JP4719978B2

JP4719978B2 - Printer, printer head and printer head manufacturing method

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Publication number: JP4719978B2
Application number: JP2001003472A
Authority: JP
Inventors: 栄樹平野
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-01-11
Filing date: 2001-01-11
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2021-01-11
Also published as: JP2002205402A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリンタ、プリンタヘッド及びプリンタヘッドの製造方法に関し、特にサーマル式によるインクジェットプリンタに適用することができる。本発明は、ヒーターと基板との間に空隙を形成することにより、またこのような空隙を形成してヒーターと基板との間の熱抵抗を変化させる機構を設けることにより、短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができ、又は消費電力を少なくすることができるようにする。
【０００２】
【従来の技術】
従来、インクジェットプリンタにおいては、プリンタヘッドよりインク液滴を飛び出させて印刷対象に付着させることにより、所望の画像等を印刷するようになされており、サーマル方式による場合には、薄膜ヒーターを用いたサーマルヘッドによりプリンタヘッドが構成されるようになされている。
【０００３】
すなわちサーマルヘッドは、所定の基板上に形成された薄膜ヒーターによりインク液室のインクを加熱し、インク成分を気化させてインク液室の圧力を増大させる。サーマルヘッドは、この圧力の増大によりインク液滴がノズルより飛び出して印刷対象に付着するようになされている。このようなサーマルヘッドは、半導体製造プロセスを利用してプリンタヘッドを製造できることにより、ノズルを高密度化して比較的簡易な構成により高解像度の印刷結果を得ることができる。
【０００４】
すなわち図１３は、このようなサーマルヘッドに適用される半導体基板について、薄膜ヒーターの部位を上方より見て示す平面図と、この平面図をＡ−Ａ線により切り取って示す断面図である。
【０００５】
ここで半導体基板１は、Ｐ型シリコン基板２にヒーター駆動用のトランジスタ等が形成された後、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）により酸化珪素ＳｉＯ₂ が５００〔ｎｍ〕程度成膜されて絶縁層３が形成される。さらに半導体基板１は、スパッタリング法により発熱素子材料であるタンタル、タンタルアルミ又は窒化チタン等が堆積された後、ドライエッチングによりパターンニングされ、これにより薄膜ヒーターＨが形成される。
【０００６】
続いて半導体基板１は、アルミニウム等の電極材料を堆積した後、ドライエッチングでパターンニングされ、これにより薄膜ヒーターＨの一端を駆動用トランジスタに接続する配線パターン４Ａ、薄膜ヒーターＨの他端を電源ライン等に接続する配線パターン４Ｂが形成される。
【０００７】
さらに半導体基板１は、プラズマＣＶＤにより窒化シリコンＳｉ₃ Ｎ₄ が堆積されて保護層５が形成され、タンタルを成膜してドライエッチングでパターンニングすることにより、バブル収縮消滅時の衝撃を緩和する耐キャビテーション層６が形成される。
【０００８】
サーマルヘッドは、ウエハの状態でこれらの処理が実行された後、スクライビング処理により半導体基板１が形成される。さらにサーマルヘッドは、各基板１の上に、インク流路、インク液室等が形成される。なおサーマルヘッドは、複数の薄膜ヒーター、インク液室、ノズルによる機構が、１つの半導体基板１の上に繰り返し形成されるようになされている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところでこのような構成に係るサーマルヘッドにおいて、インク液滴を短い時間間隔により飛び出させることができれば、その分印刷速度を速くし、解像度を向上することができる。
【００１０】
このためには膜沸騰温度である３００度以上まで薄膜ヒーターＨによりインクを素早く加熱し、薄膜ヒーターＨの駆動を開始してインク液滴を短い時間で飛び出させることが必要になる。また他方で、インク液滴が飛び出した後においては、インクを沸点温度である１００度以下まで素早く冷却し、速やかにインクをインク液室及びノズルにリフィルさせることが必要になる。
【００１１】
このような２つの条件のうち、一方の条件である薄膜ヒーターＨの駆動を開始してインク液滴を短い時間で飛び出させる条件については、薄膜ヒーターＨの発熱を効率良くインクに伝導することにより満足することができ、このためには薄膜ヒーターＨで発生した熱が基板２に逃げないようにして効率良くインクを加熱することが必要になる。
【００１２】
実際上、従来のサーマルヘッドにおいては、薄膜ヒーターＨで発生した熱量の約７０〜９０〔％〕の熱量が基板２に散逸し、インクの加熱には、残りの１０〜３０〔％〕の熱量しか有効に活用されていない。これにより薄膜ヒーターＨで発生した熱が基板２に逃げないようにすれば、インク液滴を短い時間間隔により飛び出させることができれば、その分印刷速度を速くし、解像度を向上することができると考えられる。またこのようにインク液滴を短い時間間隔により飛び出させることができないまでも、プリンタの消費電力を少なくすることができると考えられる。
【００１３】
従来のサーマルヘッドは、熱伝導性の低い酸化珪素による絶縁層３を間に挟んで、熱伝導性の良いシリコン基板２の上に、薄膜ヒーターＨが配置されていることにより、絶縁層３の膜厚を厚くして、さらには基板２及び薄膜ヒーターＨ間の膜構成を変更して、基板２への熱伝導を少なくすることができると考えられる。しかしながら薄膜ヒーターＨの保護、製造の効率等を考慮すると、このような変更は容易ではない。
【００１４】
またこのようにして基板側への熱抵抗を大きくすると、短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させるための第２の条件であるインクを速やかに冷却することが困難になる恐れもあり、極端な場合には、放熱に時間が長くなって、却ってインク液滴を短い時間で飛び出させることが困難になる。
【００１５】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができるプリンタ、プリンタヘッド及びプリンタヘッドの製造方法を提案しようとするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため請求項１の発明においては、プリンタに適用にして、プリンタヘッドのヒーターが、空隙を間に挟んで、基板上に形成されてなるようにする。
【００１７】
また請求項３の発明においては、請求項１の構成において、プリンタヘッドが、少なくとも基板とヒーターとの間の熱抵抗を変化させる制御機構を有するようにする。
【００１８】
また請求項８の発明においては、プリンタヘッドに適用して、ヒーターが、空隙を間に挟んで、基板上に形成されてなるようにする。
【００１９】
また請求項１０の発明においては、請求項８の構成において、少なくとも基板とヒーターとの間の熱抵抗を変化させることが可能な制御機構を有するようにする。
【００２０】
また請求項１５の発明においては、プリンタヘッドの製造方法に適用して、空隙を間に挟んで、ヒーターを基板上に形成する。
【００２１】
また請求項１９の発明においては、請求項１５の構成において、基板に対して、線膨張係数の大きな材料によりヒーターを形成した後、ヒーターの加熱によるヒーターの膨張によりヒーターを変形させる。
【００２２】
また請求項２１の発明においては、請求項１５の構成において、ヒーターとの間の電圧の印加による静電力により、ヒーターとの間の間隔が変化する電極を配置する。
【００２３】
請求項１の構成によれば、プリンタに適用にして、プリンタヘッドのヒーターが、空隙を間に挟んで、基板上に形成されてなることにより、直接、基板の上にヒーターを形成する場合に比して、基板への放熱を少なくすることができる。従ってその分、インクを効率良く加熱して短い時間でインクを沸騰させてインクを飛び出させることができ、これにより短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができ、又は吐出に要する電力を少なくすることができる。
【００２４】
また請求項３の構成によれば、請求項１の構成において、プリンタヘッドが、少なくとも基板とヒーターとの間の熱抵抗を変化させる制御機構を有することにより、この制御機構による熱抵抗の変化により、インクの加熱を促進し、及び又はインクの放熱を促進することができる。これによりインクの加熱及び又は放熱に要する時間をさらに短くして、短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができ、又は吐出に要する電力を少なくすることができる。
【００２５】
これにより請求項８又は請求項１０の構成によれば、短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができ、又は吐出に要する電力を少なくすることができるプリンタヘッドを提供することができる。
【００２６】
また請求項１５の構成によれば、プリンタヘッドの製造方法に適用して、空隙を間に挟んで、ヒーターを基板上に形成することにより、直接、基板の上にヒーターを形成する場合に比して、基板へ放熱を少なくすることができる。従ってその分、インクを効率良く加熱して短い時間でインクを沸騰させてインクを飛び出させることができ、これにより短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができ、又は吐出に要する電力を少なくすることができる。
【００２７】
また請求項１９の構成によれば、請求項１５の構成において、基板に対して、線膨張係数の大きな材料によりヒーターを形成した後、ヒーターの加熱によるヒーターの膨張によりヒーターを変形させることにより、簡易にヒーターを変形させて空隙を作成することができる。またこのようにして形成された空隙においては、基板の線膨張係数よりヒーターの線膨張係数が大きいことにより、ヒーターによる加熱時、空隙の間隔が大きくなり、冷却時、この大きくなった空隙の間隔が元に戻るようになる。これにより加熱により基板との間の熱抵抗を増大させて加熱を促進することができ、また冷却時、基板との間の熱抵抗を少なくして冷却を促進することができ、さらに一段と加熱に要する時間を短くし、また冷却に要する時間を短くすることができる。
【００２８】
また請求項２１の構成によれば、請求項１５の構成において、ヒーターとの間の電圧の印加による静電力により、ヒーターとの間の間隔が変化する電極を配置することにより、このヒーターと電極との間の間隔の変化により、ヒーターによる加熱を促進し、又はヒーターによる放熱を促進することができ、これによってもさらに一段と加熱に要する時間を短くし、及び又は冷却に要する時間を短くすることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、適宜図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳述する。
【００３０】
（１）第１の実施の形態
（１−１）第１の実施の形態の構成
図１は、図１３（Ｂ）との対比により示すサーマルヘッドの断面図である。この実施の形態に係るプリンタにおいては、このサーマルヘッド１１により所望の画像等を印刷する。このサーマルヘッド１１は、薄膜ヒーターＨ、この薄膜ヒーターＨを駆動する駆動回路１２等を作成してなる半導体基板１３に対して、インク流路、インク液室等を配置して構成される。
【００３１】
すなわちサーマルヘッド１１において、半導体基板１３は、図１３との対比により図２に示すように、駆動回路１２を構成するトランジスタ等がＰ型シリコン基板１４に形成された後、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）により酸化珪素ＳｉＯ₂ が５００〔ｎｍ〕程度成膜されて絶縁層１５が形成される（図２（Ａ１）及び（Ｂ１））。
【００３２】
続いて半導体基板１３は、例えばスパッタリングによりほぼ膜厚２００〔ｎｍ〕のチタン膜が成膜された後、ドライエッチングでパターンニングされ、これにより図２（Ａ２）及び（Ｂ２）に示すように、駆動用電極１６がチタンにより形成される。ここで駆動用電極１６は、インクの冷却促進を図るために所定の電圧を印加する電極であり、薄膜ヒーターＨのほぼ真下に形成される。なおこの実施の形態では、真上より見て薄膜ヒーターＨの真下を薄膜ヒーターＨが横切るように形成される。
【００３３】
続いて半導体基板１３は、ＣＶＤにより酸化珪素ＳｉＯ₂ が５００〔ｎｍ〕成膜された後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing ）で平坦化され、これにより図２（Ａ３）及び（Ｂ３）に示すように、表面が平坦化されて駆動用電極１６が露出される。
【００３４】
続いて半導体基板１３は、ＣＶＤによりポリシリコンが５００〔ｎｍ〕程度成膜された後、ドライエッチングによるパターンニングにより、図３（Ａ４）及び（Ｂ４）に示すように、犠牲層１８が形成される。ここで犠牲層１８は、この薄膜ヒーターＨが作成された後にエッチング工程により取り除かれ、薄膜ヒーターＨの下に空隙を形成する。このため犠牲層１８は、取り除かれる際に形成されている絶縁層１５、薄膜ヘッドＨ、配線パターン１９Ａ及び１９Ｂには何ら影響を与えないエッチング工程によりエッチング可能な材料により形成される（図３（Ａ５）〜（Ｂ６）参照）。さらに犠牲層１８は、薄膜ヒーターＨを作成した後に、エッチング可能なように、一部が露出するように形成される。なお具体的に、この実施の形態では、上方より見て、駆動用電極１６の延長する方向に薄膜ヒーターＨより飛び出す大きさにより形成される。この実施の形態では、この飛び出す方向が、薄膜ヒーターＨに流れる電流の方向とほぼ直交する方向となるように設定され（図３（Ａ６）及び（Ｂ６））、これにより薄膜ヒーターＨに電流を供給する配線パターン１９Ａ及び１９Ｂを形成した場合でも十分にエッチングできるようになされている。
【００３５】
すなわち半導体基板１３は、続いてスパッタリング法により発熱材料であるタンタルが１５０〔ｎｍ〕程度堆積された後、ドライエッチングによりパターンニングされ、これにより図３（Ａ５）及び（Ｂ５）に示すように、薄膜ヒーターＨが形成される。
【００３６】
また続いて半導体基板１３は、アルミニウム等の電極材料を膜厚１２００〔ｎｍ〕により堆積した後、ドライエッチングでパターンニングし、これにより図３（Ａ６）及び（Ｂ６）に示すように、薄膜ヒーターＨの一端を駆動用トランジスタに接続する配線パターン１９Ａ、薄膜ヒーターＨの他端を電源ライン等に接続する配線パターン１９Ｂが形成される。なお配線パターン１９Ａ及び１９Ｂは、上方より見て、犠牲層１８と一部が重なり合うように形成される。
【００３７】
続いて半導体基板１３は、ゼノンダイフローライトＸｅＦ₂ によるドライエッチングにより、犠牲層１８が除去され、これにより図４（Ａ７）及び（Ｂ７）に示すように、薄膜ヒーターＨの下に、配線パターン１９Ａ及び１９Ｂの延長する方向とは直交する側にそれぞれ開口を有してなる厚さ０．５〔μｍ〕による空隙２０が形成される。
【００３８】
さらに半導体基板１３は、図４（Ａ８）及び（Ｂ８）に示すように、プラズマＣＶＤにより窒化シリコンＳｉ₃ Ｎ₄ が膜厚２００〔ｎｍ〕だけ堆積されて保護層２１が形成される。さらに続いてタンタルが膜厚１５０〔ｎｍ〕だけ成膜された後、ドライエッチングでパターンニングされ、これにより図４（Ａ９）及び（Ｂ９）に示すように、耐キャビテーション層２２が形成される。
【００３９】
半導体基板１３は、続いてドライフィルムレジストによりインク液室及びインク流路の側壁を構成する部材２３が形成される（図１）。サーマルヘッド１１は、これら半導体基板１３の加工がウエハの状態により実行され、インク液室及びインク流路の側壁が形成されると、ダイサーによりカットされて個々のサーマルヘッドを構成する基板にスクライビング処理される。その後、半導体基板１３は、ニッケル電鋳処理された板状部材であり、ノズル２４が形成されてなるノズルプレート２５が熱接着により貼り付けられ、所定の保持部材であるヘッドベースに接着によりマウントされる。サーマルヘッド１１は、その後、半導体基板１３に形成されたランドがワイヤボンドにより外部基板と接続されて完成品とされる。
【００４０】
サーマルヘッド１１は、このようにして接続された外部配線基板を介して半導体基板１３に駆動回路１２の電源、印刷に供するデータ等が供給され、これにより駆動回路１２により薄膜ヒーターＨを駆動してインク液室のインクを加熱し、ノズル２４よりインク液滴２７を飛び出させることができるようになされている。
【００４１】
駆動回路１２は、このようにして半導体基板１３に薄膜ヒーターＨ等と一体に配置され、印刷に供するデータにより間欠的に薄膜ヒーターＨを駆動することにより、ノズル２４よりインク液滴を飛び出させる。
【００４２】
すなわち駆動回路１２は、図１（Ａ）に示すように、ドットを形成するタイミングでスイッチイングトランジスタによるスイッチ回路３０がオン状態に切り換わり、トランジスタにより構成される第１の電源３１の電力が薄膜ヒーターＨに供給される。これにより図５（Ａ）に示すように、このサーマルヘッド１１では、薄膜ヒーターＨの両端電位差Ｖ１が間欠的に立ち上げられて、薄膜ヒーターＨが発熱するようになされ、この発熱によりインクを加熱してインク液滴を飛び出させるようにようになされている。
【００４３】
さらに駆動回路１２は、図１（Ｂ）に示すように、このような薄膜ヒーターＨの加熱を中止するタイミングで、スイッチイングトランジスタによるスイッチ回路３２がオン状態に切り換わり、トランジスタにより構成される第２の電源３３による電圧が薄膜ヒーターＨと駆動用電極１６との間に印加される。これによりサーマルヘッド１１は、駆動用電極１６と、この駆動用電極１６に対して空隙２０を介して保持された薄膜ヒーターＨとの間に、この第２の電源３３により電位差Ｖ２（図５（Ｂ））が形成されるようになされ、この電位差Ｖ２により薄膜ヒーターＨを駆動用電極１６に引きつけて、冷却を促進するようになされている。
【００４４】
（１−２）第１の実施の形態の動作
以上の構成において、この実施の形態に係るプリンタは（図１〜図４）、半導体製造工程において、半導体基板１３に駆動回路１２を構成するトランジスタ、薄膜ヒーターＨ等が形成された後、インク液室、インク流路が形成され、その後所定のアッセンブリを経てサーマルヘッド１１が作成される。
【００４５】
この半導体基板１３の加工工程において、サーマルヘッド１１は、薄膜ヘッドＨの真下に、電極１６が形成される。さらに他の構成部材には何ら影響を与えないエッチング工程によりエッチング可能な材料により、この電極１６の上に、所定膜厚による犠牲層１８が形成され、この犠牲層１８の上に薄膜ヘッドＨが形成される。さらにその後、配線パターン１９Ａ及び１９Ｂが形成された後、犠牲層１８が除去され、これにより微細な空隙２０を介して電極１６と対向するように、薄膜ヘッドＨが配置される。また犠牲層２０が薄膜ヘッドＨより大きめに形成されて除去されることにより、この空隙２０にインクが進入するように開口が形成される。
【００４６】
このようにしてなるサーマルヘッド１１は、インク液室にインクが導入されると、毛管力によりこの空隙２０にインクが進入し、これによりインクが満たされてなる微細な空隙２０を介して電極１６と対向するように薄膜ヘッドＨが配置される。
【００４７】
この状態で、サーマルヘッド１１は、間欠的に薄膜ヒーターＨが駆動され（図５）、この薄膜ヒーターＨによるインクの加熱によりインク液室のインクが局所的に沸騰してインク液室の圧力が増大し、この圧力の増大によりノズル２４よりインクが押し出されてインク液滴として印刷対象に付着する。
【００４８】
このようにして加熱するにつき、従来構成による薄膜ヒーターＨにおいては、約５００〔ｎｍ〕程度の厚さによる絶縁膜を介して半導体基板上に形成されており（図１３）、この絶縁膜がこの絶縁膜の材料である酸化珪素の熱伝導率が約１［Ｗ／ｍＫ］であった。
【００４９】
これに対してこの実施の形態では、薄膜ヒーターＨの下には、空隙２０に満たされたインク、電極１６、基板１３が配置されることになり、インクにおいては、実験した結果では熱伝導率が約０．６［Ｗ／ｍＫ〕であった。すなわちこの実施の形態に係るサーマルヘッド１１においては、従来の熱伝導率、約１［Ｗ／ｍＫ］による絶縁膜が熱伝導率、約０．６［Ｗ／ｍＫ〕によるインクに置き変わった構造とすることができ、その分、従来に比して薄膜ヒーターＨから基板１３への熱流束を少なくして、インク液室のインクを効率良く加熱することができる。これによりサーマルヘッド１１では、従来に比して少ない電力により、かつ短い時間でインク液滴を飛び出させることができる。
