JP4666739B2 - インクジェット記録ヘッド用基体、インクジェット記録ヘッド、インクジェット記録ユニット、インクジェット記録装置、インクジェット記録ヘッド用基体の製造方法及びインクジェット記録ヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紙、プラスチックシート、布、物品等を包含する記録保持体に対して、例えばインク等の機能性液体等を吐出することにより文字、記号、画像等の記録、印刷等を行うインクジェット記録ヘッド（以下、単に「インクジェットヘッド」とも称する）を構成するための基体、この基体を用いて構成されるインクジェットヘッド、このインクジェットヘッドに対して供給されるインクを貯溜するためのインク貯溜部を含むインクジェットペン等の記録ユニット、及びインクジェットヘッドが装着されるインクジェット装置に関する。
【０００２】
なお、本発明におけるインクジェットペン等の記録ユニットは、インクジェットヘッドとインク貯溜部とを一体としたカートリッジ形態のものも、それらを互いに別体として取り外し可能に組み合わせた形態のものも包含する。このインクジェットペン等の記録ユニットは、装置本体側のキャリッジ等の搭載手段に対して着脱自在に構成されている。また、本発明におけるインクジェット記録装置は、ワードプロセッサー、コンピューター等の情報処理機器の出力端末として一体的に、または別体として設けられるものの他、情報読み取り機器等と組み合わされた複写装置、情報送受信機能を有するファクシミリ装置、布への捺染を行う機械等の種々の形態を包含する。
【０００３】
【従来の技術】
インクジェット記録装置は、インクを微小な液滴として吐出口から高速で吐出することにより、高精細な画像の高速記録を行う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利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生手段として電気変換体を用い、この電気変換体が発生するエネルギー、特に熱エネルギーによって生ずるインクの発泡を利用してインクを吐出する方式のインクジェット記録装置は、例えば米国特許第４７２３１２９号および米国特許第４７４０７９６号に記載があるように画像の高精細性、高速記録性、記録ヘッド及び装置の小型化やカラー化に適していることから注目されている。
【０００４】
上記インクジェットヘッド用基体要部の一般的な構成を図１に示す。
【０００５】
また、図２は、図１のインク流路に相当する部分のＸ−Ｘ'線切断のインクジェット記録ヘッド用基体２０００の模式的断面図である。
【０００６】
図１において、このインクジェット記録ヘッドには、複数の吐出口１００１が設けられ、また、これからそれぞれインクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生する電気熱変換素子１００２が各インク流路１００３ごとに基板１００４上に設けられている。
【０００７】
電気熱変換素子１００２は、主に発熱抵抗体１００５及びこれに電力を供給するための電極配線１００６並びにこれらを保護する絶縁膜１００７により構成される。また、各インク流路１００３は複数の流路壁１００８が一体的に形成された天板を、基板１００４上の電気熱変換素子等との相対位置を画像処理等の手段により位置合わせしながら接合することで形成される。各インク流路１００３は、その吐出口１００１と反対側の端部が共通液室１００９と連通しており、この共通液室１００９にはインクタンク（不図示）から供給されるインクが貯溜される。共通液室１００９に供給されたインクは、ここから各インク流路１００３に導かれ、吐出口１００１近傍でメニスカスを形成して保持される。このとき電気熱変換素子１００２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ーを利用して熱作用面上のインクを急激に加熱沸騰させ、この時の衝撃力によってインクを吐出させる。
【０００８】
図２において、２００１はシリコン基板、２００２はＳｉＯ2膜（熱酸化膜）、ＳｉＮ膜等からなる蓄熱層（層間膜）である。２００３はヒーター部分、２００４は発熱抵抗体層、２００５はＡｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ等の金属配線、２００６はＳｉＯ2膜、ＳｉＮ膜等からなる少なくとも１層の保護層を示す。２０１０は、発熱抵抗体層２００４の発熱に伴う化学的、物理的衝撃から保護層２００６を守るためのＴａ膜等からなる耐キャビテーション層である。また、２００８は発熱抵抗体層２００４の熱作用部である。
【０００９】
この２００８の熱作用部は、インクの発泡のためのパルスの印加によって、発熱し、約３００℃以上の温度に達すると、その面に接していたインクが急激に加熱沸騰する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように熱作用部はインクを発泡させるため、高温になっており、さらにヘッドの製造バラツキや、本体の駆動バラツキを抑え、安定して発泡をさせるためにインクの必要発泡エネルギーより過剰にエネルギーを加える必要がありその結果、熱作用部の温度はさらに上昇する。通常の駆動条件では、この熱作用部の温度は瞬間的には４５０〜５５０℃まで達していると考えられる。
【００１１】
このことによって、ヘッドの寿命に影響をおよぼす重大な問題が生じる場合がある。この問題とは、インク中の染料あるいは顔料が高温にさらされることによって、分子鎖が切断されて生じた分解物が熱作用部に堆積して「コゲ」として付着する現象すなわち「コゲーション」が発生することである。
【００１２】
このコゲーションによって熱作用部に徐々に分解物が堆積し、ついにはインクを安定的に発泡させることが困難になり、ヘッドの寿命を左右することになる。
【００１３】
従来はこのコゲーションを防止するために、インク中の成分の改良、例えば染料や、インク中のコゲ防止用成分の追加等の様々な対策が採られてきた。
【００１４】
しかしながら、現状のインクジェットプリンターにおいては、インクを吐出して描いた画像に対する様々な要求が出されている。例えば、印字物の耐水性、あるいは色間のブリード防止、さっか性の改善等である。これらの要求を満たすためにインクの成分をさらに改良する必要が生じてきた。ところがこれらの改良によって、過去に採られてきたコゲ防止対策が通用しなくなる場合もあり、再びコゲに対する問題が生じているものもある。本発明は、このようなインクを用いた場合においても、熱作用部のコゲの堆積を防止し、記録ヘッドの寿命を延ばずことを課題とする。
【００１５】
特開平１１-２４０１５６号公報には、熱作用部に対応する領域に撥水膜を形成することにより、熱作用部にコゲが固着しにくくし、それにより発泡の効率低下を抑え、かつインクの安定した発泡を可能にすることが記載されている。
【００１６】
また、特開平１１-４２７９８号公報には、インク流路内に吐出するためのインクを充填する前に、吐出するためのインクとは異なる表面張力及び揮発性の低い液体を充填することにより、インク流路の内壁面の疎水性薄膜を破壊し、それにより、インク流路の内壁面をインクで濡れやすくして、インク流路内へのインクの充填を容易にすることが記載されている。しかし、熱作用部におけるコゲの堆積防止については記載されておらず、また、コゲの堆積を防止する十分な効果が得られるほど強い親水化が達成されるとは考えられない。
【００１７】
一方、「化学と工業」（４８、１９９５、１２５６−１２５８）には親水化処理によって汚れが自然に落ちるガラスの記載があり、さらに「化学と工業」（４９（６）、１９９６、７６４−７６７）には光触媒の効果の記述がある。
【００１８】
また、「応用物理」（６４（８）、１９９５、８０３−８０７）には材料物性についての記述がある。
【００１９】
これらはいずれも親水化処理、あるいは光触媒親水化層を基材表面に形成することによって基材表面への汚れの付着防止、あるいは汚れの分解を目ざしている。
【００２０】
本発明の目的はこれら親水化効果あるいは光触媒親水化効果をさらに強力にした超親水化効果を熱作用部に応用することによって、熱作用部におけるコゲの堆積を防止することができるインクジェット記録ヘッド用基体、インクジェット記録ヘッド、インクジェット記録ユニット、インクジェット記録装置、インクジェット記録ヘッド用基体の製造方法及びインクジェット記録ヘッドの製造方法を提供することにある。
【００２１】
さらに本発明のもう一つの目的は、熱作用部を超親水化することによって、熱作用部の熱を効率よく、インク中に伝えることができるインクジェット記録ヘッド用基体、インクジェット記録ヘッド、インクジェット記録ユニット、インクジェット記録装置、インクジェット記録ヘッド用基体の製造方法及びインクジェット記録ヘッドの製造方法を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明のインクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生する発熱抵抗体を有し、アゾ染料を用いた水性インクを吐出可能なインクジェット記録ヘッドに用いられるインクジェット記録ヘッド用基体は、前記発熱抵抗体を備えた基板と、前記発熱抵抗体の上に、前記発熱抵抗体を覆うように絶縁材料で設けられた絶縁層と、前記絶縁層の前記発熱抵抗体で発生した熱がインクに作用する熱作用部に対応する領域に、前記熱作用部にインクを供給する流路に面するように設けられ、スパッタリング方式で光触媒作用を有するＴｉＯ ２ からなる材料とＴａ ２ Ｏ ５ からなる蓄水性材料とをこの順に積層し、前記ＴｉＯ ２ からなる材料と前記蓄水性材料とに光を照射することにより得られた、水との接触角が５°以下となっている超親水化層と、を有することを特徴とする。
さらに本発明のインクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生する発熱抵抗体を有し、アゾ染料を用いた水性インクを吐出可能なインクジェット記録ヘッドに用いられるインクジェット記録ヘッド用基体の製造方法は、前記発熱抵抗体を備えた基板を用意する工程と、前記発熱抵抗体の上に、前記発熱抵抗体を覆うように絶縁材料からなる絶縁層を設ける工程と、前記絶縁層の前記発熱抵抗体で発生した熱がインクに作用する熱作用部に対応する領域に、スパッタリング方式を用いて、光触媒作用を有するＴｉＯ ２ からなる材料とＴａ ２ Ｏ ５ からなる蓄水性材料とをこの順に積層して超親水化層となる層を設ける工程と、前記ＴｉＯ ２ からなる材料と前記蓄水性材料とに光を照射することにより、インクを供給する流路に面する面の、水との接触角が５°以下となっている、超親水化層とする照射工程と、を有することを特徴とする。
【００２８】
以上のような本発明の構成により、熱作用部におけるコゲの堆積が防止され、インク吐出性能が安定するのみならず、インク中の成分に左右されにくい長寿命のインクジェット記録ヘッド用基体、インクジェット記録ヘッド、インクジェット記録ユニット、インクジェット記録装置、インクジェット記録ヘッド用基体の製造方法及びインクジェット記録ヘッドの製造方法を提供することができる。さらに本発明の構成によって熱変換効率の向上したインクジェット記録ヘッド用基体、インクジェット記録ヘッド、インクジェット記録ユニット、インクジェット記録装置、インクジェット記録ヘッド用基体の製造方法及びインクジェット記録ヘッドの製造方法を提供することができる。
【００２９】
特に、インクジェット記録ヘッド基体の熱作用部を超親水化することで熱作用面がインクに十分濡れやすくなり、熱の伝わり方が向上し、発泡の効率が向上する。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００３２】
