(57)【要約】【課題】  エネルギー変換効率向上のため流路内に発熱体を流路の内壁面より浮かせた状態で位置した液体吐出ヘッドにおいて、発熱体の耐久性を向上させた液体吐出ヘッドを提供する。【解決手段】  少なくとも２つの面に気泡を発生させる発熱体を流路の内壁面より浮かせた状態で支持し、前記少なくとも２つの面におけるイナータンスのうちの最大値を最小値の１．５倍以内とする。【選択図】  図１
2008149668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を加熱して発泡させ、発生気泡を利用して液体を吐出する液体吐出方法を用いる液体吐出ヘッドにおいて、液体吐出口と、該液体吐出口に連通して配置された液体を満たすための流路と、前記流路の内壁面より浮かせた状態に支持して前記流路内に配置した発熱体を備え、該発熱体の少なくとも２つ以上の面に気泡を発生させ、該２つ以上の発泡面におけるイナータンスのうちの最大値が最小値の１．５倍以内であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記発熱体が平板形状であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記平板形状の発熱体の両面に気泡を発生させることを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記平板形状の発熱体に対して、前記液体吐出口および液体を満たすための流路が対称に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
発生した気泡が液体吐出口近傍で外気と連通することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】
液体吐出ヘッドの作製方法であって、
（ａ）第１基板の表面に犠牲層を形成する工程
（ｂ）前記犠牲層上に発熱体素子を形成する工程
（ｃ）前記発熱体素子を外部回路に接続するための配線及び電極を形成する工程
（ｄ）前記犠牲層をエッチングすることにより、流路を形成する工程
（ｅ）第２基板の表面に流路および液室を形成する工程
（ｆ）前記第１基板と第２基板を接合する工程
を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの作製方法。
【請求項７】
前記第１基板が単結晶シリコンであり、結晶異方性エッチングを用いて前記流路を形成することを特徴とする請求項６に記載の液体吐出ヘッドの作製方法。
【請求項８】
前記第２基板が単結晶シリコンであり、結晶異方性エッチングを用いて前記流路および液室を形成することを特徴とする請求項６に記載の液体吐出ヘッドの作製方法。
【請求項９】
前記第２基板に光透過性の材料を用いることを特徴とする請求項６に記載の液体吐出ヘッドの作製方法。
【請求項１０】
前記犠牲層が多結晶シリコンであることを特徴とする請求項６に記載の液体吐出ヘッドの作製方法。
【請求項１１】
前記第２基板に流路および液室を金型マスタおよび金型を用いて形成し、前記金型マスタを単結晶シリコンより作製し、該金型マスタの流路および液室部分を結晶異方性エッチングにより作製することを特徴とする請求項６に記載の液体吐出ヘッドの作製方法。
【請求項１２】
金型マスタをメッキし、該メッキした部分を前記金型マスタから剥離することにより、前記金型を作製することを特徴とする請求項１１に記載の液体吐出ヘッドの作製方法。
【請求項１３】
液体を加熱して発泡させ、発生した気泡を利用して液体を吐出するヘッドを有する記録装置において、液体吐出口と、該液体吐出口に連通して配置された液体を満たすための流路と、前記流路の内壁面より浮かせた状態で流路を塞がないように支持して前記流路内に配置した発熱体を備え、該発熱体の少なくとも２つ以上の面に気泡を発生させることを特徴とし、該２つ以上の発泡面におけるイナータンスのうちの最大値が最小値の１．５倍以内である液体吐出ヘッドを有することを特徴とする記録装置。
【請求項１４】
複数の液体吐出ヘッドを備え、各発熱体に電気信号を供給する手段を備えたことを特徴とする請求項１３に記載の記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路内の液体を加熱して発泡させ、発生気泡を利用して液体を吐出する液体吐出ヘッド、及び記録装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から液体吐出装置は、微細加工、実験分析、画像形成等の様々な分野で応用されているが、ここではインクジェットによる記録方法を例にとって説明する。
【０００３】
インク滴を吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行なうインクジェット記録方法は、高速記録が可能であり、また記録品位も高く、低騒音であるという利点を有している。さらに、この方法はカラー画像記録が容易であって、普通紙等にも記録でき、さらに装置を小型化し易いといった多くの優れた利点を有している。
