JPH07125206A

JPH07125206A - サーマルインクジェットヘッド

Info

Publication number: JPH07125206A
Application number: JP14166393A
Authority: JP
Inventors: Takuro Sekiya; 卓朗関谷
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1993-06-14
Filing date: 1993-06-14
Publication date: 1995-05-16

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つの等価な（１１１）面による側
面と１つの（１００）面による天井面とで断面台形状と
なる流路用溝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１５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】さらに、このようなＶ字溝（Ｖ字状の天井
部付近に気泡が詰まり、インクの流れが阻害されるおそ
れがある）を改良したものとして、同様に、（１００）
面の結晶方位面に切出されたシリコンウエハ基板上に異
方性エッチングにより２つの等価な（１１１）面による
側面と１つの（１００）面による天井面とで断面台形状
の流路用溝を形成した流路基板を用いるようにしたもの
も考えられている。このような断面台形状の流路用溝な
いしは流路による場合も、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。

【０００６】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。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、断面台形状
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、断面台形
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。

【０００８】

【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上に異方性エッチングに
より２つの等価な（１１１）面による側面と１つの（１
００）面による天井面とで断面台形状となる流路用溝を
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１５倍以上の厚
さの流路基板とにより構成した。

【０００９】請求項２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台形状の流路用
溝を形成した流路基板の厚さを、これらの流路用溝の深
さの１５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】請求項２記載の発明においては、断面台形
状の流路用溝の内部の角部に１μｍ以上の厚さのＳｉＯ
₂ 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】本発明の一実施例を図面に基づいて説明す
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４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は発熱体基板２と同じく単結晶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＞軸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（１１
１）面はＹ軸に平行で、かつ、Ｘ‐Ｙ軸面に対して約５
４．７°の角度で交わることになる。

【００２０】このような流路基板３に形成される流路用
溝６は発熱体基板２と積層した状態で流路が断面台形状
となるような形状とされるが、その断面台形状をなす２
つの側面は各々等価な（１１１）面により傾斜面として
形成され、天井面は（１００）面により形成されてい
る。ここに、（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、（１０
０）面をアルカリ系溶液でエッチングすると、（１０
０）面に対して約５４．７°をなす（１１１）面が現
れ、図１（ａ）に示すように断面台形状をなすように拡
開した流路用溝６が形成される。このような断面台形状
溝の開口部（底部）の溝幅ａ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、断面台形状溝の深さｄは、異方性エッチ
ング時間をコントロールすることにより容易に管理でき
る。さらには、このようなエッチングによって現れた
（１１１）面は鏡面状態となっており極めて平滑で直線
性のよいものとなる。

【００２１】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台形状の流
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。

【００２２】まず、図１（ａ）で説明したような結晶方
位のＳｉ単結晶からなる流路基板３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＜１１
０＞軸、この基板３の上下面が（１００）面となる。こ
のような基板３を、例えば８００〜１２００℃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。

【００２３】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。

【００２４】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２
７を取り去る。

【００２５】このような状態にある基板３を、２２％，
９０℃の水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液中にお
いてエッチングする。ここに、エッチング液に水酸化テ
トラメチルアンモニウム水溶液を用いるのは、この他の
水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のエッチング液を
利用した場合に比べ、天井面（溝では、底面となる）と
して露出してくる（１００）面が、両側の（１１１）面
と同様に、非常に滑らかな鏡面状態となるからである。
これにより露出部３ａのエッチングが進行するが、（１
１１）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）に示すように断面
台形状となる。

【００２６】このような断面台形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、（１００）面のエ
ッチング深さの０．２％程度でしかない。従って、断面
台形状溝の底部溝幅ａは、フォトマスクの誤差を考慮に
入れても±１μｍ程度の精度とすることができる。

【００２７】最後に、同図（ｅ）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断面台形状なる流路用溝６が形
成された単結晶Ｓｉのみによる流路基板３となる。な
お、このような流路基板３を実際にヘッドチップ１に適
用するには、Ｓｉウエハをインクから保護するため、Ｓ
ｉＯ₂ ，Ｓｉ₃Ｎ₄等の保護膜で保護するようにするのが
よい。

【００２８】このように異方性エッチングにより断面台
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、流路一端が直接
ノズル５となるヘッドチップ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
ノズル５から見た一部を拡大して示す正面図である。

【００２９】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ノズル５とする他、例えば、図８
に示すように、流路対応の台形状のノズル２８ａを形成
したノズル板（薄膜基板）２８を別個に用意し、これを
ヘッドチップ１の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、ノズル２８ａ用の台形状
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。或いは、上記のような樹脂板をヘッドチップ１の
切断面に接合させた後に、エキシマレーザを照射して吐
出ノズル２８ａを形成するようにしてもよい。このよう
にすれば、流路（流路用溝６）と吐出ノズル２８ａとを
整合させる点に関する煩雑さから解放されるものとな
る。また、このような製法で得られるノズル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。

【００３０】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。もっとも、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。

【００３１】（実験例１）（１００）面を利用した断面
台形状の流路用溝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、開口部の溝幅ａ＝５９
μｍ、深さｈ＝２４．７μｍ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。

【００３２】

【表１】

【００３３】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
示すように台形状の流路用溝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３７０μｍ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
５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。

【００３４】（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＝５１μｍ、深さｈ＝２１．８μｍ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３
００μｍ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。

【００３５】

【表２】

【００３６】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１５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。

【００３７】（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
台形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と同じ大きさの台形状の溝となるよ
うに特別に断面が台形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。

【００３８】（比較例２）厚さｔ＝３００μｍ，３５０
μｍ，４００μｍの感光性ガラス（大きさは、７mm×１
０mm）に、溝幅ａ＝２８μｍ、深さｈ＝２８μｍの溝を
エッチングによって４００dpi 相当の配列密度で１２８
本形成した流路基板を用意してヘッドアセンブリを行っ
た。サンプル数は、各厚さｔとも各々３０枚ずつとし
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。

【００３９】このような比較例１，２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や感
光性ガラスに台形状或いは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。

【００４０】ついで、本実施例の別の特徴点について説
明する。前述した説明は、ヘッド作製途中ないしは作製
直後における流路基板３の破損防止を特に考慮したもの
であるが、ここでは、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。

【００４１】まず、前述した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に示した
ようなクラック２９が流路用溝６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Ｓｉ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、１
０００℃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Ｓｉ
Ｏ₂ 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。

【００４２】（実験例３）本実験例に用いたヘッドチッ
プは、台形状の流路用溝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
０に示すようにＳｉＯ₂ 膜３０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：７
５％、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、１２８ノズル
中で、８ノズルのみとした。表３にその結果を示す。

【００４３】

【表３】

【００４４】表３によれば、ＳｉＯ₂ 膜３０を１μｍ以
上の膜厚で形成し、流路用溝６の内面角部に丸み３０ａ
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
０によって丸み３０ａ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３０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３０ａ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３０は薄くて
も効果が発揮されるものとなる。

【００４５】

【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
晶シリコンウエハ上に異方性エッチングにより２つの等
価な（１１１）面による側面と１つの（１００）面によ
る天井面とで断面台形状となる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１５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。

【００４６】また、請求項２記載の発明によれば、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】本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】ＳｉＯ₂ 膜を形成した様子を示す正面図であ
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３０ＳｉＯ₂ 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上に異方性エ
ッチングにより２つの等価な（１１１）面による側面と
１つの（１００）面による天井面とで断面台形状となる
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１５
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】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記載のサーマルインクジェットヘッド。