(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に絶縁層を介して形成される、インクに熱を与えるための複数の発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に電気的に接続された電極配線と、および該発熱抵抗体を覆う保護層と、を有するインクジェットヘッド用基体において、前記保護層が複数の層からなる積層構造を有し、該複数の層の内の少なくとも前記発熱抵抗体に最も近い側の層が化学量論組成付近のＳｉ系誘電体層からなり、且つ前記発熱抵抗体から遠い側の層が化学量論組成比よりもＳｉリッチな誘電体層からなることを特徴とする、インクジェットヘッド用基体。
【請求項２】
前記保護層がＳｉＮまたはＳｉＯ２を主成分とする誘電体膜からなる、請求項１記載のインクジェットヘッド用基体。
【請求項３】
インクジェットヘッド用の基体からなるインクジェットヘッドにおいて、該基体が請求項１または２記載のインクジェットヘッド用基体であって、且つ基板は少なくとも表面が絶縁性を有することを特徴とする、インクジェットヘッド。
【請求項４】
インクジェットヘッド用基体を製造する方法において、少なくとも表面が絶縁性を有する基板上に発熱抵抗体および電極配線を所望のパターンに形成し、次いで保護層をスパッタ法あるいはプラズマＣＶＤ法により形成する際、アンモニア、窒素、酸素等の反応性ガスの導入量を順次減少させていくことにより、前記保護層の発熱抵抗体に最も近い側の層では化学量論組成付近のＳｉ系誘電体層を得、該発熱抵抗体から遠い側の層では化学量論組成比よりもＳｉリッチな誘電体層を得ることを特徴とする、インクジェットヘッド用基体の製造方法。
【請求項５】
インクジェットヘッドを有するインクジェット装置において、該インクジェットヘッドが請求項３記載のインクジェットヘッドであって、且つ該ヘッドを載置するための部材を少なくとも具備することを特徴とする、インクジェット装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吐出エネルギー発生素子によりインク内に生ずるバブルの成長・収縮により吐出口よりインクを吐出させて記録を行う、インクジェットヘッド用基体、インクジェットヘッド、インクジェット装置およびインクジェットヘッド用基体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット記録方式は高速高密度で高精度高画質の記録が可能であり、且つ、カラー化コンパクト化に適していることから近年注目されている（米国特許第４７２３１２９号、同第４７４０７９６号）。
【０００３】
上記インクジエット記録に使用されるヘッドは図１に示すように、複数の吐出口１００１が設けられ、また、これからそれぞれ記録液体（以下、インクと称する）を吐出するために利用される熱エネルギーを発生する電気熱変換素子１００２が各インク流路１００３毎に基板１００４上に設けられている。
各電気熱変換素子１００２は、主に発熱抵抗体１００５およびこれに電力を供給するための電極配線１００６ならびにこれらを保護する保護膜１００７により構成される。
【０００４】
また、各インク流路１００３は複数の流路壁１００８が一体的に形成された天板を、基板１００４上の電気熱変換素子等との相対位置を画像処理等の手段により位置合わせしながら接合することにより形成される。
各インク流路１００３は、その吐出口１００１と反対側の端部が共通液室１００９と連通しており、この共通液室１００９にはインクタンク（不図示）から供給されるインクが貯留される。
【０００５】
共通液室１００９に供給されたインクは、ここから各インク流路１００３に導かれ、吐出口１００１近傍でメニスカスを形成して保持される。
このとき電気熱変換素子１００２を選択的に駆動させることにより、その発生する熱エネルギーを利用して熱作用面上のインクを急激に加熱沸騰させ、このときの激力によってインクを吐出させる。
【０００６】
ところで、インクジェットヘッドの熱作用面については、インクの発泡と消泡の繰り返しによるキャビテーションがもたらす機械的衝撃、さらにはエロージョンに曝されるという点、また、０．１〜１０μ秒という極めて短時間に１０００℃前後の温度の上昇および下降に曝されるといった点等のように厳しい環境におかれるため、使用する環境から発熱抵抗体を保護するために保護層が設けられている。
