JPH06305145A

JPH06305145A - サーマルインクジェットヘッド

Info

Publication number: JPH06305145A
Application number: JP10065293A
Authority: JP
Inventors: Takuro Sekiya; 卓朗関谷
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1993-04-27
Filing date: 1993-04-27
Publication date: 1994-11-01

Abstract

(57)【要約】【目的】機械的に脆い性質を持つ単結晶シリコンウエ
ハにより流路基板を作製する場合において、流路用溝が
破損しない強度を確保すること。【構成】蓄熱層と発熱層とこの発熱層に通電するため
の電極と保護層とを形成した発熱体基板に対して積層さ
せる流路基板３を、（１００）面に切出された単結晶シ
リコンウエハによるものとし、その（１００）面に異方
性エッチングにより２つの（１１１）面よりなる断面Ｖ
字状に流路用溝６を形成するとともに、その厚さｔをこ
れらの流路用溝６の深さｈの１０倍以上とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ノンインパクト記録用
ヘッドの一つである発熱体基板と流路基板とを積層させ
たヘッド構造のサーマルインクジェットヘッドに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ノンインパクト記録法は、記録時におけ
る騒音の発生が無視し得る程度に極めて小さいという点
において、関心の高い記録法とされている。中でも、高
速記録が可能で、特別な定着処理を必要とせず所謂普通
紙に記録を行うことが可能な、所謂インクジェット記録
法は極めて有力な記録法である。そこで、従来において
もインクジェット記録法に関して様々な方式が提案さ
れ、種々の改良も加えられ、現に商品化されているもの
や、実用化に向けて開発段階のものもある。

【０００３】このようなインクジェット記録法は、所謂
インクと称される記録液体の小滴（droplet)を飛翔させ
て普通紙などの記録媒体に付着させて記録を行うもので
ある。その一例として、例えば本出願人提案による特公
昭５６−９４２９号公報に示されるようなものがある。
これは、要約すれば、液室内のインクを加熱して気泡を
発生させることでインクに圧力上昇を生じさせ、微細な
毛細管ノズルからインクを飛び出させて記録するように
したものである。

【０００４】その後、このようなインク飛翔原理を利用
して多くの提案がなされている。これらの提案の中で、
例えば特開平２−６７１４０号公報に示されるような流
路基板の製法が本出願人により提案されている。これ
は、単結晶シリコン（Ｓｉ）の異方性エッチングを利用
したＶ字溝を流路とするようにしたものである。このよ
うに形成されるインク流路は、Ｖ字溝の両側２面を形成
する面が（１１１）面となり、単結晶の精度で形成で
き、かつ、その面も非常に滑らかとなるため、インクジ
ェットの流路として考えた場合、非常に都合のよいもの
となる。

【０００５】一方、従来より単結晶Ｓｉの異方性エッチ
ングにより角錐状（断面矩形状）の窪みを形成し、その
先端が吐出ノズルとなるような、所謂シリコンノズルを
作製する方法も、例えば特開昭５０−１４４３３８号公
報、特開昭５１−８４６４１号公報、特開昭５１−８７
９２４号公報等により広く知られている。この際、ノズ
ル先端部が鋭角であり、非常に壊れやすいため、ＳｉＯ
₂ 膜、Ａｕ膜などによって保護することもよく知られて
いる。これらは、（１００）面から異方性エッチングを
行うことによって、角錐状の窪みを形成する方法に関す
るものであり、＜１００＞軸方向にインクが噴射する構
成とされている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、Ｖ字状溝に
よる場合も角錐状溝による場合も、流路基板が単結晶基
板を材料としているため、ヘッド作製途中でこれらの流
路が破損してしまうことが多々有り、歩留まり上、改善
が要望されている。特に、前者のように、Ｖ字状溝によ
り流路を形成し、＜１１０＞軸方向にインクを流す方式
のものについては、未だ、研究が不十分であり、その破
損を生ずる形態ないしは破損に対する防止策については
不十分なものとなっている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、蓄熱層と発熱層とこの発熱層に通電するための電極
と保護層とを形成した発熱体基板と、（１００）面に切
出された単結晶シリコンウエハの前記（１００）面上に
異方性エッチングにより２つの（１１１）面よりなる断
面Ｖ字状に形成した流路用溝を有してこの溝面を発熱面
に相対させて前記発熱体基板上に積層させたこれらの流
路用溝の深さの１０倍以上の厚さの流路基板とにより構
成した。

【０００８】一方、請求項２記載の発明では、蓄熱層と
発熱層とこの発熱層に通電するための電極と保護層とを
形成した発熱体基板と、（１１０）面に切出された単結
晶シリコンウエハの前記（１１０）面に異方性エッチン
グにより２つの（１１１）面が前記（１１０）面に対し
て垂直となる断面矩形状に形成した流路用溝を有してこ
の溝面を発熱面に相対させて前記発熱体基板上に積層さ
せたこれらの流路用溝の対角線長さの１０倍以上の厚さ
の流路基板とにより構成した。

