CN1636734A - 喷墨头、该喷墨头的驱动方法和喷墨记录装置 - Google Patents

喷墨头、该喷墨头的驱动方法和喷墨记录装置 Download PDF

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Abstract

一种用于喷墨头的基体，在基板上依次形成有蓄热层、产生用于排出油墨的热能的发热体、以及保护所述发热体的保护膜，其特征在于，所述蓄热层的位于所述发热体下面的部分的热阻值大于等于所述保护膜的位于所述发热体上面的部分的热阻值的2倍而且小于其5倍。

Description

喷墨头、该喷墨头的 驱动方法和喷墨记录装置
技术领域
本发明涉及以喷墨方式排出油墨而在记录介质上进行记录的喷墨头的驱动方法、喷墨头和喷墨记录装置，特别涉及为了排出油墨而利用热能的技术。
再有，本发明中的‘记录’不仅意味着对于被记录介质赋予文字和图形等那样具有意义的图像，还意味着赋予模板等那样不具有意义的图像。
背景技术
近年来，在对于纸、纱、纤维、布、金属、塑料、玻璃、木材、陶瓷等记录介质进行记录的打印机、复印机、具有通信系统的传真机、具有打印部的字处理机等装置、以及与各种处理装置复合性组装的记录装置中，众多的记录装置被使用。对于这些记录装置来说，要求高速记录、高清晰度、图像质量高、低噪声等。作为满足这样的要求的记录装置，可列举喷墨记录装置。喷墨记录装置使用具有排出口的喷墨头，使油墨(记录液)滴从该排出口排出并飞行，使其附着于记录介质而进行记录。在喷墨记录装置中，由于喷墨头和记录介质不接触，所以可以获得非常稳定的记录图像。
在这样的喷墨头之中，利用热能来排出油墨的喷墨头，除了能够高密度地排列多个排出口而进行高清晰度的记录以外，还具有容易小型化等的优点。
利用热能的现有的喷墨头一般为以下结构：通过将多个发热阻抗体列状地排列在硅等基体上而实现高密度，而且，对于多个发热阻抗体具有共用的蓄热层和电绝缘膜(特开2001-171127号公报、特开2002-11886号公报)。
图14表示利用热能的现有的喷墨头的一个发热阻抗体部分的示意剖面图。
如图14所示，喷墨头100具有：形成了发热阻抗体(加热器)123的基体120；以及接合于基体120上的喷嘴材料110。基体120具有：在硅构成的基板121的表面上，由热氧化膜等多层构成的蓄热层122；在蓄热层122上局部形成的发热阻抗体123；用于向发热阻抗体123供给电力的电极布线124、125；覆盖发热阻抗体123和蓄热层122而形成的电绝缘膜126；以及被形成在电绝缘膜126上，Ta构成的抗气蚀膜127。电绝缘膜126和抗气蚀膜127一起构成保护膜128。喷嘴材料110通过与基体120接合，从而形成以发热阻抗体123的上方作为油墨室112的液路。此外，在喷嘴材料110中，在面对发热阻抗体123的位置上形成排出口122。
在油墨室112中装满油墨，在该状态下通过电极布线124、125将电压施加在发热阻抗体123上而使发热阻抗体123发热。油墨室112内的油墨因发热阻抗体123的发热而被急剧地加热并产生膜沸腾。由此在油墨中产生气泡，通过基于该气泡的生长的压力，油墨从排出口121排出。
为了将发热阻抗体123产生的热能高效率地传导给油墨，对于基体120的膜结构，至今提出了各种各样的方案。
参照图15，说明发热阻抗体123的发热产生的传热原理。在图15中，通过对发热阻抗体123通电，从而施加热量Q。该热量Q扩散到发热阻抗体123的上下，变为Q1、Q2。扩散到上方的热量Q1被传导给保护膜128上的油墨。由此在油墨130中产生气泡131，如上述那样进行排出。
发明内容
本发明提供一种用于喷墨头的基体，在基板上依次形成有蓄热层、用于排出油墨而产生热能的发热体和保护所述发热体的保护膜，其特征在于，所述蓄热层的位于所述发热体下面的部分的热阻值大于等于所述保护膜的位于所述发热体上面的部分的热阻值的2倍而且小于其5倍，从而不降低对油墨的热传递效率，有效地防止保护膜的恶化，实现发热阻抗体的长寿命，同时通过散热特性，实现更高频率下的驱动。
附图说明
图1说明本发明的概要，是通过模拟来表示以0.8μs驱动发热阻抗体时的从驱动脉冲施加时刻起的发热阻抗体的表面温度时间性变化关系的曲线图。
图2说明本发明的概要，是表示试制头的蓄热层的厚度和耐久脉冲数的关系的曲线图。
图3说明本发明的概要，是通过模拟来表示蓄热层的厚度和发热阻抗体的平均单位面积的油墨临界起泡能量的关系的曲线图。
图4说明本发明的概要，是表示蓄热层的厚度和蓄热层/保护膜的热阻比的关系的曲线图。
图5是表示本发明中优选采用的喷墨头的结构例1的从排出口观察的主要部分平面图。
图6是放大表示图5所示的一个发热阻抗体的基体的平面图。
