JP6465567B2 - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、液体吐出ヘッドに関するものである。

インクジェット形式の記録装置等に用いられる液体吐出ヘッドとして、基板と、基板上に発熱抵抗体層を有する液体吐出ヘッドが知られている。発熱抵抗体層を有する液体吐出ヘッドでは、発熱抵抗体層の熱作用部を加熱することで圧力室内の液体に気泡を発生させ、液体を吐出口より吐出する。

特許文献１には、発熱抵抗体の熱作用部を基板と離間した位置に形成した液体吐出ヘッドが記載されている。熱作用部を基板と離間した位置に形成することで、熱作用部で発生するエネルギーを圧力室内の液体へと十分に伝えることができる。このような液体吐出ヘッドの模式図を図２（ａ）に示す。基板１上には、配線２が形成されており、その上に絶縁層３及び発熱抵抗体層５が形成されている。発熱抵抗体層５のうち、圧力室１１内に存在する部分が熱作用部である。熱作用部は、圧力室１１内で基板１と離間した位置に中空状に形成されている。圧力室１１の側壁は側壁部材７で形成されている。図２（ａ）では、側壁部材７には吐出口１０も形成されている。吐出口１０は、発熱抵抗体層５の熱作用部に対応する上方に位置している。側壁部材７の吐出口１０が開口する面は、表面保護層９で覆われている。側壁部材７は無機材料の膜で形成されていて、基板１との間の空間が埋め込み材料６で埋め込まれている部分がある。

特開２０１０−１２０３８９号公報

特許文献１に記載された液体吐出ヘッドでは、側壁部材が無機材料で形成されている。側壁部材を無機材料で形成すると、側壁部材の液体に対する耐性を向上させることができる。また、側壁部材の厚みを薄くすることも容易である。

しかしながら、本発明者らの検討によれば、側壁部材を無機材料で形成すると側壁部材と発熱抵抗体層との接触が十分でない場合があった。特に発熱抵抗体層の熱作用部を基板から離間させると、発熱抵抗体層の段差部分で側壁部材と発熱抵抗体層とが接触することになりやすい。このとき側壁部材と発熱抵抗体層との密着性が低いと、両者の間で剥がれが発生し、液体の吐出に影響を与える場合がある。

本発明は、このような課題を鑑み、発熱抵抗体の熱作用部が基板から離間した液体吐出ヘッドに関して、圧力室の側壁を形成する側壁部材の剥離を抑制することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、基板と、発熱抵抗体層と、圧力室の側壁を形成する側壁部材とを有し、前記圧力室の内部の液体を前記発熱抵抗体層の熱作用部で発泡させることで吐出口から液体を吐出する液体吐出ヘッドであって、前記熱作用部は前記基板から離間しており、前記圧力室の内部において前記発熱抵抗体層の表面の少なくとも一部は被覆層で被覆されており、前記被覆層は前記圧力室の内部から前記側壁部材の側壁と接触する位置まで延在しており、前記被覆層と前記側壁部材とは、前記被覆層が前記発熱抵抗体層の段差部分を被覆している部分で接触していることを特徴とする液体吐出ヘッドである。

本発明によれば、発熱抵抗体の熱作用部が基板から離間した液体吐出ヘッドに関して、圧力室の側壁を形成する側壁部材の剥離を抑制することができる。

本発明の液体吐出ヘッドの一例を示す図である。 従来の液体吐出ヘッドの一例を示す図である。 本発明の液体吐出ヘッドの製造方法の一例を示す図である。

図１に、本発明の液体吐出ヘッドの一例を示す。図１に示す液体吐出ヘッドは、基板１を有する。基板１としては、シリコンで形成されたシリコン基板が挙げられる。基板１の表面にはアルミニウム等からなる配線２が形成されている。基板１がシリコン基板である場合、配線２が形成されている表面を（１００）面とすることが好ましい。配線２の厚みは０．４μｍ以上１．５μｍ以下とすることが好ましい。

基板１の表面と配線２との間には、ＳｉＯ_２やＳｉＮ等の絶縁層が形成されていてもよい。図１では、配線２の上面側にも絶縁層３が形成されている。絶縁層３は、多層構成としてもよい。また、これら絶縁層３の下に配線が多層に形成される構成でもよい。

