JPH06320731A

JPH06320731A - サーマルインクジェットヘッド及びその流路基板作製方法

Info

Publication number: JPH06320731A
Application number: JP11442393A
Authority: JP
Inventors: Takuro Sekiya; 卓朗関谷
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1993-05-17
Filing date: 1993-05-17
Publication date: 1994-11-22

Abstract

(57)【要約】【目的】発熱層等を有する発熱体基板とインク流路用
の流路用溝を有する流路基板を積層形成するヘッド構造
に関して、安定かつ必要量のインク滴を噴射させるため
にインク流路の形状、大きさ等を最適化すること。【構成】発熱層等を有する発熱体基板に積層される流
路基板３に関して、流路用溝６の一部に拡大領域６ａを
形成してインク流路の断面積について発熱体近傍領域で
発熱体下流側領域より大きく設定することで、所望の画
素径を得るに十分な質量のインクを確実に噴射させるこ
とができ、ベタ印写を行う場合に、隣接画素が互いにオ
ーバラップすることで、白地領域のない良好なるベタ印
写を行えるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ノンインパクト記録用
ヘッドの一つである発熱体基板と流路基板とを積層させ
たヘッド構造のサーマルインクジェットヘッド及びその
流路基板作製方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ノンインパクト記録法は、記録時におけ
る騒音の発生が無視し得る程度に極めて小さいという点
において、関心の高い記録法とされている。中でも、高
速記録が可能で、特別な定着処理を必要とせず所謂普通
紙に記録を行うことが可能な、所謂インクジェット記録
法は極めて有力な記録法である。そこで、従来において
もインクジェット記録法に関して様々な方式が提案さ
れ、種々の改良も加えられ、現に商品化されているもの
や、実用化に向けて開発段階のものもある。

【０００３】このようなインクジェット記録法は、所謂
インクと称される記録液体の小滴（droplet）を飛翔さ
せて普通紙などの記録媒体に付着させて記録を行うもの
である。その一例として、例えば本出願人提案による特
公昭５６−９４２９号公報に示されるようなものがあ
る。これは、要約すれば、液室内のインクを加熱して気
泡を発生させることでインクに圧力上昇を生じさせ、微
細な毛細管ノズルからインクを飛び出させて記録するよ
うにしたものである。

【０００４】その後、このようなインク飛翔原理を利用
して多くの提案がなされている。これらの提案の中で、
例えば特開平２−６７１４０号公報に示されるような流
路基板の製法が本出願人により提案されている。これ
は、単結晶シリコン（Ｓｉ）の異方性エッチングを利用
したＶ字溝を流路とするようにしたものである。このよ
うに形成されるインク流路は、Ｖ字溝の両側２面を形成
する面が（１１１）面となり、単結晶の精度で形成で
き、かつ、その面も非常に滑らかとなるため、インクジ
ェットの流路として考えた場合、非常に都合のよいもの
となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
構成のサーマルインクジェットヘッドは、未だ研究が始
まったばかりであり、そのインク流路の形状、大きさな
どをどのように設定すれば、安定して必要な大きさのイ
ンク滴を飛翔させ得るかは、未だ分かっておらず、改良
の余地がある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、基板上に蓄熱層と発熱層とこの発熱層に通電するた
めの電極と保護層とを形成した発熱体基板と、（１０
０）面の結晶方位面に切出された単結晶シリコンウエハ
上に異方性エッチングにより流路用溝を形成した流路基
板とを設け、これらの発熱体基板と流路基板とを発熱面
と溝面とが相対するように積層させて発熱体毎にインク
流路を形成するようにしたサーマルインクジェットヘッ
ドにおいて、前記インク流路の断面積を発熱体近傍領域
で発熱体下流側領域より大きく設定した。

【０００７】この際、請求項２記載の発明では、流路用
溝の溝幅を部分的に広くしてその領域のインク流路の断
面積を大きくし、請求項３記載の発明では、流路用溝の
溝深さを部分的に深くしてその領域のインク流路の断面
積を大きくした。

【０００８】これらの発明において、請求項４記載の発
明では、断面積を大きくした領域の中心部を発熱体領域
の中心部よりも下流側位置に設定した。

【０００９】また、請求項３記載のサーマルインクジェ
ットヘッドの流路基板作製方法として、請求項５記載の
発明では、（１００）面の結晶方位面に切出された単結
晶シリコンウエハ上で流路用溝部分及び溝深さを深くす
る部分とのフォトリソグラフィ工程及び異方性エッチン
グ工程を各々同時に行い、流路用溝を形成した後も、異
方性エッチング工程を続行して溝深さの深い部分を形成
するようにした。

