JP2009066861A - インクジェット記録ヘッド及び記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘッド温度の検出精度をさらに向上させる。
【解決手段】インクの吐出に利用される熱エネルギーを発生する複数の発熱素子１５が設けられた基板１１を有する。この基板１１には、発熱素子１５に電気信号を供給するための配線２５ｅ、２５ｆ、発熱素子１５に対応して設けられた吐出口１４、吐出口１４に連通するインク流路１３が設けられている。また、インク流路１３に連通する共通液室１２及び該基板１１の温度を検出するための温度検出素子１７が設けられている。基板１１の複数の発熱素子１５の近傍から温度検出素子１７に亘って、基板１１よりも熱伝導率の高い熱伝導層１６が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、インクジェット記録ヘッド及び該ヘッドを備えた記録装置に関するものである

特許文献１や特許文献２に記載されているインクジェット記録方式は、高速、高密度で高精度、高画質の記録が可能で、かつ、カラー化、コンパクト化に適しており、近年特に注目を集めている。この方式を用いる代表的な記録装置は、熱エネルギーによって記録液体等（以下「インク」という。）を吐出させるインクジェット記録ヘッドを備えている。そして、かかるインクジェット記録ヘッドには、インクに熱を作用させる熱作用部が設けられている。

図９は、上記熱作用部の電気熱変換体近傍の模式的平面図であり、図１０は図９のＸ₂−Ｘ'₂断面図である。

図１０の符号２１はＳｉ基板、２２はＳｉＯ₂の第一の蓄熱層、２３はＳｉＯ₂の第二の蓄熱層を示している。また、符号２４は、電気熱変換体（発熱素子）を構成する発熱抵抗体（ＴａＮ層）を示し、符号２４ｃはヒーター部を示している。また、符号２５ｅ、２５ｆはＡｌ配線、２６は保護層（ＳｉＮ層）、２７は耐蝕層（Ｔａ層）、２９はインク流路２９の熱作用面をそれぞれ示している。すなわち、インク流路２９に対応して、一対のＡｌ配線２５ｅ、２５ｆと、これらのＡｌ配線２５ｅ、２５ｆに接続され、Ａｌ配線２５ｅ、２５ｆ間の領域に熱を発生させる発熱抵抗体２４と、を有する発熱素子が設けられている。そして、発熱素子のヒーター部２４ｃから発生した熱エネルギーによって熱作用面のインクを急激に加熱発泡させ、この発泡によってインクを吐出させる。

ここで、インクの吐出は、環境温度の変化によって、大きな影響を受ける。すなわち、環境温度が高いときには、同一の駆動条件下でもインクの粘度が小さくなり、インクが飛び出しやすくなって吐出するインクの量が増加する。一方、環境温度が低いときには、インクの粘度が大きくなり、上記と逆の現象が発生する。この結果、環境温度の変化に起因する画質変化を抑制するためには、常に記録ヘッドの温度を検出し、記録ヘッド自体の温度を制御してやる必要がある。さらに、ヒーター部にインクが供給されなくなった状態のまま記録ヘッドを駆動させると、インクによる冷却効果が得られず、記録ヘッドが過熱して壊れてしまうという問題がある。このため記録ヘッドの温度が異常に上昇した時、その温度を検出し、駆動を停止させる必要がある。この点からも、記録ヘッドの温度を検出するためのセンサーを設けることが不可欠である。

さらに、センサーによる温度検出の精度を上げるためには、該センサーを記録ヘッド基板のなるべく近くに配置することが望ましく、記録ヘッド基板上の熱源になるべく近い方がさらに望ましい。以上のような理由から、発熱素子の形成時に、温度検知用のセンサーを記録ヘッド基板に作り込む方法が一般的にとられている。

