JPS63153285A - 発熱素子用基板の製造方法 - 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、例えばインクジェット記録ヘットやサーマル
ヘッドなどの発熱素子のように、極めて短い周期で断続
的に加熱と非加熱状態を繰がえす必要のある発熱素子を
設けるのに好適な発熱素子用基板に関する。

〔従来の技術〕

インクジェット記録ヘッドやサーマルヘッドなどの各種
機器の発熱素子には、基板上に、通電されることによっ
て発熱する各種全屈、合金、無機化合物などからなる発
熱抵抗体層と該抵抗体層に電気的に接続された電極を配
置した構成のものが広く使用されている。

この発熱素子を配置する基板としては、従来より、高い
放熱性、易加工性、低価格という点から基材として金属
を用い、その表面に絶縁層を設けたものが用いられてき
た。

そのような基板としては、例えば金属基材の表面にホー
ロ一層を設けたホーロー基板、陽極酸化の方法によって
酸化アルミニウム被膜を表面に設けたアルマイト基板、
絶縁性の有機化合物からなる膜を金属表面にコーティン
グした有機膜コーティング基板、金属表面に無機絶縁物
を蒸着した蒸着基板、あるいはこれらの技術の２以上を
組合せた構成のもの等が知られている。

また、金属基材を用いない基板としては、熱酸化膜が形
成されているＳｉ基板やアルミニウム粉末を焼結してつ
くったアルミナ基板が知られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

例えば、インクジェット記録ヘッドやサーマルヘッドな
ど極めて短い周期で断続的に加熱と非加熱状態を繰かえ
す必要のある発熱素子を設ける基板としては、例えば以
下のような種々の特性が要求される。

ａ）発熱素ｆの結反良い形成のために必要な面粗度等の
表面状態を有すること。（特に、表面の粗さが発熱素子
の厚さ程度になると発熱抵抗体を設けた時に設計どおり
の抵抗値が得られない。） ｂ）適度な放熱性を有すること。（特に、インクジェッ
ト記録ヘッドに用いる基板の場合には、基板温度が高く
なり過ぎると、ヘッド内のインクに、溶存気体の溶解度
の低下による気泡が生じ、これがインクの吐出不良を引
き起し、またサーマルヘッドでは、放熱性が悪いと、い
わゆる尾引き現象が生ずる。） Ｃ）発熱素子のピーク温度に十分耐えられる程度の耐熱
性を存すること。

ｄ）発熱素子の駆動電圧に耐えられる十分な絶縁性を有
すること。

ｅ）大型化の必要な機器に用いる場合には、大面積での
形成が容易であること。

ｆ）インク等の溶液や種々の物質が基板と接触する、あ
るいはその可能性がある場合には、これらに対する、例
えば耐酸性や耐アルカリ性などの耐性を有していること
。

更に、これらの特性が低コスト、高信頼性で得られるこ
とがより望ましい。

しかしなから、上記の要求特性を全般にわたって十分に
満足する基板は、いまのところ見当らないのか現状であ
る。

すなわち、ホーロー基板は、ディッピングによってガラ
ス質を基板表面に被覆して、絶縁層であるホーロ一層を
形成するため、技術的に絶縁層をある程度以−Ｅに薄く
するには限界かあり、その結果良好な放熱性を得ること
ができない。

またアルマイト基板においては、絶縁層となる酸化アル
ミニウムを陽極酸化の方法で被膜すると、形成される酸
化アルミニウムは基板に対して垂直方向に柱状の結晶成
長をし、空隙が多くできるために適度な放熱性を示さな
くなる。また陽極酸化後の表面粗度が太き通るという問
題点もある。これらの問題点を解消するために封孔処理
及び表面研磨を施すこという方法もあるか工程数が多く
なり過ぎてしまうという新たな問題が生る。

一方、有機膜基板では、耐熱性に劣るという問題点があ
る。

更に、蒸着基板では、蒸着絶縁層でのピンホールなどの
欠陥が発生し易く、また絶縁層に良好な基材への密着性
が得られず使用に応じた絶縁層の基材からの剥離が生じ
る場合があるなど、信頼性に欠け、かつ製造装置か高価
で、製造に要する時間も長いのでコスト面で必ずしも満
足できるものではない。