【０００４】
このようなインクジェット記録方法を用いる記録装置には、一般にインクを飛翔インク滴として吐出させるための吐出口と、この吐出口に連通するインク路と、このインク路の一部に設けられ、インク路内のインクに吐出のための吐出エネルギーを与えるエネルギー発生手段とを有する記録ヘッドが備えられる。例えば、特公昭６１−５９９１１号、特公昭６１−５９９１２号、特公昭６１−５９９１３号、特公昭６１−５９９１４号の各公報には、エネルギー発生手段として電気熱変換体を用い、電気パルス印加によってこれが発生する熱エネルギーをインクに作用させてインクを吐出させる方法が開示されている。
【０００５】
上記各公報に開示されている記録方法は、熱エネルギーの作用を受けたインクに気泡が発生し、この気泡の急激な膨張に基づく作用力によって、記録ヘッド部先端の吐出口よりインクを吐出し、この吐出インク滴が被記録媒体に付着して画像形成を行なうものである。
【０００６】
この方法によれば記録ヘッドにおける吐出口を高密度に配設することができるので、高解像度、高品質の画像を高速で記録することができ、この方法を用いた記録装置は、複写機、プリンタ、ファクシミリなどにおける情報出力手段として用いることができる。
【０００７】
このインクジェット記録方式においては、上述のように電気熱変換体すなわち液体を加熱するための発熱体素子が必要であり、従来は薄膜抵抗体を流路内の壁面に設置し、該薄膜抵抗体の２辺に電気パルスを印加するための電極を接続したものが用いられていた。
【０００８】
しかしながら、上記したように薄膜抵抗体を壁面に設置した場合は、該薄膜抵抗体で発生した熱エネルギーが、かなりの割合で壁面に散逸してしまう場合があった。これにより、熱エネルギーを気泡のエネルギーに変換する効率が低下し、消費電力が大きくなってしまう場合があった。この問題点を解決するために、特開昭５５−５７４７７ならびに特開昭６２−９４３４７号公報には、発熱体素子を部分的に流路内の空間に空中に延在させて設け、これにより発熱体素子からプリントヘッド本体乃至は基板に熱が散逸されることを極力防止し、発熱体で発生した熱エネルギーを効率良く気泡のエネルギーに変換することにより、消費電力を低減させる装置が開示されている。
【特許文献１】特公昭６１−５９９１１号公報
【特許文献２】特公昭６１−５９９１２号公報
【特許文献３】特公昭６１−５９９１３号公報
【特許文献４】特公昭６１−５９９１４号公報
【特許文献５】特開昭５５−５７４７７号公報
【特許文献６】特開昭６２−９４３４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、熱エネルギーを気泡のエネルギーに変換する効率を改善した上記従来技術では、以下に説明する問題点があった。
【００１０】
図１２に示す特開昭６２−９４３４７号では、平板型の発熱体素子１２０１の配置によっては、気泡成長時に吐出口側の気泡１２０３と反対側の気泡１２０４の膨張の度合いが異なることによって、発熱体１２０１の両面での圧力差が生じ、それによって発熱体１２０１が破壊してしまったり、一度の発泡では破壊せずとも繰り返し応力を加えられることによって発熱体素子１２０１の耐久性が著しく低下してしまうことがあった。ここで、発泡時から気泡成長初期における気泡の圧力の変化を模式的に示す図１３を用いて、より詳しく説明する。図１３において、縦軸は、気泡の圧力を大気圧を基準に示しており、横軸は発泡時刻からの時間である。平板型の発熱体素子の両面で発泡させた時に、もしそれぞれの面において液体の動きにくさ（慣性の大きさ）が異なっていたとすると、両面で同時に発泡し、初期圧力ＰOが同じであっても、気泡の成長のしかたが異なり、気泡の圧力の時間変化にも差が生じてくる。すなわち、慣性が小さい側の面では気泡は膨張しやすく、それに伴って気泡の圧力は速く低下し、慣性が大きい側の面ではその逆となる。従って、図１３の斜線で示した部分の差圧が発熱体の両側にかかることになり、この差圧に耐えられなければ発熱体は壊れることになる。今、液体として水が主成分のものであるとすると、μｓオーダーの短い時間で急速に加熱した時、発熱体近傍の液体は１気圧における沸点（１００℃）を超えても発泡せず、３００℃程度になった時に瞬間的に発泡する。その際の初期圧力ＰOは、３００℃付近での水の飽和蒸気圧に近いと考えられ、数１０気圧にも達する。
【００１１】
従って、発熱体両面での慣性の大きさが異なる場合、両側にかかる差圧は１０気圧以上ともなりうる。以上をまとめると、上記従来例では、熱エネルギーを気泡のエネルギーに変換する効率については、考慮しているが、液体の慣性を考慮していないので、発熱体の両側に大きな差圧が加わる場合があり、発熱体の耐久性に間題があるといえる。