図３（ａ）、図３（ｂ）及び図９は本発明にかかるインクジェット記録装置のヘッド部における発熱抵抗体を有する電気熱変換体が基板上に形成された基体のインク流路に沿った部分の模式的断面図である。すなわち、図３（ａ）、図３（ｂ）及び図９における電極配線を構成する電極層2005の２つの対向する端部間に位置する発熱抵抗体層2004の電極層で覆われていない部分が発熱抵抗体を形成する。
【００３３】
図３（ａ）において、2001はシリコン基板、2002はＳｉＯ2膜（熱酸化膜）、ＳｉＮ膜等からなる蓄熱層（層間膜）、2004は発熱抵抗体層、2005はＡｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ等の金属材料からなる配線としての電極層、2006はＳｉＯ2膜、ＳｉＮ膜等からなる絶縁層としても機能する保護層を示す。2007は、発熱抵抗体の発熱に伴う化学的、物理的衝撃から保護層2006を守るための上部保護層である。また、2008は発熱抵抗体層2004の発熱抵抗体で発生した熱がインクに作用する熱作用部である。
この図３（ａ）の構成における保護層2006の膜厚は通常、０．１〜２．０μｍから選択される。
【００３４】
インクジェットヘッドにおける熱作用部は、発熱抵抗体での熱発生により高温にさらされると共に、インクの発泡、収縮に伴い、キャビテーション衝撃や、インクによる化学的作用を主に受ける部分である。よって、熱作用部には、このキャビテーション衝撃や、インクによる化学的作用から電気熱変換素子を保護するために上部保護層2007が設けられる。
【００３５】
さらに、上部保護層には超親水化処理が施されており、図３（ａ）では、超親水化処理として超親水性を示す超親水化層2009が形成されている。この超親水化層が形成された熱作用部の水との接触角は５°以下となる。これは、熱作用部の水との接触角が０°以上５°以下となることを意味し、さらには、本発明において用いられるインクは水系のインクであるため、熱作用部2008のインクとの接触角が０°以上５°以下となることを意味する。
【００３６】
このような超親水化処理により、「コゲ」と呼ばれる分解物が熱作用部2008に堆積することを防止し、インクを安定的に発泡させることができるため、ヘッドの寿命を延ばすことができる。また、熱作用部の超親水化を行うことによって、「コゲ」防止の他、発泡の熱効率を上げるという効果もある。すなわち、超親水化することにより、インクが熱作用部を充分に濡らし、それによって、インクへ熱が効率良く伝わり、発泡効率が向上するのである。
【００３７】
超親水化処理としては、上記のように超親水化層2009を形成することの他、フッ素プラズマ処理またはエキシマＵＶオゾン処理のような超親水化表面処理が好適に適用できる。
【００３８】
図３（ａ）、図３（ｂ）及び図９において、超親水化処理の一形態として形成された超親水化層2009は、超親水化材料を用いて形成されており、超親水性化材料の単層構造または超親水化材料と蓄水性材料との積層構造を有するものである。
【００３９】
超親水性材料としては、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化ジルコニウム、チタン酸ストロンチウム等の金属酸化物、硫化カリウム、硫化カドミウム、硫化亜鉛等の金属硫化物等が適用できる。
【００４０】
また、蓄水性材料としては、Ｔａ2Ｏ5、ＳｉＯ2等が適用できる。
超親水化材料と蓄水性材料との積層構造を有する超親水化層としては、上記の超親水化材料のいずれかと、上記の蓄水性材料のいずれかとのどのような組み合わせの積層構造を有するものであってもよい。
【００４１】
また、上記の超親水性材料には、光触媒作用があり、光照射化における光触媒反応によって、熱作用部表面に付着している微量の疎水分子が分解され、物理吸着水の層が薄く形成されるため、超親水性を示すようになる。上記の超親水化材料と蓄水性材料との積層構造を有する超親水化層では、一度光の照射すればその後は光を照射しなくても、蓄水性材料に物理吸着水が取り込まれることより、超親水性が安定化しより長期間維持される。
【００４２】
また、吐出特性の観点からすると、超親水化処理は、図９に示すように熱作用部2008に対応する領域にのみ行うことが好ましい。ここで、熱作用部に対応する領域は、一対の電極間に位置する発熱抵抗体層とその近傍領域とに対応する領域をも含むものである。
【００４３】
また、上部保護層2007として後述するアモルファス化合金膜を形成せずに、超親水化材料である酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化ジルコニウム、チタン酸ストロンチウム等からなる金属酸化物膜を形成することにより、上部保護層2007と超親水化層2009を兼用することもできる。さらに、アモルファス合金膜ばかりでなく、保護層2006としてのＳｉＯ2膜、ＳｉＮ膜等も形成せずに、これらの金属酸化物膜を形成することにより、保護層2006、上部保護層2007及び超親水化層2009を兼用することもできる。
【００４４】
また、図１において、発熱抵抗体１００５のうち、１００５ａは発熱抵抗体の周辺から内側に向かって４μｍ程度の内側の、インクを吐出するための発泡に寄与する領域、所謂、有効発泡領域であり、１００５ｂは有効発泡領域の周辺の発泡に寄与しない領域である。
【００４５】
ここで、通常、コゲは主に有効発泡領域の中央部分１０１０及び有効発泡領域の周辺領域１００５ｂの近傍に堆積し易いため、これらの領域にコゲが堆積しないようにすることが重要である。有効発泡領域１００５ａの中央部分１０１０はキャビテーション衝撃を受け易いものの、この部分がキャビテーション衝撃によって削られてしまう場合でも、そのように超親水化層が削られることによって、この部分のコゲは除去されることになる。無論、超親水化層の有効発泡領域１００５ａの中央部分１０１０がキャビテーション衝撃によって削られない場合には、この部分へのコゲの堆積は防止される。また、有効発泡領域の周辺領域１００５ｂは、キャビテーション衝撃を受けにくく超親水化層が削られにくいため、この領域へのコゲの堆積は防止される。
【００４６】
したがって、キャビテーション衝撃によって超親水化層が削られる場合でも削られない場合でも、いずれにしてもコゲの堆積は効果的に防止される。
上部保護層2007は、上述したように高温にさらされると共に、キャビテーション衝撃やインクによる化学的作用から保護層、延いては発熱抵抗体を保護するためのものであるため、耐熱性、機械的特性、化学安定性、耐酸化性、耐アルカリ性等に優れた膜特性が要求される。
【００４７】
そのため、この上部保護層2007の形成材料として、下記組成式（１）で示される組成を有するアモルファス化合金膜を用いることが好ましい。
ＴａαＦｅβＮｉγＣｒδ…（１）
（但し、１０原子％≦α≦３０原子％、且つ、α＋β＜８０原子％、且つ、α＜β、且つ、δ＞γ、且つ、α+β+γ+δ＝１００原子％である。）
なお、上記組成式（１）におけるαは、１０原子％（at.%）≦α≦２０at.%であることが好ましい。また、γ≧７at.%、且つ、δ≧１５at.%であることが好ましく、更に、γ≧８at.%、且つ、δ≧１７at.%であることがより好ましい。一方、この上部保護層2007の膜厚は例えば１０〜５００ｎｍ、さらには５０〜２００ｎｍにすることが好ましい。
【００４８】
このアモルファス化合金膜ではＴａの量が１０〜２０at.%の範囲と、従来のＴａ系合金のものよりも低く設定してある。このような低Ｔａ比を採用することで、合金に適度なアモルファス領域を付与して不動態膜化し、腐食反応の起点となる結晶界面の存在個所を有意に減少させ、耐キャビテーション性を良好なレベルに維持しつつ、耐インク性を向上させることができる。
【００４９】
更に、アモルファス化合金膜の表面にその構成成分の酸化物が存在する、好ましくはかかる酸化物の膜でその表面が被覆されていることで、耐インク性が更に向上したものとなっている。すなわち、このアモルファス化合金膜からなる上部保護層2007の少なくともインクとの接触面の表面は、上部保護層2007の構成成分の酸化物膜で被覆されていることが好ましく、その酸化物膜の膜厚は５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００５０】
このように、上部保護層の表面にＣｒを主体とする酸化膜を形成することにより、各種のインク、特にＣａやＭｇなどの２価金属塩やキレート錯体を形成する成分が含有されたインクにおいても、不働態膜としての効果が発揮され、各部からのインクによる侵食を防止することができる。
【００５１】
上記Ｃｒを主体とする酸化膜の形成方法としては、上部保護層が形成された後に、大気中かあるいは酸素雰囲気中で熱処理する方法を挙げることができる。例えば、オーブン中で５０℃〜２００℃に加熱処理することにより行なわれる。あるいは、上部保護層をスパッタリング装置で形成した後に、同装置に酸素ガスを導入して加熱することにより酸化膜を形成してもよい。または、インクジェットヘッド形態に構成した後に、パルス印加の駆動を行うことにより酸化膜を形成してもよい。
【００５２】
また、図３（ｂ）は、図３（ａ）の保護層の構成を改良し、熱作用部における発熱抵抗体層2004からの熱エネルギーをインクにより有効に作用するように、保護層を２層構成にし、かつ熱作用部下方領域での保護層の厚さ（熱作用部表面から発熱抵抗体層までの距離）を小さくしたものである。すなわち、ＳｉＯ2膜、ＳｉＮ膜等からなる第１保護層2006を形成した後、パターニング等により熱作用部のみ第１保護層2006が形成されないようにし、次に、同様にしてＳｉＯ2膜、ＳｉＮ膜等からなる第２保護層2006'を形成することにより熱作用部の保護層の膜厚を薄くし、最後に上部保護層2007を形成したものである。このように、熱作用部における保護層をさらに薄膜化することにより、発熱抵抗体層2004からの熱エネルギーは第２保護層2006'、上部保護層2007を介してインクに伝達できるため、熱エネルギーを一層有効に利用することができる。
【００５３】
上記構成における各部分は、周知の膜形成方法に従って形成できる。なお、アモルファス化合金からなる上部保護層2007は、各種成膜法で作製可能であるが一般的には電源として高周波(RF)電源、または直流(DC)電源を用いたマグネトロンスパッタリング法により形成することができる。
【００５４】
図８は、アモルファス化合金膜からなる上部保護層を成膜するスパッタリング装置の概要を示すものである。図８において、4001はあらかじめ所定の組成、すなわち上記組成式（１）を満たすアモルファス化合金層を得るために必要な組成に作製されたTa-Fe-Cr-Niからなるターゲット、4002は平板マグネット、4011は基板への成膜を制御するシャッター、4003は基板ホルダー、4004は基板、4006はターゲット4001と基板ホルダー4003に接続された電源である。さらに、図１３において、4008は成膜室4009の外周壁を囲んで設けられた外部ヒーターである。外部ヒーター4008は、成膜室4009の雰囲気温度を調節するのに使用される。基板ホルダー4003の裏面には、基板の温度制御を行う内部ヒーター4005が設けられている。基板4004の温度制御は、外部ヒーター4008を併用して行うことが好ましい。
【００５５】
図８の装置を用いた成膜は、以下の様に行われる。まず、排気ポンプ4007を用いて成膜室4009を１ラ１０-5〜１ラ１０-6Paまで排気する。次いで、アルゴンガスを、マスフローコントローラー（不図示）を介してガス導入口4010から成膜室4009に導入される。この時、基板温度及び雰囲気温度が所定の温度になるように内部ヒーター4005、外部ヒーター4008を調節する。次に、電源4006からターゲット4001にパワーを印加してスパッタリング放電を行い、シャッター4011を調節して、基板4004の上に薄膜を形成させる。
【００５６】