また、これらの金属を基材として用いる基板では、基材
上での良好な絶縁層の形成のために、その表面に、研磨
、ラップ、ポリッシュ什トげ等を行なってこれを鏡面加
工する必要かあり、そのため基本的に工程数が多く、こ
わか低コスト化の１つの障害となっている。

他方、アルミナ基板は、層粉末を焼結することによって
つくられるか、表面か多孔性を有し、更に表面研磨によ
って面粗度を下げようとしても限界があるため、好まし
い表面性を得るためにブレース層を被覆するなどの処理
が更に必要となる。しかし、そのような処理を施すこと
で単に工程数が多くなるだけでなく、放熱性が低下して
しまうという問題点が生じる。

また、熱酸化膜付きＳｉ基板は、上述のａ）〜ｄ）、ｆ
）の性能については満足できるものであり、従って上述
した従来の基板のなかでは、その性能面においてより望
ましいものであるが、大面積のものを製造するのに問題
が残り、また表面研磨等の加工工程を更に必要とするた
め製造コスト面から見ても改善の余地がある。

本発明は、このような従来技術に鑑みなされたものであ
って、前述の要求性能を全般的に満足できる発熱素子用
基板を提供することをその目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は以下の本発明によって達成することができる
。

すなわち、本発明は、加熱されることによって絶縁層を
形成し得る材料が存在している基材の表面に、高密度エ
ネルギー流を照射し、該材料を加熱溶融しながら絶縁性
を有する層を該基材表面に形成する過程を含むことを特
徴とする発熱素子用基板の製造方法である。

本発明の製造方法は、高密度エネルギー流を基材表面に
照射することによって、極めて短時間に基材表面の局所
的部分のみを加熱溶融して絶縁物を形成するものである
。この過程において形成される絶縁物は、一旦液体状態
になっているため、それが固化した際には極めて好まし
い表面性を得ることが可能となる。また形成される絶縁
層は多孔質状になることがないため、十分な絶縁性が得
られる厚さに形成しても放熱性が低下することはない。

更に、局所的に照射される高密度エネルギー流は制御が
容易であるため、大面積にわたって一様な絶縁層の形成
が可能となる。

本発明でいう加熱されることによって絶縁層を形成し得
る材料とは、加熱過程を経て最終的に絶縁性を有する層
を形成できる材料を言い、例えば反応を伴なう加熱溶融
を経て絶縁性を有する化合物からなる層を形成できる原
料の組合せや、反応を伴なわないが加熱溶融して固化す
ることによって絶縁層を形成できる材料などがこれに含
まれる。

基材表面に存在させる上記材料の具体例を以下に挙げる
。

■ＡＩ、Ｔｉ、　Ｍｇパウダー等の溶融状態で酸化し、
冷却固化して、その酸化物からなる絶縁層を形成し得る
ものと、例えば酸素等の該材料の酸化に必要なものとを
組み合わせて基材表面に存在させる。

■＾ｌ、　Ｔｉパウダー等の溶融しつつ窒化し、冷却固
化して、その窒化物からなる絶縁層を形成し得るものと
、窒素等の窒化に必要なものを組み合わせて基材表面に
存在させる。

■例えばＡｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４　、　ＳｉＣなどの溶
融して絶縁層を形成し得る絶縁性材料を基材表面に存在
させる。

なお、゛１記■〜■は所望に応じてその２以上を組み合
わせて用いることができる。また、上記金属の中では、
その酸化物や窒素化物が安定であり、かつ低価格である
アルミニウムが特に好適である。

本発明の方法は、このような材料を、絶縁層を形成すべ
き基材表面に存在させた状態で、該表面に高密度エネル
ギー流を照射し、表面に存在させた材料を加熱して、絶
縁性を有する層を形成するものである。

なお、本発明に用いる基材としては、金属、セラミック
、Ｓｉ等種々のものを所望に応じて使用することができ
るが、前述したような要求特性を満足する上で、例えば
ＡＩ、　Ｃｕ、　Ｆｅ等の金属からなるものが好適であ
る。

