JP2007253473A

JP2007253473A - インクジェット記録ヘッド

Info

Publication number: JP2007253473A
Application number: JP2006081010A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Tokunaga; 博之徳永; Junji Yasuda; 淳司安田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2007-10-04

Abstract

【課題】フルマルチＢＪヘッドの吐出周波数の向上。
【解決手段】長尺ヘッドの機械的強度を確保するためのハリ１０４で分割された、複数の連続するインク供給口１０３を持ったフルマルチＣＲＢＴＪヘッドにおいて、ハリの中心を隣接する吐出口１０１の中間点から１０μｍ以内に配置して、ハリによるインク流路の抵抗を低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体に外部からエネルギーを加えることによって、所望の液体を吐出するインクジェット記録ヘッドに関する。

熱等のエネルギーをインクに与えることで、気泡の発生を促し、この体積変化を利用して吐出口からインクを吐出し、これを記録媒体上に付着させて画像形成を行うインクジェット記録方法が知られている。インクジェット方式の中で、基板に対し垂直にインクを吐出するサイドシューター型（特開平４−１０９４０）が提案されている。このサイドシューター型では、基板の裏面から表面の吐出圧発生素子部にインクを供給するために、図５にあるように基板５０１に貫通する穴５０２を開けている。

従来のサイドシューター型のインクジェット記録ヘッドでは、ヘッド幅が短かったので貫通口は開口部がつながった１つの穴になっていた。しかしながら、ヘッド幅を広くして、大面積に一度に印字できる長尺のヘッド作製しようとすると、インク供給口も長くなり、機械的強度が弱くなりヘッドの変形や破壊などの可能性が増加する。そこで、供給口の長手方向にハリを設ける供給口を分割する必要がある。特開平１０ー１３８４７８で、ハリによって複数に分割されたインクジェット記録ヘッド用の基板について開示されている。
特開平４−１０９４０号公報特開平１０−１３８４７８号公報

しかしながら、供給口の中にハリを作ると、インクを加熱する吐出圧発生素子部と供給口との間の障害物になり、吐出口へのインクの充填速度に影響を与え、ハリ付近の吐出圧発生素子部は他の部分と均一な吐出性能が得られないという問題があった。

上記のような問題点は、基板にインク吐出圧力発生素子が設けられ、インク吐出圧力発生素子に対向するプレート側に吐出口が配されて、インク内に気泡を発生させて該吐出口基板に垂直にインクを吐出するインクジェット記録ヘッドで、基板にインク供給口がハリを介して長手方向に複数連続して配置されたヘッドであって、ハリの中心部が隣接するインク吐出口の間に配置されたことを特徴とする本発明のインクジェット記録ヘッドによって解決された。

［作用］
連続するインク供給口の間のハリの部分が、供給口から吐出口へ流れるインクの流速を遅くしている。ハリによる影響が最小になるように、隣接する吐出口の間に配置して、ハリ近傍の吐出圧発生素子へ供給されるインクの流速の乱れを緩和させ印字速度の低下を回避するものである。

以上述べたように本発明によれば、インク供給口をハリによって複数に分割したインクジェット記録ヘッドの場合においても、機械強度が十分に確保され、インク流路の抵抗を増大させることなく高品位な印字が可能なインクジェット記録ヘッドを提供することができる。

［実験１］
以下に、本発明に係わる実験について述べる。連続する供給口間のハリ部と開口部での、インク吐出の周波数特性について調べた。

図２は本発明にいたる実験に用いたインクジェット記録ヘッドの基板の吐出口付近の概略を示したものである。吐出口のピッチは４３μｍとした。

インク供給口端部２０３から吐出口下部に位置する吐出圧発生素子（ヒーター）２０１までの距離ＣＨは５０μｍとした。

また吐出口からノズルフィルター２０５までの距離は４０μｍ、間隔は２５μｍとした。この時、ハリ２０４の部分の基板面部の幅を２５μｍとして、インク吐出が応答できるヒーター電圧パルスの限界周波数を調べた。