【０００９】これらの発明において、請求項３記載の発
明では、溝内部の角部に１μｍ以上の厚さのＳｉＯ₂ 膜
を有する流路用溝とした。

【００１０】

【作用】請求項１記載の発明においては、単結晶シリコ
ンウエハの異方性エッチングにより断面Ｖ字状の流路用
溝を形成した流路基板の厚さを、これらの流路用溝の深
さの１０倍以上とし、請求項２記載の発明においては、
単結晶シリコンウエハの異方性エッチングにより断面矩
形状の流路用溝を形成した流路基板の厚さを、これらの
流路用溝の対角線長さの１０倍以上としたので、単結晶
シリコンウエハを使用しても必要な強度を確保でき、流
路用溝を破損させることなくヘッド作製を行えるものと
なり、歩留まりが向上する。

【００１１】これらの発明において、請求項３記載の発
明においては、断面Ｖ字状の流路用溝や断面矩形状の流
路用溝の内部の角部に１μｍ以上の厚さのＳｉＯ₂ 膜を
形成することで、角部に丸みを持たせることができ、こ
れにより、角部への応力集中を緩和でき、長期使用環境
においても流路を破損から保護し得るものとなる。

【００１２】

【実施例】請求項１記載の発明の一実施例を図１ないし
図７に基づいて説明する。まず、本実施例のサーマルイ
ンクジェットヘッドの構成及び動作原理を図２ないし図
３を参照して説明する。このヘッドチップ１は図２に示
すように発熱体基板２上に流路基板３を積層させたもの
である。ここに、流路基板３には表裏に貫通したインク
流入口４が形成されているとともに、ノズル５を形成す
るための流路用溝６が複数本形成されている。前記イン
ク流入口４はこれらの流路用溝６に連なったインク供給
室領域に連通している。また、発熱体基板２上には図３
に示すように各ノズル５（流路用溝６）に対応してエネ
ルギー作用部を構成する発熱体（ヒータ）８が複数個形
成され、各々個別に制御電極９に接続されているととも
に共通電極１０に共通接続されている。これらの電極
９，１０の一端は発熱体基板２の端部まで引出され、駆
動信号導入部となるボンディングパッド部１１とされて
いる。ここに、発熱体基板２の発熱面上に流路基板３の
溝面側を相対させて積層接合することにより、流路用溝
６及びインク供給室領域は閉じられた状態となり、先端
にノズル５を有するインク流路とインク供給室７とが形
成される。

【００１３】このようなヘッドチップ１において、サー
マルインクジェットによるインク噴射は図４に示すよう
なプロセスにより行われる。まず、定常状態では同図
（ａ）に示すような状態にあり、ノズル５先端のオリフ
ィス面でインク１４の表面張力と外圧とが平衡状態にあ
る。ついで、ヒータ８が加熱され、その表面温度が急上
昇し隣接インク層に沸騰現象が起きるまで加熱されると
同図（ｂ）に示すように、微小な気泡１５が点在する状
態となる。さらに、ヒータ８全面で急激に加熱された隣
接インク層が瞬時に気化し、沸騰膜を作り、同図（ｃ）
に示すように気泡１５が成長する。この時、ノズル５内
の圧力は、気泡１５の成長した分だけ上昇し、オリフィ
ス面での外圧とのバランスが崩れ、オリフィスよりイン
ク柱１６が成長し始める。同図（ｄ）は気泡１５が最大
に成長した状態を示し、オリフィス面より気泡１５の体
積に相当する分のインク１４が押出される。この時、ヒ
ータ８には既に電流が流れていない状態にあり、ヒータ
８の表面温度は降下しつつある。気泡１５の体積の最大
値は電気パルス印加のタイミングよりやや遅れたものと
なる。やがて、気泡１５はインク１４などにより冷却さ
れて同図（ｅ）に示すように収縮し始める。インク柱１
６の先端部では押出された速度を保ちつつ前進し、後端
部では気泡１５の収縮に伴うインク流路の内圧の減少に
よってオリフィス面からインク流路内にインク１４が逆
流し、インク柱１６基部にくびれが生ずる。その後、同
図（ｆ）に示すように気泡１５がさらに収縮し、ヒータ
８面にインク１４が接し、ヒータ８面がさらに冷却され
る。オリフィス面では外圧がインク流路内圧より高い状
態になるため、メニスカスが大きくインク流路内に入り
込んでくる。インク柱１６の先端部は液滴１７となって
記録紙（図示せず）の方向へ５〜１０m／secの速度で飛
翔する。その後、同図（ｇ）に示すように毛細管現象に
よりオリフィスにインク１４が再び供給（リフィル）さ
れて同図（ａ）の定常状態に戻る過程で、気泡１５は完
全に消滅する。