【００１０】

【作用】請求項１記載の発明においては、インク流路の
断面積について発熱体近傍領域で発熱体下流側領域より
大きく設定したので、所望の画素径を得るに十分な質量
のインクを確実に噴射させることができ、よって、ベタ
印写を行う場合、隣接画素が互いにオーバラップするも
のとなり、白地領域のない良好なるベタ印写を行えるも
のとなる。

【００１１】請求項２記載の発明においては、溝幅を部
分的に広げることによりその領域のインク流路の断面積
を大きくするようにしたので、異方性エッチングにより
流路用溝を形成する際に部分的にマスクパターンを広げ
るだけで容易にして同時に形成できるものとなり、部分
的に流路幅の広がった流路基板を精度よく作製できるも
のとなる。

【００１２】加えて、請求項３記載の発明においては、
溝深さを部分的に深くすることによりその領域のインク
流路の断面積を大きくするようにしたので、発熱体部分
に発生した気泡がインク流路の天井面に接触してインク
流れを閉塞させることによる噴射停止が皆無となり、よ
って、より信頼性高く、十分な量のインクを噴射させる
ことができ、印写品質が向上する。

【００１３】一方、請求項４記載の発明においては、断
面積を大きくした領域の中心部を発熱体領域の中心部よ
りも下流側、即ち、インク滴吐出側位置に設定したの
で、インク吐出に有利な条件設定となり、連続駆動周波
数を向上させることができ、高速印写が可能となる。

【００１４】また、請求項５記載の発明においては、請
求項３記載のサーマルインクジェットヘッドの流路基板
作製方法として、（１００）面に対する異方性エッチン
グ工程において、流路用溝の両側側面をなす（１１１）
面が、一旦、露出形成されると、その領域のエッチング
はそれ以上殆ど進行しないという性質に着目し、（１０
０）面の結晶方位面に切出された単結晶シリコンウエハ
上で流路用溝部分及び溝深さを深くする部分とのフォト
リソグラフィ工程及び異方性エッチング工程を各々同時
に行い、流路用溝を形成した後も、異方性エッチング工
程を続行して溝深さの深い部分を形成するようにしたの
で、流路用溝形成後も、異方性エッチングをさらに続行
するだけで部分的により深くなる溝部分も形成できるも
のとなり、１回の異方性エッチング工程で済み、短時間
・低コストにして作製可能となる。

【００１５】

【実施例】本発明の一実施例を図面に基づいて説明す
る。本実施例のサーマルインクジェットヘッドの基本構
成及び動作原理を図３ないし図５を参照して説明する。
このヘッドチップ１は図３に示すように発熱体基板２上
に流路基板３を積層させたものである。ここに、流路基
板３には表裏に貫通したインク流入口４が形成されてい
るとともに、インク流路５を形成するための流路用溝６
が複数本平行に形成されている。前記インク流入口４は
これらの流路用溝６に連なった共通液室領域７に連通し
ている。また、発熱体基板２上には図４に示すように各
インク流路５に対応してエネルギー作用部を構成する発
熱体（ヒータ）８が発熱体列をなすように複数個形成さ
れ、各々個別に制御電極９に接続されているとともに共
通電極１０に共通接続されている。これらの電極９，１
０の一端は発熱体基板２の端部まで引出され、駆動信号
導入部となるボンディングパッド部１１とされている。
ここに、発熱体基板２の発熱面上に流路基板３の溝面側
を相対させて積層接合することにより、流路用溝６及び
共通液室領域７は閉じられた状態となり、先端にノズル
吐出口５ａを有するインク流路５とインク供給室とが形
成される。

