JP2006315190A - 液体噴射ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 基体が液体に侵食されることを抑え、液滴の吐出動作の信頼性を向上する。
【解決手段】 複数のヒータ１６が形成された基板１１と、ヒータ１６に対応して形成されインク滴を吐出する複数の吐出口１７と、各吐出口１７に連通して形成されその内壁面にヒータ１６が設けられた液流路１３と、基板１１を貫通して形成され液流路１３に連通された供給口１４とを備える。そして、供給口１４の全ての内壁面は、保護層１５で覆われている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばインク滴等の液滴を吐出するための液体噴射ヘッドおよびその製造方法に関し、特にサイドシュータ型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ている。またインクジェット記録ヘッドの中で、インク吐出エネルギー発生素子が形成された基体に対して、垂直方向にインク液滴が吐出するものを「サイドシュータ型記録ヘッド」と称する。

このようなサイドシュータ型記録ヘッドとしては、発熱抵抗体を加熱することで生成した気泡が外気と連通することで、インク液滴を吐出させる構成が開示されている（特許文献１，２，３参照。）。このサイドシュータ型記録ヘッドでは、インク吐出エネルギー発生素子とオリフィス（吐出口）との間の距離を短くすることができ、小液滴記録を容易に達成することができ、近年要求されている高精細記録を実現することが可能である。
特開平４−１０９４０号公報 特開平４−１０９４１号公報 特開平４−１０９４２号公報

ところで、上述した従来のインクジェット記録ヘッドでは、多くの場合、図１１に示すように、カートリッジ構成部材１１０側から供給されたインクが、基板１１１を貫通して形成された供給口１１４を通って、液流路１１３内のヒータ１１６上に供給されて、オリフィスプレート１１２に形成された吐出口１１７からインク滴が吐出される構成にされている。通常、基板１１１のヒータ１１６やその駆動回路が形成される面には、配線や集積回路（ＩＣ）の上に、酸素、水分、その他の化学的ダメージからそれらを保護するためのパッシベイション層１１９が形成されている。

しかしながら、基板１１１に形成された供給口１１４の内壁面には、基板１１１を構成する材料が露出してしまう。このため、インクが中性ではないなどの理由で腐食性を有している場合には、記録ヘッドの使用に伴って、基板１１１の内壁面がインクに侵食されてしまうことがある。

また、インク中に基板１１１の材料が溶出した場合には、インクの物性、特に表面張力、粘性が変化し、インク滴の吐出特性に悪影響を及ぼしてしまう問題がある。例えば基板１１１がシリコンからなり、インクがアルカリ性を有している場合には、このような問題が生じてしまう。

そこで、本発明は、基体が液体で侵食されることを抑え、また基体の材料が液体に溶出することを抑え、液滴の吐出動作の信頼性を向上することができる液体噴射ヘッドおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明に係る液体噴射ヘッドは、複数の吐出圧力発生素子が形成された基体と、吐出圧力発生素子に対応して形成され液滴を吐出する複数の吐出口と、各吐出口に連通して形成されその内壁面に吐出圧力発生素子が設けられた液流路と、基体を貫通して形成され液流路に連通された供給口とを備える。そして、供給口の全ての内壁面は、保護層で覆われている。

上述したように、本発明によれば、供給口の内壁面に保護層が形成されているので、酸性あるいはアルカリ性の液体を用いた場合であっても、基体が溶解することが抑えられ、液滴の吐出不良が生じることを抑制し、液滴の吐出動作の信頼性を向上することができる。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１および図２（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、複数の吐出圧力発生素子として発熱抵抗体であるヒータ１６が形成されたシリコン基板１１と、これらヒータ１６に対応して形成されインク滴を吐出するための複数のオリフィスである吐出口１７が設けられたオリフィスプレート１２と、各吐出口１７に連通して形成されその内壁面にヒータ１６が設けられた液流路１３と、基板１１を貫通して形成され液流路１３に連通された供給口１４とを備えている。

そして、本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、少なくとも供給口１４の全ての内壁面が、保護層１５で覆われている。保護層１５としては、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、アルミナ、窒化タンタル、その他の無機膜、またはＳｉＣ、ＳｉＯＣ、その他の有機膜が挙げられる。この保護層１５によって、インクに曝される基板１１の内壁面が、インクに直接触れることを防ぐことができる。

また、保護層１５は、基板１１の吐出口１７側の面、つまり基板１１の表（おもて）面における供給口１４の開口縁部の角部を覆うように形成されていることが好ましい。この保護層１５によって、基板１１の表面側における供給口１４の開口縁部の角部が十分に保護されるので、インク滴の吐出動作の信頼性を更に向上させることができる。