【００１２】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、発熱体素子で発生した熱エネルギーを効率良く気泡のエネルギーに変換し、さらに該気泡のエネルギーを効率良く最終的な液体吐出のエネルギーに変換することによって消費電力が低く抑え、かつ、耐久性の高い記録装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は上記課題を解決するため、流路内の液体を加熱して発泡させ、発生気泡を利用して液体を吐出する液体吐出ヘッド、該液体吐出ヘッドの作製方法、記録装置を以下のように構成したことを特徴とするものである。
【００１４】
すなわち、液体を加熱して発泡させ、発生気泡を利用して液体を吐出する液体吐出方法を用いる液体吐出ヘッドにおいて、液滴吐出口と、該液滴吐出口に連通して配置された液体を満たすための流路と、前記流路の内壁面より浮かせた状態に支持して前記流路内に配置した発熱体を備え、該発熱体の少なくとも２つ以上の面に気泡を発生させることを特徴とし、該２つ以上の発泡面におけるイナータンスのうちの最大値が最小値の１．５倍以内であることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、前記発熱体が平板形状であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、前記平板形状の発熱体の両面に気泡を発生させることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、前記平板形状の発熱体に対して、前記液滴吐出口および液体を満たすための流路が対称に構成されていることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、発生した気泡が液体吐出口近傍で外気と連通することを特徴とする。
【００１９】
本発明の液体吐出ヘッドの作製方法は、前項記載の液体吐出ヘッドの作製方法であって、
（ａ）第１基板の表面に犠牲層を形成する工程
（ｂ）前記犠牲層上に発熱体素子を形成する工程
（ｃ）前記発熱体素子を外部回路に接続するための配線及び電極を形成する工程
（ｄ）前記犠牲層をエッチングすることにより、流路を形成する工程
（ｅ）第２基板の表面に流路を形成する工程
（ｆ）前記第１基板と第２基板を接合する工程
を有することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の液体吐出ヘッド作製方法は、前記第１基板が単結晶シリコンであり、結晶異方性エッチングを用いて前記流路を形成することを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の液体吐出ヘッドの作製方法は、前記第２基板が単結晶シリコンであり、結晶異方性エッチングを用いて前記流路を形成することを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の液体吐出ヘッドの作製方法は、前記第２基板を光透過性の材料から形成することを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の液体吐出ヘッドの作製方法は、前記犠牲層が、多結晶シリコンであることを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の液体吐出ヘッドの作製方法は、前記第２基板に流路を形成するのに、金型マスタおよび金型を用いることを特徴とする前項記載の液体吐出ヘッドの作製方法で、前記金型マスタを単結晶シリコンより作製し、該金型マスタの流路部分を結晶異方性エッチングにより作製することを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の液体吐出ヘッドの作製方法は、前項記載の金型マスタをメッキし、該メッキした部分を前記金型マスタから剥離することにより、前記金型を作製することを特徴とする。
【００２６】
本発明の記録装置は、液体を加熱して発泡させ、発生した気泡を利用して液体を吐出するヘッドを有する記録装置において、液滴吐出口と、該液滴吐出口に連通して配置された液体を満たすための流路と、前記流路の内壁面より浮かせた状態で流路を塞がないように支持して前記流路内に配置した発熱体を備え、該発熱体の少なくとも２つ以上の面に気泡を発生させることを特徴とし、該２つ以上の発泡面におけるイナータンスのうちの最大値が最小値の１．５倍以内であることを特徴とする液体吐出ヘッドを有する記録装置である。
【００２７】
また、本発明の記録装置は、複数の液体吐出ヘッドを備え、各発熱体に電気信号を供給する手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
以上説明したように、本発明の液体吐出装置記録ヘッドでは、発熱体素子を流路内壁から浮かせた状態で支持することで、発熱体で発生した熱が基板に散逸するのを防ぎ、さらに発泡面におけるイナータンスのばらつきを小さくする構造にしたことにより、発熱体の劣化、破壊を防ぐことができる。また、本発明の液体吐出装置型記録ヘッドの作製方法では、発熱体素子を流路内壁から浮かせた状態で支持され、さらに発泡面におけるイナータンスのばらつきを小さい構造の液体吐出装置型記録ヘッドを作製することができる。これにより、高解像度・高速印字が可能で、従来と比較して消費電力が低い記録装置を提供することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
