JP2008149666A

JP2008149666A - インクジェット記録ヘッド

Info

Publication number: JP2008149666A
Application number: JP2006342523A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Tokunaga; 博之徳永
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2008-07-03

Abstract

【課題】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。
【解決手段】Ｓｉ（１１０）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において、基板に平行四辺形の平面形状をした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て、インク供給口の長辺方向にインク供給口を挟んで対向するようにインク吐出口が半ピッチずらして配置されたヘッドであって、インク供給口の短手方向の長さＸとインク吐出口のピッチＹの関係が、Ｘ／tan70.5=ｎＹ＋１／２Ｙ±１０μｍ（ｎは自然数）を満たすようにする。
【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が提案されている（特許文献１参照）。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基板に貫通するインク供給穴を開けていた。
特開平４−１０９４０号公報特開平１０ー１３８４７８号公報

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。特許文献２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。一方、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、Ｓｉ（１１０）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において、基板に平行四辺形の平面形状をした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て、インク供給口の長辺方向にインク供給口を挟んで対向するようにインク吐出口が半ピッチずらして配置されたヘッドであって、インク供給口の短手方向の長さＸとインク吐出口のピッチＹの関係が、Ｘ／tan70.5=ｎＹ＋１／２Ｙ±１０μｍ（ｎは自然数）を満たすことを特徴とするインクジェット記録ヘッドによって解決された。

さらに、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によって解決された。

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、インク供給口を挟んで対向するインク吐出口の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。

供給口の両側に吐出口を配置して印字密度を倍にする時、対向する吐出口は半ピッチずらして配置する。また、Ｓｉ（１１０）基板に連続したインク供給口を形成しようとする場合、平行四辺形の供給口の狭角は７０．５度となる。これらのことを考慮して、ハリが吐出口の中央に位置するような供給口の幅と吐出口のピッチは、以下の式で表される。
Ｘ／tan70.5=ｎＹ＋１／２Ｙ …（１）

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までの距離は４０μｍ、ノズルフィルターの間隔は２５μｍとした。この時、ハリ２０４の部分の基板表面部の幅を２０μｍ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、図２の下段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約４０μｍ離れた隣の吐出口の限界応答周波数は約８ｋＨｚ、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、ハリを隣接するヒーターの中央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はその時の下段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７．５ＫＨｚで、図３のものに較べて約３ＫＨｚ改善されていた。

以上述べたように、ハリを吐出口間に配置することによって、ハリによるインクのリフィルへの影響を抑制することが可能になり、限界吐出周波数の低下を抑えることが出来る。

［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（１１０）ウエハが用いられる。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、隣接する吐出口の中央近傍にハリを配置して、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。

さらに、インク供給口の両側に吐出口を設ける場合、インク供給口の短手方向の長さＸとインク吐出口のピッチＹの関係が、Ｘ／tan70.5=ｎＹ＋１／２Ｙ±１０μｍ（ｎは自然数）を満たすように設計する。また、インク供給口の両側の吐出口は半ピッチづつずらして配置して、印字密度を倍にするようになっている。

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２０〜１２０μｍ、望ましくは３０〜１００μｍ、最適には４０〜８０μｍである。

吐出口１０１は感光性レジスト等を用いた樹脂製で、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、同様の樹脂製のノズルフィルター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の表示領域拡大図である。（１１０）の面方位を持った厚さ６００μｍのＳｉウエハ１０５に、平面構造において長辺が（１１１）面に平行で、幅１８２μｍ、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。吐出口のピッチは４３μｍであった。この吐出口ピッチと供給口幅は、前述の式（１）の関係を満たしており、ハリの中心と吐出口間の中央の誤差は１μｍ以内であった。

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１０６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。

図１４は、図１のインクジェット記録ヘッドのＡ−Ａ’断面の模式図である。インク供給口の中にハリ１０４が形成され、その両側に厚さ２００Å、３６μｍ□のＴａＮヒーター１０７が、４３μｍ間隔で配置した。ヒーターの直上には樹脂で吐出口１０１を形成した。各ヒーターには、厚さ３０００ÅのＡｌＣｕ配線１０８が接続され、個々に電気信号が供給できるようにした。

