JP2010099917A - インクジェット記録ヘッド用基板、インクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高密度でヒータを配置することが可能であり、かつ電極がヒータの寿命に与える影響を抑えることが可能なインクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録装置を実現すること。
【解決手段】発熱素子の投影部以外の部分に共通電極を配置させる。
【選択図】図１６

Description

本発明は、記録に用いられる液体を導く液体流路に対応して配置される電気熱変換素子を有するインクジェット記録ヘッド用基板、インクジェット記録ヘッドおよびそれが用いられるインクジェット記録装置に関するものである。

従来よりインクジェット記録装置は、インクの微小な液滴を吐出ロから吐出することにより、高精細な画像を高速で記録することができるという特徴を有している。特にインクを吐出するために用いられるエネルギ発生手段として、電気エネルギを熱エネルギに変換する電気熱変換体を利用したインクジェット記録装置（以下、単に記録装置ともいう）が広く用いられている。このような記録装置は、熱エネルギによって生じるインクの発泡を利用してインクを吐出する方式（インクジェット方式）が採用されており、その方法は特許文献１および特許文献２に公開されている。

インクジェット方式の記録装置は、画像の高精細性、高速記録性、記録ヘッドおよび装置の小型化やカラー化などにおいて優れ、これらの性能に関する市場の要求は年々大きくなっている。これに応じてインクジェット記録装置の各種の改良が進められている。

図３は、従来のインクジェット記録装置の記録ヘッドに用いられる基板の一部を示した概略平面図である。インクジェット記録装置に使用される記録ヘッドには、複数の吐出ロ３０が形成され、また基板上には各吐出ロからインクを吐出するために利用される熱エネルギを発生する電気熱変換素子３１が各インク流路毎に設けられている。

図４は、図３のIV−IVにおける断面を示した断面図である。電気熱変換素子３１は、抵抗体層３５と、その抵抗体層３５に電力を供給するための印加電極３２およびこれらを保護する保護層４４を有する。また、各インク流路４０は、複数の流路壁３３を基板上に形成し、その流路壁３３と、インク供給口が形成された天板（不図示）とを接合することで形成される。各インク流路４０は、その吐出口と反対側の端部が共通液室（不図示）と連通しており、この共通液室にインクタンク（不図示）から供給されるインクが貯留される。

共通液室に供給されたインクは、各インク流路４０に導かれ、吐出ロ近傍でメニスカスを形成して保持される。この時、電気熱変換素子（以下、発熱素子ともいう）３１を選択的に駆動させることにより、その発生する熱エネルギを利用して、熱作用面上のインクを急激に加熱して膜沸騰を生じさせ、これにより発生した気泡の成長に伴う圧力によってインクを吐出させる。

記録ヘッド用基板には、シリコン基板４２上に、熱酸化膜からなる蓄熱層４３と、蓄熱を兼ねるＳｉＯ層、ＳｉＮ層などからなる絶縁層４１と、抵抗体層３５と、Ａ１，Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ等の印加電極３２とが設けられている。さらに記録ヘッドの基板には、ＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜等からなる保護層４４と、発熱素子３１の発熱に伴う化学的、物理的衝撃から保護層４４を守るための耐キャビテーション層４５とが設けられている。

図５は、図３の記録ヘッド用基板の一部から流路壁３３を取り除いた状態を示した概略平面図である。また、図６は、図５のVI−VIにおける断面を示した断面図である。記録ヘッド用基板の表面には発熱素子３１で発生した熱をインクに作用させるための発熱作用部６０が形成されている。これらの記録ヘッドは、各流路４０に対して１つの発熱素子３１が形成されている。

また、記録ヘッドに実装するノズルの高密度化の要求に対して、各種の試みがなされている。例えば特許文献３では、電気熱変換素子を構成する抵抗体層の発熱部（以下、ヒータともいう）と繋がる電極の共通電極を絶縁層の下側に電極層として這わせて、印加電極と共通電極とを絶縁層に設けたスルーホールで繋ぐ構成が示されている。

図７は、従来のインクジェット記録装置に用いられている記録ヘッドの、スルーホール７０が設けられた基板の一部を示した概略平面図であり、図８は、図７のVIII−VIIIにおける断面を示した断面図である。図９は、図７の基板の流路壁を取り除いた状態を取り除いた状態を示した概略平面図である。また図１０は、図９のＸ−Ｘにおける断面を示した断面図である。この構成によれば、複数のヒータを配置する際に共通電極３４をヒータ同士の間に設置する必要が無いため、それら複数のヒータ同士をより近接させて配置することができる。