【００１６】このようなヘッドチップ１において、サー
マルインクジェットによるインク噴射は図５に示すよう
なプロセスにより行われる。まず、定常状態では同図
（ａ）に示すような状態にあり、ノズル吐出口５ａ先端
のオリフィス面でインク１４の表面張力と外圧とが平衡
状態にある。ついで、ヒータ８が加熱され、その表面温
度が急上昇し隣接インク層に沸騰現象が起きるまで加熱
されると同図（ｂ）に示すように、微小な気泡１５が点
在する状態となる。さらに、ヒータ８全面で急激に加熱
された隣接インク層が瞬時に気化し、沸騰膜を作り、同
図（ｃ）に示すように気泡１５が成長する。この時、イ
ンク流路５内の圧力は、気泡１５の成長した分だけ上昇
し、オリフィス面での外圧とのバランスが崩れ、オリフ
ィスよりインク柱１６が成長し始める。同図（ｄ）は気
泡１５が最大に成長した状態を示し、オリフィス面より
気泡１５の体積に相当する分のインク１４が押出され
る。この時、ヒータ８には既に電流が流れていない状態
にあり、ヒータ８の表面温度は降下しつつある。気泡１
５の体積の最大値は電気パルス印加のタイミングよりや
や遅れたものとなる。やがて、気泡１５はインク１４な
どにより冷却されて同図（ｅ）に示すように収縮し始め
る。インク柱１６の先端部では押出された速度を保ちつ
つ前進し、後端部では気泡１５の収縮に伴うインク流路
の内圧の減少によってオリフィス面からインク流路内に
インク１４が逆流し、インク柱１６基部にくびれが生ず
る。その後、同図（ｆ）に示すように気泡１５がさらに
収縮し、ヒータ８面にインク１４が接し、ヒータ８面が
さらに冷却される。オリフィス面では外圧がインク流路
内圧より高い状態になるため、メニスカスが大きくイン
ク流路内に入り込んでくる。インク柱１６の先端部は液
滴１７となって記録紙（図示せず）の方向へ５〜１０m
／secの速度で飛翔する。その後、同図（ｇ）に示すよ
うに毛細管現象によりオリフィスにインク１４が再び供
給（リフィル）されて同図（ａ）の定常状態に戻る過程
で、気泡１５は完全に消滅する。

【００１７】ついで、このようなヘッドチップ１を構成
する発熱体基板２、流路基板３等について詳細に説明す
る。まず、発熱体基板２について説明する。一般に、こ
の種のサーマルインクジェットヘッド用の発熱体基板と
しては熱伝導率の高いＳｉウエハやアルミナセラミック
スなどが使用される他、材料入手の容易なガラス基板な
どが使用されるが、単結晶Ｓｉウエハ上にヒータ８等が
形成されるものとする。

【００１８】このＳｉウエハは例えば拡散炉中でＯ₂ ，
Ｈ₂Ｏのガスを流しながら、８００〜１０００℃の高温
にさらされ、表面に熱酸化膜ＳｉＯ₂ を１〜２μｍ成長
させる。この熱酸化膜ＳｉＯ₂ は図６に示すように蓄熱
層２１として働き、発熱体で発生した熱が基板（Ｓｉウ
エハ）側に逃げないようにすることで、インク方向に効
率よく熱が伝わるようにするためのものである。この蓄
熱層２１上にはヒータ８となる発熱層２２が形成され
る。この発熱層２２を構成する材料としては、タンタル
‐ＳｉＯ₂ の混合物、窒化タンタル、ニクロム、銀‐パ
ラジウム合金、シリコン半導体、或いは、ハフニウム、
ランタン、ジルコニウム、チタン、タンタル、タングス
テン、モリブデン、ニオブ、クロム、バナジウム等の金
属の硼化物が有用である。金属の硼化物中、特に優れて
いるものは、硼化ハフニウムであり、以下、硼化ジルコ
ニウム、硼化ランタン、硼化タンタル、硼化バナジウ
ム、硼化ニオブの順となる。発熱層２２はこのような材
料を用いて、電子ビーム蒸着法やスパッタリング法など
の手法により形成される。発熱層２２の膜厚としては、
単位時間当りの発熱量が所望通りとなるように、その面
積、材料及び熱作用部分の形状及び大きさ、さらには、
実際面での消費電力等によって決定されるが、通常、
０．００１〜０．５μｍ、より好ましくは０．０１〜１
μｍとされる。本実施例では、その一例としてＨｆＢ₂
（硼化ハフニム）を材料として２０００Åの膜厚にスパ
ッタリング形成されている。

【００１９】電極９，１０を構成する材料としては、通
常使用されている電極材料の多くのものを使用し得る。
具体的には、例えばＡｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｃｕ等が
挙げられ、これらを使用して蒸着等の手法により発熱層
２２上の所定位置に所定の大きさ、形状、膜厚で形成さ
れる。本実施例では、例えばＡｌを用い、スパッタリン
グ法により膜厚１．４μｍの電極９，１０を形成した。

【００２０】ついで、これらの発熱層２２や電極９，１
０上には保護層２３が形成される。この保護層２３に要
求される特性は、ヒータ８部分で発生した熱をインクに
効率よく伝達することを妨げず、かつ、ヒータ８をイン
クから保護し得ることである。よって、この保護層２３
を構成する材料としては、例えば酸化シリコン、窒化シ
リコン、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化タ
ンタル、酸化ジルコニウム等がよい。これらを材料とし
て、電子ビーム蒸着法やスパッタリング法により保護層
２３が形成される。また、炭化珪素、酸化アルミニウム
等のセラミックス材料を用いてもよい。保護層２３の膜
厚としては、通常、０．０１〜１０μｍとされるが、好
ましくは、０．１〜５μｍ、最適には０．１〜３μｍ程
度とするのがよい。本実施例では、ＳｉＯ₂ 膜としてス
パッタリング法により１．２μｍの膜厚に形成した。