【００５０】
なお、このように薄膜ヒーターＨの下にインクを導いた場合、この薄膜ヒーターＨの下側でインクが沸騰することも考えられるが、基板１３側への放熱が低下したとは言え、基板１３側へは十分な熱流束があり、これにより薄膜ヒータＨの下側のインクが沸騰する程の温度上昇については、これを十分に防止することができる。なお、このような観点より、この実施の形態のように、基板に対向するように薄膜ヒーターを配置した場合、基板と薄膜ヒーターとの間を５〔μｍ〕以下として、基板側でのインクの沸騰を防止することができる。
【００５１】
ところでこのようにしてインクを短い時間で加熱することができても、このままではインクの冷却に関して、従来と同程度の時間を要することになる。
【００５２】
このためこの実施の形態では、薄膜ヒーターＨの駆動を停止すると、薄膜ヒーターＨと電極１６との間に電圧を印加し、静電力により薄膜ヒーターＨを電極１６側に撓ませる。このようにすれば、隙間２０に満たされていたインクが押し出され、その分、薄膜ヒーターＨが、電極１６、基板１３に近づくことにより、その分基板１３側への熱抵抗が小さくなり、これによっても短い時間でインクを冷却することができる。これにより電極１６は、基板とヒーターとの間の熱抵抗を変化させる制御機構を構成する。
【００５３】
実験した結果によれは、サーマルヘッド１１において、薄膜ヒーターＨ、電極１６間に３２〔Ｖ〕の電圧を印加すると、静電力により空隙の間隔を５００〔ｎｍ〕から２００〔ｎｍ〕に狭めることができた。
【００５４】
なおこの実験においては、上述した構成に係るサーマルヘッド１１において、薄膜ヒーターＨにおける配線パターン１９Ａ及び１９Ｂの対向する部位の間隔（いわゆるヒーター間隔である）を４２〔μｍ〕に設定し、シート抵抗２８〔Ω／□〕により薄膜ヒーターＨを形成した。このとき配線パターン１９Ａ及び１９Ｂ、スイッチイングトランジスタのオン抵抗は、合計で４〔Ω〕であった。
【００５５】
このようにして構成してサーマルヘッド１１の全てのノズルからインクを安定に吐出する電圧は、薄膜ヒーターＨに電圧を印加する時間を１．５〔μｓｅｃ〕に設定した場合には、３．８２〔Ｖ〕であった。これにより薄膜ヒーターＨの駆動に要する電力は、計算により約４００〔ｍＷ〕を要することが判った。また薄膜ヒーターＨ、電極１６間に３２〔Ｖ〕の電圧を印加して空隙２０の間隔を２００〔ｎｍ〕に狭めると、３８〔μｓｅｃ〕以内で、駆動前の温度に戻った。これによりこのサーマルヘッド１１は、１．５〔μｓｅｃ〕＋３８〔μｓｅｃ〕より短い周期でドットを形成することができ、この周期を周波数に換算すると２６〔ｋＨｚ〕となった。
【００５６】
このサーマルヘッド１１との比較により図１３の構成に係るサーマルヘッド１で実験した結果によれば、全てのノズルからインクを安定に吐出する電圧は、上述のサーマルヘッド１１の場合と同一の条件である薄膜ヒーターＨに電圧を印加する時間を１．５〔μｓｅｃ〕に設定した場合には、５．２４〔Ｖ〕であった。これにより薄膜ヒーターＨの駆動に要する電力は、計算により約７５０〔ｍＷ〕を要することが判った。またノズルの液面が初期状態に戻るのには、駆動を停止して６７〔μｓｅｃ〕（１５〔ｋＨｚ〕）の期間を要した。なお、この従来構成によるサーマルヘッド１は、この実施の形態のサーマルヘッド１１と同一に、ヒーター間隔４２〔μｍ〕、シート抵抗２８〔Ω／□〕により薄膜ヒーターを構成し、また配線抵抗と、トランジスタのオン抵抗は、計４〔Ω〕であった。またインク液室の大きさ、構成材料等は、サーマルヘッド１１と同一に構成した。図６は、これらの関係をまとめた表である。
【００５７】
（１−３）第１の実施の形態の効果
以上の構成によれば、ヒーターと基板との間に空隙を形成することにより、基板への放熱を少なくして効率良くインクを加熱することができる。従ってその分、従来に比して短い時間でインクの温度を上昇させて、短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができる。従って、その分、印刷に要する時間を短くすることができ、また解像度を向上することができる。また駆動に要する電力を少なくすることができる。
【００５８】
さらにこのような空隙を形成して、ヒーターと基板との間の熱抵抗を変化させる機構を設けることにより、ヒーターによる加熱及び又は放熱を促進することができ、これによっても、短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができる。従って、その分、印刷に要する時間を短くすることができ、また解像度を向上することができる。
【００５９】
特に、このような熱抵抗を変化させる機構を、所定の駆動用電圧の印加による静電力によりヒーターとの間の間隔が変化する電極の配置により構成することにより、簡易な構成で、短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができる。
【００６０】
（２）第２の実施の形態
この実施の形態においては、第１の実施の形態に係るサーマルヘッドにおいて、電極１６を省略し、またこの省略により第２の電源３３による薄膜ヒーターＨの駆動を中止する。
【００６１】
このように電極１６により薄膜ヒーターＨを引き寄せる機構を省略すれば、その分、第１の実施の形態に比して、冷却に要する時間は長くなることになり、インク液滴を安定に飛び出させる時間間隔は長くなることになる。しかしながら、このようにしても、薄膜ヒーターＨの下に形成された空隙２０により、従来に比してインクを短い時間で加熱することができ、その分駆動に要する電力を少なくすることができる。
【００６２】
ここでは、第１の実施の形態に係るサーマルヘッド１１を用いて、電極１６の駆動を中止して実験した。この場合、第１の実施の形態と同一の加熱の条件により、加熱に関しては、第１の実施の形態と同一の結果を得ることができた。また、冷却に関しては、薄膜ヒーターＨの駆動前の状態に戻るのに８３〔μｓｅｃ〕（１２〔ｋＨｚ〕）を要した。
【００６３】
この第２の実施の形態によれば、空隙の下に電極を配置しなくても、従来に比して少ない電力によりインク液滴を飛び出させることができる。また空隙の下に電極を配置しなくても良いことにより、第１の実施の形態に比して、サーマルヘッドの工程を簡略化することができる。
【００６４】
（３）第３の実施の形態
（３−１）第３の実施の形態の構成
図７は、図１３との対比により示すサーマルヘッドの断面図である。この実施の形態に係るプリンタにおいては、このサーマルヘッド４１により所望の画像等を印刷する。このサーマルヘッド４１は、薄膜ヒーターＨ、この薄膜ヒーターＨを駆動する駆動回路等を作成してなる半導体基板４３に対して、インク流路、インク液室等を配置して構成される。
【００６５】
すなわちサーマルヘッド１１において、半導体基板１３は、図１３との対比により図２に示すように、駆動回路を構成するトランジスタ等がＰ型シリコン基板４４に形成された後、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）により酸化珪素ＳｉＯ₂ が５００〔ｎｍ〕程度成膜されて絶縁層４５が形成される（図８（Ａ１）及び（Ｂ１））。
【００６６】
続いて半導体基板４３は、図８（Ａ２）及び（Ｂ２）に示すように、スピンコートにより有機材料である感光性ポリイミド（住友ベークライト社製、ＣＲＣ−８３００）を膜厚２００〔ｎｍ〕より付着した後、選択的に露光現像して剥離層４６を形成する。ここで剥離層４６は、薄膜ヒーターＨの加熱により薄膜ヒーターＨの基板からの剥離を促す層であり、この上に形成される薄膜ヒーターＨとの間で、密着強度の小さな材料が選定される。さらに剥離層４６は、図８（Ａ３）及び（Ｂ３）に示すように、上方より見て長方形形状により形成され、続く工程で作成される薄膜ヒーターＨより所定方向にはみ出すように作成される。なおこの実施の形態では、薄膜ヒーターＨにおいて電流が流れる向きと直交する側の長辺が薄膜ヒーターＨより飛び出すように形成される。
【００６７】
続いて半導体基板４３は、続いてスパッタリング法により、基板４３に比して線膨張率の大きな発熱材料である白金が１５０〔ｎｍ〕程度堆積された後、王水によるウエットエッチングによりパターンニングされ、これにより図８（Ａ３）及び（Ｂ３）に示すように、薄膜ヒーターＨが形成される。
【００６８】
また続いて半導体基板４３は、アルミニウム等の電極材料を膜厚１２００〔ｎｍ〕により堆積した後、ドライエッチングでパターンニングし、これにより図９（Ａ４）及び（Ｂ４）に示すように、薄膜ヒーターＨの一端を駆動用トランジスタに接続する配線パターン４９Ａ、薄膜ヒーターＨの他端を電源ライン等に接続する配線パターン４９Ｂが形成される。ここで配線パターン４９Ａ及び４９Ｂは、薄膜ヒーターＨが剥離層４６と重なり合う部位で、薄膜ヒーターＨの熱による膨張をそれぞれ制限できるように、剥離層４６と一部が重なり合うように形成される。
【００６９】
続いて半導体基板４３は、ウエハ上のパッドに外部プローブから電圧が印加され、薄膜ヒーターＨの駆動により薄膜ヒーターＨが加熱される。ここで薄膜ヒーターＨの材料である白金においては、半導体基板４３より線膨張率が大きいことにより、また薄膜ヒーターＨの熱による膨張を制限できるように配線パターン１９Ａ及び１９Ｂが配置され、さらに剥離層４６が薄膜ヒーターＨの剥離を促すことにより、半導体基板４３においては、この工程における薄膜ヒーターＨの加熱により、薄膜ヒーターＨが剥離層４６より剥離して、ほぼ中央が基板４４とは逆側にドーム状に盛り上がり、塑性変形により加熱を中止した後においても、このドーム状に盛り上がった形状を維持する。
【００７０】
なお半導体基板４３は、このように薄膜ヒーターＨが所定の大きさによりドーム状に盛り上がった形状となるように、薄膜ヒーターＨの駆動の条件が設定されるようになされている。かくするにつき、このようにほぼ中央がドーム状に盛り上がった状態で、薄膜ヒーターＨの盛り上がった周囲では、剥離層４６に薄膜ヒーターＨが密着しており、これによりこの薄膜ヒーターＨの盛り上がった内側には、加熱により発生したガス等が充満していると考えられる。
【００７１】
さらに半導体基板４３は、図１０（Ａ６）及び（Ｂ６）に示すように、プラズマＣＶＤにより窒化シリコンＳｉ₃ Ｎ₄ が膜厚２００〔ｎｍ〕だけ堆積されて保護層５１が形成される。さらに続いてタンタルが膜厚１５０〔ｎｍ〕だけ成膜された後、ドライエッチングでパターンニングされ、これにより図１０（Ａ７）及び（Ｂ７）に示すように、耐キャビテーション層５２が形成される。
【００７２】
半導体基板４３は、続いて第１の実施の形態と同様の工程によりインク液室、インク流路等が形成されて完成品とされる（図１）。また通常のサーマルヘッドと同様の間欠的な薄膜ヒーターＨの駆動により、印刷に使用される。
【００７３】
（３−２）第３の実施の形態の動作
以上の構成において、この実施の形態に係るプリンタは（図７）、半導体製造工程において、半導体基板４３に駆動回路を構成するトランジスタ、薄膜ヒーターＨ等が形成された後、インク液室、インク流路が形成され、その後所定のアッセンブリを経てサーマルヘッド４１が作成される。
【００７４】
この半導体製造工程において、サーマルヘッド４１は、薄膜ヘッドＨに対して密着力の弱い剥離層４６が基板４３上に形成された後、この剥離層４６の上に、基板４４より線膨張係数の大きな材料による薄膜ヘッドＨが形成され、その後、配線パターン４９Ａ及び４９Ｂが薄膜ヘッドＨの両端に形成される。さらに薄膜ヒーターＨに電圧を印加して薄膜ヒーターＨが加熱される。ここで基板４４より線膨張係数の大きな材料により薄膜ヒーターＨが形成されていることにより、このように薄膜ヒーターＨを加熱すると、薄膜ヒーターＨにおいては、基板４３より大きく膨張することになる。しかしながら薄膜ヒーターＨにおいては、両端が配線パターン４９Ａ及び４９Ｂに接続され、この配線パターン４９Ａ及び４９Ｂにより基板４３に沿った方向の膨張が抑圧されることになり、その結果として基板４３とは逆側に変形することになる。また基板４３との間に、密着力の弱い剥離層４６が配置されていることにより、このような基板４３とは逆側への変形が促進されることになる。これによりサーマルヘッド４１は、薄膜ヒーターＨのほぼ中央の部位がドーム状に飛び出した形状に変形し、このドームの中に空隙が形成される。
【００７５】
このようにしてなるサーマルヘッド４１は、間欠的に薄膜ヒーターＨが駆動され、この薄膜ヒーターＨによるインクの加熱によりインク液室のインクが局所的に沸騰してインク液室の圧力が増大し、この圧力の増大によりノズルよりインクが押し出されてインク液滴として印刷対象に付着する。
【００７６】
このようにして加熱するにつき、このサーマルヘッド４１においては、内側が空洞の空隙を間に挟んで、基板４３上に薄膜ヒーターＨが配置された構造であり、この空隙が真空とした場合、真空の熱伝導率は、０［Ｗ／ｍＫ］となり、局所的に、極めて大きな断熱材を間に挟んでヒーターを配置したことになる。またこの空隙が空気により満たされているとすると、空気の熱伝導率は、約０．０２［Ｗ／ｍＫ］であることにより、この場合も、局所的に、極めて大きな断熱材を間に挟んでヒーターを配置したことになる。なお、空隙の内部は、実際上、ヒーターＨの加熱時に発生するガス等で充満されていると考えられるが、この場合も、局所的に、極めて大きな断熱材を間に挟んでヒーターを配置したことになる。
【００７７】
これにより総合的に見た基板とヒーターとの間の熱抵抗については、第１の実施の形態に係るサーマルヘッド１１の場合と同程度に設定することができ、これにより従来に比して短い時間によりインクを加熱して、インク液滴を短い時間間隔により飛び出させることができる。
【００７８】
さらにこのサーマルヘッド４１は、薄膜ヒーターＨが基板４３に比して線膨張係数の大きさ材料により形成されていることにより、インク加熱時においても、製造工程で空隙を形成する場合と同様に、薄膜ヒーターＨが変形することになる。この場合、サーマルヘッド４１においては、薄膜ヒーターＨを駆動して薄膜ヒーターＨが温度上昇すると、空隙が大きくなるように変形することになり（図７（Ａ）及び（Ｂ））、これにより基板とヒーターとの間の熱抵抗が増大することになる。これにより加熱を開始すると、加熱を促進するように基板とヒーターとの間の熱抵抗が変化することになる。
【００７９】
またこれとは逆に、ヒーターの加熱を停止してヒーターの温度が低下すると、空隙の体積が元に戻るようにヒーターが変形し、これによりヒーターと基板との間の熱抵抗が小さくなり、ヒーターの冷却が促進される（図７（Ｃ））。すなわちヒーターの加熱を中止するとヒーターの冷却、ひいてはインクの冷却を促進するように、基板とヒーターとの間の熱抵抗が変化することになる。
【００８０】
これによりこの実施の形態では、ヒーター材料の選定と空隙の形成とにより、基板とヒーターとの間の熱抵抗を変化させて、加熱及び冷却を促進する制御機構が構成されるようになされている。
【００８１】
図１１は、このサーマルヘッド４１における加熱時の熱分布を示す特性曲線図である。この熱分布は、駆動によりインクが最も加熱された時点のものである。この特性曲線によれば、周囲に比してヒーターが最も高い温度に保持されていることにより、このようなヒーターの駆動、駆動の中止によりヒーターが変形し、空隙の体積が変化することを見てとることができる。
【００８２】
これによりサーマルヘッドでは、簡易な構成により、従来に比してさらに一段と短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができる。
【００８３】
なお第１の実施の形態と同一の条件によりサーマルヘッドを構成して実験した結果によれば、このプリンタヘッドの全てのノズルからインクが安定に吐出する電圧は、１．５〔μｓｅｃ〕の駆動時間による場合には２．８６〔Ｖ〕であり、これによりヒーターによる電力消費は、２５０〔ｍＷ〕であることが判った。またヒーターの駆動を中止した後、２９〔μｓｅｃ〕（３５〔ｋＨｚ〕）以内で、駆動前の温度分布にほぼ復帰することが判った。
【００８４】
（３−３）第３の実施の形態の効果
以上の構成によれば、基板より遠ざかるように、ヒーターを変形させて空隙を形成するようにしても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００８５】
また基板に対して、線膨張係数が大きな材料によりヒーターを形成したことにより、このヒーターによる加熱により空隙の大きさが増大してヒーターによる加熱を促進し、ヒーターの冷却により該増大した空隙の大きさが減少してヒーターによる冷却を促進することができる。従って、簡易な構成によりインクの加熱冷却を促進することができ、これによってもさらに一段と短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができ、また消費電力を少なくすることができる。
【００８６】
また基板とヒーターとの間に、ヒーターの変形を促進する膜材料である剥離層を形成したことにより、簡易にヒーターを変形させることができる。
【００８７】
（４）第４の実施の形態
この実施の形態に係るサーマルヘッド６１は、図１２に示すように、第３の実施の形態に係るサーマルヘッド４１の構成より、保護層５１、耐キャビテーション層５２を省略した構成とされる。またノズルプレート６２の厚さを薄くして厚さ１０〔μｍ〕に設定することにより、ノズルの長さを１０〔μｍ〕に設定し、インク液滴を飛び出させる際に、インク液室で発生した気泡がノズルより飛び出すようにし、これによりインク液室内では気泡の収縮及び消滅に伴うキャビテーションが起こらないようにした。
【００８８】
この場合、保護層が無いことにより、第３の実施の形態に係るサーマルヘッド４１に比してインクヘの熱抵抗が低下し、その分、駆動時間を１．５〔μｓｅｃ〕に設定した場合、全てのノズルからインクが安定に吐出する電圧を２．２１〔Ｖ〕にまで低下させることができた。なおこの場合、ヒーターの消費電力は、１５０〔ｍＷ〕である。またヒーターの駆動を中止すると、２５〔μｓｅｃ〕（４０〔ｋＨｚ〕）以内で駆動前の状態に戻ることを確認することができた。
【００８９】
なおこの場合、薄膜ヒーターが直接インクと接することになるが、薄膜ヒーターが安定性の高い白金により構成されていることにより、インク中央処理ユニットの電解質による薄膜ヒータの腐食を防止し、またインク液室内でのキャビテーションの発生を防止したことにより、第３の実施の形態と同程度の信頼性を確保することができた。
【００９０】
この実施の形態によれば、第３の実施の形態の構成に加えて、保護層、耐キャビテーション層を省略したことにより、インクへの熱抵抗を小さくすることができ、その分、簡易な構成で、さらに一段と短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができ、また消費電力を少なくすることができる。
【００９１】
また薄膜ヒーターＨの上に保護層、耐キャビテーション層を配置した場合、多層構造による膜が湾曲することになり、層間破壊が起こる恐れがあるが、この実施の形態のように保護層、耐キャビテーション層を省略した構成とすれば、このような層間破壊についても防止することができ、その分、高い信頼性を確保することができる。
【００９２】
（５）他の実施の形態
なお上述の第１及び第２の実施の形態においては、所定の部材の選択的なエッチングにより空隙を形成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば特開平１１−２７１１２３号公報に開示されている異方性エッチングにより空隙を形成する場合等、種々のマイクロマシーニング技術を適用して空隙を形成することができる。
【００９３】
また上述の第３及び第４の実施の形態においては、ヒーターの加熱によりヒーターを変形させて空隙を形成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば吸引等、種々の機械加工手段を利用してヒーターを変形させて空隙を形成することができる。
【００９４】
また上述の第１及び第２の実施の形態においては、基板側に形成した電極とヒーターとの静電力によりヒーターを基板に引き寄せて冷却を促進する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、別途電極を配置して、基板より遠ざかるように静電力によりヒーターを引き寄せる機構、電極側をヒーターに近づけて放熱を促進する機構等、この種の電極を種々に配置し、構成することが考えられる。
【００９５】
また上述の実施の形態においては、それぞれ静電力、熱により空隙の大きさを変化させる場合について述べたが、本発明はこれに限らず、これらを組み合わせるようにしてもよい。
【００９６】
また上述の実施の形態においては、静電力、熱により空隙の大きさを変化させる場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば圧電素子による部材の駆動により熱抵抗を変化させて加熱及び又は冷却を促進するようにしてもよい。
【００９７】
【発明の効果】
