到液室5并與液體接觸的面如的表面積被設定為在所有液室中基本上均等。這保持液室5中的液體流阻均等。如上所述，通過適當地調整散熱構件4的暴露到大氣的第二部分4b的表面積，能夠減小基板內的溫差。結果，能夠減小記錄圖像時可能會發生的打印品質的不均勻性，由此實現可靠性高的液體排出頭41。優選地，散熱構件4由熱傳導系數比板1用的硅的熱傳導系數(148W/(m*k))高的材料制成，即，由熱傳導系數比液體排出頭41用的其它材料的熱傳導系數高的材料制成。 另外，要求散熱構件即使與液體接觸也不產生諸如腐蝕等任何化學反應。更具體地，材料可以主要由金、銅和銀中的任何一種構成。對于金來說熱傳導系數是320W/(m · k)，對銅來說熱傳導系數是398W/(m · k)，對銀來說熱傳導系數是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。圖4A是形成有三個供給口 2的液體排出頭41的部分截斷立體圖。圖4B是圖4A 中的區域Y的放大俯視圖。當設置多個供給口 2時，散熱金屬的暴露到大氣的第二部分4b 可以通過移除排出口構件6的部分區域6b而形成。在該情況下，也通過確保元件列的、基板溫度容易升高的中央部附近的第二部分4b的表面積較大，能夠從中央部有效地釋放熱。 在設置有多個供給口 2的液體排出頭中，沿著位于中央部的供給口 2形成的元件列不如沿著位于端部的供給口 2設置的元件列有效地釋放熱。因此，與沿著位于中央部的供給口 2 所形成的能量產生元件對應的第二部分4b的表面積被設定為比與沿著位于端部的供給口 2所形成的能量產生元件對應的第二部分4b的表面積大。結果，能夠減小元件列中的溫差。接著，將說明液體排出頭41的制造方法。圖5A至圖5D是示出當沿著圖2A中的線A-A’垂直于基板21剖切時各步驟中的液體排出頭41的截面的示意性剖視圖。這里，將說明金用于散熱構件4的材料的情況。首先，制備由硅制成的板1。板1具有設置有熱氧化層12的正面和設置有熱氧化層22的背面，熱氧化層12用作諸如晶體管等驅動器件的分離層，熱氧化層22用作形成供給口 2時的掩模。大約200nm至500nm厚的犧牲層25設置于正面的一部分，在該部分中， 通過利用鉆出供給口 2所用的蝕刻液蝕刻并且施加導電材料而期望快速地鉆出供給口 2。 犧牲層25可以使用主要由鋁或多晶硅構成的材料(例如，Al-Si合金)通過濺射和干蝕刻而形成于與供給口 2對應的部分。蓄熱層13設置于具有犧牲層25的板1。根據CVD方法， 蓄熱層13由厚度為大約500nm至1 μ m的氧化硅(SiO2)形成。接著，使用通電時發熱的由TaSiN或WSiN構成的高電阻材料通過濺射形成層厚為大約IOnm至50nm的發熱電阻層15。另外，通過濺射形成厚度為大約IOOnm至1 μ m的主要由鋁形成的導電層。導電層用作對發熱電阻層15通電用的一對電極16。通過利用干蝕刻加工發熱電阻層15和導電層然后利用濕蝕刻移除部分導電層而形成一對電極16。與被移除部分對應的發熱電阻層15用作能量產生元件8。然后，借助于CVD方法，在基板的整個面上形成主要由氮化硅(SiN)形成的具有絕緣性、厚度為大約IOOnm至Ιμπι的保護層17。 結果，發熱電阻層15和一對電極16由保護層17覆蓋。在上述加工之后，實現圖5Α所示的狀態。接著，在保護層17上形成由諸如鈦、鎢等高熔點金屬形成的防擴散層20以防止散熱構件4的材料的擴散。