従来、上記のような温度検知用センサーとしては、例えば、記録ヘッド基板（Ｓｉ基板）内に不純物を拡散させて形成した抵抗体が知られている。具体的には、上記のようにして形成した抵抗体の抵抗値は温度によって変化するので、抵抗値の変化に基づいて温度変化を検出することができる。また、集積回路形成時の不純物をドープさせたポリシリコン、あるいは、基板内に形成したダイオードもセンサーとして利用できることが知られている。
米国特許第４，７２３，１２９号明細書 米国特許第４，７４０，７９６号明細書

しかしながら、記録ヘッド基板上には複数の発熱素子が形成されている。従って、相対的に温度センサーに近い発熱素子と、遠い発熱素子が存在する。従って、温度センサーに近い発熱素子から発生した熱による温度上昇は正確に検出されるが、遠い発熱素子から発生した熱による温度上昇の検出精度は相対的に低下する。すなわち、温度センサーから離れた発熱素子から発生した熱が温度センサーに伝導するまでの熱経路は、温度センサーに近い発熱素子から発生した熱が温度センサーに伝導するまでの熱経路に比べて長い。この結果、２つの発熱素子の発熱量が同一であって、それぞれの発熱素子の周囲における温度上昇も同一であっても、温度センサーの検出結果は異なる。また、本件発明者らの実験では、記録ヘッドの駆動中に記録ヘッド基板内で温度勾配が生じ、記録品位が低下することが確認されている。

上記問題点を解決して、良好な記録品位を維持するためには、記録ヘッド基板全域における温度変化を迅速、かつ、高精度で検出する必要がある。しかし、温度センサーを複数設けることによって上記問題を解決することは、コスト面や実装面積の制限などの理由から困難である。

本発明の目的は、上記問題点を解決し、記録ヘッド基板の温度検出の精度を向上させることである。

本発明のインクジェット記録ヘッドは、インクの吐出に利用される熱エネルギーを発生する複数の発熱素子が設けられた基板を有する。この基板には、発熱素子に電気信号を供給するための配線、発熱素子に対応して設けられた複数の吐出口、各吐出口に連通するインク流路、各インク流路に連通する共通液室及び該基板の温度を検出するための温度検出素子が設けられている。さらに、基板の複数の発熱素子の形成領域又は該領域に隣接領域から温度検出素子の形成領域に亘って、基板よりも熱伝導率の高い金属層が形成されている。

本発明によれば、発熱素子から発生した熱が熱伝導層を介してヘッド全体に素早く熱伝導するので、ヘッド温度の検出精度や検出結果に基づく応答性が向上する。

（実施形態１）
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明インクジェット記録ヘッドの底面を示す模式的平面図である。ここで、インクジェット記録ヘッドの底面とは、インクが吐出される吐出口１４が開口されている面を意味する。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。

本例のインクジェット記録ヘッドを構成する主要部材である記録ヘッド基板１１には、スリット状の共通液室１２が一つ設けられている。共通液室１２の両側には、その長辺に沿って、インクの吐出に利用される熱エネルギーを発生する複数の電気熱変換体（発熱素子１５）が一列に配列されている。また、各発熱素子１５に対応して、一組の吐出口１４とインク流路１３とが形成されている。吐出口１４とインク流路１３とは対をなしており、吐出口１４は対応するインク流路１３を介して共通液室１２に連通している。

ここで、図１(ａ)(ｂ)中に符号１６で示されている層は、熱伝導層であって、本発明の金属層に相当する。また、符号１７で示されている層は拡散層であって、温度検出素子として機能する。さらに、符号１８は、吐出口１４を備えた樹脂プレートを示している。尚、図１では集積回路部の図示は省略されている。

図２は、本例のインクジェット記録ヘッドの構造をさらに詳しく示す断面図である。図中の符号１１ａはＳｉ基板、２２はＳｉＯ₂の第一の蓄熱層、２３はＳｉＯ₂の第２の蓄熱層をそれぞれ示している。また、符号２４は、発熱素子１５を構成する発熱抵抗体層、２４ｃはヒーター部を示している。尚、発熱抵抗体層２４はＴａＮによって形成されている。符号２５ｅ、２５ｆは発熱素子その他に電気信号を供給するためのＡｌ配線を示している。また、符号２６は、保護層（ＳｉＮ層）、２７は耐蝕層（Ｔａ層）、２９は熱作用面、３０は集積回路部をそれぞれ示している。

