液体喷出头的制作方法

本申请是申请日是2018年6月28日、申请号为2018106902801、发明名称为“液体喷出模块”的申请的分案申请。

本发明涉及液体喷出头。

背景技术：

在诸如喷墨打印头的液体喷出模块中，在一段时间不进行喷出操作的喷出口处存在挥发成分蒸发的情况，从而导致墨(液体)变质的问题。这是因为由于挥发成分的蒸发使诸如着色材料的成分的浓度增大，并且在着色材料为颜料的情况下，颜料发生凝固和沉淀从而影响喷出状态。更具体地，可能存在如下情况：已确认喷出量和喷出方向分散以及图像上的密度不均匀和条纹的部位。

为了抑制墨的变质，近来提出了通过使墨在液体喷出模块内循环以向喷出口不断供给新鲜墨的方法。国际公开第wo2012/054017号公开了通过设置于包括喷嘴的模具和向模具供给墨的模具载体之间的墨旁路间隙来使墨循环的构造。国际公开第wo2011/146149号公开了配置有用于产生喷出能量的元件、泵功能以及用于连接该元件和在相同模面上循环的功能的各个流路，以促进连接至各个喷嘴的流路内的墨的循环的构造。国际公开第wo2013/032471号公开了将用于喷出的致动器设置于与能量产生元件相邻的位置处以促进墨在非常靠近喷出口的位置处的循环。

技术实现要素：

根据本发明的一方面，提供一种如下的液体喷出头，其包括：元件排列面，多个喷出元件在该元件排列面上排列，各喷出元件包括：收容液体的压力室；能量产生元件，其用于向所述压力室中的液体施加能量；以及喷出口，其用于喷出由所述能量产生元件施加能量的液体；循环流路，其包括向所述压力室供给液体的供给流路和回收来自所述压力室的液体的回收流路；以及液体输送机构，其设置于所述循环流路以使所述压力室中的液体循环，其中，在将从所述喷出口喷出液体的方向假设为从下方侧向上方侧的方向的情况下，所述液体输送机构布置于所述元件排列面的下方。

通过以下参照附图对示例性实施方式的说明，本发明的其它特征将变得明显。

附图说明

图1是喷墨打印头的立体图；

图2a和图2b是根据第一实施方式的一个区块中的流路的构造图；

图3是交流电渗型(aceo)泵的平面图；

图4a至图4c是示出使用一个致动器的液体输送机构的图；

图5a至图5c是示出使用多个致动器的液体输送机构的图；

图6a至图6d是示出致动器的示例的图；

图7a和图7b是示出第一实施方式的变型例的图；

图8a和图8b是根据第二实施方式的一个区块中的流路的构造图；以及

图9a和图9b是示出第二实施方式的变型例的图。

具体实施方式

然而，在国际公开第wo2012/054017号的构造中，墨实际循环通过的路径与喷出口间隔开，因此难以发挥到喷出口的顶端的墨循环作用。因此，位于喷出口的顶端处的墨进行挥发，因而不能必然地将最初排出的墨滴保持在稳定的状态下。

在国际公开第wo2011/146149号的构造中，能够使墨在喷出口附近循环。然而，由于能量产生元件、泵、以及在其间连接的循环流路均配置于布置有能量产生元件的相同模面并且泵和循环流路的数量对应于能量产生元件的数量，因此不能以高密度布置能量产生元件，从而导致难以实现高分辨率和小型化。

相比之下，在国际公开第wo2013/032471号的构造中，相比国际公开第wo2011/146149号的构造，能够在实现高密度喷出口的同时使墨在喷出口附近循环。然而，在国际公开第wo2013/032471号的构造中，与能量产生元件相邻地布置的致动器进行上下运动以压缩流路(压力室)，因此压力室的高度需要大于致动器的振幅。结果，将降低能量产生元件中用于排出操作的能量效率。特别地，由于致动器配置于形成喷出口的面内，形成喷出口的板的厚度受到致动器的形成的限制，由此不能使喷出口变薄。因此，存在喷出口内的压力损失变大并且在喷出时消耗更多能量的问题。