图7表示图5所示的喷墨头的B-B前剖面图。
图8表示本发明中优选采用的喷墨头的结构例2的与图7同样的剖面图。
图9表示本发明中优选采用的喷墨头的结构例3的与图7同样的剖面图。
图10表示本发明中优选采用的喷墨头的结构例4的与图7同样的剖面图。
图11是采用了本发明的边缘喷射(edge shooter)型喷墨头的一例的剖面图。
图12是表示本发明的一例喷墨记录装置的示意立体图。
图13是控制图12所示的喷墨记录装置的动作的一例控制电路的方框图。
图14是现有的喷墨头的一个发热阻抗体部分的示意剖面图。
图15是说明喷墨头的导热原理的示意图。
具体实施方式
对于发热阻抗体上面的层来说，为了将热均匀地传导给油墨，而将保护膜形成为导热系数比较低、并且厚度薄的膜。保护膜还兼用于与油墨绝缘。
另一方面，发热阻抗体下侧的层厚度由制造方法和发热阻抗体的耐久性等来决定。而从记录速度的高速化的观点来看，还下工夫缩短发热阻抗体的驱动通电时间(脉冲宽度)。例如，如果在驱动频率30kHz下进行16分割驱动，则需要按小于等于约2μs进行驱动。如果还考虑到驱动上的裕度，则短脉冲更好。通过缩短驱动通电时间，并提高热流束，可获得更稳定的起泡，稳定的起泡在使气泡连通到大气的排出方式中效果明显，在高质量记录的喷墨头中需要为驱动通电时间约0.5～1.2μs的结构。而且，通过将驱动脉冲分割为多个，并形成双路径、三路径，从而可以进一步提高排出效率。
伴随着记录速度的高速化的发展，喷墨头(发热阻抗体)也能够以更高频率来驱动。由此，在油墨的起泡结束后剩余的热量没有从基体充分散热时油墨的起泡重复进行，存在基体进行蓄热的状况。其结果，产生所谓的再沸腾现象，排出特性显著下降，并且因去泡时的气蚀产生的机械性损坏加速，成为使发热阻抗体的耐久性显著下降的原因。
在使气泡连通到大气的方式中，尽管可以避免气蚀，但在投入能量因电压下降等而变小时，气蚀会更明显。因此，有多余地投入能量的情况，但这种情况下，保护膜上的油墨的热化学反应加速，由此油墨的组成物产生碳化而产生附着在保护膜上的所谓的‘焦化’，排出特性下降。而且，保护膜本身的氧化也加速，其强度下降，所以成为发热阻抗体的耐久性显著下降的原因。
而且，随着记录装置的高质量记录的发展，排出的液滴的尺寸日益变小，目前为几pl这样的极小的液滴。因此，与以往相比，相对于投入能量的排出量、即排出效率需要提高数倍～10倍左右，因此成为难题。
为了避免这样的问题，有增加发热阻抗体的数目的方法。但是，增加发热阻抗体的数目，为此需要相当数量的驱动电路和存储器，不仅基体的尺寸增大，而且因驱动也变得繁杂，记录装置本体的驱动用IC的高集成化和软件的复杂化，结果导致成本上升。
本发明是鉴于上述问题的发明，以下参照附图来说明本发明的实施方式。
本说明书中的‘(数值A)～(数值B)’表示‘大于等于数值A、小于等于数值B’的范围。而发热体或发热阻抗体不是指形成于蓄热层上的层整体，而是指其一部分的通过通电而使产生的热作用于油墨的区域部分，即如果没有保护膜则与油墨直接接触而加热油墨的部分。
<本发明的喷墨头的概要(基于发明人的研究)>
首先说明本发明的概要。本发明将发热阻抗体的上下的膜结构形成为具有合适的热阻的结构。首先，本发明人在具有图14那样的膜结构的喷墨头中，为了解决‘焦化’和热化学反应造成的保护膜恶化的问题，在将保护膜形成为膜厚0.3μm的SiN膜(绝缘膜)和膜厚0.2μm的Ta膜(抗气蚀膜)的条件下，对于蓄热层为膜厚2.5μm的SiO2膜的情况和膜厚1.5μm的SiO2膜的情况，使用三维导热模拟来计算以0.8μs的驱动脉冲宽度驱动发热阻抗体时的发热阻抗体的驱动脉冲施加时刻起的表面温度的时间性变化。其结果示于图1。
从图1可知，在比较两种蓄热层时，两者最大峰值温度都大致在500℃左右，但其后的温度是膜厚薄的一方迅速下降。从这种结果来看，通过使蓄热层的厚度薄，可提高散热特性而不降低对油墨的热传递效率。
因此，用膜厚0.3μm的SiN膜(绝缘膜)和膜厚0.23μm的Ta膜(抗气蚀膜)构成保护膜，试制蓄热层的厚度分别不同的几个喷墨头，并评价其耐久性、即直至油墨被正常地排出的驱动脉冲数。
在图2中将该评价结果表示为蓄热层的厚度和耐久脉冲数的关系。从图2可知，如果蓄热层的膜厚小于等于1.7μm，则耐久性极大提高。即，蓄热层的厚度越薄，越提高耐久性。
接着，本发明人使用三维导热模拟来计算可将蓄热层薄至什么程度而不降低对油墨的热传递效果。其结果示于图3。