以下、順を追って記録ヘッド基板１１の作成手順について説明する。まず、Ｓｉ基板１１ａに、Ｐ型、Ｎ型の不純物をイオン注入及び熱拡散法によって導入し、Ｐ型、Ｎ型の拡散層を形成する。拡散層は、Ｂｉｐ素子、Ｍｏｓ素子、ＢｉＣＭｏｓ集積回路、或はＣＭｏｓ集積回路のいずれかを形成するための一般的な既知の方法によって形成することができる。尚、図中では、細い拡散層や段差などの構成は省略する。

上記Ｐ型拡散層を形成する際に、集積回路部３０の形成と同時に、該集積回路部３０と後に形成される発熱抵抗体層２４との間の層に、温度検出素子として機能する拡散層１７を形成する。ここでは、シート抵抗約１００Ω／Ｄ、幅５０μｍ、長さ２００μｍのサイズでヒーター列の一方側に配置した（図１参照）。

その後、集積回路部３０よりも積層方向上位に形成された拡散層１７よりもさらに上位に発熱抵抗体層２４を形成する。具体的には、スパッタ法により、ＴａＮを６００Å、Ａｌを５０００Åの厚さに堆積させ、フォトリソグラフィによるパターニングによって、発熱抵抗体層２４とＡｌ配線２５ｅ、２５ｆを形成する。この際、下地となる拡散層１７或は集積回路部３０との間には、第一の蓄熱層２２及び第二の蓄熱層２３が予め形成されており、電気的絶縁層として機能する。よって、集積回路部３０とＡｌ配線２５ｅ或は２５ｆとの接続は、第一の蓄熱層２２或は第二の蓄熱層２３に設けられたスルーホールを介して行われる。

次にＣＶＤ法によって保護層２６を１μｍの厚さに形成し、さらにスパッタ法によって耐蝕層２７を２３００Åの厚さに形成し、フォトリソグラフィによるパターニングを行って、所定の部分の耐蝕層２７と電極パッド部の保護層２６を除去する。

熱伝導層１６は、発熱素子１５の形成領域に隣接する領域から温度検出素子１７の形成領域に亘って形成してある。すなわち、熱伝導層１６としてき機能する金属層の少なくとも一部は、電気的絶縁層を介して発熱素子１５と重なり、少なくとも他の一部は、電気的絶縁層を介して温度検出素子１７と重なっている。熱伝導層１６は、Ｓｉ基板１１ａの材料である単結晶シリコン、電気的絶縁層（第一、第二の蓄熱層２２、２３）の成膜材料である窒化珪素や酸化珪素よりも熱伝導率の高い金属を用いた形成した。本例では、アルミニウムによって熱伝導層１６を形成した。アルミニウムの熱伝導率は、約240[Ｗ/ｍ・K]であり、単結晶シリコンの熱伝導率は約150[Ｗ/ｍ・K]である。アルミニウムの他に、金（熱伝導率約320[Ｗ/ｍ・K]）や銀（熱伝導率約430[Ｗ/ｍ・K]）あるいは銅（熱伝導率約400[Ｗ/ｍ・K]）などを用いてもよい。また、プラチナを用いてもよい。さらには、これらの合金、例えば、アルミニウム-銅合金などの熱伝導性の良好な材料を用いてもよい。

