(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリンタヘッドよりインク液滴を飛び出させて印刷対象に付着させることにより前記印刷対象を印刷するプリンタにおいて、
前記プリンタヘッドは、
所定の基板上に形成されたヒーターによるインク液室のインクの加熱により、前記インク液室のノズルより前記インク液滴を飛び出させ、
前記ヒーターが、空隙を間に挟んで、前記基板上に形成され、
前記空隙を間に挟んで前記ヒーターと対向するように、前記基板に形成された電極と、
前記ヒーターと前記電極の間に、前記ヒーターを前記電極に向かって撓ませる所定の駆動用電圧を印加する駆動機構と、を更に備えることを特徴とするプリンタ。
【請求項２】
前記空隙は、
前記インクが進入するように形成されたことを特徴とする請求項１に記載のプリンタ。
【請求項３】
前記電極は、前記基板と前記ヒーターとの間の熱抵抗を変化させる制御機構であることを特徴とする請求項１に記載のプリンタ。
【請求項４】
前記空隙は、
前記基板より遠ざかるように、前記ヒーターを変形させて形成されたことを特徴とする請求項１に記載のプリンタ。
【請求項５】
所定の基板上に形成されたヒーターによるインク液室のインクの加熱により、前記インク液室のノズルよりインク液滴を飛び出させ、
前記インク液滴を印刷対象に付着させるプリンタヘッドにおいて、
前記ヒーターが、空隙を間に挟んで、前記基板上に形成され、
前記空隙を間に挟んで前記ヒーターと対向するように、前記基板に形成された電極を更に備え、
前記ヒーターと前記電極の間に所定の駆動用電圧が印加されると、前記ヒーターが前記電極に向かって撓むことを特徴とするプリンタヘッド。
【請求項６】
前記空隙は、
前記インクが進入するように形成されたことを特徴とする請求項５に記載のプリンタヘッド。
【請求項７】
前記電極は、前記基板と前記ヒーターとの間の熱抵抗を変化させることが可能な制御機構であることを特徴とする請求項５に記載のプリンタヘッド。
【請求項８】
前記空隙は、
前記基板より遠ざかるように、前記ヒーターを変形させて形成されたことを特徴とする請求項５に記載のプリンタヘッド。
【請求項９】
所定の基板上に形成されたヒーターによるインク液室のインクの加熱により、前記インク液室のノズルより前記インク液滴を飛び出させ、
前記インク液滴を印刷対象に付着させるプリンタヘッドの製造方法において、
空隙を間に挟んで、前記ヒーターを前記基板上に形成し、
前記空隙を間に挟んで前記ヒーターと対向するように、前記基板に電極を形成し、
前記ヒーターと前記電極の間に所定の駆動用電圧が印加されると、前記ヒーターが前記電極に向かって撓むことを特徴とするプリンタヘッドの製造方法。
【請求項１０】
前記空隙に前記インクが進入するように、前記空隙を形成することを特徴とする請求項９に記載のプリンタヘッドの製造方法。
【請求項１１】
前記所定の部材を間に挟んで、前記基板上に前記ヒーターを形成した後、
前記所定の部材を除去して、前記空隙を形成することを特徴とする請求項９に記載のプリンタヘッドの製造方法。
【請求項１２】
前記基板上に前記ヒーターを形成した後、前記ヒーターを変形させて前記空隙を形成することを特徴とする請求項９に記載のプリンタヘッドの製造方法。
【請求項１３】
前記基板及び前記ヒーター間に、前記ヒーターの変形を促進する膜材料を配置したことを特徴とする請求項９に記載のプリンタヘッドの製造方法。
【請求項１４】
前記基板上に、前記電極、前記ヒーターを順次配置した後、前記空隙を形成することを特徴とする請求項９に記載のプリンタヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリンタ、プリンタヘッド及びプリンタヘッドの製造方法に関し、特にサーマル式によるインクジェットプリンタに適用することができる。本発明は、ヒーターと基板との間に空隙を形成することにより、またこのような空隙を形成してヒーターと基板との間の熱抵抗を変化させる機構を設けることにより、短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができ、又は消費電力を少なくすることができるようにする。
【０００２】
【従来の技術】
従来、インクジェットプリンタにおいては、プリンタヘッドよりインク液滴を飛び出させて印刷対象に付着させることにより、所望の画像等を印刷するようになされており、サーマル方式による場合には、薄膜ヒーターを用いたサーマルヘッドによりプリンタヘッドが構成されるようになされている。
【０００３】
すなわちサーマルヘッドは、所定の基板上に形成された薄膜ヒーターによりインク液室のインクを加熱し、インク成分を気化させてインク液室の圧力を増大させる。サーマルヘッドは、この圧力の増大によりインク液滴がノズルより飛び出して印刷対象に付着するようになされている。このようなサーマルヘッドは、半導体製造プロセスを利用してプリンタヘッドを製造できることにより、ノズルを高密度化して比較的簡易な構成により高解像度の印刷結果を得ることができる。
【０００４】
すなわち図１３は、このようなサーマルヘッドに適用される半導体基板について、薄膜ヒーターの部位を上方より見て示す平面図と、この平面図をＡ−Ａ線により切り取って示す断面図である。
【０００５】
ここで半導体基板１は、Ｐ型シリコン基板２にヒーター駆動用のトランジスタ等が形成された後、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）により酸化珪素ＳｉＯ2 が５００〔ｎｍ〕程度成膜されて絶縁層３が形成される。さらに半導体基板１は、スパッタリング法により発熱素子材料であるタンタル、タンタルアルミ又は窒化チタン等が堆積された後、ドライエッチングによりパターンニングされ、これにより薄膜ヒーターＨが形成される。
【０００６】
