JP5328607B2 - 液体吐出ヘッド用基板、該基板を有する液体吐出ヘッド、該ヘッドのクリーニング方法および前記ヘッドを用いる液体吐出装置 - Google Patents

液体吐出ヘッド用基板、該基板を有する液体吐出ヘッド、該ヘッドのクリーニング方法および前記ヘッドを用いる液体吐出装置 Download PDF

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Description

本発明は、液体吐出方式によりインクを吐出して記録媒体に記録を行うための液体吐出ヘッド、該ヘッド用基板、前記ヘッドのクリーニング方法、および前記ヘッドを用いる液体吐出装置に関するものである。
液体吐出による記録方法は、液体吐出ヘッドに設けられた吐出口から液体（例えばインク）を吐出させ、これを紙などの被記録材に付着させて記録を行う方法である。このうち、電気熱変換素子が発生する熱エネルギーにより生ずる液体の発泡を利用して液体を吐出する方式の液体吐出記録法は、高画質および高速記録が可能である。
液体吐出ヘッドの一般的な構成は、複数の吐出口と、この吐出口に連通する流路と、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複数の電気熱変換素子とを有する。そして、電気熱変換素子は、発熱抵抗層とこれに電力を供給するための電極とこれらを被覆する例えば窒化珪素などの絶縁性をもつ下部保護層により構成されており、インクと電気熱変換素子間での絶縁性が確保されている。
液体吐出時における電気熱変換素子として用いられる発熱部は、高温に曝されるとともに、液体の発泡、収縮に伴うキャビテーション衝撃やインクによる化学的作用を複合的に受けることになる。このため発熱部には、キャビテーション衝撃やインクによる化学的作用から発熱抵抗部を保護するため、上部保護層が設けられる。この上部保護層の表面は７００℃付近まで昇温し、かつインクに接する為、耐熱性、機械的特性、化学的安定性、耐アルカリ性等に優れた膜特性が要求される。
また、インクに含まれる色材および添加物などが高温加熱により分子レベルで分解され、「コゲ」と呼ばれる難溶出性の物質に変化する現象が生じる。このコゲが上部保護層上に物理吸着すると、発熱抵抗体からインクへの熱伝導が不均一になり、発泡が不安定になる。
そこで、特許文献１には、イリジウムやルテニウムで形成された上部保護層の表面を電気化学反応によって溶出させることで、コゲを除去する技術が開示されている。
特開２００８−１０５３６４号公報
特許文献１に示される、電気化学反応の溶出に伴う上部保護層の膜厚の減少量は、電気化学反応に用いるインクの電解質濃度によって決定される。従って、インク中の電解質濃度のばらつきや、異なるインク種の場合において、膜減りの量が不均一になる懸念がある。このように、ヘッド内における上部保護層の厚さの不均一は、記録品位の低下につながり、複数色のインクを用いるヘッドでは、各色ごとに電気化学反応の条件を設定する必要が生じる。また、上部保護層の溶出量が想定以上に大きくなり、所定の回数の電気化学反応が行えない場合が想定される。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、電解質濃度等に起因する電気化学反応のばらつきがあっても、溶出する膜厚の量を一定にすることができる。
本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出口から吐出するために利用される熱エネルギーを発生する素子と、少なくとも前記素子を覆うように設けられ、第１の層と第２の層とが交互にそれぞれ２層以上積層した保護層と、が設けられた液体吐出ヘッド用基板と、前記吐出口に連通する流路の壁を有し、前記壁を内側にして前記液体吐出ヘッド用基板と接することで前記流路を形成する流路部材と、前記流路に設けられた流路内電極とを有し、前記保護層がアノード電極に、前記流路内電極がカソード電極となるように電圧を印加したときに、前記第１の層は液体に接すると溶出する材料からなり、前記第２の層は液体に接すると不動態となる材料からなることを特徴としている。
本発明によると、コゲ除去動作として保護層（上部保護層）に電気化学反応を生じさせた場合おいて、電解質濃度等に起因する電気化学反応のばらつきがあっても、１回のコゲ除去動作によって溶出する保護層の膜厚の量を一定にできる。この為、一連のコゲ除去動作を、精度良く繰り返して行うことができる。この結果、ヘッド内における保護層の膜減り量のばらつきを緩和できるため、吐出特性を安定させ、信頼性のある高品位の画像記録を行うことが可能となる。