特に、保護層１５として酸化シリコンを用いた場合、保護層１５の表面が親水性を示すため、インク溶媒の主成分が水である場合に、気泡がその表面で留まり難くなるなどの効果も得られる。

また、保護層１５は、ヒータ１６の表面には形成されない構成でもよい。これは吐出圧力発生素子の構成によっては、保護層１５を圧力発生素子上に形成させたくない場合がある。本実施形態のように、例えば、インクの発泡により吐出圧力を発生させるヒータを用いる場合は、ヒータの表面にコゲが生成、付着しないように、ヒータ１６上に保護膜を形成する場合がある。この保護膜にＴａなどの金属膜を用いる場合には、スパッタ法などによって形成されることが考えられる。スパッタのように膜ソースの基板１１への移動が指向性を持つ場合は、基板に設けられたヒータ１６上にオリフィスプレート１２等を設ける工程の前に、ヒータ１６の保護膜を成膜する必要がある。このとき、既に形成されたヒータ１６の保護膜上に、他の保護膜を形成することを避けることが考えられる。

また、基板１１のヒータ１６やその駆動回路が形成される表面には、配線や集積回路（ＩＣ）の上に、酸素、水分、その他の化学的ダメージからそれらを保護するためのパッシベイション層１９が形成されている。

次に、上述した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。

本実施形態のインクジェット記録ヘッドの製造方法は、図３（ａ）に示すように、ヒータ１６が形成された基板１１を用意する第１工程と、図３（ｂ）に示すように、基板１１のヒータ１６が形成された表面上に選択的に除去可能な流路型材２１を形成する第２工程と、図３（ｃ）に示すように、流路型材２１を覆うようにオリフィスプレート１２および流路壁を形成し、このオリフィスプレート１１にインク滴を吐出する吐出口１７を形成する第３工程と、図３（ｄ）に示すように、基板１１を貫通して供給口１４を形成する第４工程とを有している。

また、本実施形態のインクジェット記録ヘッドの製造方法は、図４（ａ）に示すように、流路型材２１の一部分を供給口１４側から除去する第５工程と、図４（ｂ）に示すように、供給口１４の内壁面に保護層１５を成膜する第６工程と、図４（ｃ）に示すように、流路型材２１の残りを、この流路型材２１に付着した保護層１５と共に除去する第７工程とを有している。

第１工程では、図３（ａ）に示すように、シリコン基板１１上に、汎用の半導体工程によって、吐出圧力発生素子としての発熱抵抗体であるヒータ１６とその駆動回路をそれぞれ形成する。このとき、基板１１において、ヒータが形成された面を表面とし、この面の反対側を裏面とする。

第２工程では、この基板１１上に、後工程で溶出除去が可能なＵＶ(ultraviolet)レジストであるポリメチルイソプロペニルケトンをソルベントコートする。このＵＶレジストをＵＶ光によって露光し、図３（ｂ）に示すように、現像して流路型材２１を形成する。

続いて、第３工程は、流路型材２１が形成された基板１１の表面の上に、ネガレジストであるカチオン重合型エポキシ樹脂を塗布して、インクの液流路１３の天井と各液流路１３との間を仕切る流路壁を形成する。このネガレジストに対して、所定のパターンのフォトマスクを用いて露光、現像を行い、吐出口１７と電極パット（不図示）の部分のネガレジストを除去し、図３（ｃ）に示すように、オリフィスプレート１２を形成する。

次に、第４工程では、基板１１の表裏両面にレジストを塗布し、裏面のレジストに、供給口１４を形成する位置に対応する開口を有するような所定のパターンを、フォトリソグラフィ技術によってパターニングする。そして、このレジストをマスクとして、ドライエッチングを行うことによって、図３（ｄ）に示すように、基板１１にスルーホールである供給口１４を、基板１１を貫通して形成する。このとき、ドライエッチングとしては、例えば、ＩＣＰ(Inductive Coupling Plasma)−ＲＩＥ(Reactive Ion Etching)エッチャーが用いられる。

続いて、第５工程では、基板１１の表裏両面のレジストを剥離液によって除去した後、再度基板１１の表面側にレジストを塗布する。図４（ａ）に示すように、超音波を付与しながら乳酸メチルに浸漬し、供給口１４から流路型材２１の一部分を溶出させる。このとき、ドライエッチングによって流路型材２１の一部分を除去する方法が採られても良い。なお、流路型材２１は、ポジの感光性レジストからなる。