图3是表示通过上述模拟获得的蓄热层的厚度和发热阻抗体的平均单位面积的油墨临界起泡能量的关系的曲线图。发热阻抗体的平均单位面积的油墨临界起泡能量是对油墨的热传递效率的指标。油墨临界起泡能量是为了使发热阻抗体表面的温度超过作为油墨的起泡温度的300℃所需的临界热能值，该值越大，意味着热传递效率越差。使作为驱动通电时间的热能施加时间(Pw)变化至0.5μs～3.0μs来进行计算。该热能施加时间，从喷墨头的记录速度的观点来看，是需要以高速来驱动，并且从驱动脉冲精度来说作为不过短的条件获得的合适时间。此外，该时间包含了用于进行使气泡连通大气的排出方式中的稳定排出的高热流束的合适条件、即上述0.5～1.2μs的驱动通电时间。
从图3可知，蓄热层的厚度比约0.7μm薄时，对油墨的热传递效率急剧地变差。由此可知，蓄热层的厚度大于等于0.7μm就可以。而比0.7μm薄的蓄热层难以稳定成膜。
而且，从图3可知，热能施加时间(Pw)越长，热传递效率越差，而且Pw越长，蓄热层的厚度造成的影响越大。具体地说，可知Pw为1.2～2μs时，蓄热层的厚度为1.0～1.7μm，而作为高热流束的合适条件的Pw为0.5～1.2μs时，即使蓄热层的厚度为0.7～1.5μm，效率也不下降而是合适的。
从以上可知，在保护膜是膜厚为0.3μm的SiN膜和膜厚为0.23μm的Ta膜的情况下，为了提高耐久性，使散热特性良好而不降低效率，SiO2构成的蓄热层的厚度为0.7～1.7μm是最合适的，而且，在驱动通电时间Pw为0.5～1.2μs时蓄热层的厚度为0.7～1.5μm是合适的，而且小于等于1.0μm更合适。驱动通电时间不限于为一个脉冲的情况，也可以是分割为多个的脉冲驱动，这种情况下各脉冲的合计的通电时间相当于Pw。图3所示的关系，即使在上述试制头中，也获得与模拟一致的结果。
这里，具体地例示了保护膜和蓄热层的材料、膜厚，但本发明不限于此。由于本发明将施加的热能高效率地传递给油墨，并且使蓄热层合适地散热，所以上述条件可以置换为保护膜和蓄热层的热阻比。
这种置换的结果示于图4。图4是表示按蓄热层和保护膜的热阻比来置换上述保护膜条件中的蓄热层的条件，表示蓄热层的厚度和蓄热层/保护膜的热阻比的关系的曲线图。此时的各膜的导热系数，SiN薄膜为1.2W/m·K(基于试制品的测量结果)，Ta薄膜为54W/m·K，SiO2薄膜为1.38W/m·K。Ta薄膜和SiO2薄膜的导热系数采用一般通过文献等获得的值。薄膜的热阻值Rs在构成该薄膜的材料的导热系数为K、膜厚为d时，以Rs＝d/K来提供。而叠层膜的热阻值是将各膜的热阻值相加所得的值。
从图4可知，膜厚为0.3μm的SiN膜和膜厚为0.23μm的Ta膜构成的保护膜的蓄热层的膜厚条件，可以在大于等于0.7μm而且小于等于1.7μm、以蓄热层/保护膜的热阻比在大于等于2倍而且小于5倍的范围内置换。由此可知，发热阻抗体下的蓄热层的热阻与发热阻抗体上的保护膜的热阻之比为大于等于2倍而且小于5倍的范围是合适的。
进而考察这样的热收支对耐久性产生什么样的影响。对耐久性产生影响大的因素是‘焦化’和断线。‘焦化’是包含于油墨中的染料的分解物附着在作为发热阻抗体上的保护膜部分的发热部上，妨碍了均匀的起泡，产生使起泡能量减弱的作用的现象，已知发热部表面的温度越高，‘焦化’的附着量越多。另一方面，断线的主要原因是化学作用和机械作用。如前述，在发热阻抗体的上层中形成包含绝缘膜和抗气蚀膜的保护膜，而在绝缘膜中使用的SiN等的无机膜，其抗油墨性和抗机械特性差，如果在抗气蚀膜中产生缺陷，则油墨从那里浸入，腐蚀发热阻抗体，直至产生断线。因此，抗气蚀膜的寿命对耐久性产生极大影响。作为抗气蚀膜，如果以代表性的钽为例，则在经过了耐久试验的抗气蚀膜中，可观察到在表面上形成了氧化物(氧化层)。通过钽表面的变色、EPMA(Electron Probe Micro Analyzer；电子探针微分析仪)等的表面组成分析、FIB(集束离子流加工观察装置)的膜剖面的观察等手段，可知氧化的程度。氧化层的化学、机械强度差，通过气蚀的冲击而被剥离。而且，抗气蚀膜被重复进行氧化和剥离，同时损伤扩大，损伤最终达到绝缘层。而即使在使气泡连通到大气以不产生气蚀那样的结构中，尽管耐久性提高，但最终产生断线。这是因为油墨中的成分化学性地腐蚀氧化层，如果通过FIB等来测量耐久试验后的膜厚，则可观察到膜厚根据脉冲数而变薄。而温度越高，氧化层越容易被腐蚀。从以上也可理解，抗气蚀膜的氧化越快，耐久寿命越短。
这样，发热阻抗体的断线在机械原因、化学原因的任何一个中，抗气蚀膜的氧化成为触发因素，抑制这种氧化作用，在提高耐久性上是有效的。抗气蚀膜的氧化因油墨在高温下存在抗气蚀膜上而产生，但油墨的成分由染料溶解性和对打印介质的固定性所决定而选择的自由度低，所以作为防止氧化的对策，降低保护膜的表面温度是现实有效的。为了降低保护膜的表面温度，有(1)降低最高达到温度和(2)迅速冷却的方法。