上述のように本発明によれば、ヒーターと基板との間に空隙を形成することにより、またこのような空隙を形成してヒーターと基板との間の熱抵抗を変化させる機構を設けることにより、短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができ、又は消費電力を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るプリンタに適用されるサーマルヘッドを示す略線図である。
【図２】図１のサーマルヘッドの製造工程の説明に供する平面図及び断面図である。
【図３】図２の続きを示す平面図及び断面図である。
【図４】図３の続きを示す平面図及び断面図である。
【図５】図１の駆動回路の動作の説明に供する信号波形図である。
【図６】図１のサーマルヘッドの特性を従来のサーマルヘッドとの対比により示す図表である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係るプリンタに適用されるサーマルヘッドを示す略線図である。
【図８】図７のサーマルヘッドの製造工程の説明に供する平面図及び断面図である。
【図９】図８の続きを示す平面図及び断面図である。
【図１０】図９の続きを示す平面図及び断面図である。
【図１１】図７のサーマルヘッドの温度分布を示す特性曲線図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態に係るプリンタに適用されるサーマルヘッドを示す略線図である。
【図１３】従来のサーマルヘッドを示す平面図及び断面図である。
【符号の説明】
１、１３、４３……半導体基板、１１、４１、６１……サーマルヘッド、３、１５、４５……絶縁層、５、２１……保護層、６、２２、５２……耐キャビテーション層、１２……駆動回路、１８……犠牲層、４６……剥離層、Ｈ……薄膜ヒーター[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a printer, a printer head, and a printer head manufacturing method, and is particularly applicable to a thermal ink jet printer. In the present invention, by forming a gap between the heater and the substrate, and by providing a mechanism for changing the thermal resistance between the heater and the substrate by forming such a gap, the ink can be formed at a short time interval. A droplet can be ejected or power consumption can be reduced.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in an inkjet printer, a desired image or the like is printed by ejecting ink droplets from a printer head and attaching them to a print target. In the case of a thermal method, a thin film heater is used. A printer head is constituted by a thermal head.
[0003]
That is, the thermal head heats the ink in the ink liquid chamber by a thin film heater formed on a predetermined substrate, vaporizes the ink component, and increases the pressure in the ink liquid chamber. The thermal head is configured such that ink droplets are ejected from the nozzles and adhere to the print target due to the increase in pressure. Since such a thermal head can manufacture a printer head using a semiconductor manufacturing process, it is possible to obtain a high-resolution printing result with a relatively simple configuration by increasing the nozzle density.
[0004]
That is, FIG. 13 is a plan view of a semiconductor substrate applied to such a thermal head as viewed from above the thin film heater, and a cross-sectional view taken along line AA.
[0005]
Here, the semiconductor substrate 1 is formed of silicon oxide SiO 2 by CVD (Chemical Vapor Deposition) after a transistor for driving the heater is formed on the P-type silicon substrate 2. ₂ Is formed to a thickness of about 500 [nm], and the insulating layer 3 is formed. Furthermore, the semiconductor substrate 1 is patterned by dry etching after depositing tantalum, tantalum aluminum, titanium nitride, or the like, which is a heat generating element material, by sputtering, whereby a thin film heater H is formed.
[0006]
Subsequently, after depositing an electrode material such as aluminum, the semiconductor substrate 1 is patterned by dry etching, whereby a wiring pattern 4A for connecting one end of the thin film heater H to the driving transistor and the other end of the thin film heater H as a power source. A wiring pattern 4B connected to a line or the like is formed.
[0007]
Further, the semiconductor substrate 1 is made of silicon nitride Si by plasma CVD. _Three N _Four Is deposited to form a tantalum film, and patterning is performed by dry etching, thereby forming a cavitation-resistant layer 6 that alleviates the impact when the bubble contraction disappears.
[0008]
In the thermal head, after these processes are performed in a wafer state, the semiconductor substrate 1 is formed by a scribing process. Further, the thermal head has an ink flow path, an ink liquid chamber, and the like formed on each substrate 1. The thermal head is configured such that a mechanism using a plurality of thin film heaters, ink liquid chambers, and nozzles is repeatedly formed on one semiconductor substrate 1.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the thermal head having such a configuration, if ink droplets can be ejected at a short time interval, the printing speed can be increased and the resolution can be improved accordingly.
[0010]
For this purpose, it is necessary to quickly heat the ink by the thin film heater H to a film boiling temperature of 300 ° C. or more and start driving the thin film heater H to eject ink droplets in a short time. On the other hand, after the ink droplets are ejected, it is necessary to quickly cool the ink to a boiling point temperature of 100 ° C. or less and quickly refill the ink into the ink liquid chambers and nozzles.
[0011]
Of these two conditions, one of the conditions is that the driving of the thin film heater H is started and the ink droplets are ejected in a short time by efficiently conducting the heat generated by the thin film heater H to the ink. For this purpose, it is necessary to efficiently heat the ink so that the heat generated by the thin film heater H does not escape to the substrate 2.
[0012]
In fact, in the conventional thermal head, about 70 to 90% of the heat generated by the thin film heater H is dissipated to the substrate 2, and the remaining 10 to 30% of the heat is used for heating the ink. However, it is only used effectively. As a result, if the heat generated by the thin film heater H is prevented from escaping to the substrate 2, if the ink droplets can be ejected at a short time interval, the printing speed can be increased and the resolution can be improved accordingly. Conceivable. Further, it is considered that the power consumption of the printer can be reduced until the ink droplets cannot be ejected at a short time interval.
[0013]
In the conventional thermal head, a thin film heater H is disposed on a silicon substrate 2 having good thermal conductivity with an insulating layer 3 made of silicon oxide having low thermal conductivity interposed therebetween. It is considered that the heat conduction to the substrate 2 can be reduced by increasing the film thickness and further changing the film configuration between the substrate 2 and the thin film heater H. However, considering the protection of the thin film heater H, the manufacturing efficiency, etc., such a change is not easy.
[0014]
Further, when the thermal resistance to the substrate side is increased in this way, it may be difficult to quickly cool the ink, which is the second condition for ejecting ink droplets at short time intervals. In this case, it takes a long time to release heat, and it becomes difficult to eject ink droplets in a short time.
[0015]
The present invention has been made in consideration of the above points, and an object of the present invention is to propose a printer, a printer head, and a printer head manufacturing method that can eject ink droplets at short time intervals.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such a problem, the invention of claim 1 is applied to a printer, and the heater of the printer head is formed on the substrate with a gap in between.
[0017]
According to a third aspect of the present invention, in the configuration of the first aspect, the printer head has a control mechanism that changes at least the thermal resistance between the substrate and the heater.
[0018]
In the invention according to claim 8, the present invention is applied to a printer head so that a heater is formed on a substrate with a gap therebetween.
[0019]
According to a tenth aspect of the present invention, in the configuration of the eighth aspect, a control mechanism capable of changing at least the thermal resistance between the substrate and the heater is provided.
[0020]
According to the fifteenth aspect of the present invention, the heater is formed on the substrate with the gap interposed therebetween, as applied to the printer head manufacturing method.
[0021]
In the nineteenth aspect of the invention, in the configuration of the fifteenth aspect, after the heater is formed on the substrate with a material having a large linear expansion coefficient, the heater is deformed by the expansion of the heater by the heating of the heater.
[0022]
In the twenty-first aspect of the invention, in the configuration of the fifteenth aspect, an electrode is provided in which an interval between the heater and the heater changes due to an electrostatic force generated by applying a voltage to the heater.
[0023]
According to the configuration of the first aspect, when the heater of the printer head is directly formed on the substrate by being applied to the printer, the heater of the printer head is formed on the substrate with the gap interposed therebetween. In comparison, heat radiation to the substrate can be reduced. Therefore, it is possible to heat the ink efficiently and boil the ink in a short time to eject the ink, thereby ejecting the ink droplets at a short time interval or reducing the power required for ejection. can do.
[0024]
According to the configuration of claim 3, in the configuration of claim 1, the printer head has a control mechanism that changes at least the thermal resistance between the substrate and the heater. Ink heating can be promoted and / or heat dissipation of the ink can be facilitated. As a result, the time required for heating and / or heat dissipation of the ink can be further shortened, and ink droplets can be ejected at short time intervals, or the power required for ejection can be reduced.