保護層は耐熱性、耐液性、液浸透防止性、酸化安定性、絶縁性、耐破傷性、および熱伝導性に優れていることが要求され、現在では、ＳｉＯ２あるいはＳｉＮ等の無機化合物が一般的に用いられている。
【０００７】
さらに、単層の保護層では発熱抵抗体の保護性能に不充分な場合もあり、保護層上により耐キャビテーション性の高いＴａ等の金属で構成することもある。
また、上記構成は発熱抵抗体部以外でも、例えば発熱抵抗体と電気的接続をとる配線パターン上にも、ここではインクによって配線が腐食するのを防止するために同様の構成が取られている。
【０００８】
このようにして、インクジェットヘッドにおいて熱作用面である発熱基板が構成されており、上記保護層の構成がインクジェットヘッドの性能、例えば消費電力や寿命を決定する重要なファクターとなっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の保護層構成では消費電力を下げることと、膜の信頼性や寿命を確保することとは相反する要求になってしまう。
例えば、発泡させるための消費電力を下げるためには、発熱抵抗体で発生した熱を効率よくインク側へ伝達すればよく、そのためには発熱抵抗体上にある保護膜において、厚さを薄くするか、熱伝導率の大きな材料を用いればよい。
しかし、現在インクジェットヘッド用保護膜として一般的に用いられているＳｉＯ２あるいはＳｉＮ等の無機化合物では、金属のように大きな熱伝導率は有していない。
【００１０】
一方、保護膜を薄くしていくと、ピンホールの発生や、配線の断差部でのステップカバレッジ不良等の問題が生じてしまい、そこからインクの侵入による電極配線や発熱抵抗体の腐食を引き起こし、インク吐出の信頼性や寿命が低下してしまうと言った問題が発生する。
【００１１】
本発明の目的は、上記のような問題のない、保護膜トータルでの熱伝導率が大きく、発熱抵抗体で発生した熱を効率よくインク側へ伝達することが可能な、膜の信頼性や寿命を確保しつつ発泡させるための消費電力が低減されたインクジェットヘッドを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、現在インクジェットヘッド用保護膜として一般的に用いられているＳｉＯ２あるいはＳｉＮ等の無機化合物では熱伝導率が１．４（Ｗ／ｍＫ）程度と言われているのに対し、Ｓｉでは約１００（Ｗ／ｍＫ）と言われていることに着目した。
【００１３】
そして、上記の課題を解決するために鋭意検討を行った結果、複数の層からなる積層構造を有する保護膜において、複数の層の少なくとも発熱抵抗体に最も近い側の層は化学量論組成付近のＳｉ系誘電体層からなり、且つ、発熱抵抗体から最も遠い側の層は化学量論組成比よりもＳｉリッチな誘電体層からなる構成を取ることにより、保護膜トータルでの熱伝導率が大きくなり、発熱抵抗体で発生した熱を効率よくインク側へ伝達することが可能となり、保護膜の厚さを薄くせずに、すなわち膜の信頼性や寿命を確保しつつ、発泡させるための消費電力が低減されたインクジェットヘッドが得られることを見い出し、本発明を完成するに到った。
【００１４】
上記の課題・目的は以下に示す本発明によって解決・達成される。
すなわち、本発明は、基板上に絶縁層を介して形成される、インクに熱を与えるための複数の発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に電気的に接続された電極配線と、および該発熱抵抗体を覆う保護層と、を有するインクジェットヘッド用基体において、前記保護層が複数の層からなる積層構造を有し、該複数の層の内の少なくとも前記発熱抵抗体に最も近い側の層が化学量論組成付近のＳｉ系誘電体層からなり、且つ、前記発熱抵抗体から遠い側の層が化学量論組成比よりもＳｉリッチな誘電体層からなることを特徴とするインクジェットヘッド用基体を開示するものである。
【００１５】
また本発明は、インクジェットヘッド用の基体からなるインクジェットヘッドにおいて、該基体が前載のインクジェットヘッド用基体であって、且つ基板は少なくとも表面が絶縁性を有することを特徴とするインクジェットヘッドを開示するものである。
【００１６】