为了解决上述问题而做出本发明。因此，本发明的目的是提供一种液体喷出模块，其能够在向以高密度配置的喷出口附近循环并供给新鲜墨的同时进行稳定的喷出操作。

应注意，液体喷出模块构成液体喷出头的构造的至少一部分。在整个打印机中，在提供液体喷出头以及副罐和主罐经由供给管等与液体喷出头连接的系统的情况下，供给管、副罐以及主罐本身不包括在液体喷出模块中。同时，液体喷出模块对应于例如包括液体喷出头的喷嘴的被称为芯片(chip)的部分。此外，液体喷出模块还对应于与打印机独立分离的用于更换的部分。

(第一实施方式)

图1是能够被用作本发明的液体喷出模块的喷墨打印头100(以下简称为打印头)的立体图。打印头100具有由在y方向上排列的多个打印元件构成的多个打印元件基板4。在本示例中，示出了全幅型的打印头100，其通过将打印元件基板4以与a4尺寸的宽度相对应的距离在y方向上排列构造而成。

打印元件基板4经由各个柔性配线基板101连接至同一电配线板102。电配线板102配置有用于接收电力的电力供给端子103和用于接收喷出信号的信号输入端子104。同时，墨供给单元105形成有用于将由未示出的墨罐供给的墨供给到各个打印元件基板4并用于回收在打印中未消耗的墨的循环流路。

在以上构造中，配置于打印元件基板4的各个打印元件基于从信号输入端子104输入的喷出信号、使用从电力供给端子103供给的电力并在图中的z方向上喷出从墨供给单元105供给的墨。

图2a和图2b是示出一个区块中的流路的构造的图。图2a是液体喷出模块的打印元件基板4的当从喷出口的相对侧( z方向侧)观察时的透视图，并且图2b是截面图。

在本实施方式中，如图2a所示，流路的一个区块包括在y方向上相邻配置的一定数量(在这种情况下为6个)的打印元件，以及由打印元件共用的共同供给流路5和共同回收流路6。从墨供给单元105供给的墨通过由各个流路区块准备的循环流路在打印元件基板4内循环。

如图2b所示，本实施方式的打印元件基板4构造成使得第二基板13、第一基板12、功能层9、流路形成构件10以及喷出口形成构件11在z方向上按上述顺序层叠。在功能层9的表面布置有作为电热转换元件的能量产生元件1。此外，在喷出口形成构件11的与能量产生元件1相对应的位置处形成有喷出口2。在y方向上排列的多个能量产生元件1之间，介于功能层9和喷出口形成构件11之间的流路形成构件10配置为分隔壁，以形成与各个能量产生元件1和喷出口2相对应的压力室3。在压力室3的下方设置有通过不经过压力室3而连接供给流路5和回收流路6的连接流路7。

收容在压力室3内的墨在稳定状态下在喷出口2的位置处形成弯液面(meniscus)。如果根据喷出信号向能量产生元件1供给电压脉冲，会在与能量产生元件1接触的墨中发生膜态沸腾(filmboiling)并且由于产生的气泡的能量增长将墨从喷出口2作为液滴在z方向上喷出。假设液体从喷出口2喷出的方向(在这种情况下为z方向)为从下方侧向上方侧的方向，则墨从下方侧向上方侧喷出。在实际的墨喷出中，墨可以在重力方向上从上方侧向下方侧喷出，并且在这种情况下，在上述假设条件下，重力方向的上方侧是指“下方侧”，重力方向的下方侧是指“上方侧”。应注意，在本实施方式中，将喷出口2、能量产生元件1和压力室3的组合总称为打印元件(喷出元件)。

如图2b所示，在本实施方式的打印元件基板4中，各个第二基板13、第一基板12、功能层9、流路形成构件10和喷出口形成构件11均用作形成循环流路的壁。供给流路5和回收流路6共同对区块内的打印元件(一定数量的压力室3)供给和回收墨。与连接流路7的中途相对应的第二基板13的表面配置有液体输送机构8。液体输送机构8位于面向第一基板的形成有能量产生元件的面的背面的位置处，以通过使墨从回收流路6向供给流路5流动来促进墨的循环。换言之，包括供给流路5和回收流路6的循环流路是用于在压力室3的内部与外部之间循环液体的流路。

