JP6566709B2 - インクジェット記録ヘッド用基板 - Google Patents

Description

本発明は、インクジェット記録方式によりインクを吐出して記録媒体に記録を行うためのインクジェット記録ヘッド用基板に関するものである。

インクジェット記録方式の中でも、熱エネルギーを利用してインクを発泡、吐出させる方式は、インクを吐出させるノズルを高密度に集積させることができ、高精度且つ高速な記録を実現できる。この記録方式で採用されるインクジェット記録ヘッドの一般的な構成としては、複数からなるインク吐出口と、吐出口に連通するインク液路、インクを発泡させる熱エネルギーを発生する電気熱変換素子などのエネルギー発生素子とを有する構成からなり、エネルギー発生素子は電気的絶縁性を有する保護層により、インクや各エネルギー発生素子間での絶縁性が確保されている。このエネルギー発生素子を駆動することにより熱エネルギーを発生させ、エネルギー発生素子上方のインク接触部分（熱作用部）においてインクが急激に加熱されて発泡する。この発泡に伴う圧力によってインクを吐出口から吐出させ、紙等の記録媒体表面に記録を行うことができる。

インクジェット記録ヘッド用基板は、製造工程において、静電気放電により絶縁保護層が破壊（ＥＳＤ事象という）される可能性がある。配線層上の絶縁保護層の破壊はインクジェット記録ヘッド用基板の寿命や印刷品位を低下させる等の問題を引き起こす。これに対し、特許文献１には、絶縁保護層上の導電体領域を連結させることでＥＳＤ事象に対する感度を抑えることが記載されている。

特開２００１−８００７３号公報

特許文献１に記載の方法では、絶縁保護層を用いてキャパシタを形成し、静電気放電の蓄積領域を提供しており、静電気放電の影響を抑えている。
しかし、絶縁保護層そのものを用いて保護しているため、保護しきれず静電気放電により絶縁保護層が破壊されると印刷品位の低下に直結してしまうという課題があった。
本発明では、上記従来技術に鑑みてなされたもので、静電気放電が発生しても、基板上のエネルギー発生素子を覆う絶縁保護層が絶縁破壊されることを抑制し、印刷品位の低下を抑制することができる対策を提供することを目的とする。

そのために本発明では、基板上に配置された、電極配線層と発熱抵抗体層からなるエネルギー発生素子と、前記電極配線層および前記発熱抵抗体層の上層に配置された絶縁性の保護層と、インク流路の壁部を形成する第一の部材と、吐出口を有する板状の第二の部材とからなる吐出口形成部材と、を含むインクジェット記録ヘッド用基板において、前記第一の部材は、絶縁性材料で構成されており、前記第一の部材内に配置した柱状の導電部材を含み、前記柱状の導電部材は前記インク流路の壁に沿って複数設けられ、前記インク流路内に露出しない構造を有し、前記第二の部材は、絶縁性材料又は半導体材料を含み、該第二の部材の絶縁性材料又は半導体材料と前記柱状の導電部材とが接していることを特徴とするインクジェット記録ヘッド用基板を提供する。

本発明によれば、流路壁を規定する第一の部材内に設けた導電部材を通じて静電気放電の電荷を除去することが可能であるため、静電気放電による絶縁性の保護層の破壊が抑制され、印刷品位の低下を抑制することができる。

本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの斜視図である。 本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド用基板の斜視図である。 本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド用基板における第１の実施形態を説明する模式断面図である。 本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド用基板における導電部材の断面形状を説明する、吐出口周辺の第一の部材中で水平方向に切断した時の平面図である。 本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド用基板における第１の実施例の工程図である。 本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド用基板における第２の実施形態を説明する模式断面図である。 本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド用基板における第３の実施形態を説明する模式断面図である。 本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド用基板における第４の実施形態を説明する模式断面図である。 比較例のインクジェット記録ヘッド用基板を説明する模式断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの斜視図である。記録ヘッド１は、インクジェット記録ヘッド用基板２と、電気配線テープ（可撓性の配線基板）３、及び記録装置本体と電気的に接続する電気コンタクト部４で構成されている。インク供給ユニットを介して供給されたインクは、記録素子ユニットの各ノズルに供給され、選択的に吐出されて記録媒体に対して印字を行うことができる。