なお、該基材が先に挙げた絶縁層を形成し得る材料自身
からなるものであっても良い。

本発明の方法に用いる高密度エネルギー流とは、上述の
材料に照射して、該材料を、それか溶融して絶縁層を形
成するのに十分な温度に加熱できる程度の強度を有する
エネルギー流であり、そのようなものとしては、例えば
、レーザービーム、電子ビーム、ＴＩＧ　　（タングス
テンイナートガス）アーク、集光したハロゲンランプ光
等を挙げることができる。なかでも、１０’　Ｗ／ｃｍ
２程度のパワー密度に集光されたレーザービームは、前
記材料を十分な溶融温度にまで急速に加熱でき、また制
御が容易であるため加熱しすぎて材料を蒸発させて穴等
を発生させる心配もないので好適である。

以下、レーザービームを使用する場合の・本発明の方法
を図面を参照しつつ詳細に説明する。

第１図及び第２図は、本発明に用いる代表的なレーザー
ビーム照射方法の概略を示した模式図である。

第１図の方法では、レーザー発琳器１より出力されたレ
ーザー光２は、ミラー３により集光光学系４に導かれ、
そこに内蔵されたレンズ５によって集光され、所定の強
度及びスポット径で基材８表面に照射される。

第２図に示された方法では、レーザー発振器１より出力
されたレーザー光２は、ミラー３により集光揺動光学系
６に導かれ、そこに内蔵された凹面鏡７とスキャンミラ
ー９によって、所定の強度及びスポット径でスキャンさ
れつつ基材８表面に照射される。

レーザースポットを基材８表面で移動させて、所望の処
理面を得るには、基材８及び／または光学系４．６を適
宜移動させれば良い。

なお、第１図に示した方法は、装置の構成が簡易であり
簡便であるが、照射エネルギー密度の均一性、照射部の
大きさという点からは第２図の方法が便利である。

レーザービームが照射される基材の照射面の構成は、先
に挙げたような構成とするなど、形成しようとする絶縁
層の種類に応じて適宜選択すれば良い。

本発明の方法における代表的な基材表面の構成例及び操
作を第３図（ａ）〜第３図（Ｃ）に示す。

第３図（ａ）は、前述■の一例を示したものである・。

この例では、基材に、その酸化物が絶縁性を有する層を
形成し得る金属からなる表面層８ａを有するものか用い
られており、例えば大気中で、あるいはノズルによって
酸素を供給しつつその表面にレーザービーム２が照射さ
れることにより、照射部分２ａにある金属が溶融しつつ
酸化した後、これが冷却固化し、絶縁層が形成され、更
にビームの移動方向（矢印）に連続的にこの操作が繰り
返され、所定の面積の絶縁層１１が得られる。なお、基
材８は、全体が表面層を構成する金属で形成されたもの
であっても良い。

第３図（ｂ）は、前述■の他の例であり、基材上にその
酸化物が絶縁性を有する層を形成し得る金属の粉末８ｂ
が供給されている。そこにレーザービーム２が照射され
、金属粉末８ｂが溶融しつつ酸化した後、冷却固化し絶
縁層ｌＯが形成される。この場合、基材に第３図（ａ）
と同様の構成のものを使用して、該基材の表面部分８ａ
の溶融酸化物を絶縁層の構成に組込むことも可能である
。なお、この例のように粉末を用いれば、板厚方向への
熱拡散が減少し、溶融が促進されるという利点、及び反
応を伴なう加熱の際には酸素等の反応ガスと接触する表
面積が大きくなり、また板厚方向に十分な深さまで反応
ガスを取り込めるという利点がある。

また、このような効果を得るには、その粒径をＩＯ数−
程度以下、好適には１〜２−程度とすると良い。

第３図（ａ）及び第３図（ｂ）において、表面８ａを構
成する金属及び粉末材料８ｂに、上述の■の材料を用い
、基材に窒素を供給しながら、レーザービームを照射す
れば、用いた金属の窒化物からなる絶縁層を得ることが
できる。

また、第３図（ｂ）の粉末材料として、上述した■の無
機材料を用い、レーザービームの照射を行なえば、基材
表面に存在させた無機材料の種類に応じた構成の絶縁層
を得ることができる。