本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッド用基板の模式的断面図である。 本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッド用基板の発熱部付近の模式的平面図である。 （ａ）〜（ｈ）は図１および図２に示した液体吐出ヘッド用基板の製造工程を説明するための模式的断面図である。 （ａ）〜（ｈ）は、それぞれ、図３（ａ）〜（ｈ）に対応した模式的平面図である。 本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッド基板を垂直に切断した状態で示す発熱部付近の模式的断面図である。 本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドを示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る液体吐出装置の概略構成例を示す斜視図である。
本発明は、保護層（上部保護層）に、電圧を印加することで電気化学反応を生じさせ、コゲを除去する。ここで、上部保護層が、クリーニング層である第１の層と、クリーニングストップ層である第２の層を交互に積層した積層構造であることを最たる特徴とする。好ましくは、これらの層がそれぞれ複数積層されるのが良い。この構成により、１回のコゲ除去動作による電気化学反応では第１の層であるクリーニング層が１層溶解し、その後の吐出動作によって第２の層であるクリーニングストップ層が溶解することを繰り返す構成となっている。
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
（１．液体吐出ヘッド用基板および液体吐出ヘッドの説明）
図２は、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッド用基板の電気熱変換素子として用いられる発熱部付近の模式的平面図である。図１は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って基板を垂直に切断した模式的断面図である。
シリコンの基体１０１上に、熱酸化膜やＳｉＯ膜やＳｉＮ膜等からなる蓄熱層１０２を有し、蓄熱層１０２上に発熱抵抗体層１０４を有する。発熱抵抗体層１０４上に、Ａｌ、Ａｌ−ＳｉまたはＡｌ−Ｃｕ等の金属材料からなる一対の電極配線層１０５が一定の間をあけて形成される。電極配線層１０５と一対の電極配線層１０５の間に位置する発熱抵抗層１０４との上に設けられる下部保護層１０６は、ＳｉＯ膜，ＳｉＮ膜等からなり、絶縁層としても機能する。発熱部１０４’は、電極配線層１０５の間の発熱抵抗体層と、その上の下部保護層１０６とで構成される。発熱部１０４’が発生した熱をインクに作用する部分が熱作用部１０８となる。電極配線層１０５は不図示の駆動素子回路ないし外部電源端子に接続され、外部からの電力供給を受ける。なお、発熱抵抗層１０４と電極配線層１０５の上下を入れ替えた構成でも構わない。
下部保護層１０６上に、タンタルからなる密着層１０９ａ、１０９ｂが設けられる。このうち、１０９ａは発熱部１０４’の上部を含む領域に配置され、１０９ｂは１０９ａと分離して、インク流路１２２内のインクに接する部分に配置される。
密着層１０９ａ上の、発熱部１０４’に対応する部分に、本願発明の特徴部分である上部保護層１０７ａが設けられる。上部保護層１０７ａは、インクの発熱に伴う化学的、物理的衝撃から発熱抵抗体を守り、かつクリーニング処理に際しコゲを除去する役割を持つ。本実施形態において、上部保護層１０７は、クリーニング層と、クリーニングストップ層が積層される構成をとる。
領域１０７ａと、流路内電極として用いられる１０７ｂとは基板単体では相互に電気的接続していない。しかし、流路内に電解質を含む溶液（インク）が充填されると、この溶液を介して電流が流れ、上部保護層１０７ａ，１０７ｂと、溶液との界面で電気化学反応が発生する。
図１において、上部保護層１０７ａとインクとの間に電気化学反応を生じさせるために、下部保護層１０６にスルーホール１１０を形成し、上部保護層１０７ａと電極配線層１０５とを密着層１０９ａを介して接続させている。電極配線層１０５は液体吐出ヘッド用基板の端部にまで延在し、その先端が外部との電気的接続を行うための外部電極１１１をなす。
また、熱作用部に対応する上部保護層１０７ａは、流路部材１２０と接することなく形成される。これは、電気化学反応により上部保護層１０７ａが溶出しても、流路部材１２０と基板１００との密着性低下を生じさせないためである。
