JP2006315191A - 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、また長期間使用した場合であっても吐出口形成部材が液体を吸収して著しい変形を生じることを防ぎ、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の全ての内壁面と、液流路１３の内壁面の一部分とが同一の保護層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１２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。

さらに、液流路１１３を構成する内壁面や、吐出口１１７が形成されたオリフィスプレート１１２は、一般に、加工の容易さなどの理由から、樹脂材によって形成される場合が多い。オリフィスプレート１１２が樹脂材からなる場合には、記録ヘッドを長期間使用することに伴って、オリフィスプレート１１２がインクを吸収し、膨潤してしまうことがある。オリフィスプレート１１２では、特に、供給口１１４に対向する対向面の領域が、比較的広範囲にわたって基板１１１と当接しない構造となるため、膨潤による変形が著しい。この大きな変形が吐出口１１７近傍にまで及ぶことになれば、ノズルから吐出されるインク滴の吐出方向を不安定にさせると共に、膨潤による応力によって、オリフィスプレート１１２が基板１１１から剥がれてしまうおそれがある。

そこで、本発明は、基体が液体に侵食されることを抑え、また長期間使用した場合であっても吐出口形成部材が液体を吸収して著しい変形を生じることを防ぎ、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、供給口の内壁面と、液流路の内壁面の一部分とが同一の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ことで、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、基体が液体で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することができる。また、本発明によれば、液流路の内壁面の一部にも保護層が形成されていることで、液体吐出ヘッドを長期間使用した場合であっても、吐出口形成部材の膨潤による変形が小さく、液滴の吐出方向のズレや、基体から吐出口形成部材が剥がれることを抑制し、液滴の吐出動作の信頼性を向上し、高品質を実現することができる。

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、供給口１４の全ての内壁面と、液流路１３内の内壁面における供給口１４に対向する一部分とが同一の保護層１５で覆われている。

保護層１５は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、ＳｉＣ、ＳｉＯＣ、その他シリコン化合物、または、アルミナ、窒化タンタル、その他の無機膜である。

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、基板１１の内壁面にインクが直接接触することを防ぐことができる。このため、インクによる基板１１の侵食を防ぐと共に、オリフィスプレート１２の内壁面での、インクに直接接触する領域が少なくされることで、オリフィスプレート１２の膨潤による変形を抑えることができる。

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）面側における供給口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。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。

また、保護層１５は、表面が親水性を有する酸化シリコンによって形成されることで、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ためである。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１６を用いる場合は、ヒータ１６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。この保護膜として、例えばＴａなどの金属膜を用いる場合は、スパッタ法などにより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に対する移動が指向性を持つ場合は、基板１１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を保護する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、保護層１５が、吐出口１７の内壁面には形成されていないことも考えられる。これは、膜ソースである保護層１５を形成する材料を供給口１４から導入しているために、供給口１４に近い部分が遠い部分よりも膜厚が厚くなる傾向がある。このため、吐出口（ノズル）１７の内壁面への保護膜の成膜状態が不均一になってしまう。その結果、吐出口１７をなすノズルの形状が変化してしまうおそれがあり、この不都合を回避するためである。

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が設けられた基板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１２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、少なくとも保護層１５を形成する領域に対応する流路型材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から膜ソースを導入し、供給口１４の内壁面からオリフィスプレート１２の内壁面にわたるように保護層１５を成膜する第６工程とを有する。

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、ヒータ１６とその駆動回路（不図示）とをそれぞれ形成する。このとき、基板１１において、ヒータ１６が形成された面を表面とし、この表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工程では、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、流路型材２１を、オリフィスプレート１２を通して露光する。図４（ａ）に示すように、基板１１全体を乳酸メチルに浸漬することによって、流路型材２１を除去する。また、このとき、必要に応じて超音波を付与しても良い。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の内壁面の全てと、オリフィスプレート１２の内壁面の一部分とに保護層１５をなす保護膜を成膜する。この保護層１５の成膜方法としては、例えばプラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法、触媒ＣＶＤ法、蒸着方法、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、ＳｉＣ、ＳｉＯＣ等のシリコン化合物、またはアルミナ、窒化タンタル等の無機膜が挙げられる。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。