配線２の上には、発熱抵抗体層５が形成されている。発熱抵抗体層５は基板１の表面に沿って延在しているが、圧力室１１の内部の部分では、基板１と離間した位置に形成されている。即ち、発熱抵抗体層５は、基板１に対して一部中空状に形成されている。中空状でない部分では、基板１の表面（または配線２の表面）と接触し、基板１に支えられている。発熱抵抗体層５のうち、基板１に対して中空状に形成された部分では、発熱抵抗体層５が発熱することで液体に気泡が発生する。発熱抵抗体層５のこの部分を、熱作用部５ａという。発熱抵抗体層５は、例えばＴａＮ、ＴａＳｉＮ、ＴａＡｌ、ＨｆＢ_２、ＴｉＡｌ、ＴｉＡｌＮ等で形成される。発熱抵抗体層５の厚みは、０．１μｍ以上１．０μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは０．２μｍ以上である。また、０．８μｍ以下である。発熱抵抗体層５の厚みは、基板１と接触している部分と、基板１と離間した位置にある部分（熱作用部５ａ）とで、差を０．１μｍ以内とほぼ同じにすることが好ましい。発熱抵抗体層は、複数の層で形成されていてもよい。層としては、上記材料で形成された層が挙げられ、例えば多結晶の柱状結晶層が挙げられる。

液体吐出ヘッドのうち、熱作用部５ａを含む領域を圧力室１１という。圧力室１１の内部には液体が存在する。発熱抵抗体層５の熱作用部５ａを加熱させると、圧力室１１の内部の液体が加熱され、圧力室１１の内部で液体が発泡する。この発泡を利用して、液体を吐出口１０から吐出させて紙等の記録媒体に着弾させる。このようにして画像等の記録を行う。

圧力室１１の側壁は、側壁部材７で形成されている。側壁部材７は、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯ_２、オキシナイトライド等で形成される。側壁部材７の厚みは、１．０μｍ以上５．０μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは２．０μｍ以上である。また、３．０μｍ以下である。

図１では、側壁部材７は、圧力室１１の側壁を形成し、そのまま圧力室の上壁である吐出口１０が開口する面（開口面）まで延在している。開口面を形成する部分の厚みも、側壁部材７の厚みと同様とすることが好ましい。ＣＶＤ等で側壁と開口面を形成する部分とを一括して形成する場合、これらの厚みは同様となる。

開口面は、表面保護層９で覆われている。表面保護層９は、例えばＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯ_２、オキシナイトライド等で形成される。表面保護層９の厚みは、１．０μｍ以上５．０μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは２．０μｍ以下である。

また、図１では、側壁部材７は、圧力室１１の側壁と吐出口１０の開口面だけでなく、圧力室１１の外側まで延在している。そして、延在した側壁部材７と基板１との間には、埋め込み材料６が埋め込まれている部分がある。埋め込み材料６としては、樹脂が挙げられる。また、圧力室１１と埋め込み材料６で埋め込まれている部分との間の領域や、埋め込み材料６で埋め込まれている部分の外側の領域を空間にしておくと、液体吐出ヘッドの強度が低下する場合がある。よって、これらの部分にも埋め込み材料８を埋め込むことが好ましい。埋め込み材料８としては樹脂が挙げられる。埋め込み材料６及び埋め込み材料８の樹脂としては、例えばノボラック樹脂が挙げられる。

圧力室１１内において、熱作用部５ａから吐出口１０の開口面までの長さは、３．０μｍ以上５．０μｍ以下とすることが好ましい。また、熱作用部５ａから基板１までの長さは、２．０μｍ以上４．０μｍ以下とすることが好ましい。

圧力室１１の内部において、発熱抵抗体層５の表面の少なくとも一部は、被覆層４で被覆されている。そして、被覆層４は、圧力室１１の内部から側壁部材７のうち圧力室１１の側壁を形成している部分（以下、側壁）と接触する位置まで延在している。本発明では、このような構成とすることで被覆層４が側壁に十分密着し、側壁部材７が基板１や発熱抵抗体層５から剥離することを抑制している。また、被覆層４と発熱抵抗体層５との間にのみ被覆層４を存在させるのではなく、被覆層４を圧力室１１の内部から延在させる構成とすることで、被覆層４自身の剥離も抑制し、これによっても側壁部材７の剥離を抑制できる。特に、被覆層４が対キャビテーション層としても用いられる場合、被覆層４をこのように延在させることが好ましい。