ここまでの構成が、液体吐出ヘッド用基板１００とする。液体吐出ヘッド用基板１００の熱作用部１０８に対応する位置に吐出口１２１が設けられる。さらに、ヘッド用基板１００を貫通するインク供給口７０５から熱作用部を経てインク吐出口１２１に連通する流路の壁１２０ａを有する流路部材１２０を、壁１２０ａを内側にして液体吐出ヘッド用基板と接することで流路が形成され、液体吐出ヘッド１となる。
図６は上述の液体吐出ヘッドの模式的な斜視図を示す。
図６に記載の液体吐出ヘッド１は、３つのインク供給口７０５を有する液体吐出ヘッド用基板１００を有し、供給口毎に異なるインクを供給することができる。供給口の両側の長手方向に沿って、複数の熱作用部１０８が形成される。
（２．上部保護層の構成、作用について）
本発明の特徴部分である、上部保護層１０７について説明を行う。図５は熱作用部１０８に対応する上部保護層１０７ａまたは１０７ｂを拡大した断面図である。図５に示すように、上部保護層１０７は、クリーニング層１０７ｘ（第１の層）と、クリーニングストップ層１０７ｙ（第２の層）とを交互に積層する構成である。
クリーニング層１０７ｘに用いる材料としては、コゲ除去動作の電気化学反応によってインクに溶出する性質を有し、かつ加熱により溶出を阻害するほどの酸化膜を形成しない材料を用いることができる。具体的には、イリジウム及びルテニウム、の少なくとも１方を含む材料、若しくはこれらの合金からなる材料を用いることができる。
クリーニングストップ層１０７ｙの材料は、電気化学反応によって陽極酸化をするが溶出はせず、その後の吐出動作の繰り返しによってインクに溶出する性質の材料を用いることができる。具体的には、タンタル及びニオブ、の少なくとも一方を含む材料、若しくはこれらの合金から成る材料を用いることができる。クリーニングストップ層１０７ｙは、密着層１０９と同様の材料であることが、クリーニング層１０７ｘとの密着性確保の観点から好ましい。
また、クリーニング層１０７ｘとクリーニングストップ層１０７ｙの積層構造の繰り返し数が増えるにつれ、高品位な記録が長く保たれることとなる。しかし、熱作用部１０８上の膜厚が厚くなると吐出に必要なエネルギーも大きくなるため、クリーニング層１０７ｘとクリーニングストップ層１０７ｙの膜厚を薄くすることが必要である。クリーニング層１０７ｘ、クリーニングストップ層１０７ｙの膜厚は、１層あたり１ｎｍ以上１００ｎｍ以下で、積層回数（クリーニングストップ層＋クリーニング層で、積層１層とカウント）は２回以上１００回以下がよい。これは吐出に必要なエネルギーの観点と、電気化学反応を用いたクリーニングの可能回数との観点からであり、省エネルギー化とクリーニングの繰り返しによる高品位な記録という効果を奏する。
（３．コゲ除去動作の説明）
本発明のコゲ除去動作は、熱作用部に対応する上部保護層１０７ａをアノード電極、上部保護層１０７ｂ（流路内電極）をカソード電極とし、電解質を含む溶液であるインクとの電気化学反応を生じさせる。この際、上部保護層の１０７ａは、密着層領域１０９ａおよび電極配線層１０５を介して外部電極１１１に接続されているので、アノード側となるように電圧を印加すればよい。アノード電極である上部保護層１０７ａ内のクリーニング層１０７ｘが溶出し、保護層上に堆積したコゲが除去される。電気化学反応によって、溶液中に溶出する金属材料は、一般に種々金属の電位−ｐＨ図を見れば把握することが可能である。本発明の上部保護層１０７ａのクリーニング層１０７ｘとして用いられる材料は、インクが有するｐＨ値においては溶出せず、電圧を印加してアノード電極となる時に溶出する性質を持つ材料である。
また、上部保護層１０７の最上面は、クリーニング層１０７ｘであることが好ましい。これは、カソード電極となる、上部保護層１０７ｂにおいて、最上層をクリーニング層（イリジウム）とすることで、吐出中にクリーニング層が酸化することがなく、常にカソード電極として安定を保つことが可能であるからである。また、カソード側に接続される上部保護層１０７ｂは、積層構造を必ずしもとる必要はないが、成膜、エッチングといった製造工程を考慮すると、上部保護層１０７ａと同一の膜構成を取ることが好ましい。
１回の電気化学反応を用いたコゲ除去動作により、クリーニング層１０７ｘが１層溶出した後、液体中（インク中）に露出したクリーニングストップ層１０７ｙが陽極酸化することで上部保護層１０７の膜厚の減少が停止する。その後、通常の記録動作を行う中でインクを発泡・吐出する際の熱作用部１０８の加熱、あるいは発泡した際の消泡時のキャビテーションの繰り返しにより、表面に露出したクリーニングストップ層１０７ｙの酸化膜は徐々にインク中に溶出する。このため、再び新たなクリーニング層１０７ｘがインク中に露出し、再度こげ除去動作を繰り返し行うことが可能となる。