なお、この場合は、０２の供給は必要とされない。

また、無機材料を粉末として基板に供給することにより
先に述べたのと同様の効果が得られ、そのためには、そ
の粒径を、通常ｌＯ数鱗程度以下、好適には　１〜２Ｊ
Ｊｊ１程度とするのが良い。

第３図（Ｃ）は、例えば第３図（ａ）及び第３図（ｂ）
の過程において、基材の金属表面及び／またはすでに基
材上に存在させた金属粉末を、レーザニ照射により溶融
状態としたところ（溶融プール）２ａに、前述の■、■
、■のいずれか、あるいはその２以上を、所望とする絶
縁層の構成に応じて適宜選択して、例えば粉末として供
給しつつ絶縁層を形成する例を示している。

なお、これらの操作は、必要に応じてその２以上を組合
せることももちろん可能である。

本発明の方法におけるレーザーの照射部でのパワー密度
は、基材表面に存在させた材料に良好な加熱状態が得ら
れるように、その材料に応じて適宜調節すれば良い。

例えば、パワー密度が高すぎると、基材表面に存在させ
た絶縁層を形成するための材料の蒸発を招き、その結果
、表面に穴が発生したりするなどの不都合が生じ、また
パワー密度が低すぎると、十分な温度上昇が照射部に得
られない。

基材表面でのパワー密度は、用いる基材や絶縁層を得る
ための材料の種類、あるいはその量等に応じて個々に異
なるが、１０５Ｗ／ｃｍ２程度とすると良い。

なお、基材表面でのパワー密度は、基材や光学系の送り
速度を変化させて、ビームスポットの基材表面上での移
動速度を調整することで制御しても良い。

更に、基材のビーム照射面が過熱して、その部分の温度
か上昇し過ぎて、照射面にある物質の蒸発等により良好
な絶縁層の形成が妨げられる恐れがある場合には、例え
ば第４図に示すように、基材の両サイドに放熱用の捨て
板ＩＩを配置して照射を行なう；第５図に示すように基
材中央部でのレーザービームのパワー密度を基材端部よ
りも低く制御する：あるいは基材の裏面を冷却するなど
の手段のいずれかを適宜選択して、あるいは組合せて過
熱を防ぐことができる。

得られる絶縁層の実用最大厚さは、用いる基材や絶縁層
を得るための材料の熱物性値と、基板となった際の反り
量の精度との関係から決定できる。本発明の方法では、
例えば数−〜数ｍｍの絶縁層を基材表面に形成すること
も可能である。

以上説明した本発明の方法によれば、前述したインクジ
ェット記録ヘッドやサーマルヘッドなどの発熱素子のよ
うに、極めて短い周期で断続的に加熱と非加熱状態を繰
かえす必要のある発熱素子を設けるための発熱素子用基
板に要求される種々の特性を全般的に満足し、かつ低コ
ストで信頼性の高い発熱素子用基板を製造可能である。

なお、例えば前述の熱酸化膜付きＳｉ基板に対して、本
発明の方法によって形成した基板では、３０〜５０％の
コストダウンが可能である。

また、本発明の方法を用いれば、レーザービーム照射処
理という制御の簡易な操作によって絶縁層を形成するの
で、製造工程を単純化できるだけでなく、大面積基板の
製造も容易である。

なお、本発明の方法によって製造できる基板は、インク
ジェット記録ヘッドやサーマルヘッドの発熱素子用のみ
ならず、これらに要求される特性と同様の特性を要求さ
れる種々の発熱素子を設けるための基板としても適して
いるものである。

〔実施例〕 以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。

実施例１ ＡＩ（＋０５０）からなる２５０ｘ　３０ｘ　Ｉ　Ｌ　
（ｍｍ）の板材の両サイドに、同様の材質の捨て板１１
を第４図に示したように配置し、かつ板材裏面に冷却促
進用の水冷ヒートシンクを密着させた後、板材表面に、
５０ｊ！／ｍｉｎ、の流量で酸素を供給しながら、出力
３ｋＷ連続発振の６０２レ一ザー発掘器を有するビーム
スキャン方式のレーザー照射装置を用いてレーザービー
ムを、スキャンスピード：　５００Ｈｚ　、スキャン幅
：　３５ｍｍ、ビームスポット径：０．５ｍｍ（パワー
密度：　　２ｘ　１０’　Ｗ／ｃｍ２）　、　板材（Ｄ
スキｗ　ン方向に対する送り速度：　０．１　ｍ／ｍｉ
ｎ、の条件で照射した。