而为了降低最高达到温度，有(1a)使表面温度均匀和(1b)降低投入能量这样的两种方法。为了使表面温度均匀，需要防止热向膜的面内方向扩散，使保护膜的膜厚尽量薄，从而提高面内方向的热阻，并且在短时间内急速加热，在热向保护膜的面内方向传递前对油墨提供充分的热来使其发泡是重要的。关于投入能量，相对于发泡阈值电压，考虑各个发热阻抗体的特性偏差和电源电压的变动，通常为乘以某一系数所得的值，但最高达到温度依赖于该系数而上升，氧化也变得剧烈，所以期望尽量低地设定。期望驱动电压相对于发泡阈值电压保持在1.1至1.2倍之间，如果超过1.3倍(在能量换算中为其平方)，则氧化急剧加快，是不期望的。上述短时间内的加热容易引起均匀的膜沸腾，所以还具有偏差小、抑制投入能量的效果。
另一方面，为了提高冷却速度，需要促进向周边的热传递，而要提高绝缘膜和抗气蚀膜的热传递，但因上述理由，不期望使最高达到温度上升。因此，期望经由蓄热层使对硅基板的热传递提高。为了提高对硅基板的热传递，使蓄热层的厚度尽量薄较好，但如果过薄，则由于在油墨的加热中途的膜沸腾开始前热扩散到硅基板，所以还需要能量用于产生膜沸腾。由于多余的能量被积蓄在硅基板中，所以与抑制表面温度相反，是不期望的。因此，如上所述，通过设定保护膜和蓄热层的膜厚及材料，以使发热阻抗体下的蓄热层的热阻值在大于等于发热阻抗体上的保护膜的热阻值的2倍、并且小于5倍的范围内，从而有效地防止保护膜的恶化而不降低对油墨的热传递效率，并提高发热阻抗体的耐久性，同时提高散热特性，可进行0.5～2.0μs这样极短的驱动通电时间、即高频下的驱动。通过构成上述结构，在油墨排出后的气泡的消泡时的气蚀发生时，或在气泡连通大气时，由于保护膜的冷却迅速，所以保护膜表面温度下降，并且与以往相比，可以防止保护膜的氧化。
在现有技术中，还提出降低表面温度，以便提高耐久性。但是，在现有技术中，主要目的在于防止油墨的再沸腾(reboil)造成的气蚀损坏。油墨的再沸腾造成的气蚀损坏，是油墨接触保护膜表面时，在保护膜表面的温度大于等于100℃的情况下产生的现象。在本发明中，着眼于保护膜表面的氧化，与油墨的再沸腾无关，即使小于等于100℃，仍产生这种现象。而且，在图14和后述的图5中所示的侧喷射型的喷墨头中，发现在发热部的大致中央产生断线的情况。这是因为在发泡后油墨向发热部上流入时，如图5所示，发热部的侧面的三方被喷嘴壁包围，油墨的流入从供给口开口的油墨室和从面对发热部的排出口优先进行，所以从排出口附近流入的油墨首先接触发热部中央。发热部中央如上述那样不但有最高达到温度升高的倾向，而且冷却时也先从周边开始冷却，所以有直至最后也为高温的倾向。如果在那里接触冷的油墨，不仅氧化加快，而且机械性损坏也因与周围的温度差而加速，是不期望的。因此，需要更均匀的加热和急速的冷却。再有，在边缘喷射型(排出方向与发热面平行的方向)中不产生这样的发热部中央的断线。这是因为油墨的流入方向与发热部表面平行，油墨从发热部周围的温度低的一侧流入。
这样，对喷墨头的耐久性产生大影响的‘焦化’、断线的任何一个因素中，温度都是重要的因素，可理解为了提高耐久性，满足上述的保护膜和蓄热层的关系是有效的。
(喷墨记录装置)
下面，参照图12来说明搭载了本发明的喷墨头的喷墨记录装置。
图12是表示本发明的一例喷墨记录装置的示意立体图。在图12中，在本体机架中，开有螺旋槽5005的丝杆5004被旋转自由地轴支承。丝杆5004与驱动电机5013的正反旋转连动，并通过驱动力传递齿轮5009～5011被旋转驱动。
而且，在本体机架中，固定着对滑架HC进行滑动自由引导的导轨5003。在滑架HC中，设有与螺旋槽5005啮合的销钉(未图示)，通过驱动电机5013的旋转而使丝杆5005旋转，从而滑架HC可在图示箭头a、b方向上往复移动。压纸板5002在滑架HC的移动方向上，将记录介质P按压在压板滚轮5000上。
在滑架HC中，搭载了喷墨记录组件IJC。喷墨记录组件IJC可以是将上述喷墨头和油墨室IT一体的卡盘形态的组件，也可以是将它们相互作为单体可拆装组合形态的组件。此外，该喷墨记录组件IJC通过设置于滑架HC中的定位部件和电连接点而被固定支承在滑架HC上，同时相对于滑架HC可拆装地设置。
光耦合器5007、5008构成原位置(home position)检测部件，用于确认滑架HC存在于杆5006的区域中，从而进行驱动电机5013的旋转方向的反转等。将喷墨头的前面(排出口开口的面)开缝的缝隙构件5022由支承构件5016支承，还包括吸引部件5015，通过缝隙内开口5023来进行喷墨头的往复吸引。在本体支承板5018上安装了支承板5019，被滑动自由地支承在该支承板5019上的清洁板5017通过未图示的驱动部件而在前后方向上移动。清洁板5017的形态不限于图示的形态，当然可以采用公知的形态。杆5021用于开始喷墨头的往复吸引动作，随着与滑架HC对接的凸轮5020的移动而移动，并且来自驱动电机5013的驱动力通过齿轮5010和卡齿切换等公知的传递部件进行移动控制。