続いて半導体基板１は、アルミニウム等の電極材料を堆積した後、ドライエッチングでパターンニングされ、これにより薄膜ヒーターＨの一端を駆動用トランジスタに接続する配線パターン４Ａ、薄膜ヒーターＨの他端を電源ライン等に接続する配線パターン４Ｂが形成される。
【０００７】
さらに半導体基板１は、プラズマＣＶＤにより窒化シリコンＳｉ3 Ｎ4 が堆積されて保護層５が形成され、タンタルを成膜してドライエッチングでパターンニングすることにより、バブル収縮消滅時の衝撃を緩和する耐キャビテーション層６が形成される。
【０００８】
サーマルヘッドは、ウエハの状態でこれらの処理が実行された後、スクライビング処理により半導体基板１が形成される。さらにサーマルヘッドは、各基板１の上に、インク流路、インク液室等が形成される。なおサーマルヘッドは、複数の薄膜ヒーター、インク液室、ノズルによる機構が、１つの半導体基板１の上に繰り返し形成されるようになされている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところでこのような構成に係るサーマルヘッドにおいて、インク液滴を短い時間間隔により飛び出させることができれば、その分印刷速度を速くし、解像度を向上することができる。
【００１０】
このためには膜沸騰温度である３００度以上まで薄膜ヒーターＨによりインクを素早く加熱し、薄膜ヒーターＨの駆動を開始してインク液滴を短い時間で飛び出させることが必要になる。また他方で、インク液滴が飛び出した後においては、インクを沸点温度である１００度以下まで素早く冷却し、速やかにインクをインク液室及びノズルにリフィルさせることが必要になる。
【００１１】
このような２つの条件のうち、一方の条件である薄膜ヒーターＨの駆動を開始してインク液滴を短い時間で飛び出させる条件については、薄膜ヒーターＨの発熱を効率良くインクに伝導することにより満足することができ、このためには薄膜ヒーターＨで発生した熱が基板２に逃げないようにして効率良くインクを加熱することが必要になる。
【００１２】
実際上、従来のサーマルヘッドにおいては、薄膜ヒーターＨで発生した熱量の約７０〜９０〔％〕の熱量が基板２に散逸し、インクの加熱には、残りの１０〜３０〔％〕の熱量しか有効に活用されていない。これにより薄膜ヒーターＨで発生した熱が基板２に逃げないようにすれば、インク液滴を短い時間間隔により飛び出させることができれば、その分印刷速度を速くし、解像度を向上することができると考えられる。またこのようにインク液滴を短い時間間隔により飛び出させることができないまでも、プリンタの消費電力を少なくすることができると考えられる。
【００１３】
従来のサーマルヘッドは、熱伝導性の低い酸化珪素による絶縁層３を間に挟んで、熱伝導性の良いシリコン基板２の上に、薄膜ヒーターＨが配置されていることにより、絶縁層３の膜厚を厚くして、さらには基板２及び薄膜ヒーターＨ間の膜構成を変更して、基板２への熱伝導を少なくすることができると考えられる。しかしながら薄膜ヒーターＨの保護、製造の効率等を考慮すると、このような変更は容易ではない。
【００１４】
またこのようにして基板側への熱抵抗を大きくすると、短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させるための第２の条件であるインクを速やかに冷却することが困難になる恐れもあり、極端な場合には、放熱に時間が長くなって、却ってインク液滴を短い時間で飛び出させることが困難になる。
【００１５】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができるプリンタ、プリンタヘッド及びプリンタヘッドの製造方法を提案しようとするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため請求項１の発明においては、プリンタに適用にして、プリンタヘッドのヒーターが、空隙を間に挟んで、基板上に形成されてなるようにする。
【００１７】
また請求項３の発明においては、請求項１の構成において、プリンタヘッドが、少なくとも基板とヒーターとの間の熱抵抗を変化させる制御機構を有するようにする。
【００１８】
また請求項８の発明においては、プリンタヘッドに適用して、ヒーターが、空隙を間に挟んで、基板上に形成されてなるようにする。
【００１９】
また請求項１０の発明においては、請求項８の構成において、少なくとも基板とヒーターとの間の熱抵抗を変化させることが可能な制御機構を有するようにする。
【００２０】
また請求項１５の発明においては、プリンタヘッドの製造方法に適用して、空隙を間に挟んで、ヒーターを基板上に形成する。
【００２１】
また請求項１９の発明においては、請求項１５の構成において、基板に対して、線膨張係数の大きな材料によりヒーターを形成した後、ヒーターの加熱によるヒーターの膨張によりヒーターを変形させる。
【００２２】
また請求項２１の発明においては、請求項１５の構成において、ヒーターとの間の電圧の印加による静電力により、ヒーターとの間の間隔が変化する電極を配置する。
【００２３】
請求項１の構成によれば、プリンタに適用にして、プリンタヘッドのヒーターが、空隙を間に挟んで、基板上に形成されてなることにより、直接、基板の上にヒーターを形成する場合に比して、基板への放熱を少なくすることができる。従ってその分、インクを効率良く加熱して短い時間でインクを沸騰させてインクを飛び出させることができ、これにより短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができ、又は吐出に要する電力を少なくすることができる。
【００２４】
また請求項３の構成によれば、請求項１の構成において、プリンタヘッドが、少なくとも基板とヒーターとの間の熱抵抗を変化させる制御機構を有することにより、この制御機構による熱抵抗の変化により、インクの加熱を促進し、及び又はインクの放熱を促進することができる。これによりインクの加熱及び又は放熱に要する時間をさらに短くして、短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができ、又は吐出に要する電力を少なくすることができる。