在该构造中，从墨供给单元105通过供给口15供给的墨按照供给流路5、压力室3、回收流路6以及连接流路7的顺序在打印元件基板4内循环。一旦压力室3内的墨由于喷出操作而被消耗，会将新鲜的墨供给到喷出口2以重新形成弯液面。即使不进行喷出操作，也能使上述循环不断地向喷出口2附近供给新鲜的墨。顺便地，尽管在图中未示出，优选在到达压力室3之前的供给流路5中设置用于防止异物和气泡侵入的过滤器。作为过滤器，可采用柱状结构。

如上所述的打印元件基板4能够通过预先形成用于第一基板12和第二基板13的各个结构然后如图所示地接合第一基板12和第二基板13来制造。连接流路7能够通过在接合第一基板12和第二基板13时，在第一基板12和第二基板13之间引入具有槽的中间层来形成，或者可选地，连接流路7能够通过对第一基板12的背面(-z方向侧)进行蚀刻来形成。

下面将说明上述结构的具体的尺寸示例。在打印头100中，均包括能量产生元件1、喷出口2和压力室3的打印元件在y方向上以600npi(每英寸喷嘴数)的密度排列。能量产生元件1的尺寸为20μm×20μm，喷出口2的直径为18μm，压力室3的尺寸为x方向100μm×y方向35μm×z方向5μm。此外，供给流路5和回收流路6的截面形状为20μm×40μm，并且喷出口形成构件11的厚度为5μm。另外，所使用的墨的粘度为2cp，并且各个喷出口的墨喷出量为2pl。

下面，将说明本实施方式能够采用的液体输送机构8的具体示例。图3是能够作为液体输送机构8的交流电渗型(aceo)泵的平面图。具有梳齿形的一组电极群具有不同宽度和/或高度，并且配置成彼此啮合。通过在这些电极之间施加交流电压，在位于上方的液体中产生了非对称电场，以便使液体沿期望的方向流动。

例如，该组电极群包括具有电极宽度为3μm的一群和具有电极宽度为10μm的另一群，并且各个电极群具有电极之间间隔3μm的电极。这些电极群配置于具有宽度为100μm并且高度为20μm的流路中。然后，以10khz至100khz的周期施加5v至30v的电压。结果，能够向包括连接流路7的整个循环流路产生适当的墨流而不会引起墨的电解。

图4a至图4c是示出在使用致动器20作为液体输送机构8的情况下的构造的图。图4a是连接流路7的俯视图，图4b示出了截面图。由于电压的施加，致动器20使在连接流路7露出的隔膜21移位以改变流路的容积。

在本示例的连接流路7中，致动器20的下游侧(供给流路5侧)的流路被设置成比上游侧(回收流路6侧)的流路具有更高的流路阻力和更低的惯性。更具体地，如图4b所示，在z方向上具有20μm高度的连接流路7中，配置有由硅等制成的、具有直径约100μm和厚度约5μm的隔膜21。然后，在致动器20的回收流路6侧，制备有在y方向上宽度为20μm以及在x方向上长度为20μm的一条流路。在供给流路5侧，制备有在y方向上宽度均为60μm以及在x方向上长度均为200μm的两条流路。在该构造中，如图4c所示，周期性地施加约50v的电压以在连接流路7中产生从回收流路6侧朝向供给流路5侧的墨流。

图5a至图5c是示出在使用多个致动器20作为液体输送机构8的情况下的构造的图。在本示例中，流路的形状在连接流路7的全部区域中是均匀的。更具体地，在y方向上宽度为约120μm并且在z方向上高度为约20μm的流路沿x方向延伸。因此，流路阻力和惯性在通过连接流路7的全部区域均相等。

另外，在连接流路7内，沿着连接流路7配置有在图4a和图4b中使用的三个致动器20和三个隔膜21。此外，如图5c所示，对三个致动器20按顺序施加约50v的电压。结果，在连接流路7内产生从回收流路6侧朝向供给流路5侧的墨流。

图6a至图6d是示出在图4a至图4c和图5a至图5c中使用的致动器20的示例的图。图6a示出了在使用电磁致动器20a作为致动器20的情况下的截面图和俯视图。电磁致动器20a包括永磁体22和线圈23，并且具有如下机构：使得由于电流通过线圈23而在线圈23和永磁体22之间产生排斥力，并因此使隔膜21移动。