図３は、各位置の吐出口の限界応答周波数の関係を示したものである。ハリがヒーターの真正面にある吐出口（bit No37）では、限界吐出周波数が４．５ＫＨｚであった。また、ハリから供給口に平行な方向に１００μｍ以上離れた吐出口の限界応答周波数は９〜１０ｋＨｚであった。

図１は本発明による、ハリを隣接するヒーターの間に配置したインクジェット記録ヘッドの平面図である。

図４はその時の各位置の吐出口の限界応答周波数の関係を示したものである。ハリの真横の吐出口（bit No37、38）では、限界吐出周波数が７ＫＨｚで、図３のものに較べて２．５ＫＨｚ改善されていた。

［実験２］
図１のハリを吐出口の中央から少しずつシフトしていった時の、隣接するヘッドの限界吐出周波数を調べた。図５は、ハリの中央からのシフト量と影響を受ける吐出口の限界吐出周波数の関係を示したものである。シフト量が１０μｍを越えると急激に限界吐出周波数が低下していることが判る。

［実施態様例］
図１は本発明による実施態様例を示すインクジェット記録ヘッドの基板の模式図である。基板としてはＳｉウエハ、アルミナなどのセラミック、Ａｌなどの金属基板、樹脂等が用いられる。基板の中心部にインクを裏面から供給するための貫通穴１０３があけられている。インクジェット記録ヘッド吐出口の幅が広くなると、この供給口が基板中心を縦断しているために、基板の強度が低下して、変形や破損が起きる可能性が増える。そこで、供給口を複数に分割して、内部にハリ１０４を設けて強度増加をはかる。このときハリ上部（インク吐出圧発生素子形成面側）がインク流路の抵抗となり、高い周波数でインクジェットを駆動したときのインク供給の乱れが発生する。本発明では、これを回避するために、ハリによる影響が最小になるように、隣接する吐出口の間にハリを配置して、ハリ近傍の吐出圧発生素子へ供給されるインクの流速の乱れを緩和させ印字速度の低下を回避するものである。

Ｓｉウエハを基板として用いた場合、供給口の幅は一般には５０〜３００μｍ、望ましくは８０〜２００μｍ、最適には１００〜２００μｍである。供給口の長さは一般には０．５〜３ｍｍ、望ましくは１〜２ｍｍである。ハリの吐出圧発生素子形成面側の幅は一般には５〜１００μｍ、望ましくは１０〜８０μｍ、最適には１５〜２５μｍである。

１０１はインク吐出口で、吐出口の近傍は樹脂の隔壁１０２で分離されて液室が形成されており近接する吐出口でインクの流れが干渉しないようになっている。また、各液室の直前には、ノズルフィルター１０５が設けられゴミの進入を防いでいる。

以下に、本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明によるインクジェット記録ヘッド基板のハリ付近の構造を示した模式図である。図６は図１の拡大図で、（１１０）の面方位を持った厚さ６３０μｍのＳｉウエハ１０７、平面構造において長辺が（１１１）面に平行で、幅１００μｍ、長さ２ｍｍ、短辺と長辺のなす角が７０．５度である、基板に対して、垂直エッチされたインク供給口１０３が、表面の幅が２０μｍ、裏面の幅が１４０μｍのハリ１０４を挟んで３０個縦列に配置されている。ハリは、隣接する吐出口の中心にくるように配置した。

感光性樹脂で形成された吐出口１０１の周囲に液室の隔壁１０２が形成され、液室の前にはノズルフィルター１０５を形成した。

図７は、インク供給口を基板裏面から見た平面の模式図である。貫通穴表面と鏡像関係に形成した。

このプロセス工程の途中で、インク供給口のハリ部分に破損はなかった。

このインクジェット記録ヘッドを使って、吐出周波数６ＫＨｚで印字テストを行ったが、６０ｍｍ幅全域にわたって、印字のカスレ、濃度ムラ、インクの不吐出のない高品位な印字物が得られた。