另外，在通過鍍敷(plating)形成散熱構件4時用作晶種層(seed layer)的底涂金層(under coat gold layer)沈通過濺射設置于防擴散層20上(圖5B)。具有開口的抗蝕圖案23以比散熱構件4的厚度大的厚度設置于底涂金層沈上， 其中在所述開口中將形成散熱構件4。可以借助于光刻法通過涂布、曝光和顯影形成該抗蝕圖案23。在該情況下，以如圖3A至圖3C所示的散熱構件4的暴露到大氣的部分4b的形狀制作開口。具體地，位于元件列的中央部附近的開口比端部附近的開口大。接著，使用電解電鍍方法形成用作散熱構件4的金屬構件4C。更具體地，在包含亞硝酸金鹽的電解液中將電流供到底涂金層26。結果，僅抗蝕圖案23的開口設置有金屬構件 4C(圖5C)。在該情況下，位于元件列的端部的散熱構件4設置有比位于元件列的中央部附近的散熱構件4小的表面積。之后，移除抗蝕圖案，然后，以金屬構件4C作為掩膜蝕刻底涂金層26。雖然在該情況下，蝕刻了金屬構件4C的表面，但是，因為金屬構件4C的厚度遠大于底涂金層沈的厚度，所以金屬構件4C殘留在基板上。另外，以金屬構件4C作為掩膜蝕刻防擴散層20以移除防擴散層20(圖5D)。以上述方式，完成液體排出頭用基板21。在形成金屬構件4C時的同時，通過電解電鍍方法形成用于從液體排出設備的外部接收電信號的端子3。結果，可以在不增加制造過程的數量的情況下通過同時形成散熱構件4和端子3而設置兩者。通過旋涂法在液體排出頭用基板21的面上形成可溶解樹脂，并且通過光刻技術在待形成流路11和液室5的部分形成成型材料(未示出)。在該情況下，成型材料被設置為使得其保持與金屬構件4C的面對液室5的面如接觸。結果，面如以接觸液體的方式暴露到液室5。多個金屬構件4C的面如被設置成具有基本上相同的暴露到液室5的面積。作為排出口構件材料，通過旋涂法將陽離子聚合環氧樹脂施加于成型材料并且使用熱板烘焙和固化陽離子聚合環氧樹脂以形成用作排出口構件6的固化材料。通過光刻技術從與排出口 7以及散熱構件4的暴露到大氣的第二部分4b對應的部分部分地移除固化材料。結果，形成排出口構件6。在該情況下，與位于元件列的中央部附近的能量產生元件 8對應的第二部分4b形成有比與位于元件列的端部的能量產生元件8對應的第二部分4b 大的表面積。利用環化橡膠層保護排出口構件6，熱氧化層22被制成為開口并且用作形成供給口 2用的掩模。之后，使用四甲基氫氧化銨溶液(TMAH溶液)或氫氧化鉀水溶液(Κ0Η溶液)濕蝕刻板1的背面以形成用作供給口 2的貫通孔。然后，移除犧牲層25。通過使用表面的晶體取向為(100)面的單晶硅基板作為板1，使用堿溶液(例如，TMAH溶液或KOH溶液)通過晶體各向異性蝕刻而制作供給口 2。在上述板1中，(111)面的蝕刻速率遠低于其它結晶面的蝕刻速率，使得形成相對于硅基板平面成大約7°角的供給口 2。之后，移除環化橡膠層和成型材料從而完成具有散熱構件4的液體排出頭41，其中散熱構件4具有暴露到液室5 的面如(圖2C)。而且，雖然上面說明了通過濕蝕刻方法來形成供給口的方法，但是可以為相同的目的應用干蝕刻方法。雖然已經參照示例性實施方式說明了本發明，但是可以理解的是本發明不限于所公開的示例性實施方式。所附權利要求書的范圍應符合最寬泛的解釋，從而涵蓋所有的變型、等同結構和功能。
權利要求