まず、発熱体の発泡面におけるイナータンスを、以下に定義し、発泡面におけるイナータンスがヘッドの耐久性にどう影響するかをまとめる。
【００３０】
非圧縮性流体の運動の基本式は、
【００３１】
【数１】
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【００３２】
となる。
【００３３】
本発明の液体吐出ヘッドにおいて、流路内に配置された発熱体上の発泡面の数をＮとすると、本発明の液体吐出ヘッドは、液体の吐出口、液体の供給口を含めて、圧力規定面がＮ＋２個あるＮ＋２開口系の管路と考えることができる。ここで、圧力を規定する各面での圧力は、発泡面（面積Ｓ1，Ｓ2，・・・，ＳN）においては気泡の初期圧力で、吐出口（面積ＳN+1）は大気圧で、供給口（面積ＳN+2）は一般には大気圧と若干異なる圧力であるが、供給口における圧力と大気圧の差は気泡の初期圧力に比べ無視できる。すなわち、大気圧を基準として測って、吐出口（面積ＳN+1）および供給口（面積ＳN+2）で圧力０、Ｎ個の発泡面で圧力ＰOである。なお、圧力規定面としての供給口は、圧力勾配が管路内の他の部分に比べて十分小さいと考えてよい位置に指定しなければならない。例えば細い流路が流路に比べ十分に大きな液室に接続されている場合、液室内部ではほとんど圧力勾配を生じないので、供給口としては流路と液室の接続部、あるいはそれよりも液室内部に設定しなければならない。
【００３４】
上記のＮ＋２開口系において、発泡面Ｓ1，Ｓ2，・・・，ＳN、吐出口ＳN+1、供給口ＳN+2における圧力、外向き流量を、Ｐ1，Ｐ2，・・・，ＰN，ＰN+1，ＰN+2、およびＦ1，Ｆ2，・・・ＦN，ＦN+1，ＦN+2とし、すべての発泡面で同時に初期圧力ＰO（大気圧との差で）で発泡したとすると、
【００３５】
【数２】
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【００３６】
の時に、発熱体に差圧が加わらないことになる。従って、耐久性の高い液体吐出ヘッドを達成するためにはなるべく各発泡面におけるイナータンスＭ1，Ｍ2，・・・，ＭNをそろえることが重要となる。
【００３７】
例えば、図１５に示すように発熱体が平板形状であり、その両面で同時に発泡させる場合は、発泡面をＳ1，Ｓ2、吐出口をＳ3、供給口をＳ4として、発泡面Ｓ1，Ｓ2におけるイナータンスは、
【００３８】
【数３】
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【００３９】
となる。容易にわかるように、ヘッドの吐出口、流路が平板形状の発熱体に関して対称に構成されていれば、Ａ13＝Ａ23、Ａ14＝Ａ24であるから、Ｍ1＝Ｍ2となる。
【００４０】
各発泡面におけるイナータンスをどの程度までそろえるべきかは、発熱体の寸法、形状、材質等によって異なる。また、実際には、計算上Ｍ1，Ｍ2，・・・，ＭNが完全に一致したとしても、ヘッド作製上の工作精度等により、すべての発泡面におけるイナータンスを完全に一致させることは困難である。一般にインクジェットヘッドに用いる場合は、計算上のＭ1，Ｍ2，・・・，ＭNのうちの最大値が最小値の１．５倍以内に収まっていればよい。より好ましくは、最大値が最小値の１．２倍以内に収まっていることが望ましい。
【００４１】
以下、実施例を用いて本発明を、より詳細に説明する。
【００４２】
（第１実施例）
図１に示したインクジェット記録ヘッドを設計、作製した。本実施例の記録ヘッドは、基板１０１上に流路１０２となる溝を形成し、該溝上に両持ち梁状に平板形状の発熱体素子１０３を形成し、該発熱体素子の両端に電極（不図示）を形成し、流路１０２となる溝を形成した天板１０４を前記基板に張合わせ、液体供給口１０５および先細形状の液滴吐出口１０６を形成したものである。前記発熱体素子１０３の各面のうち、最も面積が広い面において気泡は主として発生する。ここで、供給口を流路と液室の接続部とするとヘッド全体は図中ＢＢ’面に関して再対称に構成されている。記録ヘッドの各部の寸法は、図１に示した通りである。なお、本実施例における流路、発熱体、液滴吐出口の寸法は、設計事項として任意に変更できるものである。
【００４３】