【００１４】ついで、このようなヘッドチップ１を構成
する発熱体基板２、流路基板３等について詳細に説明す
る。まず、発熱体基板２について説明する。この発熱体
基板２用の基板としては、アルミナセラミックス、ガラ
ス、Ｓｉウエハなどが用いられる。アルミナセラミック
スの場合には、蓄熱層としてグレーズ層を設けたものが
用いられる。或いは、スパッタリング等の技術によって
ＳｉＯ₂ を数μｍの厚さで形成したアルミナセラミック
ス板としてもよい。ガラスの場合、熱伝導率が低いため
ガラスそれ自体が蓄熱作用を持つので、蓄熱層を別個に
設ける必要はない。Ｓｉウエハの場合、材料の入手が容
易であり（半導体プロセス分野で大量に出回ってい
る）、各種の半導体プロセス装置を利用でき、量産性が
高く都合がよい。

【００１５】本実施例の発熱体基板２には、例えば、Ｓ
ｉウエハが用いられ、Ｓｉウエハ上にヒータ８等が形成
されることになる。このＳｉウエハは例えば拡散炉中で
Ｏ₂，Ｈ₂Ｏのガスを流しながら、８００〜１０００℃
の高温にさらされ、表面に熱酸化膜ＳｉＯ₂ を１〜２μ
ｍ成長させる。この熱酸化膜ＳｉＯ₂ は図５に示すよう
に蓄熱層２１として働き、後述するように発熱体で発生
した熱が発熱体基板２側に逃げないようにすることで、
インク方向に効率よく熱が伝わるようにするためのもの
である。この蓄熱層２１上にはヒータ８となる発熱層２
２が形成される。この発熱層２２を構成する材料として
は、タンタル‐ＳｉＯ₂ の混合物、窒化タンタル、ニク
ロム、銀‐パラジウム合金、シリコン半導体、或いは、
ハフニウム、ランタン、ジルコニウム、チタン、タンタ
ル、タングステン、モリブデン、ニオブ、クロム、バナ
ジウム等の金属の硼化物が有用である。金属の硼化物
中、特に優れているものは、硼化ハフニウムであり、以
下、硼化ジルコニウム、硼化ランタン、硼化タンタル、
硼化バナジウム、硼化ニオブの順となる。発熱層２２は
このような材料を用いて、電子ビーム蒸着法やスパッタ
リング法などの手法により形成される。発熱層２２の膜
厚としては、単位時間当りの発熱量が所望通りとなるよ
うに、その面積、材料及び熱作用部分の形状及び大き
さ、さらには、実際面での消費電力等によって決定され
るが、通常、０．００１〜０．５μｍ、より好ましくは
０．０１〜１μｍとされる。本実施例では、その一例と
してＨｆＢ₂ （硼化ハフニム）を材料として２０００Å
の膜厚にスパッタリング形成されている。

【００１６】電極９，１０を構成する材料としては、通
常使用されている電極材料の多くのものを使用し得る。
具体的には、例えばＡｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｃｕ等が
挙げられ、これらを使用して蒸着等の手法により発熱層
２２上の所定位置に所定の大きさ、形状、膜厚で形成さ
れる。本実施例では、例えばＡｌを用い、スパッタリン
グ法により膜厚１．４μｍの電極９，１０を形成した。

【００１７】ついで、これらの発熱層２２や電極９，１
０上には保護層２３が形成される。この保護層２３に要
求される特性は、ヒータ８部分で発生した熱をインクに
効率よく伝達することを妨げず、かつ、ヒータ８をイン
クから保護し得ることである。よって、この保護層２３
を構成する材料としては、例えば酸化シリコン、窒化シ
リコン、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化タ
ンタル、酸化ジルコニウム等がよい。これらを材料とし
て、電子ビーム蒸着法やスパッタリング法により保護層
２３が形成される。また、炭化珪素、酸化アルミニウム
等のセラミックス材料を用いてもよい。保護層２３の膜
厚としては、通常、０．０１〜１０μｍとされるが、好
ましくは、０．１〜５μｍ、最適には０．１〜３μｍ程
度とするのがよい。本実施例では、ＳｉＯ₂ 膜としてス
パッタリング法により１．２μｍの膜厚に形成した。

【００１８】さらに、保護層２３上に耐キャビテーショ
ン保護層２４が形成されている。この保護層２４は発熱
体領域を気泡発生によるキャビテーション破壊から保護
するためのものであり、例えば、Ｔａをスパッタリング
法により４０００Åの膜厚に形成される。さらに、その
上部には、電極９，１０対応位置に位置させて膜厚２μ
ｍのＲesin層が電極保護層２５として形成されている。

