JP4350658B2 - 液体吐出ヘッド用基板及び液体吐出ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、液体が流れる流路に設けた発熱体で、液体に熱エネルギーを付与することで、液体に膜沸騰を起こさせ、該膜沸騰によって生じた気泡によって吐出口からインクなどの液体を吐出させるインクジェット方式の液体吐出ヘッド用基板及び液体吐出ヘッドに関する。

従来、液体吐出ヘッド、特にインクジェット方式の液体吐出ヘッドとしては、吐出口に通じるインク流路にヒータを設け、このヒータによってインク流路に充填した液体に熱エネルギーを付与することで生じた気泡によって吐出口からインクを吐出させる構成のものが知られている。このような構成の液体吐出ヘッドが特許文献１に開示されている。

特許文献１に記載の液体吐出ヘッドでは、Ｓｉ基板である基板上に、ヒータを加熱した際に発生する熱が散逸しないようにするＳｉＯ₂からなる下部層である蓄熱層が形成され、さらにその上にＨｆＢ₂からなる発熱抵抗層であるヒータ膜が形成されている。このヒータ膜上に電力を供給するためのＡｌからなる配線が、所定のパターンで、所定の間隙を置いて形成されている。該所定の間隙の領域が、ヒータ膜に電流が流れることで発熱する発熱領域となっている。ヒータ膜と配線上には、ヒータ膜と配線をインクから絶縁する働きをする第１の上部保護層であるＳｉＯ₂からなる絶縁膜と、インク中に膜沸騰によって生じた気泡の消泡時の衝撃からヒータ膜を保護する第３の保護層であるＴａからなる保護膜と、発熱領域以外に設けられ、絶縁膜にインクが浸透することを防止する樹脂からなる第２の保護層である樹脂保護膜と、が形成されている。
特公平６−２４８５５号公報

近年の高速化、高画質化の要望より、液体吐出ヘッドにおいては、従来よりも耐久性が重視されるようになってきた。気泡の消泡時の衝撃からヒータ膜を保護する働きをする保護膜を形成する材料においても、耐久性の観点からＴａより化学的に安定なＩｒ、Ｐｔ等の白金族元素を用いることが考えられる。

しかしながら、Ｉｒ、Ｐｔ等の白金族元素を、特許文献１に開示の構成に用いたところ、文字のかすれや色ムラ等の現象が見受けられた。この現象について、下記に説明する。

液体吐出ヘッドにおいて、ヒータの発熱領域の辺縁部に、熱伝導率の良い、Ｔａからなる保護膜やＡｌからなる配線が存在している。このため、保護膜や配線を伝わって、ヒータの発熱領域で発生した熱の拡散が生じる。つまり、発熱領域の辺縁部付近では、辺縁に向かうにつれて、発熱領域の中心部よりも温度が低くなる。このため、発熱領域における温度分布は台形状になる。

発熱領域の中心部の温度が発泡温度（約３００℃）に到達すると、液体に気泡が生成され、インクを吐出するための高い圧力が得られる。この際、発熱領域の、高温になる中央領域のみで、吐出に寄与する気泡が発生し、発熱領域の辺縁部では温度が十分に上がらないため吐出に寄与する気泡は発生しない。つまり、発熱領域全体のうち、実質的にインクの発泡に寄与するのは、中央の高温となる領域のみである。この高温領域、つまり、吐出に寄与する気泡が形成される領域を、以下、有効発泡領域と称する。

上述したようなＩｒ、Ｐｔ等の白金族元素はＴａよりも熱伝導率が高く、このため、これらの材料から保護膜を形成した場合には、熱が周辺に逃げてしまう。この結果、ヒータの発熱領域に対する、有効発泡領域の比率は格段に低下し、極端に有効発泡領域が小さくなり、これが、文字のかすれや色むらの原因であると考えられる。