线圈23能够通过例如光刻和电镀的组合精细地形成于连接流路7的面上。应当注意的是，即使在采用将两个线圈彼此相对放置的构造替代使用永磁体22的情况下，也能够在两者之间产生排斥力或者吸引力以起到致动器的作用。可选地，能够使用永磁体或线圈作为电磁致动器20a的相对的元件中的一个元件，并且能够使用诸如铁和镍的磁性体作为另一个元件，以产生吸引力并且取决于可动部的刚性来产生恢复力。

至于这种电磁致动器20a，虽然隔膜21能够相对大地移位，但需要大的电力以驱动电磁致动器20a本身。

图6b是在使用静电致动器20b作为致动器20的情况下的截面图。静电致动器20b包括彼此相对的两个平板电极24。通过在两个平板电极24之间施加电压，在它们之间产生了静电吸引力以使隔膜21移位。恢复力取决于可动部的刚性。这种静电致动器20b能够仅通过两个平板电极24构造而成，因而能够被以低成本相对简单地制造。然而，相比图6a所示的电磁致动器20a，隔膜21的移位量小，并因此可能存在为了获得期望的移位量而增大平板电极24的尺寸或增大电压的情况。

图6c是在使用多层压电体20c作为致动器20的情况下的截面图。多层压电体20c是通过将约十个由锆钛酸铅(pzt)等制成的压电烧结体25与电极一起层叠构造而成的致动器。多层压电体20c的特征在于具有大的驱动力，并且能够通过施加约20v的电压实现约数百nm的收缩运动。

图6d是在使用薄膜压电体20d作为致动器20的情况下的截面图。薄膜压电体20d具有将厚度为约2μm的压电体26夹在电极27之间的结构。压电体26具有pzt压电薄膜。通过对电极27施加电压，在隔膜21中产生弯曲模式的翘曲。压电体26可通过使用溶胶-凝胶法和溅射膜成形，并且能够使用光刻与电极等一起形成图案。

作为本实施方式的液体输送机构8，能够单独采用或者组合采用图3至图6d中所示的任意构造。可以配置一个大的机构，可以配置多个小的机构，或者可以配置具有不同类型和尺寸的多个机构。可选地，与供给流路5和回收流路6相似地，一个液体输送机构8能够对应于六个压力室3，以便利用由六个压力室3所占据的区域。在这种情况下，由于诸如减小流路阻力或调整致动器20的尺寸、致动器20的数量以及其移位量的变化幅度增大，液体输送效率能够被进一步提高。

在如上所述的本实施方式的打印元件基板4中，墨循环路径与喷出口2之间的距离与在国际公开第wo2012/054017号中记载的基板相比并不太大。因此，墨循环作用能够施加于喷出口，并且即使在使用一段时间后，也能够稳定最初喷出的墨滴的喷出状态。此外，在本实施方式的打印元件基板4中，配置有液体输送机构8的面以在z方向上与配置有多个打印元件的元件排列面偏离的方式设置，并且它们的配置区域在x-y平面内彼此重叠。换言之，如果假设喷出口喷出液体的方向为从下侧向上侧的方向，则液体输送机构8布置于元件排列面的下方。另外，在从喷出口的相对侧观察液体喷出模块的情况下，液体输送机构8配置于与元件排列面上配置有多个打印元件的区域重叠的区域。为此，打印元件的定位密度几乎不会被液体输送机构8的定位所影响，从而同时实现高像素和小型化。此外，如在国际公开第wo2013/032471号中记载的基板那样，能够防止压力室3由于致动器的移位而被阻塞，并因此几乎不会减小能量产生元件1的能量效率。换言之，根据本实施方式，能够在向以高密度配置的喷出口附近循环和供给新鲜墨的同时稳定地保持喷出操作。

(变型例)

图7a和图7b是示出第一实施方式的变型例的图。图7a示出了将液体输送机构8配置于第一基板12侧而不是第二基板13侧的示例。即使在该构造下，与图2b相似，从回收流路6向连接流路7流动的墨也被沿-x方向输送，并且能够获得与上述实施方式相同的效果。