アモルファス化合金からなる上部保護層の成膜は、上記のTa-Fe-Cr-Niからなる合金ターゲットを用いたスパッタリング法に限定されるばかりでなく、別々のTaターゲットとFe-Cr-Niターゲットを用い、それぞれに接続された２台の電源からパワーを印加する、２元同時反応性スパッタリング法により形成することも可能である。この場合は、各々のターゲットに印加するパワーを単独に制御することが可能となる。
【００５７】
また、上述したように、アモルファス化合金膜からなる上部保護層の成膜の際には、基板の温度を１００〜３００℃に加熱することにより強い膜付着力を得ることができる。また、上述したような比較的運動エネルギーの大きな粒子を形成できるスパッタリング法により成膜することにより、強い膜付着力を得ることができる。
【００５８】
更に、上部保護層の膜応力としては、少なくとも圧縮応力を有し、1.0ラ1010dyne/cm2以下にすることにより同様に強い膜付着力を得ることができる。この膜応力は、成膜装置に導入するＡｒガス流量やターゲットに印加するパワー、基板加熱温度を適宜設定することにより調整すればよい。
上述したアモルファス化合金膜からなる上部保護層は、その下部に設けられる保護層が厚い場合でも、薄い場合にも好適に適用できる。
また、本実施形態のインクジェットヘッド用基体は、シリコン基板上に図５に示すような集積回路を組み込んだ構成としてもよい。
なお、図５の集積回路は、以下のような手順で形成した。
【００５９】
Ｐ導電体のシリコン基板２４０１にＡｓなどのドーパントをイオンインプランテーションおよび拡散の手段により導入し、Ｎ型埋込層２４０２を形成し、上層にＮ型エピタキシャル層２４０３を８μｍの厚さに形成した。
【００６０】
また、前記エピタキシャル層２４０３にＢなどの不純物を導入し、Ｐ型ウエル領域２４０４を形成した。その後、フォトリソグラフィと酸化拡散およびイオンインプランテーションなどの不純物導入を繰り返してＮ型エピタキシャル領域にＰ−ＭＯＳ２４５０、Ｐ型ウエル領域にＮ−ＭＯＳ２４５１を構成した。
【００６１】
Ｐ−ＭＯＳ２４５０およびＮ−ＭＯＳ２４５１はそれぞれ厚さ５０ｎｍのゲート絶縁膜を介して６００ｎｍの厚さにＣＶＤ法で堆積したｐｏｌｙ−Ｓｉによるゲート配線２４１５およびＮ型あるいはＰ型の不純物を導入したソース領域２４０５、ドレイン領域２４０６などで構成した。また、パワートランジスタとなるＮＰＮ型トランジスタ部２４５２は、やはり不純物導入および拡散などの工程によりＮ型エピタキシャル層中にコレクタ領域２４１１、ベース領域２４１２、エミッタ領域２４１３などで構成した。
【００６２】
また、各素子間は、１０００ｎｍの厚さのフィールド酸化膜により、酸化膜分離領域２４５３を形成し、素子分離されている。このフィールド酸化膜は、熱作用部２４５５下においては一層目蓄熱層２４１４として作用する。各素子が形成された後に、層間絶縁膜２４１６が約７００ｎｍの厚さにＣＶＤ法によるＰＳＧ、ＢＰＳＧなどで溜され、熱処理により平坦化処理などをされてからコンタクトホールを介し、一層目Ａｌ電極２４１７により配線が行われた。
【００６３】
その後プラズマＣＶＤ法によってＳｉＯ2の層間絶縁膜２４１８を約１．４μｍの厚さに形成した。その後層間絶縁膜にフォトリソおよびドライエッチングによって、下層のＡｌと層間絶縁膜をはさんで位置する上層のＡｌ／ＴａＮ層とコンタクトするためのスルーホールを形成した。スルーホール形成後は上述したシリコン基板の場合と同様にＴａＮ層以降の工程を進めてインクジェット用基体を完成させた。
図４（ａ）は、本発明のインクジェットヘッド用基体６００１が適用されたインクジェット記録ヘッドの一構成例を示す模式的断面図である。
【００６４】
図４（ａ）においてインクタンク（不図示）から共通液室2012を通ってインク流路2011に供給された各種インクは、図４（ｂ）に示すように配線の▲１▼部、▲２▼部に接続された駆動手段に電気的なパルス（図４（ｂ）においては、例えば２μ秒の信号）を与えられることにより発熱抵抗体の熱作用部において加熱されて発泡し、インクの吐出が行なわれる構造となっている。
【００６５】
図６は、本発明の一実施形態のインクジェット記録ヘッド６０００を示す模式的斜視図である。
【００６６】
本実施形態のインクジェット記録ヘッド６０００は、インクに気泡を発生させるための熱エネルギーを与える複数個の発熱体（図４における熱作用部２００８。以下同様）が並列に設けられたインクジェットヘッド用基体６００１と、この基体上に接合された天板６００４とを有する。
【００６７】
また、インクジェットヘッド用基体６００１には、各発熱抵抗体を駆動するための電気信号を外部から入力するための複数の電極パッド６００９が設けられている。
【００６８】
天板６００４には、各発熱抵抗体に対応した複数の液流路（図４（ａ）のインク流路２０１１。以下同様）および各液流路にインクを供給するための共通液室（図４（ａ）の共通液室２０１２。以下同様）を構成するための溝が形成されており、天板６００４は、インクジェットヘッド用基体６００１と接合されることで液流路および共通液室が構成される。インクジェットヘッド用基体６００１と天板６００４との接合時には、液流路を構成する溝が発熱抵抗体と一致するように両者が位置合わせされ、これにより、それぞれ発熱抵抗体を有する液流路が構成される。
【００６９】
また、天板６００４には、インクを吐出するために各液流路にそれぞれ連通する複数の吐出口６００７、および外部から共通液室にインクを供給するためのインク供給口６００８が開口している。上記構成に基づき、インク供給口６００８から共通液室６００６に供給されて一時的に貯えられたインクは、毛管現象により液流路に侵入し、吐出口６００７でメニスカスを形成して液流路を満たした状態を保つ。このとき、電極（不図示）を介して発熱抵抗体が通電されて発熱すると、発熱抵抗体上のインクが急激に加熱されて液流路内には膜沸騰に基づく気泡が発生し、この気泡の成長により吐出口６００７からインクが吐出される。
【００７０】
次に、上述したインクジェット記録ヘッド６０００が搭載されるインクジェット記録装置について、図７を参照して説明する。
【００７１】
図７は、本発明のインクジェット記録装置の一例を示す模式的斜視図である。図７において、本体フレーム７５５１には、螺旋溝７５５３が刻まれたリードスクリュー７５５２が回転自在に軸支されている。リードスクリュー７５５２は、駆動モータ７５５９の正逆回転に連動し、駆動力伝達ギア７５６０、７５６１を介して回転駆動される。
【００７２】
さらに、本体フレーム７５５１には、キャリッジ７５５５を摺動自在に案内する案内レール７５５４が固定されている。キャリッジ７５５５には、螺旋溝７５５３に係合するピン（不図示）が設けられており、駆動モータ７５５９の回転によりリードスクリュー７５５２を回転させることで、キャリッジ７５５５が図示矢印ａ、ｂ方向に往復移動できるようになっている。紙押え板７５７２は、キャリッジ７５５５の移動方向にわたって、被記録媒体７５９０をプラテンローラ７５７３に対して押圧する。
【００７３】
キャリッジ７５５５には、インクジェット記録ユニット７５８０が搭載される。インクジェット記録ユニット７５８０は、上述したインクジェット記録ヘッドをインクタンクと一体化したカートリッジ形態のものであっても、それらを互いに別体として取り外し可能に組み合わせた形態のものであってもよい。また、このインクジェット記録ユニット７５８０は、キャリッジ７５５５に設けられている位置決め手段および電気的接点によってキャリッジ７５５５に固定支持されるとともに、キャリッジ７５５５に対して着脱可能に設けられている。
【００７４】
フォトカプラ７５５７、７５５８は、キャリッジ７５５５のレバー７５５６のこの域での存在を確認して駆動モータ７５５９の回転方向の逆転等を行うためのホームポジション検知手段を構成する。インクジェット記録ヘッドの前面（吐出口が開口した面）をキャップするキャップ部材７５６７は、支持部材７５６２によって支持され、さらに吸引手段７５６６を備え、キャップ内開口７５６８を介してインクジェット記録ヘッドの吸引回復を行う。本体支持板７５６４には支持板７５６５が取り付けられており、この支持板７５６５に摺動自在に支持されたクリーニングプレード７５６３は、図示しない駆動手段によって前後方向に移動される。クリーニングプレード７５６３の形態は図示するものに限られず、公知のものが適用できることはいうまでもない。レバー７５７０は、インクジェット記録ヘッドの吸引回復動作を開始するためのもので、キャリッジ７５５５と当接するカム７５７１の移動に伴って移動し、駆動モータ７５５９から駆動力がギア７５６９やラッチ切換え等の公知の伝達手段によって移動制御される。
【００７５】
これらのキャッピング、クリーニング、吸引回復の各処理は、キャリッジ７５５５がホームポジション側領域に移動したときにリードスクリュー７５５２の作用によって、それぞれの対応位置で行われるようになっている。周知のタイミングで所望の動作を行うようにすれば、本例にはいずれも適用できる。
【００７６】
以上説明したインクジェット記録装置においては、搭載したインクジェット記録ヘッドの電気熱変換体を駆動するための記録信号をインクジェット記録ヘッドに与える記録信号供給手段を有し、インクジェット記録装置の動作を司る制御部を備えている。
本実施形態のインクジェット記録装置は、上述したインクジェット記録ヘッドを搭載しているのでインクの吐出が安定し、その結果、画像品位の劣化が少ない記録装置を達成することができる。
【００７７】
【実施例】
以下に、本発明の実施の形態を複数の実施例に基づいて詳細に説明する。但し、本発明は、以下に説明する各実施例のみに限定されるものでなく、各実施例の構成の組み合わせ等、本発明の目的を達成し得るものであれば良いことは勿論である。
【００７８】
（実施例１）
以下に、図３（ａ）の断面図を用いて実施例１を説明する。
まず、シリコン基板2001を１１５０℃のスチーム熱酸化によって６時間処理し、約２μｍ程度のＳｉＯ2膜2002ａを形成した。さらに、ＣＶＤ法により約１μｍのＳｉＮ膜2002ｂを成膜した。次にＮ2ガスを用いた反応性スパッタリング法によって発熱抵抗体層2004としてＴａＮ膜を約１００ｎｍ形成した。次にスパッタリング法によって約６００ｎｍのＡｌ膜2005を形成した。次にＡｌはフォトリソ法によって配線および電極パッドを形成し、ＴａＮによりヒーター部分の形成を行った。次に、ＣＶＤ法により約１μmのＳｉＮ膜を保護層2006として形成した。
【００７９】
次にスパッタリング法によって超親水化材料であるＴｉＯ2を１００ｎｍ、次いでスパッタリング法によって蓄水性材料であるＴａ2Ｏ5を５０ｎｍ形成し、フォトリソ法によって所定の形状とすることにより、上部保護層2007と超親水化層2009を兼ねたＴｉＯ2／Ｔａ2Ｏ5層を形成した。最後にフォトリソ法によってＳｉＮ膜を部分的に除去してＡｌ電極パッド（不図示）を露出させ、インクジェットヘッド用基体を完成させた。
本実施例において、熱作用部の水との接触角は５°以下であった。
【００８０】
このようにして作製したインクジェットヘッド用基体と、各発熱抵抗体に対応した液流路及び各液流路にインクを供給するための共通液室を構成するための溝が形成されたポリサルフォンからなる天板６００４とを接合してインクジェットヘッドを作製した。
【００８１】
さらに、このインクジェットヘッドを搭載する上述したようなインクジェット記録装置を作製した。
このようにして作製したインクジェット記録装置を使用し、アゾ染料を用いた水系のインクを用いて吐出耐久試験を行ったところ、吐出パルス数が１×１０8回のとき、熱作用部にコゲはほとんど堆積していなかった。
【００８２】
（比較例１）
それに対して、比較例として、実施例１においてＴｉＯ2／Ｔａ2Ｏ5層からなる超親水化層を形成せず、熱作用部がＳｉＮ膜からなる保護層であるヘッドであって、特開平１１−４２７９８号公報に記載されるようにプロパノールとグリセリンの容積率各５０％の混合液をインク流路内に充填する処理を行うことにより熱作用部を含むインク流路内壁の表面の疎水性薄膜を破壊したヘッドでは、熱作用部の水との接触角は２０°程度であった。このヘッドを搭載したインクジェット記録装置を使用して、実施例1と同様に吐出耐久試験を行ったところ、吐出パルス数が１×１０8回のときに、熱作用部に多量のコゲが堆積していた。
