JP2005205892A - Base body for inkjet head, inkjet head, driving method of inkjet head, and inkjet recording apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インクジェット方式に従ってインクを吐出して記録媒体に記録を行うインクジェットヘッドの駆動方法およびインクジェット記録装置に関し、特に、インクを吐出するのに熱エネルギーを利用するものに関する。 The present invention relates to an ink-jet head driving method and an ink-jet recording apparatus that perform recording on a recording medium by discharging ink according to an ink-jet method, and more particularly to an apparatus that uses thermal energy to discharge ink.
なお、本発明における「記録」とは、文字や図形等のように意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与することだけでなく、パターン等のように意味を持たない画像を付与することをも意味するものである。 Note that “recording” in the present invention refers to not only giving a meaningful image such as a character or figure to a recording medium, but also giving a meaningless image such as a pattern. Is also meant.
近年、紙、糸、繊維、布、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミック等の記録媒体に対して記録を行う、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサ等の装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わされた記録装置に、数多くの記録装置が使用されるようになっている。これらの記録装置に対しては、高速記録、高解像度、高画像品質、低騒音などが要求されている。このような要求に応える記録装置として、インクジェット記録装置が挙げられる。インクジェット記録装置は、吐出口を有するインクジェットヘッドを用い、この吐出口からインク(記録液)滴を吐出飛翔させ、これを記録媒体に付着させて記録を行う。インクジェット記録装置では、インクジェットヘッドと記録媒体とが非接触であるため、非常に安定した記録画像等を得ることができる。 In recent years, devices such as printers, copiers, facsimiles with communication systems, word processors with printers, etc., which record on recording media such as paper, thread, fiber, cloth, metal, plastic, glass, wood, ceramics, Furthermore, many recording apparatuses are used in recording apparatuses combined with various processing apparatuses. For these recording apparatuses, high-speed recording, high resolution, high image quality, low noise, and the like are required. An ink jet recording apparatus is an example of a recording apparatus that meets such a demand. An ink jet recording apparatus uses an ink jet head having an ejection port, ejects and ejects ink (recording liquid) droplets from the ejection port, and attaches the droplets to a recording medium for recording. In the ink jet recording apparatus, since the ink jet head and the recording medium are not in contact with each other, a very stable recorded image or the like can be obtained.
このようなインクジェットヘッドの中でも、熱エネルギーを利用してインクを吐出するインクジェットヘッドは、多数の吐出口を高密度に配列することができるため高解像度の記録を行える他、コンパクト化も容易であるなどの利点を有している。 Among such ink-jet heads, an ink-jet head that ejects ink using thermal energy can arrange a large number of ejection openings at a high density, so that high-resolution recording can be performed and compactization is also easy. It has the advantages such as.
熱エネルギーを利用する従来のインクジェットヘッドは、シリコン等の基体上に複数の発熱抵抗体を列状に配列することで高密度化を達成し、また、複数の発熱抵抗体に対して共通の蓄熱層や電気絶縁膜を有した構成が一般的である(例えば、特許文献1、特許文献2等参照。)。
Conventional inkjet heads that use thermal energy achieve a high density by arranging a plurality of heating resistors in a row on a substrate such as silicon, and a common heat storage for the plurality of heating resistors. A structure having a layer or an electric insulating film is generally used (see, for example,
図15に、熱エネルギーを利用した従来のインクジェットヘッドの、一つの発熱抵抗体の部分での模式的断面図を示す。 FIG. 15 is a schematic cross-sectional view of a conventional heating head using thermal energy at one heating resistor.
図15に示すように、インクジェットヘッド100は、発熱抵抗体(ヒータ)123が形成された基体120と、基体120上に接合されたノズル材110とを有する。基体120は、シリコンからなる基板121の表面に、熱酸化膜等の複数の層で構成された蓄熱層122と、蓄熱層122上に部分的に形成された発熱抵抗体123と、発熱抵抗体123に電力を供給するための電極配線124,125と、発熱抵抗体123および蓄熱層122を覆って形成された電気絶縁膜126と、電気絶縁膜126上に形成された、Taからなる耐キャビテーション膜127とを有する。電気絶縁膜126および耐キャビテーション膜127を合わせて保護膜128を構成する。ノズル材110は、基体120と接合されることで、発熱抵抗体123の上方をインクチャンバ112とする液路を形成する。また、ノズル材110には、発熱抵抗体123と対向する位置に吐出口111が形成されている。
As shown in FIG. 15, the
インクチャンバ112にはインクが満たされており、この状態で電極配線124,125を通じて発熱抵抗体123に電圧を印加することで発熱抵抗体123が発熱する。発熱抵抗体123の発熱によってインクチャンバ112内のインクが急激に加熱されて膜沸騰する。これによりインクに気泡が発生し、その気泡の成長に基づく圧力によって、吐出口111からインクが吐出する。
The
発熱抵抗体123で発生した熱エネルギーを効率よくインクに伝えるために、基体120の膜構成についてこれまでに様々な工夫が提案されている。
In order to efficiently transmit the heat energy generated in the heating resistor 123 to the ink, various ideas have been proposed so far regarding the film configuration of the
図16を参照して、発熱抵抗体123の発熱による伝熱の原理を説明する。図16において、発熱抵抗体123に通電することによって、熱量Qが印加される。その熱量Qは発熱抵抗体123の上下に拡散し、Q1,Q2となる。上方に拡散した熱量Q1は、電気絶縁膜や耐キャビテーション膜で構成される保護膜128上のインク130に伝わる。これによりインク130に気泡131が発生し、上記のように吐出が行われる。このとき、印加する熱量Qを効率よくQ1としてインクに伝達するために、以下のような工夫がされている。 With reference to FIG. 16, the principle of heat transfer by heat generation of the heating resistor 123 will be described. In FIG. 16, the amount of heat Q is applied by energizing the heating resistor 123. The amount of heat Q diffuses above and below the heating resistor 123 and becomes Q1 and Q2. The amount of heat Q1 diffused upward is transmitted to the ink 130 on the protective film 128 formed of an electrical insulating film or anti-cavitation film. As a result, bubbles 131 are generated in the ink 130, and ejection is performed as described above. At this time, in order to efficiently transmit the applied heat quantity Q to the ink as Q1, the following measures are taken.
まず、発熱抵抗体123上の層については、インクに均一に熱が伝わるようにするため、保護膜128を、比較的熱伝導率が低く、かつ厚みの薄い膜として形成している。保護膜128は、インクとの絶縁も兼ねていることから、現在は例えばSiNなどで形成し、その厚さを約0.2〜0.5μm程度とすることが適正とされている。 First, for the layer on the heating resistor 123, the protective film 128 is formed as a thin film having a relatively low thermal conductivity so that heat can be uniformly transmitted to the ink. Since the protective film 128 also serves as insulation from the ink, it is currently considered appropriate to form the protective film 128 with, for example, SiN and to have a thickness of about 0.2 to 0.5 μm.
保護膜128の厚さを0.2μm程度以上とした理由は、厚さが0.2μm未満であると、電極配線と発熱抵抗体123との境界部に生じる電極配線の厚み分の段差によって保護膜128に切れが生じ易くなるためである。その逆に、保護膜128の厚さが厚すぎると、発熱抵抗体123で生じた熱がインク130に伝わりにくくエネルギー効率が悪くなり、さらに、製造上のばらつきや製造コストの点から、厚くても0.5μm程度を適正としている。 The reason why the thickness of the protective film 128 is about 0.2 μm or more is that when the thickness is less than 0.2 μm, the protective film 128 is protected by a step corresponding to the thickness of the electrode wiring generated at the boundary between the electrode wiring and the heating resistor 123. This is because the film 128 is likely to be cut. On the contrary, if the protective film 128 is too thick, the heat generated in the heating resistor 123 is not easily transmitted to the ink 130, resulting in poor energy efficiency. Further, it is thick from the viewpoint of manufacturing variation and manufacturing cost. Is about 0.5 μm.
一方、発熱抵抗体123の下側の層については、蓄熱層122の厚みを十分に厚くするなどの工夫がされている。この厚みは、製造方法や発熱抵抗体123の耐久性などにより経験的に決められており、例えば、SiOxなどにより3μm程度の厚さで形成している。 On the other hand, with respect to the lower layer of the heating resistor 123, a contrivance is made such as sufficiently increasing the thickness of the heat storage layer 122. This thickness is determined empirically by the manufacturing method, the durability of the heating resistor 123, and the like, and is formed with a thickness of about 3 μm by, for example, SiO x or the like.