【００２１】さらに、保護層２３上に耐キャビテーショ
ン保護層２４が形成されている。この保護層２４は発熱
体領域を気泡発生によるキャビテーション破壊から保護
するためのものであり、例えば、Ｔａをスパッタリング
法により４０００Åの膜厚に形成される。さらに、その
上部には、電極９，１０対応位置に位置させて膜厚２μ
ｍのＲesin層が電極保護層２５として形成されている。

【００２２】次に、流路基板３について説明する。この
流路基板３は発熱体基板２と同じく単結晶Ｓｉウエハ、
より具体的には、図７に示すように（１００）面の結晶
方位面に切出されたＳｉウエハが用いられる。この単結
晶Ｓｉウエハは図におけるＸ軸とＹ軸とが互いに直交す
る＜１１０＞軸となるように選定され、かつ、Ｘ‐Ｙ軸
面（上下面）が単結晶の（１００）面となるように選定
されている。このようにすると、単結晶の（１１１）面
はＹ軸に平行で、かつ、Ｘ‐Ｙ軸面に対して約５４．７
°の角度で交わることになる。流路基板３に形成される
流路用溝６はＶ字溝形状とされるが、このＶ字溝はその
２つの傾斜面が各々（１１１）面で構成されている。
（１１１）面は他の結晶面に比べ水酸化ナトリウム、水
酸化カリウム、ヒトラジンのようなアルカリ系溶液によ
るエッチング速度が極めて遅く、（１００）面をアルカ
リ系溶液でエッチングすると、（１１１）面で規制され
たＶ字形の溝を流路用溝６として得ることができる。こ
のようなＶ字溝の上部の幅はフォトエッチングの際のフ
ォトレジストの間隔で定まり、極めて精度の高いものと
なる。また、Ｖ字溝の深さは（１００）面と（１１１）
面とのなす角度（約５４．７°）と上面の幅とで定まる
ので、これも極めて精度の高いものとなる。さらには、
エッチングによって現れた（１１１）面は極めて平滑で
直線性のよいものとなる。

【００２３】ここに、このような単結晶Ｓｉウエハを用
いて、異方性フォトエッチング法により流路用溝６を形
成する方法について、図８を参照して説明する。まず、
図７で説明したような結晶方位のＳｉ単結晶からなる流
路基板３を用意する。図８（ａ）に示す状態では、紙面
に対して垂直方向が＜１１０＞軸、この基板３の上下面
が（１００）面となる。このような基板３を、例えば８
００〜１２００℃程度の水蒸気雰囲気中に置き、表面全
面に熱酸化膜２６を形成する。熱酸化膜２６の膜厚はエ
ッチング深さの０．３％程度あれば十分である。つい
で、同図（ｂ）に示すように、熱酸化膜２６の上面全面
に周知の方法でフォトレジストを塗布し、これを写真乾
板を用いて露光し、現像を行い、フォトレジストパター
ン２７を得る。ついで、同図（ｃ）に示すように、この
フォトレジストパターン２７により露出している部分の
熱酸化膜２６をフッ酸水溶液等により除去し、シリコン
の露出部３ａを得て、その後、フォトレジストパターン
２７を取り去る。このような状態にある基板３を、例え
ば５〜４０％，８０℃の水酸化カリウム溶液中において
エッチングする。これにより露出部３ａのエッチングが
進行するが、（１１１）面のエッチング進行速度は（１
００）面におけるエッチング進行速度の０．３〜０．４
％程度であるため、異方性エッチングとなり、露出部３
ａの各溝部からは基板３の上面（前述したように、（１
００）面である）に対し、tan~¹√２（約５４．７°）
の角度をなす（１１１）面が現れる。結局、エッチング
により形成される流路用溝６の溝形状は同図（ｄ）に示
すように台形状となる。さらにエッチングを進めると、
流路用溝６は同図（ｅ）に示すように、２つの（１１
１）面によって規制されたＶ字溝となる。

【００２４】このようなＶ字溝の精度について考察する
と、まず、熱酸化膜２６端部の下溝における、いわゆる
アンダカットは極めて小さく、純度の高い水酸化ナトリ
ウムを使用した場合、（１００）面のエッチング深さの
０．２％程度でしかない。従って、Ｖ字溝の幅（Ｗ）
は、フォトマスクの誤差を考慮に入れても±１μｍ程度
の精度とすることができる。また、Ｖ字溝の底部がなす
角度は（１１１）面同士がなす角度（約７０．６°）で
決定される。Ｖ字形の深さ（ｄ）はＷ／√２となる。