这些开缝、清洁、往复吸引的各处理通过滑架HC在静止位置侧区域中移动时丝杆5004的作用，在各自的对应位置进行，但只要按周知的定时进行期望的动作，在本例中都可适用。
图13表示对上述喷墨记录装置的动作进行控制的控制电路的方框图。图13所示的控制电路包括：从计算机等的外部装置输入记录信号的接口1700；根据经由接口1700输入的记录信号来承担喷墨记录装置的动作的控制部；用于驱动记录头(喷墨头)1708的头驱动器1705；用于驱动运送记录介质(使图12所示的压板滚轮5000旋转)运送电机1709的电机驱动器1706；以及用于驱动运载电机1710(相当于图12的驱动电机5013)的电机驱动器1707。
控制部包括：接受来自接口1700的记录信号，进行相对于记录头1708的记录数据的供给控制的门阵列(G.A.)1704；MPU1801；存储了MPU1701执行的控制程序的ROM1702；保存了上述记录信号和向记录头1708供给的记录数据等的各种数据的DRAM1703。门阵列1704进行MPU1701和DRAM1703之间的数据传送控制。
如果记录信号输入到接口1700，则在门阵列1704和MPU1701之间，记录信号被变换为记录用的记录数据。然后，通过各电机驱动器1706、1707来驱动运送电机1709和运载电机1710，同时根据被传送到头驱动器1705的记录数据而驱动记录头1708，进行记录。上述发热阻抗体的驱动通电时间也由MPU1701控制。
(喷墨头)
下面，说明本发明中优选采用的喷墨头的例子。
(喷墨头构成例1)
图5是本发明中优选采用的喷墨头的构成例1的从排出侧观察的主要部分平面图。而图6是放大表示一个图5所示的发热阻抗体的基体的平面图。再有，在图5中，为了使内部结构清楚，以透视喷嘴材料10的状态来表示。
喷墨头1包括：形成了多个发热阻抗体23的基体20；以及被接合在基体20上的喷嘴材料10。发热阻抗体23被一列并排配置。但是，在用于彩色的喷墨头的情况下，对每一种颜色，也可以配置多列。喷嘴材料10分别形成在面对各发热阻抗体23的位置，排出口11形成在使其中心位于发热阻抗体23的中心上。而且，在喷嘴材料10中，形成将相邻的发热阻抗体23之间隔开的喷嘴壁13，通过基体20和喷嘴材料10进行接合，在每个发热阻抗体23中，形成将排出口11分别开口的流路。
在基体20中，供给口(未图示)贯通基体20而形成，以便从该喷墨头1的外部向各发热阻抗体23上供给油墨。供给口在各流路共用的油墨室中开口。此外，在油墨室和各流路之间，为了阻止对喷墨头1内的异物的侵入，设有柱状的结构物的过滤器29。绝缘膜(在图6中未图示)和抗气蚀膜27被设置同时覆盖列状排列的所有发热阻抗体23。而且，如图6所示，在发热阻抗体23中连接电极布线25。
油墨从供给口向流路内供给并流入发热阻抗体23上。在该状态下，通过电极布线25将发热阻抗体23通电并产生热能，从而使发热阻抗体23上的油墨起泡，由此油墨从排出口11排出。本例的喷墨头1是将发热阻抗体23和排出口11对置的被称为边缘喷墨型的喷墨头。在边缘喷墨型的喷墨头1的排出方式中，大致划分为使通过发热阻抗体23的驱动产生的气泡与大气连通的方式、以及使气泡不与大气连通的方式。本发明适用于任何一种方式。在后者的排出方式中，产生的气泡通过不与大气连通来消灭。
图7表示图5所示的喷墨头的VII-VII线剖面图。参照图7，以基体20的层结构为中心来说明本例的喷墨头1。
基体20包括：硅构成的基板21；形成在其表面上、兼用电绝缘膜的蓄热层22；蓄热层22上部分形成的发热阻抗体23；用于向发热阻抗体23供给电力的电极布线24、25；覆盖发热阻抗体23和蓄热层22而形成的绝缘膜26；以及在绝缘膜26上的一部分上形成的抗气蚀膜27。通过这些绝缘膜26和抗气蚀膜27而构成保护膜。在本例中，绝缘膜26由膜厚0.3μm的SiN膜构成，抗气蚀膜27由膜厚0.23μm的Ta膜构成。因此，保护膜的层厚a为0.53μm。
蓄热层22为从基板21侧依次层叠了热氧化膜22a、层间膜22b、22c的三层结构。其中，热氧化膜22a局部地形成，以使其不存在于面对发热阻抗体23的区域中，在本例中，作为蓄热层22实质上具有功能的层仅有层间膜22b、22c。热氧化膜22a由通过热氧化法形成的SiO2膜构成，层间膜22b、22c由通过CVD法形成的SiO2构成。此外，各层间膜22b、22c的膜厚分别为0.7μm，在本例中的发热阻抗体23正下方的蓄热层22的层厚b为1.4μm。
发热阻抗体23在本例中由膜厚500的TaSiN构成。而电极布线24、25为AlCu。
喷嘴材料10被接合在基体20上，在发热阻抗体23和排出口11之间，形成用于构成一部分流路的油墨室12。