また、記録速度の高速化の観点から、発熱抵抗体123の駆動通電時間(パルス幅)を短くする工夫もされている。例えば、駆動周波数30kHzで16分割駆動であれば、約2μs以下で駆動しなければならない。駆動上のマージンも考えるとさらに短パルスが好ましい。 Further, from the viewpoint of increasing the recording speed, a device for shortening the drive energization time (pulse width) of the heating resistor 123 is also devised. For example, if the driving frequency is 30 kHz and the driving is divided into 16 parts, the driving must be performed in about 2 μs or less. Considering the driving margin, shorter pulses are preferable.
駆動通電時間を短くし、熱流束を上げることにより、より安定した発泡が得られることも分かっている。安定した発泡は、気泡を大気に連通させる吐出方式において効果が絶大であり、高品位記録のインクジェットヘッドでは駆動通電時間が約0.5〜1.2μsであることが必須の構成となっている。さらには、駆動パルスを複数に分割し、ダブルパス、トリプルパスにすることにより、吐出効率をさらに向上させるといったことも行われている。
しかしながら、記録装置の高品位記録化が進み、吐出する液滴のサイズも日々小さくなってきており、現在では数plという極小の液滴となっている。そのため、従来に比べて投入エネルギーに対する吐出量、すなわち吐出効率を数倍〜10倍程度上げる必要があり、困難な問題となっていた。 However, with the progress of high-quality recording of recording apparatuses, the size of ejected liquid droplets is becoming smaller every day, and now it is a very small liquid droplet of several pl. Therefore, it is necessary to increase the discharge amount with respect to the input energy, that is, the discharge efficiency by several to 10 times compared to the conventional case, which is a difficult problem.
この問題を回避すべく、発熱抵抗体上の保護膜を薄くする手法もとられているが、前述のように配線の段差部で高い信頼性で絶縁状態を維持するためには、製造上のばらつきなども考慮すると、薄くても0.2μm程度が限界であった。また、保護膜に熱伝導性の良い材料を使ったとしても、絶縁性が十分でなかったり、熱が保護膜の表面上で面内方向に広がったりする場合がある。このことは、さらに効率を低下させるといった悪循環を招き、保護膜の適正な厚みや熱伝導率などがよく分かっていなかった。 In order to avoid this problem, a method of thinning the protective film on the heating resistor has been taken, but as described above, in order to maintain the insulation state with high reliability at the stepped portion of the wiring, In consideration of variations and the like, the limit is about 0.2 μm even if it is thin. Even if a material having good thermal conductivity is used for the protective film, the insulation may not be sufficient, or heat may spread in the in-plane direction on the surface of the protective film. This caused a vicious cycle of further reducing the efficiency, and the proper thickness and thermal conductivity of the protective film were not well understood.
また、保護膜は、インクの熱化学反応やインクの組成物の炭化によって「コゲ」として付着することによる吐出劣化を防止するために、表面がTaなどの耐キャビテーション膜で形成される。この膜の材料についても、耐キャビテーション性を向上させるため、高耐久性を示すIrなどの貴金属材料も検討されている。しかし、Irなどは熱伝導性が高いため、十分な被覆性をもたせるために膜厚を厚くした場合、発熱抵抗体で発生した熱エネルギーが膜の面内方向に逃げるため、効率を低下させるといった弊害も問題になっており、耐キャビテーション膜の適正な厚みや熱伝導率などはよく分かっていなかった。 Further, the protective film is formed of a cavitation-resistant film such as Ta in order to prevent discharge deterioration caused by adhering as “koge” due to the thermochemical reaction of the ink or carbonization of the ink composition. As for the material of this film, in order to improve the cavitation resistance, a noble metal material such as Ir exhibiting high durability has been studied. However, since Ir and the like have high thermal conductivity, if the film thickness is increased in order to provide sufficient coverage, the heat energy generated by the heating resistor escapes in the in-plane direction of the film, thus reducing efficiency. The harmful effect is also a problem, and the proper thickness and thermal conductivity of the anti-cavitation film have not been well understood.
さらに、発熱抵抗体の効率や耐久性を擬似的に向上させるために、発熱抵抗体の数を増やす方法もある。しかし、発熱抵抗体の数を増やすことは、そのための駆動回路やメモリなどが相当数必要となり、基体のサイズが大きくなるだけでなく、駆動も煩雑となり記録装置本体の駆動用ICの高集積化やソフトの複雑化などによって、結果的にコストアップを招くことになる。 Furthermore, there is a method of increasing the number of heating resistors in order to improve the efficiency and durability of the heating resistors in a pseudo manner. However, increasing the number of heating resistors necessitates a considerable number of drive circuits and memories for this purpose, which not only increases the size of the substrate, but also increases the complexity of driving ICs for the recording apparatus main body. As a result, the cost increases due to the complexity of software and software.
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、保護膜の絶縁信頼性を低下させることなく、また耐キャビテーション性を低下させることなく、インクへの熱伝達効率を最大限に最適化することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and optimizes the heat transfer efficiency to the ink to the maximum without reducing the insulation reliability of the protective film and without reducing the cavitation resistance. The purpose is to do.
上記目的を達成するため本発明のインクジェットヘッド用の基体は、基板上に、蓄熱層、インクを吐出するために用いられる熱エネルギーを発生する発熱体、および前記発熱体を保護する保護膜が順次形成されたインクジェットヘッド用の基体であって、前記保護膜の前記発熱体の上の部分の総厚が0.2μm以上0.6μm以下、前記保護膜の前記発熱体の上の部分の熱抵抗値が5×10-9m2・K/W以上50×10-9m2・K/W以下、かつ、前記蓄熱層の前記発熱体の下の部分の熱抵抗値が前記保護膜の前記発熱体の上の部分の熱抵抗値の2倍以上であることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a substrate for an ink jet head according to the present invention includes a heat storage layer, a heating element for generating thermal energy used for ejecting ink, and a protective film for protecting the heating element in this order. A formed substrate for an ink jet head, wherein a total thickness of a portion of the protective film on the heating element is 0.2 μm or more and 0.6 μm or less, and a thermal resistance of a portion of the protective film on the heating element The value of 5 × 10 −9 m 2 · K / W to 50 × 10 −9 m 2 · K / W and lower, and the thermal resistance value of the heat storage layer under the heating element is the value of the protective film It is characterized by being at least twice the thermal resistance value of the upper part of the heating element.
なお、本発明において、発熱体あるいは発熱抵抗体とは、蓄熱層上に形成された層全体ではなく、その一部の、通電によって発生した熱をインクに作用させる領域の部分、すなわち保護膜がなければインクと直接接してインクを加熱する部分をいう。 In the present invention, the heating element or the heating resistor is not a whole layer formed on the heat storage layer, but a part of a region where the heat generated by energization is applied to the ink, that is, a protective film. If not, it refers to the part that heats the ink in direct contact with the ink.
本発明によれば、保護膜の絶縁信頼性を低下させることなく、また耐キャビテーション性能を低下させることなく、インクへの熱伝達効率を最大限に最適化することができる。その結果、インクジェットヘッドの特性を生かして、効率よくインクを吐出することができる。また、保護膜の熱抵抗値が5〜50×10-9m2・K/Wで、しかも蓄熱層の総熱抵抗値が保護膜の総熱抵抗値の2倍以上である範囲で保護膜の構成は任意に変更可能であるので、設計の自由度が向上しコストダウンも可能になるという効果も併せ持つ。 According to the present invention, the heat transfer efficiency to the ink can be optimized to the maximum without reducing the insulation reliability of the protective film and without reducing the anti-cavitation performance. As a result, ink can be efficiently ejected utilizing the characteristics of the inkjet head. Further, the protective film has a thermal resistance value of 5 to 50 × 10 −9 m 2 · K / W, and the total thermal resistance value of the heat storage layer is more than twice the total thermal resistance value of the protective film. Since the configuration can be arbitrarily changed, there is an effect that the degree of freedom in design is improved and the cost can be reduced.