【００２５】最後に、同図（ｆ）に示すように、エッチ
ングマスクに使用した熱酸化膜２６をフッ酸水溶液等に
より除去することによりＶ字溝形状なる流路用溝６が形
成された単結晶Ｓｉのみによる流路基板３となる。な
お、このような流路基板３を実際にヘッドチップ１に適
用するには、Ｓｉウエハをインクから保護するため、Ｓ
ｉＯ₂ ，Ｓｉ₃Ｎ₄等の保護膜で保護するようにするのが
よい。

【００２６】このように異方性エッチングによりＶ字溝
形状で形成された流路用溝６を有する流路基板３は、前
述したようにヒータ８等が形成された発熱体基板２上
に、接合又は圧接されて積層状態とされる。ここに、積
層されたこれらの基板２，３について、ヒータ８部分か
ら少し下流（１００〜２００μｍ程度）の領域におい
て、流路（流路用溝６）に対してほぼ垂直方向にダイシ
ングソーによって切断することによりインク吐出用のノ
ズル吐出口５ａが切出されてヘッドチップ１が完成す
る。図３はこのようにして完成したヘッドチップ１を示
し、図９はそのノズル吐出口５ａ側から見た一部を拡大
して示す正面図である。

【００２７】なお、インク吐出用のノズル吐出口５ａの
形成方法としては、上記のように、ダイシングソーによ
ってインク流路５を切断した面をそのまま直接インク吐
出用ノズル面とする他、例えば、図１０に示すように、
三角形状のノズル吐出口２８ａを形成したノズル板２８
を別個に用意し、これをヘッドチップ１端面に接合させ
るようにしてもよい。このようなノズル板２８は、例え
ばポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェ
ニレンオキサイド、ポリプロピレンなどの樹脂板（厚さ
は、１０〜５０μｍ程度）に、エキシマレーザを照射し
て樹脂を除去・蒸発させることによりノズル吐出口２８
ａを形成したものとすればよい。このような製法による
と、ノズル吐出口２８ａ用の三角形のマスクパターンに
沿った精密な加工を簡単に行うことができ、高精度なノ
ズル板２８が得られる。このノズル板２８はヘッドチッ
プ１の切断面に接着剤により接合される。また、このよ
うな製法で得られるノズル吐出口２８ａの大きさは、ヘ
ッドチップ１の切断面におけるインク流路の断面の大き
さと同等か、やや小さめとするのがよい。何れにして
も、このようにノズル板２８を別体で設けたヘッド構造
によれば、図３等に示したものに比べ、インク噴射の安
定性が高いものとなる。

【００２８】このような本実施例の基本構成によれば、
インク流路が非常に滑らかなため、インク噴射性能に優
れたものとなる。

【００２９】ちなみに、本実施例では、（１００）面の
結晶方位面に切出された単結晶Ｓｉによる流路基板３に
関して、断面Ｖ字形状の流路用溝６とともに、共通液室
領域７も異方性エッチングにより形成されている。即
ち、流路基板３においては、前述したように流路用溝６
が（１００）面の異方性エッチングにより断面Ｖ字形状
に形成されるが、この際、共通液室を形成するための共
通液室領域７用の凹みもこの異方性エッチングを継続す
ることにより同時に形成するようにしたものである。こ
の時、共通液室領域７の凹み深さ（＜１００＞軸方向の
深さ）は、インク流路部へのインク供給不足を生じない
ように、少なくとも流路用溝６の深さより深いものとさ
れ、共通液室の天井面のほうが高くなるように設定され
ている。

【００３０】即ち、共通液室の深さを流路溝の深さ（約
２０〜４０μｍ）と同等とした流路基板を用いてヘッド
チップを構成した場合、共通液室の天井面が低いために
インク供給不足が生じやすく、特に高い駆動周波数でヘ
ッドを駆動した場合にはインクが噴射されなくなって
（空打ち状態）、印字不可部分を生じたりして印字品質
の悪いものとなる。この点、上記のように、共通液室領
域７の深さを流路用溝６よりも深く形成することによ
り、常に十分なインク供給が可能となる。

