JP3573515B2 - インク噴射記録ヘッド、記録装置、およびインク噴射記録ヘッドの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、熱エネルギを利用してインク液滴を記録媒体に向けて飛翔させる形式の記録装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パルス加熱によってインクの一部を急速に気化させ、その膨張力によってインク液滴をオリフィスから吐出させる方式のインクジェット記録装置は特開昭４８−９６２２号公報、特開昭５４−５１８３７号公報等によって開示されている。
【０００３】
このパルス加熱の最も簡便な方法は発熱抵抗体にパルス通電することであり、その具体的な方法が日経メカニカル１９９２年１２月２８日号５８ページ、及びＨｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ−Ｊｏｕｒｎａｌ，Ａｕｇ．１９８８で発表されている。これら従来の発熱抵抗体の共通する基本的構成は、薄膜抵抗体と薄膜導体を酸化防止層で被覆し、この上に該酸化防止層のキャビテーション破壊を防ぐ目的で、耐キャビテーション層を１〜２層被覆するというものであった。
【０００４】
この複雑な多層構造を抜本的に簡略化するものとして、本出願人が先に出願した特開平０６−７１８８８号公報に記載のように、前記酸化防止層と耐キャビテーション層を不要とする発熱抵抗体を用いて印字する方法がある。この場合は、薄膜抵抗体がインクと直接接触しているため、パルス加熱によるインクの急激な核沸騰とそれによるインクの吐出特性が大幅に改善され、熱効率の大幅な改善と吐出周波数の向上を図ることができた。このような画期的な性能を実現できた最大の理由は、耐パルス性、耐酸化性、耐電蝕性に優れたＣｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ又はＴａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体とＮｉ薄膜導体のみから構成される発熱抵抗体を用いたことにあり、如何なる保護層も必要としないことによる。
【０００５】
このように、従来技術に比較して、大幅に小さな投入エネルギでインク噴射が可能となったので、この発熱抵抗体を駆動用ＬＳＩチップ上のデバイス領域に近接して形成しても、もはやＬＳＩデバイスを加熱して温度上昇をもたらすこともなく、非常に簡単な構成のモノリシックＬＳＩヘッドを実現することができるようになった。これについては本出願人が先に出願した特願平０４−３４７１５０号及び特願平０５−９０１２３号に記載の通りである。この新しい技術によって、多くのインク噴射ノズルを持つオンデマンド型インクジェットプリントヘッドが高密度に、しかも２次元的に集積化して製造することができるようになり、高速印刷の可能なフルカラーインクジェットプリンタを実現させることができた。
【０００６】
更に、保護層の不要な薄膜発熱抵抗体の優れた発泡消滅特性を利用すれば、この発熱抵抗体面と垂直又はほぼ垂直方向にインク滴を吐出させる方式のサーマルインクジェットプリントヘッドにおいては、新しい駆動方法によってクロストークを大幅に低減でき、サブドロップの発生とか印画濃度変化の無いヘッドとすることが可能である。
【０００７】
また、このような特性を持つ大規模高集積化プリントヘッドの製造方法についても、高い歩留りで製造することが可能である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この大規模高集積化プリントヘッドに種々の水性インクを充填してフルカラー印刷を行っていたところ、設計寿命を下廻るヘッドが出現することが分かった。そこで詳細な検討を行ったところ、寿命的に問題のなかったヘッドのインクは比抵抗が比較的大きいほぼ中性の水性インクであったこと、設計寿命を下廻るヘッドのインクは比抵抗が１０^２〜１０^３Ωｃｍと小さく、ＰＨ＝８〜９と非中性であることが分かった。
【０００９】