そこで、本発明の目的は、液体吐出ヘッドにおいて、有効発泡領域を確保しつつ、保護膜によるヒータの保護性能を向上させることにある。

上述の目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッド用基板は、基板上に、液体を吐出するための液体の発泡に用いられる熱エネルギーを発生する複数の発熱体と、各発熱体上に分離して設けられた金属保護膜と、を有し、各金属保護膜は、白金族元素によって、発熱体と同等以下の大きさに形成されており、かつ、発熱体上の、液体の発泡が行われる領域が、金属保護膜が設けられた領域とほぼ同じ領域であることを特徴とする。

上述の構成をとることで、ヒータによって発生した熱が金属保護膜を伝わって拡散するのを低減し、有効発泡領域を確保しつつ、保護膜によるヒータの保護性能を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１，２を用いて、本発明の第１の実施形態の液体吐出ヘッドを詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態の液体吐出ヘッドの模式的な一部破断斜視図である。本実施形態における液体吐出ヘッド用基板は、長溝状の貫通口からなる、液体（インク）を供給する供給口９が開口するＳｉ基板１に、複数の発熱体（ヒータ８）が設けられ、また、ヒータ８を保護する金属保護膜（不図示）がヒータ８毎に分離して設けられている。この液体吐出ヘッド用基板上に、液体が流れる流路７０を形成する流路部材（ノズル壁６７）と、発熱体に対応する吐出口１０が設けられたプレートと、が形成されて液体吐出ヘッドを構成している。ヒータ８は、流路７０に対応して、インク供給口９の両側にそれぞれ１列ずつ片側６００dpiの配列ピッチで千鳥状に配列されている。インク供給口９から流路７０に液体が供給されると、流路にそれぞれ設けられたヒータ８によって、熱エネルギーが液体に付与され、液体に発生した気泡によって吐出口１０から液体が吐出される。

ヒータ８の発熱領域で発生した熱が保護膜や配線を伝わって拡散することによって生じる、ヒータ８の発熱領域の内の、発泡に寄与しない領域は、ヒータ８の大きさにそれほど関与しない為、ヒータ８が小型化された液体吐出ヘッドにおいては、有効発泡領域の減少による問題は顕著となる。さらに、小型化されたヒータ８においては、吐出される液滴が小さい為、ヒータ８の駆動回数が増加し、ヒータ８を保護する保護膜の耐久性が求められる。

本発明は、上述したような、小型化されたヒータを有するヘッドに特に有効であり、従来はエネルギー効率の観点から用いるのが困難であった、熱伝導率が高いが化学的に安定な材料を保護膜に用いることで、エネルギー効率を低下させることなく、発泡領域を確保しつつ、ヒータの耐久性を高めることができることを特徴とする。

図２（ａ）は、図１のヘッドのヒータ８近傍を示す平面模式図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＪ−Ｊ’線に沿って基板垂直方向に切断した際の部分断面模式図であり、図２（ｃ）は、図２（ａ）のＧ−Ｇ’線に沿って基板垂直方向に切断した際の部分断面模式図である。なお、図２（ａ）では、絶縁膜５を透視して、配線４のパターンを示している。

図２（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板からなる基板１上には、ヒータを加熱した際に発生する熱が散逸しないようにする働きをするＳｉＯ₂からなる蓄熱層２が形成され、さらにその上に、通電によって発熱するＴａＳｉＮからなるヒータ膜３が形成されている。このヒータ膜３上に、電力を供給するためのＡｌ配線４が所定のパターンで形成されており、この配線４とヒータ膜３によってヒータ８が形成されている。配線４のパターンは、所定の間隙を設けられており、該所定の間隙に対応するヒータ膜の領域に電流が流れることでヒータ膜３が発熱し、すなわちこの領域が発熱領域Ｈとなっている。ヒータ膜３と配線４上には、さらに、ヒータ膜３と配線４をインクから絶縁する働きをするＳｉＮまたはＳｉＯから形成される絶縁膜５が形成され、この絶縁膜５上に、インク中に膜沸騰によって生じた気泡の消泡時の衝撃からヒータ膜３を保護する働きをする金属保護膜６５が形成されている。この金属保護膜６５としては白金族元素が適用可能であり、本実施形態ではＩｒを用いている。本実施形態において、ヒータは26μm×26μmの大きさに対して、金属保護膜６５は、27μm×27μmのパターンで形成されている。金属保護膜６５の端部は、ヒータの発熱領域に対して0.5μm外側にある。そして、金属保護膜６５は、ヒータ毎に、分離して個別に形成されている。