【００３１】ここに、このような流路基板構造による
と、流路用溝６と共通液室領域７とでは段違い構造とな
るが、（１００）面の異方性エッチングによるため、１
回の異方性エッチング工程で済むものとなる。即ち、流
路用溝６の深さと共通液室領域７の深さとに違いがある
と、エッチング時間の違いが問題になるという懸念が生
ずるが、実際には、このようなエッチング時間の違いは
殆ど問題とはならない。その理由を説明する。前述した
ように、（１００）面の結晶方位面に切出された単結晶
Ｓｉの（１１１）面のエッチング速度は（１００）面の
エッチング速度に対して０．３〜０．４％程度と極めて
遅い性質を持つ。従って、本実施例のように、流路用溝
６部分と共通液室領域７部分とを１つのフォトマスクで
同時にパターニングし（フォトリソを行い）、異方性エ
ッチングを行った場合、エッチングが図８（ｄ）に示し
た段階までは、流路用溝６部分と共通液室領域７部分と
の深さはほぼ同じとなる。しかし、流路用溝６が図８
（ｅ）に示すように完全なＶ字形状となる段階までエッ
チングが一旦進行すると、流路用溝６は２つの（１１
１）面で形成された溝となり、最早、（１００）面は全
く露出していない状態となり、これ以降は深さ方向（＜
１００＞軸方向）へはエッチングが殆ど進行しない状態
となるからである。一方、共通液室領域７はＶ字形状の
流路用溝６部分で深さ方向のエッチングが殆ど進行しな
い状態になっても、開口幅が非常に大きいため依然とし
て（１００）面がかなり露出しているので、＜１００＞
軸方向、従って、深さ方向へのエッチングが同じ速度で
進行することになる。このように、流路用溝６側では所
望深さに達してエッチングがほぼストップしても、共通
液室領域７側ではエッチングを続行させることができる
ので、容易に所望深さまでエッチングを継続するだけ
で、より深い所望深さの共通液室領域７を形成できる。
具体的には、例えば、流路用溝６の深さが２０〜４０μ
ｍ程度とされるのに対し、共通液室領域７の深さは５０
〜３００μｍ程度とされる。

【００３２】このような基本的構成において、本実施例
では、最もインク噴射を安定して行わせるためのインク
流路５の大きさ、形状とするために、流路用溝６を以下
のように工夫した点を特徴とする。

【００３３】（検討例１）まず、上述の基本的構成に基
づくヘッドチップを試作してその噴射性能及び紙面上で
の画素径を評価した。この場合、噴射に使用したインク
は、グリセリン：１８％、エチルアルコール：４．８
％、水：７５％、Ｃ．Ｉ．ダイレクトブラック（染
料）：２．２％なる組成によるもので、印写に使用した
紙は株式会社三菱製紙製のマットコート紙ＮＭである。
ヘッドチップは４００dpi なる配列密度で１２８ノズル
分１列に配列されたもので、Ｖ字形状の流路用溝６の溝
幅ａ（図１０参照）を４０μｍとし、その先端が直接ノ
ズル吐出口５ａとなるタイプのものとした。ヒータ８部
分の大きさは２８μｍ×１２０μｍの長方形状とし、そ
の抵抗は１０５Ωとした。ヒータ８の先端側からノズル
吐出口５ａまでの距離は１３０μｍとした。また、ヘッ
ド駆動条件は、駆動電圧Ｖ_o＝２３Ｖ、駆動パルス幅Ｐ
_W＝５μｓ、連続駆動周波数Ｆ_O＝９ｋＨｚとした。

【００３４】このような条件下に全てのヒータ８を駆動
させて噴射評価及び印写評価を行ったところ、インク噴
射動作が頻繁に停止する現象が確認されたものである。
この時のインク滴の飛翔速度は４．６ｍ／ｓであり、紙
面上の印写画素径は直径７８μｍであり、完全なベタ印
写画像は得られなかったものである。

【００３５】（具体例１）このように完全なるベタ印写
画像が得られない理由は、噴射される１滴のインク質量
が不足しているためであると考え、基本的構成に対し
て、ヒータ８近傍での流路用溝６の溝幅を部分的に広げ
て、その領域でのインク流路５の断面積が他領域よりも
大きくしたヘッドを試作して、同様の噴射評価及び印写
評価を行ったものである。この場合、図１に示すよう
に、流路用溝６の通常幅ａ＝４０μｍに対して、拡大領
域６ａの溝幅ｂは５２μｍとした。また、拡大領域６ａ
はノズル吐出口５ａからヒータ８までの距離と同じく、
ノズル吐出口５ａから距離ｃ＝１３０μｍの位置からヒ
ータ８分の長さ、即ち、長さｄ＝１２０μｍに渡って形
成したものである。つまり、拡大領域６ａはヒータ８対
応領域に形成されている。ただし、拡大領域６ａでの溝
深さは、流路用溝６のその他の領域での深さと同じく、
２８μｍとした。