本発明の目的は、比抵抗の小さな非中性の水性インクに対しても寿命的に問題がなく、しかも加熱発泡特性では保護層のない発熱抵抗体と同等である薄膜発熱抵抗体を備えるインク噴射記録ヘッド、記録装置およびインク噴射記録ヘッドの製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、Ｓｉ基板上に形成されたＴａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体とこのＴａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体上に部分的に形成された薄膜導体とからなり、前記薄膜導体の形成されない前記Ｔａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体の表面に、前記Ｔａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体をパルス通電して５５０℃〜６００℃に加熱することにより自らの表面が熱酸化処理されて形成された電気絶縁性被膜を有する、複数個の発熱抵抗体と、この発熱抵抗体と垂直方向または略垂直方向にインク滴を吐出する複数個の吐出ノズルと、この複数個の吐出ノズルの各々に対応して前記Ｓｉ基板上に設けられた複数個の個別インク通路と、この複数個の個別インク通路と連通する前記Ｓｉ基板上に設けられた共通インク通路を備えることを特徴とするインク噴射記録ヘッドにより達成される。
【００１１】
前記薄膜導体は、前記Ｔａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体の各々につながる個別薄膜導体を有し、この個別薄膜導体のすべてと前記発熱抵抗体の一部が前記個別インク通路を形成する耐熱性樹脂の隔壁によって被われているのが好ましい。
【００１２】
また、前記耐熱性樹脂は、ポリイミドであるのが好ましく、前記薄膜導体は、Ｎｉ金属薄膜導体であるのが好ましい。
【００１４】
また、上記インク噴射記録ヘッドを搭載することを特徴とする記録装置によって、上記目的は達成される。
【００１５】
また、上記目的は、Ｓｉ基板を用いてインク噴射記録ヘッドを製造するに際し、Ｔａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体を前記Ｓｉ基板上に形成し、このＴａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体上に薄膜導体を部分的に形成した後、前記薄膜導体の形成されない前記Ｔａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体の表面に、前記Ｔａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体をパルス通電することにより５５０℃〜６００℃に加熱して熱酸化処理することで電気絶縁性被膜を造ることを特徴とするインク噴射記録ヘッドの製造方法によって達成される。
【００１７】
【作用】
上記のように薄くて均質な熱酸化電気絶縁性被膜で被覆されている薄膜抵抗体は、もはや電解質インクと直接的に接触することがなく、したがって電蝕による短寿命化の問題も発生しない。
【００１８】
但し、これらの薄い絶縁被膜が破壊されてしまうと電蝕が発生する可能性があるので絶縁被膜の破壊を完全に防止しておくことが重要である。そのためには気泡の消滅時に発生する衝撃波を起こさせてはならない。
【００１９】
そこで、本出願人はこの衝撃波を起こさせない方法として「個別インク通路の高さを３０μｍ以下とし、且つ吐出ノズル底の発熱抵抗体面への垂直投影像が該発熱抵抗体と±５μｍ以内で重なるかそれより小さい構造し、好ましくは前記ノズルの深さを８０μｍよりも浅くするヘッド構造とすること」を見出した。このような構造とすることによって、発生した気泡は外気とつながるところ（吐出口）まで成長を続け、もはや気泡がつぶれるという現象が発生しないことを実験的にも確認した。
【００２０】
一方、熱分解開始温度が４００℃以上のポリイミドなどの樹脂隔壁でヒータの一部を含む個別薄膜導体をカバーすることで、共通薄膜導体と同電位にある電解質インクに対し高い（又は低い）電位にある個別薄膜導体を樹脂で埋め込み、個別薄膜導体が電蝕される可能性を完全に零とすることが可能となる。ヒータの必要な加熱温度はゆらぎ核沸騰が発生する約３１０℃であり、ヒータとか駆動回路のバラツキを考慮してもヒ−タの加熱温度を３４０±３０℃の範囲に制御することは容易である。即ち、耐熱性樹脂がカバーする個別薄膜導体に近いヒータ部分の最高温度は３６０〜３７０℃であり、この最高温度に近い温度に加熱される積算時間は約０．２μｓ×１億パルス＝２０秒という短時間である。即ち、ポリイミドのような熱分解開始温度が４００℃又はそれ以上の樹脂を利用する限りにおいて、この構成のヘッドの寿命や信頼性に何の問題も発生しないことが分かる。これらについてのデータは実施例において説明する。
【００２１】
なお、共通薄膜導体上に同様の樹脂を被覆する必要のない理由は、該導体とインクは同電位にしておくので、単なる腐食はＮｉ薄膜金属では発生しないことによる。
【００２２】
【実施例】
以下、図面を用いて具体的な実施例を説明する。