本明細書中における、「(数値A)〜(数値B)」は、「数値A以上、数値B以下」の範囲を示す。 In this specification, “(numerical value A) to (numerical value B)” indicates a range of “numerical value A or more and numerical value B or less”.
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
〈本発明のインクジェットヘッドの概要(発明者等による検討)〉
始めに、本発明の概要について説明する。本発明は、発熱抵抗体上の保護膜を適正な熱抵抗をもった構成にすることにある。まず、本発明者らは、図15のような膜構成を有するインクジェットヘッドにおいて、発熱抵抗体上での保護膜の厚さについて、絶縁信頼性および耐キャビテーション性の観点から経験的最適厚さを0.3μm〜0.5μmと仮定し、その熱伝導率を変化させることによって保護膜の総熱抵抗を変化させ、それによる発泡効率の変化を、3次元熱伝導シミュレーションを用いて計算した。その結果を図1に示す。
<Outline of the inkjet head of the present invention (examination by the inventors)>
First, the outline of the present invention will be described. It is an object of the present invention to make the protective film on the heating resistor have a proper thermal resistance. First, in the ink jet head having the film configuration as shown in FIG. 15, the inventors set an empirically optimum thickness of the protective film on the heating resistor from the viewpoint of insulation reliability and cavitation resistance. Assuming 0.3 μm to 0.5 μm, the total thermal resistance of the protective film was changed by changing its thermal conductivity, and the change in foaming efficiency was calculated using a three-dimensional heat conduction simulation. The result is shown in FIG.
図1は、保護膜の熱抵抗値と、熱伝導効率の指標となる、インクを吐出させるのに必要な最低限の通電駆動時間である臨界発泡パルス幅との関係を示すグラフである。このときの条件として、発熱抵抗体の厚みを0.05μm、電極配線の厚みを0.2μm、材料をAlとした。また、熱流束として、発熱抵抗体における単位体積当たりの投入エネルギーを、4.55×1016W/m3とした。これは、一辺が26μmの正方形の発熱抵抗体で、抵抗値が100Ωであり120mAの電流を流した場合に相当する。このとき、発熱抵抗体の中心の真上にある常温の水が300℃に達する時間を計算したものを臨界発泡パルスと呼ぶことにする。図1において、この臨界発泡パルス幅が小さいほど、少ないエネルギーで発泡するため、発熱抵抗体の発泡効率が良いことになる。 FIG. 1 is a graph showing the relationship between the thermal resistance value of the protective film and the critical foaming pulse width, which is the minimum energization driving time necessary for ejecting ink, which is an index of heat conduction efficiency. As conditions at this time, the thickness of the heating resistor was 0.05 μm, the thickness of the electrode wiring was 0.2 μm, and the material was Al. As the heat flux, the input energy per unit volume of the heating resistor was 4.55 × 10 16 W / m 3 . This is equivalent to a square heating resistor having a side of 26 μm, a resistance value of 100Ω, and a current of 120 mA flowing. At this time, what calculated the time for normal temperature water just above the center of the heating resistor to reach 300 ° C. is called a critical foaming pulse. In FIG. 1, the smaller the critical foaming pulse width is, the less foaming is performed, and thus the foaming efficiency of the heating resistor is improved.
図1から明らかなように、膜厚0.3μm、0.4μm、および0.5μmのすべてにおいて同様の傾向を示し、保護膜の熱抵抗値が約5〜10×10-9m2・K/W程度のときに臨界発泡パルス幅が極小となる、すなわち発熱抵抗体の発泡効率が最大になる極点であることを見出した。従来の、SiNからなる膜厚0.3μmの電気絶縁膜およびTaからなる膜厚0.23μmの耐キャビテーション膜で構成される保護膜では、熱抵抗値は約2.5×10-7m2・K/W程度である。このことは、膜厚が0.3μ〜0.5μmという薄い膜厚の保護膜においては、熱抵抗値を上記の範囲まで下げても、発熱抵抗体で発生した熱エネルギーは保護膜の面内方向に発散することなく、結果的に発泡効率が向上することを示している。 As is apparent from FIG. 1, the same tendency is shown in all film thicknesses of 0.3 μm, 0.4 μm, and 0.5 μm, and the thermal resistance value of the protective film is about 5 to 10 × 10 −9 m 2 · K. It has been found that the critical foaming pulse width becomes the minimum when about / W, that is, the extreme point at which the foaming efficiency of the heating resistor is maximized. In a conventional protective film composed of a 0.3 μm thick electric insulating film made of SiN and a 0.23 μm thick cavitation resistant film made of Ta, the thermal resistance value is about 2.5 × 10 −7 m 2.・ It is about K / W. This means that in the case of a protective film having a thin film thickness of 0.3 μm to 0.5 μm, even if the thermal resistance value is lowered to the above range, the thermal energy generated in the heating resistor is in the plane of the protective film. It shows that the foaming efficiency is improved as a result without divergence in the direction.
上記の範囲よりもさらに熱抵抗値を下げると、臨界発泡パルス幅は上昇に転じ、発泡効率は悪くなる。これは、膜厚が0.3μm〜0.5μmという薄い膜厚の保護膜においても、発熱抵抗体で発生した熱エネルギーが保護膜の面内方向に発散していることを示している。 If the thermal resistance value is further lowered from the above range, the critical foaming pulse width starts to rise, and the foaming efficiency deteriorates. This indicates that even in a protective film having a thin film thickness of 0.3 μm to 0.5 μm, the thermal energy generated by the heating resistor is diffused in the in-plane direction of the protective film.
さらに、図1より、臨界発泡パルス幅が極小となる領域は比較的広く、10×10-9m2・K/Wよりもさらに高い、50×10-9m2・K/W程度まで発泡効率はあまり変わらないことも明らかである。もちろん、最も好ましい熱抵抗値は、上記の5〜10×10-9m2・K/Wの範囲である。 Further, from FIG. 1, a region critical foam pulse width is minimized is relatively wide, even higher than 10 × 10 -9 m 2 · K / W, foaming up to about 50 × 10 -9 m 2 · K / W It is clear that the efficiency does not change much. Of course, the most preferable thermal resistance value is in the range of 5 to 10 × 10 −9 m 2 · K / W.
また、図1では保護膜の膜厚を0.3〜0.5μmの範囲でシミュレーションした結果を示したが、保護膜の膜厚が0.2〜0.6μmの範囲までは同等の特性を示すことが本シミュレーションで確認されている。 In addition, FIG. 1 shows the result of simulating the thickness of the protective film in the range of 0.3 to 0.5 μm, but the same characteristics are obtained until the thickness of the protective film is in the range of 0.2 to 0.6 μm. This is confirmed by this simulation.
次に、上述の熱抵抗値を実現するためには保護膜の熱伝導率がどの程度になるか計算した。この際の条件としては、従来のインクジェットヘッドに対する変更をできるだけ行わないように、図15に示した構成における耐キャビテーション膜はそのままとし(材料:Ta、膜厚:0.23μm)、絶縁膜の膜厚(0.1μm、0.2μm、0.3μm)と熱伝導率を変化させて再度計算を行った。これは、耐キャビテーション膜を構成するTaの熱伝導率は絶縁膜を構成するSiNに比べて大きく、発泡効率にはあまり影響していない、つまり、発泡効率は主として絶縁膜に依存すると考えられるためである。このシミュレーションに用いた具体的な熱伝導率の値としては、薄膜の熱伝導率は厚みや成膜プロセスなどにも依存するが、文献などから一般に得られる値である、薄膜Taの熱伝導率=54W/m・K、薄膜SiNの熱伝導率=1.2W/m・Kを用いた。例えば薄膜SiNの熱伝導率は1.2〜32W/m・K程度まで変化するが、それでもTaの熱伝導率よりは小さい。 Next, in order to realize the above-mentioned thermal resistance value, the degree of thermal conductivity of the protective film was calculated. As the conditions at this time, the cavitation-resistant film in the configuration shown in FIG. 15 is left as it is (material: Ta, film thickness: 0.23 μm) so as not to change the conventional inkjet head as much as possible. The calculation was performed again by changing the thickness (0.1 μm, 0.2 μm, 0.3 μm) and the thermal conductivity. This is because the thermal conductivity of Ta constituting the anti-cavitation film is larger than that of SiN constituting the insulating film and does not significantly affect the foaming efficiency. That is, it is considered that the foaming efficiency mainly depends on the insulating film. It is. As specific thermal conductivity values used in this simulation, the thermal conductivity of the thin film Ta is a value generally obtained from the literature, although the thermal conductivity of the thin film depends on the thickness and the film forming process. = 54 W / m · K, thermal conductivity of thin film SiN = 1.2 W / m · K was used. For example, the thermal conductivity of the thin film SiN varies from about 1.2 to 32 W / m · K, but is still smaller than the thermal conductivity of Ta.