（第２の実施形態）
上述したインクジェット記録ヘッドの製造方法では、流路型材２１に付着した保護層１５を、流路型材２１を除去する際に同時に破壊し、除去することになるが、保護層１５が比較的厚くなった場合に、保護層１５の除去が困難になる。そこで、この対策としては、他の実施形態のインクジェット記録ヘッドの作製方法が用いられることが好ましい。

他の実施形態のインクジェット記録ヘッドの製造方法は、ヒータ１６が形成された基板１１を用意する第１工程と、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、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１２にインク滴を吐出する吐出口１７を形成する第３工程と、基板１１を貫通する供給口１４を形成する第４工程とを有している。

また、このインクジェット記録ヘッドの製造方法は、図５（ａ）に示すように、保護層１５を形成する領域に対応する流路型材２１の一部分を、供給口１４側から除去する第５工程と、図５（ｂ）に示すように、供給口１４から膜ソースを導入し、供給口１４の内壁面からオリフィスプレート１２の内壁面にわたるように保護層１５を成膜する第６工程と、図５（ｃ）に示すように、流路型材２１の残りを、この流路型材２１に付着した保護膜と共に除去する第７工程とを有している。

本実施形態では、基板１１に供給口１４を形成するまでの第１工程から第４工程までの各工程が、上述の第１の実施形態と同じであるため、これら各工程の説明を省略する。

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、保護膜を成膜する液流路１３の領域に対応する流路型材２１の一部分を、オリフィスプレート１２を通して露光する。図５（ａ）に示すように、キシレンに浸漬することにより、露光された流路型材２１を現像し、供給口１４から除去する。また、このとき、必要に応じて超音波を付与しても良い。

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で、図５（ｂ）に示すように、少なくとも供給口１４の内壁面の全てと、オリフィスプレート１２の内壁面の一部分とに保護層１５をなす保護膜を成膜する。

その後、全ての流路型材２１を、オリフィスプレート１２を通して露光する。続いて、第７工程では、図５（ｃ）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、流路型材２１と、この流路型材２１に付着した保護膜とを除去する。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。

（第３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、上述した第１の実施形態と同じであるので、これら各工程の説明を省略する。

保護層１５を成膜した後、再度保護膜を成膜する液流路１３の領域に対応する流路型材２１を、オリフィスプレート１２を通して露光する。

超音波を付与しながら現像液に浸漬し、供給口１４から露光された流路型材２１と、この流路型材２１に付着した保護膜を除去する。

必要に応じて、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように、上述の保護層１５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の内壁面と液流路１３の内壁面に、保護膜を複数回にわたって成膜する。

続いて、所望の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り除去する。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、供給口１４の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、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、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にも同様に、保護膜が形成されることにより、オリフィスプレート１２と同様に、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５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８（ａ），（ｂ）に示すように、図７（ａ），（ｂ）に示した第４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にも同様に、保護膜が形成されることにより、オリフィスプレート１２と同様に、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９（ａ）〜（ｃ）および図１０（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、膜ソースを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の内壁面の全面とオリフィスプレート１２の内周壁の一部分とにわたって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の厚さが適宜設定される。

（第６の実施形態）
本実施形態では、図１１（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。このような構造を採ることで、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。 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 (12)

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と、前記液流路の内壁面の一部分とが同一の保護層で覆われている液体噴射ヘッド。
2. 前記保護層は、シリコン化合物または無機膜である請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
3. 前記保護層は、酸化シリコン、窒化シリコン、ＳｉＣ、ＳｉＯＣ、アルミナ、窒化タンタルのいずれかである請求項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いずれか１項に記載の液体噴射ヘッド。
5. 前記保護層が、前記吐出口の内壁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。
6. 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前記流路壁を形成し、前記吐出口形成部材に前記吐出口を形成する工程と、
   前記基板を貫通して前記供給口を形成する工程と、
   前記保護層を形成する領域に対応する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から前記吐出口形成部材の内壁面の一部分にわたるよう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。
7. 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の一部分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では、前記保護層を、シリコン化合物または無機膜によって成膜する請求項６または７に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
9. 前記保護層は、酸化シリコン、窒化シリコン、ＳｉＣ、ＳｉＯＣ、アルミナ、窒化タンタルのいずれかである請求項８に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
10. 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６または７に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
11. 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６または７に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
12. 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７に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。

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