【００２５】
これにより請求項８又は請求項１０の構成によれば、短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができ、又は吐出に要する電力を少なくすることができるプリンタヘッドを提供することができる。
【００２６】
また請求項１５の構成によれば、プリンタヘッドの製造方法に適用して、空隙を間に挟んで、ヒーターを基板上に形成することにより、直接、基板の上にヒーターを形成する場合に比して、基板へ放熱を少なくすることができる。従ってその分、インクを効率良く加熱して短い時間でインクを沸騰させてインクを飛び出させることができ、これにより短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができ、又は吐出に要する電力を少なくすることができる。
【００２７】
また請求項１９の構成によれば、請求項１５の構成において、基板に対して、線膨張係数の大きな材料によりヒーターを形成した後、ヒーターの加熱によるヒーターの膨張によりヒーターを変形させることにより、簡易にヒーターを変形させて空隙を作成することができる。またこのようにして形成された空隙においては、基板の線膨張係数よりヒーターの線膨張係数が大きいことにより、ヒーターによる加熱時、空隙の間隔が大きくなり、冷却時、この大きくなった空隙の間隔が元に戻るようになる。これにより加熱により基板との間の熱抵抗を増大させて加熱を促進することができ、また冷却時、基板との間の熱抵抗を少なくして冷却を促進することができ、さらに一段と加熱に要する時間を短くし、また冷却に要する時間を短くすることができる。
【００２８】
また請求項２１の構成によれば、請求項１５の構成において、ヒーターとの間の電圧の印加による静電力により、ヒーターとの間の間隔が変化する電極を配置することにより、このヒーターと電極との間の間隔の変化により、ヒーターによる加熱を促進し、又はヒーターによる放熱を促進することができ、これによってもさらに一段と加熱に要する時間を短くし、及び又は冷却に要する時間を短くすることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、適宜図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳述する。
【００３０】
（１）第１の実施の形態
（１−１）第１の実施の形態の構成
図１は、図１３（Ｂ）との対比により示すサーマルヘッドの断面図である。この実施の形態に係るプリンタにおいては、このサーマルヘッド１１により所望の画像等を印刷する。このサーマルヘッド１１は、薄膜ヒーターＨ、この薄膜ヒーターＨを駆動する駆動回路１２等を作成してなる半導体基板１３に対して、インク流路、インク液室等を配置して構成される。
【００３１】
すなわちサーマルヘッド１１において、半導体基板１３は、図１３との対比により図２に示すように、駆動回路１２を構成するトランジスタ等がＰ型シリコン基板１４に形成された後、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）により酸化珪素ＳｉＯ2 が５００〔ｎｍ〕程度成膜されて絶縁層１５が形成される（図２（Ａ１）及び（Ｂ１））。
【００３２】
続いて半導体基板１３は、例えばスパッタリングによりほぼ膜厚２００〔ｎｍ〕のチタン膜が成膜された後、ドライエッチングでパターンニングされ、これにより図２（Ａ２）及び（Ｂ２）に示すように、駆動用電極１６がチタンにより形成される。ここで駆動用電極１６は、インクの冷却促進を図るために所定の電圧を印加する電極であり、薄膜ヒーターＨのほぼ真下に形成される。なおこの実施の形態では、真上より見て薄膜ヒーターＨの真下を薄膜ヒーターＨが横切るように形成される。
【００３３】
続いて半導体基板１３は、ＣＶＤにより酸化珪素ＳｉＯ2 が５００〔ｎｍ〕成膜された後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing ）で平坦化され、これにより図２（Ａ３）及び（Ｂ３）に示すように、表面が平坦化されて駆動用電極１６が露出される。
【００３４】
続いて半導体基板１３は、ＣＶＤによりポリシリコンが５００〔ｎｍ〕程度成膜された後、ドライエッチングによるパターンニングにより、図３（Ａ４）及び（Ｂ４）に示すように、犠牲層１８が形成される。ここで犠牲層１８は、この薄膜ヒーターＨが作成された後にエッチング工程により取り除かれ、薄膜ヒーターＨの下に空隙を形成する。このため犠牲層１８は、取り除かれる際に形成されている絶縁層１５、薄膜ヘッドＨ、配線パターン１９Ａ及び１９Ｂには何ら影響を与えないエッチング工程によりエッチング可能な材料により形成される（図３（Ａ５）〜（Ｂ６）参照）。さらに犠牲層１８は、薄膜ヒーターＨを作成した後に、エッチング可能なように、一部が露出するように形成される。なお具体的に、この実施の形態では、上方より見て、駆動用電極１６の延長する方向に薄膜ヒーターＨより飛び出す大きさにより形成される。この実施の形態では、この飛び出す方向が、薄膜ヒーターＨに流れる電流の方向とほぼ直交する方向となるように設定され（図３（Ａ６）及び（Ｂ６））、これにより薄膜ヒーターＨに電流を供給する配線パターン１９Ａ及び１９Ｂを形成した場合でも十分にエッチングできるようになされている。
【００３５】
すなわち半導体基板１３は、続いてスパッタリング法により発熱材料であるタンタルが１５０〔ｎｍ〕程度堆積された後、ドライエッチングによりパターンニングされ、これにより図３（Ａ５）及び（Ｂ５）に示すように、薄膜ヒーターＨが形成される。
【００３６】
また続いて半導体基板１３は、アルミニウム等の電極材料を膜厚１２００〔ｎｍ〕により堆積した後、ドライエッチングでパターンニングし、これにより図３（Ａ６）及び（Ｂ６）に示すように、薄膜ヒーターＨの一端を駆動用トランジスタに接続する配線パターン１９Ａ、薄膜ヒーターＨの他端を電源ライン等に接続する配線パターン１９Ｂが形成される。なお配線パターン１９Ａ及び１９Ｂは、上方より見て、犠牲層１８と一部が重なり合うように形成される。