図２は本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド用基板２の斜視図である。
本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド用基板２には、基体５としてのシリコン基板上に、半導体製造技術を用いてインクを発泡させる為のエネルギー発生素子６とそれを駆動させる駆動回路（不図示）などが形成されている。また、基体５の両面を連通するインク供給路７がシリコンエッチングにより形成されている。基体５上には、インク吐出口９とインク流路１０を形成する吐出口形成部材８が形成されている。基体５の裏面側からインク供給路７を介して供給されたインクは、インク流路１０内のエネルギー発生素子６上に配置されたインク吐出口９から吐出される。このとき、各インク吐出口に対応したエネルギー発生素子６を駆動させ、インクを発泡することによりその圧力を利用してインクを吐出させ印字を行うことができる。

図３は、本発明の第１の実施形態におけるインクジェット記録ヘッド用基板を示す模式図であり、図２のＸ−Ｘ’で切断したときの断面模式図である。トランジスタ等の駆動素子（不図示）が設けられたシリコンからなる基体５の上に、基体５の一部を熱酸化して設けた酸化シリコン層と、ＣＶＤ法などで形成した酸化シリコン（ＳｉＯ）や窒化シリコン（ＳｉＮ）等のシリコン化合物からなる蓄熱層１１とが設けられている。蓄熱層１１の上に、通電することで発熱する材料（例えばＴａＳｉＮやＷＳｉＮなど）からなる発熱抵抗体層１２が設けられる。発熱抵抗体層１２に接するように、発熱抵抗体層より抵抗の低いアルミニウムなどを主成分とする材料からなる一対の電極配線層１３が設けられている。電極配線層１３に電圧を供給し、発熱抵抗体層１２の電極配線層１３のスリットに位置する部分を発熱させる。つまり、発熱抵抗体層１２の電極配線層１３で覆われていない部分をエネルギー発生素子６として用いる。これらの発熱抵抗体層１２と電極配線層１３は、インクなどの吐出に用いられる液体との絶縁を図るために、その上層にＳｉＮ等の絶縁性材料からなる絶縁性の保護層（以下、絶縁保護層という）１４を有する。さらに吐出のための液体の発泡、収縮に伴うキャビテーション衝撃などからエネルギー発生素子６を保護するために、エネルギー発生素子６の部分に対応する絶縁保護層１４の上に耐キャビテーション層１５が設けられる。耐キャビテーション層１５として、イリジウムやタンタルなどのインクに耐性のある金属材料が用いられる。また、絶縁保護層１４の上には、インク流路１０を規定する絶縁性の第一の部材（流路壁部材）１６とインク吐出口９を有する板状の第二の部材（オリフィスプレート）１７からなる吐出口形成部材８が設けられている。さらに、流路壁部材１６に内包されて金属などの導電部材１８が設けられている。

図４（ａ）〜（ｃ）は、図２のインク吐出口周囲の第一の部材中で水平方向に切断した時の平面図である。導電部材１８は、図４（ａ）〜（ｃ）、図３から分かるように柱状の部材であり、断面は円、楕円、多角形など任意の形状をとることができる。導電部材１８の数や密度に制約はないが、流路壁部材１６に占める導電部材１８の体積が大きいほど、本発明の効果をより奏する。

第一の部材１６は、絶縁性材料であり、インクと接触しても影響を受けない材料であることが好ましい。例えば、エポキシ樹脂やアクリル樹脂などを主体とする有機材料や、炭窒化シリコンなどの無機材料などが使用できる。第二の部材１７は、第一の部材１６と同様の絶縁性材料の他、半導体材料などのある程度導電性を有する材料も使用することができる。また、第二の部材１７の表面は撥水層などが形成されていてもよい。