この記録ヘッド基板１１を用いて、インクジェット記録ヘッドを作成し、その記録ヘッドを記録装置に搭載して駆動させた。発熱素子列において発生した熱は熱伝導層１６によって記録ヘッド基板１１全体に迅速に熱伝導されるとともに、記録ヘッド基板１１の外周部に設けられている拡散層（温度検出素子）１７によって、瞬間的に上昇したヘッド温度が精度良く検出された。さらに従来のインクジェット記録ヘッドよりも高い放熱効果が得られることも確認された。尚、詳しい説明は省略するが、本例のインクジェット記録ヘッドには、温度検出素子１７の検出結果に基づいて、発熱素子１５を制御する制御手段が設けられている。この制御手段は、インクジェット記録ヘッドが搭載される記録装置側に設けることもできる。
（実施形態２）
図３に本発明のインクジェット記録ヘッドの実施形態の他例を示す。もっとも、本例のインクジェット記録ヘッドの基本構成は、実施形態１のインクジェット記録ヘッドと共通であり、共通する構成については同一の符号を用いて適宜説明を省略する。

図３(ａ)は、本発明インクジェット記録ヘッドの底面を示す模式的平面図である。また、図３（ｂ）は、同図（ａ）Ｂ−Ｂ’断面図である。

本例のインクジェット記録ヘッドを構成する主要部材である記録ヘッド基板１１には、スリット状の共通液室１２が三つ設けられている。各共通液室１２の両側には、その長辺に沿って発熱素子１５が一列に配列されている。また、各発熱素子１５に対応して、一組の吐出口１４とインク流路１３とが形成されている。吐出口１４とインク流路１３とは対をなしており、吐出口１４は対応するインク流路１３を介して共通液室１２に連通している。以下の説明では、中央の共通液室１２に沿って配置された発熱素子１５が形成する発熱素子列を「第II発熱素子列」、両端の共通液室１２に沿って配置された発熱素子１５が
形成する発熱素子列を「第I発熱素子列」と呼んで区別する。もっとも、かかる区別は説
明の便宜上の区別に過ぎない。

拡散層（温度検出素子）１７は、中央の共通液室１２の長手方向一方側に配置されている。そして、熱伝導層１６は、各発熱素子列の形成領域から温度検出素子１７の形成領域に亘って、記録ヘッド基板底面の略全面に形成されている。

ここで、第II発熱素子列は、２つの第I発熱素子列に比べて、温度検出素子１７の近く
に配置されている。従って、第I発熱素子列から発生した熱が温度検出素子１７に伝わる
までの熱経路は、第II発熱素子列から発生した熱が温度検出素子１７に伝わるまで熱経路
に比べて長い。しかし、これら熱経路には熱伝導層１６が形成されているので、第I発熱
素子列から発生した熱が温度検出素子１７に伝わるのに要する時間ｔ１と、第II発熱素子
列から発生した熱が温度検出素子１７に伝わるのに要する時間ｔ２とは略同一である。換言すれば、図４に示すように、発熱素子１５から発生した熱が温度検出素子１７に伝わるまでの間の温度低下は、第I発熱素子列についても、第II発熱素子列についても大差はな
い。

一方、熱伝導層を備えていない従来のインクジェット記録ヘッドにおいても、温度検出素子に比較的近い第II発熱素子列から発生した熱はあまり温度低下することなく温度検出
素子まで伝わる。しかし、温度検出素子から比較的離れている第I発熱素子列から発生し
た熱の温度は、温度検出素子に伝わるまでの間に大きく低下してしまう（図５参照）。要するに、発熱素子から発生した熱の、温度検出素子に伝わるまでの間における温度低下が、第I発熱素子列と第II発熱素子列とで大きく異なる。

実際に本例のインクジェット記録ヘッドを駆動させたところ、各発熱素子列の周囲における瞬間的な温度上昇が温度検出素子１７によって精度良く検出された。すなわち、一つに基板上に複数の共通液室と発熱素子列とが形成されている場合であっても、発熱素子列の位置に拘らず、ヘッド温度の変化が精度良く検出された。さらに従来のインクジェット記録ヘッドに比べて放熱効果が向上することも確認された。
（実施形態３）
図６に本発明のインクジェット記録ヘッドの実施形態の他例を示す。もっとも、本例のインクジェット記録ヘッドの基本構成は、実施形態１のインクジェット記録ヘッドと共通であり、共通する構成については同一の符号を用いて適宜説明を省略する。