【００３７】
続いて半導体基板１３は、ゼノンダイフローライトＸｅＦ2 によるドライエッチングにより、犠牲層１８が除去され、これにより図４（Ａ７）及び（Ｂ７）に示すように、薄膜ヒーターＨの下に、配線パターン１９Ａ及び１９Ｂの延長する方向とは直交する側にそれぞれ開口を有してなる厚さ０．５〔μｍ〕による空隙２０が形成される。
【００３８】
さらに半導体基板１３は、図４（Ａ８）及び（Ｂ８）に示すように、プラズマＣＶＤにより窒化シリコンＳｉ3 Ｎ4 が膜厚２００〔ｎｍ〕だけ堆積されて保護層２１が形成される。さらに続いてタンタルが膜厚１５０〔ｎｍ〕だけ成膜された後、ドライエッチングでパターンニングされ、これにより図４（Ａ９）及び（Ｂ９）に示すように、耐キャビテーション層２２が形成される。
【００３９】
半導体基板１３は、続いてドライフィルムレジストによりインク液室及びインク流路の側壁を構成する部材２３が形成される（図１）。サーマルヘッド１１は、これら半導体基板１３の加工がウエハの状態により実行され、インク液室及びインク流路の側壁が形成されると、ダイサーによりカットされて個々のサーマルヘッドを構成する基板にスクライビング処理される。その後、半導体基板１３は、ニッケル電鋳処理された板状部材であり、ノズル２４が形成されてなるノズルプレート２５が熱接着により貼り付けられ、所定の保持部材であるヘッドベースに接着によりマウントされる。サーマルヘッド１１は、その後、半導体基板１３に形成されたランドがワイヤボンドにより外部基板と接続されて完成品とされる。
【００４０】
サーマルヘッド１１は、このようにして接続された外部配線基板を介して半導体基板１３に駆動回路１２の電源、印刷に供するデータ等が供給され、これにより駆動回路１２により薄膜ヒーターＨを駆動してインク液室のインクを加熱し、ノズル２４よりインク液滴２７を飛び出させることができるようになされている。
【００４１】
駆動回路１２は、このようにして半導体基板１３に薄膜ヒーターＨ等と一体に配置され、印刷に供するデータにより間欠的に薄膜ヒーターＨを駆動することにより、ノズル２４よりインク液滴を飛び出させる。
【００４２】
すなわち駆動回路１２は、図１（Ａ）に示すように、ドットを形成するタイミングでスイッチイングトランジスタによるスイッチ回路３０がオン状態に切り換わり、トランジスタにより構成される第１の電源３１の電力が薄膜ヒーターＨに供給される。これにより図５（Ａ）に示すように、このサーマルヘッド１１では、薄膜ヒーターＨの両端電位差Ｖ１が間欠的に立ち上げられて、薄膜ヒーターＨが発熱するようになされ、この発熱によりインクを加熱してインク液滴を飛び出させるようにようになされている。
【００４３】
さらに駆動回路１２は、図１（Ｂ）に示すように、このような薄膜ヒーターＨの加熱を中止するタイミングで、スイッチイングトランジスタによるスイッチ回路３２がオン状態に切り換わり、トランジスタにより構成される第２の電源３３による電圧が薄膜ヒーターＨと駆動用電極１６との間に印加される。これによりサーマルヘッド１１は、駆動用電極１６と、この駆動用電極１６に対して空隙２０を介して保持された薄膜ヒーターＨとの間に、この第２の電源３３により電位差Ｖ２（図５（Ｂ））が形成されるようになされ、この電位差Ｖ２により薄膜ヒーターＨを駆動用電極１６に引きつけて、冷却を促進するようになされている。
【００４４】
（１−２）第１の実施の形態の動作
以上の構成において、この実施の形態に係るプリンタは（図１〜図４）、半導体製造工程において、半導体基板１３に駆動回路１２を構成するトランジスタ、薄膜ヒーターＨ等が形成された後、インク液室、インク流路が形成され、その後所定のアッセンブリを経てサーマルヘッド１１が作成される。
【００４５】
この半導体基板１３の加工工程において、サーマルヘッド１１は、薄膜ヘッドＨの真下に、電極１６が形成される。さらに他の構成部材には何ら影響を与えないエッチング工程によりエッチング可能な材料により、この電極１６の上に、所定膜厚による犠牲層１８が形成され、この犠牲層１８の上に薄膜ヘッドＨが形成される。さらにその後、配線パターン１９Ａ及び１９Ｂが形成された後、犠牲層１８が除去され、これにより微細な空隙２０を介して電極１６と対向するように、薄膜ヘッドＨが配置される。また犠牲層２０が薄膜ヘッドＨより大きめに形成されて除去されることにより、この空隙２０にインクが進入するように開口が形成される。
【００４６】
このようにしてなるサーマルヘッド１１は、インク液室にインクが導入されると、毛管力によりこの空隙２０にインクが進入し、これによりインクが満たされてなる微細な空隙２０を介して電極１６と対向するように薄膜ヘッドＨが配置される。
【００４７】
この状態で、サーマルヘッド１１は、間欠的に薄膜ヒーターＨが駆動され（図５）、この薄膜ヒーターＨによるインクの加熱によりインク液室のインクが局所的に沸騰してインク液室の圧力が増大し、この圧力の増大によりノズル２４よりインクが押し出されてインク液滴として印刷対象に付着する。
【００４８】
このようにして加熱するにつき、従来構成による薄膜ヒーターＨにおいては、約５００〔ｎｍ〕程度の厚さによる絶縁膜を介して半導体基板上に形成されており（図１３）、この絶縁膜がこの絶縁膜の材料である酸化珪素の熱伝導率が約１［Ｗ／ｍＫ］であった。
【００４９】
これに対してこの実施の形態では、薄膜ヒーターＨの下には、空隙２０に満たされたインク、電極１６、基板１３が配置されることになり、インクにおいては、実験した結果では熱伝導率が約０．６［Ｗ／ｍＫ〕であった。すなわちこの実施の形態に係るサーマルヘッド１１においては、従来の熱伝導率、約１［Ｗ／ｍＫ］による絶縁膜が熱伝導率、約０．６［Ｗ／ｍＫ〕によるインクに置き変わった構造とすることができ、その分、従来に比して薄膜ヒーターＨから基板１３への熱流束を少なくして、インク液室のインクを効率良く加熱することができる。これによりサーマルヘッド１１では、従来に比して少ない電力により、かつ短い時間でインク液滴を飛び出させることができる。