このように、上部保護層１０７において、それぞれ性質の異なるクリーニング層１０７ｘと、クリーニングストップ層１０７ｙとを積層させることで、１回のクリーニング動作による膜減りの厚さを制御できる。よって、インクの電解質濃度や、電気化化学反応時に印加する電圧のばらつきが生じた際にも、均一な膜減りが制御でき、確実なコゲ取りが可能となる。
さらに、液体吐出ヘッド用基板に複数のインク供給口を有し、それぞれ異なるインクを吐出する液体吐出ヘッドにおいては、それぞれのインクによる電気化学反応条件を個別に設定することなく、所定の条件で各色繰り返してのコゲ除去クリーニングが可能となる。
（４．液体吐出装置の説明）
図７は本実施形態における液体吐出装置（インクジェットプリンタ）の一例の要部を示す概略斜視図である。
液体吐出装置は、ケーシング１００８内に記録媒体としての用紙１０２８を、矢印Ｐ方向に間欠的に搬送する搬送装置１０３０を含む。この他に、液体吐出装置は、用紙１０２８の搬送方向Ｐに直交する方向Ｓに平行に往復運動せしめられ、液体吐出ヘッドを有する記録部１０１０と、該記録部１０１０を往復運動させる駆動手段としての移動駆動部１００６とを含んで構成される。
搬送装置１０３０は、互いに平行に対向配置される一対のローラユニット１０２２ａおよび１０２２ｂと、一対のローラユニット１０２４ａおよび１０２４ｂと、これらの各ローラユニットを駆動させる駆動部１０２０とを備えている。駆動部１０２０が作動すると、ローラユニット１０２２ａおよび１０２２ｂと、ローラユニット１０２４ａおよび１０２４ｂと、により用紙１０２８は狭持されて、Ｐ方向に間欠送りで搬送される。
移動駆動部１００６は、ベルト１０１６と、モータ１０１８とを有する。ベルト１０１６は、回転軸に所定の間隔をもって対向配置された、プーリ１０２６ａおよび１０２６ｂに巻きかけられ、ローラユニット１０２２ａおよび１０２２ｂに平行に配置される。モータ１０１８は、記録部１０１０のキャリッジ部材１０１０ａに連結されるベルト１０１６を順方向および逆方向に駆動させる。
モータ１０１８が作動し、ベルト１０１６が矢印Ｒ方向に回転すると、キャリッジ部材１０１０ａは矢印Ｓ方向に所定の移動量だけ移動する。また、ベルト１０１６が矢印Ｒ方向とは逆方向に回転すると、キャリッジ部材１０１０ａは矢印Ｓ方向とは反対の方向に所定の移動量だけ移動する。さらに、キャリッジ部材１０１０ａのホームポジションとなる位置に、記録部１０１０の吐出回復処理を行うための回復ユニット１０２６が、記録部１０１０のインクを吐出する面に対向して設けられる。
記録部１０１０は、キャリッジ部材１０１０ａに対して着脱自在に備えらたカートリッジ１０１２を有している。カートリッジは、例えばイエロー，マゼンタ，シアンおよびブラックごとにそれぞれ、１０１２Ｙ，１０１２Ｍ，１０１２Ｃおよび１０１２Ｂと、各色設けられている。
（実施例１）
本発明の実施例１について図を用いて詳細に説明する。
図３（ａ）〜（ｈ）は図１および図２に示した液体吐出ヘッド用基板の製造工程を説明するための模式的断面図、図４（ａ）〜（ｈ）は、それぞれ、図３（ａ）〜（ｈ）に対応した模式的平面図である。なお、以下の製造工程は、発熱部１０４’を選択的に駆動するためのスイッチングトランジスタ等の半導体素子でなる駆動回路が予め作り込こまれた基体に対して実施されるものである。しかし簡略化のために、以下の図ではＳｉでなる基体１０１が図示されている。
まず、基体１０１に対し、熱酸化法，スパッタ法，ＣＶＤ法などによって、発熱抵抗体層の下部層としてＳｉＯ２でなる蓄熱層１０２を形成した。なお、駆動回路を予め作り込んだ基体に対しては、それら駆動回路の製造プロセス中で蓄熱層を形成可能である。
次に、蓄熱層１０２上にＴａＳｉＮ等の発熱抵抗体層１０４を、反応スパッタリングにより約５０ｎｍの厚さに形成し、さらに電極配線層１０５となるＡｌをスパッタリングにより約３００ｎｍの厚さに形成した。
そして、フォトリソグラフィ法を用い、発熱抵抗体層１０４および電極配線層１０５に対して同時にドライエッチングを施し、図３（ａ）に示すような断面形状および図４（ａ）に示すような平面形状を得た。
次に、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、再びフォトリソグラフィ法を用いて、ウエットエッチングによりＡｌの電極配線層１０５を部分的に除去し、その部分の発熱抵抗体層１０４を露出させた。なお、配線端部における下部保護層１０６のカバレッジ性を良好なものとするため、配線端部において適切なテーパ形状が得られる公知のウエットエッチングを行うことが望ましい。
その後、プラズマＣＶＤ法を用いて、図３（ｃ）および図４（ｃ）に示すように、下部保護層１０６としてＳｉＮを約３５０ｎｍの厚みに形成し、発熱部１０４’を設けた。