図６(ａ)は、本発明インクジェット記録ヘッドの底面を示す模式的平面図である。また、図６（ｂ）は、同図（ａ）Ｃ−Ｃ’断面図である。

本例のインクジェット記録ヘッドを構成する主要部材である記録ヘッド基板１１には、スリット状の共通液室１２が三つ設けられている。各共通液室１２の両側には、その長辺に沿って発熱素子１５が一列に配列されている。また、各発熱素子１５に対応して、一組の吐出口１４とインク流路１３とが形成されている。吐出口１４とインク流路１３とは対をなしており、吐出口１４は対応するインク流路１３を介して共通液室１２に連通している。以下の説明では、中央の共通液室１２に沿って配置された複数の発熱素子１５が形成する発熱素子列を「第II発熱素子列」、両端の共通液室１２に沿って配置された発熱素子
１５が形成する発熱素子列を「第I発熱素子列」と呼んで区別する。もっとも、かかる区
別は説明の便宜上の区別に過ぎない。

拡散層（温度検出素子）１７は、中央の共通液室１２の長手方向一方側に配置されている。そして、熱伝導層１６は、各発熱素子列の近傍から温度検出素子１７に亘って、記録ヘッド基板底面の略全域に形成されている。

図７は、本例のインクジェット記録ヘッドの構造をさらに詳しく示す断面図である。図中の符号１１ａはＳｉ基板、２２はＳｉＯ₂の第一の蓄熱層、２３はＳｉＯ₂の第２の蓄熱層をそれぞれ示している。また、符号２４は、発熱素子１５を構成する発熱抵抗体層、２４ｃはヒーター部を示している。尚、発熱抵抗体層２４はＴａＮによって形成されている。符号２５ｅ、２５ｆはＡｌ配線を示している。また、符号２６は、保護層（ＳｉＮ層）、２７は耐蝕層（Ｔａ層）、２９は熱作用面、３０は集積回路部をそれぞれ示している。

図７と図２を比較すると理解できるように、本例のインクジェット記録ヘッドでは、電気的絶縁層（第二の蓄熱層２３）を介して熱伝導層１６が発熱素子１５の下にまで配置されている。より詳しくは、熱伝導層１６が発熱素子１５のヒーター部２４ｃの下にまで配置されている。

一般に、移動する熱量はフーリエの法則に従い接触面積と温度差に比例し、伝わる距離に反比例する。即ち、単位時間Δtの間に移動する熱量ΔQは、下記数式によって表され
る。

ここでは、接触面積をＡ、熱が伝わる距離をａ、温度差をＴ_high−Ｔ_lowとした。本例では、厚さ１μｍ程度の第二の蓄熱層２３（薄い酸化珪素絶縁膜）を介してヒーター部２４ｃの直下にアルミニウムからなる熱伝導層１６が形成されている。よって、ヒーター部２４ｃの面積がそのまま接触面積Ａとなり、伝わる距離ａはごく短い。従って、上記実施形態のインクジェット記録ヘッドと比べて、発熱素子１５（ヒーター部２４ｃ）から熱伝導層１６へ移動する単位時間あたりの熱量が大きい。

実際に本例のインクジェット記録ヘッドを駆動させたところ、各発熱素子列の周囲における瞬間的な温度上昇が温度検出素子１７によってさらに精度良く検出された。
（実施形態４）
図８に本発明のインクジェット記録ヘッドの実施形態の他例を示す。もっとも、本例のインクジェット記録ヘッドの基本構成は、実施形態１のインクジェット記録ヘッドと共通であり、共通する構成については同一の符号を用いて適宜説明を省略する。