【００１９】次に、流路基板３について説明する。この
流路基板３は単結晶Ｓｉウエハ、より具体的には、図１
（ａ）に示すように（１００）面の結晶方位に切出され
たＳｉウエハが用いられる。この単結晶Ｓｉウエハは図
におけるＸ軸とＹ軸とが互いに直交する＜１１０＞とな
るように選定され、かつ、Ｘ‐Ｙ軸面（上下面）が単結
晶の（１００）面となるように選定されている。このよ
うにすると、単結晶の（１１１）面はＹ軸に平行で、か
つ、Ｘ‐Ｙ軸面に対して約５４．７°の角度で交わるこ
とになる。流路基板３に形成される流路用溝６は断面Ｖ
字状とされるが、このＶ字状溝はその２つの傾斜面が各
々（１１１）面で構成されている。（１１１）面は他の
結晶面に比べ水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、ヒト
ラジンのようなアルカリ系溶液によるエッチング速度が
極めて遅く、（１００）面をアルカリ系溶液でエッチン
グすると、（１１１）面で規制されたＶ字状溝を流路用
溝６として得ることができる。このようなＶ字状溝の上
部の幅はフォトエッチングの際のフォトレジストの間隔
で定まり、極めて精度の高いものとなる。また、Ｖ字状
溝の深さは（１００）面と（１１１）面とのなす角度
（約５４．７°）と上面の幅とで定まるので、これも極
めて精度の高いものとなる。さらには、エッチングによ
って現れた（１１１）面は極めて平滑で直線性のよいも
のとなる。

【００２０】ここに、このような単結晶Ｓｉウエハを用
いて、異方性フォトエッチング法により断面Ｖ字状の流
路用溝６を形成する方法について、図６を参照して説明
する。まず、図１（ａ）で説明したような結晶方位面で
切出された単結晶Ｓｉからなる流路基板３用のウエハを
用意する。図６（ａ）に示す状態では、紙面に対して垂
直方向が＜１１０＞軸、この基板３の上下面が（１０
０）面となる。このような基板３を、例えば８００〜１
２００℃程度の水蒸気雰囲気中に置き、表面全面に熱酸
化膜２６を形成する。熱酸化膜２６の膜厚はエッチング
深さの０．３％程度あれば十分である。ついで、同図
（ｂ）に示すように、熱酸化膜２６の上面全面に周知の
方法でフォトレジストを塗布し、これを写真乾板を用い
て露光し、現像を行い、フォトレジストパターン２７を
得る。ついで、同図（ｃ）に示すように、このフォトレ
ジストパターン２７により露出している部分の熱酸化膜
２６をフッ酸水溶液等により除去し、シリコンの露出部
３ａを得て、その後、フォトレジストパターン２７を取
り去る。このような状態にある基板３を、例えば５〜４
０％，８０℃の水酸化カリウム溶液中においてエッチン
グする。これにより露出部３ａのエッチングが進行する
が、（１１１）面のエッチング進行速度は（１００）面
におけるエッチング進行速度の０．３〜０．４％程度で
あるため、異方性エッチングとなり、露出部３ａの各溝
部からは基板３の上面（前述したように、（１００）面
である）に対し、tan~¹√２（約５４．７°）の角度を
なす（１１１）面が現れる。結局、エッチングにより形
成される流路用溝６の溝形状は同図（ｄ）に示すように
台形状となる。さらにエッチングを進めると、流路用溝
６は同図（ｅ）に示すように、２つの（１１１）面によ
って規制されたＶ字状溝となる。

【００２１】このようなＶ字状溝の精度について考察す
ると、まず、熱酸化膜２６端部の下溝における、いわゆ
るアンダカットは極めて小さく、純度の高い水酸化ナト
リウムを使用した場合、（１００）面のエッチング深さ
の０．２％程度でしかない。従って、Ｖ字状溝の幅
（Ｗ）は、フォトマスクの誤差を考慮に入れても±５μ
ｍ程度の精度とすることができる。また、Ｖ字状溝の底
部がなす角度は（１１１）面同士がなす角度（約７０．
６°）で決定される。Ｖ字形の深さ（ｄ）はＷ／√２と
なる。

【００２２】最後に、同図（ｆ）に示すように、エッチ
ングマスクに使用した熱酸化膜２６をフッ酸水溶液等に
より除去することによりＶ字状溝形状なる流路用溝６が
形成された単結晶Ｓｉのみによる流路基板３となる。

【００２３】このように異方性エッチングによりＶ字状
溝形状で形成された流路用溝６を有する流路基板３は、
前述したようにヒータ８等が形成された発熱体基板２上
に、接合又は圧接されて積層状態とされる。ここに、積
層されたこれらの基板２，３について、ヒータ８部分か
ら少し下流（１００〜２００μｍ程度）の領域におい
て、流路（流路用溝６）に対してほぼ垂直方向にダイシ
ングソーによって切断することによりインク吐出用のノ
ズル５が切出されてヘッドチップ１が完成する。図２は
このようにして完成したヘッドチップ１を示し、図７は
そのインク吐出ノズル５から見た一部を拡大して示す正
面図である。