以上のようにして求めた熱伝導率と臨界発泡パルス幅との関係を図2に示す。図2から明らかなように、絶縁膜の熱伝導率が10〜200W/m・Kの範囲で臨界発泡パルス幅が極小となる。この範囲においては、臨界発泡パルス幅はほとんど変化なく、良好な発泡効率が得られることが分かる。また、図2では絶縁膜の膜厚を0.1〜0.3μmの範囲でシミュレーションした結果を示したが、絶縁膜の膜厚が0.3〜0.4μmの範囲においても同等の特性を示す。 FIG. 2 shows the relationship between the thermal conductivity obtained as described above and the critical foaming pulse width. As is apparent from FIG. 2, the critical foaming pulse width is minimized when the thermal conductivity of the insulating film is in the range of 10 to 200 W / m · K. In this range, it can be seen that the critical foaming pulse width hardly changes, and good foaming efficiency can be obtained. In addition, FIG. 2 shows the result of simulation of the film thickness of the insulating film in the range of 0.1 to 0.3 μm, but the same characteristics are obtained even in the range of the film thickness of the insulating film from 0.3 to 0.4 μm. Show.
さらに、絶縁の膜厚が0.3μmである場合に、絶縁膜の熱伝導率を2〜500W/m・Kの範囲で変化させ、発熱抵抗体の真上の水が300℃付近になったとき、つまり発泡直前での、水に接する保護膜上の温度分布を図3に示す。図3から明らかなように、熱伝導率が高くなるほど、300℃に達する発熱抵抗体の表面面積が小さくなっている。これは前述のように、熱伝導率が高いと、発熱抵抗体で発生した熱エネルギーが面内方向に発散するためである。図3によれば、熱伝導率が100W/m・K程度までは、面内方向への発散はあまり起こらず、従来のインクジェットヘッドにおける絶縁膜の熱伝導率と比較しても大きな変化はない。しかし、熱伝導率が500W/m・K程度になると、300℃の平衡領域がほとんどなくなり、熱エネルギーは面内方向に発散していることが分かる。 Further, when the insulating film thickness was 0.3 μm, the thermal conductivity of the insulating film was changed in the range of 2 to 500 W / m · K, and the water just above the heating resistor became around 300 ° C. FIG. 3 shows the temperature distribution on the protective film in contact with water just before foaming. As is apparent from FIG. 3, the surface area of the heating resistor reaching 300 ° C. becomes smaller as the thermal conductivity becomes higher. This is because, as described above, when the thermal conductivity is high, the thermal energy generated in the heating resistor is diffused in the in-plane direction. According to FIG. 3, until the thermal conductivity is up to about 100 W / m · K, there is not much divergence in the in-plane direction, and there is no significant change compared to the thermal conductivity of the insulating film in the conventional inkjet head. . However, it can be seen that when the thermal conductivity is about 500 W / m · K, the equilibrium region at 300 ° C. is almost eliminated, and the thermal energy is diverged in the in-plane direction.
以上のことから、保護膜が絶縁膜とTaからなる耐キャビテーション膜とを有する構成の場合、発泡効率を向上させるためには、絶縁膜の熱伝導率は10〜200W/m・Kであることが好ましく、より好ましくは10〜100W/m・K、最も好ましくは10〜50W/m・Kである。 From the above, when the protective film has an insulating film and a cavitation-resistant film made of Ta, the thermal conductivity of the insulating film is 10 to 200 W / m · K in order to improve the foaming efficiency. Is preferable, more preferably 10 to 100 W / m · K, and most preferably 10 to 50 W / m · K.
再び図1、図2を参照すると、臨界発泡パルス幅は0.2〜0.6μs程度である。ただし、実際にインクを発泡させて吐出を行う場合は、インクジェットヘッドの製造上のばらつき等も考慮してこの臨界発泡パルス幅に一定の割合増加した駆動パルスを与えるため、前述のように、気泡を大気に連通させる吐出方式における安定吐出を行うための高熱流速の適正条件である、0.5〜1.2μsという、従来の駆動条件とほぼ同等になる。さらには、インクジェットヘッドの製造上のばらつきだけでなく、インクジェットヘッドが実際に使用される温度環境等も考慮すると、インクを吐出させるための駆動パルス幅を0.2〜2.0μsとすれば、ほぼ問題ない。 Referring to FIGS. 1 and 2 again, the critical foam pulse width is about 0.2 to 0.6 μs. However, when the ink is actually foamed and ejected, in order to give a drive pulse that is increased by a certain percentage to this critical foaming pulse width in consideration of variations in manufacturing of the inkjet head, as described above, the bubble This is almost the same as the conventional driving condition of 0.5 to 1.2 μs, which is an appropriate condition of a high heat flow rate for performing stable discharge in a discharge method for communicating with the atmosphere. Furthermore, in consideration of not only the manufacturing variation of the inkjet head but also the temperature environment in which the inkjet head is actually used, if the drive pulse width for ejecting ink is 0.2 to 2.0 μs, Almost no problem.
さらに本発明者等は、蓄熱層がインクへの熱伝達効率に及ぼす影響について検討した。まず、図15のような膜構成を有するインクジェットヘッドにおいて、保護膜を、膜厚0.3μmのSiN膜(絶縁膜)および膜厚0.23μmのTa膜(耐キャビテーション膜)とした条件で、蓄熱層を膜厚2.5μmのSiO2膜とした場合と、膜厚1.5μmのSiO2膜とした場合について、発熱抵抗体を0.8μsの駆動パルス幅で駆動したときの、発熱抵抗体の駆動パルス印加時点からの表面温度の時間経過による変化を、3次元熱伝導シミュレーションを用いて計算した。その結果を図4に示す。 Furthermore, the present inventors examined the influence of the heat storage layer on the heat transfer efficiency to the ink. First, in the ink jet head having the film configuration as shown in FIG. 15, the protective film is a 0.3 μm thick SiN film (insulating film) and a 0.23 μm Ta film (anti-cavitation film). When the heat storage layer is a SiO 2 film with a film thickness of 2.5 μm and when it is a SiO 2 film with a film thickness of 1.5 μm, the heating resistor is driven with a driving pulse width of 0.8 μs. The change with time of the surface temperature from the time of applying the body drive pulse was calculated using a three-dimensional heat conduction simulation. The result is shown in FIG.
図4から明らかなように、2種類の蓄熱層を比較すると、最大ピーク温度は両者とも500℃程度でほぼ同じであるが、その後の温度は膜厚が薄い方が、速く低下している。この結果から、蓄熱層の厚みを薄くしてもインクへの熱伝達効率は低下しないと考えられる。 As is clear from FIG. 4, when the two types of heat storage layers are compared, the maximum peak temperature is approximately the same at about 500 ° C., but the subsequent temperature decreases more rapidly as the film thickness is thinner. From this result, it is considered that the heat transfer efficiency to the ink does not decrease even if the thickness of the heat storage layer is reduced.
次に、インクへの熱伝達効果を低下させることなく蓄熱層をどこまで薄くできるかを、3次元熱伝導シミュレーションを用いて計算した。その結果を図5に示す。 Next, to what extent the heat storage layer can be thinned without reducing the effect of heat transfer to the ink was calculated using a three-dimensional heat conduction simulation. The result is shown in FIG.