【００５０】
なお、このように薄膜ヒーターＨの下にインクを導いた場合、この薄膜ヒーターＨの下側でインクが沸騰することも考えられるが、基板１３側への放熱が低下したとは言え、基板１３側へは十分な熱流束があり、これにより薄膜ヒータＨの下側のインクが沸騰する程の温度上昇については、これを十分に防止することができる。なお、このような観点より、この実施の形態のように、基板に対向するように薄膜ヒーターを配置した場合、基板と薄膜ヒーターとの間を５〔μｍ〕以下として、基板側でのインクの沸騰を防止することができる。
【００５１】
ところでこのようにしてインクを短い時間で加熱することができても、このままではインクの冷却に関して、従来と同程度の時間を要することになる。
【００５２】
このためこの実施の形態では、薄膜ヒーターＨの駆動を停止すると、薄膜ヒーターＨと電極１６との間に電圧を印加し、静電力により薄膜ヒーターＨを電極１６側に撓ませる。このようにすれば、隙間２０に満たされていたインクが押し出され、その分、薄膜ヒーターＨが、電極１６、基板１３に近づくことにより、その分基板１３側への熱抵抗が小さくなり、これによっても短い時間でインクを冷却することができる。これにより電極１６は、基板とヒーターとの間の熱抵抗を変化させる制御機構を構成する。
【００５３】
実験した結果によれは、サーマルヘッド１１において、薄膜ヒーターＨ、電極１６間に３２〔Ｖ〕の電圧を印加すると、静電力により空隙の間隔を５００〔ｎｍ〕から２００〔ｎｍ〕に狭めることができた。
【００５４】
なおこの実験においては、上述した構成に係るサーマルヘッド１１において、薄膜ヒーターＨにおける配線パターン１９Ａ及び１９Ｂの対向する部位の間隔（いわゆるヒーター間隔である）を４２〔μｍ〕に設定し、シート抵抗２８〔Ω／□〕により薄膜ヒーターＨを形成した。このとき配線パターン１９Ａ及び１９Ｂ、スイッチイングトランジスタのオン抵抗は、合計で４〔Ω〕であった。
【００５５】
このようにして構成してサーマルヘッド１１の全てのノズルからインクを安定に吐出する電圧は、薄膜ヒーターＨに電圧を印加する時間を１．５〔μｓｅｃ〕に設定した場合には、３．８２〔Ｖ〕であった。これにより薄膜ヒーターＨの駆動に要する電力は、計算により約４００〔ｍＷ〕を要することが判った。また薄膜ヒーターＨ、電極１６間に３２〔Ｖ〕の電圧を印加して空隙２０の間隔を２００〔ｎｍ〕に狭めると、３８〔μｓｅｃ〕以内で、駆動前の温度に戻った。これによりこのサーマルヘッド１１は、１．５〔μｓｅｃ〕＋３８〔μｓｅｃ〕より短い周期でドットを形成することができ、この周期を周波数に換算すると２６〔ｋＨｚ〕となった。
【００５６】
このサーマルヘッド１１との比較により図１３の構成に係るサーマルヘッド１で実験した結果によれば、全てのノズルからインクを安定に吐出する電圧は、上述のサーマルヘッド１１の場合と同一の条件である薄膜ヒーターＨに電圧を印加する時間を１．５〔μｓｅｃ〕に設定した場合には、５．２４〔Ｖ〕であった。これにより薄膜ヒーターＨの駆動に要する電力は、計算により約７５０〔ｍＷ〕を要することが判った。またノズルの液面が初期状態に戻るのには、駆動を停止して６７〔μｓｅｃ〕（１５〔ｋＨｚ〕）の期間を要した。なお、この従来構成によるサーマルヘッド１は、この実施の形態のサーマルヘッド１１と同一に、ヒーター間隔４２〔μｍ〕、シート抵抗２８〔Ω／□〕により薄膜ヒーターを構成し、また配線抵抗と、トランジスタのオン抵抗は、計４〔Ω〕であった。またインク液室の大きさ、構成材料等は、サーマルヘッド１１と同一に構成した。図６は、これらの関係をまとめた表である。
【００５７】
（１−３）第１の実施の形態の効果
以上の構成によれば、ヒーターと基板との間に空隙を形成することにより、基板への放熱を少なくして効率良くインクを加熱することができる。従ってその分、従来に比して短い時間でインクの温度を上昇させて、短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができる。従って、その分、印刷に要する時間を短くすることができ、また解像度を向上することができる。また駆動に要する電力を少なくすることができる。
【００５８】
さらにこのような空隙を形成して、ヒーターと基板との間の熱抵抗を変化させる機構を設けることにより、ヒーターによる加熱及び又は放熱を促進することができ、これによっても、短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができる。従って、その分、印刷に要する時間を短くすることができ、また解像度を向上することができる。
【００５９】
特に、このような熱抵抗を変化させる機構を、所定の駆動用電圧の印加による静電力によりヒーターとの間の間隔が変化する電極の配置により構成することにより、簡易な構成で、短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができる。
【００６０】
（２）第２の実施の形態
この実施の形態においては、第１の実施の形態に係るサーマルヘッドにおいて、電極１６を省略し、またこの省略により第２の電源３３による薄膜ヒーターＨの駆動を中止する。
【００６１】
このように電極１６により薄膜ヒーターＨを引き寄せる機構を省略すれば、その分、第１の実施の形態に比して、冷却に要する時間は長くなることになり、インク液滴を安定に飛び出させる時間間隔は長くなることになる。しかしながら、このようにしても、薄膜ヒーターＨの下に形成された空隙２０により、従来に比してインクを短い時間で加熱することができ、その分駆動に要する電力を少なくすることができる。
【００６２】