【００３６】このような具体例１の構成のヘッドチップ
１を用いて、検討例１と同一条件で噴射評価及び印写評
価を行ったところ、インク滴の飛翔速度は１０．１ｍ／
ｓと比較例１の場合の倍以上の速度となり、紙面上での
印写画素径は直径９１μｍとなり、ほぼ完全なるベタ印
写画像が得られたものである。ここで、「ほぼ完全」と
表現したのは、画素径が十分に大きく全面印写した際に
は白地部分が生じないものの、時々インク滴の噴射が停
止する現象が発生し、その分、ドット抜けが生じたため
である。

【００３７】（具体例２）このようにインク滴の噴射が
時々停止する原因は、発生した気泡がインク流路５の天
井面に接触し、それがインク流路５の閉塞を引き起すた
めであると考え、具体例１のように拡大領域６ａを形成
する際に、異方性エッチングの時間を長くして拡大領域
６ａが溝幅ｂだけでなくその深さも他の部分よりも深く
なる、具体的には３７μｍとなるようにしたヘッドを試
作して、同様の噴射評価及び印写評価を行ったものであ
る。

【００３８】ここに、拡大領域６ａを含む流路用溝６を
異方性エッチングにより形成する工程につき、この異方
性エッチングの時間を長くしても、溝幅ｂ＝５２μｍの
拡大領域６ａのみが深さ３７μｍとなり、流路用溝６の
残りの部分（溝幅ａ＝４０μｍの部分）の溝深さは当初
の２８μｍのままとなる。これは、前述した共通液室領
域７を異方性エッチングで形成する場合と同じ理由によ
り、拡大領域６ａ以外の溝幅ａ＝４０μｍの部分では２
面が（１１１）面で形成されたＶ字形状の溝であり、一
旦、この溝が底部まで完全に形成されると、最早、（１
００）の露出がなくなり、（１１１）面へはエッチング
が殆ど進行しないためである。

【００３９】このように溝幅とともに溝深さも深くした
拡大領域６ａを含む流路用溝６を形成した流路基板３を
有するヘッドチップ１を用いて、検討例１、具体例１と
同一条件で噴射評価及び印写評価を行ったところ、イン
ク滴の飛翔速度は１０．６ｍ／ｓとなり、紙面上での印
写画素径は直径９３μｍとなり、具体例１とほぼ同様の
結果が得られるとともに、噴射停止を全く生ずることな
く、完全なるベタ印写画像が得られたものである。

【００４０】（検討例２）具体例２によれば、拡大領域
６ａの深さを深くすれば十分な画素径が得られ、また、
流路閉塞に起因する噴射動作停止も生じないことが分か
るので、この検討例２では、当初から流路用溝全てが溝
幅５２μｍ、溝深さ３７μｍのものとした直線溝（即
ち、流路用溝全域を拡大領域とした）を形成したヘッド
を試作して、同一条件で噴射評価及び印写評価を行っ
た。この結果、インク滴の飛翔速度は８．７ｍ／ｓとや
や遅めとなる反面、画素径は直径９５μｍとなり、紙面
上で十分なベタ印写画像が得られた。しかし、この検討
例２の場合、時々、インク滴の噴射が乱れる現象が観察
されたものである。この現象を注意深く調べたところ、
隣接ノズル間のインク滴が時々併合してしまう現象が観
察されたものである。つまり、４００dpi の配列密度で
は、隣接ノズル間の中心間距離が６３．５μｍしかない
ため、基本的な溝幅ａを溝幅ｂと等価な値にまで広げて
しまうと、隣接インク滴同士が併合してしまい、高密度
印写に弊害を及ぼすことが分かる。

【００４１】このような検討例１，２、具体例１，２に
よれば、流路用溝６に関して、ヒータ８の近傍領域にお
いてのみ部分的に溝幅を広げ、又は、溝深さを深くした
拡大領域６ａを形成するのがよいことが分かる。

【００４２】（具体例３）ついで、上記のように溝幅を
広げ、又は、溝深さを深くする拡大領域６ａを部分的に
形成するに際して、流路用溝６上のどの位置（ヒータ８
に対してどの位置）が最適であるかを具体例３で明かに
する。図２（ａ）は上記具体例２によるヒータ８付近の
断面構成を示し、拡大領域６ａはヒータ８と完全に対応
する位置に形成されている例を示す（即ち、拡大領域６
ａの中心部がヒータ８の中心部に一致する位置とされて
いる）。これによっても、具体例２で説明したように、
一応、良好なる結果が得られるものとなる。ここに、具
体例３では、このような拡大流路６ａを形成する位置
を、図２（ｂ）に示すように、ヒータ８に完全に対応す
る位置ではなく、少し下流側、即ちノズル吐出口５ａ側
の位置にΔ＝３０μｍだけずらして形成したヘッドを試
作し、具体例２の場合と比較しながら、印写実験を行っ
たものである。この結果、中心位置が一致する具体例２
構成の場合には、安定したインク滴噴射が可能な連続駆
動周波数Ｆ_Oの上限が９．５ｋＨｚであったのに対し、
拡大領域６ａの中心部をノズル吐出口５ａ側にずらした
具体例３の場合にはＦ_O＝１４ｋＨｚまで安定したイン
ク滴噴射が可能となったものである。なお、飛翔速度及
び印写画素径は、具体例２，３では殆ど差がなかったも
のである。