【００２３】
図１にインク吐出ノズル近傍の拡大断面図を、図２にはその周辺までを含めた断面図を示す。シリコン基板１上に厚さ１〜２μｍのＳｉＯ_２ 断熱層１７を設け、この上に耐パルス性と耐酸化性に優れた厚さ約０．２μｍのＴａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金の薄膜発熱抵抗体３と厚さ約１μｍのＮｉ金属の個別薄膜導体４とＮｉ金属の共通薄膜導体５をスパッタ法とフォトエッチング法によって形成することは本出願人が先に出願した特開平０６−７１８８８号公報に記載した通りである。
【００２４】
ここで先ず、Ｔａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体（以下抵抗体という）の高温熱酸化特性について説明する。この抵抗体を５００℃大気中に放置した時の抵抗値Ｒを測定したが、その逆数Ｒｏ／Ｒを図５に示す。ここでＲｏは熱処理前の抵抗値である。熱酸化処理された抵抗体の表面はいずれも電気的な絶縁物（酸化物）に変化していることを確認している。図５において、Ｒｏ／Ｒが直線的に減少している事実は、熱酸化処理によって絶縁性酸化物に変化する速さ（表面からの酸化深さ）が熱処理時間に比例していることを示している。
【００２５】
一方、５００℃で酸化処理された抵抗体は、３５０℃での大気中の放置でその抵抗値を変化させないことを確認しており、このままの状態で本抵抗体を３５０℃付近でパルス加熱させても抵抗値が何ら変化しないことを１億パルス以上の印加テストで確認済みである。
【００２６】
更に、この絶縁性酸化被膜の厚さを約１０００Åとした抵抗体をｐＨ８〜９の電解質インクにつけて電位勾配３０Ｖ／５０μｍでの電蝕テストを行ったが、１０分以上の連続印加で何の変化も認められなかった。このことは、１０００Åという非常に薄い膜であるにもかかわらずピンホ−ル等の欠陥の無い絶縁被膜が形成されていることを示しており、熱酸化膜でなければ達成し得ない性質と、しかもそれが均質であるという特徴を合わせ持っていることが分かる。
【００２７】
さて、この熱酸化処理によってＮｉのような金属薄膜導体が酸化されたり、本出願人が先に出願した特願平０４−３４７１５０号、特願平０５−９０１２３号、及び特願平０６−２０１９８５号に記載したモノリシックＬＳＩヘッドのように４００℃以上の加熱処理が難しい場合は、合金薄膜抵抗体にパルス通電して抵抗体のみを約５５０〜６００℃にパルス加熱することによって熱酸化処理を行なう必要がある。この場合の加熱パルス幅は高温保持時間の長い約１ｍｓという長いパルス幅とするのが熱酸化処理にとって効果的であり、外部からの駆動で容易にこれを行うことが可能である。即ち、実駆動時のパルス幅１〜２μｓに比して１０^３倍も長いパルス幅で加熱処理を行うので、加熱処理温度を実駆動時よりも２００〜２５０℃高くしても駆動ＬＳＩの定格電力を大幅に下廻り、何ら問題とならないのである。又、このパルス加熱処理時のＳｉ基板温度を１００℃程度に加熱しておいても良い。
【００２８】
上記熱処理によって薄膜抵抗体の抵抗値は３０〜４０％大きくなるが、特にパルス加熱処理工程中に同時にこの抵抗値を計測検査することが可能である。そこでこのパルス加熱処理中に全ての抵抗体の抵抗値をモニタし、それらを±１％以内の抵抗値に揃えるようにした。これによって従来、±５％程度のバラツキを持っていた抵抗体列の抵抗値を揃えることが可能となり、実駆動時のインク加熱温度を均一に揃えることで余分な加熱がなくなり、インクのこげつき、抵抗体寿命等、ヘッドの信頼性の向上に大きく貢献させることが可能となった。
【００２９】
更に、本出願人が先に出願した特願平０６−２０１９８５号に記載した方法で隔壁８とオリフィスプレ−ト１１を形成するが、図１に示すように、個別薄膜導体４の全部と薄膜発熱抵抗体３の一部を隔壁８によって被覆した構成とする。薄膜発熱抵抗体３を被覆するのは個別薄膜導体４の端から５〜８μｍで良く、これによる熱効率の低下は１０〜１５％程度に止まっている。作用の項で述べたように、発熱抵抗体の最高温度は３６０〜３７０℃以下であり、隔壁８の構成材料をポリイミドのような熱分解開始温度が４００℃以上である耐熱性樹脂を用いる限り寿命的に何ら問題とならないことを後で示す。
【００３０】
これに対し、従来技術で用いられている耐熱性の低い感光性レジスト材料などをこの隔壁に用いると、１０００万ドット程度の吐出で電蝕による破断が発生することを確認している。なお、隔壁材料をこのような耐熱性樹脂としたことにより、発熱抵抗体３と隔壁８の重なりが個別インク通路９の幅方向で発生しても信頼性的には問題がなく、ヘッド製造上の位置合わせ精度（アライナの精度）に余裕を与えるという良い結果をもたらせている。