次に、図２を用いて、本実施例の記録ヘッドの液体吐出からリフィルまでの原理を説明する。流路２０１が液体２０２に満たされた状態（図２（ａ））で、発熱体素子２０３の両端に形成された電極（不図示）に、パルス電圧を印加することにより、発熱体の温度を、膜沸騰が生じる温度（３００℃以上）まで急速に上昇させる。これにより、発熱体の発泡面の両面に、同時に気泡２０４が発生し、急激に膨張を始める（図２（ｂ））。この時、ノズルは薄い平板状発熱体素子に関して面対称なので、発熱体両面での気泡は同じように膨張する。さらに気泡は膨張を続け、液滴を液滴吐出口２０５側に押し出す（図２（ｃ））。さらに気泡が膨張すると、独立した液滴２０６が形成され、液滴吐出口から吐出する。（図２（ｄ））。その後、気泡は収縮し、液滴に取り込まれずに流路内に残った液体は、液体供給口２０７側の液体と合体してメニスカスを形成する（図２（ｅ））。続いて、該メニスカスが、ほぼ表面張力と粘性抵抗がバランスする速度で吐出口方向に移動しはじめ、最終的に吐出口まで液体が充填されて初期状態に戻る（図２（ｆ））。
【００４４】
この記録ヘッドに、Ｃ．Ｉ．フードブラック２３．０重量％，ジエチレングリコール１５．０重量％，Ｎ−メチル−２−ピロリドン５．０重量％，イオン交換水７７．０重量％よりなる各配合成分を容器中で撹拌し、均一に混合溶解させた後、孔径０．４５μｍのポリフッ化エチレン系繊維製フィルタで濾過して得た粘度２．０ｃｐｓ（２０℃）のインクを流路に供給し吐出を試みた。
【００４５】
記録ヘッドの発熱体の加熱条件を、電圧９．０Ｖ，パルス幅２．５μｓｅｃ，周波数３ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させたところ、発熱体が破壊することなく、安定した繰り返し吐出が可能であった。
【００４６】
本実施例の記録ヘッドでは、発熱体を流路の内壁面から浮かせた状態に支持してあるので、該発熱体で発生した熱は、基板（もしくは天板）に散逸せず、その殆どが気泡の発生に利用される。さらに、ヘッドが発熱体平板の中心面に関して面対称であり、計算上２つの発泡面におけるイナータンスが等しいので、発熱体の破壊および劣化を防ぐことができたと考えられる。
【００４７】
（第２実施例）
図３に示したインクジェット記録ヘッドを設計作製した。本実施例の記録ヘッドは、基板３０１上に両端に電極（不図示）を備えた平板状の発熱体素子３０２を、基板３０１に対して発熱体３０２の発泡面が垂直になるように形成し、さらに基板３０１上にスペーサー３０３を形成し、円形の液滴吐出口３０４を形成した天板３０５をスペーサー３０３に張合わせ、流路３０６を形成したものである。
【００４８】
ここで、ヘッド全体が平板状の発熱体素子３０２に関して対称となるように構成した。記録ヘッドの各部の寸法は、図３に示した通りである。なお、本実施例における流路、発熱体、液滴吐出口の寸法は、設計事項として任意に変更できるものである。
【００４９】
本実施例の液滴吐出原理は、流路と液滴吐出口の相対位置が異なることを除いて、第１実施例と同じである。
【００５０】
本実施例の記録ヘッドを用いて、第１実施例と同様のインクを吐出した。記録ヘッドの発熱体の加熱条件を、電圧９．０Ｖ，パルス幅２．５μｓｅｃ，周波数３ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させ、さらにリフィルさせたところ、発熱体が破壊することなく、安定した繰り返し吐出が可能であった。
【００５１】
本実施例の記録ヘッドでは、発熱体は流路内に直立した状態で配置しているため、該発熱体で発生した熱は、基板（もしくは天板）に散逸せず、その殆どが気泡の発生に利用される。さらに、ヘッドが発熱体平板の中心面に関して面対称であり、計算上２つの発泡面におけるイナータンスが等しいので、発熱体の破壊および劣化を防ぐことができたと考えられる。
【００５２】
（比較例）
比較のため、図４に示したインクジェット記録ヘッドを設計、作製した。本実施例の記録ヘッドは、基板４０１上に、流路４０７となる溝を有するスペーサー４０２を形成し、スペーサー４０２の溝に架かる両持ち梁状の発熱体素子４０３を形成し、さらに流路４０７となる溝を有するスペーサー４０４を形成し、円形の液体吐出口４０５を有する天板４０６を張合わせたものである。記録ヘッドの各部の寸法は、図３に示した通りである。流路、液滴吐出口の形状および寸法、発熱体素子の発泡面の面積は、第２実施例の記録ヘッドと同じである。
【００５３】
本比較例の記録ヘッドの２つの発泡面において、吐出口側のイナータンスＭ1、反対側のイナータンスＭ2を計算したところ、
Ｍ1＝３．６９［ｋｇ／ｍ4］
Ｍ2＝７．１６［ｋｇ／ｍ4］
となり、発泡面における最大イナータンスと最小イナータンスの比は、
Ｍ2／Ｍ1＝１．９４
で、１．５よりも大きな値となった。なお、液体の密度は１０3［kg／ｍ3］とした。
【００５４】
この記録ヘッドを用いて、第２実施例と同じインクの吐出を試みた。記録ヘッドの発熱体の加熱条件を、第２実施例と同様に電圧９．０Ｖ，パルス幅２．５μｓｅｃ，周波数３ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させたところ、およそ１００００回程度の吐出の後（数秒後）、発熱体が破壊されてしまった。
【００５５】
（第３実施例）