また本発明は、インクジェットヘッド用基体を製造する方法において、少なくとも表面が絶縁性を有する基板上に発熱抵抗体および電極配線を所望のパターンに形成し、次いで保護層をスパッタ法あるいはプラズマＣＶＤ法により形成する際、アンモニア、窒素、酸素等の反応性ガスの導入量を順次減少させていくことにより、前記保護層の発熱抵抗体に最も近い側の層では化学量論組成付近のＳｉ系誘電体層を得、該発熱抵抗体から遠い側の層では化学量論組成比よりもＳｉリッチな誘電体層を得ることを特徴とする、インクジェットヘッド用基体の製造方法を開示するものである。
【００１７】
さらに本発明は、インクジェットヘッドを有するインクジェット装置において該インクジェットヘッドが前記のインクジェットヘッドであって、且つ該ヘッドを載置するための部材を少なくとも具備することを特徴とするインクジェット装置を開示するものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図面に基づいて実施例により具体的に説明するが、本発明がこれらの実施例のみに限定されるものではなく、本発明の目的が達成され得るものであればよい。
【００１９】
［実施例１］
図２は、本発明の一実施例に係わるインクジェットヘッドのインクを発泡させる、発熱部の基板を示す摸式平面図であり、図３は、図２におけるＸ−Ｘ’断面（一点鎖線に沿って基板面に垂直に切断したときの切断面部分）の摸式断面図である。
【００２０】
本実施例による発熱部の基板の作成は、Ｓｉ基板あるいは既に駆動用のＩＣを作り込んだＳｉ基板を用いる。Ｓｉ基板の場合は、熱酸化法、スパッタ法、ＣＶＤ法などによってＳｉＯ２の蓄熱層を形成し、ＩＣを作り込んだＳｉ基板も同様にその製造プロセス中で、ＳｉＯ２の蓄熱層を形成しておく。図中では３００１がその部分に相当する。
【００２１】
次に、電極配線としてＡｌ層３００２ｂを５００ｎｍ、電極配線の熱ストレスによる影響を抑制する金属合金層としてＴｉＷ層３００３を８５ｎｍスパッタリング法にて形成する。次に、フォトリソ法を用いて配線パターンを形成し、リアクテイブイオンエッチング法でＴｉＷ，Ａｌと連続的にエッチングを行う。次に、スパッタ法、ＣＶＤ法などによってＳｉＮあるいはＳｉＯ２等からなる層間絶縁膜３００４を１４００ｎｍ形成する。
次いで、発熱抵抗体としてＴａＮ層３００６を６０ｎｍ、電極配線としてＡｌ層３００２ａを５００ｎｍそれぞれ反応性スパッタリングおよびスパッタリングにより形成する。次に、フォトリソ法を用いて配線パターンを形成し、リアクテイブイオンエッチング法で、Ａｌ，ＴａＮと連続的にエッチングを行う。再びフォトリソ法により図３の３００５で示されるように発熱部を露出させるためにウエットエッチングによりＡｌを取り去る。
【００２２】
次に保護膜３００７としてスパッタ法、プラズマＣＶＤ法などによって、ＳｉＮあるいはＳｉＯ２等からなる誘電体膜を１０００ｎｍ形成する。この際、成膜の初期においては化学量論組成比のＳｉＮあるいはＳｉＯ２等が得られるように成膜ガスのトータル流量および流量比を設定して誘電体膜を形成し、成膜が進むにつれアンモニア、窒素、酸素等の反応性ガスの導入量を順次減少させていき化学量論組成比よりもＳｉリッチな誘電体層を形成する。
ここで、発熱抵抗体から最も遠い側の層の形成にあたっては、Ｓｉ膜となるよう反応性ガスの導入量をゼロとしてもよい。
【００２３】
次いで、耐キャビテーションおよび耐インク膜としてＴａ膜３００８を２３０ｎｍ必要に応じてパターニングを行いながら成膜することによりインクジェット用基体を作製した。
また上記基体を用いてインクジェットヘッドを製造し、発泡開始電圧（Ｖｔｈ）および吐出の耐久性についての確認を行った。
その結果を表１に示す。
【００２４】
［比較例１］
保護膜３００７としてスパッタ法、プラズマＣＶＤ法などによって、ＳｉＮあるいはＳｉＯ２等からなる誘電体膜１０００ｎｍを形成する際、膜厚方向に均一な誘電体膜を形成する他は実施例１と同様にしてインクジェットヘッド用基体を作成した。
また、この基体を用いてインクジェットヘッドを製造し、実施例１と同様にして発抱開始電圧（Ｖｔｈ）および吐出の耐久性についての確認を行った。
【００２５】
その結果を表１に示す。なお、表１は、実施例１のインクジェットヘッド用基体を用いたインクジェットヘッドと、比較例１のインクジェットヘッド用基体を用いたインクジェットヘッドとの、発泡開始電圧（Ｖｔｈ）および吐出の耐久性を比較した表である。