[0025]
Thus, according to the configuration of the eighth or tenth aspect, it is possible to provide a printer head capable of ejecting ink droplets at short time intervals or reducing the power required for ejection.
[0026]
Further, according to the configuration of the fifteenth aspect, the present invention is applied to a method for manufacturing a printer head, and the heater is formed on the substrate with the gap interposed therebetween, so that the heater is directly formed on the substrate. Thus, heat radiation to the substrate can be reduced. Therefore, it is possible to heat the ink efficiently and boil the ink in a short time to eject the ink, thereby ejecting the ink droplets at a short time interval or reducing the power required for ejection. can do.
[0027]
Further, according to the configuration of claim 19, in the configuration of claim 15, after forming the heater with a material having a large linear expansion coefficient on the substrate, the heater is deformed by expansion of the heater by heating of the heater, The air gap can be created by simply deforming the heater. Further, in the gap formed in this way, the linear expansion coefficient of the heater is larger than the linear expansion coefficient of the substrate, so that the gap interval becomes larger when heated by the heater, and the larger gap interval becomes smaller during cooling. Will come back. As a result, heating can increase the thermal resistance between the substrate and the heating, and at the time of cooling, the thermal resistance between the substrate and the substrate can be reduced to promote the cooling. The time required can be shortened, and the time required for cooling can be shortened.
[0028]
According to the structure of claim 21, in the structure of claim 15, the heater and the electrode are arranged by disposing an electrode in which the distance between the heater and the heater changes due to the electrostatic force applied by the voltage between the heater and the heater. By changing the interval between the two, the heating by the heater can be promoted or the heat radiation by the heater can be promoted. This also further shortens the time required for heating and / or shortens the time required for cooling. Can do.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
[0030]
(1) First embodiment
(1-1) Configuration of the first embodiment
FIG. 1 is a cross-sectional view of a thermal head shown in comparison with FIG. In the printer according to this embodiment, a desired image or the like is printed by the thermal head 11. The thermal head 11 is configured by arranging an ink flow path, an ink liquid chamber, and the like on a semiconductor substrate 13 formed with a thin film heater H and a drive circuit 12 for driving the thin film heater H.
[0031]
That is, in the thermal head 11, the semiconductor substrate 13 is formed on the P-type silicon substrate 14 after the transistors constituting the driving circuit 12 are formed on the P-type silicon substrate 14 as shown in FIG. 2 in comparison with FIG. 13, and then CVD (Chemical Vapor Deposition). Silicon oxide SiO ₂ Is formed to a thickness of about 500 [nm] to form the insulating layer 15 (FIGS. 2A1 and 2B1).
[0032]
Subsequently, the semiconductor substrate 13 is formed by, for example, sputtering to form a titanium film having a film thickness of approximately 200 [nm], followed by patterning by dry etching, and as shown in FIGS. 2A2 and 2B2, The driving electrode 16 is made of titanium. Here, the driving electrode 16 is an electrode to which a predetermined voltage is applied in order to promote cooling of the ink, and is formed almost directly below the thin film heater H. In this embodiment, the thin film heater H is formed so as to cross directly below the thin film heater H when viewed from directly above.
[0033]
Subsequently, the semiconductor substrate 13 is silicon oxide SiO by CVD. ₂ After the film thickness of 500 nm is formed, the surface is flattened by CMP (Chemical Mechanical Polishing). As a result, as shown in FIGS. 2A3 and 2B3, the surface is flattened and the driving electrode 16 is exposed. Is done.
[0034]
Subsequently, on the semiconductor substrate 13, a polysilicon layer is formed to a thickness of about 500 [nm] by CVD, and then a sacrificial layer 18 is formed by patterning by dry etching, as shown in FIGS. 3A4 and 3B4. The Here, the sacrificial layer 18 is removed by an etching process after the thin film heater H is formed, and a void is formed under the thin film heater H. Therefore, the sacrificial layer 18 is formed of a material that can be etched by an etching process that does not affect the insulating layer 15, the thin film head H, and the wiring patterns 19A and 19B that are formed when the sacrificial layer 18 is removed (FIG. 3 ( A5) to (B6)). Further, the sacrificial layer 18 is formed so that a part of the sacrificial layer 18 is exposed so that etching can be performed after the thin film heater H is formed. More specifically, in this embodiment, it is formed with a size that protrudes from the thin film heater H in the direction in which the driving electrode 16 extends as viewed from above. In this embodiment, the jumping direction is set so as to be substantially orthogonal to the direction of the current flowing through the thin film heater H (FIGS. 3A6 and B6). Even when the wiring patterns 19A and 19B to be supplied are formed, the etching can be sufficiently performed.
[0035]
That is, the semiconductor substrate 13 is subsequently patterned by dry etching after depositing about 150 [nm] of tantalum, which is a heat generating material, by sputtering, and as shown in FIGS. 3 (A5) and (B5), A thin film heater H is formed.
[0036]
Subsequently, after depositing an electrode material such as aluminum with a film thickness of 1200 [nm], the semiconductor substrate 13 is patterned by dry etching, and as shown in FIGS. 3A6 and 3B6, a thin film heater is formed. A wiring pattern 19A for connecting one end of H to the driving transistor and a wiring pattern 19B for connecting the other end of the thin film heater H to a power supply line or the like are formed. The wiring patterns 19A and 19B are formed so as to partially overlap the sacrificial layer 18 when viewed from above.
[0037]
Subsequently, the semiconductor substrate 13 is made of Xenon die flow light XeF. ₂ By this dry etching, the sacrificial layer 18 is removed, and as shown in FIGS. 4 (A7) and (B7), below the thin film heater H, on the side orthogonal to the direction in which the wiring patterns 19A and 19B extend. A gap 20 having a thickness of 0.5 [μm], each having an opening, is formed.
[0038]
Further, as shown in FIGS. 4A8 and 4B8, the semiconductor substrate 13 is formed of silicon nitride Si by plasma CVD. _Three N _Four Is deposited by a thickness of 200 nm to form the protective layer 21. Subsequently, after a tantalum film having a film thickness of 150 [nm] is formed, it is patterned by dry etching, thereby forming an anti-cavitation layer 22 as shown in FIGS. 4A9 and 4B9.
[0039]
The semiconductor substrate 13 is then formed with a member 23 constituting the ink liquid chamber and the side walls of the ink flow path by the dry film resist (FIG. 1). When the processing of the semiconductor substrate 13 is executed according to the state of the wafer and the side walls of the ink liquid chamber and the ink flow path are formed, the thermal head 11 is scribed on the substrate constituting each thermal head by being cut by a dicer. Is done. Thereafter, the semiconductor substrate 13 is a nickel electroformed plate-like member, and a nozzle plate 25 formed with nozzles 24 is attached by thermal bonding and mounted on a head base that is a predetermined holding member by adhesion. The Thereafter, the land formed on the semiconductor substrate 13 is connected to an external substrate by wire bonding to complete the thermal head 11.
[0040]
The thermal head 11 is supplied with power for the drive circuit 12, data for printing, etc., to the semiconductor substrate 13 via the external wiring board connected in this way, thereby driving the thin film heater H by the drive circuit 12. The ink in the ink chamber is heated so that the ink droplet 27 can be ejected from the nozzle 24.
[0041]
The drive circuit 12 is arranged integrally with the thin film heater H or the like on the semiconductor substrate 13 in this way, and intermittently drives the thin film heater H by data used for printing, thereby ejecting ink droplets from the nozzles 24.
[0042]
That is, as shown in FIG. 1A, in the drive circuit 12, the switch circuit 30 by the switching transistor is turned on at the timing of forming the dot, and the power of the first power supply 31 configured by the transistor is thin. It is supplied to the heater H. As a result, as shown in FIG. 5A, in this thermal head 11, the potential difference V1 between the both ends of the thin film heater H is intermittently raised so that the thin film heater H generates heat, and the heat is used to heat the ink. Thus, ink droplets are ejected.
[0043]