【００３１】
さて、図１及び図２に示すように、オリフィスプレ−ト１１にドライエッチングによってあけられるインク吐出ノズル１２はストレ−トな円筒形であり、場合によっては本出願人が先に出願した特願平０５−３１８２７２号に記載したように傾斜させるが、その底面の発熱抵抗体３への垂直投影像が該発熱抵抗体３と±５μｍ以内で重なるかそれより小さい構造とし、隔壁８の高さも３０μｍ以下とする。この実施例ではそれを２５μｍとし、ヒ−タを５０μｍ□、ノズル径を５０μｍφとした。
【００３２】
なお、オリフィスプレ−ト１１は隔壁と同じポリイミドの５０μｍ厚フィルムを用いているので、これに純水を充填してストロボ観察を行うと、ポリイミドはほぼ透明なのでパルス通電による気泡の発生とか水滴の吐出の様子を見ることが出来る。通電パルス幅を２μｓとした時、通電開始後のこの観察結果を図３（ａ）に示す。
【００３３】
即ち、通電開始後約２〜３μｓでノズル内の水は１２〜１５ｍ／ｓの速さで吐出を始めているが、個別インク通路９内の水はほとんど動いていない。但し既にこの時の気泡１６の内圧はほとんど零である。通電開始後６μＳで吐出する水の最後尾はインク吐出ノズル１２の出口近くまで来ており、一方の個別インク通路９内の水は１気圧の圧力差によって薄膜発熱抵抗体３側に移動を始めている。しかし通電開始後９μＳの時点でノズル１２は既に大気圧となっており、個別インク通路９内の水の移動も圧力差が零となるので緩慢となる。そして再びインク吐出ノズル１２に水が充満するのに約７０μｓの時間が必要であった。この吐出過程の観察結果から明らかになったように、真空気泡の消滅という現象は発生せず、従って、キャビテ−ション特有の衝撃波も発生していない。
【００３４】
これに対し、ノズル底が大きく拡がっている図３（ｂ）の場合、吐出する水は個別インク通路９内の水と完全につながり、真空気泡は約９μＳ後に消滅してその時に衝撃波を発生させる。この衝撃波はリバウンド現象（再発泡）を発生させる程の強さではないが、ヒ−タの中央部に局部的な衝撃力を与え、場合によってはヒ−タを破壊してしまう（Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｆｅｂ．１９９４，Ｐ４１ 参照）。
【００３５】
電解質インクを充填した寿命試験では、図３（ａ）では１億パルス以上のインク吐出で何ら問題はなく、図３（ｂ）では１００万パルス以下から１０００万パルス程度の範囲に大きくバラツいていてその差は明らかであった。また、上記衝撃力の有無は、ヘッド基板裏面に張り付けたＡＥセンサ（音響検出器）によって直接的に検証することもできた。即ち、オ−プンプ−ル沸騰では気泡の発生時と消滅時に検出される衝撃力が、本発明のヘッドでは気泡の発生時の衝撃力さえ１／１０以下と小さくなり、気泡の消滅時に観測されるべき衝撃力が全く検出できなくなるのである。これは上に述べたように、気泡が消滅するという現象そのものが無くなっていることを示している。
【００３６】
なお、絶縁性酸化被膜は形成されるがピンホ−ル等の欠陥が発生し易い他の抵抗体材料の場合は、発熱抵抗体膜と同程度の厚さの絶縁物層７をヒ−タ全面に被膜すると有効であることが認められた（図４参照）。この薄い絶縁物層７としては、ＲＦスパッタ法によるＳｉＯ_２層、Ｔａ_２Ｏ_５層、Ｓｉ_３Ｎ_４層、プラズマＣＶＤ法によるＳｉ_３Ｎ_４層、或いはゾルゲルコ−ト法によるＡｌ_２Ｏ_３層、半導体プロセスで良く使用されているＳＯＧ膜など、密着性と被覆性の良い絶縁物であれば利用可能である。この場合でもゆらぎ核沸騰に必要な印加電力はパルス幅を２μＳの場合で裸のヒ−タの場合の約１．５倍程度で良く、これは厚い２層構造の保護層を持つ従来技術のヒ−タの場合の印加エネルギの１／７〜１／１０という大きさで、その優れた熱効率の良さが理解されよう。この優れた熱効率によって駆動回路をヘッドと同一のＳｉ基板上に高密度に集積化させることができ、これによって作られる高集積化ヘッドで高速のフルカラ−インクジェットプリンタが作られることは本出願人が出願した特願平０６−２０１９８５号他に記載した通りである。
【００３７】