【００２４】なお、インク吐出用のノズル５の形成方法
としては、上記のように、ダイシングソーによって切断
した面をそのまま直接インク吐出用ノズル面とする他、
例えば、図８に示すように、三角形状の吐出ノズル２８
ａを形成したノズル板２８を別個に用意し、これをヘッ
ドチップ１端面に接合させるようにしてもよい。このよ
うなノズル板２８は、例えばポリサルフォン、ポリエー
テルサルフォン、ポリフェニレンオキサイド、ポリプロ
ピレンなどの樹脂板（厚さは、１０〜５０μｍ程度）
に、エキシマレーザを照射して樹脂を除去・蒸発させる
ことにより吐出ノズル２８ａを形成したものとすればよ
い。このような製法によると、吐出ノズル２８ａ用の三
角形のマスクパターンに沿った精密な加工を簡単に行う
ことができ、高精度なノズル板２８が得られる。このノ
ズル板２８はヘッドチップ１の切断面に接着剤により接
合される。また、このような製法で得られる吐出ノズル
２８ａの大きさは、ヘッドチップ１の切断面におけるイ
ンク流路の断面の大きさと同等か、やや小さめとするの
がよい。何れにしても、このようにノズル板２８を別体
で設けたヘッド構造によれば、図２等に示したものに比
べ、インク噴射の安定性が高いものとなる。

【００２５】このような本実施例の基本構成によれば、
インク流路が非常に滑らかなため、インク噴射性能に優
れたものとなる。

【００２６】上述したようなヘッドチップ１の構成は、
本実施例の基本をなすものであるが、流路基板３を単結
晶Ｓｉウエハ製としているため、単結晶材料の持つ性質
として、機械的な衝撃に対して脆く、破損し易いという
欠点がある。この点、本実施例では下記のような実験例
に基づき、流路基板３をなす単結晶Ｓｉウエハの厚さを
適正にすることにより、歩留まりが向上するようにした
ものである。

【００２７】（実験例１）（１００）面を利用した断面
Ｖ字状の流路用溝６を有する３００dpi ，１２８ノズル
のヘッドチップ１を試作した。この場合に、流路基板３
を構成するために使用したＳｉウエハは直径５インチも
のとし、１枚のウエハから７mm×１３mmの流路基板チッ
プを１１２個とるようにした。また、流路用溝６の大き
さは、図１（ｂ）に示すように、溝幅ａ＝５４μｍ、深
さｈ＝３８μｍとなるように設定した。このような条件
下に、Ｓｉウエハの厚さｔを３３０μｍから４００μｍ
の範囲で１０μｍ刻みで変化させて得た流路基板３を用
いてヘッドチップ１を作製した場合の歩留まりを調べた
ところ、表１に示すような結果が得られたものである。

【００２８】

【表１】

【００２９】ここに、破損を生じた流路基板３について
検討したところ、全てについて、その破損領域は図９に
示すようにＶ字状の流路用溝６の底の角部部分からクラ
ック２９が入ることに起因するＳｉ単結晶のへき開によ
るものが原因であった。表１に示す結果によれば、流路
基板３をなすＳｉウエハの厚さｔが３８０μｍ以上であ
れば、流路基板３ないしはヘッドチップ１の作製時に破
損を生じておらず、それより薄い場合には破損を生じ得
ることが分かる。換言すれば、流路用溝６の深さｈの１
０倍以上の厚さｔを持つＳｉウエハを用いることによ
り、流路基板３ないしはヘッドチップ１の作製時に破損
を生じないものとなる。

【００３０】（実験例２）実験例１と同様の実験を、４
００dpi ，１２８ノズルのヘッドチップ１の試作につい
て行ったものである。この場合に、流路基板３を構成す
るために使用したＳｉウエハは直径５インチものとし、
１枚のウエハから７mm×１０mmの流路基板チップを１４
４個とるようにした。また、流路用溝６の大きさは、溝
幅ａ＝４７μｍ、深さｈ＝３３μｍとなるように設定し
た。このような条件下に、Ｓｉウエハの厚さｔを３００
μｍから３５０μｍの範囲で１０μｍ刻みで変化させて
得た流路基板３を用いてヘッドチップ１を作製した場合
の歩留まりを調べたところ、表２に示すような結果が得
られたものである。

【００３１】

【表２】

【００３２】表２に示す結果によれば、流路基板３をな
すＳｉウエハの厚さｔが３３０μｍ以上であれば、流路
基板３ないしはヘッドチップ１の作製時に破損を生じて
おらず、それより薄い場合には破損を生じ得ることが分
かる。換言すれば、この表２に示す結果からも、流路用
溝６の深さｈの１０倍以上の厚さｔを持つＳｉウエハを
用いることにより、流路基板３ないしはヘッドチップ１
の作製時に破損を生じないものとなる。

【００３３】（比較例１）厚さｔ＝３００μｍ，３５０
μｍ，４００μｍの３種のパイレックスガラスチップ
（大きさは、７mm×１３mm）を各々３０枚ずつ用意し、
ダイシングソーによって実験例１と同様の大きさ、数の
Ｖ字状の流路用溝を形成して流路基板を作製しヘッドア
センブリを行った。ダイシングソーは、ディスコ社製Ｄ
ＡＤ−２Ｈ／５型を使用し、ブレード回転数は３０００
０rpm 、ブレード送り速度は２mm／ｓとした。使用した
ブレードは実験例１と同じ大きさのＶ字状の溝となるよ
うに特別に断面がＶ字型となるように作製したものを用
いた。この結果、全ての流路基板について破損を生ずる
ことなく作製でき最終的なヘッドチップとしてのアセン
ブリ後も流路破損は生じなかったものである。