Further, as shown in FIG. 1B, in the drive circuit 12, the switch circuit 32 by the switching transistor is turned on at the timing when the heating of the thin film heater H is stopped, and the drive circuit 12 is configured by the transistor. 2 is applied between the thin film heater H and the driving electrode 16. As a result, the thermal head 11 causes the potential difference V2 (see FIG. 5 (FIG. 5)) between the driving electrode 16 and the thin film heater H held by the driving electrode 16 via the gap 20. B)) is formed, and this potential difference V2 attracts the thin film heater H to the driving electrode 16 to promote cooling.
[0044]
(1-2) Operation of the first embodiment
In the configuration described above, the printer according to this embodiment (FIGS. 1 to 4) is configured so that, in the semiconductor manufacturing process, after the transistors constituting the drive circuit 12 and the thin film heater H are formed on the semiconductor substrate 13, the ink liquid The chamber and the ink flow path are formed, and then the thermal head 11 is formed through a predetermined assembly.
[0045]
In the process of processing the semiconductor substrate 13, the thermal head 11 is formed with an electrode 16 immediately below the thin film head H. Further, a sacrificial layer 18 having a predetermined thickness is formed on the electrode 16 by a material that can be etched by an etching process that does not affect other constituent members, and the thin film head H is formed on the sacrificial layer 18. It is formed. Thereafter, after the wiring patterns 19A and 19B are formed, the sacrificial layer 18 is removed, and thereby the thin film head H is disposed so as to face the electrode 16 through the minute gap 20. Further, when the sacrificial layer 20 is formed larger than the thin film head H and removed, an opening is formed so that the ink enters the gap 20.
[0046]
In the thermal head 11 thus configured, when ink is introduced into the ink liquid chamber, the ink enters the gap 20 by capillary force, and thereby the electrode 16 passes through the fine gap 20 filled with ink. The thin film head H is disposed so as to face the.
[0047]
In this state, the thin film heater H is intermittently driven in the thermal head 11 (FIG. 5), and the ink in the ink liquid chamber is locally boiled by heating the ink by the thin film heater H, so that the pressure in the ink liquid chamber is increased. As the pressure increases, the ink is pushed out from the nozzles 24 and adheres to the print target as ink droplets.
[0048]
When heating is performed in this manner, the thin film heater H according to the conventional configuration is formed on the semiconductor substrate through an insulating film having a thickness of about 500 [nm] (FIG. 13). The thermal conductivity of silicon oxide, which is the material of the insulating film, was about 1 [W / mK].
[0049]
On the other hand, in this embodiment, the ink filled in the gap 20, the electrode 16, and the substrate 13 are arranged under the thin film heater H. In the case of the ink, the experimental result shows that the thermal conductivity. Was about 0.6 [W / mK]. That is, in the thermal head 11 according to this embodiment, the conventional insulating film having a thermal conductivity of about 1 [W / mK] is replaced with an ink having a thermal conductivity of about 0.6 [W / mK]. Accordingly, the heat flux from the thin film heater H to the substrate 13 can be reduced as compared with the conventional case, and the ink in the ink chamber can be efficiently heated. As a result, the thermal head 11 can eject ink droplets in a short time with less power than in the past.
[0050]
When the ink is guided under the thin film heater H in this way, it is conceivable that the ink boils below the thin film heater H. However, although the heat radiation to the substrate 13 side is reduced, the substrate 13 There is a sufficient heat flux on the side, and this can sufficiently prevent the temperature rise to the extent that the ink on the lower side of the thin film heater H boils. From this point of view, when the thin film heater is disposed so as to face the substrate as in this embodiment, the distance between the substrate and the thin film heater is set to 5 μm or less, and the ink on the substrate side is reduced. Boiling can be prevented.
[0051]
By the way, even if the ink can be heated in such a short time as described above, if it is left as it is, it takes about the same time as before to cool the ink.
[0052]
For this reason, in this embodiment, when driving of the thin film heater H is stopped, a voltage is applied between the thin film heater H and the electrode 16, and the thin film heater H is bent toward the electrode 16 by electrostatic force. In this way, the ink filled in the gap 20 is pushed out, and the thin film heater H approaches the electrode 16 and the substrate 13 correspondingly, so that the thermal resistance toward the substrate 13 is reduced accordingly. In this way, the ink can be cooled in a short time. Thus, the electrode 16 constitutes a control mechanism that changes the thermal resistance between the substrate and the heater.
[0053]
According to the experimental results, when a voltage of 32 [V] is applied between the thin film heater H and the electrode 16 in the thermal head 11, the gap interval can be reduced from 500 [nm] to 200 [nm] by electrostatic force. did it.
[0054]
In this experiment, in the thermal head 11 having the above-described configuration, the distance between the opposing portions of the wiring patterns 19A and 19B in the thin film heater H (so-called heater distance) is set to 42 [μm], and the sheet resistance 28 A thin film heater H was formed by [Ω / □]. At this time, the on-resistances of the wiring patterns 19A and 19B and the switching transistor were 4 [Ω] in total.
[0055]
The voltage thus configured to stably eject ink from all the nozzles of the thermal head 11 is 3.82 when the time for applying the voltage to the thin film heater H is set to 1.5 [μsec]. [V]. As a result, it was found that the power required for driving the thin film heater H requires about 400 [mW] by calculation. When a voltage of 32 [V] was applied between the thin film heater H and the electrode 16 to narrow the gap 20 to 200 [nm], the temperature returned to the pre-driving temperature within 38 [μsec]. As a result, the thermal head 11 can form dots with a cycle shorter than 1.5 [μsec] +38 [μsec], and this cycle is converted to a frequency of 26 [kHz].
[0056]
According to the result of the experiment with the thermal head 1 having the configuration shown in FIG. 13 by comparison with the thermal head 11, the voltage at which ink is stably ejected from all the nozzles is the same as that of the thermal head 11 described above. When the time for applying a voltage to a certain thin film heater H was set to 1.5 [μsec], it was 5.24 [V]. As a result, it was found that the electric power required for driving the thin film heater H required about 750 [mW] by calculation. Also, it took 67 [μsec] (15 [kHz]) after the drive was stopped for the liquid level of the nozzle to return to the initial state. The thermal head 1 according to this conventional configuration, like the thermal head 11 of this embodiment, constitutes a thin film heater with a heater interval of 42 [μm] and a sheet resistance of 28 [Ω / □], and the wiring resistance, The on-resistance of the transistor was a total of 4 [Ω]. The size of the ink liquid chamber, the constituent materials, and the like are the same as those of the thermal head 11. FIG. 6 is a table summarizing these relationships.
[0057]
(1-3) Effects of the first embodiment
According to the above configuration, by forming a gap between the heater and the substrate, heat can be efficiently heated with less heat dissipation to the substrate. Accordingly, it is possible to raise the ink temperature in a shorter time than before, and to eject ink droplets at a short time interval. Accordingly, the time required for printing can be shortened and the resolution can be improved. Further, the power required for driving can be reduced.
[0058]
Furthermore, by forming such a gap and providing a mechanism for changing the thermal resistance between the heater and the substrate, heating and / or heat dissipation by the heater can be promoted, and also by this, the ink can be obtained at short time intervals. Droplets can be ejected. Accordingly, the time required for printing can be shortened and the resolution can be improved.
[0059]
In particular, such a mechanism for changing the thermal resistance is configured with an arrangement of electrodes in which the distance between the heater and the heater changes due to electrostatic force generated by applying a predetermined driving voltage, so that a short time interval can be achieved with a simple configuration. Thus, ink droplets can be ejected.
[0060]
(2) Second embodiment
In this embodiment, the electrode 16 is omitted in the thermal head according to the first embodiment, and the driving of the thin film heater H by the second power source 33 is stopped by this omission.
[0061]
If the mechanism for drawing the thin film heater H by the electrode 16 is omitted in this way, the time required for cooling becomes longer than that of the first embodiment, and ink droplets can be ejected stably. The time interval will be long. However, even in this case, the gap 20 formed under the thin film heater H can heat the ink in a shorter time compared to the conventional case, and the power required for driving can be reduced accordingly.