在图7a所示的构造的情况下，由于能量产生元件1形成于第一基板12的表面，并且液体输送机构8形成于能量产生元件1所形成的面(表面)的背面，所以需要注意制造过程。例如，在通过使用cmos等形成能量产生单元1的驱动回路并且将图6d所示的薄膜压电体26形成为液体输送机构8的情况下，制造过程应被管理在作为cmos部的耐热温度的450℃以下的温度。更具体地，为了降低薄膜压电体26的成膜温度，需要采用诸如溅射的方法。另一方面，在本构造的情况下，还具有仅使用一个硅基板用于元件排列的优点。

图7b是示出在y方向上排列的打印元件在x方向上排列成两列的构造的图。第二功能层14介于第一基板12和功能层9之间。形成于第一基板12和功能层9之间的空间处设置有连接流路7。供给流路5形成于两个打印元件列(喷出元件列)之间的中间位置处以贯通第一基板12。从供给流路5流入的墨被分成流路形成构件10的左右两侧、通过配置于两侧的两个压力室3、流过各个回收流路6和各个连接流路7、然后在供给流路5处再次汇合。液体输送机构8设置于第一基板12以分别位于两个连接流路7中。此外在该构造中，在连接流路7中，对流入的墨施加指向供给流路5的力，因而能够获得与上述实施方式相同的效果。另外，在本构造中，相比图2b和图7a的构造，液体输送机构8能够更靠近压力室3，因此能够进一步提高喷出口附近的循环效果。

在图7b所示的构造的情况下，连接至能量产生元件1的逻辑回路等可以位于第二功能层14，并且只有能量产生元件1和配线可以配置于功能层9。在这种情况下，不仅可以使用硅而且可以使用树脂作为功能层9。

在图7a和图7b所示的两个变型例中，各个液体输送机构8均设置于位于在z方向(喷出方向)上与压力室3偏离位置处的连接流路7中并使墨在压力室3内循环。结果，能够在喷出口高密度配置的状态下防止喷出口2附近的墨变质并稳定地保持喷出操作。

(第二实施方式)

如图2a和图2b那样，图8a和图8b是示出根据第二实施方式的一个区块中的流路的构造的图。在本实施方式中，如在第一实施方式中的那样，第二基板13、第一基板12、功能层9、流路形成构件10以及喷出口形成构件11按上述顺序层叠以形成循环流路。至于本实施方式的循环流路的构造，以下将仅说明与第一实施方式不同的方面。

在本实施方式的打印元件基板4中，从供给口15流入供给流路5的墨沿 y方向移动，并且分流并流入各个压力室3。从各个压力室3流出的墨汇合到墨在相同的y方向上流动的回收流路6中并沿 y方向移动，并且被从位于回收流路的一端的回收口16排出到墨供给单元105。在回收流路6的底部布置有沿y方向延伸的液体输送机构8，以促进沿 y方向的流动。应当注意的是，液体输送机构8可以布置于供给流路5的底部处，或者可以布置于供给流路5和回收流路6两者处。

至于本实施方式的布置于相对长的流路的液体输送机构8，使用图3所示的交流电渗型(aceo)泵或者图5a至图5c所示的多个致动器的构造是合适的。特别地，如在本实施方式中的，使用多个致动器的构造在形成用于共同输送从多个压力室流出的相对大量的墨的行进波方面是有效的。

本实施方式的打印元件基板4能够通过将形成了供给流路5、回收流路6、压力室3、能量产生元件1以及喷出口2的第一基板12侧的构件与形成了液体输送机构8、供给口15和回收口16的第二基板13接合到一起制造而成。此时，供给流路5和回收流路6可以通过蚀刻第一基板12的背面来形成，或者可以通过将具有槽的中间层夹在第一基板12和第二基板13之间来形成。

根据上述实施方式，通过位于供给流路5或回收流路6内的、在z方向(喷出方向)上与压力室3偏离的位置处的液体输送机构8使压力室3内的墨流动并循环。结果，能够在喷出口高密度配置的状态下防止喷出口2附近的墨变质并稳定地保持喷出操作。

(变型例)