本実施例では、図５に示したインクジェット記録ヘッドを設計、作製した。本実施例のインクジェット記録ヘッドは、発熱体素子５０３の吐出口側端面から吐出口５０６までの距離Ｌを、第１実施例では６０μｍであったのに対して、２０μｍと短くしたことを特敏とする。それ以外の発熱体の材質および寸法、流路の形状については、第１実施例のインクジェット記録ヘッドと同様であり、計算上２つの発泡面におけるイナータンスの値も等しい。
【００５６】
次に、図６を用いて、本実施例の吐出原理について説明する。流路６０１が液体６０２に満たされた状態（図６（ａ））で、発熱体素子６０３の両端に形成された電極（不図示）に、パルス電圧を印加することにより、発熱体の温度を、膜沸騰が生じる温度（３００℃以上）まで急速に上昇させる。これにより、発熱体の発泡面の両面に、同時に気泡６０４が発生し、急激に膨張を始める（図６（ｂ））。さらに気泡は膨張を続け、液滴を吐出口６０５側に押し出す（図６（ｃ））。さらに気泡が膨張すると、気泡は吐出口近傍で大気と連通し、安定に独立した液滴６０６が形成され、吐出口から吐出し、流路内にはメニスカスが形成される（図６（ｄ））。続いて、該メニスカスが、ほぼ表面張力と粘性抵抗がバランスする速度で吐出口方向に移動しはじめ、最終的に吐出口まで液体が充填されて初期状態に戻る（図２（ｅ））。
【００５７】
この記録ヘッドを用い、第１実施例と同様のインクを液室に供給し吐出を試みた。
【００５８】
記録ヘッドの発熱体の加熱条件を、電圧９Ｖ，パルス幅２．５μｓｅｃ，周波数５ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させたところ、発熱体の破壊は見られず、かつ、液滴の体積のばらつき、速度のばらつきが小さくなり、第１実施例と比較して高い周波数で駆動した場合でも、安定した吐出が可能であることが判明した。
【００５９】
本実施例の記録ヘッドでは、気泡が大気と連通することにより、吐出される液滴の体積が常に一定となり、安定した吐出を行うことが可能となる。
【００６０】
また、第２実施例の記録ヘッドの発熱体素子と液滴吐出口の距離を短くすることにより、気泡と大気を連通させた場合でも、本実施例と同様の効果が得られることは明らかである。
【００６１】
また、本実施例においては、発熱体素子と液滴吐出口の距離を短くすることにより、気泡と大気を連通させたが、これ以外の方法、例えば駆動電圧を大きくすることにより気泡の体積を大きくする等の方法によって、気泡と体積を連通させても本実施例と同様の効果を得ることが可能である。
【００６２】
（第４実施例）
本実施例は、本発明の液体吐出ヘッドの作製方法である。本実施例では、第１基板上に発熱体素子、流路、配線および電極を形成し、第２基板に流路及び液室を形成し、該第１基板と第２基板を張合わせることによって液体吐出ヘッドを作製した。
【００６３】
第１基板上に発熱体素子、流路、配線、電極を形成する方法を説明する。図７は、第１基板上に発熱体素子、流路、配線（電極）を形成したところを示した斜視図であり、図８は、図７におけるＡ−Ａ断面およびＢ−Ｂ断面で作製工程を示した図である。なお、図７において、コンタクトホール部、発熱体保護層は省略してある。以下、図８を用いて説明する。
【００６４】
まず、出発基板である面方位（１００）単結晶シリコンウエハ８０１上に、犠牲層であるｐｏｌｙ−Ｓｉ８０２をＬＰＣＶＤを用いて０．１３μｍ成膜し、フォトリソグラフィとＣＦ4ガスを用いたドライエッチで流路形状にｐｏｌｙ−Ｓｉ膜８０２をパターニングした（図８（ａ））。なお、このｐｏｌｙ−Ｓｉ犠牲層の役割については、後の工程（結晶異方性エッチングによる流路形成）で説明する。
【００６５】
次に、発熱体保護層およびエッチングマスクとなるＳｉ3Ｎ4膜８０３をＬＰＣＶＤを用いて、０．２μｍ成膜した。
【００６６】
次に、発熱体素子となるｐｏｌｙ−Ｓｉ膜８０４をＬＰＣＶＤを用いて、１．０μｍ成膜した。
【００６７】
次に、後のイオン注入時の表面保護層となるＳｉＯ2膜を０．０５μｍ、熱酸化することによりｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の表面に形成した。
【００６８】
次に、イオン注入法を用いて、Ｐ（リン）イオンを加速電圧１００ｋｅＶ、ドーズ量５×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2でｐｏｌｙ−Ｓｉ膜にＳｉＯ2膜を介して注入した。これにより、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜は導電性となる。
【００６９】
次に、拡散炉を用いて、Ｎ2雰囲気中で、１１００℃、１８０分間の熱処埋を行った。
【００７０】
次に、ＨＦとＮＨＦ4の混合水溶液を用いて、ｐｏｌｙ−Ｓｉ表面のＳｉ０2膜を除去した（図８（ｂ））。
【００７１】
次に、フォトリソグラフィとＳＦ6ガスを用いたドライエッチングにより、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜８０４を発熱体形状にパターニングした。
【００７２】
次に、発熱体保護層およびエッチングマスクとなるＳｉ3Ｎ4膜８０５をＬＰＣＶＤを用いて０．２μｍ成膜した。