这里重要的是，使蓄热层22的热阻与发热阻抗体23的上下的相对于保护膜的热阻之比合适，或使保护膜和蓄热层22的组成及膜厚合适。在图14所示的现有的喷墨头的结构中，保护膜由膜厚0.3μm的SiN构成的绝缘膜和膜厚0.23μm的Ta构成的抗气蚀膜构成，蓄热层由膜厚约1μm的SiO2膜和各自膜厚约1μm的两层SiO2构成的层间膜构成，总厚度为3μm。因此，上述热阻比(蓄热层的热阻/保护膜的热阻)＝8.56。对此，在本例的喷墨头中，保护膜与以往相同，但由于用各自膜厚为0.7μm的SiO2的两层膜来构成发热阻抗体23正下方的蓄热层22，所以上述热阻比＝3.99。
因此，在本例的喷墨头1中，如上所述，特别是在发热阻抗体23的驱动通电时间在0.5μs～2.0μs范围内进行驱动的情况下，可以提高耐久性。此外，层间膜22b、22c兼用与电极布线24、25的绝缘等其他电路的绝缘，所以为了稳定的成膜，各层的厚度需要大于等于0.7μm，在本例中以最低的厚度形成，但作为蓄热层22整体的厚度，仍可以达到1.4～1.7μm。构成蓄热层22的膜的材料、蓄热层22的层数和结构，可在蓄热层22的热阻值大于等于保护膜的热阻值的2倍、并且不到5倍的范围内任意地变更。例如，可以使蓄热层22的至少一层为SiOx膜和BPSG(硼磷硅玻璃)膜，而有关其制膜方法，可以采用热氧化法和CVD法等任意的方法。
抗气蚀膜27由单层的Ta膜构成，但也可以形成多个薄膜的层叠结构。由此，可以提高通过电极布线25在发热阻抗体23上产生的台阶部的覆盖性。这与将绝缘膜26形成多个薄膜的层叠结构的情况相同。此外，除了Ta以外，抗气蚀膜27也可以由TaCr、Cr、Ir、Pt或Ir合金膜构成。在抗气蚀膜27为多个薄膜的层叠结构的情况下，也可以将其至少一层形成为这些材料。
在本例中由膜厚0.05μm的TaSiN构成了发热阻抗体23，但并不限于此，也可以由TaN构成，而且，可知只要是发热阻抗体23上下的保护膜和蓄热层22的热阻平衡不崩溃程度的厚度0.01～0.1μm、以及材料，在耐久性和驱动通电时间为0.5μs～2.0μs范围的高频驱动等上就没有问题。
发热阻抗体23的平面尺寸，在本例中为26μm×26μm的正方形。但是，发热阻抗体23的尺寸不限于此，确认至少从16μm×16μm到39μm×39μm左右都没有问题。此外，发热阻抗体23的形状也不限于正方形，形成为长方形也可以。而且，也可以是每一个排出口12的发热阻抗体23的个数为多个、例如将10μm×24μm的长方形发热阻抗体串联连接两个的结构。
如上述那样，在使相对于发热阻抗体23上下的保护膜的蓄热层22的热阻比合适之后，通过驱动通电时间为0.5μs～2.0μs范围的高频驱动，排出方式在将通过发热阻抗体23的驱动而产生的气泡连通到大气的方式和不连通的方式任何一种方式中，在有效地防止保护膜的恶化而不降低对油墨的导热效率，实现发热阻抗体的长寿命，同时提高散热特性，并实现更高频率的驱动方面，都可以获得没有很大差别的同等的出色效果。
(喷墨头的构成例2)
图8是本发明中优选采用的喷墨头的构成例2的与图7同样的剖面图。再有，在图8中，对与图7同样的结构部件附以与图7相同的标号。
本例的喷墨头与喷墨头的构成例1的不同在于，这样形成蓄热层22：以使在构成蓄热层22的一部分的两层的层间膜22b、22c中与热氧化膜22a同样地局部形成一个层间膜22b，而且仅一个层间膜22c存在于发热阻抗体23的正下方。即，在本例中，作为蓄热层22实质上具有的功能，是单层的层间膜22c。其他结构与喷墨头的构成例1相同。
层间膜22c的膜厚为0.7μm，因此，发热阻抗体23的正下方的蓄热层22的厚度也为0.7μm。此外，层间膜22c与喷墨头的构成例1同样由SiO2构成，发热阻抗体23上的保护膜、即绝缘膜26和抗气蚀膜27也由与喷墨头的构成例1同样的材料和膜厚构成，所以本例中的蓄热层22与保护膜的热阻比为2.00。
因此，根据本例的喷墨头，如上述那样，在0.5μs～2.0μs范围的驱动通电时间内驱动发热阻抗体23的情况下，与喷墨头的构成例1比较，可以进一步提高耐久性。为了不降低对油墨的导热效率，驱动通电时间为0.5μs～1.2μs较好。此外，层间膜22c即蓄热层22的厚度，可以在0.7～1.4μm的范围内变更。
(喷墨头的构成例3)
图9是本发明中优选采用的喷墨头的构成例3的与图7同样的剖面图。再有，对与图7同样的结构部件附以与图7相同的标号。
本例的喷墨头与喷墨头的构成例1的不同在于，在蓄热层22中，在与流路对应的部位上不形成热氧化膜22a。抗气蚀膜27、绝缘膜26、以及各层间膜22b、22c的材质和膜厚、其他结构与喷墨头的构成例1相同。