ここでは、第１の実施の形態に係るサーマルヘッド１１を用いて、電極１６の駆動を中止して実験した。この場合、第１の実施の形態と同一の加熱の条件により、加熱に関しては、第１の実施の形態と同一の結果を得ることができた。また、冷却に関しては、薄膜ヒーターＨの駆動前の状態に戻るのに８３〔μｓｅｃ〕（１２〔ｋＨｚ〕）を要した。
【００６３】
この第２の実施の形態によれば、空隙の下に電極を配置しなくても、従来に比して少ない電力によりインク液滴を飛び出させることができる。また空隙の下に電極を配置しなくても良いことにより、第１の実施の形態に比して、サーマルヘッドの工程を簡略化することができる。
【００６４】
（３）第３の実施の形態
（３−１）第３の実施の形態の構成
図７は、図１３との対比により示すサーマルヘッドの断面図である。この実施の形態に係るプリンタにおいては、このサーマルヘッド４１により所望の画像等を印刷する。このサーマルヘッド４１は、薄膜ヒーターＨ、この薄膜ヒーターＨを駆動する駆動回路等を作成してなる半導体基板４３に対して、インク流路、インク液室等を配置して構成される。
【００６５】
すなわちサーマルヘッド１１において、半導体基板１３は、図１３との対比により図２に示すように、駆動回路を構成するトランジスタ等がＰ型シリコン基板４４に形成された後、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）により酸化珪素ＳｉＯ2 が５００〔ｎｍ〕程度成膜されて絶縁層４５が形成される（図８（Ａ１）及び（Ｂ１））。
【００６６】
続いて半導体基板４３は、図８（Ａ２）及び（Ｂ２）に示すように、スピンコートにより有機材料である感光性ポリイミド（住友ベークライト社製、ＣＲＣ−８３００）を膜厚２００〔ｎｍ〕より付着した後、選択的に露光現像して剥離層４６を形成する。ここで剥離層４６は、薄膜ヒーターＨの加熱により薄膜ヒーターＨの基板からの剥離を促す層であり、この上に形成される薄膜ヒーターＨとの間で、密着強度の小さな材料が選定される。さらに剥離層４６は、図８（Ａ３）及び（Ｂ３）に示すように、上方より見て長方形形状により形成され、続く工程で作成される薄膜ヒーターＨより所定方向にはみ出すように作成される。なおこの実施の形態では、薄膜ヒーターＨにおいて電流が流れる向きと直交する側の長辺が薄膜ヒーターＨより飛び出すように形成される。
【００６７】
続いて半導体基板４３は、続いてスパッタリング法により、基板４３に比して線膨張率の大きな発熱材料である白金が１５０〔ｎｍ〕程度堆積された後、王水によるウエットエッチングによりパターンニングされ、これにより図８（Ａ３）及び（Ｂ３）に示すように、薄膜ヒーターＨが形成される。
【００６８】
また続いて半導体基板４３は、アルミニウム等の電極材料を膜厚１２００〔ｎｍ〕により堆積した後、ドライエッチングでパターンニングし、これにより図９（Ａ４）及び（Ｂ４）に示すように、薄膜ヒーターＨの一端を駆動用トランジスタに接続する配線パターン４９Ａ、薄膜ヒーターＨの他端を電源ライン等に接続する配線パターン４９Ｂが形成される。ここで配線パターン４９Ａ及び４９Ｂは、薄膜ヒーターＨが剥離層４６と重なり合う部位で、薄膜ヒーターＨの熱による膨張をそれぞれ制限できるように、剥離層４６と一部が重なり合うように形成される。
【００６９】
続いて半導体基板４３は、ウエハ上のパッドに外部プローブから電圧が印加され、薄膜ヒーターＨの駆動により薄膜ヒーターＨが加熱される。ここで薄膜ヒーターＨの材料である白金においては、半導体基板４３より線膨張率が大きいことにより、また薄膜ヒーターＨの熱による膨張を制限できるように配線パターン１９Ａ及び１９Ｂが配置され、さらに剥離層４６が薄膜ヒーターＨの剥離を促すことにより、半導体基板４３においては、この工程における薄膜ヒーターＨの加熱により、薄膜ヒーターＨが剥離層４６より剥離して、ほぼ中央が基板４４とは逆側にドーム状に盛り上がり、塑性変形により加熱を中止した後においても、このドーム状に盛り上がった形状を維持する。
【００７０】
なお半導体基板４３は、このように薄膜ヒーターＨが所定の大きさによりドーム状に盛り上がった形状となるように、薄膜ヒーターＨの駆動の条件が設定されるようになされている。かくするにつき、このようにほぼ中央がドーム状に盛り上がった状態で、薄膜ヒーターＨの盛り上がった周囲では、剥離層４６に薄膜ヒーターＨが密着しており、これによりこの薄膜ヒーターＨの盛り上がった内側には、加熱により発生したガス等が充満していると考えられる。
【００７１】
さらに半導体基板４３は、図１０（Ａ６）及び（Ｂ６）に示すように、プラズマＣＶＤにより窒化シリコンＳｉ3 Ｎ4 が膜厚２００〔ｎｍ〕だけ堆積されて保護層５１が形成される。さらに続いてタンタルが膜厚１５０〔ｎｍ〕だけ成膜された後、ドライエッチングでパターンニングされ、これにより図１０（Ａ７）及び（Ｂ７）に示すように、耐キャビテーション層５２が形成される。
【００７２】
半導体基板４３は、続いて第１の実施の形態と同様の工程によりインク液室、インク流路等が形成されて完成品とされる（図１）。また通常のサーマルヘッドと同様の間欠的な薄膜ヒーターＨの駆動により、印刷に使用される。
【００７３】
（３−２）第３の実施の形態の動作
以上の構成において、この実施の形態に係るプリンタは（図７）、半導体製造工程において、半導体基板４３に駆動回路を構成するトランジスタ、薄膜ヒーターＨ等が形成された後、インク液室、インク流路が形成され、その後所定のアッセンブリを経てサーマルヘッド４１が作成される。
【００７４】