1.一種液體排出頭，其包括液體排出頭用基板，其包括配置有多個能量產生元件的元件列，所述能量產生元件用于產生排出液體用的熱能；排出口構件，其與所述多個能量產生元件中的每一個能量產生元件對應，所述排出口構件包括多個壁和多個排出口，所述多個壁與所述液體排出頭用基板接觸以形成儲存液體用的多個液室，所述多個排出口與所述多個液室中的相應液室連通以利用所述能量產生元件所產生的熱能排出液體；以及多個散熱構件，所述多個散熱構件與所述多個液室中的相應液室對應并且所述散熱構件具有暴露到所述液室的第一部分和暴露到大氣的第二部分。
2.根據權利要求1所述的液體排出頭，其特征在于，在所述多個散熱構件中，第一散熱構件的所述第二部分的表面積比第二散熱構件的所述第二部分的表面積大，其中，所述第一散熱構件與所述元件列的中央部對應，所述第二散熱構件與所述元件列的比所述第一散熱構件靠近端部的部分對應。
3.根據權利要求1所述的液體排出頭，其特征在于，構成所述散熱構件的材料的熱傳導性比構成所述排出口構件的材料的熱傳導性和構成所述液體排出頭用基板的材料的熱傳導性中的任一方高。
4.根據權利要求1所述的液體排出頭，其特征在于， 所述散熱構件主要由金、銅和銀中的任一種構成。
5.根據權利要求1所述的液體排出頭，其特征在于，所述散熱構件的所述第二部分的表面積從所述元件列的端部朝向所述元件列的中央部逐漸增大。
6.根據權利要求1所述的液體排出頭，其特征在于，所述液體排出頭用基板包括與所述液體排出頭用基板的外部電連接以驅動所述能量產生元件的端子，所述液體排出頭用基板由與所述散熱構件相同的材料形成。
7.根據權利要求1所述的液體排出頭，其特征在于， 多個所述第一部分的表面積相等。
8.一種液體排出頭的制造方法，所述液體排出頭包括液體排出頭用基板，其包括配置有多個能量產生元件的元件列，所述能量產生元件用于產生排出液體用的熱能；排出口構件，其與所述多個能量產生元件中的每一個能量產生元件對應，所述排出口構件包括多個壁和多個排出口，所述多個壁與所述液體排出頭用基板接觸以形成儲存液體用的多個液室，所述多個排出口與所述多個液室中的相應液室連通以利用所述能量產生元件所產生的熱能排出液體；以及多個散熱構件，所述多個散熱構件與所述多個液室中的相應液室對應并且所述散熱構件具有暴露到所述液室的第一部分和暴露到大氣的第二部分，所述液體排出頭的制造方法包括 制備所述液體排出頭用基板的步驟；通過鍍敷方法在所述液體排出頭用基板上形成所述多個散熱構件的步驟； 在所述液體排出頭用基板上設置用作所述排出口構件以覆蓋所述多個散熱構件的排出口構件材料的步驟；以及移除所述排出口構件材料的一部分以形成所述排出口構件的步驟。
9.根據權利要求8所述的液體排出頭的制造方法，其特征在于，所述制造方法還包括 在形成所述散熱構件的同時，通過鍍敷形成用于驅動所述能量產生元件的端子的步馬聚ο
全文摘要
液體排出頭及其制造方法。液體排出頭包括液體排出頭用基板，其包括配置有多個能量產生元件的元件列，能量產生元件用于產生排出液體用的熱能；排出口構件，其與多個能量產生元件中的每一個能量產生元件對應，排出口構件包括多個壁和多個排出口，多個壁與液體排出頭用基板接觸以形成儲存液體用的多個液室，多個排出口與多個液室中的相應液室連通以利用能量產生元件所產生的熱能排出液體；以及多個散熱構件，多個散熱構件與多個液室中的相應液室對應并且散熱構件具有暴露到液室的第一部分和暴露到大氣的第二部分。
文檔編號B41J2/16GK102431302SQ2011103030
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月29日 優先權日2010年9月29日
發明者伊部智, 小宮山裕登, 笹木弘司, 長谷川宏治, 黑須敏明 申請人:佳能株式會社