図２（ａ）において、ヒータ上の発熱領域Ｈのうち、実質的にインクの発泡に寄与する高温領域である有効発泡領域を図中に符号Ｈｅで示す。Ｉｒは熱伝導率が１４７［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］とＴａの熱伝導率５７．５［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］よりも大幅に高いが、本実施形態の構成によれば保護膜６５が周囲と熱的に分離されている為、隣接する発熱領域まで、保護膜６５を伝導して熱が拡散するのを防ぐことができる。その結果、本実施形態の構成では、熱伝導率の高いＩｒ等の白金族元素を保護膜６５に用いた場合でも発泡に寄与しない額縁領域（発熱領域Ｈから有効発泡領域Ｈｅを除いた領域）が極端に増えるのを防ぐことができ、Ｔａを保護膜として用いた従来の有効発泡領域と同等に保つことが可能となる。

本実施形態のように26μm×26μmのサイズのヒータを用い、金属保護膜６５の端部が、ヒータに対して0.5μm外側になるような大きさの保護膜６５を用いた時に、有効発泡領域Ｈｅは発熱領域Ｈから約4μm内側の領域になる。つまり、有効発泡領域Ｈｅの面積は324μm²となり、これは、Ｔａ保護膜を隣接する発熱部まで連続して形成した構成とほぼ同様の有効発泡領域である。

以上のことから、従来と同等以上の有効発泡領域を確保する為には、上述の保護膜サイズ（金属保護膜６５の端部が、ヒータに対して０．５μｍ外側に位置する大きさ）以下の値であればよい。このようなサイズの金属保護膜６５を用いることで、Ｔａより熱伝導率が高いＩｒ等の白金族元素を用いた場合でも、発泡効率を低下させずにインクを加熱、発泡させることが可能となり、かつ、白金族元素を用いることで保護膜６５としての耐久性も向上し、ヒータの耐久性も向上する。

更に、本実施形態では図２（ｂ）に示すように、液体吐出ヘッド用基板と、ノズル壁６７とを密着させる密着層（ノズル密着層６６）が、液体吐出ヘッド用基板とノズル壁６７との間に、かつ、隣接する金属保護膜６５の間に設けられている。このような構成をとることで、凹凸形状の絶縁膜５と保護膜６５とが、密着層６６によって平坦化される為、密着層６６を介して接合されるノズル壁６７と液体吐出ヘッド用基板との密着性が向上する。

また、ノズル密着層６６に樹脂等の断熱材料、例えばポリエーテルアミド系の樹脂として、日立化成製のＨＩＭＡＬ樹脂等の有機樹脂を用いることで、保護膜６５からの熱拡散を抑制する効果が得られる。さらに、図２（ｂ）に示すように、分割して設けられた保護膜６５の端部を密着層６６の一部が被覆する形状をとることで、発熱領域Ｈ周囲への熱の拡散がさらに低減され、有効発泡領域の減少が抑制される。

このように、本実施形態の構成のような密着層６６を用いることで、熱の拡散を更に抑制でき、更に高効率でインクを加熱、発泡させることが可能となり、ノズル壁６７の密着性も十分に確保され、信頼性の高い液体吐出ヘッドの提供が可能となる。

なお、図２においては、保護膜６５の３辺を密着層で囲んだ例を示したが、もちろん保護膜の４辺を囲むように密着層６６を設けても構わない。

また、上述の実施形態においては、金属保護膜６５としてＩｒを用いた例で示したが、本発明はこれに限られるものではなく、Ｐｔ等の、他の白金族元素を用いた場合でも同様に効果を奏するものである。

以上のように、本実施形態によれば、液体吐出ヘッドのヒータに対して、従来の有効発泡領域を確保しつつ、高い耐久性を得ることが可能となる。
（第１の比較例）
第１の比較例として、第１の実施形態と同様のヒータサイズ（26μm×26μm）で、Ｉｒ保護膜を従来のＴａ保護膜の構成のように隣接する発熱部まで連続して形成した例を示す。