この半導体製造工程において、サーマルヘッド４１は、薄膜ヘッドＨに対して密着力の弱い剥離層４６が基板４３上に形成された後、この剥離層４６の上に、基板４４より線膨張係数の大きな材料による薄膜ヘッドＨが形成され、その後、配線パターン４９Ａ及び４９Ｂが薄膜ヘッドＨの両端に形成される。さらに薄膜ヒーターＨに電圧を印加して薄膜ヒーターＨが加熱される。ここで基板４４より線膨張係数の大きな材料により薄膜ヒーターＨが形成されていることにより、このように薄膜ヒーターＨを加熱すると、薄膜ヒーターＨにおいては、基板４３より大きく膨張することになる。しかしながら薄膜ヒーターＨにおいては、両端が配線パターン４９Ａ及び４９Ｂに接続され、この配線パターン４９Ａ及び４９Ｂにより基板４３に沿った方向の膨張が抑圧されることになり、その結果として基板４３とは逆側に変形することになる。また基板４３との間に、密着力の弱い剥離層４６が配置されていることにより、このような基板４３とは逆側への変形が促進されることになる。これによりサーマルヘッド４１は、薄膜ヒーターＨのほぼ中央の部位がドーム状に飛び出した形状に変形し、このドームの中に空隙が形成される。
【００７５】
このようにしてなるサーマルヘッド４１は、間欠的に薄膜ヒーターＨが駆動され、この薄膜ヒーターＨによるインクの加熱によりインク液室のインクが局所的に沸騰してインク液室の圧力が増大し、この圧力の増大によりノズルよりインクが押し出されてインク液滴として印刷対象に付着する。
【００７６】
このようにして加熱するにつき、このサーマルヘッド４１においては、内側が空洞の空隙を間に挟んで、基板４３上に薄膜ヒーターＨが配置された構造であり、この空隙が真空とした場合、真空の熱伝導率は、０［Ｗ／ｍＫ］となり、局所的に、極めて大きな断熱材を間に挟んでヒーターを配置したことになる。またこの空隙が空気により満たされているとすると、空気の熱伝導率は、約０．０２［Ｗ／ｍＫ］であることにより、この場合も、局所的に、極めて大きな断熱材を間に挟んでヒーターを配置したことになる。なお、空隙の内部は、実際上、ヒーターＨの加熱時に発生するガス等で充満されていると考えられるが、この場合も、局所的に、極めて大きな断熱材を間に挟んでヒーターを配置したことになる。
【００７７】
これにより総合的に見た基板とヒーターとの間の熱抵抗については、第１の実施の形態に係るサーマルヘッド１１の場合と同程度に設定することができ、これにより従来に比して短い時間によりインクを加熱して、インク液滴を短い時間間隔により飛び出させることができる。
【００７８】
さらにこのサーマルヘッド４１は、薄膜ヒーターＨが基板４３に比して線膨張係数の大きさ材料により形成されていることにより、インク加熱時においても、製造工程で空隙を形成する場合と同様に、薄膜ヒーターＨが変形することになる。この場合、サーマルヘッド４１においては、薄膜ヒーターＨを駆動して薄膜ヒーターＨが温度上昇すると、空隙が大きくなるように変形することになり（図７（Ａ）及び（Ｂ））、これにより基板とヒーターとの間の熱抵抗が増大することになる。これにより加熱を開始すると、加熱を促進するように基板とヒーターとの間の熱抵抗が変化することになる。
【００７９】
またこれとは逆に、ヒーターの加熱を停止してヒーターの温度が低下すると、空隙の体積が元に戻るようにヒーターが変形し、これによりヒーターと基板との間の熱抵抗が小さくなり、ヒーターの冷却が促進される（図７（Ｃ））。すなわちヒーターの加熱を中止するとヒーターの冷却、ひいてはインクの冷却を促進するように、基板とヒーターとの間の熱抵抗が変化することになる。
【００８０】
これによりこの実施の形態では、ヒーター材料の選定と空隙の形成とにより、基板とヒーターとの間の熱抵抗を変化させて、加熱及び冷却を促進する制御機構が構成されるようになされている。
【００８１】
図１１は、このサーマルヘッド４１における加熱時の熱分布を示す特性曲線図である。この熱分布は、駆動によりインクが最も加熱された時点のものである。この特性曲線によれば、周囲に比してヒーターが最も高い温度に保持されていることにより、このようなヒーターの駆動、駆動の中止によりヒーターが変形し、空隙の体積が変化することを見てとることができる。
【００８２】
これによりサーマルヘッドでは、簡易な構成により、従来に比してさらに一段と短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができる。
【００８３】
なお第１の実施の形態と同一の条件によりサーマルヘッドを構成して実験した結果によれば、このプリンタヘッドの全てのノズルからインクが安定に吐出する電圧は、１．５〔μｓｅｃ〕の駆動時間による場合には２．８６〔Ｖ〕であり、これによりヒーターによる電力消費は、２５０〔ｍＷ〕であることが判った。またヒーターの駆動を中止した後、２９〔μｓｅｃ〕（３５〔ｋＨｚ〕）以内で、駆動前の温度分布にほぼ復帰することが判った。
【００８４】
（３−３）第３の実施の形態の効果
以上の構成によれば、基板より遠ざかるように、ヒーターを変形させて空隙を形成するようにしても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００８５】
また基板に対して、線膨張係数が大きな材料によりヒーターを形成したことにより、このヒーターによる加熱により空隙の大きさが増大してヒーターによる加熱を促進し、ヒーターの冷却により該増大した空隙の大きさが減少してヒーターによる冷却を促進することができる。従って、簡易な構成によりインクの加熱冷却を促進することができ、これによってもさらに一段と短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができ、また消費電力を少なくすることができる。
【００８６】
また基板とヒーターとの間に、ヒーターの変形を促進する膜材料である剥離層を形成したことにより、簡易にヒーターを変形させることができる。
【００８７】
（４）第４の実施の形態
この実施の形態に係るサーマルヘッド６１は、図１２に示すように、第３の実施の形態に係るサーマルヘッド４１の構成より、保護層５１、耐キャビテーション層５２を省略した構成とされる。またノズルプレート６２の厚さを薄くして厚さ１０〔μｍ〕に設定することにより、ノズルの長さを１０〔μｍ〕に設定し、インク液滴を飛び出させる際に、インク液室で発生した気泡がノズルより飛び出すようにし、これによりインク液室内では気泡の収縮及び消滅に伴うキャビテーションが起こらないようにした。
【００８８】