図３（ｄ）および図４（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィ法を用いて、ドライエッチングにより下部保護層１０６を部分的に除去し、スルーホール１１０を形成した。これは、下部保護層１０６の上層に形成する密着層１０９および上部保護層１０７と、電極配線層１０５とを電気的に接続する為のものであり、電極配線層１０５を露出させた。
次に、図３（ｅ）および図４（ｅ）に示すように、上部保護層１０７へ電気化学反応時の電源を供給する配線層をかねる密着層１０９を、下部保護層１０６上にタンタルをスパッタリングすることで約１００ｎｍの厚さに形成した。
次に、図３（ｆ）および図４（ｆ）に示すような上部保護層１０７を形成する。上部保護層１０７は図５に示すようにクリーニング層１０７ｘと、クリーニングストップ層１０７ｙを交互にそれぞれ２層以上積層して形成する積層構造である。まず、密着層１０９の上面に、クリーニング層１０７ｘとしてのイリジウムをスパッタリング法により厚さＴＩｒだけ形成する。続いてクリーニングストップ層１０７ｙを、同じくスパッタリング法により厚さＴＴａだけ形成する。この一連の工程を複数回繰り返し、図５に示すような、クリーニング層１０７ｘと、クリーニングストップ層１０７ｙが交互に２層以上積層された上部保護層１０７を形成する。
本実施例ではクリーニング層１０７ｘの厚さＴＩｒを約１０ｎｍに、クリーニングストップ層１０７ｙの厚さＴＴａを１０ｎｍとして形成した。また、この成膜工程を５回繰り返して行い、クリーニング層１０７ｘとクリーニングストップ層１０７ｙから成る上部保護層の合計膜厚は１００ｎｍとした。
次に、図３（ｇ）および図４（ｇ）に示すような上部保護層１０７のパターンを形成するために、フォトリソグラフィ法を用いたドライエッチングにより、上部保護層１０７を部分的に除去する。これにより、熱作用部１０８上の上部保護層領域１０７ａと、もう一方の上部保護層領域１０７ｂとを形成した。
次に、図３（ｈ）および図４（ｈ）に示すような密着層１０９のパターンを形成するために、フォトリソグラフィ法を用いて、ドライエッチングにより密着層１０９を部分的に除去する。これにより、熱作用部１０８上の密着層領域１０９ａと、もう一方の密着層領域１０９ｂとを形成した。
次に、外部電極１１１を形成するために、フォトリソグラフィ法を用いて、ドライエッチングにより下部保護層１０６を部分的に除去し、その部分の電極配線層１０５を部分的に露出させた。（不図示）
上記の工程により製造した液体吐出ヘッド用基板１００にフォトリソグラフィ技術を用い、樹脂材料でノズル形成部材を形成し、液体吐出ヘッドを製造した。
（ヘッド評価 比較例）
上記工程に従い製造した液体吐出ヘッドと、特許文献１に記載の上部保護層１０７がイリジウムのみで形成された液体吐出ヘッドをそれぞれ複数用いて、コゲの除去実験を実施し、本実施例の効果を確認した。
従来例の液体吐出ヘッドにおける熱作用部１０８上の膜構成は、密着層１０９としてタンタルを最下層に１５０ｎｍ形成した後、上部保護層１０７としてイリジウムを５０ｎｍ形成している。
実験方法は、熱作用部１０８に対応する１０７ａ上にコゲが堆積するように所定条件で発熱部１０４’を駆動した後、上部保護層１０７に通電することによりコゲ除去処理を実施するものとした。また、本実施例では、インク種類によるイリジウム膜の溶出量についての検証を行い、インクはＢＣＩ−７ｅＭ、およびＢＣＩ−７ｅＣ（ともにキヤノン製）を用いた。
まず、電圧２０Ｖおよび幅１．５μｓの駆動パルスを周波数５ｋＨｚで５．０×１０７パルスを発熱部１０４’に印加した。その後、表面状態を観察すると、熱作用部１０８に対応する保護層１０７ａ上には、ほぼ均一にコゲと呼ばれるインク中の不純物が堆積していた。この状態の液体吐出ヘッドを用いた記録を行うと、所望の位置に吐出することができず、記録品位が低下していることが確認された。
次に、上部保護層１０７ａに接続している外部電極１１１に１０ＶのＤＣ電圧を３０秒間印加した。このとき、上部保護層の領域１０７ａをアノード電極、領域１０７ｂをカソード電極とした。
この結果、本実施例の液体吐出ヘッド及び従来例における液体吐出ヘッド共に、それぞれのインクを用いた熱作用部に対応する１０７ａ上（第１の層上）からは、それまで堆積していたコゲが除去されていることが確認された。
また、本実施例の液体吐出ヘッドにおいては、マゼンタインク、シアンインクを用いたヘッドのどちらにおいても、上部保護層１０７ａの最上層部であったクリーニング層１０７ｘが１層インクへ溶出している。これにより、その直下のクリーニングストップ層１０７ｙが最上層となっていることが確認された。つまり、クリーニングストップ層１０７ｙのタンタルが、インクとの電気化学反応において陽極酸化することでインク中へ溶出しない不動態の膜となり、反応がストップすることが確認できた。