なお、オリフィスプレート１１の厚さを８０μｍ以上とすると、吐出インクがノズルから離脱する前に補充インクが発熱抵抗体上に完全に復帰できる場合がある。この場合は、キャビテーションの衝撃波が発生し、発熱抵抗体の寿命を短くしてしまうことを確認しており、ヘッドの設計上の制約となっている。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、非常に薄い熱酸化物層或いは更にこの上に薄い絶縁物層で発熱抵抗体を電解質インクと隔離し、個別電極の全てを耐熱性隔壁で電解質インクと隔離し、しかも核沸騰によって発生した気泡を消滅させないノズル構造とすることによって薄い絶縁物層をキャビテ−ション破壊から守り、これらによって加熱効率をほとんど低下させずにヒ−タの電蝕破壊を完全に防止することができた。このことは信頼性の高い高集積化ヘッドの製造が可能となり、電解質インクを用いても高速のフルカラ−インクジェットプリンタを構成できることを示している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になるインク吐出ノズルの拡大断面図である。
【図２】図１に示すノズルの周辺部を含めた断面図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、ノズル構造の違いによる気泡と水滴の動き
の様子を観察した結果を説明する図である。
【図４】図１に示す発熱抵抗体に薄膜抵抗体と同程度の厚さの絶縁物層を被覆したインク吐出ノズルの拡大断面図である。
【図５】Ｔａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体の５００℃大気中での抵抗変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１はシリコン基板、２は駆動用ＬＳＩデバイス領域、３は薄膜発熱抵抗体、４は個別薄膜導体、５は共通薄膜導体（グランド）、６はスルーホール接続部、７は絶縁物層、８は隔壁、９は個別インク通路、１０は共通インク通路、１１はオリフィスプレート、１２はインク吐出ノズル、１３は吐出インク、１４はインク溝、１５はインクのメニスカス、１６は気泡、１７は断熱層である。

Claims (6)

1. Ｓｉ基板上に形成されたＴａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体とこのＴａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体上に部分的に形成された薄膜導体とからなり、前記薄膜導体の形成されない前記Ｔａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体の表面に、前記Ｔａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体をパルス通電して５５０℃〜６００℃に加熱することにより自らの表面が熱酸化処理されて形成された電気絶縁性被膜を有する、複数個の発熱抵抗体と、
   この発熱抵抗体と垂直方向または略垂直方向にインク滴を吐出する複数個の吐出ノズルと、
   この複数個の吐出ノズルの各々に対応して前記Ｓｉ基板上に設けられた複数個の個別インク通路と、
   この複数個の個別インク通路と連通する前記Ｓｉ基板上に設けられた共通インク通路を備えることを特徴とするインク噴射記録ヘッド。
2. 前記薄膜導体は、前記Ｔａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体の各々につながる個別薄膜導体を有し、
   この個別薄膜導体のすべてと前記発熱抵抗体の一部が前記個別インク通路を形成する耐熱樹脂の隔壁によって被われている請求項１に記載のインク噴射記録ヘッド。
3. 前記耐熱性樹脂は、ポリイミドである請求項２に記載のインク噴射記録ヘッド。
4. 前記薄膜導体は、Ｎｉ金属薄膜導体である請求項１〜３のいずれかに記載のインク噴射記録ヘッド。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のインク噴射記録ヘッドを搭載することを特徴とする記録装置。
6. Ｓｉ基板を用いてインク噴射記録ヘッドを製造するに際し、
   Ｔａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体を前記Ｓｉ基板上に形成し、このＴａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体上に薄膜導体を部分的に形成した後、前記薄膜導体の形成されない前記Ｔａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体の表面に、前記Ｔａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体をパルス通電することにより５５０℃〜６００℃に加熱して熱酸化処理することで電気絶縁性被膜を造ることを特徴とするインク噴射記録ヘッドの製造方法。

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