この場合、保護層が無いことにより、第３の実施の形態に係るサーマルヘッド４１に比してインクヘの熱抵抗が低下し、その分、駆動時間を１．５〔μｓｅｃ〕に設定した場合、全てのノズルからインクが安定に吐出する電圧を２．２１〔Ｖ〕にまで低下させることができた。なおこの場合、ヒーターの消費電力は、１５０〔ｍＷ〕である。またヒーターの駆動を中止すると、２５〔μｓｅｃ〕（４０〔ｋＨｚ〕）以内で駆動前の状態に戻ることを確認することができた。
【００８９】
なおこの場合、薄膜ヒーターが直接インクと接することになるが、薄膜ヒーターが安定性の高い白金により構成されていることにより、インク中央処理ユニットの電解質による薄膜ヒータの腐食を防止し、またインク液室内でのキャビテーションの発生を防止したことにより、第３の実施の形態と同程度の信頼性を確保することができた。
【００９０】
この実施の形態によれば、第３の実施の形態の構成に加えて、保護層、耐キャビテーション層を省略したことにより、インクへの熱抵抗を小さくすることができ、その分、簡易な構成で、さらに一段と短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができ、また消費電力を少なくすることができる。
【００９１】
また薄膜ヒーターＨの上に保護層、耐キャビテーション層を配置した場合、多層構造による膜が湾曲することになり、層間破壊が起こる恐れがあるが、この実施の形態のように保護層、耐キャビテーション層を省略した構成とすれば、このような層間破壊についても防止することができ、その分、高い信頼性を確保することができる。
【００９２】
（５）他の実施の形態
なお上述の第１及び第２の実施の形態においては、所定の部材の選択的なエッチングにより空隙を形成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば特開平１１−２７１１２３号公報に開示されている異方性エッチングにより空隙を形成する場合等、種々のマイクロマシーニング技術を適用して空隙を形成することができる。
【００９３】
また上述の第３及び第４の実施の形態においては、ヒーターの加熱によりヒーターを変形させて空隙を形成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば吸引等、種々の機械加工手段を利用してヒーターを変形させて空隙を形成することができる。
【００９４】
また上述の第１及び第２の実施の形態においては、基板側に形成した電極とヒーターとの静電力によりヒーターを基板に引き寄せて冷却を促進する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、別途電極を配置して、基板より遠ざかるように静電力によりヒーターを引き寄せる機構、電極側をヒーターに近づけて放熱を促進する機構等、この種の電極を種々に配置し、構成することが考えられる。
【００９５】
また上述の実施の形態においては、それぞれ静電力、熱により空隙の大きさを変化させる場合について述べたが、本発明はこれに限らず、これらを組み合わせるようにしてもよい。
【００９６】
また上述の実施の形態においては、静電力、熱により空隙の大きさを変化させる場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば圧電素子による部材の駆動により熱抵抗を変化させて加熱及び又は冷却を促進するようにしてもよい。
【００９７】
【発明の効果】
上述のように本発明によれば、ヒーターと基板との間に空隙を形成することにより、またこのような空隙を形成してヒーターと基板との間の熱抵抗を変化させる機構を設けることにより、短い時間間隔によりインク液滴を飛び出させることができ、又は消費電力を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るプリンタに適用されるサーマルヘッドを示す略線図である。
【図２】図１のサーマルヘッドの製造工程の説明に供する平面図及び断面図である。
【図３】図２の続きを示す平面図及び断面図である。
【図４】図３の続きを示す平面図及び断面図である。
【図５】図１の駆動回路の動作の説明に供する信号波形図である。
【図６】図１のサーマルヘッドの特性を従来のサーマルヘッドとの対比により示す図表である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係るプリンタに適用されるサーマルヘッドを示す略線図である。
【図８】図７のサーマルヘッドの製造工程の説明に供する平面図及び断面図である。
【図９】図８の続きを示す平面図及び断面図である。
【図１０】図９の続きを示す平面図及び断面図である。
【図１１】図７のサーマルヘッドの温度分布を示す特性曲線図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態に係るプリンタに適用されるサーマルヘッドを示す略線図である。
【図１３】従来のサーマルヘッドを示す平面図及び断面図である。
【符号の説明】
１、１３、４３……半導体基板、１１、４１、６１……サーマルヘッド、３、１５、４５……絶縁層、５、２１……保護層、６、２２、５２……耐キャビテーション層、１２……駆動回路、１８……犠牲層、４６……剥離層、Ｈ……薄膜ヒーター
【図１】
0004719978.tif 000002
【図２】
0004719978.tif 000003
【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】
0004719978.tif 000008
【図８】
0004719978.tif 000009
【図９】
0004719978.tif 000010
【図１０】
0004719978.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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