被覆層４を形成する材料としては、例えばＴａ、Ｉｒが挙げられる。これらは側壁と密着性が高い。特に、側壁がＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯ_２、オキシナイトライドといった無機材料で形成されている場合、側壁とＴａやＩｒとの密着性は高い。図１（ｂ）に、被覆層４と側壁とが接触している様子を拡大して示す。図１（ｂ）に示すように、発熱抵抗体層５の表面が被覆層４で被覆されており、圧力室１１の端部の発熱抵抗体層５が基板１の方に曲がっている部分（段差部分）で、被覆層４と側壁部材７の側壁が接触している。このように被覆層４を側壁部材７と接触させることで、側壁部材７の剥離を抑制することができる。特に、被覆層４がＳｉＮで形成されており、側壁部材７がＴａまたはＩｒで形成されているとき、剥離の抑制を良好に行うことができる。

被覆層４は、圧力室１１の内部から連続的に延在させることで、側壁と接触する位置まで延在させることが好ましい。そしてそのまま側壁に沿って基板側に延在し、さらに基板の表面と平行な方向に延在していくことが好ましい。また、発熱抵抗体層５をこのように形成し、これに沿って被覆層４を延在させることが好ましい。

一方、図２（ａ）の液体吐出ヘッドでは、発熱抵抗体層５の表面が被覆層４で被覆されていない。発熱抵抗体層５の段差部分を、図２（ｂ）に拡大して示す。図２では、被覆層４が存在していないので、発熱抵抗体層５が側壁と接触している。例えば、発熱抵抗体層５がＡｌであり、これが側壁を形成するＳｉＮと接触している場合、両者の間に剥がれが発生することがある。

本発明において、被覆層４は、発熱抵抗体層５の耐キャビテーション層としても用いることができる。熱作用部５ａには、消泡の衝撃が加わる。これがキャビテーションであり、熱作用部５ａ、即ち発熱抵抗体層５が破損する可能性がある。これに対し、被覆層４が存在することで、キャビテーションによる発熱抵抗体層５への影響を抑制することができる。このような被覆層４としては、Ｔａを用いることが好ましい。また、ＴａとＩｒを用いた複数層の構成としてもよい。

図１では、被覆層４を、発熱抵抗体層５の吐出口１０側の面（表面）側と、基板１側の面（裏面）側の両面に形成しているが、被覆層４は、発熱抵抗体層５の吐出口側の面を被覆し、基板側の面を被覆しない構成としてもよい。或いは、発熱抵抗体層５の吐出口側の面を被覆せず、基板側の面を被覆する構成としてもよい。発熱抵抗体層５の吐出口側の面を被覆せず、基板側の面を被覆する構成の場合には、発熱抵抗体層５の吐出口側の面側、即ち下方側にも側壁部材７を配置することになる。尚、被覆層４は発熱抵抗体層５の吐出口側の面と基板側の面の両方の面を被覆することが好ましい。このとき、発熱抵抗体層５の側面（吐出口側の面と基板側の面をつなぐ面）は、被覆してもよいし、被覆しなくてもよい。

被覆層４の発熱抵抗体層５の片面当たりの厚みは、０．１μｍ以上１．０μｍ以下とすることが好ましい。より好ましくは、０．２μｍ以上である。また、０．７μｍ以下である。

発熱抵抗体層５の両面を被覆層４で被覆する場合、発熱抵抗体層５の表面側の被覆層４の厚みは、発熱抵抗体層５の裏面側の被覆層４の厚み以上の厚みであることが好ましい。このような厚みの関係とすることで、キャビテーションに対する耐性を高めたり、発熱抵抗体層５と側壁との密着性を高めたりすることができる。厚みの差は、０．１μｍ以上とすることが好ましく、０．２μｍ以上とすることがより好ましい。尚、製造上の理由から、発熱抵抗体層５の側面を被覆する場合、側面を被覆する部分の厚みは、表面側の厚みに対して０．１μｍ以内と、同じ程度の厚みとすることが好ましい。