图9a和图9b是示出第二实施方式的变型例的图。两个示例都示出在y方向上排列的打印元件在x方向上排列成两列的构造。供给流路5形成于两个打印元件列之间的中央位置处以在z方向上贯通第一基板12。回收流路6形成于两个打印元件列的外侧处的位置以在z方向上贯通第一基板12。另外，供给流路5和回收流路6都具有宽度沿-z方向扩大的相同的锥形。这种形状能够利用由<100>硅基板制成的第一基板12、通过使用氢氧化钾溶液或四甲基氢氧化铵(tmah)溶液进行各向异性湿法蚀刻来形成。

至于两个回收流路6中的各个回收流路6，图9a示出了液体输送机构8布置于倾斜的内壁的构造。相对于图9a的构造，图9b示出了使得在第二基板13的各个回收流路6中进一步设置有柱的构造，其中在该柱的顶端处布置有第三液体输送机构8。对于这种液体输送机构8，由于图3中所示的交流电渗型(aceo)泵具有相对简单的构造，因此认为该泵是合适的。在通过进行上述各向异性湿法蚀刻形成锥形的供给流路5和回收流路6之后，能够通过例如用喷雾涂布机在回收流路6的内壁涂布光致抗蚀剂、并通过利用投影曝光机进行曝光以在侧壁上形成梳齿形电极图案来实施上述泵。应当注意的是，在本变型例中，液体输送机构8可以布置于供给流路5的底部处，或者可以布置于供给流路5和回收流路6两者。

如上所述，根据本实施方式，液体输送机构8设置于供给流路5或回收流路6中的至少一者，以使墨按照供给流路5、压力室3和回收流路6的顺序循环。另外，液体输送机构8设置于供给流路5或回收流路6中的位于在z方向(喷出方向)上与压力室3偏离的位置处，以使压力室3中的墨循环。结果，能够在喷出口高密度配置的状态下防止喷出口2附近的墨变质并稳定地保持喷出操作。

(其它实施方式)

顺便地，上述流路结构和液体输送机构不限于上述实施方式和变型例，并且可以以各种方式组合。例如，即使在如第一实施方式中所述地且如图2a所示地供给流路5中的墨和回收流路6中的墨沿与喷出方向相同的z方向流动的形式下，也能够采用图9a和图9b所示的流路结构。然而，在这种情况下，应形成并驱动液体输送机构8以促进沿y方向而不是沿z方向的流动。

此外，以上已将在y方向上排列的六个相邻的打印元件以及它们的共同供给流路5和回收流路6作为循环流路中的一个单元(流路区块)进行说明，但当然本发明不限于该形式。包含在一个区块中的打印元件的数量可以更大或更小。例如，可以为各个打印元件准备供给流路和回收流路，或者可以由在打印元件基板上排列的所有打印元件共用共同供给流路和回收流路。

另外，以上说明了具有一列或两列打印元件的打印元件基板的示例，但当然本发明也可以应用于具有三列或更多列打印元件的打印元件基板。

此外，已将电热转换元件用作能量产生元件1，并且已采用了由于膜态沸腾引起的通过所产生的气泡的能量增长而喷出墨的形式，但本发明不限于这种喷出方法。例如，可以采用诸如压电致动器、静电致动器、机械/脉冲驱动型致动器、音圈致动器和磁致伸缩驱动型致动器等的各种类型的元件作为能量产生元件。

此外，以上参照图1说明了打印元件基板4以与打印介质的宽度相对应的距离排列的全幅型打印头的示例，但本发明的流路构造也可以应用于串行式打印头。然而，全幅型的长打印头在表现本发明要解决的问题，即墨水的蒸发和变质方面更显著，从而能够更显著地享有本发明的效果。

另外，以上已经说明了用于喷出含有着色材料的墨的打印头的示例，但本发明的液体喷出模块不限于此。例如，可以是喷出用于改善画质的透明液体的模块，或者可以是用于除了图像打印之外的目的、诸如将某种液体均匀地涂布到物体上的情况的模块。无论如何，只要液体喷出模块从多个喷出口喷出精细的液滴，本发明就能有效地发挥作用。

虽然已经参照示例性实施方式说明了本发明，但应当理解的是，本发明不限于所公开的示例性实施方式。权利要求书的范围应符合最宽泛的解释，以包含所有的这些变型、等同结构和功能。