JPH03234635A - 液体噴射記録ヘッド用基本及び前記基体を用いた液体噴射記録ヘッド及び液体噴射記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〕 本発明は、インク等の記録用の液体を熱エネルキーを利
用して吐出させて記録を行なう液体噴射記録ヘッドに関
する。

〔従来の技術〕

インク等の記録用の液体（以後、単に液体と称する）の
吐出に熱エネルギーを利用する液体噴射記録ヘッドは、
例えば第３図（Ａ）及び（Ｂ）に不すように、液体に作
用させる熱エネルギーを発生させる熱エネルギー発生体
として利用される発熱抵抗体２ａを支持体１上に配置し
て構成された基体８上の発熱抵抗体２ａに対応する位置
に、液体が吐出される吐出ロアと、液路６及び必要に応
じて該液路に液体を供給するための液室１０を形成した
構成を有する。

また、基体８は、第２図（Ａ）及び（Ｂ）に示すように
、支持体１上に少なくとも電極層３及び発熱抵抗層２を
積層し、これらを所定の形状にパターンニングして所定
間隔をおいた一対の電極（３ａ、３ｂ）に電気的に接続
された発熱抵抗体２ａを有する電気熱変換体を形成する
ことにより得ることかできる。

なお、基体８の有する電極（３ａ、３ｂ）及び／または
発熱抵抗体２ａ上には、保護層４等の各種の上部層が必
要に応して設けられる。

このような構成の液体噴射記録ヘッドに用いられる基体
８の形成に利用する支持体１としては、従来よりシリコ
ン、ガラス、セラミックス等からなる板か用いられてき
た。

これらの中では、以下のような理由からシリコンからな
る支持体かもっばら利用されるに至っている。

ガラス基体を用いた基体を組み込んだ記録ヘッドにおい
ては、ガラス支持体が熱伝導性に劣るために、発熱抵抗
体の駆動周波数を高くした場合に、支持体部で蓄熱が生
じ、その結果記録ヘッド内の液体が加温されて気泡を包
含し、液体の吐出不良等の欠陥が生じ易い。

セラミックス支持体としては、アルミナ支持体か、比較
的大きなサイズの基体を製作でき、熱伝導性もガラスに
比へて良好であるという利点を有するか、原料パウダー
を焼成するという製造方法に起因して、数μｍ〜数１０
μｍ程度のサイズのピンホールや突起等の表面欠陥が発
生し易い。また、その表面粗度は、通常Ｒａ０．１５程
度と、電気熱変換体等の耐久性良い積層形成に最適な面
粗度が得られない場合が多く、アルミナ支持体を用いた
基体を組み込んだ記録ヘッドにおいては、アルミナ支持
体上の電気熱変換体等に剥離等が生し、耐久寿命が短い
場合かある。

支持体の表面をポリッシュして面粗度を上げて、電気熱
変換体等の密着性等を向上させる方法もあるか、アルミ
ナは高硬度材のため、小′リッシュ加工によフて面粗度
を調節するには限界かある。

また、アルミナグレーズ支持体は、クレーズ層か設けら
れていることによってアルミナ支持体におけるピンホー
ルや突起等の表面欠陥の発生及び表面粗度における問題
が改善されたものであるか、グレーズ層の厚さを薄くす
る（４０〜５０μｍ程度以下にする）のに限界があり、
そのため、ガラス基体と同様に基板への過度の蓄熱の問
題がある。

これらに対して、シリコン基体は上述のガラスやセラミ
ック等からなる支持体における問題点がないという利点
がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

シリコン支持体を用いる場合、より良好な記録ヘッド特
性を得る目的で、蓄熱性と放熱性の良好なバランスを確
保するため、蓄熱層を支持体表面に設けるのが一般的で
ある。

この蓄熱層の形成方法としては、スパッタリング等の真
空成膜技術を用いてＳ　ｉ　０２等の低熱伝導性の膜を
シリコン基村上に成膜する方法がある。

しかしながら、この真空成膜技術を用いた方法では、成
膜速度が遅いという問題がある上に、成膜中にゴミ等が
蓄熱層中に混入して層品質が低下する場合かあった。更
に、成膜条件によっては、充分な基材と蓄熱層の密着性
が得られず、記録ヘッドの製造工程の最終段階における
積層体の切断による吐出口形成時にチッピングが多数発
生して、記録特性を低下させたり、吐出耐久試験におい
て早期にキャビテーション破壊を起こす場合かあった。

このような問題を解決する方法として、シリコン基材の
表面に熱酸化により蓄熱層としての５ｉ０２層を形成す
る方法が知られている。

この方法をとることによって従来の問題は大幅に改善さ
れたが、バラツキのない安定した品質の吐出口の形成や
記録ヘッドの耐久性という点において満足できない場合
があった。