被覆層４と側壁部材７との接触は、被覆層４が発熱抵抗体層５の段差部分を被覆している部分、即ち図１の５ｂの部分で接触していることが、側壁部材７の剥離を抑制する上で好ましい。

次に、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法を、図３を参照しながら説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、表面上に配線２及び絶縁層３を有する基板１を用意する。基板１上にはさらにＣＭＯＳ駆動トランジスタ（不図示）等が形成されている。配線２や絶縁層３は、スパッタ法やＣＶＤ法等で形成する。

次に、ＣＭＯＳ駆動トランジスタ上の配線２や絶縁層３上に、スピンコートにてレジストを塗布する。続いて平坦化を行い、さらに露光及びパターニングを行う。このようにして、図３（ｂ）に示すように、基板１の表面に圧力室の型材の一部である第１の型材１７を形成する。第１の型材１７の厚みは、１．０μｍ以上５．０μｍ以下とすることが好ましい。レジストとしては感光性樹脂が挙げられる。第１の型材１７は金属で形成してもよい。

次に、図３（ｃ）に示すように、第１の型材１７を覆うように被覆層４を形成する。被覆層４は、被覆層４となる材料をスパッタで塗布し、パターニングすることで形成する。ここで形成する被覆層４は、発熱抵抗体層の裏面（発熱抵抗体層の基板１側の面）を被覆することになる。

次に、図３（ｄ）に示すように、被覆層４を覆うように発熱抵抗体層５を形成する。また、発熱抵抗体層５を加熱するための配線も形成する。これらはＣＶＤ法やパターニングによって形成する。

次に、図３（ｅ）に示すように、発熱抵抗体層５の表面を被覆するように、被覆層４をスパッタやパターニングによって形成する。この被覆層４は、図３（ｃ）で説明した被覆層４と同じ材料で形成してもよいし、異なる材料で形成してもよい。このようにして、発熱抵抗体層５の両面が被覆層４で被覆される。尚、裏面側を被覆しない場合には、図３（ｃ）の工程を行わなければよい。

次に、図３（ｆ）に示すようにレジストを塗布し、図３（ｇ）に示すようにパターニングする。これにより、埋め込み材料６となる部分と、圧力室の型材の一部である第２の型材１８を、被覆層４の上に形成する。レジストとしては感光性樹脂が挙げられる。第２の型材１８は金属で形成してもよい。また、第１の型材１７と第２の型材１８は同じ材料で形成してもよいし、異なる材料で形成しておよい。

次に、図３（ｈ）に示すように、埋め込み材料６と第２の型材１８とを被覆するように、側壁部材７をＣＶＤ法及びパターニング等によって形成する。側壁部材７は、被覆層４に接触させる。続いて、図３（ｉ）に示すようにレジスト等をスピンコート等で塗布し、平坦化することで、図３（ｊ）に示すように埋め込み材料８を形成する。

次に、図３（ｋ）に示すように、埋め込み材料８を覆うように、表面保護層９をＣＶＤ法等で形成する。続いて表面保護層９及び側壁部材７にパターニングを行い、図３（ｌ）に示すように吐出口１０を形成する。

最後に、第１の型材１７と第２の型材１８を溶媒等で除去し、図３（ｍ）に示すように液体吐出ヘッドを製造する。尚、図３（ｍ）では基板１に供給口が形成されていないが、図３（ｍ）の状態の後で供給口を形成してもよいし、例えば図３（ａ）の状態の前に供給口を形成しておき、一旦供給口を埋めておき、再度埋め込み材を除去してもよい。

Claims (18)