図８と図７を比較すれば理解できるように、本例のインクジェット記録ヘッドでは、発熱抵抗体層２４に重ねられている保護層２７の上に熱伝導層１６が重ねられている。さらに、温度検出素子１７と熱伝導層１６とが重なっている領域では、両者を電気的に絶縁している蓄熱層が他の領域に比べて薄くなっている。ここで、本例の蓄熱層は、第一及び第二の蓄熱層２２、２３によって構成されている。よって、蓄熱層を部分的に薄くするためには、第一及び第二の蓄熱層２２、２３の双方の膜厚を部分的に薄くする方法、いずれか一方の膜厚を部分的に薄くする方法、いずれか一方を部分的に省略する方法がある。本例では、温度検出素子１７と熱伝導層１６とが重なっている領域の第二の蓄熱層２３を省略して蓄熱層を薄くした。

本例では発熱抵抗体層２４に重ねられている保護層２７と重なっている熱伝導層１６が、厚さ５０００Å程度の第一の蓄熱層２２（薄い酸化珪素絶縁膜）のみを介して温度検出素子１７と重なっている。従って、上記実施形態のインクジェット記録ヘッドと比べて、発熱素子１５（ヒーター部２４ｃ）から熱伝導層１６へ移動する単位時間あたりの熱量が大きい。

実際に本例のインクジェット記録ヘッドを駆動させたところ、各発熱素子列の周囲における瞬間的な温度上昇が温度検出素子１７によってさらに精度良く検出された。

本発明のインクジェット記録ヘッドの実施形態の一例を示す模式図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。 図１に示すインクジェット記録ヘッドの構造を示す一部省略の断面図である。 本発明のインクジェット記録ヘッドの実施形態の他例を示す模式図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。 本発明における発熱素子列から温度検出素子までの温度勾配を示す概念図である。 従来技術における発熱素子列から温度検出素子までの温度勾配を示す概念図である。 本発明のインクジェット記録ヘッドの実施形態の他例を示す模式図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ’断面図である。 図６に示すインクジェット記録ヘッドの構造を示す一部省略の断面図である。 本発明のインクジェット記録ヘッドの実施形態の他例を示す一部省略の断面図である。 従来の一般的なインクジェット記録ヘッドを示す一部省略の平面図である。 図９のＸ₂−Ｘ'₂断面図である。

符号の説明

１１ 記録ヘッド基板
１２ 共通液室
１３ インク流路
１４ 吐出口
１５ 発熱素子
１６ 熱伝導層
１７ 拡散層（温度検出素子）
２５ｅ、２５ｆ Ａｌ配線

Claims (7)

1. インクの吐出に利用される熱エネルギーを発生する複数の発熱素子が設けられた基板に、前記発熱素子に電気信号を供給するための配線、前記複数の発熱素子のそれぞれに対応して設けられた複数の吐出口、前記複数の吐出口のそれぞれに連通するインク流路、前記複数のインク流路に連通する共通液室、及び該基板の温度を検出するための温度検出素子が設けられたインクジェット記録ヘッドであって、
   前記基板の前記複数の発熱素子の形成領域又は該領域に隣接する領域から前記温度検出素子の形成領域に亘って、前記基板よりも熱伝導率の高い金属層が形成されていることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 前記金属層の少なくとも一部は、電気的絶縁層を介して前記発熱素子と重なり、少なくとも他の一部は、前記電気的絶縁層を介して前記温度検出素子と重なっている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。
3. 前記電気的絶縁層の、前記温度検出素子と重なる領域の厚みが、他の領域の厚みよりも薄いことを特徴とする請求項２記載のインクジェット記録ヘッド。
4. 前記金属層の一部は、前記発熱素子に重ねられている保護層と重なっている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。
5. 前記金属層が、金、銀、プラチナ、アルミニウム或は銅又はこれらの合金によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。
6. 前記温度検出素子の検出結果に基づいて、前記発熱素子を制御する制御手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッドを備えた記録装置。

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