【００８３】
（実施例２）
実施例１において、ＳｉＮ膜からなる保護層2006とＴｉＯ2／Ｔａ2Ｏ5層との間に上部保護層2007としてアモルファス化合金であるTa18Fe57Ni8Cr17膜を形成してインクジェットヘッド用基体を作製した。その他の構成は実施例１の構成と同一とした。
この上部保護層2007は、図８に示した装置で以下の条件でのスパッタリング法により形成した。
【００８４】
まず、実施例１と同様の工程でＳｉＮからなる保護層2006形成する工程まで行ったシリコン基板2001（図８における4004）を図８の装置の成膜室4009内の基板ホルダー4003上にセットした。次いで、排気ポンプ4007により成膜室4009内を8ラ10-6Paまで排気した。その後、アルゴンガスをガス導入口4010から成膜室4009に導入し、成膜室4009内の条件を以下のようにした。
[成膜条件]
基板温度：200℃
成膜室内ガス雰囲気温度：200℃
成膜室内混合ガス圧力：0.3Pa
次いで、TaターゲットとFe-Ni-Cr合金 (Fe74Ni8Cr18)ターゲットを用いて、各ターゲットに投入するパワーを、Taターゲットは300Wと固定し、Fe-Ni-Cr合金ターゲットのパワーを可変とした２元スパッタリング法により保護層2006上に200ｎｍの膜厚でTa18Fe57Ni8Cr17膜を形成した。
本実施例においても、熱作用部2008の水との接触角は５°以下であった。
【００８５】
（実施例３）
実施例１において、保護層2006としてのＳｉＮ膜を形成せずに、ＴｉＯ2を３００ｎｍの膜厚で形成し、次いでＴａ2Ｏ5を１００ｎｍの膜厚で形成することにより、保護層2006、上部保護層2007及び超親水化層2009を兼ねたＴｉＯ2／Ｔａ2Ｏ5層を形成してインクジェットヘッド用基体を作製した。その他の構成は実施例１の構成と同一とした。
本実施例においても、熱作用部2008の水との接触角は５°以下であった。
（実施例４）
実施例１において、ＴｉＯ2／Ｔａ2Ｏ5層を形成する代わりに、ＳｉＮ膜からなる保護層2006の表面にフッ素プラズマ処理を行ってインクジェットヘッド用基体を作製した。その他の構成については実施例１の構成と同一とした。
本実施例においても、熱作用部2008の水との接触角は５°以下であった。
【００８６】
また、本実施例において、フッ素プラズマ処理を行う代わりに、エキシマＵＶオゾン処理を行っても同様であった。
（実施例５）
実施例２において、ＴｉＯ2／Ｔａ2Ｏ5層を形成する代わりに、Ta18Fe57Ni8Cr17膜からなる上部保護層2007の表面にフッ素プラズマ処理を行ってインクジェットヘッド用基体を作製した。その他の構成については実施例１の構成と同一とした。
本実施例においても、熱作用部2008の水との接触角は５°以下であった。
また、本実施例において、フッ素プラズマ処理を行う代わりに、エキシマＵＶオゾン処理を行っても同様であった。
【００８７】
（実施例６）
図９に示すように、実施例１において、ＴｉＯ2／Ｔａ2Ｏ5層からなる超親水化層2009を熱作用部に対応する領域のみに形成してインクジェットヘッド用基体を作製した。その他の構成は実施例１の構成と同一とした。
本実施例において、超親水化層2009は、実施例１と同様に形成した後、熱作用部2008に対応する領域以外の部分をエッチングで除去することにより形成した。
【００８８】
本実施例においても、熱作用部2008の水との接触角は５°以下であった。
【００８９】
（実施例７）
図９に示すように、実施例２において、熱作用部2008に対応する領域のみにＴｉＯ2／Ｔａ2Ｏ5層からなる超親水化層2009を形成してインクジェットヘッド用基体を作製した。その他の構成は実施例２の構成と同一とした。
本実施例において、超親水化層2009は、実施例１と同様に形成した後、熱作用部2008に対応する領域以外の部分をエッチングで除去することにより形成した。
【００９０】
本実施例においても、熱作用部2008の水との接触角は５°以下であった。
（実施例８）
図９に示すように、実施例３において、熱作用部2008に対応する領域のみにＴｉＯ2／Ｔａ2Ｏ5層からなる超親水化層を形成してインクジェットヘッド用基体を作製した。その他の構成は実施例３の構成と同一とした。
本実施例において、超親水化層2009は、実施例３と同様に形成した後、熱作用部2008に対応する領域以外の部分をエッチングで除去することにより形成した。
本実施例においても、熱作用部2008の水との接触角は５°以下であった。
【００９１】
（実施例９）
実施例４において、熱作用部2008に対応する領域のみにフッ素プラズマ処理を行ってインクジェットヘッド用基体を作製した。その他の構成は実施例４の構成と同一とした。
本実施例において、フッ素プラズマ処理は、熱作用部2008に対応する領域以外の部分をマスクした後、実施例４と同様に行った。
【００９２】
本実施例においても、熱作用部2008の水との接触角は５°以下であった。
【００９３】
また、本実施例において、フッ素プラズマ処理を行う代わりに、エキシマＵＶオゾン処理を行っても同様であった。
【００９４】
（実施例１０）
実施例５において、熱作用部2008に対応する領域のみにエキシマＵＶオゾン処理を行ってインクジェットヘッド用基体を作製した。その他の構成は実施例５の構成と同一とした。
本実施例において、フッ素プラズマ処理は、熱作用部2008に対応する領域以外の部分をマスクした後、実施例５と同様に行った。
【００９５】
本実施例においても、熱作用部2008の水との接触角は５°以下であった。
また、本実施例において、フッ素プラズマ処理を行う代わりに、エキシマＵＶオゾン処理を行っても同様であった。
【００９６】
なお、実施例２〜１０についても、実施例１と同様の評価を行ったところ、実施例１と同様に良好な結果が得られた。
【００９７】
【発明の効果】
本発明によれば、インクジェット記録ヘッド用基体の熱作用部のインクに直接接触する部分を超親水化することにより、熱作用部にインクの熱分解物が堆積することを防ぐことが可能となる。
【００９８】
このことにより、インクを安定的に発泡させることが可能となり、インク吐出性能が安定するのみならず、インクジェットヘッドの寿命をのばすことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】インクジェット記録ヘッド用基体要部の一般的な構成を示す模式的断面図である。
【図２】図１のインク流路に相当する部分のＸ−Ｘ'線切断のインクジェット記録ヘッド用基体を示す模式的断面図である。
【図３】本発明のインクジェット記録ヘッド用基体を示す模式的断面図である。
【図４】（ａ）本発明のインクジェット記録ヘッド用基体を適用したインクジェット記録ヘッドの一構成例を示す模式的断面図である。（ｂ）図４（ａ）のインクジェット記録ヘッドの電気熱変換体を駆動するための駆動手段を示す模式図である。
【図５】本発明のインクジェット記録ヘッド用基体を示す模式的断面図であり、特に集積回路を組み込んだ基体を示す模式的断面図である。
【図６】本発明の一実施形態のインクジェット記録ヘッドを示す模式的斜視図である。
【図７】本発明の一実施形態のインクジェット記録ヘッドが搭載されたインクジェット記録装置を示す模式的斜視図である。
【図８】アモルファス化合金膜を成膜するためのマグネトロンスパッタリング装置の模式的断面図である。
【図９】本発明のインクジェット記録ヘッド用基体を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１００１ 吐出口
１００２ 電気熱変換素子
１００３ インク流路
１００４ 基体
１００５ 発熱抵抗体
１００６ 電極配線
１００７ 絶縁膜
１００８ 流路壁
１００９ 共通液室
２０００ インクジェット記録ヘッド用基体
２００１ シリコン基板
２００２ 蓄熱層
２００３ ヒータ部分
２００４ 発熱抵抗体層
２００５ 金属配線
２００６ 保護層
２００７ 上部保護層
２００８ 熱作用部
２００９ 超親水化層
２０１０ 耐キャビテーション層
２０１１ インク流路
２０１２ 共通液室
２４０１ シリコン基板
２４０２ Ｎ型埋込層
２４０３ Ｎ型エピタキシャル層
２４０４ Ｐ型ウエル領域
２４０５ ソース領域
２４０６ ドレイン領域
２４１１ コレクタ領域
２４１２ ベース領域
２４１３ エミッタ領域
２４１４ 蓄熱層
２４１５ ゲート配線
２４１６ 層間絶縁膜
２４１７ Ａｌ電極
２４１８ 層間絶縁膜
２４５０ Ｐ−ＭＯＳ
２４５１ Ｎ−ＭＯＳ
２４５２ ＮＰＮ型トランジスタ部
２４５３ 酸化膜分離領域
２４５５ 熱作用部
６０００ インクジェット記録ヘッド
６００１ インクジェット記録ヘッド用基体
６００４ 天板
６００７ 吐出口
６００８ インク供給口
６００９ 電極パッド
７５５１ 本体フレーム
７５５２ リードスクリュー
７５５３ 螺旋溝
７５５４ 案内レール
７５５５ キャリッジ
７５５６ レバー
７５５７ フォトカプラ
７５５８ フォトカプラ
７５５９ 駆動モータ
７５６０ 駆動力伝達ギア
７５６１ 駆動力伝達ギア
７５６２ 支持部材
７５６３ クリーニングブレード
７５６４ 本体支持板
７５６５ 支持板
７５６６ 吸引手段
７５６７ キャップ部材
７５６８ キャップ内開口
７５６９ ギア
７５７０ レバー
７５７１ カム
７５７２ 紙押え板
７５７３ プラテンローラ
７５８０ インクジェット記録ユニット
７５９０ 被記録媒体
【発明の属する技術分野】
本発明は、紙、プラスチックシート、布、物品等を包含する記録保持体に対して、例えばインク等の機能性液体等を吐出することにより文字、記号、画像等の記録、印刷等を行うインクジェット記録ヘッド（以下、単に「インクジェットヘッド」とも称する）を構成するための基体、この基体を用いて構成されるインクジェットヘッド、このインクジェットヘッドに対して供給されるインクを貯溜するためのインク貯溜部を含むインクジェットペン等の記録ユニット、及びインクジェットヘッドが装着されるインクジェット装置に関する。
【０００２】
なお、本発明におけるインクジェットペン等の記録ユニットは、インクジェットヘッドとインク貯溜部とを一体としたカートリッジ形態のものも、それらを互いに別体として取り外し可能に組み合わせた形態のものも包含する。このインクジェットペン等の記録ユニットは、装置本体側のキャリッジ等の搭載手段に対して着脱自在に構成されている。また、本発明におけるインクジェット記録装置は、ワードプロセッサー、コンピューター等の情報処理機器の出力端末として一体的に、または別体として設けられるものの他、情報読み取り機器等と組み合わされた複写装置、情報送受信機能を有するファクシミリ装置、布への捺染を行う機械等の種々の形態を包含する。
【０００３】
【従来の技術】
インクジェット記録装置は、インクを微小な液滴として吐出口から高速で吐出することにより、高精細な画像の高速記録を行う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利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生手段として電気変換体を用い、この電気変換体が発生するエネルギー、特に熱エネルギーによって生ずるインクの発泡を利用してインクを吐出する方式のインクジェット記録装置は、例えば米国特許第４７２３１２９号および米国特許第４７４０７９６号に記載があるように画像の高精細性、高速記録性、記録ヘッド及び装置の小型化やカラー化に適していることから注目されている。
【０００４】
上記インクジェットヘッド用基体要部の一般的な構成を図１に示す。
【０００５】
また、図２は、図１のインク流路に相当する部分のＸ−Ｘ'線切断のインクジェット記録ヘッド用基体２０００の模式的断面図である。
【０００６】