また、従来の他の実施形態では、各ヒータ毎に個別に分離した印加電極を設けた構成もある。図１１は、従来の、個別に分離した印加電極３２が設けられた記録ヘッド用基板の一部を示した概略平面図であり、図１２は、図１１のＸII−ＸIIにおける断面を示した断面図である。図１３は、図１１に示した記録ヘッド用基板の流路壁３３を取り除いた状態を示した概略平面図である。また図１４は、図１３のＸIV−ＸIVにおける断面を示した断面図である。

また、特許文献４や特許文献５では、記録液流路に複数の発熱素子を配置し、記録する多値情報に応じて複数の発熱素子を選択的に駆動し、液滴の大きさを変化させる多値記録方式が記載されている。また、発熱素子を微小化し、更に液流路を高密度化に構成することにより吐出する液滴を小さくする方法も試みられている。

米国特許第４，７２３，１２９号明細書 米国特許第４，７４０，７９６号明細書 特開平７−３１４６９０号公報 特開２０００−１２７３９８号公報 特開２００１−２８７３６４号公報

しかしながら、１つのインク流路に複数の発熱素子を配置する場合には、共通電極と印加電極とを発熱素子に対して、左右に配置しなければならないため、発熱素子間に電極を配置するスペースが必要となり、ノズルの実装密度を高密度化する際に制約を受ける。また、１つのインク流路に１つの発熱素子が配置される場合でも、ＵＶインクなどの粘度のより高いインクを吐出させるためには、発熱素子の幅を広げて吐出効率を上げる必要がある。すなわち、ノズルの高密度化のためには、インク流路の幅をますます狭くすることが必要となるが、これは発熱素子だけでなく共通電極と印加電極の幅を狭くすることを意味する。しかしながら発熱素子の幅を狭くすることは、吐出効率やエネルギ効率の低下を招き、また、共通電極や印加電極の幅を狭くすることは、両電極での配線抵抗が増加するため、設計上の制約を受けることが考えられる。

また、共通電極を絶縁層の下側に導電層として這わせるような構成では、ヒータの熱によりヒータの直下の導電層で電極を構成するアルミニウムにヒロックを生じさせ、そのヒロックの成長によってヒータ上の発泡面に凸部が出来る。そしてその凸部でキャビテーションのカにより断線が生じてヒータの寿命に至るという問題があった。

よって本発明は、このような点を鑑みて成されたものであり、高密度でヒータを配置することが可能であり、かつ電極がヒータの寿命に与える影響を抑えることが可能なインクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録装置を実現することを目的とする。

そのため本発明のインクジェット記録ヘッド用基板は、第１の電極と該第１の電極に接続された発熱素子とが設けられた抵抗体層と、第２の電極が設けられた電極層と、が形成されており、前記抵抗体層の前記第１の電極と前記電極層の前記第２の電極とがスルーホールによって繋がっているインクジェット記録ヘッド用基板において、前記電極層には、前記発熱素子と対峙していない領域に前記第２の電極が設けられていることを特徴とする。

また、本発明のインクジェット記録ヘッドは、発熱素子を駆動させて流路内のインクに圧力を付与することでインクを吐出するインクジェット記録ヘッドにおいて、前記インクジェット記録ヘッド用基板を用いたことを特徴とする。

また、本発明のインクジェット記録装置は、前記のインクジェット記録ヘッドを備えた記録手段と、インクを受容する記録媒体を搬送する搬送手段と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、インクジェット記録ヘッドに用いる基板の電極層には、発熱素子と対峙していない領域に電極を設ける。これによって、高密度でヒータ（発熱素子）を配置することが可能であり、かつ電極がヒータの寿命に与える影響を抑えることが可能なインクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録装置を実現することができた。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は、本実施形態を適用可能なインクジェット記録装置を示した正面図であり、図２は、本実施形態のインクジェット記録ヘッド（以下、単に記録ヘッドともいう）を分解して示した分解斜視図である。本実施形態を適用可能なインクジェット記録装置１１１には、図２のような記録ヘッド１１０が各色毎に設けられており、記録媒体１０３の搬送に合わせて、記録媒体１０３に対してインクを吐出する。吐出されたインクが記録媒体１０３に受容されることで記録が行われる。