一方、従来の液体吐出ヘッドについて、上部保護層の領域１０７ａおよび密着層１０９のパターン端部を段差計で測定したところ、マゼンダインクを用いたヘッドでは約５ｎｍの膜減りが、シアンインクを用いたヘッドでは約８ｎｍの膜減りを確認した。インクの種類によって、１回の電気化学反応で膜減り量に約３ｎｍの差が生じていることがわかる。
次に、再度インクによる吐出を行い、コゲを堆積させた。本実施例の液体吐出ヘッドにおいて、最上部に露出していたクリーニングストップ層１０７ｙは、吐出動作や発泡によるキャビテーション等の影響によりインク中へ溶出している。これにより、コゲはその下層にある２層目のクリーニング層１０７ｘの表面に堆積した。
引き続いて、これらインクを吐出させコゲを堆積し、電気化学反応を用いて除去する一連のクリーニングサイクルを５回繰り返したのち、上述の表面観察及び段差測定を行った。
インク種によらず、１回の電気化学反応でクリーニング層１０７ｘ１層がインク中へ溶出し、インク吐出動作によって、最上層となったクリーニングストップ層１０７ｙがインク中へ溶出することが確認できた。
一方、従来例の液体吐出ヘッドでは、インクの色が関係する電気化学反応の差によって膜厚の差が生じており、残存する上部保護層１０７の膜厚は、マゼンダインクを用いたヘッドで約２５ｎｍ、シアンインクを用いたヘッドでは約１０ｎｍであった。このように、熱作用部の膜厚がインクごとに異なる場合、高い記録品位を得るためには、吐出に必要なエネルギーをインクごとに設定する必要がある。具体例としては、駆動パルスの幅をインクごとに設定する作業が必要となる。
これに対して、本実施例の液体吐出ヘッドを用いてコゲ除去のクリーニングを行うと、異なるインクにおいても、非常に均一かつ制御性に優れた上部保護層１０７ａの溶出が可能となることがわかった。さらに、熱作用部１０８上に配置された上部保護層１０７ａの膜厚が容易に把握できるため、初期の記録品位を保つことに加え、吐出エネルギーの制御性に優れるより高品位な記録が可能となる。
（実施例２）
本発明の実施例２について図を用いて詳細に説明する。
実施例１に記載のスパッタリング法では、基板に到達した原子が島状構造に成長し、さらに複数の島が結合して連続膜が形成される。１〜２ｎｍ程度の膜厚では、島状構造あるいは島状構造と連続膜の途中段階にある恐れがある。つまり、上部保護層の積層構造を精度良く、均一に成膜できないことが懸念され、特に上部保護層１０７と密着層１０９との界面における膜質の制御が困難となる。
そこで、実施例２においては、原子層１層単位で繰り返し積層しながら成膜する、原子層堆積法（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）を用いて上部保護層１０７を形成する例を示す。原子層堆積法は、真空チャンバ−内に設置した基板上に、成膜する材料の分子（前駆体）を基板表面へ吸着・反応させ、余分な分子を不活性ガスによるパージによって取り除く。これらのサイクルを繰り返すことで、原子層レベルで膜厚制御することが可能な成膜方法である。形成される膜は非常に薄膜でありながら、均一で被覆性が高い。
まず、実施例１と同様に、ＣＶＤ、スパッタリング、フォトリソグラフィ及びエッチング技術を用い、図３（ｅ）および図４（ｅ）に示す基体１０１を形成した。上部保護層１０７へ電気化学反応時の電源を供給する配線層を兼ねる密着層１０９は、ある程度の膜厚が必要であることから、第１の実施形態と同様にスパッタリングによりタンタルを約１００ｎｍの厚さに形成した。
続いて図３（ｆ）に示す上部保護層１０７を形成する。材料としては、実施例１と同様、クリーニング層１０７ｘとしてイリジウムを用い、クリーニングストップ層１０７ｙとしてタンタルを用いた。まず、基体１０１表面に上部保護層１０７の材料であるイリジウムの前駆体を導入し、あらかじめスパッタリング法で基体１０１表面に形成した厚さ１００ｎｍの密着層１０９表面で反応させる。次に、Ａｒガス等の不活性ガスで余分な前駆体を取り除く。この工程を繰り返し、原子層を１原子層ずつ積み上げ、２ｎｍの膜厚のクリーニング層１０７ｘを得た。引き続いて、クリーニングストップ層１０７ｙの材料であるタンタルの前駆体を導入し、上部保護層１０７の表面で反応させる。先ほどと同様に、Ａｒガス等の不活性ガスで余分な前駆体を取り除きタンタルの原子層を１層形成し、この工程を繰り返すことで、２ｎｍの膜厚のクリーニングストップ層１０７ｙを得た。これらの工程を繰り返すことで、クリーニング層１０７ｘが２５層、クリーニングストップ層１０７ｙが２５層、それぞれ交互に合計５０層積層され、合計膜厚が１００ｎｍとなる上部保護層１０７を形成した。