図１において、このインクジェット記録ヘッドには、複数の吐出口１００１が設けられ、また、これからそれぞれインクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生する電気熱変換素子１００２が各インク流路１００３ごとに基板１００４上に設けられている。
【０００７】
電気熱変換素子１００２は、主に発熱抵抗体１００５及びこれに電力を供給するための電極配線１００６並びにこれらを保護する絶縁膜１００７により構成される。また、各インク流路１００３は複数の流路壁１００８が一体的に形成された天板を、基板１００４上の電気熱変換素子等との相対位置を画像処理等の手段により位置合わせしながら接合することで形成される。各インク流路１００３は、その吐出口１００１と反対側の端部が共通液室１００９と連通しており、この共通液室１００９にはインクタンク（不図示）から供給されるインクが貯溜される。共通液室１００９に供給されたインクは、ここから各インク流路１００３に導かれ、吐出口１００１近傍でメニスカスを形成して保持される。このとき電気熱変換素子１００２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ーを利用して熱作用面上のインクを急激に加熱沸騰させ、この時の衝撃力によってインクを吐出させる。
【０００８】
図２において、２００１はシリコン基板、２００２はＳｉＯ2膜（熱酸化膜）、ＳｉＮ膜等からなる蓄熱層（層間膜）である。２００３はヒーター部分、２００４は発熱抵抗体層、２００５はＡｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ等の金属配線、２００６はＳｉＯ2膜、ＳｉＮ膜等からなる少なくとも１層の保護層を示す。２０１０は、発熱抵抗体層２００４の発熱に伴う化学的、物理的衝撃から保護層２００６を守るためのＴａ膜等からなる耐キャビテーション層である。また、２００８は発熱抵抗体層２００４の熱作用部である。
【０００９】
この２００８の熱作用部は、インクの発泡のためのパルスの印加によって、発熱し、約３００℃以上の温度に達すると、その面に接していたインクが急激に加熱沸騰する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように熱作用部はインクを発泡させるため、高温になっており、さらにヘッドの製造バラツキや、本体の駆動バラツキを抑え、安定して発泡をさせるためにインクの必要発泡エネルギーより過剰にエネルギーを加える必要がありその結果、熱作用部の温度はさらに上昇する。通常の駆動条件では、この熱作用部の温度は瞬間的には４５０〜５５０℃まで達していると考えられる。
【００１１】
このことによって、ヘッドの寿命に影響をおよぼす重大な問題が生じる場合がある。この問題とは、インク中の染料あるいは顔料が高温にさらされることによって、分子鎖が切断されて生じた分解物が熱作用部に堆積して「コゲ」として付着する現象すなわち「コゲーション」が発生することである。
【００１２】
このコゲーションによって熱作用部に徐々に分解物が堆積し、ついにはインクを安定的に発泡させることが困難になり、ヘッドの寿命を左右することになる。
【００１３】
従来はこのコゲーションを防止するために、インク中の成分の改良、例えば染料や、インク中のコゲ防止用成分の追加等の様々な対策が採られてきた。
【００１４】
しかしながら、現状のインクジェットプリンターにおいては、インクを吐出して描いた画像に対する様々な要求が出されている。例えば、印字物の耐水性、あるいは色間のブリード防止、さっか性の改善等である。これらの要求を満たすためにインクの成分をさらに改良する必要が生じてきた。ところがこれらの改良によって、過去に採られてきたコゲ防止対策が通用しなくなる場合もあり、再びコゲに対する問題が生じているものもある。本発明は、このようなインクを用いた場合においても、熱作用部のコゲの堆積を防止し、記録ヘッドの寿命を延ばずことを課題とする。
【００１５】
特開平１１-２４０１５６号公報には、熱作用部に対応する領域に撥水膜を形成することにより、熱作用部にコゲが固着しにくくし、それにより発泡の効率低下を抑え、かつインクの安定した発泡を可能にすることが記載されている。
【００１６】
また、特開平１１-４２７９８号公報には、インク流路内に吐出するためのインクを充填する前に、吐出するためのインクとは異なる表面張力及び揮発性の低い液体を充填することにより、インク流路の内壁面の疎水性薄膜を破壊し、それにより、インク流路の内壁面をインクで濡れやすくして、インク流路内へのインクの充填を容易にすることが記載されている。しかし、熱作用部におけるコゲの堆積防止については記載されておらず、また、コゲの堆積を防止する十分な効果が得られるほど強い親水化が達成されるとは考えられない。
【００１７】
一方、「化学と工業」（４８、１９９５、１２５６−１２５８）には親水化処理によって汚れが自然に落ちるガラスの記載があり、さらに「化学と工業」（４９（６）、１９９６、７６４−７６７）には光触媒の効果の記述がある。
【００１８】
また、「応用物理」（６４（８）、１９９５、８０３−８０７）には材料物性についての記述がある。
【００１９】
これらはいずれも親水化処理、あるいは光触媒親水化層を基材表面に形成することによって基材表面への汚れの付着防止、あるいは汚れの分解を目ざしている。
【００２０】
本発明の目的はこれら親水化効果あるいは光触媒親水化効果をさらに強力にした超親水化効果を熱作用部に応用することによって、熱作用部におけるコゲの堆積を防止することができるインクジェット記録ヘッド用基体、インクジェット記録ヘッド、インクジェット記録ユニット、インクジェット記録装置、インクジェット記録ヘッド用基体の製造方法及びインクジェット記録ヘッドの製造方法を提供することにある。
【００２１】
さらに本発明のもう一つの目的は、熱作用部を超親水化することによって、熱作用部の熱を効率よく、インク中に伝えることができるインクジェット記録ヘッド用基体、インクジェット記録ヘッド、インクジェット記録ユニット、インクジェット記録装置、インクジェット記録ヘッド用基体の製造方法及びインクジェット記録ヘッドの製造方法を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明のインクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生する発熱抵抗体を有し、アゾ染料を用いた水性インクを吐出可能なインクジェット記録ヘッドに用いられるインクジェット記録ヘッド用基体は、前記発熱抵抗体を備えた基板と、前記発熱抵抗体の上に、前記発熱抵抗体を覆うように絶縁材料で設けられた絶縁層と、前記絶縁層の前記発熱抵抗体で発生した熱がインクに作用する熱作用部に対応する領域に、前記熱作用部にインクを供給する流路に面するように設けられ、スパッタリング方式で光触媒作用を有するＴｉＯ ２ からなる材料とＴａ ２ Ｏ ５ からなる蓄水性材料とをこの順に積層し、前記ＴｉＯ ２ からなる材料と前記蓄水性材料とに光を照射することにより得られた、水との接触角が５°以下となっている超親水化層と、を有することを特徴とする。
さらに本発明のインクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生する発熱抵抗体を有し、アゾ染料を用いた水性インクを吐出可能なインクジェット記録ヘッドに用いられるインクジェット記録ヘッド用基体の製造方法は、前記発熱抵抗体を備えた基板を用意する工程と、前記発熱抵抗体の上に、前記発熱抵抗体を覆うように絶縁材料からなる絶縁層を設ける工程と、前記絶縁層の前記発熱抵抗体で発生した熱がインクに作用する熱作用部に対応する領域に、スパッタリング方式を用いて、光触媒作用を有するＴｉＯ ２ からなる材料とＴａ ２ Ｏ ５ からなる蓄水性材料とをこの順に積層して超親水化層となる層を設ける工程と、前記ＴｉＯ ２ からなる材料と前記蓄水性材料とに光を照射することにより、インクを供給する流路に面する面の、水との接触角が５°以下となっている、超親水化層とする照射工程と、を有することを特徴とする。
【００２８】
以上のような本発明の構成により、熱作用部におけるコゲの堆積が防止され、インク吐出性能が安定するのみならず、インク中の成分に左右されにくい長寿命のインクジェット記録ヘッド用基体、インクジェット記録ヘッド、インクジェット記録ユニット、インクジェット記録装置、インクジェット記録ヘッド用基体の製造方法及びインクジェット記録ヘッドの製造方法を提供することができる。さらに本発明の構成によって熱変換効率の向上したインクジェット記録ヘッド用基体、インクジェット記録ヘッド、インクジェット記録ユニット、インクジェット記録装置、インクジェット記録ヘッド用基体の製造方法及びインクジェット記録ヘッドの製造方法を提供することができる。
【００２９】
特に、インクジェット記録ヘッド基体の熱作用部を超親水化することで熱作用面がインクに十分濡れやすくなり、熱の伝わり方が向上し、発泡の効率が向上する。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００３２】
図３（ａ）、図３（ｂ）及び図９は本発明にかかるインクジェット記録装置のヘッド部における発熱抵抗体を有する電気熱変換体が基板上に形成された基体のインク流路に沿った部分の模式的断面図である。すなわち、図３（ａ）、図３（ｂ）及び図９における電極配線を構成する電極層2005の２つの対向する端部間に位置する発熱抵抗体層2004の電極層で覆われていない部分が発熱抵抗体を形成する。
【００３３】
図３（ａ）において、2001はシリコン基板、2002はＳｉＯ2膜（熱酸化膜）、ＳｉＮ膜等からなる蓄熱層（層間膜）、2004は発熱抵抗体層、2005はＡｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ等の金属材料からなる配線としての電極層、2006はＳｉＯ2膜、ＳｉＮ膜等からなる絶縁層としても機能する保護層を示す。2007は、発熱抵抗体の発熱に伴う化学的、物理的衝撃から保護層2006を守るための上部保護層である。また、2008は発熱抵抗体層2004の発熱抵抗体で発生した熱がインクに作用する熱作用部である。
この図３（ａ）の構成における保護層2006の膜厚は通常、０．１〜２．０μｍから選択される。
【００３４】
インクジェットヘッドにおける熱作用部は、発熱抵抗体での熱発生により高温にさらされると共に、インクの発泡、収縮に伴い、キャビテーション衝撃や、インクによる化学的作用を主に受ける部分である。よって、熱作用部には、このキャビテーション衝撃や、インクによる化学的作用から電気熱変換素子を保護するために上部保護層2007が設けられる。
【００３５】
さらに、上部保護層には超親水化処理が施されており、図３（ａ）では、超親水化処理として超親水性を示す超親水化層2009が形成されている。この超親水化層が形成された熱作用部の水との接触角は５°以下となる。これは、熱作用部の水との接触角が０°以上５°以下となることを意味し、さらには、本発明において用いられるインクは水系のインクであるため、熱作用部2008のインクとの接触角が０°以上５°以下となることを意味する。
【００３６】
このような超親水化処理により、「コゲ」と呼ばれる分解物が熱作用部2008に堆積することを防止し、インクを安定的に発泡させることができるため、ヘッドの寿命を延ばすことができる。また、熱作用部の超親水化を行うことによって、「コゲ」防止の他、発泡の熱効率を上げるという効果もある。すなわち、超親水化することにより、インクが熱作用部を充分に濡らし、それによって、インクへ熱が効率良く伝わり、発泡効率が向上するのである。
【００３７】
超親水化処理としては、上記のように超親水化層2009を形成することの他、フッ素プラズマ処理またはエキシマＵＶオゾン処理のような超親水化表面処理が好適に適用できる。
【００３８】