比較例における有効発泡領域Ｈｅは、発熱領域Ｈから約６μm内側の領域（有効発泡領域面積196μm²）であった。一方、第１の実施形態の構成では、ヒータサイズが26μm×26μmのときに、有効発泡領域は、発熱領域から約４μm内側の領域であり、有効発泡領域面積は324μm²であった。発泡パワーは、一般的に有効発泡領域Ｈｅの面積に比例するため、従来のＴａ保護膜を単にＩｒ保護膜に置き換えた場合には、本発明の第１の実施形態に比べて発泡パワーが４０％減となることがわかる。
（第２の比較例）
第２の比較例として、Ｉｒを保護膜に用い、有効発泡領域Ｈｅが、第１の実施形態と同等の面積になるように、ヒータサイズそのものを30μm×30μmと、大きくした例を示す。

第１の実施形態の構成のヘッドと、第２の比較例の構成のヘッドと、を駆動させて性能を比較した。両者のヘッドで、それぞれ２色のインクを用い、Ａ４サイズの用紙に対して、用紙全体を塗りつぶすように連続印字を行ったところ、第１の実施形態におけるヘッドでは顕著な画像濃度ムラは見受けられなかったのに対して、第２の比較例におけるのヘッドでは画像濃度ムラによる画質の劣化が確認された。

通常、液体吐出ヘッドでは、ヘッドが昇温しすぎると、不吐出が発生したり、ヘッドが異常をきたしたりする。その為、ヘッドの温度が一定温度以上（例えば５０〜５５℃）に達すると、印字を一時中断するシーケンス（以下、昇温検知）が設けられている。第２の比較例の場合はヘッドがたびたび昇温検知を作動させ、印字が中断し、第１の実施形態に比べてスループットの大幅な低下が見受けられた。これは、ヒータサイズを大きくしたことで、ヘッド全体で発生する熱量が増加した為と考えられる。

このように、本発明の構成によれば、保護膜にＩｒ等の白金族元素を用いた場合でも、熱の拡散を抑えることができ、ヒータサイズを変えなくても従来と同様の有効発泡領域を確保することができる。その結果、高スループットを維持したまま、耐久性の向上を実現できる。
（第２の実施形態）
本実施形態は、保護膜が形成される領域を、ヒータの大きさに対応する発熱領域Ｈ以下のサイズにする形態を示す。第１の実施形態と同様の部分の説明は省略する。

図３に本発明の第２の実施形態の液体吐出ヘッドの構成を示す。図３（ａ）は本実施形態の液体吐出ヘッドのヒータ近傍の平面模式図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ'線に沿って基板垂直方向に切断した際の部分断面図、図３（ｃ）は、ヒータに電力を供給し、ヒータ中心領域の温度が発泡温度直前（図示の例では約３００℃）にまで到達したときの、図３（ａ）のＡ−Ａ'線に沿った温度分布を示すグラフである。なお、図３（ａ）では、絶縁膜５を透視して、配線４のパターンを示している。

液体に発生した気泡を、大気と連通させることで液体を吐出する方式など、消泡工程によるヒータに対する衝撃が少ない方式を用いた場合において、図３に示すように金属保護膜６として、白金属元素のＩｒが形成された保護膜領域Ｗ₁を、ヒータの発熱領域Ｈよりも小さくしてもよい。このような構成により、有効発泡領域を、従来のようにＴａ保護膜を連続して形成していた時よりも広げることが可能となる形態を示す。

本実施形態においては、保護膜領域Ｗ１を発熱領域Ｈの内側２μmの領域に形成した。その他は実施形態1と同様の構成である。本構成における有効発泡領域Ｈｅ₁は、金属保護膜６が形成された保護膜領域Ｗ１とほぼ同じ領域となることが観察された。このように、有効発泡領域Ｈｅ₁と同程度の大きさとなるような金属保護膜を形成することで、従来構成より有効発泡領域を広げることが可能となる。