この手法では、原子層レベルでの均一な膜質制御が可能となり、薄膜でありながら非常に高い膜質が得られるため、積層回数を増やすことが可能となる。また電極配線層１０５のギャップ等の段差部においても、膜厚を増やすことなく、非常に高い被覆性を得ることが可能となる。
以下の工程は実施例１と同様であるため、説明は省略する。
（ヘッド評価）
上記工程に従い製造した液体吐出ヘッドを用いて、コゲの除去実験を実施し、本実施形態の効果を確認した。
実験方法は、実施例１と同様、熱作用部１０８に対応する１０７ａ上にコゲが堆積するように所定条件で発熱部１０４’を駆動した後、上部保護層１０７に通電することによりコゲ除去処理を実施するものとした。インクはＢＣＩ−７ｅＭ（キヤノン製）を用いた。
まず、電圧２０Ｖおよび幅１．５μｓの駆動パルスを周波数５ｋＨｚで５．０×１０６回、発熱部１０４’に印加した。熱作用部１０８に対応する１０７ａ上には、ほぼ均一にコゲと呼ばれるインク中の不純物が堆積していた。この状態の液体吐出ヘッドを用いた記録を行うと、コゲの堆積により記録品位が低下していることが確認された。
次に、上部保護層１０７ａに接続している外部電極１１１に１０ＶのＤＣ電圧を３０秒間印加した。このとき、上部保護層の領域１０７ａをアノード電極、領域１０７ｂをカソード電極とした。
この一連のサイクルを合計２５回繰り返した。いずれの場合も、電気化学反応により、上部保護層１０７のクリーニング層１０７ｘがインク中へ溶出した。そして、その直下のクリーニングストップ層１０７ｙが陽極酸化されることで電気化学反応がストップすることが確認できた。また、その後の吐出動作によってクリーニングストップ層１０７ｙが溶出し、クリーニング層１０７ｘが最上面になることが確認できた。
以上述べたように、原子層積層法によって形成された上部保護層１０７の積層構造は、積層される膜厚が薄いため、全体の膜厚を厚くすること無く、積層構造の繰り返し数を増やすことができる。これにより、コゲ除去動作の回数を増やすことができ、実施例１の膜質で設けた上部保護層１０７を用いるより長期間、高品位で信頼性の高い印字が可能となる。
（その他の実施例）
上述の実施例においては、クリーニング層１０７ｘと、クリーニングストップ層１０７ｙとの厚さが同一の例を示したが、クリーニングストップ層１０７ｙはクリーニング層１０７ｘより厚くしてもよい。
たとえば、クリーニング層１０７ｘにイリジウムを、クリーニングストップ層１０７ｙにタンタルを用いた場合を検討する。イリジウムはタンタルと比較して、約３倍の熱伝導率もあるため、クリーニング層１０７ｘが厚すぎる場合にはインクを吐出する際に利用される熱エネルギーがインクに十分に伝わらず、吐出効率が低下する恐れがある。従って、上部保護層１０７の積層構造としては、クリーニングストップ層１０７ｙがクリーニング層１０７ｘの２倍以上５倍以下の厚さがあるのが好ましい。具体的には、タンタルが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下で、クリーニング層１０７ｘが１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲であればよい。実施例２の原子層堆積法にて、原子層の繰り返し数を変えることで、クリーニングストップ層１０７ｙを４ｎｍ、クリーニング層１０７ｘを２ｎｍとしたヘッドを作成することができる。
また、逆に、クリーニングストップ層１０７ｙはクリーニング層１０７ｘより薄くてもよい。これは、クリーニングストップ層１０７ｙを十分薄くすることで、インクへの溶出を速やかに行うことができるという理由からである。クリーニングストップ層１０７ｙが薄いため、上部保護層としての機能を果たすためには、クリーニング層１０７ｘはある程度の厚さがあるのが好ましい。すなわちクリーニング層１０７ｘがクリーニングストップ層１０７ｙの２倍以上１０倍以下の厚さがあるのが好ましい。具体的には、クリーニング層１０７ｘが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲で、クリーニングストップ層１０７ｙが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であればよい。
１ 液体吐出ヘッド
１００ 液体吐出ヘッド用基板
１０１ 基体
１０２ 蓄熱層
１０４ 発熱抵抗体層
１０４’ 発熱部
１０５ 電極配線層
１０６ 下部保護層
１０７ 上部保護層
１０７ａ 上部保護層のアノード領域
１０７ｂ 上部保護層のカソード領域
１０７ｘ 上部保護層のクリーニング層