【００３４】このような比較例１を考慮して、実験例
１，２の結果を考察すると、パイレックスガラスにＶ字
状の流路用溝を形成した流路基板では問題とならなかっ
たような基板厚さであっても、Ｓｉウエハ等の単結晶材
料を使用した場合にはその材料の持つ「機械的に脆い」
という性質故に、壊れ易いため、実験例１，２の結果に
示すように、Ｓｉウエハの厚さｔを慎重に決定すること
が必要かつ重要といえる。

【００３５】つづいて、請求項２記載の発明の一実施例
を図１０ないし図１３により説明する。前記実施例で示
した部分と同一部分は同一符号を用いて示す（以下の実
施例でも同様とする）。本実施例は、単結晶Ｓｉウエハ
による流路基板３０に関して、その流路用溝３１の断面
形状を断面Ｖ字状のものから、断面矩形状のものとし、
その流路用溝３１の対角線長さとの関係で、流路基板３
０の厚さｔを適正化したものである。

【００３６】まず、本実施例で流路基板３０用に用いら
れる単結晶Ｓｉウエハは、図１１に示すように、（１１
０）面なる結晶方位面に切出されたものが用いられ、こ
のような（１１０）面に対して前記実施例と同様に異方
性エッチング処理を行うことにより、図１２に示すよう
に、（１１０）面と垂直な結晶方位面なる２つの（１１
１）面を内壁とする凹部が矩形状に形成されて流路用溝
３１となる。

【００３７】このように形成された流路基板３０は発熱
体基板２上に積層され、図１０に示すようにヘッドチッ
プ１が完成する。ここに、インク吐出用のノズル５の切
出しは、前記実施例の場合と同様に、ダイシングソーに
よって行われる。また、インク噴射を安定させるため
に、図８に示した変形例と同様にノズル板を別個に設け
て接合させるようにしてもよい。

【００３８】しかして、流路基板３０には単結晶材料、
具体的には、（１１０）面に切出した単結晶Ｓｉウエハ
を用いており、機械的な衝撃に対して脆く、破損し易い
という性質を持つため、本実施例にあっても、前述した
実験例１，２と同様な実験を行ったものである。

【００３９】（実験例３）（１１０）面を利用した断面
矩形状の流路用溝３１を有する３００dpi ，１２８ノズ
ルのヘッドチップ１を試作した。この場合、流路基板３
を構成するために使用したＳｉウエハは直径５インチも
のとし、１枚のウエハから７mm×１３mmの流路基板チッ
プを１１２個とるようにした。また、流路用溝３１の大
きさは、図１３に示すように、溝幅ａ＝３２μｍ、深さ
ｈ＝３２μｍとなるように設定した。このような条件下
に、Ｓｉウエハの厚さｔを４００μｍから４７０μｍの
範囲で１０μｍ刻みで変化させて得た流路基板３０を用
いてヘッドチップ１を作製した場合の歩留まりを調べた
ところ、表３に示すような結果が得られたものである。

【００４０】

【表３】

【００４１】ここに、破損を生じた流路基板３０につい
て検討したところ、全てについて、その破損領域は図１
４に示すように断面矩形状の流路用溝３１の底の角部部
分（コーナ部分）からクラック２９が入ることに起因す
るＳｉ単結晶のへき開によるものが原因であった。表３
に示す結果によれば、流路基板３０をなすＳｉウエハの
厚さｔが４５０μｍ以上であれば、流路基板３０ないし
はヘッドチップ１の作製時に破損を生じておらず、それ
より薄い場合には破損を生じ得ることが分かる。換言す
れば、流路用溝３１の対角線長さ（この場合、３２×√
２≒４５０μｍ）の１０倍以上の厚さｔを持つＳｉウエ
ハを用いることにより、流路基板３０ないしはヘッドチ
ップ１の作製時に破損を生じないものとなる。

【００４２】（実験例４）実験例３と同様の実験を、４
００dpi ，１２８ノズルのヘッドチップ１の試作につい
て行ったものである。この場合、流路基板３０を構成す
るために使用したＳｉウエハは直径５インチものとし、
１枚のウエハから７mm×１０mmの流路基板チップを１４
４個とるようにした。また、流路用溝３１の大きさは、
溝幅ａ＝２８μｍ、深さｈ＝２８μｍとなるように設定
した。このような条件下に、Ｓｉウエハの厚さｔを３６
０μｍから４２０μｍの範囲で１０μｍ刻みで変化させ
て得た流路基板３０を用いてヘッドチップ１を作製した
場合の歩留まりを調べたところ、表４に示すような結果
が得られたものである。