実施例２ 実施例１で用いたのと同様のＡＩ板材表面にＡｔ粉末（
純Ａｌ　１０５０　、粒径ｌ鱗；純度９８ｔ）を、２０
゜厚さ程度となるように載せた状態で、板材の送り速度
を３ｍ／ｍｉｎ、とする以外は、実施例１と同様にして
基板表面にレーザービームを照射した。

実施例３ 実施例１で用いたのと同様の＾ｌ板材表面にＡｌ２Ｏ３
粉末（純度９８ｔ、粒径１戸）を２０鱗厚さ程度となる
ように載せた状態で実施例２と同様にして基板表面にレ
ーザービームを照射した。

実施例４ 板材表面への供給ガスを５０１Ｌ／ｍｉｎの窒素とする
以外は実施例１と同様にして基板表面にレーザービーム
を照射した。

実施例５ 実施例１で用いたのと同様のＡＩ板材表面にＡＩ粒粉末
実施例２と同じ）を２〇−厚さ程度になるように載せた
状態で、実施例４と同様にして５０ｊ２　／ｌ１ｉｎの
窒素、を供給しながら基板表面にレーザービームを照射
した。

更に、各実施例で形成された基板を、以下の項目につい
て試験し、また評価した。

１）形成された表面層の層厚； 光学顕微鏡による断面観察、すなわち試料面を鏡面研磨
した後、純水とＩＩＦとの混合液でエツチングし、溶融
層、熱影響層、母材の光学顕微鏡による組織観察を行な
って決定した。

２）面粗度； 表面粗さ計を用いて測定した。

３）耐熱性： 基板を６００℃で２４時間加熱した後、光学顕微鏡を用
いて表面クラックの有無を、また断面観察により溶融層
（絶縁層）の剥離の有無を調べ評価した。

４）絶縁性： 各基板を所定の大きさく３５ｘ　３７ｍｍ）に切断した
後、電子ビーム蒸着で８ｍｍ　Ｘ　２０ｍｍＸ　５００
０人程度０＾ｌ電極層をその絶縁層上に形成し、＾ｌ電
極−ＡＩ母材間ニ＋　２０Ｖ　４０Ｖ−＋　−２０Ｖ−
＋　ＧＶ−＋　＋　２０Ｖ　＜７）電圧を印加し、リー
ク電流を測定して評価した。

５）耐酸性； ５％Ｈ２Ｓｏ、に２４時間浸漬して評価した。

６）耐アルカリ性： ５！ｊｉＮａＯＨに２４時間浸漬して評価した。

７）放熱性； 放熱性は、得られた基板を用い、以下の手順に従って、
基板の絶縁層上に発熱素子を形成し、それを駆動させて
評価した。

まず、得られた基板１４を３５Ｘ３７ｍｍのサイズとし
、Ａ１からなる厚さ２０ｍｍの支持体１５上に良熱伝導
性接着剤を用いて接着させ、更に基板の絶縁層＋４ｂ上
に、スパッタリング技術を用いて発熱抵抗体（ＨｆＢ２
）層（１２）を成膜し、更にその上に電子ビーム蒸着技
術を用いて電極（八１）層（１３）を成膜した。次に、
フォトレジストとマスクを用いてパターニングし、その
後電極層、発熱抵抗体層をそれぞれエツチングすること
によって、第６図に示すようなＨｆＢ２からなる発熱素
子１２ａ　（１６０Ｘ　４０ｐ　）をｌＯ本配列した。