热氧化膜22a与可通过腐蚀形成的层间膜22b、22c相比，难以用细的图形形成，所以如果在与流路对应的部位上保留热氧化膜22a，则存在流路变长的倾向。根据本例，由于在与流路对应的部位上没有热氧化膜22a，所以与喷墨头的构成例1相比，可以缩短流路。其结果，流路缩短，从而可以使连接到流路的油墨室(未图示)靠近发热阻抗体23，可以高效率地进行从油墨室向发热阻抗体23上的油墨供给。因此，根据本例，处理与喷墨头的构成例1同样的效果以外，还可以提高对应高频率驱动等设计的自由度。从该观点来看，在本例中，也可以不一定设置热氧化膜22a。
(喷墨头的构成例4)
图10是本发明中优选采用的喷墨头的构成例4的与图7同样的剖面图。再有，对与图7同样的结构部件附以与图7相同的标号。
本例的喷墨头，蓄热层22的结构也与上述例有所不同，具体地说，在对应于发热部的部分中，热氧化膜22a侧的层间膜22b通过腐蚀被除去，同时热氧化膜22a的膜厚也通过腐蚀而变薄。在本例中，作为蓄热层22实质上的功能，是层间膜22c和热氧化膜22a的保留部，蓄热层22的总厚度为层间膜22c的膜厚和热氧化膜22a的保留部的膜厚之和。由于层间膜22的膜厚仍然比较厚，蓄热层22的总厚度变薄，所以本例是有效的结构。通过使层间膜22c加厚，可以使层间膜22c的正下方的电极布线24的厚度加厚，可以减小电极布线24的布线电阻。
此外，通过半腐蚀而保留热氧化膜22a，还在连接到流路的油墨室(未图示)的形成上带来良好的效果。为了向流路供给油墨，通常在基体20上从与硅构成的基体20的喷嘴构件10所接合的面相反侧的面形成贯通孔，将该贯通孔开口的部分作为供给口(参照图5)。在贯通孔的形成中，单晶硅的各向异性腐蚀的方法，在尺寸精度方面出色。例如，在使用<100>基板作为基体20的基底的硅基板的情况下，通过各向异性腐蚀，获得以(111)面作为壁面的四角锤台的油墨室。(111)面相对于基板面倾斜约54度，图中为用虚线表示的剖面。
可是，在硅基板中有时存在稀少的结晶缺陷。在各向异性腐蚀的贯通孔的形成中，如果存在结晶缺陷等，则该部分的腐蚀优先进行，在油墨室的一部分中产生尺寸异常。为了解决它，如图10所示，在形成了除去层间膜22b后的基体20的贯通孔的部位上，期望形成腐蚀速度比单晶硅快的牺牲层28。牺牲层28在制造工序上的腐蚀时间上产生偏差的情况下，或在产生了多晶硅层的腐蚀速度的偏差的情况等中，由于贯通孔相对于设计值产生偏差，所以用作腐蚀阻止层。只在上述偏差不大发生时，没有牺牲层也可以，下面详细论述牺牲层。牺牲层28通过形成贯通孔而被除去。作为牺牲层28，采用多晶硅或铝。在使用铝的情况下，由于可以与电极布线24同时形成，不增加形成牺牲层28的工序，在抑制制造成本的上升方面也有利。
但是，铝与多晶硅相比，腐蚀速度快，所以在形成贯通孔时，在考虑硅基板的厚度的偏差而将腐蚀时间加长设定的情况下，如图所示，如果在牺牲层28的附近有热氧化膜22a，则由于氧化硅不溶于腐蚀液(例如TMAH；四甲基氢氧化铵)，所以具有作为腐蚀阻挡层的作用，如图中用点划线所示，贯通孔的扩大被限制在与热氧化膜22a的端连接的位置。即使是构成相同的蓄热层22的膜，层间膜22b、22c中使用的BPSG膜或等离子体CVD产生的膜，由于不是致密膜而溶解于腐蚀液，所以不适合作为腐蚀阻挡层。
这样，热氧化膜22a可以用作为通过各向异性腐蚀形成贯通孔时的腐蚀阻挡层，所以如果以包围被形成贯通孔的区域的周围来形成热氧化膜22a，则也可以不一定设置牺牲层28。
以上，如构成例1～4中所述，考虑了发热阻抗体23的下方和其附近的膜结构的各种组合，但为了实现本发明的目的，只要发热阻抗体23下方的热阻相对于发热阻抗体23上方的热阻在规定的范围内，则各自的膜厚根据其他要求来确定就可以。例如，为了确保绝缘性，膜厚越厚越好，而为了通过接触孔来确保层间的导通，使层间膜的膜厚薄，并防止上层的电极的台阶部的开路就可以。
此外，在上述各例中，举例说明了排出口12形成在面对发热阻抗体23的位置上的所谓侧喷射型的喷墨头，但本发明不限于此，也可以应用于图11所示的所谓边缘喷射型的喷墨头30。
边缘喷射型的喷墨头30也与侧喷射型的喷墨头同样，具有基体50和与其接合的喷嘴材料40，但喷嘴材料40的构造与侧喷射型的喷墨头有所不同。具体地说，排出口41的位置不在面对发热阻抗体53的位置而形成在喷嘴材料40的端面上，油墨在与基体50的上表面大致平行的方向上排出。
在这样的边缘喷射型的喷墨头30中，通过在基体50中的保护膜和蓄热层52的结构上也采用上述本发明的结构，可获得与侧喷射型的喷墨头同样的效果。
如以上说明那样，在喷墨头以小于等于2.0μs的驱动脉冲宽度来驱动的情况下，通过将发热阻抗体下方的蓄热层的热阻设定在大于等于发热阻抗体上方的保护膜的热阻的2倍、并且小于5倍的范围内，可以不降低对油墨的导热效率，抑制发热阻抗体上的热产生的‘焦化’，同时防止保护膜的恶化，并实现发热阻抗体的长寿命。此外，通过防止再沸腾和热积蓄而提高散热特性，可以实现更高频率下的驱动。