本実施形態において、有効発泡領域は金属保護膜６の形成領域を超えることがないため、必要以上に金属保護膜６の形成領域を小さくすると、かえって有効発泡領域が小さくなってしまう。

第１の実施形態で述べたように、従来のＴａ保護膜を隣接する発熱部まで連続して形成した構成における有効発泡領域はヒータから約４μm内側の領域である。つまり、本実施形態において、従来と同等以上の有効発泡領域を確保する為には、金属保護膜６の端部が、ヒータに対して４μｍ内側に位置するサイズ以上、発熱領域以下のサイズにすれば良い。従来よりも有効発泡領域を広げる観点からは、金属保護膜６の形成領域は、ヒータのサイズを規定するヒータの発熱領域から1μm〜３μm内側とすることがより好ましい。

また、有効発泡領域に対応する絶縁膜５の一部を薄くし、その部分に金属保護膜６を埋め込む構成であってもよい。本実施形態では、金属保護膜６にはＩｒを用いたが、白金族元素であれば、例えばＰｒ等を用いても同様の効果が得られる。
（第３の実施形態）
上記第１、２の実施形態では、金属保護膜として白金族元素のみを用いた例を示したが、本発明では白金族元素と従来用いられていたＴａとを組み合わせて保護膜を形成する形態について説明する。第２の実施形態と同様の部分の説明は省略する。

図４に本発明の第３の実施形態の液体吐出ヘッドの模式図を示す。図４（ａ）は本実施形態の液体吐出ヘッドのヒータ近傍の平面略式図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＥ−Ｅ'線に沿った断面模式図、図４（ｃ）は、ヒータに電力を供給し、ヒータ中心領域の温度が発泡温度直前（図示の例では約３００℃）にまで到達したときの、図４（ａ）のＥ−Ｅ'線に沿った温度分布を示すグラフである。なお、図４（ａ）では、絶縁膜５を透視して、配線４のパターンを示している。

本実施形態では、絶縁膜５上には、第１の保護膜４６ａが形成され、第１の保護膜４６ａより熱伝導率が高い第２の保護膜４６ｂが第１の保護膜４６ａ上に形成されている。例えば、第１の保護膜４６ａはＴａ等の金属から形成し、第２の保護膜４６ｂは、ＰｔやＩｒ等の白金族元素から形成することができる。

本実施形態において、第１の保護膜４６ａはヒータの発熱領域Ｈ全域と配線４を覆っている。一方、第２の保護膜４６ｂが形成された第２の保護膜領域Ｗ５は、保護膜にＴａのみを用いたときの有効発泡領域Ｈｅ₃とほぼ等しい領域に設定されている。すなわち、発熱領域の内側４μｍの領域に第２の保護膜領域Ｗ５が形成されている。本実施形態においても、従来と同等以上の有効発泡領域を確保する為、金属保護膜４６ｂは、その端部がヒータに対して４μｍ内側に位置するサイズ以上で、発熱領域以下のサイズにすれば良い。

本実施形態の構成では、有効発泡領域Ｈｅ₃以外の領域でも、絶縁膜５上に第１の保護膜４６ａが形成されている。これにより、絶縁膜５に万一ピンホールが生じた場合でも、インクなどの液体が配線４に接触するのを防ぐことができ、液体吐出ヘッドの信頼性を向上させることができる。

また、化学的安定性の高いＰｔやＩｒ等の白金族元素を、第２の保護膜４６ｂに用いることで、従来に比べてヒータの耐久性を向上させることができる。この際、第２の保護膜４６ｂを形成することによって、インクとヒータ膜３の間の熱抵抗は多少大きくなるものの、第２の保護膜４６ｂの熱伝導率は比較的高く、また、第２の保護膜４６ｂのために熱拡散が生じることもないので、エネルギー効率を大きく低下させることはない。特に、第２の保護膜４６ｂの膜厚を薄く抑えることによって、熱抵抗を、第１の保護膜４６ａのみを形成した場合と実質的に同等にすることが可能であり、従来と同等のエネルギー効率を達成することができる。また、有効発泡領域Ｈｅ₃に対応する第１の保護膜４６ａの一部を薄くし、その部分に第２の保護膜４６ｂを埋め込む構成でもよい。また、有効発泡領域Ｈｅ₃に対応する部分には第１の保護膜４６ａは形成せず、この部分には、絶縁膜５上に第２の保護膜４６ｂのみを直接形成し、第２の保護膜４６ｂが第１の保護膜４６ａで囲まれたような構成でも良い。