[0062]
Here, using the thermal head 11 according to the first embodiment, the driving of the electrode 16 was stopped and an experiment was performed. In this case, under the same heating conditions as in the first embodiment, the same results as in the first embodiment could be obtained for heating. As for cooling, it took 83 [μsec] (12 [kHz]) to return to the state before driving the thin film heater H.
[0063]
According to the second embodiment, ink droplets can be ejected with less power than in the prior art, without arranging electrodes under the gap. Further, since it is not necessary to arrange an electrode under the gap, the thermal head process can be simplified as compared with the first embodiment.
[0064]
(3) Third embodiment
(3-1) Configuration of the third embodiment
FIG. 7 is a cross-sectional view of the thermal head shown in comparison with FIG. In the printer according to this embodiment, a desired image or the like is printed by the thermal head 41. The thermal head 41 is configured by arranging an ink flow path, an ink liquid chamber, and the like with respect to a semiconductor substrate 43 formed by forming a thin film heater H, a drive circuit for driving the thin film heater H, and the like.
[0065]
That is, in the thermal head 11, the semiconductor substrate 13 is formed by a CVD (Chemical Vapor Deposition) after the transistors constituting the drive circuit are formed on the P-type silicon substrate 44 as shown in FIG. Silicon oxide SiO ₂ Is formed to a thickness of about 500 [nm] to form the insulating layer 45 (FIGS. 8A1 and 8B1).
[0066]
Subsequently, as shown in FIGS. 8A2 and 8B2, the semiconductor substrate 43 is attached with photosensitive polyimide (Sumitomo Bakelite Co., Ltd., CRC-8300), which is an organic material, by spin coating from a film thickness of 200 [nm]. After that, the release layer 46 is formed by selective exposure and development. Here, the peeling layer 46 is a layer that promotes peeling of the thin film heater H from the substrate by the heating of the thin film heater H, and a material having low adhesion strength is selected with the thin film heater H formed thereon. . Further, as shown in FIGS. 8A3 and 8B3, the release layer 46 is formed in a rectangular shape as viewed from above, and is formed so as to protrude in a predetermined direction from the thin film heater H formed in the subsequent process. In this embodiment, the thin film heater H is formed such that the long side on the side orthogonal to the direction in which the current flows protrudes from the thin film heater H.
[0067]
Subsequently, the semiconductor substrate 43 is subsequently patterned by wet etching with aqua regia after platinum of about 150 [nm], which is a heat generating material having a larger linear expansion coefficient than the substrate 43, is deposited by sputtering. As a result, as shown in FIGS. 8A3 and 8B3, a thin film heater H is formed.
[0068]
Subsequently, after depositing an electrode material such as aluminum with a film thickness of 1200 [nm], the semiconductor substrate 43 is patterned by dry etching, whereby, as shown in FIGS. 9A4 and 9B4, a thin film heater A wiring pattern 49A for connecting one end of H to the driving transistor and a wiring pattern 49B for connecting the other end of the thin film heater H to a power supply line or the like are formed. Here, the wiring patterns 49 </ b> A and 49 </ b> B are formed so as to partially overlap the peeling layer 46 so that expansion of the thin film heater H due to heat can be limited at a portion where the thin film heater H overlaps with the peeling layer 46.
[0069]
Subsequently, in the semiconductor substrate 43, a voltage is applied from an external probe to a pad on the wafer, and the thin film heater H is heated by driving the thin film heater H. Here, in platinum, which is a material of the thin film heater H, the wiring patterns 19A and 19B are arranged so that the expansion due to the heat of the thin film heater H can be limited because the linear expansion coefficient is larger than that of the semiconductor substrate 43. 46 promotes peeling of the thin film heater H, and in the semiconductor substrate 43, the thin film heater H peels from the peeling layer 46 due to the heating of the thin film heater H in this step, and the center is almost opposite to the substrate 44. Even after heating up due to plastic deformation and rising to a dome shape, this dome-like shape is maintained.
[0070]
The semiconductor substrate 43 is configured such that the conditions for driving the thin film heater H are set so that the thin film heater H is formed in a dome shape with a predetermined size. In this way, the thin film heater H is in close contact with the peeling layer 46 in the vicinity of the raised portion of the thin film heater H in the state where the center is raised in a dome shape in this way. Is considered to be filled with gas generated by heating.
[0071]
Further, as shown in FIGS. 10A6 and B6, the semiconductor substrate 43 is formed of silicon nitride Si by plasma CVD. _Three N _Four Is deposited by a film thickness of 200 nm to form the protective layer 51. Subsequently, after a tantalum film having a film thickness of 150 nm is formed, it is patterned by dry etching, whereby a cavitation resistant layer 52 is formed as shown in FIGS. 10A7 and 10B7.
[0072]
The semiconductor substrate 43 is then formed into a finished product by forming ink liquid chambers, ink flow paths, and the like by the same process as in the first embodiment (FIG. 1). Further, it is used for printing by driving an intermittent thin film heater H similar to a normal thermal head.
[0073]
(3-2) Operation of the third embodiment
In the configuration described above, the printer according to this embodiment (FIG. 7) is configured so that, in the semiconductor manufacturing process, after the transistors constituting the drive circuit, the thin film heater H, etc. are formed on the semiconductor substrate 43, the ink liquid chamber, the ink flow A path is formed, and then the thermal head 41 is created through a predetermined assembly.
[0074]
In this semiconductor manufacturing process, the thermal head 41 has a larger linear expansion coefficient than the substrate 44 on the release layer 46 after the release layer 46 having a weak adhesion to the thin film head H is formed on the substrate 43. A thin film head H made of a material is formed, and then wiring patterns 49A and 49B are formed at both ends of the thin film head H. Further, the thin film heater H is heated by applying a voltage to the thin film heater H. Here, since the thin film heater H is formed of a material having a larger linear expansion coefficient than the substrate 44, when the thin film heater H is heated in this way, the thin film heater H expands more than the substrate 43. However, both ends of the thin film heater H are connected to the wiring patterns 49A and 49B, and the expansion in the direction along the substrate 43 is suppressed by the wiring patterns 49A and 49B. As a result, the opposite side to the substrate 43 is obtained. It will be transformed into. Further, since the peeling layer 46 having a weak adhesion is disposed between the substrate 43 and the substrate 43, the deformation to the opposite side of the substrate 43 is promoted. Thereby, the thermal head 41 is deformed into a shape in which a substantially central portion of the thin film heater H protrudes into a dome shape, and a gap is formed in the dome.
[0075]
In the thermal head 41 thus configured, the thin film heater H is intermittently driven, and the ink in the ink liquid chamber is locally boiled by the heating of the ink by the thin film heater H, and the pressure in the ink liquid chamber increases. As the pressure increases, ink is pushed out from the nozzle and adheres to the print target as ink droplets.
[0076]
In this thermal head 41, the thermal head 41 has a structure in which a thin film heater H is disposed on the substrate 43 with a hollow space inside, and when this void is vacuumed, The thermal conductivity is 0 [W / mK], which means that a heater is locally disposed with a very large heat insulating material interposed therebetween. If this gap is filled with air, the thermal conductivity of the air is about 0.02 [W / mK]. In this case, too, a very large heat insulating material is sandwiched locally. The heater has been arranged. In addition, although it is thought that the inside of a space | gap is actually filled with the gas etc. which generate | occur | produce at the time of the heating of the heater H, also in this case, the heater was arrange | positioned on both sides with the very big heat insulating material in between. It will be.
[0077]
As a result, the overall thermal resistance between the substrate and the heater can be set to the same level as that of the thermal head 11 according to the first embodiment. The ink can be heated by time, and ink droplets can be ejected at short time intervals.
[0078]