本発明の目的はシリコン基部に対する蓄熱層として熱酸
化層（Ｓ　ｉ　０２層）の密着性を充分に確保すること
で、バラツキのない安定した品質の吐出口の形成が可能
であり、印字品位、耐久性等の特性に優れた液体噴射記
録ヘッド、該記録ヘッド用基体及び該記録ヘッドを装着
した液体噴射記録装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の液体噴射記録ヘッド用基体は、支持体と、該支
持体上に設けられ、発熱抵抗体と該発熱抵抗体に電気的
に接続された電極とを有する電気熱変換体とを有する液
体噴射記録ヘッド用基体において、前記支持体が不純物
濃度が８ｘｌＯ”原子／ｃｍ’以下であるシリコン基材
の表面に熱酸化層を形成したのもであることを特徴とす
る。

また、本発明の液体噴射記録ヘッドは、上記基体上に、
該基体の有する発熱抵抗体から発生した熱エネルギーを
利用して液体が吐出される吐出口を設けたことを特徴と
する。

本発明の液体噴射記録装置は、上記記録ヘッドを装着す
るための装着部と、該装着部に装着された液体噴射記録
ヘッドによる記録位置へ記録媒体を搬送する搬送手段と
、を有することを特徴とする。

液体噴射記録ヘッド用基板としてＳｉ基体を用いる場合
の一般的な要求特性としては、高熱伝導性、化学的安定
性、表面形状、寸法安定性、機械加工性等があり、半導
体としての特性は必要としない。そのため、半導体タイ
プ（Ｉ型、Ｐ型）、不純物種類、不純物濃度、面方位等
についての許容規定は特に限定することなく使用されて
いた。

しかしながら、本発明者らの検討によれば、熱酸化層を
蓄熱層として利用するシリコン支持体を用いた基体を利
用する液体噴射記録ヘッドにおいては、シリコン基材の
不純物濃度の記録ヘッドの構造上の特性、特に耐久性に
影響し、その濃度を適切な範囲とすることで、耐久性の
改善された記録ヘッドが提供できることが新たに見い出
された。

以下、図面により本発明に一例を具体的に説明する。

第１図は、本発明の液体噴射記録ヘッド用基体の構成に
用いられるシリコン支持体の断面図である。

シリコン支持体１は、シリコンからなる基部１ａと、蓄
熱層としての５ｌｏ２層ｌｂとを有する。

Ｓ　ｉ　０２層ｌｂは、前述したようにシリコン基材の
表面に熱酸化によって形成されたものである。

シリコン支持体１形成用のシリコン基材としては、Ｎ型
、Ｐ型、＜１００＞、＜１１１＞の面方位にかかわらず
種々のものが利用できるが、その不純物濃度は、８Ｘ１
０１７原子／　ｃ　ｍ　２以下とされる。

熱酸化によるＳｉＯ□層の形成は、常法により行うこと
ができ、所望とする５ｉｎｚ層の厚さなどによって適宜
調節されるが、例えばバブリング法による酸素導入下で
の１１５０℃、１４時間程度の一般的な処理が利用でき
る。

なお、Ｓ　ｉ　０２層の厚さは、所望とする記録ヘッド
の設計に応じて適宜選択される。

なお、５ｉ０２層は支持体１の少なくとも発熱抵抗体が
設けられる位置に形成される。

第１図に示す支持体１の５ｉ０２層ｌｂ上に、例えば第
２図（ａ）及び（ｂ）に示すような電極層３及び発熱抵
抗体層２を所定の形状にパターニングして電気熱変換体
を形成し、更に必要に応じて保護層４を設けることによ
って、液体噴射記録ヘッド用基体８を得ることができる
。

なお、電気熱変換体の形状や保護層４の構成などは図示
されるものに限定されない。

次に、液体噴射記録ヘッド用基体８上に、例えば第３図
（ａ）及び（ｂ）に示すように、液路６、吐出ロア及び
必要に応じた液室１ｏを形成することによって本発明の
液体噴射記録ヘッドを形成することができる。

なお、記録ヘッドの構造も、図示されるものに限定され
ない。

例えば、図示した例は、吐出口から液体が吐出する方向
と液路の熱エネルギー発生体の発熱部が設けられた個所
へ液体が供給される方向とがほぼ同じである構成をとる
が、本発明はこれに限られるものではなく、例えば前記
２つの方向が互いに異なる（例えばほぼ垂直である）液
体噴射記録ヘッドに対しても適用できるものである。