導電部材１８としては、流路壁部材１６に形成した孔部に埋設可能な導電性材料であり、タングステン（Ｗ）等の金属材料や、金属粉を樹脂に添加した導電性ペーストなどが使用できる。
導電部材１８は、インク流路１０に露出しない構造を有するように形成する。インク流路１０に露出すると、電荷がインク流路１０内の絶縁保護層１４に流れ、絶縁破壊抑制の効果が小さくなる。

本発明のインクジェット記録ヘッド用基板を用いることで、オリフィスプレート１７表面で発生した静電気電荷は、インク流路１０内の絶縁保護層１４よりも近距離にある流路壁部材１６内部に設けた導電部材１８に優先して放電する。したがって、流路壁部材１６内部に設けた導電部材１８を通じて静電気放電の電荷を除去することが可能であるため、静電気放電による発熱抵抗体層１２と一対の電極配線層１３上の絶縁保護層１４の破壊が抑制され、印刷品位の低下を抑制することができる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド用基板を示す模式図であり、図２のＸ−Ｘ’で切断したときの断面模式図である。第１の実施形態との違いは、導電部材１８の下端部が基体５に接していることである。半導体材料である基体５に導電部材１８の下端部が接していることにより、静電気放電の電荷をより効率的に除去することが可能となる。

図７は、本発明の第３の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド用基板を示す模式図であり、図２のＸ−Ｘ’で切断したときの断面模式図である。第１の実施形態との違いは、導電部材１８が電極配線層１３とは別に設けた配線２０と接していることである。配線２０としては、電極配線層１３と別の導電性材料で形成してもよいが、電極配線層１３と同材料で同時に形成することが好ましい。配線２０は接地電位に接続してさらに効率的に静電気放電の電荷を除去することができる。

図８は、本発明の第４の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド用基板を示す模式図であり、図２のＸ−Ｘ’で切断したときの断面模式図である。第１の実施形態との違いは、第二の部材（オリフィスプレート）１７が導電性を有する材料を含む点である。ここでは、オリフィスプレート自体を導電性材料１７Ｃとして示しているが、導電性材料と絶縁性材料の積層であってもよい。導電部材１８の上端は導電性材料１７Ｃに接していることが好ましい。導電部材１８の下端部は、図示するような第１の実施形態と同様の配置以外に、第２または第３の実施形態と同様に配置することができる。