１０７ｙ 上部保護層のクリーニングストップ層
１０８ 熱作用部
１０９ 密着層
１２０ 流路形成部材
１２１ 吐出口

Claims (11)

  1. 液体を吐出口から吐出するために利用される熱エネルギーを発生する素子と、
    少なくとも前記素子を覆うように設けられ、第１の層と第２の層とが交互にそれぞれ２層以上積層した保護層と、が設けられた液体吐出ヘッド用基板と、
    前記吐出口に連通する流路の壁を有し、前記壁を内側にして前記液体吐出ヘッド用基板と接することで前記流路を形成する流路部材と、
    前記流路に設けられた流路内電極とを有する液体吐出ヘッドであって、
    前記保護層がアノード電極に、前記流路内電極がカソード電極となるように電圧を印加したときに、前記第１の層は液体に接すると溶出する材料からなり、前記第２の層は液体に接すると不動態となる材料からなることを特徴とする液体吐出ヘッド。
  2. 前記第１の層はイリジウム及びルテニウムの少なくとも一方を含む材料からなることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
  3. 前記第２の層はタンタル及びニオブの少なくとも一方を含む材料からなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
  4. 前記第１の層と前記第２の層とは、それぞれ原子層堆積法により設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
  5. 前記第１の層及び前記第２の層は、それぞれ厚さが１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
  6. 前記第２の層の厚さは、前記第１の層の厚さより大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
  7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の液体吐出ヘッドを有する液体吐出装置であって、前記保護層と前記流路内電極との間に電圧を印加する手段を有することを特徴とする液体吐出装置。
  8. 前記第１の層が液体と接しているときに、前記保護層と前記流路内電極との間に電圧を印加することで、前記第１の層を溶出し、前記第２の層を露出させる工程と、
    前記保護層と前記流路内電極との間に電圧を印加することで、露出された前記第２の層を不動態とする工程と、
    を有する、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の液体吐出ヘッドのクリーニング方法。
  9. 液体を吐出するために利用される熱エネルギーを発生する素子と、
    少なくとも前記素子を覆うように設けられ、第１の層と第２の層とが交互にそれぞれ２層以上積層した保護層と、を有する液体吐出ヘッド用基板であって、
    前記保護層に、該保護層がアノード電極となるように電圧を印加したときに、前記第１の層は液体に接すると溶出する材料からなり、前記第２の層は液体に接すると不動態となる材料からなることを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。
  10. 液体を吐出するために利用される熱エネルギーを発生する素子と、
    少なくとも前記素子を覆うように設けられ、第１の層と第２の層とが交互にそれぞれ２層以上積層した保護層と、を有する液体吐出ヘッド用基板であって、
    前記第１の層はイリジウム及びルテニウムの少なくとも一方を含む材料からなり、前記第２の層はタンタル及びニオブの少なくとも一方を含む材料からなることを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。
  11. 液体を吐出口から吐出するために利用される熱エネルギーを発生する素子と、
    少なくとも前記素子を覆うように設けられ、第１の層と第２の層とが交互にそれぞれ２層以上積層した保護層と、が設けられた液体吐出ヘッド用基板と、
    前記吐出口に連通する流路の壁を有し、前記壁を内側にして前記液体吐出ヘッド用基板と接することで前記流路を形成する流路部材と、
    前記流路に設けられた流路内電極とを有する液体吐出ヘッドであって、
    前記第１の層はイリジウム及びルテニウムの少なくとも一方を含む材料からなり、前記第２の層はタンタル及びニオブの少なくとも一方を含む材料からなることを特徴とする液体吐出ヘッド。
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