第６工程では、必要に応じて基板１１の表面をシールドした状態で、基板１１の裏面から供給口１４内に膜ソースを導入することによって、図４（ｂ）に示すように、少なくとも供給口１４の内壁面の全てに保護層を成膜する。このとき、成膜方法としては、例えばプラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法、触媒ＣＶＤ法、蒸着法、スパッタ法など、物理的作用または化学的作用による成膜法が挙げられる。また、保護膜としては、例えばＳｉＮ、ＳｉＯ、またその他の無機膜、ＳｉＣ、ＳｉＯＣ、またその他の有機膜が挙げられる。

第７工程では、流路型材２１を、オリフィスプレート１２を通して露光した後、乳酸メチルに浸漬することにより除去する。また、このとき、超音波を付与して、図４（ｃ）に示すように、流路型材２１と、この流路型材２１に付着していた保護層１５の部分とを同時に破壊し、除去する。そして、ダイシングにより基板１１から切り出すことで、本実施形態のインクジェット記録ヘッドが得られる。

上述したように、流路型材２１を一部分だけ残した状態で保護層１５を形成することによって、保護層１５を付着させたくない領域に、保護層１５を付着させないようにすることができる。

また、保護膜を成膜する前に、流路型材２１を部分的に除去して、供給口１４の開口縁部の角部から流路型材２１を後退させておくことによって、流路型材２１の除去と同時に流路型材２１に付着した保護膜を除去する際に、供給口１４の内壁面上に形成された保護膜までも一緒に剥がしてしまうことを防ぐことができる。また、保護層１５が、供給口１４の開口縁部の角部を覆い、パッシベイション層１９と重なるように形成されることによって、インクによって侵食されやすい供給口１４の開口縁部の角部を十分に保護することができる。

（第２の実施形態）
本実施形態では、基板１１に供給口１４を形成した後、基板１１の裏面から供給口１４内に膜ソースを導入し、少なくとも供給口１４の内壁面の全てに保護層１５を成膜するまでの各工程が第１の実施形態の各工程と同じであるため、これら各工程の説明を省略する。

保護膜を成膜した後、再度超音波を付与しながら乳酸メチルに浸漬し、流路型材２１の一部分と、この流路型材２１に付着した保護膜とを除去する。

本実施形態では、必要に応じて、図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、上述の保護膜の成膜工程と、流路型材２１の除去工程とを繰り返し、供給口１４の内壁面の全域に保護膜を複数回にわたって成膜する。

供給口１４の内壁面に必要な膜厚分の保護膜が形成された後、流路型材２１の全てを露光し、乳酸メチル、あるいは現像液に浸漬することによって、供給口１４から流路型材２１を除去する。そして、ダイシングにより基板１１から切り出すことで、本実施形態のインクジェット記録ヘッドが得られる。

このような工程を有することによって、供給口１４の内壁面に形成される保護膜の膜厚を厚く形成することができ、内壁面に凹凸が生じていた場合であっても、その凹凸を十分に覆うことができ、滑らかな内周面が得られる。また、供給口１４の形成時に、パーティクルが内壁面に付着していた場合であっても、それらパーティクルを保護膜で覆うことによって、パーティクルがインク中へ流出してゴミとなることを防ぐことができる。

（第３の実施形態）
本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、図６（ａ），（ｂ）に示すように、液流路１３内に、インク中の塵埃を濾過するためのノズルフィルタ２５が配設された構成が採られている。このようにノズルフィルタ２５にも、保護膜が形成されることにより、インクによるノズルフィルタ２５の膨潤を抑えることができる。これによって、記録ヘッドの使用に伴ってノズルフィルタ２５が膨潤して、膨潤した分だけ、液流路１３が狭くなることで、インクのリフィル不足が生じることを防ぐことができる。

（第４の実施形態）
本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、図７（ａ），（ｂ）に示すように、図６（ａ），（ｂ）に示した第３の実施形態と同様に、液流路１３内に、インク中の塵埃を濾過するためのノズルフィルタ２５が配設された構成が採られている。このようにノズルフィルタ２５にも、保護膜が形成されることにより、インクによるノズルフィルタ２５の膨潤を抑えることができる。

本実施形態では、図８（ａ）〜（ｃ）および図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、上述の保護膜が、スパッタ法といった膜ソースを指向性をもって基板１１に飛来させ、堆積させる方法によって成膜されている。本実施形態では、供給口１４の内壁面の全面に保護膜が形成されるように、供給口１４の開口形状や開口寸法、基板１１の厚さとが適宜設定される。

（第５の実施形態）
本実施形態では、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、基板１１内に共通液室２７が設けられ、この共通液室２７に連通して供給口１４が形成され、共通液室２７から供給口１４を経て液流路１３にインクを供給する構造が採られている。このような構造にすることで、基板１１の機械的強度を向上させることができる。共通液室２７と供給口１４との連結部分がなす角部が、特にインクに侵食され易くなるが、この角部を覆う保護膜を形成することによって、インクによる浸食を抑え、インク滴の吐出動作の信頼性を向上させることができる。