此外，即使减小排出的油墨滴的尺寸，通过采用本发明的结构，与现有情况相比，也可以将喷墨头的耐久性提高数倍～10倍左右，还具有实现超高图像质量下的记录的效果。通过提高耐久性，可以降低长期观看的运行成本。而且，通过提高耐久性，即使减小排出的油墨滴的尺寸，不必增加发热阻抗体的数目，并且不必将发热阻抗体过度地高密度排列，所以还包括喷墨头的制造工序和喷墨头的驱动电路的简化，也关系到整体的成本下降。此外，即使在蓄热层的厚度上存在一定的公差，对油墨的导热效率也不下降，所以喷墨头的制造公差范围增大，同时合格率提高，并且还具有设计自由度也提高的效果。

Claims (19)

1.一种用于喷墨头的基体，在基板上依次形成有蓄热层、产生用于排出油墨的热能的发热体、以及保护所述发热体的保护膜，
所述蓄热层的位于所述发热体下面的部分的热阻值大于等于所述保护膜的位于所述发热体上面的部分的热阻值的2倍而且小于其5倍。
2.如权利要求1所述的用于喷墨头的基体，其中，所述蓄热层由多层薄膜构成。
3.如权利要求2所述的用于喷墨头的基体，其中，在形成所述蓄热层的薄膜中，至少有一层为SiOx膜或BPSG膜。
4.如权利要求1所述的用于喷墨头的基体，其中，所述保护膜由多层薄膜构成。
5.如权利要求1所述的用于喷墨头的基体，其中，所述保护膜包含SiN膜。
6.如权利要求1所述的用于喷墨头的基体，其中，所述保护膜包含Ta膜。
7.如权利要求1所述的用于喷墨头的基体，其中，所述保护膜包含由TaCr、Cr、Ir、Pt或Ir合金构成的膜。
8.如权利要求1所述的用于喷墨头的基体，其中，所述保护膜具有至少包含膜厚为0.3μm的SiN膜和膜厚为0.23μm的Ta膜的叠层结构，并且所述蓄热层包含总厚度大于等于0.7μm小于等于1.7μm的至少一层氧化硅膜。
9.如权利要求8所述的用于喷墨头的基体，其中，所述发热体由TaSiN或TaN构成，其厚度大于等于0.01μm小于等于0.1μm。
10.一种喷墨头，具有在基板上依次形成了蓄热层、产生用于排出油墨的热能的发热体、以及保护所述发热体的保护膜的基体，与所述发热体对应设置用于排出油墨的排出口，
所述蓄热层的位于所述发热体下面的部分的热阻值大于等于所述保护膜的位于所述发热体上面的部分的热阻值的2倍而且小于其5倍。
11.如权利要求10所述的喷墨头，其中，所述蓄热层为多层薄膜。
12.如权利要求11所述的喷墨头，其中，所述蓄热层在与连通到所述排出口的流路对应的部位中不包含热氧化膜。
13.如权利要求11所述的喷墨头，其中，所述基板由硅构成，在用于向所述发热体上供给油墨的形成于所述基体中的通孔的周围设有热氧化膜。
14.如权利要求10所述的喷墨头，其中，所述保护膜具有至少包含膜厚为0.3μm的SiN膜和膜厚为0.23μm的Ta膜的叠层结构，并且所述蓄热层包含总厚度大于等于0.7μm小于等于1.7μm的至少一层氧化硅膜。
15.一种喷墨头的驱动方法，该喷墨头具有在基板上依次形成了蓄热层、产生用于排出油墨的热能的发热体、以及保护所述发热体的保护膜的基体，与所述发热体对应设置用于排出油墨的排出口，所述蓄热层的位于所述发热体下面的部分的热阻值大于等于所述保护膜的位于所述发热体上面的部分的热阻值的2倍而且小于其5倍，
该驱动方法使用该喷墨头以大于等于0.5μs小于等于2.0μs的驱动通电时间来驱动所述发热体，从而从所述排出口排出油墨。
16.如权利要求15所述的驱动方法，其中，所述驱动通电时间大于等于0.5μs小于等于1.2μs。
17.如权利要求15所述的驱动方法，其中，用于排出油墨的所述发热体的驱动为施加多个脉冲产生的驱动，所述驱动通电时间是所述多个脉冲的合计的通电时间。
18.如权利要求16所述的喷墨头的驱动方法，其中，所述保护膜具有至少包含膜厚为0.3μm的SiN膜和膜厚为0.23μm的Ta膜的叠层结构，并且所述蓄热层包含总厚度大于等于0.7μm小于等于1.7μm的至少一层氧化硅膜，
该驱动方法使用该喷墨头以0.5～2.0μs的驱动通电时间来驱动所述发热体，从而从所述排出口排出油墨。
19.一种喷墨记录装置，包括：
喷墨头，该喷墨头具有在基板上依次形成了蓄热层、产生用于排出油墨的热能的发热体、以及保护所述发热体的保护膜的基体，与所述发热体对应设置用于排出油墨的排出口，所述蓄热层的位于所述发热体下面的部分的热阻值大于等于所述保护膜的位于所述发热体上面的部分的热阻值的2倍而且小于其5倍；以及
驱动部件，以大于等于0.5μs而且小于等于2.0μs的驱动通电时间来驱动所述发热体。
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