また、本発明の構成は、基体上に液路等を形成した積層
体の発熱抵抗体の下流（記録ヘッド内の液体の流れに置
ける下流部）の所定位置、例えば第４図に示すようなり
−Ｂを切断して吐出口を形成する場合、チッピングの発
生を効果的に防止できるので、このような製造工程を利
用するタイプの記録ヘッドに特に好適である。

［実施例］ 表１に示す１９種のシリコン基材（厚さ１．１ｍｍ）を
、パブリンク法による酸素導入下での１１５０℃、１４
時間の条件で熱酸化処理し、方の表面に熱酸化層（Ｓ　
ｉ　０２層）を形成した。

得られた熱酸化層の厚さは２．８〜３μｍの範囲にあっ
た。

得られた熱酸化層付きシリコン支持体からビールテスト
用サンプルと、ヘッド製作用の支持体を切り出した。

各ビールテスト用サンプルを用い以下の条件のビールテ
ストを行った。

ａ）サンプルの作製 シリコン支持体に、プレート’　　ＮＢＣ−２１０６０
（ディスコ）を用いた１０ｍｍ／ｓの切削スピードでの
ＳｉＯ２層側からのダイシングによって、深さ５０μｍ
、ＸＹ両方向における１ｍｍの間隔の升目の切り込みを
形成した。

ｂ）ビール方法 第５図に示す用に、アルミニウム板１４上に、サンプル
１２の適当数をその切り込み面か上になるように接着し
、更に切り込み面にニット−ポリエステルチーブＮｏ、
３１５（商品名）１１を貼付け、テープを１５ｃｍ／秒
の速度で剥がし、ＳｉＯ□層の剥離か生じたかどうかを
観察した。

その結果、表１に示すように、Ｎｏ、１１〜１８の支持
体において５１０２層の剥離か観察された。

方、ヘッド製作用の各支持体にフォトリソグラフィーに
よるパターン技術を利用して第２図に示す構成で、Ｈ，
Ｂ２からなる発熱抵抗体２（２０μｍＸ１００μｍ、厚
さ０．１６μｍ、配列密度１６ｐｅｌ）及び各発熱抵抗
体２ａに接続されたＡＩＬからなる電極３（厚さ０．６
μｍ、幅２０μｍ）を形成した。

次に、電極及び発熱抵抗体が形成された部分の上部にＳ
ｉＯ２／Ｔａからなる保護層４（厚さ２μｍ１０．５μ
ｍ）をスパッタ法により成膜した。

次に第４図に示したような液路６及び液室（不図示）等
をドライフィルムにより形成し、最後にスライサー切断
により吐出口面を形成する面Ｂ−Ｂを切断して、第３図
に示す構成の液体噴射記録ヘッドを得た。

得られた各記録ヘッドの吐出口形成面（Ｂ−Ｂ切断面）
を光学顕微鏡（ｘｌＯＯ）で観察したところ、表１に示
すようにＮｏ、１１〜１８の支持体を用いた場合に第６
図に示すようなチッピング（欠け）が認められた。

次に、得られた各記録ヘッドを用いて印字テストを行な
ったが、表１に示すようにＮ００１〜１Ｏ１５の支持体
を用いた場合では、印字品位の良い記録が行なえた（Ｏ
Ｋ）か、Ｎｏ、１１〜１８の支持体を用いた場合につい
ては印字品位が不合格（×）であった。

次に、各発熱抵抗体に１．ＩＶｔｈ、パルス幅９μｓの
印字信号を印加して各吐出口から液体を吐出させ、発熱
抵抗体が断線するまでの電気信号のサイクル数を測定し
、その耐久性を評価した。

得られた結果は表１の通りであり、慟、１１〜１８の支
持体を用いた記録ヘッドにおいて早期にキャビテーショ
ン破断か起きた。

以上の結果から、Ｎ型、Ｐ型、＜１００＞、＜１１１＞
面方位にかかわらず、不純物濃度が８ｘｌＯ”原子／　
ｃ　ｍ　２以下のＳｉ基板を熱酸化したものについては
、ビールテストで熱酸化層の剥離がなく、吐出口切断時
のチッピングもなく、印字テスト、ヒータ耐久テスト共
に問題か発生しなことが確認された。

第７図は、本発明の液体噴射記録ヘッドを装着した記録
装置（ＩＪＲＡ）２１の一例の外観斜視図である、 図において、２０はプラテン２４上に送紙されてきた記
録紙の記録面に対向してインク（記録用の液体）の吐出
を行なう上述した構成の本発明の記録ヘッドを有するイ
ンクジェットカートリッジ（ＩＪＣ）である。２５は記
録ヘッド２０を保持するキャリッジ（ＨＣ）であり、駆
動モータ２７の駆動力を伝達する駆動ベルト２８の一部
と連結し、互いに平行に配設された２木のガイドシャフ
ト２９Ａおよび２９Ｂと摺動可能とすることにより、記
録ヘッド２０の記録紙の全幅にわたる往復移動が可能と
なる。なお、キャリッジ２５には必要数の記録ヘッドが
装着される。