図5は、上記シミュレーションによって得られた、蓄熱層の厚みと、発熱抵抗体の単位面積当たりのインク臨界発泡エネルギーとの関係を示すグラフである。発熱抵抗体の単位面積当たりのインク臨界発泡エネルギーは、インクへの熱伝達効率の指標となるものである。インク臨界発泡エネルギーとは、発熱抵抗体表面の温度が、インクの発泡温度である300℃を超えるために必要な臨界の熱エネルギー値であり、この値が大きいほど、熱伝達効率が悪いことを意味している。計算は、駆動通電時間である熱エネルギー印加時間(Pw)を0.5μs〜3.0μsまで変化させて行った。この熱エネルギー印加時間は、インクジェットヘッドの記録速度の観点から、高速で駆動させることが必要であり、かつ駆動パルス精度から短すぎない条件として得られた適正時間である。また、この時間は、気泡を大気に連通させる吐出方式における安定吐出を行うための高熱流束の適正条件、すなわち前述した0.5〜1.2μsの駆動通電時間を含んでいる。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the thickness of the heat storage layer and the critical ink foaming energy per unit area of the heating resistor, obtained by the simulation. The critical ink foaming energy per unit area of the heating resistor is an index of heat transfer efficiency to the ink. The ink critical foaming energy is a critical thermal energy value necessary for the temperature of the heating resistor surface to exceed the ink foaming temperature of 300 ° C., and the larger this value, the worse the heat transfer efficiency. I mean. The calculation was performed by changing the heat energy application time (Pw), which is the drive energization time, from 0.5 μs to 3.0 μs. This heat energy application time is an appropriate time obtained as a condition that it is necessary to drive at high speed from the viewpoint of the recording speed of the inkjet head and is not too short from the drive pulse accuracy. Further, this time includes an appropriate condition of high heat flux for performing stable discharge in the discharge method in which bubbles communicate with the atmosphere, that is, the drive energization time of 0.5 to 1.2 μs described above.
図5から明らかなように、蓄熱層の厚みが約0.7μmより薄いと、インクへの熱伝導効率が急激に悪くなっている。このことから、蓄熱層の厚みは0.7μm以上であればよいことが分かる。また、0.7μmよりも薄い蓄熱層は、安定して成膜することが困難である。 As is apparent from FIG. 5, when the thickness of the heat storage layer is thinner than about 0.7 μm, the efficiency of heat conduction to the ink is abruptly deteriorated. This shows that the thickness of the heat storage layer may be 0.7 μm or more. Moreover, it is difficult to stably form a heat storage layer thinner than 0.7 μm.
さらに図5から、熱伝達効率は、熱エネルギー印加時間(Pw)が長いほど悪く、またPwが長いほど蓄熱層の厚みによる影響が大きいことが分かる。具体的には、Pwが1.2〜2μsでは蓄熱層の厚みは1.0μm以上、また、高熱流束の条件であるPwが1.2μs以下では蓄熱層の厚みは0.7μm以上であっても効率が低下せず適正であることが分かる。 Furthermore, it can be seen from FIG. 5 that the heat transfer efficiency is worse as the heat energy application time (Pw) is longer, and the influence of the thickness of the heat storage layer is larger as Pw is longer. Specifically, when Pw is 1.2 to 2 μs, the thickness of the heat storage layer is 1.0 μm or more, and when Pw is 1.2 μs or less, which is a high heat flux condition, the thickness of the heat storage layer is 0.7 μm or more. However, it turns out that efficiency does not fall and is appropriate.
以上のことから、保護膜が、膜厚0.3μmのSiN膜および膜厚0.23μmのTa膜である場合において、熱伝達効率を良好にするためには、SiO2からなる蓄熱層の厚みは1.0μm以上であることが適正であり、さらには、駆動通電時間は、Pwが1.2μs以下では蓄熱層の厚みは0.7μm以上が適正であることが言える。駆動通電時間は、1つのパルスである場合に限らず、複数に分割されたパルス駆動であってもよく、この場合は各パルス幅の合計の通電時間がPwに相当する。図5に示した関係は、前述した試作ヘッドにおいても、シミュレーションと一致した結果が得られている。 From the above, when the protective film is a SiN film with a film thickness of 0.3 μm and a Ta film with a film thickness of 0.23 μm, in order to improve the heat transfer efficiency, the thickness of the heat storage layer made of SiO 2 Is suitably 1.0 μm or more, and further, it can be said that the drive energization time is proper when the Pw is 1.2 μs or less and the thickness of the heat storage layer is 0.7 μm or more. The drive energization time is not limited to one pulse, but may be a pulse drive divided into a plurality of pulses. In this case, the total energization time of each pulse width corresponds to Pw. The relationship shown in FIG. 5 is consistent with the simulation in the prototype head described above.
ここでは、保護膜および蓄熱層の材料、膜厚を具体的に例示したが、本発明はこれらに限られるものではない。本発明は、印加した熱エネルギーを効率よくインクに伝達するものであるから、前述の条件は、保護膜と蓄熱層の熱抵抗比に置き換えることができる。 Here, the materials and thicknesses of the protective film and the heat storage layer are specifically exemplified, but the present invention is not limited to these. In the present invention, the applied thermal energy is efficiently transmitted to the ink. Therefore, the above-described conditions can be replaced with the thermal resistance ratio between the protective film and the heat storage layer.
その置き換えた結果を図6に示す。図6は、前述した保護膜の条件における蓄熱層の条件を、蓄熱層と保護膜との熱抵抗比で置き換えた、蓄熱層の厚みと、蓄熱層/保護膜の熱抵抗比との関係を示すグラフである。このときの各膜の熱伝導率は、薄膜SiNおよび薄膜Taは前述の値とし、薄膜SiO2を1.38W/m・Kとした。この値も文献等により一般的に得られる値を用いた。薄膜の熱抵抗値Rsは、その薄膜を構成する材料の熱伝導率をK、膜厚をdとしたとき、Rs=d/Kで与えられる。また、積層膜の熱抵抗値は、各膜の熱抵抗値を加算したものである。 The result of the replacement is shown in FIG. FIG. 6 shows the relationship between the thickness of the heat storage layer and the heat resistance ratio of the heat storage layer / protective film, in which the condition of the heat storage layer in the condition of the protective film described above is replaced with the thermal resistance ratio between the heat storage layer and the protective film. It is a graph to show. The thermal conductivity of each film at this time was as described above for the thin film SiN and the thin film Ta, and the thin film SiO 2 was set to 1.38 W / m · K. This value was also a value generally obtained from literature. The thermal resistance value Rs of the thin film is given by Rs = d / K, where K is the thermal conductivity of the material constituting the thin film and d is the film thickness. Further, the thermal resistance value of the laminated film is the sum of the thermal resistance values of the respective films.
図6から明らかなように、膜厚0.3μmのSiN膜および膜厚0.23μmのTa膜からなる保護膜における蓄熱層の膜厚条件、0.7μm以上は、蓄熱層/保護膜の熱抵抗比で約2倍以上に置き換えることができる。このことから、保護膜の熱抵抗に対する蓄熱層の熱抵抗の比は約2倍以上であることが適正であることが分かる。 As is apparent from FIG. 6, the heat storage layer thickness condition in the protective film made of the 0.3 μm thick SiN film and the 0.23 μm thick Ta film is 0.7 μm or more. The resistance ratio can be replaced by about twice or more. From this, it is understood that it is appropriate that the ratio of the thermal resistance of the heat storage layer to the thermal resistance of the protective film is about twice or more.
以上説明した関係はシミュレーションによって得られたものであるが、実際に試作したインクジェットヘッドにおいても、熱伝導率および発泡効率について、シミュレーションと全く同じではないが、シミュレーションで検証された結果と同様の結果が得られている。 The relationship described above was obtained by simulation, but the thermal conductivity and foaming efficiency of the actually manufactured inkjet head are not exactly the same as the simulation, but the same result as the result verified by the simulation. Is obtained.
〈インクジェット記録装置〉
次に、本発明のインクジェットヘッドが搭載されるインクジェット記録装置について、図13を参照して説明する。
<Inkjet recording device>
Next, an ink jet recording apparatus on which the ink jet head of the present invention is mounted will be described with reference to FIG.