以下に、図面を参照して本発明の実施形態のインクジェット記録ヘッド用基板について具体的に説明する。

（実施例１）
本発明の第１の実施形態になる実施例を、図３及び図５（ａ）〜（ｅ）の工程断面図を参照して説明する。
トランジスタ等の駆動素子（不図示）が設けられたシリコンからなる基体５の上に、基体の一部を熱酸化して設けた熱酸化層１μｍ、シリコン酸化膜１μｍからなる蓄熱層１１を形成した。蓄熱層１１の上に、ＴａＳｉＮ（シート抵抗：３００Ω/□）からなる発熱抵抗体層１２、および発熱抵抗体層１２より抵抗の低いアルミニウム合金（Ａｌ−Ｃｕ、厚さ５００ｎｍ）からなる電極配線層１３を形成した。電極配線層１３の一部を除去して発熱抵抗体層１２を露出させることにより、エネルギー発生素子６を形成した。これらの発熱抵抗体層１２と電極配線層１３を覆うように、ウエハ全面に、４００ｎｍのＳｉＮからなる絶縁保護層１４を形成した。エネルギー発生素子６上の絶縁保護層１４を覆うように３００ｎｍのタンタル膜からなる耐キャビテーション層１５を形成した。ここまでの工程で図５（ａ）の構造が形成される。
次に、１５μｍのＳｉＯ膜を堆積し、エッチングを行うことで、液室を含むインク流路１０の形状を規定する犠牲層１９を形成した（図５（ｂ））。
次に、１２μｍの炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）膜を堆積し、化学機械研磨（ＣＭＰ）を行って、ＳｉＣＮ膜の厚さが１０μｍとなるように加工した。ここまでの工程で図５（ｃ）の構造が形成される。このＳｉＣＮ膜が流路壁部材１６となる。
次に、エッチングによって流路壁部材１６に蓄熱層１１に達する孔部を開け、孔部を埋めるようにタングステン（Ｗ）を成膜したのち、ＣＭＰ加工することにより、図５（ｄ）の構造を形成した。このタングステンが導電部材１８となる。
次に、５μｍのＳｉＣＮ膜を堆積し、エッチングによって吐出口９を形成した（図５（ｅ））。このＳｉＣＮ膜がオリフィスプレート１７となる。
次に、ウエハをバッファードフッ酸に浸漬することによって、ＳｉＯからなる犠牲層１９を除去することで図３に示すインク流路１０が形成される。
このように作製したインクジェット記録ヘッド用基板における、静電気放電による絶縁破壊の発生率は１．０％であった。本実施形態により、流路壁部材１６内に設けた導電部材１８を通じて静電気放電の電荷を除去することが可能であるため、従来技術と比較して、静電気放電による印刷品位の低下を抑制することができる。

（実施例２）
次に本発明の第２の実施形態になる実施例を、図６を参照して説明する。実施例２においては、導電部材１８の下端部を基体５に達するようにすることが実施例１と異なるのみである。その他の構成は実施例１と同様であるので説明を省略する。
流路壁部材１６を形成したのち、導電部材１８を埋め込むために形成する孔部を基体５まで達するように形成し、その後、タングステンを埋め込んで図６に示すインクジェット記録ヘッド用基板２を作製した。
導電部材１８が基体５と接していることによって、導電部材１８に放電した電荷を効率良く除去できる。このように作製したインクジェット記録ヘッド用基板における、静電気放電による絶縁破壊の発生率は０．４％であった。本実施形態により、流路壁部材内に設けた導電部材を通じて静電気放電の電荷を除去することが可能であるため、従来技術と比較して、静電気放電による印刷品位の低下を抑制することができる。

（実施例３）
次に本発明の第３の実施形態になる実施例図７を参照して説明する。実施例３においては、導電部材１８の下端部が配線２０と接続されていることが異なるのみであり、その他の構成は実施例１と同様であるので説明を省略する。
電極配線層１３を形成する工程において、流路壁部材１６が形成される領域にも電極配線層１３と同時に配線２０を形成した。この配線２０は基体５上を引き回し、接地した。流路壁部材１６を形成したのち、導電部材１８を埋め込むために形成する穴を配線２０まで達するように形成し、その後、タングステンを埋め込んで図７に示すインクジェット記録ヘッド用基板２を作製した。
導電部材１８が配線２０と接していることによって、導電部材に放電した電荷を効率良く除去できる。このように作製したインクジェット記録ヘッド用基板における、静電気放電による絶縁破壊の発生率は０．１％であった。本実施形態により、流路壁部材内に設けた導電部材を通じて静電気放電の電荷を除去することが可能であるため、従来技術と比較して、静電気放電による印刷品位の低下を抑制することができる。