1. 基板と、発熱抵抗体層と、圧力室の側壁を形成する側壁部材とを有し、前記圧力室の内部の液体を前記発熱抵抗体層の熱作用部で発泡させることで吐出口から液体を吐出する液体吐出ヘッドであって、
   前記熱作用部は前記基板から離間しており、
   前記圧力室の内部において前記発熱抵抗体層の表面の少なくとも一部は被覆層で被覆されており、前記被覆層は前記圧力室の内部から前記側壁部材の側壁と接触する位置まで延在しており、前記被覆層と前記側壁部材とは、前記被覆層が前記発熱抵抗体層の段差部分を被覆している部分で接触していることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記被覆層は、前記発熱抵抗体層の前記吐出口側の面を被覆している請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記被覆層は、前記発熱抵抗体層の前記吐出口側の面及び前記基板側の面を被覆している請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記発熱抵抗体層の前記吐出口側の面を被覆している前記被覆層の厚みは、前記発熱抵抗体層の前記基板側の面を被覆している前記被覆層の厚み以上の厚みである請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記被覆層は、ＴａまたはＩｒの少なくとも一方で形成されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記側壁部材は、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯ_２、オキシナイトライドの少なくとも１つで形成されている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記被覆層はＴａで形成され、前記側壁部材はＳｉＮで形成されている請求項１乃至６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記被覆層はＩｒで形成され、前記側壁部材はＳｉＮで形成されている請求項１乃至６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記被覆層の前記発熱抵抗体層の片面当たりの厚みは、０．１μｍ以上、１．０μｍ以下である請求項１乃至８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
10. 前記側壁部材の厚みは、１．０μｍ以上、５．０μｍ以下である請求項１乃至９のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
11. 前記側壁部材の厚みは、２．０μｍ以上、３．０μｍ以下である請求項１乃至９のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
12. 前記発熱抵抗体層の厚みは、０．１μｍ以上、１．０μｍ以下である請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
13. 前記発熱抵抗体層の厚みは、０．２μｍ以上、０．８μｍ以下である請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
14. 基板と、発熱抵抗体層と、圧力室の側壁を形成する側壁部材とを有し、前記圧力室の内部の液体を前記発熱抵抗体層の熱作用部で発泡させることで吐出口から液体を吐出し、前記熱作用部は前記基板から離間しており、前記圧力室の内部において前記発熱抵抗体層の表面の少なくとも一部は被覆層で被覆されており、前記被覆層は前記圧力室の内部から前記側壁部材の側壁と接触する位置まで延在している液体吐出ヘッドの製造方法であって、
    前記基板の表面に第１の型材を形成する工程と、
    前記基板の表面及び前記第１の型材を覆うように、前記発熱抵抗体層を形成する工程と、
    前記発熱抵抗体層の表面を被覆するように、被覆層を形成する工程と、
    前記被覆層の上に、第２の型材を形成する工程と、
    前記第２の型材を被覆し、前記被覆層に接触するように前記側壁部材を形成する工程と、
    前記第１の型材及び前記第２の型材を除去し、前記圧力室を形成する工程と、
    を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
15. 前記被覆層は、ＴａまたはＩｒの少なくとも一方で形成されている請求項１４に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
16. 前記側壁部材は、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯ_２、オキシナイトライドの少なくとも１つで形成されている請求項１４または１５に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
17. 基板と、発熱抵抗体層と、圧力室の側壁を形成する側壁部材とを有し、前記圧力室の内部の液体を前記発熱抵抗体層の熱作用部で発泡させることで吐出口から液体を吐出し、前記熱作用部は前記基板から離間しており、前記圧力室の内部において前記発熱抵抗体層の表面の少なくとも一部は被覆層で被覆されており、前記被覆層は前記圧力室の内部から前記側壁部材の側壁と接触する位置まで延在している液体吐出ヘッドの製造方法であって、
    前記基板の表面に第１の型材を形成する工程と、
    前記基板の表面及び前記第１の型材を覆うように、被覆層を形成する工程と、
    前記被覆層を覆うように、前記発熱抵抗体層を形成する工程と、
    前記発熱抵抗体層の表面を被覆するように、被覆層を形成する工程と、
    前記発熱抵抗体層の表面を被覆する被覆層の上に、第２の型材を形成する工程と、
    前記第２の型材を被覆し、前記発熱抵抗体層の表面を被覆する被覆層に接触するように前記側壁部材を形成する工程と、
    前記第１の型材及び前記第２の型材を除去し、前記圧力室を形成する工程と、
    を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
18. 前記被覆層は、ＴａまたはＩｒの少なくとも一方で形成されており、前記側壁部材は、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯ_２、オキシナイトライドの少なくとも１つで形成されている請求項１７に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。

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