図13は、本発明のインクジェット記録装置の一例を示す模式的斜視図である。図13において、本体フレームには、螺旋溝5005が刻まれたリードスクリュー5004が回転自在に軸支されている。リードスクリュー5004は、駆動モータ5013の正逆回転に連動し、駆動力伝達ギア5009〜5011を介して回転駆動される。
FIG. 13 is a schematic perspective view showing an example of the ink jet recording apparatus of the present invention. In FIG. 13, a
さらに、本体フレームには、キャリッジHCを摺動自在に案内する案内レール5003が固定されている。キャリッジHCには、螺旋溝5005に係合するピン(不図示)が設けられており、駆動モータ5013の回転によりリードスクリュー5004を回転させることで、キャリッジHCが図示矢印a、b方向に往復移動できるようになっている。紙押え板5002は、キャリッジHCの移動方向にわたって、記録媒体Pをプラテン5000に対して押圧する。
Further, a
キャリッジHCには、インクジェット記録ユニットIJCが搭載される。インクジェット記録ユニットIJCは、上述したインクジェットヘッドをインクタンクITと一体化したカートリッジ形態のものであっても、それらを互いに別体として取り外し可能に組み合わせた形態のものであってもよい。また、このインクジェット記録ユニットIJCは、キャリッジHCに設けられている位置決め手段および電気的接点によってキャリッジHCに固定支持されるとともに、キャリッジHCに対して着脱可能に設けられている。 An ink jet recording unit IJC is mounted on the carriage HC. The ink jet recording unit IJC may be in the form of a cartridge in which the above-described ink jet head is integrated with the ink tank IT, or may be in a form in which they are detachably combined with each other. The inkjet recording unit IJC is fixedly supported on the carriage HC by positioning means and electrical contacts provided on the carriage HC, and is detachably attached to the carriage HC.
フォトカプラ5007、5008は、キャリッジHCのレバー5006のこの域での存在を確認して駆動モータ5013の回転方向の逆転等を行うためのホームポジション検知手段を構成する。インクジェットヘッドの前面(吐出口が開口した面)をキャップするキャップ部材5022は、支持部材5016によって支持され、さらに吸引手段5015を備え、キャップ内開口5023を介してインクジェットヘッドの吸引回復を行う。本体支持板5018には支持板5019が取り付けられており、この支持板5019に摺動自在に支持されたクリーニングプレード5017は、図示しない駆動手段によって前後方向に移動される。クリーニングプレード5017の形態は図示するものに限られず、公知のものが適用できることはいうまでもない。レバー5021は、インクジェットヘッドの吸引回復動作を開始するためのもので、キャリッジHCと当接するカム5020の移動に伴って移動し、駆動モータ5013から駆動力がギア5010やラッチ切換え等の公知の伝達手段によって移動制御される。
The
これらのキャッピング、クリーニング、吸引回復の各処理は、キャリッジHCがホームポジション側領域に移動したときにリードスクリュー5004の作用によって、それぞれの対応位置で行われるようになっているが、周知のタイミングで所望の動作を行うようにすれば、本例にはいずれも適用できる。
These capping, cleaning, and suction recovery processes are performed at the corresponding positions by the action of the
図14に、上述したインクジェット記録装置の動作を制御する制御回路のブロック図を示す。図14に示す制御回路は、コンピュータなどの外部装置から記録信号が入力されるインターフェース1700と、インターフェース1700を介して入力した記録信号に基づいてインクジェット記録装置の動作を司る制御部と、記録ヘッド(インクジェットヘッド)1708を駆動するためのヘッドドライバ1705と、記録媒体を搬送する(図13に示すプラテン5000を回転させる)搬送モータ1709を駆動するためのモータドライバ1706と、キャリアモータ1710(図13の駆動モータ5013に相当)を駆動するためのモータドライバ1707とを有する。
FIG. 14 is a block diagram of a control circuit that controls the operation of the above-described ink jet recording apparatus. 14 includes an
制御部は、インターフェース1700からの記録信号を受けて、記録ヘッド1708に対する記録データの供給制御を行うゲートアレイ(G.A.)1704と、MPU1801と、MPU1701が実行する制御プログラムを格納するROM1702と、上記記録信号や記録ヘッド1708に供給される記録データ等の各種データを保存するDRAMU1703を有する。ゲートアレイ1704は、MPU1701およびDRAMU1703との間のデータ転送制御も行う。
The control unit receives a recording signal from the
インターフェース1700に記録信号が入力されると、ゲートアレイ1704とMPU1701との間で、記録信号が記録用の記録データに変換される。そして、各モータドライバ1706、1707によって搬送モータ1709およびキャリアモータ1710が駆動されるとともに、ヘッドドライバ1705に送られた記録データに従って記録ヘッド1708が駆動され、記録が行われる。前述した発熱抵抗体の駆動通電時間も、MPU1701によって制御される。
When a recording signal is input to the
〈インクジェットヘッド〉
次に、本発明に好適に用いられるインクジェットヘッドの例について説明する。
<Inkjet head>
Next, an example of an inkjet head suitably used in the present invention will be described.
(インクジェットヘッド構成例1)
図7は、本発明に好適に用いられるインクジェットヘッドの一例の、吐出口側から見た要部平面図である。また図8は、図7に示す発熱抵抗体の一つを拡大して示す、基体の平面図である。なお、図7では、内部構造が分かるように、ノズル材10を透視した状態で示している。
(Inkjet head configuration example 1)
FIG. 7 is a plan view of an essential part of an example of an ink jet head suitably used in the present invention, viewed from the discharge port side. FIG. 8 is a plan view of the base body showing an enlarged view of one of the heating resistors shown in FIG. In FIG. 7, the
インクジェットヘッド1は、複数の発熱抵抗体23が形成された基体20と、基体20に接合されたノズル材10とを有する。発熱抵抗体23は、一列に並んで配置されている。ただし、カラー用のインクジェットヘッドの場合は、色毎に、複数列に配置することもできる。ノズル材10には、各発熱抵抗体23と対向する位置にそれぞれ、吐出口11が、その中心を発熱抵抗体23の中心上に位置させて形成されている。さらにノズル材10には、隣接する発熱抵抗体23間を仕切るノズル壁13が形成されており、基体20とノズル材10とを接合することによって、発熱抵抗体23ごとに、吐出口11がそれぞれ開口した液路が形成されている。
The
基体20には、このインクジェットヘッド1の外部から各発熱抵抗体23上にインクを供給するために、供給口(不図示)が基体20を貫通して形成されている。供給口は、各流路に共通のインク室に開口する。また、インク室と各流路との間には、流路内への異物の侵入を阻止するために、柱状の構造物であるフィルタ29が設けられている。絶縁膜(図8では不図示)および耐キャビテーション膜27は、列状に並んでいる全ての発熱抵抗体23を共通に覆って設けられている。さらに、図5に示すように、発熱抵抗体23には電極配線25が接続されている。
A supply port (not shown) is formed in the base 20 so as to penetrate the base 20 in order to supply ink from the outside of the
インクは、供給口から流路内に供給されて発熱抵抗体23上に流れる。この状態で電極配線25を通じて発熱抵抗体23を通電し熱エネルギーを発生させることで発熱抵抗体23上のインクが発泡し、これによって吐出口11からインクが吐出する。本例のインクジェットヘッド1は、発熱抵抗体23と吐出口11とを対向させた、いわゆるサイドシュータタイプと呼ばれるものである。サイドシュータタイプのインクジェットヘッド1の吐出方式には、大きく分けて、発熱抵抗体23の駆動により発生した気泡を大気と連通させる方式と、気泡を大気と連通させない方式とがある。本発明は、これらのいずれにも適用可能である。後者の吐出方式では、発生した気泡は、大気と連通することなく消滅する。
The ink is supplied from the supply port into the flow path and flows on the
図9に、図7に示すインクジェットヘッドのB−B線断面図を示す。図9を参照して、本例のインクジェットヘッド1について基体20の層構成を中心に説明する。
FIG. 9 shows a cross-sectional view of the inkjet head shown in FIG. With reference to FIG. 9, the
基体20は、シリコンからなる基板21と、その表面に形成された、電気絶縁膜を兼ねる蓄熱層22と、蓄熱層22上に部分的に形成された発熱抵抗体23と、発熱抵抗体23に電力を供給するための電極配線24,25と、発熱抵抗体23および蓄熱層22を覆って形成された絶縁膜26と、絶縁膜26上の一部に形成された耐キャビテーション膜27とを有する。蓄熱層22は、基板21側から順に、熱酸化膜22a、層間膜22b,22cを積層した3層構造である。本例では、これら熱酸化膜22a、層間膜22b,22cは、いずれもSiO2で構成されており、蓄熱層22全体の厚さは、蓄熱層22の総熱抵抗が、発熱抵抗体23を覆って形成される膜(絶縁膜26および耐キャビテーション膜27)すなわち保護膜の総熱抵抗の2倍以上となるように設定されている。ただし、蓄熱層22を構成するこれらの膜の材料、蓄熱層22の層数および構造は、総熱抵抗が上記の条件を満たす範囲で任意に変更可能である。例えば、蓄熱層22の少なくとも一つの層をSiOx膜やBPSG(Boro-phospho silicate glass)膜とすることもでき、またその製膜方法についても、熱酸化法やCVD法など、任意の方法を用いることができる。
The
発熱抵抗体23は、本例ではTaSiNで構成した。また、電極配線24,25は、AlCuとした。ただし、電極配線24,25はこれに限られるものではなく、Alやその他のAl合金とすることもできる。また、厚さは0.1〜1.0μmとすることができる。
The
絶縁膜26は、SiN膜26a上にSiC膜26bを形成した2層構造となっている。SiN膜26aの膜厚は0.05μm、SiC膜26bの膜厚は0.2μmとした。このように絶縁膜26を複数の層で構成することで、電極配線25の段差部での被覆に関して、熱抵抗を小さくして、かつ絶縁信頼性を最適化することができる。ただし、絶縁膜26の構造はこれに限られるものではなく、3層以上としたり、SiC膜26bの膜厚を0.2μm以上としたり、SiN膜26bの膜厚を0.05μm以上としたりすることもできる。耐キャビテーション膜27については、材料をTa、膜厚を0.23μmとした。つまり、本例では、発熱抵抗体23上での保護膜全体の厚みを0.48μmとした。
The insulating film 26 has a two-layer structure in which a