【００４３】

【表４】

【００４４】表４に示す結果によれば、流路基板３０を
なすＳｉウエハの厚さｔが４００μｍ以上であれば、流
路基板３０ないしはヘッドチップ１の作製時に破損を生
じておらず、それより薄い場合には破損を生じ得ること
が分かる。換言すれば、この表４に示す結果からも、流
路用溝３１の対角線長さの１０倍以上の厚さｔを持つＳ
ｉウエハを用いることにより、流路基板３０ないしはヘ
ッドチップ１の作製時に破損を生じないものとなる。

【００４５】（比較例２）厚さｔ＝３５０μｍ，４００
μｍ，４５０μｍの３種の感光性ガラス（大きさは、７
mm×１３mm）を各々３０枚ずつ用意し、エッチングによ
り幅３２μｍ、深さ３２μｍの矩形状の溝を３００dpi
相当の配列密度で１２８本形成してエッチングにより形
成して流路用溝とし、このような流路基板を用いてヘッ
ドアセンブリを行った。この結果、全ての流路基板につ
いて破損を生ずることなく作製でき最終的なヘッドチッ
プとしてのアセンブリ後も流路破損は生じなかったもの
である。

【００４６】このような比較例２を考慮して、実験例
３，４の結果を考察すると、感光性ガラスに矩形状の流
路用溝を形成した流路基板では問題とならなかったよう
な基板厚さであっても、Ｓｉウエハ等の単結晶材料を材
料を使用した場合にはその材料の持つ「機械的に脆い」
という性質故に、壊れ易いため、実験例３，４の結果に
示すように、Ｓｉウエハの厚さｔを慎重に決定すること
が必要かつ重要といえる。

【００４７】さらに、請求項３記載の発明の一実施例を
図１５により説明する。前述した２つの実施例は、何れ
も、ヘッド作製途中ないしは作製直後における流路基板
３，３０の破損防止を特に考慮したものであるが、本実
施例は、実際にヘッドチップ１として作製した後で実際
にインク噴射を行う実使用における信頼性を考慮したも
のである。

【００４８】まず、前述した実施例のように作製された
ヘッドチップ１を長期に渡って使用すると、時々、図９
や図１４に示したようなクラック２９が流路用溝６，３
１の角部から入って破損してしまうことがある。これ
は、流路用溝６，３１の角部が最も弱く、かつ、単結晶
Ｓｉ材料が持つ脆いという性質によるものであるが、こ
のような点を考慮して、その対策を講じたものである。
その着想として、流路用溝の内面角部に対して単結晶Ｓ
ｉ材料ではない材料の層（膜）を形成することで、機械
的強度が向上し、長期使用に対して信頼性が向上するも
のと考え、以下の実験を行ったものである。即ち、流路
基板３，３０作製後に、そのＳｉウエハを拡散炉に入
れ、Ｏ₂ 又はＨ₂Ｏ蒸気を流しながら、１０００℃前後
に保って表面にＳｉＯ₂ 膜を成長させるようにしたもの
である。以下の実験では、このようにＳｉＯ₂ 膜の膜厚
を変化させて（ＳｉＯ₂ 膜を有しないものを含む）、流
路の破損発生や内壁の腐食の有無などを調べたものであ
る。

【００４９】（実験例５）本実験例に用いたヘッドチッ
プは、Ｖ字状の流路用溝６を３００dpi の密度で１２８
ノズル分有する流路基板３を備えたもので、そのＳｉウ
エハの厚さｔ＝３２０μｍと比較的壊れやすいものとし
た。ここに、ＳｉＯ₂ 膜を形成しなかったものと、図１
５（ａ）に示すようにＳｉＯ₂ 膜３２を形成したもの
（その膜厚に関しては、０．５μｍ，０．７μｍ，１．
０μｍ，１．３μｍのように異ならせた）との５種類を
各々１０個ずつ用意してヘッドアセンブリ化を行い、イ
ンク噴射耐久試験を行ったものである。使用したインク
は、グリセリン：１８％、エチルアルコール：４．８
％、水：７５％、Ｃ．Ｉ．ダイレクトブラック１５４
（染料）：２．２％の組成よりなるものである。また、
駆動周波数ｆ₀ ＝６ｋＨｚとし、１０日間連続噴射を行
ったものである。使用ノズルは各種類のヘッドとも、１
２８ノズル中で、８ノズルのみとした。表５にその結果
を示す。

【００５０】

【表５】

【００５１】表５によれば、ＳｉＯ₂ 膜３２を１μｍ以
上の膜厚で形成し、流路用溝６の内面角部に丸み３２ａ
を持たせれば、流路破損を生じていないことが分かる。
これは、単結晶Ｓｉに比して強度的に強いＳｉＯ₂ 膜３
２によって丸み３２ａ部分が形成されることにより、流
路用溝６単独で丸みを持たない場合に比べて応力が集中
することがないため、機械的強度が向上するためと考え
られる。もっとも、ＳｉＯ₂ 膜３２を設ける場合でもそ
の膜厚が１μｍよりも薄い場合には（０．５μｍや０．
７μｍのもの）、厚さ不足により角部に丸み３２ａをつ
けて応力集中を緩和させるまでには至らなかったと考え
られる。しかし、流路用溝６の内壁のインクに対する腐
食防止効果を考えた場合には、ＳｉＯ₂ 膜３２は薄くて
も効果が発揮されるものとなる。