また、図５に示すように、有効発泡領域Ｈe₃とほぼ等しい領域に設定されたＩｒ等の白金族元素の第２の保護膜４６ｂを形成し、第２の保護膜４６ｂを覆うように、Ｔａ等の金属からなる第１の保護膜４６ａを形成しても、上述と同様の効果が得られる。この場合には、発熱領域上のＴａ保護膜４６ａはキャビテーションにより徐々に削れてはいくが、ＰｔやＩｒ等の白金族元素保護膜界面付近でこの侵食は止まるため問題は生じない。

なお、上述の第１の金属保護膜４６ａと第２の金属保護膜４６ｂの間には密着層を形成してもよく、それによって、第１の保護膜４６ａと第２の保護膜４６ｂの密着性を高めることができる。この密着層の材料として、例えばＴｉがあげられる。

本発明に好適に用いられる液体吐出ヘッドの模式的な一部破断斜視図。 本発明の第１の実施形態の液体吐出ヘッドの模式図であり、（ａ）はヒータ近傍の平面模式図、（ｂ）は、（ａ）のＪ−Ｊ’線に沿った断面模試図、（ｃ）は、（ａ）のＧ−Ｇ'線に沿った断面模試図。 本発明の第２の実施形態の液体吐出ヘッド模式図であり、（ａ）はヒータ近傍の平面模式図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ'線に沿った断面模式図、（ｃ）は、（ａ）のＡ−Ａ'線に沿った温度分布を示すグラフ。 本発明の第３の実施形態の液体吐出ヘッドの模式図であり、（ａ）はヒータ近傍の平面略式図、（ｂ）は、（ａ）のＥ−Ｅ'線に沿った断面模式図、（ｃ）は、（ａ）のＥ−Ｅ'線に沿った温度分布を示すグラフ。 本発明の第３の実施形態の液体吐出ヘッドの模式図。

符号の説明

１ Si基板
２ 蓄熱層
３ ヒータ膜
４ 配線
５ 絶縁膜
６５ 保護膜
４６ａ 第１の保護膜
４６ｂ 第２の保護膜
Ｈ 発熱領域
Ｈｅ 有効発泡領域

Claims (8)

1. 基板上に設けられ、液体を吐出するための液体の発泡に用いられる熱エネルギーを発生する複数の発熱体と、前記各発熱体上に分離して設けられた金属保護膜と、を有し、
   前記各金属保護膜は、白金族元素によって、前記発熱体と同等以下の大きさに形成され、
   前記各金属保護膜の端部は、前記発熱体の端部と一致する位置か、または前記発熱体の端部より内側の位置に配置されており、かつ、前記発熱体上の、液体の発泡が行われる領域が、前記金属保護膜が設けられた領域とほぼ同じ領域であることを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。
2. 前記金属保護膜の端部は、
   前記発熱体の端部から、該発熱体の端部より４μｍ内側までの範囲に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用基板。
3. 前記金属保護膜より熱伝導率が低い保護膜をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッド用基板。
4. 熱伝導率が低い前記保護膜と前記金属保護膜とが前記基板側から順に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド用基板。
5. 前記金属保護膜を覆うように、熱伝導率が低い前記保護膜が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド用基板。
6. 熱伝導率の低い前記保護膜はＴａからなることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド用基板。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド用基板と、
   前記液体吐出ヘッド用基板上に、前記発熱体に対応して設けられる吐出口を形成する部材と、前記吐出口に連通する流路を形成する流路部材と、を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
8. 前記液体吐出ヘッド用基板と前記流路部材とを密着させる密着層が、前記液体吐出ヘッド用基板と前記流路部材との間に、かつ、隣接する前記金属保護膜の間に設けられていることを特徴とする請求項７に記載の液体吐出ヘッド。

Images