ノズル材10は、基体20上に接合されて、発熱抵抗体23と吐出口11との間にインクチャンバ12を形成する。
The
ここで重要なのは、発熱抵抗体23上の保護膜である絶縁膜26および耐キャビテーション膜27の熱抵抗値を適正にすることである。図15に示した従来のインクジェットヘッドの構成では、保護膜は、膜厚0.3μmのSiNからなる絶縁膜と、膜厚0.23μmのTaからなる耐キャビテーション膜で構成されている。薄膜の熱伝導率について、薄膜Taを54W/m・K、薄膜SiNを1.2W/m・K、薄膜SiCを70W/m・Kとするとして従来のインクジェットヘッドにおける保護膜の熱抵抗値を計算すると、約2.5×10-7m2・K/W程度となる。それに対して本例のインクジェットヘッド1では、熱抵抗値は約48×10-9m2・K/Wとなる。一方、蓄熱層22は、熱酸化膜22a、層間膜22b,22cの膜厚をそれぞれ1.0μm、0.8μm、0.7μmとした。薄膜SiO2の熱伝導率を1.38W/m・Kとすると、蓄熱層22の熱抵抗値は、約1.81×10-6m2・K/Wとなる。従って、本例では、蓄熱層22の総熱抵抗値は保護層の総熱抵抗値の約39倍となっている。
What is important here is that the thermal resistance values of the insulating film 26 and the
また、発熱抵抗体23の平面サイズは、本例では26μm×26μmの正方形とした。ただし、発熱抵抗体23のサイズはこれに限定されるものではなく、少なくとも16μm×16μmから39μm×39μm程度までは問題ないことが確認されている。また、発熱抵抗体23の形状も、正方形に限られるものではなく、長方形とすることもできる。さらには一つの吐出口11当たりの発熱抵抗体23の数も複数、例えば10μm×24μmの長方形のものを2つ直列に接続した構成とすることもできる。
The planar size of the
上述のように、保護膜の厚みおよび熱抵抗値を適正にすることで、吐出方式は、気泡を大気に連通させる方式および連通させない方式のいずれの場合でも、保護膜の絶縁信頼性および耐キャビテーション性を低下させることなくインクへの熱伝達効率を最大限に最適化するという点で、大きな差はなく同等の優れた効果を得ることができる。 As described above, by making the thickness and thermal resistance value of the protective film appropriate, the discharge method can be either a method for communicating bubbles with the atmosphere or a method for preventing bubbles from communicating with the insulation reliability and cavitation resistance of the protective film. In terms of optimizing the efficiency of heat transfer to the ink without degrading the properties, there is no significant difference and the same excellent effect can be obtained.
(インクジェットヘッドの構成例2)
図10は、本発明に好適に用いられるインクジェットヘッドの他の例の、図9と同様の断面図である。なお、図10では、図9と同様の構成については図9と同じ符号を付している。
(Inkjet head configuration example 2)
FIG. 10 is a cross-sectional view similar to FIG. 9, showing another example of an ink jet head suitably used in the present invention. In FIG. 10, the same components as those in FIG. 9 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
本例のインクジェットヘッドは、絶縁膜26が単層であること、および耐キャビテーション膜27が2層であることが、インクジェットヘッドの構成例1と相違している。その他の構成はインクジェットヘッドの構成例1と同じである。
The inkjet head of this example is different from the configuration example 1 of the inkjet head in that the insulating film 26 is a single layer and the
本例では、絶縁膜26はSiCで構成し、その膜厚は0.35μmである。また、耐キャビテーション膜27は、絶縁膜26側から、Ta膜27aおよびIr膜27bを積層した構成となっている。Ta膜27aの膜厚は0.2μmとし、Ir膜27bの膜厚は0.05μmとした。したがって、発熱抵抗体23上での保護膜の総厚は、0.6μmである。
In this example, the insulating film 26 is made of SiC, and the film thickness is 0.35 μm. The
このように、耐キャビテーション膜27を2層構造とすることで、前述のように被覆性を維持しつつ熱抵抗を小さくし、かつ、インクの熱化学反応やインクの組成物の炭化によって生じる「コゲ」による吐出特性の低下を防止することができる。耐キャビテーション膜27は、ここでは2層構造のものを示したが、3層以上であってもよい。また、耐キャビテーション膜27の一部をIrで構成したが、この代わりに、0.05μm以上の膜厚のPtなどの貴金属やその合金を用いることもできる。
Thus, by forming the
本例における保護膜の熱抵抗値は、薄膜Irの熱伝導率を127W/m・Kとして計算すると、約9.1×10-9m2・K/Wとなる。また、蓄熱層22の総熱抵抗値はインクジェットヘッドの構成例1と同じであるので、本例では蓄熱層22の総熱抵抗値は保護層の総熱抵抗値の約199倍となっている。
The thermal resistance value of the protective film in this example is about 9.1 × 10 −9 m 2 · K / W when the thermal conductivity of the thin film Ir is calculated to be 127 W / m · K. Further, since the total thermal resistance value of the
(インクジェットヘッドの構成例3)
図11は、本発明に好適に用いられるインクジェットヘッドのさらに他の例の、図9と同様の断面図である。なお、図11でも、図9と同様の構成については図9と同じ符号を付している。
(Inkjet head configuration example 3)
FIG. 11 is a cross-sectional view similar to FIG. 9, showing still another example of an ink jet head suitably used in the present invention. In FIG. 11, the same components as those in FIG. 9 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
本例では、絶縁膜26および耐キャビテーション膜27をそれぞれ単層とした点が、上述したインクジェットヘッドの構成例1,2と相違している。具体的には、絶縁膜26はSiCからなる膜厚0.35μmの膜とし、耐キャビテーション膜27はTaからなる膜厚0.2μmの膜とした。従って、発熱抵抗体23上での保護膜の総厚は0.55μmとなる。
This example is different from the above-described configuration examples 1 and 2 of the inkjet head in that the insulating film 26 and the
本例における保護膜の熱抵抗値を計算すると、約8.7×10-9m2・K/Wとなり、インクジェットヘッドの構成例1〜3の中で最も小さい。つまり、本例は、インクジェットヘッドの構成例1〜3の中で発泡効率が最適であるといえる。ただし、電極配線24,25の段差部での絶縁膜26による被覆信頼性や、耐キャビテーション膜27の耐熱化学反応性および耐コゲ付着性を考慮し、十分な性能が得られるのであれば、保護膜の熱抵抗値が5〜50×10-9m2・K/Wである範囲で、より小さい値とすればさらに発泡効率を向上させることができる。また、蓄熱層22の総熱抵抗値は保護膜の総熱抵抗値の約208倍となっている。
When the thermal resistance value of the protective film in this example is calculated, it is about 8.7 × 10 −9 m 2 · K / W, which is the smallest among the configuration examples 1 to 3 of the inkjet head. In other words, it can be said that this example has the optimum foaming efficiency among the configuration examples 1 to 3 of the inkjet head. However, if sufficient performance can be obtained in consideration of the covering reliability of the stepped portions of the
以上、本発明に適用されるインクジェットヘッドについて、好ましい形態を例に挙げて説明してきた。上述した各例では、吐出口11が発熱抵抗体23と対向する位置に形成されている、いわゆるサイドシュータタイプのインクジェットヘッドを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図12に示すような、いわゆるエッジシュータタイプのインクジェットヘッド30にも適用することができる。
As described above, the ink jet head applied to the present invention has been described by taking a preferable embodiment as an example. In each of the above-described examples, a so-called side shooter type inkjet head in which the
エッジシュータタイプのインクジェットヘッド30も、サイドシュータタイプのインクジェットヘッドと同様、基体50とこれに接合されたノズル材40とを有しているが、ノズル材40の構造がサイドシュータタイプのインクジェットヘッドと異なっている。具体的には、吐出口41の位置が、発熱抵抗体53と対向する位置ではなくノズル材40の端面に形成されており、インクは、基体50の上面とほぼ平行な方向に吐出される。
The edge shooter type inkjet head 30 also has a
このようなエッジシュータタイプのインクジェットヘッド30においても、基体50における、絶縁膜56や耐キャビテーション膜57を含む保護膜および蓄熱層52の構成に上述した本発明の構成を適用することで、サイドシュータタイプのインクジェットヘッドと同様の効果が得られる。
Also in such an edge shooter type inkjet head 30, by applying the above-described configuration of the present invention to the configuration of the protective film including the insulating film 56 and the anti-cavitation film 57 and the