（実施例４）
次に本発明の第４の実施形態になる実施例を、図８を参照して説明する。実施例４においては、第二の部材（オリフィスプレート）１７が導電性の材料を含む部材１７Ｃで形成されていることが異なるのみであり、その他の構成は実施例１と同様であるので説明を省略する。
実施例１と同様にインク流路１０を規定するための流路壁部材１６を１０μｍのＳｉＣＮ膜で形成し、それに内包されるようにタングステンからなる導電部材１８を形成した。さらに５μｍのＳｉＣ膜からなるオリフィスプレート１７Ｃを形成して、図８に示すインクジェット記録ヘッド用基板２を作製した。
ＳｉＣは半導体であり導電性を有するため、オリフィスプレート１７Ｃ表面で発生した静電気電荷を効率良く導電部材１８に導くことができる。このように作製したインクジェット記録ヘッド用基板における、静電気放電による絶縁破壊の発生率は０．０６％であった。本実施形態により、流路壁部材内に設けた導電部材を通じて静電気放電の電荷を除去することが可能であるため、従来技術と比較して、静電気放電による印刷品位の低下を抑制することができる。

（比較例）
比較例では、流路壁部材１６の中に導電部材１８を設けない場合の例を示す。比較例のインクジェット記録ヘッド用基板の完成図を図９に示す。比較例においては、流路壁部材１６の中に導電部材１８を設けないことが異なるのみであり、その他の構成は第１の実施例と同様であるので説明を省略する。
このように作製したインクジェット記録ヘッド用基板における、静電気放電による絶縁破壊の発生率は５．０％であった。

１ 記録ヘッド
２ インクジェット記録ヘッド用基板
３ 電気配線テープ
４ 電気コンタクト部
５ 基体
６ エネルギー発生素子
７ インク供給路
８ 吐出口形成部材
９ インク吐出口
１０ インク流路
１１ 蓄熱層
１２ 発熱抵抗体層
１３ 電極配線層
１４ 絶縁保護層
１５ 耐キャビテーション層
１６ 第一の部材（流路壁部材）
１７ 板状の第二の部材（オリフィスプレート）
１７Ｃ 導電性材料を含む第二の部材
１８ 導電部材
１９ 犠牲層
２０ 配線

Claims (10)

1. 基板上に配置された、電極配線層と発熱抵抗体層からなるエネルギー発生素子と、
   前記電極配線層および前記発熱抵抗体層の上層に配置された絶縁性の保護層と、
   インク流路の壁部を形成する第一の部材と、吐出口を有する板状の第二の部材とからなる吐出口形成部材と、
   を含むインクジェット記録ヘッド用基板において、
   前記第一の部材は、絶縁性材料で構成されており、前記第一の部材内に配置した柱状の導電部材を含み、
   前記柱状の導電部材は前記インク流路の壁に沿って複数設けられ、前記インク流路内に露出しない構造を有し、
   前記第二の部材は、絶縁性材料又は半導体材料を含み、該第二の部材の絶縁性材料又は半導体材料と前記柱状の導電部材とが接していることを特徴とするインクジェット記録ヘッド用基板。
2. 前記導電部材の下端部が基板に接している請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド用基板。
3. 前記導電部材の下端部が前記電極配線層とは別に設けた配線と接している請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド用基板。
4. 前記電極配線層と前記別に設けた配線とは同材料で形成されている請求項３に記載のインクジェット記録ヘッド用基板。
5. 前記別に設けた配線は接地電位に接続している請求項３または４に記載のインクジェット記録ヘッド用基板。
6. 前記第二の部材が半導体材料としてＳｉＣを含む請求項１〜５のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド用基板。
7. 前記導電部材はタングステンである請求項１〜６のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド用基板。
8. 前記第二の部材の前記吐出口が設けられた面に直交する方向から見て、前記エネルギー発生素子を囲うように複数の前記導電部材が設けられている請求項１〜７のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド用基板。
9. 前記絶縁性の保護層は前記第一の部材と前記基板との間に延在しており、前記第一の部材の前記基板と対向する面とは反対の面から、前記第一の部材、前記絶縁性の保護層及び前記基板に連続して形成された孔部を有し、該孔部内に前記柱状の導電部材を含む請求項１〜８のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド用基板。
10. 前記基板が半導体基板を含み、前記孔部が該半導体基板に達している、請求項９に記載のインクジェット記録ヘッド用基板。

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