以下に、本発明の他実施例を説明する。

実施例１と同様の構造で、ハリを隣接する吐出口の中心から１０μｍ片側に寄せて配置した。他の部分は実施例１と同じにした。

このインクジェット記録ヘッドを使って、吐出周波数５ＫＨｚで印字テストを行ったが、６０ｍｍ幅全域にわたって、印字のカスレ、濃度ムラ、インクの不吐出のない高品位な印字物が得られた。

以下に、本発明によるインクジェット記録ヘッドの製造方法について、順を追って説明する。

図８のように、厚さ６３０μｍ、６インチΦの（１１０）面のＳｉウエハ３０１の上を熱酸化して、ＳｉＯ２層３０２を６０００Å形成し、さらにＳｉＯ２をパターニングして供給口開口部３０３を形成した。（図８（１））スパッターでＡｌＣｕ膜を２０００Å堆積した。この膜のＣｕの含有量は０．５％であった。フォトリソ技術によって図８（２）のように犠牲層３０４下層電極配線３０５を形成した。犠牲層の幅は１８０μｍ、長辺方向は２ｍｍで、隣接した犠牲層間のハリに相当する部分の幅は１５μｍとした。犠牲層は、実施例１と同様に短辺と長辺のなす角が７０．５度である平行四辺形で、ハリを挟んで４０本直列に並べた。

次に、エッチングストップ層として、プラズマＣＶＤでＳｉＮ膜３０６を１２０００Å堆積した。

この時の成膜条件は、ＳｉＨ４／ＮＨ３／Ｎ２＝５００／１５００／６３００ｓｃｃｍ、圧力１５００ｍｔｏｒｒ、基板温度４００℃、ＲＦ１７００Ｗであった。

フォトリソ技術を使い、図８（３）のようにエッチングストップ層をパターニングした後、層間絶縁膜３０７としてＳｉＯＮを１４０００Å成膜した。この時の成膜パラメーターは、ＳｉＨ４／Ｎ２Ｏ／Ｎ２＝２５０／１２００／４０００ｓｃｃｍ、圧力１５００ｍｔｏｒｒ、基板温度３８０℃、ＲＦ１７００Ｗ、組成比Ｓｉ／Ｏ／Ｎ＝３７／６１／２であった。

この後は、図８（４）のように層間絶縁膜にコンタクトホール３０８を形成し、ＴａＳｉＮ（組成比４４／４３／１３）を５００ÅとＡｌを３０００Å連続成膜してパターニングして、図８（５）のようにヒーター３０９と上部配線３１０を形成した。

次にヒーター保護膜３１１として、プラズマＣＶＤのＳｉＮを３０００Å堆積、パターニングした。成膜条件は、ＳｉＨ４／ＮＨ３／Ｎ２＝１８０／４８０／２０００ｓｃｃｍ、圧力１５００ｍｔｏｒｒ、基板温度３２０℃、ＲＦ１７００Ｗであった。(図８（６）)
さらに、インクの発泡によるキャビテーションからヒーターを保護するため、Ｔａを２３００Åをスパッターで堆積パターニングして、耐キャビテーション膜３１２を形成した。（図８（７））
樹脂製のノズルの密着性を上げるためと、裏面をアルカリエッチャントから保護するために、耐食性の高いポリエーテルアミド系樹脂膜（日立化成製 HIMAL）３１３を２μｍ塗布焼成して形成し、図８（８）のようにヒーター部とインク供給口部をパターニングで露出させた。

感光性樹脂としてポリメチルイソプロペニルケトン（東京応化ＯＤＵＲ−１０１０）を２０μｍ塗布してパターニングして、図８（９）のようにインク流路形成材３１４を形成した。

さらに表１に示した感光性樹脂３１５を１０μｍ塗布しパタ−ニングして(図８（１０）)、図８（１１）のようにインク吐出口３１６を形成した。

ノズル形成面側を保護するために、ゴム系レジスト（東京応化製ＯＢＣ）で保護膜３１７を形成した。(図８（１２）)ノズル形成された裏面のＳｉＯ２をパターンニングして、インク供給口開口部３１８を形成した。(図８（１３）)この時のパターンは、図７のように表面の犠牲層とは鏡像関係になるような平行四辺形にした。そして、表面と同様にハリに相当する部分の幅を１２０μｍ設けた。