図３（ａ）、図３（ｂ）及び図９において、超親水化処理の一形態として形成された超親水化層2009は、超親水化材料を用いて形成されており、超親水性化材料の単層構造または超親水化材料と蓄水性材料との積層構造を有するものである。
【００３９】
超親水性材料としては、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化ジルコニウム、チタン酸ストロンチウム等の金属酸化物、硫化カリウム、硫化カドミウム、硫化亜鉛等の金属硫化物等が適用できる。
【００４０】
また、蓄水性材料としては、Ｔａ2Ｏ5、ＳｉＯ2等が適用できる。
超親水化材料と蓄水性材料との積層構造を有する超親水化層としては、上記の超親水化材料のいずれかと、上記の蓄水性材料のいずれかとのどのような組み合わせの積層構造を有するものであってもよい。
【００４１】
また、上記の超親水性材料には、光触媒作用があり、光照射化における光触媒反応によって、熱作用部表面に付着している微量の疎水分子が分解され、物理吸着水の層が薄く形成されるため、超親水性を示すようになる。上記の超親水化材料と蓄水性材料との積層構造を有する超親水化層では、一度光の照射すればその後は光を照射しなくても、蓄水性材料に物理吸着水が取り込まれることより、超親水性が安定化しより長期間維持される。
【００４２】
また、吐出特性の観点からすると、超親水化処理は、図９に示すように熱作用部2008に対応する領域にのみ行うことが好ましい。ここで、熱作用部に対応する領域は、一対の電極間に位置する発熱抵抗体層とその近傍領域とに対応する領域をも含むものである。
【００４３】
また、上部保護層2007として後述するアモルファス化合金膜を形成せずに、超親水化材料である酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化ジルコニウム、チタン酸ストロンチウム等からなる金属酸化物膜を形成することにより、上部保護層2007と超親水化層2009を兼用することもできる。さらに、アモルファス合金膜ばかりでなく、保護層2006としてのＳｉＯ2膜、ＳｉＮ膜等も形成せずに、これらの金属酸化物膜を形成することにより、保護層2006、上部保護層2007及び超親水化層2009を兼用することもできる。
【００４４】
また、図１において、発熱抵抗体１００５のうち、１００５ａは発熱抵抗体の周辺から内側に向かって４μｍ程度の内側の、インクを吐出するための発泡に寄与する領域、所謂、有効発泡領域であり、１００５ｂは有効発泡領域の周辺の発泡に寄与しない領域である。
【００４５】
ここで、通常、コゲは主に有効発泡領域の中央部分１０１０及び有効発泡領域の周辺領域１００５ｂの近傍に堆積し易いため、これらの領域にコゲが堆積しないようにすることが重要である。有効発泡領域１００５ａの中央部分１０１０はキャビテーション衝撃を受け易いものの、この部分がキャビテーション衝撃によって削られてしまう場合でも、そのように超親水化層が削られることによって、この部分のコゲは除去されることになる。無論、超親水化層の有効発泡領域１００５ａの中央部分１０１０がキャビテーション衝撃によって削られない場合には、この部分へのコゲの堆積は防止される。また、有効発泡領域の周辺領域１００５ｂは、キャビテーション衝撃を受けにくく超親水化層が削られにくいため、この領域へのコゲの堆積は防止される。
【００４６】
したがって、キャビテーション衝撃によって超親水化層が削られる場合でも削られない場合でも、いずれにしてもコゲの堆積は効果的に防止される。
上部保護層2007は、上述したように高温にさらされると共に、キャビテーション衝撃やインクによる化学的作用から保護層、延いては発熱抵抗体を保護するためのものであるため、耐熱性、機械的特性、化学安定性、耐酸化性、耐アルカリ性等に優れた膜特性が要求される。
【００４７】
そのため、この上部保護層2007の形成材料として、下記組成式（１）で示される組成を有するアモルファス化合金膜を用いることが好ましい。
ＴａαＦｅβＮｉγＣｒδ…（１）
（但し、１０原子％≦α≦３０原子％、且つ、α＋β＜８０原子％、且つ、α＜β、且つ、δ＞γ、且つ、α+β+γ+δ＝１００原子％である。）
なお、上記組成式（１）におけるαは、１０原子％（at.%）≦α≦２０at.%であることが好ましい。また、γ≧７at.%、且つ、δ≧１５at.%であることが好ましく、更に、γ≧８at.%、且つ、δ≧１７at.%であることがより好ましい。一方、この上部保護層2007の膜厚は例えば１０〜５００ｎｍ、さらには５０〜２００ｎｍにすることが好ましい。
【００４８】
このアモルファス化合金膜ではＴａの量が１０〜２０at.%の範囲と、従来のＴａ系合金のものよりも低く設定してある。このような低Ｔａ比を採用することで、合金に適度なアモルファス領域を付与して不動態膜化し、腐食反応の起点となる結晶界面の存在個所を有意に減少させ、耐キャビテーション性を良好なレベルに維持しつつ、耐インク性を向上させることができる。
【００４９】
更に、アモルファス化合金膜の表面にその構成成分の酸化物が存在する、好ましくはかかる酸化物の膜でその表面が被覆されていることで、耐インク性が更に向上したものとなっている。すなわち、このアモルファス化合金膜からなる上部保護層2007の少なくともインクとの接触面の表面は、上部保護層2007の構成成分の酸化物膜で被覆されていることが好ましく、その酸化物膜の膜厚は５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００５０】
このように、上部保護層の表面にＣｒを主体とする酸化膜を形成することにより、各種のインク、特にＣａやＭｇなどの２価金属塩やキレート錯体を形成する成分が含有されたインクにおいても、不働態膜としての効果が発揮され、各部からのインクによる侵食を防止することができる。
【００５１】
上記Ｃｒを主体とする酸化膜の形成方法としては、上部保護層が形成された後に、大気中かあるいは酸素雰囲気中で熱処理する方法を挙げることができる。例えば、オーブン中で５０℃〜２００℃に加熱処理することにより行なわれる。あるいは、上部保護層をスパッタリング装置で形成した後に、同装置に酸素ガスを導入して加熱することにより酸化膜を形成してもよい。または、インクジェットヘッド形態に構成した後に、パルス印加の駆動を行うことにより酸化膜を形成してもよい。
【００５２】
また、図３（ｂ）は、図３（ａ）の保護層の構成を改良し、熱作用部における発熱抵抗体層2004からの熱エネルギーをインクにより有効に作用するように、保護層を２層構成にし、かつ熱作用部下方領域での保護層の厚さ（熱作用部表面から発熱抵抗体層までの距離）を小さくしたものである。すなわち、ＳｉＯ2膜、ＳｉＮ膜等からなる第１保護層2006を形成した後、パターニング等により熱作用部のみ第１保護層2006が形成されないようにし、次に、同様にしてＳｉＯ2膜、ＳｉＮ膜等からなる第２保護層2006'を形成することにより熱作用部の保護層の膜厚を薄くし、最後に上部保護層2007を形成したものである。このように、熱作用部における保護層をさらに薄膜化することにより、発熱抵抗体層2004からの熱エネルギーは第２保護層2006'、上部保護層2007を介してインクに伝達できるため、熱エネルギーを一層有効に利用することができる。
【００５３】
上記構成における各部分は、周知の膜形成方法に従って形成できる。なお、アモルファス化合金からなる上部保護層2007は、各種成膜法で作製可能であるが一般的には電源として高周波(RF)電源、または直流(DC)電源を用いたマグネトロンスパッタリング法により形成することができる。
【００５４】
図８は、アモルファス化合金膜からなる上部保護層を成膜するスパッタリング装置の概要を示すものである。図８において、4001はあらかじめ所定の組成、すなわち上記組成式（１）を満たすアモルファス化合金層を得るために必要な組成に作製されたTa-Fe-Cr-Niからなるターゲット、4002は平板マグネット、4011は基板への成膜を制御するシャッター、4003は基板ホルダー、4004は基板、4006はターゲット4001と基板ホルダー4003に接続された電源である。さらに、図１３において、4008は成膜室4009の外周壁を囲んで設けられた外部ヒーターである。外部ヒーター4008は、成膜室4009の雰囲気温度を調節するのに使用される。基板ホルダー4003の裏面には、基板の温度制御を行う内部ヒーター4005が設けられている。基板4004の温度制御は、外部ヒーター4008を併用して行うことが好ましい。
【００５５】
図８の装置を用いた成膜は、以下の様に行われる。まず、排気ポンプ4007を用いて成膜室4009を１ラ１０-5〜１ラ１０-6Paまで排気する。次いで、アルゴンガスを、マスフローコントローラー（不図示）を介してガス導入口4010から成膜室4009に導入される。この時、基板温度及び雰囲気温度が所定の温度になるように内部ヒーター4005、外部ヒーター4008を調節する。次に、電源4006からターゲット4001にパワーを印加してスパッタリング放電を行い、シャッター4011を調節して、基板4004の上に薄膜を形成させる。
【００５６】
アモルファス化合金からなる上部保護層の成膜は、上記のTa-Fe-Cr-Niからなる合金ターゲットを用いたスパッタリング法に限定されるばかりでなく、別々のTaターゲットとFe-Cr-Niターゲットを用い、それぞれに接続された２台の電源からパワーを印加する、２元同時反応性スパッタリング法により形成することも可能である。この場合は、各々のターゲットに印加するパワーを単独に制御することが可能となる。
【００５７】
また、上述したように、アモルファス化合金膜からなる上部保護層の成膜の際には、基板の温度を１００〜３００℃に加熱することにより強い膜付着力を得ることができる。また、上述したような比較的運動エネルギーの大きな粒子を形成できるスパッタリング法により成膜することにより、強い膜付着力を得ることができる。
【００５８】
更に、上部保護層の膜応力としては、少なくとも圧縮応力を有し、1.0ラ1010dyne/cm2以下にすることにより同様に強い膜付着力を得ることができる。この膜応力は、成膜装置に導入するＡｒガス流量やターゲットに印加するパワー、基板加熱温度を適宜設定することにより調整すればよい。
上述したアモルファス化合金膜からなる上部保護層は、その下部に設けられる保護層が厚い場合でも、薄い場合にも好適に適用できる。
また、本実施形態のインクジェットヘッド用基体は、シリコン基板上に図５に示すような集積回路を組み込んだ構成としてもよい。
なお、図５の集積回路は、以下のような手順で形成した。
【００５９】
Ｐ導電体のシリコン基板２４０１にＡｓなどのドーパントをイオンインプランテーションおよび拡散の手段により導入し、Ｎ型埋込層２４０２を形成し、上層にＮ型エピタキシャル層２４０３を８μｍの厚さに形成した。
【００６０】
また、前記エピタキシャル層２４０３にＢなどの不純物を導入し、Ｐ型ウエル領域２４０４を形成した。その後、フォトリソグラフィと酸化拡散およびイオンインプランテーションなどの不純物導入を繰り返してＮ型エピタキシャル領域にＰ−ＭＯＳ２４５０、Ｐ型ウエル領域にＮ−ＭＯＳ２４５１を構成した。
【００６１】
Ｐ−ＭＯＳ２４５０およびＮ−ＭＯＳ２４５１はそれぞれ厚さ５０ｎｍのゲート絶縁膜を介して６００ｎｍの厚さにＣＶＤ法で堆積したｐｏｌｙ−Ｓｉによるゲート配線２４１５およびＮ型あるいはＰ型の不純物を導入したソース領域２４０５、ドレイン領域２４０６などで構成した。また、パワートランジスタとなるＮＰＮ型トランジスタ部２４５２は、やはり不純物導入および拡散などの工程によりＮ型エピタキシャル層中にコレクタ領域２４１１、ベース領域２４１２、エミッタ領域２４１３などで構成した。
【００６２】
また、各素子間は、１０００ｎｍの厚さのフィールド酸化膜により、酸化膜分離領域２４５３を形成し、素子分離されている。このフィールド酸化膜は、熱作用部２４５５下においては一層目蓄熱層２４１４として作用する。各素子が形成された後に、層間絶縁膜２４１６が約７００ｎｍの厚さにＣＶＤ法によるＰＳＧ、ＢＰＳＧなどで溜され、熱処理により平坦化処理などをされてからコンタクトホールを介し、一層目Ａｌ電極２４１７により配線が行われた。