【００７３】
次に、フォトリソグラフィとＣＦ4ガスを用いたドライエッチングにより、Ｓｉ3Ｎ4膜８０３およびＳｉ3Ｎ4膜８０５を流路を形成するためのエッチングマスク形状にパターニングした。このとき、発熱体素子上およびその周辺部のＳｉ3Ｎ4膜は、発熱体保護膜８０６として残した。
【００７４】
次に、フォトリソグラフィとＣＦ4ガスを用いたドライエッチングによりＳｉ3Ｎ4膜８０５の所望の位置にコンタクトホール８６７を形成し、発熱体素子の一部を露出させた。
【００７５】
次に、スパッタ法により密着層であるＣｒを０．０２μｍ、配線および電極となるＡｕを１．０μｍ成膜した。
【００７６】
次に、フォトリソグラフィと、ＫＩとＩ2よりなるＡｕのエッチング液およびＣｅ（ＮＨ4）2（ＮＯ3）6を主成分とするＣｒエッチャントを用いて、Ａｕ膜およびＣｒ膜をパターニングし、配線（電極）８０８を形成した（図８（ｄ））。
【００７７】
次に、基板を濃度３０％、液温１１０℃のＫＯＨ水溶液に浸漬し、Ｓｉ3Ｎ4膜８０５、８０３をマスクとして結晶異方性エッチングを行い、流路８０９を形成した。このとき、発熱体の下にある犠牲層のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜８０２が等方的にエッチングされることにより、ＫＯＨ水溶液が発熱体下部にも回り込み、単結晶シリコンウエハ８０１の発熱体の下の部分も他の部分と同様にエッチングされ流路を形成することが可能となる。
【００７８】
第２基板に流路および液室を形成する方法を以下に説明する。図９に第２基板に流路９０２および液室９０３を形成したところを示した。
【００７９】
まず、出発基板である面方位（１００）の単結晶シリコン基板９０１上に、エッチングマスク層となるＳｉ3Ｎ4膜をＬＰＣＶＤを用いて０．２μｍ成膜した。
【００８０】
次にフォトリソグラフィとＣＦ4ガスを用いたドライエッチングにより、Ｓｉ3Ｎ4膜をパターニングしてエッチングマスク層を形成した。このとき、エッチングマスクパターンは、第１基板に形成した流路の幅と第２基板に形成する流路の幅が同じになるように設計した。
【００８１】
次に、基板を濃度３０％、液温１１０℃のＫＯＨ水溶液に浸漬し、Ｓｉ3Ｎ4膜をマスクとして結晶異方性エッチングを行い、流路および液室を形成した。
【００８２】
最後に、ＣＦ4ガスによるドライエッチングで、エッチングマスク層のＳｉ3Ｎ4膜を除去することにより、図９に示した流路、液室が完成した。
【００８３】
以上の方法で作製した第１基板と第２基板を市販の接着剤を用いて張合わせた。張合わせ時、赤外線スコープを用いてアライメント（位置あわせ）を行った。基板張合わせ後のＡ−Ａ断面図を図１０に示す。図１０には、各部の寸法も合わせて示した。また、図１０において、発熱体保護膜および接着剤は省略してある。
【００８４】
次に、ダイシングソウを用いて、図１０のＣ−Ｃ断面で張合わせた基板を切断し、切断面を研磨することにより吐出口を形成した。
【００８５】
本実施例では、あらかじめ発熱体の下に犠牲層であるｐｏｌｙ−Ｓｉ層を形成することにより、結晶異方性エッチング時に発熱体の下もエッチャントにさらされ、流路を形成することができ、発熱体を流路の内壁面より浮かせた状態で支持することができる。また、犠牲層としてｐｏｌｙ−Ｓｉを用いることにより、流路形成時と同じエッチャントで、１回のエッチングで犠牲層をエッチングできるので、工程を簡略化できるとともに、犠牲層をエッチングをしてエッチャントから引き上げた後に発生していた発熱体素子の第１基板への貼り付きを抑えることができた。
【００８６】
また本実施例では、流路形成に結晶異方性エッチングを用いることにより、結晶面で規定された吐出口、流路を作製することができるので、吐出口、流路を発熱体に関して対称に構成することができる。これにより、計算上発泡体両面におけるイナータンスが等しくなり、発泡時に発熱体両面に差圧がかからず、耐久性の高い液体吐出装置を提供することが可能となる。
【００８７】
（第５実施例）
本実施例では、図９に示した実施例１の流路および液室を形成した第２基板を金型マスタとして使用し、第２基板用金型を作製し、該金型を用いて流路および液室を備え光透過性の材料よりなる第２基板を作製した。そして作製した第２基板を、発熱体素子、流路、配線（電極）を形成した第１基板と張合わせることにより液体吐出装置を作製した。
【００８８】
図１１は、図９におけるＡ−Ａ断面で本実施例の金型および第２基板の作製方法を示した図である。以下、この図を用いて説明する。
【００８９】
はじめに、金型マスタ１１０１の流路および液室が形成された面に密着層であるＴｉ（不図示）を０．０２μｍ、該Ｔｉの上からメッキ種層であるＰｔ（不図示）を０．５μｍ、スパッタ法により成膜した。
【００９０】
次に、メッキ種層のＰｔ表面に、離型剤（不図示）をスプレー塗布した。
【００９１】
次に、硫酸ニッケル・６和物と塩化ニッケル・６水和物とホウ酸の１リットル当たりの重量比が２７０ｇ：４０ｇ：４０ｇとする水溶液に光沢剤を添加したワット浴を用いて、メッキ浴温度５５℃、印加電圧１Ｖ（定電圧）の条件で、Ｎｉメッキを行った（図１１（ａ））。