図１５は、本実施形態のインクジェット記録ヘッド用基板１５００の概略平画図であり、図１６は、図１５のＸVI−ＸVIにおける断面を示した断面図である。本実施形態の記録ヘッド用基板１５００は、インク流路１６４０と連通した複数のノズル１５０１が隣接して形成されている。各インク流路１６４０の底面には発熱素子１５３１による熱作用部が設けられており、インク流路１６４０の両側面は流路壁１５３３によって画設されている。そして、それぞれのノズル１５０１の前方（吐出口１５３０近傍）にはスルーホール１５７０が設けられ、そのスルーホール１５７０の後方（吐出口１５３０と逆の方向）には発熱素子１５３１が形成されている。記録ヘッド用基板１５００は、複数の層が重なって構成されており、この発熱素子１５３１は、複数の層の一部である発熱素子層に形成されている。この発熱素子１５３１に通電して駆動させることで、インク流路１６４０内のインクに圧力を付与してインクを吐出口１５３０から吐出させることができる。これらの発熱素子１５３１を駆動させるために設けられた電極は以下に説明するように配設されている。

各発熱素子１５３１に共通な電極である共通電極（第２の電極）１５３４は、スルーホール１５７０を介して絶縁層１６４１の下層に層（電極層）を成している。すなわち発熱素子１５３１と共通電極１５３４との間に層間絶縁膜１６４１が形成されている。また、共通電極１５３４はスルーホール１５７０を介して印加電極（第１の電極）１５３２と接続されている。

そして、その共通電極１５３４は、各発熱素子１５３１の投影領域には配設されていない。つまり、記録ヘッド用基板１５００における各発熱素子１５３１と対峙する領域以外の領域に櫛歯状の共通電極１５３４を設け、共通電極１５３４と発熱素子１５３１とが、絶縁層１６４１を介して、重なり合う部分が無いように構成されている。

図１７は、共通電極１５３４を示した正面図である。共通電極１５３４はこのような櫛歯形状をしている。図１６からも分かるように、共通電極１５３４の電極部は、流路壁１５３３の下部に配置されるように構成されている。こうすることで、発熱素子１５３１に通電して発熱した際の熱の影響が共通電極１５３４におよぶことを防止することができ、共通電極１５３４を構成するアルミニウムにヒロックが生じるのを防ぐことができる。

また図１８は、図１５のＸVIII−ＸVIIIにおける断面で、基板１５００の部分だけを示した断面図である。各電極および発熱素子１５３１の形成方法を以下に説明する。

単結晶シリコンからなるＳｉ基板上に、熱酸化法、スパッタリング法、ＣＶＤ法などによって１．１２μｍの蓄熱層１６４３を形成した。その上にスパッタリング法により膜厚１μｍのＡｌＳｉからなる膜を形成し、次いでドライエッチングにより共通電極１５３４を形成した。その後、プラズマＣＶＤ法などによってＳｉＯからなる膜厚０．９μｍの絶縁層１６４１を形成した。そしてその絶縁層１６４１にエッチングによってスルーホール１５７０を形成した。

次いで、Ｔａ−Ｓｉ合金ターゲットを用い反応性スパッタリング法により、ＴａＳｉＮからなる抵抗体層１８３５を形成した。その上に膜厚０．４μｍのＡｌＣｕ膜をスパッタリング法により形成し、フォトリソグラフィ法を用いて印加電極パターンを形成し、エッチングによりＡｌＣｕと抵抗体層１８３５を同時に取り除き、印加電極１５３２を形成した。

更に、発熱素子１５３１に相当する部分のＡｌＣｕ膜をエッチングすることにより、発熱作用部１８６０を形成した。次に、プラズマＣＶＤ法によってＳｉＮから成る膜厚０．５μ、の保護層１６４４を形成した。そして耐キャビテーション層１６４５としてスパッタリング法によって膜厚０．２３μｍのＴａ膜を形成し、フォトリソグラフィ法により本実施形態のインクジェット用基板１５００を作成した。