【００６３】
その後プラズマＣＶＤ法によってＳｉＯ2の層間絶縁膜２４１８を約１．４μｍの厚さに形成した。その後層間絶縁膜にフォトリソおよびドライエッチングによって、下層のＡｌと層間絶縁膜をはさんで位置する上層のＡｌ／ＴａＮ層とコンタクトするためのスルーホールを形成した。スルーホール形成後は上述したシリコン基板の場合と同様にＴａＮ層以降の工程を進めてインクジェット用基体を完成させた。
図４（ａ）は、本発明のインクジェットヘッド用基体６００１が適用されたインクジェット記録ヘッドの一構成例を示す模式的断面図である。
【００６４】
図４（ａ）においてインクタンク（不図示）から共通液室2012を通ってインク流路2011に供給された各種インクは、図４（ｂ）に示すように配線の▲１▼部、▲２▼部に接続された駆動手段に電気的なパルス（図４（ｂ）においては、例えば２μ秒の信号）を与えられることにより発熱抵抗体の熱作用部において加熱されて発泡し、インクの吐出が行なわれる構造となっている。
【００６５】
図６は、本発明の一実施形態のインクジェット記録ヘッド６０００を示す模式的斜視図である。
【００６６】
本実施形態のインクジェット記録ヘッド６０００は、インクに気泡を発生させるための熱エネルギーを与える複数個の発熱体（図４における熱作用部２００８。以下同様）が並列に設けられたインクジェットヘッド用基体６００１と、この基体上に接合された天板６００４とを有する。
【００６７】
また、インクジェットヘッド用基体６００１には、各発熱抵抗体を駆動するための電気信号を外部から入力するための複数の電極パッド６００９が設けられている。
【００６８】
天板６００４には、各発熱抵抗体に対応した複数の液流路（図４（ａ）のインク流路２０１１。以下同様）および各液流路にインクを供給するための共通液室（図４（ａ）の共通液室２０１２。以下同様）を構成するための溝が形成されており、天板６００４は、インクジェットヘッド用基体６００１と接合されることで液流路および共通液室が構成される。インクジェットヘッド用基体６００１と天板６００４との接合時には、液流路を構成する溝が発熱抵抗体と一致するように両者が位置合わせされ、これにより、それぞれ発熱抵抗体を有する液流路が構成される。
【００６９】
また、天板６００４には、インクを吐出するために各液流路にそれぞれ連通する複数の吐出口６００７、および外部から共通液室にインクを供給するためのインク供給口６００８が開口している。上記構成に基づき、インク供給口６００８から共通液室６００６に供給されて一時的に貯えられたインクは、毛管現象により液流路に侵入し、吐出口６００７でメニスカスを形成して液流路を満たした状態を保つ。このとき、電極（不図示）を介して発熱抵抗体が通電されて発熱すると、発熱抵抗体上のインクが急激に加熱されて液流路内には膜沸騰に基づく気泡が発生し、この気泡の成長により吐出口６００７からインクが吐出される。
【００７０】
次に、上述したインクジェット記録ヘッド６０００が搭載されるインクジェット記録装置について、図７を参照して説明する。
【００７１】
図７は、本発明のインクジェット記録装置の一例を示す模式的斜視図である。図７において、本体フレーム７５５１には、螺旋溝７５５３が刻まれたリードスクリュー７５５２が回転自在に軸支されている。リードスクリュー７５５２は、駆動モータ７５５９の正逆回転に連動し、駆動力伝達ギア７５６０、７５６１を介して回転駆動される。
【００７２】
さらに、本体フレーム７５５１には、キャリッジ７５５５を摺動自在に案内する案内レール７５５４が固定されている。キャリッジ７５５５には、螺旋溝７５５３に係合するピン（不図示）が設けられており、駆動モータ７５５９の回転によりリードスクリュー７５５２を回転させることで、キャリッジ７５５５が図示矢印ａ、ｂ方向に往復移動できるようになっている。紙押え板７５７２は、キャリッジ７５５５の移動方向にわたって、被記録媒体７５９０をプラテンローラ７５７３に対して押圧する。
【００７３】
キャリッジ７５５５には、インクジェット記録ユニット７５８０が搭載される。インクジェット記録ユニット７５８０は、上述したインクジェット記録ヘッドをインクタンクと一体化したカートリッジ形態のものであっても、それらを互いに別体として取り外し可能に組み合わせた形態のものであってもよい。また、このインクジェット記録ユニット７５８０は、キャリッジ７５５５に設けられている位置決め手段および電気的接点によってキャリッジ７５５５に固定支持されるとともに、キャリッジ７５５５に対して着脱可能に設けられている。
【００７４】
フォトカプラ７５５７、７５５８は、キャリッジ７５５５のレバー７５５６のこの域での存在を確認して駆動モータ７５５９の回転方向の逆転等を行うためのホームポジション検知手段を構成する。インクジェット記録ヘッドの前面（吐出口が開口した面）をキャップするキャップ部材７５６７は、支持部材７５６２によって支持され、さらに吸引手段７５６６を備え、キャップ内開口７５６８を介してインクジェット記録ヘッドの吸引回復を行う。本体支持板７５６４には支持板７５６５が取り付けられており、この支持板７５６５に摺動自在に支持されたクリーニングプレード７５６３は、図示しない駆動手段によって前後方向に移動される。クリーニングプレード７５６３の形態は図示するものに限られず、公知のものが適用できることはいうまでもない。レバー７５７０は、インクジェット記録ヘッドの吸引回復動作を開始するためのもので、キャリッジ７５５５と当接するカム７５７１の移動に伴って移動し、駆動モータ７５５９から駆動力がギア７５６９やラッチ切換え等の公知の伝達手段によって移動制御される。
【００７５】
これらのキャッピング、クリーニング、吸引回復の各処理は、キャリッジ７５５５がホームポジション側領域に移動したときにリードスクリュー７５５２の作用によって、それぞれの対応位置で行われるようになっている。周知のタイミングで所望の動作を行うようにすれば、本例にはいずれも適用できる。
【００７６】
以上説明したインクジェット記録装置においては、搭載したインクジェット記録ヘッドの電気熱変換体を駆動するための記録信号をインクジェット記録ヘッドに与える記録信号供給手段を有し、インクジェット記録装置の動作を司る制御部を備えている。
本実施形態のインクジェット記録装置は、上述したインクジェット記録ヘッドを搭載しているのでインクの吐出が安定し、その結果、画像品位の劣化が少ない記録装置を達成することができる。
【００７７】
【実施例】
以下に、本発明の実施の形態を複数の実施例に基づいて詳細に説明する。但し、本発明は、以下に説明する各実施例のみに限定されるものでなく、各実施例の構成の組み合わせ等、本発明の目的を達成し得るものであれば良いことは勿論である。
【００７８】
（実施例１）
以下に、図３（ａ）の断面図を用いて実施例１を説明する。
まず、シリコン基板2001を１１５０℃のスチーム熱酸化によって６時間処理し、約２μｍ程度のＳｉＯ2膜2002ａを形成した。さらに、ＣＶＤ法により約１μｍのＳｉＮ膜2002ｂを成膜した。次にＮ2ガスを用いた反応性スパッタリング法によって発熱抵抗体層2004としてＴａＮ膜を約１００ｎｍ形成した。次にスパッタリング法によって約６００ｎｍのＡｌ膜2005を形成した。次にＡｌはフォトリソ法によって配線および電極パッドを形成し、ＴａＮによりヒーター部分の形成を行った。次に、ＣＶＤ法により約１μmのＳｉＮ膜を保護層2006として形成した。
【００７９】
次にスパッタリング法によって超親水化材料であるＴｉＯ2を１００ｎｍ、次いでスパッタリング法によって蓄水性材料であるＴａ2Ｏ5を５０ｎｍ形成し、フォトリソ法によって所定の形状とすることにより、上部保護層2007と超親水化層2009を兼ねたＴｉＯ2／Ｔａ2Ｏ5層を形成した。最後にフォトリソ法によってＳｉＮ膜を部分的に除去してＡｌ電極パッド（不図示）を露出させ、インクジェットヘッド用基体を完成させた。
本実施例において、熱作用部の水との接触角は５°以下であった。
【００８０】
このようにして作製したインクジェットヘッド用基体と、各発熱抵抗体に対応した液流路及び各液流路にインクを供給するための共通液室を構成するための溝が形成されたポリサルフォンからなる天板６００４とを接合してインクジェットヘッドを作製した。
【００８１】
さらに、このインクジェットヘッドを搭載する上述したようなインクジェット記録装置を作製した。
このようにして作製したインクジェット記録装置を使用し、アゾ染料を用いた水系のインクを用いて吐出耐久試験を行ったところ、吐出パルス数が１×１０8回のとき、熱作用部にコゲはほとんど堆積していなかった。
【００８２】
（比較例１）
それに対して、比較例として、実施例１においてＴｉＯ2／Ｔａ2Ｏ5層からなる超親水化層を形成せず、熱作用部がＳｉＮ膜からなる保護層であるヘッドであって、特開平１１−４２７９８号公報に記載されるようにプロパノールとグリセリンの容積率各５０％の混合液をインク流路内に充填する処理を行うことにより熱作用部を含むインク流路内壁の表面の疎水性薄膜を破壊したヘッドでは、熱作用部の水との接触角は２０°程度であった。このヘッドを搭載したインクジェット記録装置を使用して、実施例1と同様に吐出耐久試験を行ったところ、吐出パルス数が１×１０8回のときに、熱作用部に多量のコゲが堆積していた。
【００８３】
（実施例２）
実施例１において、ＳｉＮ膜からなる保護層2006とＴｉＯ2／Ｔａ2Ｏ5層との間に上部保護層2007としてアモルファス化合金であるTa18Fe57Ni8Cr17膜を形成してインクジェットヘッド用基体を作製した。その他の構成は実施例１の構成と同一とした。
この上部保護層2007は、図８に示した装置で以下の条件でのスパッタリング法により形成した。
【００８４】
まず、実施例１と同様の工程でＳｉＮからなる保護層2006形成する工程まで行ったシリコン基板2001（図８における4004）を図８の装置の成膜室4009内の基板ホルダー4003上にセットした。次いで、排気ポンプ4007により成膜室4009内を8ラ10-6Paまで排気した。その後、アルゴンガスをガス導入口4010から成膜室4009に導入し、成膜室4009内の条件を以下のようにした。
[成膜条件]
基板温度：200℃
成膜室内ガス雰囲気温度：200℃
成膜室内混合ガス圧力：0.3Pa
次いで、TaターゲットとFe-Ni-Cr合金 (Fe74Ni8Cr18)ターゲットを用いて、各ターゲットに投入するパワーを、Taターゲットは300Wと固定し、Fe-Ni-Cr合金ターゲットのパワーを可変とした２元スパッタリング法により保護層2006上に200ｎｍの膜厚でTa18Fe57Ni8Cr17膜を形成した。
本実施例においても、熱作用部2008の水との接触角は５°以下であった。
【００８５】
（実施例３）
実施例１において、保護層2006としてのＳｉＮ膜を形成せずに、ＴｉＯ2を３００ｎｍの膜厚で形成し、次いでＴａ2Ｏ5を１００ｎｍの膜厚で形成することにより、保護層2006、上部保護層2007及び超親水化層2009を兼ねたＴｉＯ2／Ｔａ2Ｏ5層を形成してインクジェットヘッド用基体を作製した。その他の構成は実施例１の構成と同一とした。
本実施例においても、熱作用部2008の水との接触角は５°以下であった。
（実施例４）
実施例１において、ＴｉＯ2／Ｔａ2Ｏ5層を形成する代わりに、ＳｉＮ膜からなる保護層2006の表面にフッ素プラズマ処理を行ってインクジェットヘッド用基体を作製した。その他の構成については実施例１の構成と同一とした。
本実施例においても、熱作用部2008の水との接触角は５°以下であった。
【００８６】
また、本実施例において、フッ素プラズマ処理を行う代わりに、エキシマＵＶオゾン処理を行っても同様であった。
（実施例５）
実施例２において、ＴｉＯ2／Ｔａ2Ｏ5層を形成する代わりに、Ta18Fe57Ni8Cr17膜からなる上部保護層2007の表面にフッ素プラズマ処理を行ってインクジェットヘッド用基体を作製した。その他の構成については実施例１の構成と同一とした。