【００９２】
次に、金型マスタとＮｉメッキ部を剥離することにより、Ｎｉよりなる金型１１０２を作製した（図１１（ｂ））。
【００９３】
次に、作製した金型上に光透過性の紫外線硬化型の樹脂１１０３を塗布した。
【００９４】
次に、ガラス板１１０４を該樹脂の上に載せ、ガラス側から紫外線を照射して樹脂を硬化させた（図１１（ｃ））。
【００９５】
次に、硬化した樹脂とガラスを金型から剥離し、光透過性の樹脂とガラスよりなる第２基板１１０５を作製した（図１１（ｄ））。
【００９６】
次に、実施例１と同様の方法で作製した第１基板と、上記した方法で作製した第２基板１１０５を、市販の接着剤を用いて張合わせた。
【００９７】
次に、ダイシングソウを用いて、実施例１と同様に張合わせた基板を所望の位置で切断し、切断面を研磨することにより吐出口を形成した。
【００９８】
本実施例では、光透過性の樹脂よりなる第２基板を作製したので、第１基板と第２基板を張合わせる際のアライメントが容易となり、作製歩留まりを向上させることができた。
【００９９】
また、金型を利用することにより、大量生産時の作製コストを下げ、作製時間を短縮することが可能となった。
【０１００】
（第６実施例）
第３実施例のインクジェット記録ヘッドを複数装備し、発熱体駆動用回路を備え、該記録ヘッドと被記録媒体とを所望の間隔で対向させるための支持体と、入力された情報に応じて、該記録ヘッドと被記録媒体との相対位置を変化させるための機構を有する記録装置を作製した。本実施例の記録装置は、高解像度印字が可能で、従来と比較して消費電力が低かった。さらに、駆動周波数も従来と同等に設定することができ、高速印字が可能であった。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の第１実施例のインクジェット記録ヘッドを示す図。
【図２】本発明の第１実施例のインクジェット記録ヘッドの吐出原理を示す図。
【図３】本発明の第２実施例のインクジェット記録ヘッドを示す図。
【図４】比較例のインクジェット記録ヘッドを示す図。
【図５】本発明の第３実施例のインクジェット記録ヘッドを示す図。
【図６】本発明の第３実施例のインクジェット記録ヘッドの吐出原理を示す図。
【図７】第４実施例において第１基板上に発熱体素子、流路、配線を形成したところを示した図。
【図８】第４実施例において第１基板上に発熱体素子、流路、配線を形成する工程を示した図。
【図９】第４実施例において第２基板に流路および液室を形成したところを示した図。
【図１０】第４実施例において第１基板と第２基板を張合わせたところを示した図。
【図１１】第５実施例の第２基板を作製する工程を示した図。
【図１２】従来技術のインクジェット記録ヘッドを示す図。
【図１３】発泡時から気泡成長初期における気泡の圧力変化を模式的に示す図。
【図１４】ｎ開口系の管路を示す図。
【図１５】平板状発熱体を用いた液体吐出ヘッドを模式的に示す図。
【符号の説明】
【０１０２】
１０１  基板
１０２  流路
１０３  発熱体素子
１０４  天板
１０５  液体供給口
１０６  液滴吐出口
２０１  流路
２０２  液体
２０３  発熱体素子
２０４  気泡
２０５  液滴吐出口
２０６  液滴
２０７  液体供給口
３０１  基板
３０２  発熱体素子
３０３  スペーサー
３０４  液滴吐出口
３０５  天板
３０６  流路
４０１  基板
４０２  スペーサー
４０３  発熱体素子
４０４  スペーサー
４０５  液体吐出口
４０６  天板
４０７  流路
５０３  発熱体素子
５０６  液滴吐出口
６０１  流路
６０２  液体
６０３  発熱体素子
６０４  気泡
６０５  液滴吐出口
６０６  液滴
６０７  液体供給口
７０１  発熱体素子
７０２  流路
７０３  配線（電極）
８０１  （１００）単結晶シリコン基板
８０２  ｐｏｌｙ−Ｓｉ（犠牲層）
８０３  Ｓｉ3Ｎ4
８０４  ｐｏｌｙ−Ｓｉ
８０５  Ｓｉ3Ｎ4
８０６  発熱体保護膜
８０７  コンタクトホール
８０８  配線（電極）
８０９  流路
９０１  （１００）単結晶シリコン基板
９０２  流路
９０３  液室
１１０１  金型マスタ
１１０２  Ｎｉメッキ層（金型）
１１０３  樹脂
１１０４  ガラス板
１１０５  第２基板
１２０１  発熱体素子
１２０２  液滴吐出口
１２０３  気泡
１２０４  気泡
１２０５  液滴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2008149668.tif 000017
【図１３】
2008149668.tif 000018
【図１４】
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【図１５】
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