２６はヘッド回復装置であり、記録ヘッド２０の移動経
路の一端、例えばホームポジションと対向する位置に配
設される。伝動機構溝２３を介したモータ２２の駆動力
によって、ヘッド回復装置２６を動作せしめ、記録ヘッ
ド２０のキャッピングを行なう。このヘッド回復装置２
６のキャップ部２６Ａによる記録ヘッド２０へのキャッ
ピングに関連させて、ヘッド回復装置２６内に設けた適
宜の吸引手段によるインク吸引もしくは記録ヘッド２０
へのインク供給経路に設けた適宜の加圧手段によるイン
ク圧送を行ない、インクを吐出し口より強制的に排出さ
せることによりノズル内の増粘インクを除去する等の吐
出回復処理を行なう。また、記録終了時等にキャッピン
グを施すことにより記録ヘッドが保護される。

３１はヘッド回復装置２６の側面に配設され、シリコン
ゴムで形成されるワイピング部材としてのブレードであ
る。ブレード３０はブレード保持ｉ材３０Ａにカンチレ
バー形態で保持され、ヘッド回復装置２６と同様、モー
タ２２および伝動機構２３によフて動作し、記録ヘッド
２０の吐出面との係合が可能となる。これにより、記録
ヘッド２０の記録動作における適切なタイミングで、あ
るいはヘッド回復装置２６を用いた吐出回復処理後に、
ブレード３１を記録ヘッド２０の移動経路中に突出させ
、ヘッド２０の移動動作に伴なフてヘッド２０の突出面
における結露、濡れあるいは塵埃等をふきとる。

〔発明の効果〕

本発明により、シリコン支持体の不純物濃度を１８Ｘ１
０１７ｉ子／ｃｍ３以下に限定することで熱酸化層の密
着性のバラツキがなくなり、良好な密着性が確保される
ことで、印字品位、耐久性に優れた液体噴射記録ヘッド
を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基体の形成に用い得る支持体の構成を
示す断面図、第２図（Ａ）は液体噴射記録ヘッド用基体
の平面部分図、第２図（Ｂ）は第２図（Ａ）のＡ−Ａ線
に沿った断面図、第３図（Ａ）は液体噴射記録ヘッドの
主要部の液路に沿った断面図、第３図（Ｂ）はその展開
斜視図、第４図は液体噴射記録ヘッド製造過程における
中間積層体の発熱抵抗体付近の断面図、第５図はビール
テストの概略をし示す側面図、第６図はチッピング発生
状態を模式的に示した吐出口側側面図、第７図は本発明
の液体噴射記録装置の一例の外観斜視図である。 １・−支持体 １ｂ−−−３ｉＯ□ ２・・・発熱抵抗層 ３・−電極層 ４・・・保護層 ６・・・液路 ８・・・基体 １０・・・液室 ２０−・・インクジェットカートリッジ２１−・・液体
噴射記録装置 ２２−・・モータ　　　２３−・・伝動機構ｌａ−・・
Ｓｉ基部 （熱酸化層） ２ａ・・発熱抵抗体 ３ａ、３ｂ−−−電極 ５・・・天板 ７・・・オリフィス ９・・・液体供給口 層 第 図 第 図 ４・・・プラテン　　２５・・・キャリッジ６・・・ヘ
ッド回復装置 ７・・・駆動モータ　２８・・・駆動ベルト９Ａ、２９
Ｂ−・・ガイドシャフト ０・・・ブレード ＯＡ・・・ブレード保持部材

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）支持体と、該支持体上に設けられ、発熱抵抗体と該
   発熱抵抗体に電気的に接続された電極とを有する電気熱
   変換体とを有する液体噴射記録ヘッド用基体において、
   前記支持体が不純物濃度が８×１０＾１＾７原子／ｃｍ
   ＾３以下であるシリコン基材の表面に熱酸化層を形成し
   たのもであることを特徴とする液体噴射記録ヘッド用基
   体。 ２）請求項１に記載の基体上に、該基体の有する発熱抵
   抗体から発生した熱エネルギーを利用して液体が吐出さ
   れる吐出口を設けたことを特徴とする液体噴射記録ヘッ
   ド。 ３）請求項２に記載の液体噴射記録ヘッドを装着するた
   めの装着部と、 前記装着部に装着された液体噴射記録ヘッドによる記録
   位置へ記録媒体を搬送する搬送手段と、を有することを
   特徴とする液体噴射記録装置。