次に裏面のインク供給口パターン部の平行四辺形の窓の狭角に隣接した部分に、ＹＡＧレーザーで非貫通のエッチング先導孔を開けた。この時の穴の径は３０〜３５μｍ、深さは４４０〜５５０μｍであった。

この基板を２２％のＴＭＡＨ水溶液に浸漬して異方性エッチングした。エッチャント温度は８３℃、エッチング時間は７時間３０分とした。これは基板の厚み６３０μｍをジャストエッチする時間に対して１０％のオーバーエッチ時間とした。

エッチングは図８（１４）のようにＡｌＣｕの犠牲層まで進み、エッチングストップ層３０６の前で止まっている。この時、エッチングストップ層に亀裂はなく、流路形成樹脂層３１４やノズル部３１６へのエッチング液の浸入は見られなかった。

次に、図８（１５）のようにエッチングストップ層のＳｉＮをＣＤＥ法によって除去した。エッチング条件は、ＣＦ４／Ｏ２／Ｎ２＝３００／２５０／５ｓｃｃｍ、ＲＦ８００Ｗ、圧力２５０ｍｔｏｒｒであった。

図８（１６）のようにメチルイソブチルケトンに浸漬後、キシレン中で超音波を掛け保護膜を除去して、乳酸メチル中で超音波を掛け樹脂３１４を除去して、インク流路３１９を形成しインクジェット記録ヘッドができた。(図８（１７）)
このインクジェット記録ヘッドを使って、吐出周波数６ＫＨｚで印字テストを行ったが、８０ｍｍ幅全域にわたって、印字のカスレ、濃度ムラ、インクの不吐出のない高品位な印字物が得られた。

本発明によるインクジェット記録ヘッドの基板を示す概略図本発明に至る実験に用いたインクジェット記録ヘッドの基板構造を示す概略図従来のインクジェット記録ヘッドのインク吐出限界応答周波数特性本発明によるインクジェット記録ヘッドのインク吐出限界応答周波数特性本発明に至る実験に用いたインクジェット記録ヘッドのインク吐出限界応答周波数特性本発明によるインクジェット記録ヘッドの平面概略図本発明によるインクジェット記録ヘッドの裏面概略図本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フロー

符号の説明

１０１インク吐出口（ヒーター部）
１０２液室隔壁
１０３インク供給口
１０４ハリ
１０５ノズルフィルター
１０６シリコン基板
２０１インク吐出口
２０２液室隔壁
２０３インク供給口
２０４ハリ
２０５ノズルフィルター
２０６ヒーター
３０１Ｓｉ基板
３０２絶縁膜
３０３インク供給口パターン
３０４犠牲層
３０５下層配線
３０６エッチングストップ層
３０７層間絶縁膜
３０８コンタクトホール
３０９ヒーター
３１０上層配線
３１１ヒーター保護膜
３１２耐キャビテーション膜
３１３ポリエーテルアミド樹脂膜
３１４流路形成樹脂
３１５ノズル形成樹脂
３１６インク吐出口
３１７エッチング保護膜
３１８インク供給口パターン
３１９インク流路

Claims

基板にインク吐出圧力発生素子が設けられ、インク吐出圧力発生素子に対向するプレート側に吐出口が配されて、インク内に気泡を発生させて該吐出口基板に垂直にインクを吐出するインクジェット記録ヘッドで、基板にインク供給口がハリを介して長手方向に複数連続して配置されたヘッドであって、ハリの中心部が隣接するインク吐出口の間に配置されたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
ハリの中心部が隣接するインク吐出口の中心線上に配置されたことを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
ハリの中心部が、隣接するインク吐出口の、中心線から±１０μｍ以内に配置されたことを特徴とする請求項１乃至２に記載のインクジェット記録ヘッド。
ハリの吐出圧発生素子形成面側の幅は、２５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３に記載のインクジェット記録ヘッド。