Furthermore, the thermal head 41 is formed of a material having a linear expansion coefficient larger than that of the substrate 43, so that the thin film heater H can be heated at the time of ink heating similarly to the case of forming a gap in the manufacturing process. The thin film heater H is deformed. In this case, in the thermal head 41, when the thin film heater H is driven and the temperature of the thin film heater H rises, the thermal head 41 is deformed so that the gap becomes larger (FIGS. 7A and 7B), thereby the substrate. The thermal resistance between the heater and the heater will increase. Thus, when heating is started, the thermal resistance between the substrate and the heater changes so as to promote heating.
[0079]
On the other hand, when the heater temperature is lowered by stopping the heating of the heater, the heater is deformed so that the volume of the gap is restored, thereby reducing the thermal resistance between the heater and the substrate, Cooling of the heater is promoted (FIG. 7C). That is, when the heating of the heater is stopped, the thermal resistance between the substrate and the heater changes so as to promote the cooling of the heater, and hence the cooling of the ink.
[0080]
Thereby, in this embodiment, a control mechanism for promoting heating and cooling is configured by changing the thermal resistance between the substrate and the heater by selecting the heater material and forming the gap. .
[0081]
FIG. 11 is a characteristic curve diagram showing the heat distribution during heating in the thermal head 41. This heat distribution is obtained when the ink is most heated by driving. According to this characteristic curve, it can be seen that the heater is held at the highest temperature compared to the surroundings, so that the heater deforms due to such driving and stopping of the heater, and the volume of the gap changes. Can be taken.
[0082]
Thereby, in the thermal head, ink droplets can be ejected with a simpler configuration at a time interval that is much shorter than that in the past.
[0083]
According to the result of the experiment with the thermal head configured under the same conditions as in the first embodiment, the voltage at which ink is stably ejected from all the nozzles of this printer head is 1.5 [μsec]. In the case of time, it was 2.86 [V], and it was found that the power consumption by the heater was 250 [mW]. Further, it was found that the temperature distribution before driving was almost restored within 29 [μsec] (35 [kHz]) after the heater driving was stopped.
[0084]
(3-3) Effects of the third embodiment
According to the above configuration, the same effect as that of the first embodiment can be obtained even when the heater is deformed so as to be away from the substrate to form a gap.
[0085]
In addition, since the heater is formed of a material having a large linear expansion coefficient with respect to the substrate, the size of the gap is increased by heating with the heater and the heating by the heater is accelerated. Therefore, cooling by the heater can be promoted. Therefore, heating and cooling of the ink can be promoted with a simple configuration, and this also makes it possible to eject ink droplets at a further shorter time interval and to reduce power consumption.
[0086]
In addition, since the release layer, which is a film material that promotes deformation of the heater, is formed between the substrate and the heater, the heater can be easily deformed.
[0087]
(4) Fourth embodiment
As shown in FIG. 12, the thermal head 61 according to this embodiment has a configuration in which the protective layer 51 and the anti-cavitation layer 52 are omitted from the configuration of the thermal head 41 according to the third embodiment. In addition, by reducing the thickness of the nozzle plate 62 and setting the thickness to 10 [μm], the nozzle length is set to 10 [μm], and ink droplets are ejected in the ink liquid chamber. The bubbles were ejected from the nozzle, so that cavitation accompanying the contraction and disappearance of the bubbles did not occur in the ink liquid chamber.
[0088]
In this case, when there is no protective layer, the thermal resistance to the ink is lower than that of the thermal head 41 according to the third embodiment, and when the drive time is set to 1.5 [μsec], The voltage at which ink was stably ejected from all nozzles could be reduced to 2.21 [V]. In this case, the power consumption of the heater is 150 [mW]. It was also confirmed that when the heater driving was stopped, the state before the driving was restored within 25 [μsec] (40 [kHz]).
[0089]
In this case, the thin film heater is in direct contact with the ink. However, since the thin film heater is made of highly stable platinum, the corrosion of the thin film heater due to the electrolyte in the ink central processing unit is prevented, and the ink liquid By preventing the occurrence of cavitation in the room, it was possible to ensure the same level of reliability as in the third embodiment.
[0090]
According to this embodiment, in addition to the configuration of the third embodiment, by omitting the protective layer and the anti-cavitation layer, the thermal resistance to the ink can be reduced, and a simple configuration correspondingly. Thus, ink droplets can be ejected at even shorter time intervals, and power consumption can be reduced.
[0091]
In addition, when a protective layer and an anti-cavitation layer are disposed on the thin film heater H, a film having a multilayer structure is curved, and there is a risk of causing interlayer breakdown. If the layer is omitted, such an interlaminar breakdown can be prevented, and high reliability can be ensured accordingly.
[0092]
(5) Other embodiments
In the first and second embodiments described above, the case where the gap is formed by selective etching of a predetermined member has been described. However, the present invention is not limited to this, and for example, JP-A-11-271123. For example, when the void is formed by anisotropic etching disclosed in the above, various micromachining techniques can be applied to form the void.
[0093]
In the third and fourth embodiments described above, the case where the gap is formed by deforming the heater by heating the heater has been described. However, the present invention is not limited to this, and various machining processes such as suction may be used. The air gap can be formed by deforming the heater using the means.
[0094]
In the first and second embodiments described above, the case where the heater is attracted to the substrate by the electrostatic force of the electrode formed on the substrate side and the heater to promote cooling has been described, but the present invention is not limited to this. It is possible to arrange and configure this type of electrode in various ways, such as a mechanism that separates the electrode and pulls the heater away from the substrate by electrostatic force, and a mechanism that promotes heat dissipation by bringing the electrode side closer to the heater. Conceivable.
[0095]
In the above-described embodiment, the case where the size of the gap is changed by electrostatic force and heat has been described. However, the present invention is not limited to this, and these may be combined.
[0096]
In the above-described embodiment, the case where the size of the gap is changed by electrostatic force and heat has been described. However, the present invention is not limited to this. And / or cooling may be promoted.
[0097]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a gap is formed between the heater and the substrate, and a mechanism for changing the thermal resistance between the heater and the substrate by forming such a gap is provided. Ink droplets can be ejected at a short time interval, or power consumption can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a thermal head applied to a printer according to a first embodiment of the present invention.
2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the thermal head in FIG.
FIG. 3 is a plan view and a cross-sectional view showing a continuation of FIG. 2;
4 is a plan view and a cross-sectional view showing a continuation of FIG. 3. FIG.
FIG. 5 is a signal waveform diagram for explaining the operation of the drive circuit of FIG. 1;
FIG. 6 is a chart showing characteristics of the thermal head of FIG. 1 in comparison with a conventional thermal head.
FIG. 7 is a schematic diagram showing a thermal head applied to a printer according to a third embodiment of the invention.
8A and 8B are a plan view and a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the thermal head in FIG.
FIG. 9 is a plan view and a cross-sectional view showing a continuation of FIG. 8;
10 is a plan view and a cross-sectional view showing a continuation of FIG. 9;
11 is a characteristic curve diagram showing a temperature distribution of the thermal head of FIG. 7. FIG.
FIG. 12 is a schematic diagram showing a thermal head applied to a printer according to a fourth embodiment of the invention.
13A and 13B are a plan view and a cross-sectional view showing a conventional thermal head.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 13, 43 ... Semiconductor substrate, 11, 41, 61 ... Thermal head, 3, 15, 45 ... Insulating layer, 5, 21 ... Protective layer, 6, 22, 52 ... Anti-cavitation layer, 12 ... Drive circuit, 18 ... Sacrificial layer, 46 ... Peeling layer, H ... Thin film heater