このようにして作製された記録ヘッド用基板１５００において、発熱素子１５３１に印加電極１５３２から電圧が印加される。これによって発熱素子１５３１は、発熱作用部１８６０上に流入したインクを加熱し膜沸騰を生じさせ、これにより生じた気泡の圧力を用いて吐出ロ１５３０からインクを吐出することができる。

このように、発熱素子１５３１の投影部以外の部分に櫛歯形状の共通電極１５３４を配置させる。これによって、高密度で発熱素子１５３１を配置することが可能であり、かつ電極が発熱素子１５３１の寿命に与える影響を抑えることが可能なインクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録装置を実現することができた。

なお、本実施形態では、絶縁層１６００の下層に櫛歯形状の共通電極１５３４を設けたが、発熱素子１５３１の投影領域以外でベタ状（発熱素子の投影領域以外全て）に共通電極１５３４を設けてもよい。また、本実施形態とは逆に印加電極１５３２を絶縁層１６４１の下層としてもよい。

また、共通電極１５３４を絶縁層１６４１の下層とし、発熱素子１５３１の投影領域以外でベタ状にすることで電庄降下を抑えることができる。

本実施形態を適用可能なインクジェット記録装置を示した正面図である。 本実施形態のインクジェット記録ヘッドを分解して示した分解斜視図である。 従来のインクジェット記録装置に用いられている記録ヘッドの基板の一部を示した概略平面図である。 図３のIV−IVにおける断面を示した断面図である。 図３の記録ヘッドの基板の一部から流路壁を取り除いた状態を示した概略平面図である。 図５のVI−VIにおける断面を示した断面図である。 従来のインクジェット記録装置に用いられている記録ヘッドの、スルーホールが設けられた基板の一部を示した概略平面図である。 図７のVIII−VIIIにおける断面を示した断面図である。 図７の基板の流路壁を取り除いた状態を取り除いた状態を示した概略平面図である。 図９のＸ−Ｘにおける断面を示した断面図である。 従来の、個別に分離した印加電極が設けられた記録ヘッドの基板の一部を示した概略平面図である。 図１１のＸII−ＸIIにおける断面を示した断面図である。 図１１に示した記録ヘッドの基板の流路壁を取り除いた状態を示した概略平面図である。 図１３のＸIV−ＸIVにおける断面を示した断面図である。 本実施形態のインクジェット記録ヘッド用基板の概略平画図である。 図１５のＸVI−ＸVIにおける断面を示した断面図である。 図１５に示した記録ヘッドの基板の流路壁を取り除いた状態を示した概略平面図である。 図１７のＸVIII−ＸVIIIにおける断面を示した断面図である。

符号の説明

１５００ インクジェット用基板
１５０１ ノズル
３０，１５３０ 吐出口
３１，１５３１ 電気熱変換素子（発熱素子）
３２，１５３２ 印加電極
３３，１５３３ 流路壁
３４，１５３４ 共通電極
３５，１８３５ 抵抗体層
４０，１６４０ インク流路
４１，１６４１ 絶縁層
４２，１６４２ シリコン基板
４３，１６４３ 蓄熱層
４４，１６４４ 保護層
４５，１６４５ 耐キャビテーション層
６０，１８６０ 発熱作用部
７０，１５７０ スルーホール

Claims (5)

1. 第１の電極と該第１の電極に接続された発熱素子とが設けられた抵抗体層と、第２の電極が設けられた電極層と、が形成されており、前記抵抗体層の前記第１の電極と前記電極層の前記第２の電極とがスルーホールによって繋がっているインクジェット記録ヘッド用基板において、
   前記電極層には、前記発熱素子と対峙していない領域に前記第２の電極が設けられていることを特徴とするインクジェット記録ヘッド用基板。
2. 前記発熱素子を駆動させて流路内のインクに圧力を付与することで前記インクを吐出するインクジェット記録ヘッドにおいて、請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド用基板を用いたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
3. 前記発熱素子による熱作用部は前記流路の底面に設けられ、前記流路の両側面は流路壁によって画設されており、前記第２の電極は、前記流路壁の下部に設けられていることを特徴とする請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド。
4. 前記第２の電極は櫛歯形状であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のインクジェット記録ヘッド。
5. 請求項２ないし請求項４のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッドを備えた記録手段と、前記インクを受容する記録媒体を搬送する搬送手段と、を備えていることを特徴とするインクジェット記録装置。

Images