本実施例においても、熱作用部2008の水との接触角は５°以下であった。
また、本実施例において、フッ素プラズマ処理を行う代わりに、エキシマＵＶオゾン処理を行っても同様であった。
【００８７】
（実施例６）
図９に示すように、実施例１において、ＴｉＯ2／Ｔａ2Ｏ5層からなる超親水化層2009を熱作用部に対応する領域のみに形成してインクジェットヘッド用基体を作製した。その他の構成は実施例１の構成と同一とした。
本実施例において、超親水化層2009は、実施例１と同様に形成した後、熱作用部2008に対応する領域以外の部分をエッチングで除去することにより形成した。
【００８８】
本実施例においても、熱作用部2008の水との接触角は５°以下であった。
【００８９】
（実施例７）
図９に示すように、実施例２において、熱作用部2008に対応する領域のみにＴｉＯ2／Ｔａ2Ｏ5層からなる超親水化層2009を形成してインクジェットヘッド用基体を作製した。その他の構成は実施例２の構成と同一とした。
本実施例において、超親水化層2009は、実施例１と同様に形成した後、熱作用部2008に対応する領域以外の部分をエッチングで除去することにより形成した。
【００９０】
本実施例においても、熱作用部2008の水との接触角は５°以下であった。
（実施例８）
図９に示すように、実施例３において、熱作用部2008に対応する領域のみにＴｉＯ2／Ｔａ2Ｏ5層からなる超親水化層を形成してインクジェットヘッド用基体を作製した。その他の構成は実施例３の構成と同一とした。
本実施例において、超親水化層2009は、実施例３と同様に形成した後、熱作用部2008に対応する領域以外の部分をエッチングで除去することにより形成した。
本実施例においても、熱作用部2008の水との接触角は５°以下であった。
【００９１】
（実施例９）
実施例４において、熱作用部2008に対応する領域のみにフッ素プラズマ処理を行ってインクジェットヘッド用基体を作製した。その他の構成は実施例４の構成と同一とした。
本実施例において、フッ素プラズマ処理は、熱作用部2008に対応する領域以外の部分をマスクした後、実施例４と同様に行った。
【００９２】
本実施例においても、熱作用部2008の水との接触角は５°以下であった。
【００９３】
また、本実施例において、フッ素プラズマ処理を行う代わりに、エキシマＵＶオゾン処理を行っても同様であった。
【００９４】
（実施例１０）
実施例５において、熱作用部2008に対応する領域のみにエキシマＵＶオゾン処理を行ってインクジェットヘッド用基体を作製した。その他の構成は実施例５の構成と同一とした。
本実施例において、フッ素プラズマ処理は、熱作用部2008に対応する領域以外の部分をマスクした後、実施例５と同様に行った。
【００９５】
本実施例においても、熱作用部2008の水との接触角は５°以下であった。
また、本実施例において、フッ素プラズマ処理を行う代わりに、エキシマＵＶオゾン処理を行っても同様であった。
【００９６】
なお、実施例２〜１０についても、実施例１と同様の評価を行ったところ、実施例１と同様に良好な結果が得られた。
【００９７】
【発明の効果】
本発明によれば、インクジェット記録ヘッド用基体の熱作用部のインクに直接接触する部分を超親水化することにより、熱作用部にインクの熱分解物が堆積することを防ぐことが可能となる。
【００９８】
このことにより、インクを安定的に発泡させることが可能となり、インク吐出性能が安定するのみならず、インクジェットヘッドの寿命をのばすことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】インクジェット記録ヘッド用基体要部の一般的な構成を示す模式的断面図である。
【図２】図１のインク流路に相当する部分のＸ−Ｘ'線切断のインクジェット記録ヘッド用基体を示す模式的断面図である。
【図３】本発明のインクジェット記録ヘッド用基体を示す模式的断面図である。
【図４】（ａ）本発明のインクジェット記録ヘッド用基体を適用したインクジェット記録ヘッドの一構成例を示す模式的断面図である。（ｂ）図４（ａ）のインクジェット記録ヘッドの電気熱変換体を駆動するための駆動手段を示す模式図である。
【図５】本発明のインクジェット記録ヘッド用基体を示す模式的断面図であり、特に集積回路を組み込んだ基体を示す模式的断面図である。
【図６】本発明の一実施形態のインクジェット記録ヘッドを示す模式的斜視図である。
【図７】本発明の一実施形態のインクジェット記録ヘッドが搭載されたインクジェット記録装置を示す模式的斜視図である。
【図８】アモルファス化合金膜を成膜するためのマグネトロンスパッタリング装置の模式的断面図である。
【図９】本発明のインクジェット記録ヘッド用基体を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１００１ 吐出口
１００２ 電気熱変換素子
１００３ インク流路
１００４ 基体
１００５ 発熱抵抗体
１００６ 電極配線
１００７ 絶縁膜
１００８ 流路壁
１００９ 共通液室
２０００ インクジェット記録ヘッド用基体
２００１ シリコン基板
２００２ 蓄熱層
２００３ ヒータ部分
２００４ 発熱抵抗体層
２００５ 金属配線
２００６ 保護層
２００７ 上部保護層
２００８ 熱作用部
２００９ 超親水化層
２０１０ 耐キャビテーション層
２０１１ インク流路
２０１２ 共通液室
２４０１ シリコン基板
２４０２ Ｎ型埋込層
２４０３ Ｎ型エピタキシャル層
２４０４ Ｐ型ウエル領域
２４０５ ソース領域
２４０６ ドレイン領域
２４１１ コレクタ領域
２４１２ ベース領域
２４１３ エミッタ領域
２４１４ 蓄熱層
２４１５ ゲート配線
２４１６ 層間絶縁膜
２４１７ Ａｌ電極
２４１８ 層間絶縁膜
２４５０ Ｐ−ＭＯＳ
２４５１ Ｎ−ＭＯＳ
２４５２ ＮＰＮ型トランジスタ部
２４５３ 酸化膜分離領域
２４５５ 熱作用部
６０００ インクジェット記録ヘッド
６００１ インクジェット記録ヘッド用基体
６００４ 天板
６００７ 吐出口
６００８ インク供給口
６００９ 電極パッド
７５５１ 本体フレーム
７５５２ リードスクリュー
７５５３ 螺旋溝
７５５４ 案内レール
７５５５ キャリッジ
７５５６ レバー
７５５７ フォトカプラ
７５５８ フォトカプラ
７５５９ 駆動モータ
７５６０ 駆動力伝達ギア
７５６１ 駆動力伝達ギア
７５６２ 支持部材
７５６３ クリーニングブレード
７５６４ 本体支持板
７５６５ 支持板
７５６６ 吸引手段
７５６７ キャップ部材
７５６８ キャップ内開口
７５６９ ギア
７５７０ レバー
７５７１ カム
７５７２ 紙押え板
７５７３ プラテンローラ
７５８０ インクジェット記録ユニット
７５９０ 被記録媒体
Claims (12)
- インクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生する発熱抵抗体を有し、アゾ染料を用いた水性インクを吐出可能なインクジェット記録ヘッドに用いられるインクジェット記録ヘッド用基体であって、
前記発熱抵抗体を備えた基板と、
前記発熱抵抗体の上に、前記発熱抵抗体を覆うように絶縁材料で設けられた絶縁層と、前記絶縁層の前記発熱抵抗体で発生した熱がインクに作用する熱作用部に対応する領域に、前記熱作用部にインクを供給する流路に面するように設けられ、スパッタリング方式で光触媒作用を有するＴｉＯ２からなる材料とＴａ２Ｏ５からなる蓄水性材料とをこの順に積層し、前記ＴｉＯ２からなる材料と前記蓄水性材料とに光を照射することにより得られた、水との接触角が５°以下となっている超親水化層と、
を有することを特徴とするインクジェット記録ヘッド用基体。 - 前記熱作用部は、前記熱エネルギーにより４５０℃〜５５０℃となる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用基体。
- 前記熱作用部に対応する領域は、一対の電極間に位置する発熱抵抗体層とその近傍領域とに対応する、前記絶縁層の領域である請求項１または２に記載のインクジェット記録ヘッド用基体。
- 前記超親水化層は、耐キャビテーション性を有する請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド用基体。
- 前記絶縁層と前記超親水化層との間には、下記組成式（１）：ＴａαＦｅβＮｉγＣｒδ…（１）
（但し、１０原子％≦α≦３０原子％、且つ、α＋β＜８０原子％、且つ、α＜β、且つ、δ＞γ、且つ、α＋β＋γ＋δ＝１００原子％である。）
のアモルファス化合金層からなる上部保護層が設けら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１項に記載のインクジェット記録ヘッド用基体。 - 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のインクジェット記録へッド用基体と、
インクを吐出する吐出口と、前記流路とを形成するための溝部とを有し、前記インクジェット記録ヘッド用基体と接合することで前記流路を構成する部材と、
を有することを特徴とするインクジェット記録ヘッド。 - インクタンクと、該インクタンクからインクの供給を受ける請求項６に記載のインクジェット記録ヘッドと、を有することを特徴とするインクジェット記録ユニット。
- 請求項６に記載のインクジェット記録ヘッドと、該インクジェット記録ヘッドを駆動するための記録信号を供給するための記録信号供給手段と、を有することを特徴とするインクジェット記録装置。
- 請求項７に記載のインクジェット記録ユニットと、該インクジェット記録ユニットのインクジェット記録ヘッドを駆動するための記録信号を供給するための記録信号供給手段と、を有することを特徴とするインクジェット記録装置。
- インクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生する発熱抵抗体を有し、アゾ染料を用いた水性インクを吐出可能なインクジェット記録ヘッドに用いられるインクジェット記録ヘッド用基体の製造方法であって、
前記発熱抵抗体を備えた基板を用意する工程と、
前記発熱抵抗体の上に、前記発熱抵抗体を覆うように絶縁材料からなる絶縁層を設ける工程と、
前記絶縁層の前記発熱抵抗体で発生した熱がインクに作用する熱作用部に対応する領域に、スパッタリング方式を用いて、光触媒作用を有するＴｉＯ２からなる材料とＴａ２Ｏ５からなる蓄水性材料とをこの順に積層して超親水化層となる層を設ける工程と、
前記ＴｉＯ２からなる材料と前記蓄水性材料とに光を照射することにより、インクを供給する流路に面する面の、水との接触角が５°以下となっている、超親水化層とする照射工程と、
を有することを特徴とするインクジェット記録ヘッド用基体の製造方法。 - 前記絶縁層を設ける工程と前記超親水化層となる層を設ける工程との間に、下記組成式（１）：
ＴａαＦｅβＮｉγＣｒδ…（１）
（但し、１０原子％≦α≦３０原子％、且つ、α＋β＜８０原子％、且つ、α＜β、且つ、δ＞γ、且つ、α＋β＋γ＋δ＝１００原子％である。）
のアモルファス化合金層からなる上部保護層を設ける工程
を有することを特徴とする請求項１０に記載のインクジェット記録ヘッド用基体の製造方法。 - 請求項１０または請求項１１に記載のインクジェット記録ヘッド用基体の製造方法を用いて設けられたインクジェット記録ヘッド用基体を用意する工程と、
インクを吐出する吐出口と、前記流路とを形成するための溝部とを有し、前記インクジェット記録ヘッド用基体と接合することで前記流路を構成する部材を、前記インクジェット記録ヘッド用基体に接合する工程と、
を有することを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法。
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