【００５２】なお、断面矩形状の流路用溝３１を有する
流路基板３０の場合には、図１５（ｂ）に示すように、
その内壁に対して１μｍ以上の膜厚のＳｉＯ₂ 膜３２を
形成し、両側の角部に丸み３２ａを形成するようにすれ
ばよい。

【００５３】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、蓄熱層と
発熱層とこの発熱層に通電するための電極と保護層とを
形成した発熱体基板と、（１００）面に切出された単結
晶シリコンウエハの前記（１００）面上に異方性エッチ
ングにより２つの（１１１）面よりなる断面Ｖ字状に形
成した流路用溝を有してこの溝面を発熱面に相対させて
前記発熱体基板上に積層させたこれらの流路用溝の深さ
の１０倍以上の厚さの流路基板とにより構成したので、
単結晶シリコンウエハを使用しても必要な強度を確保で
き、流路用溝を破損させることなくヘッド作製を行える
ものとなり、歩留まりを向上させることができる。

【００５４】また、請求項２記載の発明では、蓄熱層と
発熱層とこの発熱層に通電するための電極と保護層とを
形成した発熱体基板と、（１１０）面に切出された単結
晶シリコンウエハの前記（１１０）面に異方性エッチン
グにより２つの（１１１）面が前記（１１０）面に対し
て垂直となる断面矩形状に形成した流路用溝を有してこ
の溝面を発熱面に相対させて前記発熱体基板上に積層さ
せたこれらの流路用溝の対角線長さの１０倍以上の厚さ
の流路基板とにより構成したので、単結晶シリコンウエ
ハを使用しても必要な強度を確保でき、流路用溝を破損
させることなくヘッド作製を行えるものとなり、歩留ま
りを向上させることができる。

【００５５】これらの発明において、請求項３記載の発
明では、溝内部の角部に１μｍ以上の厚さのＳｉＯ₂ 膜
を有する流路用溝とすることで、角部に丸みを持たせる
ようにしたので、角部への応力集中を緩和して、長期使
用環境においても流路を破損から保護できるものとな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明の一実施例の流路基板に関
し、（ａ）は結晶面及び結晶軸方向を示す斜視図、
（ｂ）は溝形状及び寸法関係を示す正面図である。

【図２】ヘッドチップを示す斜視図である。

【図３】発熱体基板を示す斜視図である。

【図４】サーマルインクジェットの記録原理を順に示す
縦断側面図である。

【図５】ヒータ付近を拡大して示す縦断側面図である。

【図６】流路基板に関する異方性エッチング工程を順に
示す縦断正面図である。

【図７】ヘッドチップの一部を拡大して示す正面図であ
る。

【図８】変形例を示す分解斜視図である。

【図９】クラック発生状況を示す説明図である。

【図１０】請求項２記載の発明の一実施例を示すヘッド
チップの斜視図である。

【図１１】流路基板の結晶面及び結晶軸方向を示す斜視
図である。

【図１２】流路用溝形状を示す正面図である。

【図１３】その寸法関係を示す正面図である。

【図１４】クラック発生状況を示す説明図である。

【図１５】請求項３記載の発明の一実施例を示す正面図
である。

【符号の説明】２発熱体基板３流路基板６流路用溝９，１０電極２１蓄熱層２２発熱層２３保護層３０流路基板３１流路用溝３２ＳｉＯ₂ 膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】蓄熱層と発熱層とこの発熱層に通電する
ための電極と保護層とを形成した発熱体基板と、（１０
０）面に切出された単結晶シリコンウエハの前記（１０
０）面に異方性エッチングにより２つの（１１１）面よ
りなる断面Ｖ字状に形成した流路用溝を有してこの溝面
を発熱面に相対させて前記発熱体基板上に積層させたこ
れらの流路用溝の深さの１０倍以上の厚さの流路基板と
よりなることを特徴とするサーマルインクジェットヘッ
ド。
【請求項２】蓄熱層と発熱層とこの発熱層に通電する
ための電極と保護層とを形成した発熱体基板と、（１１
０）面に切出された単結晶シリコンウエハの前記（１１
０）面に異方性エッチングにより２つの（１１１）面が
前記（１１０）面に対して垂直となる断面矩形状に形成
した流路用溝を有してこの溝面を発熱面に相対させて前
記発熱体基板上に積層させたこれらの流路用溝の対角線
長さの１０倍以上の厚さの流路基板とよりなることを特
徴とするサーマルインクジェットヘッド。
【請求項３】溝内部の角部に１μｍ以上の厚さのＳｉ
Ｏ₂ 膜を有する流路用溝としたことを特徴とする請求項
１又は２記載のサーマルインクジェットヘッド。