以上説明したように、インクジェットヘッドが0.2μs〜2.0μsの駆動パルス幅で駆動される場合に、発熱抵抗体上に形成される保護膜の総厚を約0.2〜0.6μmとするとともに、総熱抵抗値を5〜50×10-9m2・K/Wとし、さらに、発熱抵抗体下の蓄熱層の熱抵抗値をその2倍以上とすることで、保護膜の絶縁信頼性を低下させることなく、また、耐キャビテーションの性能を低下させることなく、インクへの熱伝達効率を最大限に最適化することができ、効率のよいインク吐出が可能となる。また、熱抵抗値が上記の範囲内であればどのような膜構成でも構わないため、発熱抵抗体の被覆信頼性を維持していれば様々な材料を用いることができ、設計の自由度を上げることができるという効果も併せ持つ。さらには、被覆信頼性をより向上させる膜構造とすることもでき、コストダウンの効果もある。また、耐キャビテーション性についても、熱抵抗値が上記の範囲内になるように膜構成を自由に設計できるため、耐熱化学反応性や耐コゲ付着性をさらに向上した膜構造とすることもでき、設計の自由度が上がるだけでなく、耐久性向上の効果も併せ持つ。 As described above, when the inkjet head is driven with a drive pulse width of 0.2 μs to 2.0 μs, the total thickness of the protective film formed on the heating resistor is about 0.2 to 0.6 μm. In addition, the total thermal resistance value is set to 5 to 50 × 10 −9 m 2 · K / W, and further, the thermal resistance value of the heat storage layer under the heating resistor is set to be twice or more, thereby insulating the protective film. The heat transfer efficiency to the ink can be optimized to the maximum without lowering the reliability and without reducing the anti-cavitation performance, thereby enabling efficient ink ejection. In addition, any film configuration may be used as long as the thermal resistance value is within the above range. Therefore, various materials can be used as long as the coating reliability of the heating resistor is maintained. It also has the effect that it can be raised. Furthermore, a film structure that further improves the coating reliability can be obtained, and the cost can be reduced. Also, with regard to cavitation resistance, since the film configuration can be freely designed so that the thermal resistance value falls within the above range, it can also be a film structure with further improved thermal chemical reactivity and resistance to kogation, Not only does the design freedom increase, it also has the effect of improving durability.
1,30 インクジェットヘッド
10,40 ノズル材
11,41 吐出口
12 インクチャンバ
13 ノズル壁
20,50 基体
21 基板
22,52 蓄熱層
23,53 発熱抵抗体
24,25 電極配線
26,56 絶縁膜
27,57 耐キャビテーション膜
DESCRIPTION OF
Claims (17)
前記保護膜の前記発熱体の上の部分の総厚が0.2μm以上0.6μm以下、前記保護膜の前記発熱体の上の部分の熱抵抗値が5×10-9m2・K/W以上50×10-9m2・K/W以下、かつ、前記蓄熱層の前記発熱体の下の部分の熱抵抗値が前記保護膜の前記発熱体の上の部分の熱抵抗値の2倍以上であるインクジェットヘッド用の基体。 A substrate for an inkjet head in which a heat storage layer, a heating element that generates thermal energy used to eject ink, and a protective film that protects the heating element are sequentially formed on a substrate,
The total thickness of the protective film on the heating element is 0.2 μm or more and 0.6 μm or less, and the thermal resistance of the protective film on the heating element is 5 × 10 −9 m 2 · K / W to 50 × 10 −9 m 2 · K / W or less, and the thermal resistance value of the heat storage layer below the heating element is 2 of the thermal resistance value of the protective film above the heating element A substrate for an inkjet head that is twice or more.
前記保護膜の前記発熱体の上の部分の総厚が0.2μm以上0.6μm以下、前記保護膜の前記発熱体の上の部分の熱抵抗値が5×10-9m2・K/W以上50×10-9m2・K/W以下、かつ、前記蓄熱層の前記発熱体の下の部分の熱抵抗値が前記保護膜の前記発熱体の上の部分の熱抵抗値の2倍以上であるインクジェットヘッド。 A discharge port for discharging ink having a heat storage layer, a heating element for generating thermal energy used for discharging ink, and a substrate on which a protective film for protecting the heating element is sequentially formed on a substrate. Is an inkjet head provided corresponding to the heating element,
The total thickness of the protective film on the heating element is 0.2 μm or more and 0.6 μm or less, and the thermal resistance of the protective film on the heating element is 5 × 10 −9 m 2 · K / W to 50 × 10 −9 m 2 · K / W or less, and the thermal resistance value of the heat storage layer below the heating element is 2 of the thermal resistance value of the protective film above the heating element An inkjet head that is more than doubled.
前記発熱体を0.2μs以上2μs以下の駆動通電時間で駆動して前記吐出口からインクを吐出するインクジェットヘッドの駆動方法。 A discharge port for discharging ink having a heat storage layer, a heating element for generating thermal energy used for discharging ink, and a substrate on which a protective film for protecting the heating element is sequentially formed on a substrate. Is provided corresponding to the heating element, and the total thickness of the part of the protective film on the heating element is 0.2 μm or more and 0.6 μm or less, and the heat of the part of the protective film on the heating element is The resistance value is 5 × 10 −9 m 2 · K / W or more and 50 × 10 −9 m 2 · K / W or less, and the thermal resistance value of the heat storage layer under the heating element is Using an inkjet head that is twice or more the thermal resistance value of the portion above the heating element,
A method for driving an inkjet head, wherein the heating element is driven for a drive energization time of 0.2 μs or more and 2 μs or less to discharge ink from the discharge port.
前記発熱体を0.2μs以上2μs以下の駆動通電時間で駆動する駆動手段と、を具備するインクジェット記録装置。 A discharge port for discharging ink having a heat storage layer, a heating element for generating thermal energy used for discharging ink, and a substrate on which a protective film for protecting the heating element is sequentially formed on a substrate. Is provided corresponding to the heating element, and the total thickness of the part of the protective film on the heating element is 0.2 μm or more and 0.6 μm or less, and the heat of the part of the protective film on the heating element is The resistance value is 5 × 10 −9 m 2 · K / W or more and 50 × 10 −9 m 2 · K / W or less, and the thermal resistance value of the heat storage layer under the heating element is An inkjet head that is at least twice the thermal resistance of the portion above the heating element;
An ink jet recording apparatus comprising: driving means for driving the heating element with a driving energization time of 0.2 μs or more and 2 μs or less;
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-
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