本発明に係るインクジェット記録ヘッドを示す斜視図である。 前記インクジェット記録ヘッドを示す図である。 前記インクジェット記録ヘッドの製造工程を模式的に示す断面図である。 前記インクジェット記録ヘッドの製造工程を模式的に示す断面図である。 前記インクジェット記録ヘッドの製造工程を模式的に示す断面図である。 他のインクジェット記録ヘッドを示す図である。 他のインクジェット記録ヘッドを示す図である。 他のインクジェット記録ヘッドの製造工程を模式的に示す断面図である。 他のインクジェット記録ヘッドの製造工程を模式的に示す断面図である。 他のインクジェット記録ヘッドの製造工程を模式的に示す断面図である。 従来のインクジェット記録ヘッドを模式的に示す断面図である。

符号の説明

１１ シリコン基板
１２ オリフィスプレート
１３ 液流路
１４ 供給口
１５ 保護層
１６ ヒータ
１７ 吐出口
２１ 流路型材

Claims (10)

1. 複数の吐出圧力発生素子が形成された基体と、
   前記吐出圧力発生素子に対応して形成され、液滴を吐出する複数の吐出口と、
   前記各吐出口に連通して形成され、その内壁面に前記吐出圧力発生素子が設けられた液流路と、
   前記基体を貫通して形成され、前記液流路に連通された供給口とを備え、
   前記供給口の内壁面は、保護層で覆われている液体噴射ヘッド。
2. 前記保護層は、酸化シリコン、窒化シリコン、アルミナ、窒化タンタル、ＳｉＣ、ＳｉＯＣのいずれかである請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
3. 前記保護層が、前記供給口の内壁面から、前記基体の前記吐出口側の面まで連続して形成され、前記基体の前記吐出口側の面における前記供給口の開口縁部の角部を覆っている請求項１または２に記載の液体噴射ヘッド。
4. 前記保護層が、前記吐出圧力発生素子の表面には形成されていない請求項１ないし３のいずれか１項に記載の液体噴射ヘッド。
5. 複数の吐出圧力発生素子が形成された基体と、前記吐出圧力発生素子に対応して形成されインクを吐出する複数の吐出口と、前記各吐出口に連通して形成されその内壁面に吐出圧力発生素子が設けられた液流路と、前記基体を貫通して形成され前記液流路に連通された供給口とを備える液体噴射ヘッドの製造方法において、
   前記吐出圧力発生素子が設けられた前記基体を用意する工程と、
   前記基体の前記吐出圧力発生素子が形成された面上に、選択的に除去可能な前記液流路の型材を形成する工程と、
   前記液流路の型材を覆うように吐出口形成部材および流路壁を形成し、前記吐出口形成部材に前記吐出口を形成する工程と、
   前記基体を貫通して前記供給口を形成する工程と、
   前記液流路の型材の一部分を前記供給口側から除去する工程と、
   前記供給口の開口部から膜ソースを導入し、前記供給口の内壁面に前記保護層を成膜する工程とを有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
6. 前記液流路の型材の一部分を、該型材に付着した前記保護層と共に前記供給口側から除去する工程と、
   前記供給口の開口部から膜ソースを導入し、前記供給口の内壁面から前記吐出口形成部材の内壁面にわたるように前記保護層を成膜する工程とを複数回繰り返した後に、
   前記液流路の型材の残りを、該型材に付着した前記保護層と共に除去する工程を有する請求項５液体噴射ヘッドの製造方法。
7. 前記保護層を成膜する工程では、前記保護層を、酸化シリコン、窒化シリコン、アルミナ、窒化タンタル、ＳｉＣ、ＳｉＯＣのいずれかで成膜する請求項５または６に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
8. 前記保護層を成膜する工程は、成膜方法が、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法、または化学的作用による成膜方法のいずれかである請求項５または６に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
9. 前記液流路の型材は、ポジの感光性レジストであり、
   前記液流路の型材の一部分を前記供給口側から除去する工程では、前記液流路の型材を、前記吐出口形成部材または前記供給口を通して露光し、現像液によって前記供給口から除去する請求項５または６に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
10. 前記液流路の型材は、ポジの感光性レジストであり、
    前記液流路の型材の残りを、該型材に付着した前記保護層と共に除去する工程では、前記液流路の型材を、前記吐出口形成部材または前記供給口を通して露光し、現像液によって前記供給口から除去する請求項６に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。

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