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７．３ＫＨｚ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、インク供給口の幅を３０３μｍ、吐出口ピッチは４３μｍとした。この吐出口ピッチと供給口幅は、前述の式（１）の関係を満たしており、ハリの中心と吐出口間の中央の誤差は約８μｍであった。

このインクジェット記録ヘッドを使って、吐出周波数６．３ＫＨｚ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（１）のように、厚さ６３０μｍ、５インチΦの（１１０）面のＳｉウエハ３０１の上を熱酸化して、ＳｉＯ層３０２を６０００Å形成した。次に、ＳｉＯ２をパターニングして供給口開口部３０３を形成した。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、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６０００Å堆積した。

この時の成膜条件は、ＳｉＨ_４／ＮＨ_３／Ｎ_２＝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、ＳｉＨ_４／Ｎ_２Ｏ／Ｎ_２＝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。

次に図９（１）のようにヒーター保護膜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、ＳｉＨ_４／ＮＨ_３／Ｎ_２＝１８０／４８０／２０００ｓｃｃｍ、圧力１５００ｍｔｏｒｒ、基板温度３２０℃、ＲＦ１７００Ｗであった。

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、図９（２）のように耐キャビテーション膜３１２を形成した。

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（登録商標））３１３を２μｍ塗布焼成して形成し、図９（３）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１０（１）のようにインク流路形成材３１４を形成した。

さらに図１０（２）のように表１に示した感光性樹脂３１５を１０μｍ塗布しパターニングして、図１０（３）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、図１１（１）のように表ゴム系レジスト（東京応化製ＯＢＣ）で保護膜３１７を形成した。ノズル形成された裏面の樹脂層とＳｉＯ_２をパターンニングして、図１１（２）のように表インク供給口３１８を形成した。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、図１５のようにＹＡＧレーザーで非貫通のエッチング先導孔３２０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１２（１）のようにＡｌＣｕの犠牲層まで進み、エッチングストップ層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、流路形成樹脂層やノズル部へのエッチング液の浸入は見られなかった。

次に、図１２（２）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、ＣＦ_４／Ｏ_２／Ｎ_２＝３００／２５０／５ｓｃｃｍ、ＲＦ８００Ｗ、圧力２５０ｍｔｏｒｒであった。

図１３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３２２を形成しインクジェット記録ヘッドができた。

このインクジェット記録ヘッドを使って、吐出周波数７ＫＨｚ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である。従来のインクジェット記録ヘッドの基板構造を示す概略図である。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である。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である。本発明に至る実験で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である。本発明によるインクジェット記録ヘッドの平面概略図である。本発明によるインクジェット記録ヘッドの裏面概略図である。本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フローである。本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フローである。本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フローである。本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フローである。本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フローである。本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フローである。図１の断面構造である。ＹＡＧレーザー河口部である。

符号の説明

１０１インク吐出口
１０２液室隔壁
１０３インク供給口
１０４ハリ
１０５Ｓｉ基板
１０６ノズルフィルター
１０７ヒーター
１０８電極
２０１インク吐出口
２０２液室隔壁
２０３インク供給口
２０４ハリ
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保護膜
３１８インク供給口パターン
３１９インク流路
３２０レーザー先導孔

Claims

Ｓｉ（１１０）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、基板に平行四辺形の平面形状をした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て、インク供給口の長辺方向にインク供給口を挟んで対向するようにインク吐出口が半ピッチずらして配置されたヘッドであって、インク供給口の短手方向の長さＸとインク吐出口のピッチＹの関係が、Ｘ／tan70.5=ｎＹ＋１／２Ｙ±１０μｍ（ｎは自然数）を満たすことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
前記ハリの中心部が、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記載のインクジェット記録ヘッド。
前記ハリの中心部が、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記載のインクジェット記録ヘッド。