【００２６】
【表１】
0003563960.tif 000002
【００２７】
［実施例２］
図４は本発明が適用されるインクジェット装置の摸式外観図で、駆動モータ５０１３の正逆回転に連動して駆動力伝達ギア５０１１，５００９を介して回転するリードスクリュー５００４の螺旋溝５００５に対して係合するキャリッジＨＣはピン（不図示）を有し、矢印方向に往復移動される。
５００２は紙押え板であり、キャリッジ移動方向にわたって紙をプラテン５０００に対して押圧する。
５００７，５００８はフォトカプラでキャリッジのレバー５００６のこの域での存在を確認してモータ５０１３の回転方向切り替え等を行うためのホームポジション検知手段である。
【００２８】
５０１６は記録ヘッドの全面をキャップするキャップ部材５０２２を支持する部材で、５０１５はこのキャップ内を吸引する吸引手段でキャップ内開口５０２３を介して記録ヘッドの吸引回復を行う。
５０１７はクリーニングブレードで、５０１９はこのブレードを前後方向に移動可能にする部材であり、本体支持板５０１８にこれらは支持されている。
ブレードは、この形態でなく周知のクリーニングブレードが本体に適用できることは言うまでもない。
また、５０１２は、吸引回復の吸引を開始するためのレバーで、キャリッジと係合するカム５０２０の移動に伴って移動し、駆動モータからの駆動力がクラッチ切り替え等の公知の伝達手段で移動制御される。
【００２９】
これらのキャッピング、クリーニング、吸引回復は、キャリッジがホームポジション側領域にきたときにリードスクリュー５００４の作用によってそれらの対応位置で所望の処理が行えるように構成されているが、周知のタイミングで所望の作動を行うようにすれば、本例はいずれも適用できる。
上記のような構成は、単独で見てもあるいは複合的に見ても優れたものであり本発明にとって好ましい構成例を示している。
なお、本装置にはインク吐出圧発生素子を駆動するための駆動信号供給手段を有している。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のインクジェットヘッドは、その基体の上記した構成により、保護膜トータルでの熱伝導率が大きくなることにより発熱抵抗体で発生した熱を効率よくインク側へ伝達することが可能となり、膜の信頼性や寿命を確保しつつ、発泡させるための消費電力が低減されたインクジェットヘッドを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のインクジェットヘッドの基板構成の一例の概要を示す摸式平面図。
【図２】本発明の実施例におけるインクジェットヘッドの基板を示す摸式平面図。
【図３】図２のＸ−Ｘ’断面（一点鎖線に沿って垂直に切断）における基板を示す摸式断面図。
【図４】本発明のインクジェットヘッドを用いた記録装置の概要を示す摸式外観図。
【符号の説明】
１００１    吐出口
１００２    電気熱変換素子
１００３    インク流路
１００４    基板
１００５    発熱抵抗体
１００６    電極配線
１００７    保護膜
１００８    流路壁
１００９    共通液室
３００１    蓄熱層
３００２ａ，３００２ｂ    電極配線
３００３    金属合金層
３００４    層間絶縁膜
３００５    発熱部
３００６    発熱抵抗体
３００７    保護膜
３００８    耐キャビテーション膜
５０００    プラテン
５００２    紙押え板
５００４    リードスクリュー
５００５      螺旋溝
５００６    キャリッジレバー
５００７，５００８      フォトカプラ
５００９，５０１１    駆動力伝達ギア
５０１２    レバー
５０１３    駆動モータ
５０１４    リードスクリュー
５０１５    吸引手段
５０１６    支持部材
５０１７    クリーニングブレード
５０１８    本体支持板
５０１９        移動部材
５０２０        カム
５０２２    キャップ部材
５０２３    キャップ内開口
【図１】
0003563960.tif 000003
【図２】
0003563960.tif 000004
【図３】
0003563960.tif 000005
【図４】
0003563960.tif 000006