なお、各発熱素子＋２ａには電極１３によって通電でき
るようになっている。

次に、発熱素子１２ａ上にインクの侵入を防止する５ｉ
０２保護膜１６をスパッタリングで成膜し、更にその上
に消泡時にキャビテーション破損を防ぐＴａ保護膜１７
をスパッタリングで成膜して第７図に示すような発熱素
子基板を作製した。なお、第７図（ａ）においては５ｉ
０２保護膜１６及びＴａ保護膜１７は省略されている。

ここで、各発熱素子１２ａを駆動電圧１．２Ｖｔｈ、パ
ルス幅７μｓｅｃ、、２゜５ｋＨｚで１０分間連続的に
駆動させた後の基板表面及び発熱素子表面付近での温度
上昇があるかどうかを試験した。

比較例１ 熱酸化膜付きＳｉ基板を、上記の１）〜７）の項目につ
いて同様にして試験し、評価した。

以上の結果を表１に示す。

なお、比較例１で用いた熱酸化被膜付き５ｉ０２基板の
製造コストと、上記各実施例で得た基板の製造コストと
を比較したところ、熱酸化被膜付き５ｉ０２基板の製造
コストに対して、実施例１及び実施例４の基板は約１７
２、実施例２及び実施例３の基板は約ｌ／４、実施例５
の基板は約１７３の製造コストで製造できることが確認
された。

〔発明の効果〕

本発明の方法によれば、例えばインクジェット記録ヘッ
ドやサーマルヘッドなどの発熱素子のように、極めて短
い周期で断続的に加熱と非加熱状態を繰かえす必要のあ
る発熱素子を設けるための発熱素子用基板としての要求
特性に優れた基板を、低コスト、高信頼性で得ることが
できる。

しかも、本発明の方法によれば、大面積での発熱素子用
基板の製造も容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の方法に用いることのできる
レーザービーム照射方法の一例を示した図、第３図（ａ
）〜第３図（Ｃ）は本発明の方法における代表的な基材
表面の構成例及び操作を示した図、第４図及び第５図は
基材の過熱を防ぐための方法を示したものであり、第４
図は捨て板を使用したところの斜視図、第５図はレーザ
ーのパワー密度の基材の場所に応じた一制御例を示すグ
ラフである。また第６図（ａ）及び（ｂ）、並びに第７
図（ａ）及び（ｂｏ）は実施例及び比較例において基板
の評価用に形成した発熱素子の構成を模式的に示した図
であり、各（ａ）図はその平面図、各（ｂ）図は該平面
図に示された一点鎖線に沿った部分断面図である。 １：レーザー発振器　　２：レーザー光２ａ：レーザー
照射部 ３：ミラー　　　　　　４＝集光光学系５：レンズ　　
　　　　６：揺動光学系７：凹面鏡　　　　　　８：基
材 ８ａ：全屈表面層　　　　８ｂ＝材料粉末９ニスキヤン
ミラー　　１０：絶縁層 １１：捨板　　　　　　　１２：発熱抵抗体層１２ａ：
発熱素子　　　　　１３：電極層１４：発熱素子用基板 １４ａ：基板母材　　　　　１４ｂ：絶縁層１５：支持
体　　　　　　１６　：　５ｉ０２保護膜１７　：　Ｔ
ａ保護膜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）加熱されることによって絶縁層を形成し得る材料が
   存在している基材の表面に、高密度エネルギー流を照射
   し、該材料を加熱溶融しながら絶縁性を有する層を該基
   材表面に形成する過程を含むことを特徴とする発熱素子
   用基板の製造方法。 ２）前記絶縁層を形成し得る材料が、粉末状である特許
   請求の範囲第１項に記載の発熱素子用基板の製造方法。 ３）前記基材が、加熱されることによって絶縁層を形成
   し得る材料である特許請求の範囲第１項に記載の発熱素
   子用基板の製造方法。 ４）前記加熱が、酸素を含む雰囲気中にて行なわれる特
   許請求の範囲第１項に記載の発熱素子用基板の製造方法
   。 ５）前記加熱が、窒素を含む雰囲気中にて行われる特許
   請求の範囲第１項に記載の発熱素子用基板の製造方法。 ６）前記絶縁層を形成し得る材料が、Ａｌである特許請
   求の範囲第１項に記載の発熱素子用基板の製造方法。