Claims

In a printer that prints the print object by ejecting ink droplets from the printer head and attaching them to the print object,
The printer head is
By heating the ink in the ink chamber with a heater formed on a predetermined substrate, the ink droplets are ejected from the nozzle in the ink chamber,
The heater is formed on the substrate with a gap in between ;
An electrode formed on the substrate so as to face the heater with the gap in between;
A printer , further comprising: a driving mechanism that applies a predetermined driving voltage for deflecting the heater toward the electrode between the heater and the electrode .

The void is
The printer according to claim 1, wherein the printer is formed so that the ink enters.

The electrode A printer according to claim 1, characterized in that a control mechanism for changing the thermal resistance between the substrate and the heater.

The void is
The printer according to claim 1, wherein the heater is deformed so as to move away from the substrate.

By heating the ink in the ink chamber with a heater formed on a predetermined substrate, ink droplets are ejected from the nozzles in the ink chamber,
In a printer head that attaches the ink droplets to a print target,
The heater is formed on the substrate with a gap in between ;
Further comprising an electrode formed on the substrate so as to face the heater with the gap in between,
The printer head according to claim 1, wherein when a predetermined driving voltage is applied between the heater and the electrode, the heater bends toward the electrode .

The void is
The printer head according to claim 5 , wherein the ink head is formed so that the ink enters.

The electrodes, printer head according to claim 5, characterized in that a control mechanism capable of changing the thermal resistance between the substrate and the heater.

The void is
The printer head according to claim 5 , wherein the printer is formed by deforming the heater so as to move away from the substrate.

By heating the ink in the ink chamber with a heater formed on a predetermined substrate, the ink droplets are ejected from the nozzle in the ink chamber,
In the method of manufacturing a printer head for attaching the ink droplets to a printing target,
Forming the heater on the substrate with a gap in between ;
Forming an electrode on the substrate so as to face the heater with the gap in between;
A method of manufacturing a printer head , wherein the heater is bent toward the electrode when a predetermined driving voltage is applied between the heater and the electrode .

The method for manufacturing a printer head according to claim 9 , wherein the gap is formed so that the ink enters the gap.

After forming the heater on the substrate with the predetermined member in between,
The method for manufacturing a printer head according to claim 9 , wherein the gap is formed by removing the predetermined member.

The method of manufacturing a printer head according to claim 9 , wherein the gap is formed by deforming the heater after forming the heater on the substrate.

The method of manufacturing a printer head according to claim 9 , wherein a film material that promotes deformation of the heater is disposed between the substrate and the heater.

The method of manufacturing a printer head according to claim 9 , wherein the gap is formed after the electrodes and the heater are sequentially arranged on the substrate.