【００４３】しかして、部分的に形成する拡大領域６ａ
はヒータ８の中心よりも少しノズル吐出口５ａ側位置に
ずらして形成したほうが、連続駆動周波数をより高くす
ることができ、印写速度を向上させ得ることから、好ま
しいものとなる。

【００４４】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、インク流
路の断面積について発熱体近傍領域で発熱体下流側領域
より大きく設定したので、所望の画素径を得るに十分な
質量のインクを確実に噴射させることができ、よって、
ベタ印写を行う場合、隣接画素が互いにオーバラップす
るものとなり、白地領域のない良好なるベタ印写を行う
ことができる。

【００４５】請求項２記載の発明によれば、流路用溝の
溝幅を部分的に広げることによりその領域のインク流路
の断面積を大きくするようにしたので、異方性エッチン
グにより流路用溝を形成する際に部分的にマスクパター
ンを広げるだけで容易かつ同時に形成できるものとな
り、部分的に流路幅の広がった流路基板を精度よく作製
できる。

【００４６】加えて、請求項３記載の発明によれば、溝
深さを部分的に深くすることによりその領域のインク流
路の断面積を大きくするようにしたので、発熱体部分に
発生した気泡がインク流路の天井面に接触してインク流
れを閉塞させることによる噴射停止が皆無となり、よっ
て、より信頼性高く、十分な量のインクを噴射させるこ
とができ、印写品質を向上させることができる。

【００４７】一方、請求項４記載の発明によれば、断面
積を大きくした領域の中心部を発熱体領域の中心部より
も下流側、即ち、インク滴吐出側位置に設定したので、
インク吐出に有利な条件設定となり、連続駆動周波数を
より高くすることができ、高速印写が可能となる。

【００４８】また、請求項５記載の発明によれば、請求
項３記載のサーマルインクジェットヘッドの流路基板作
製方法として、（１００）面に対する異方性エッチング
工程において、流路用溝の両側側面をなす（１１１）面
が、一旦、露出形成されると、その領域のエッチングは
それ以上殆ど進行しないという性質に着目し、（１０
０）面の結晶方位面に切出された単結晶シリコンウエハ
上で流路用溝部分及び溝深さを深くする部分とのフォト
リソグラフィ工程及び異方性エッチング工程を各々同時
に行い、流路用溝を形成した後も、異方性エッチング工
程を続行して溝深さの深い部分を形成するようにしたの
で、流路用溝形成後も、異方性エッチングをさらに続行
するだけで部分的により深くなる溝部分も形成できるも
のとなり、１回の異方性エッチング工程で済み、短時間
・低コストにして作製可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す流路基板の拡大底面図
である。

【図２】拡大領域の形成位置を示すヒータ付近の概略縦
断側面図である。

【図３】ヘッドチップを示す斜視図である。

【図４】その分解斜視図である。

【図５】サーマルインクジェットの記録原理を順に示す
縦断側面図である。

【図６】ヒータ付近を拡大して示す縦断側面図である。

【図７】流路基板の結晶面及び結晶軸方向を示す斜視図
である。

【図８】流路基板に関する異方性エッチング工程を順に
示す縦断正面図である。

【図９】ヘッドチップの一部を拡大して示す正面図であ
る。

【図１０】変形例を示す分解斜視図である。

【符号の説明】

２発熱体基板３流路基板５インク流路６流路用溝６ａ断面積を大きくした領域８発熱体９，１０電極２１蓄熱層２２発熱層２３保護層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に蓄熱層と発熱層とこの発熱層に
通電するための電極と保護層とを形成した発熱体基板
と、（１００）面の結晶方位面に切出された単結晶シリ
コンウエハ上に異方性エッチングにより流路用溝を形成
した流路基板とを設け、これらの発熱体基板と流路基板
とを発熱面と溝面とが相対するように積層させて発熱体
毎にインク流路を形成するようにしたサーマルインクジ
ェットヘッドにおいて、前記インク流路の断面積を発熱
体近傍領域で発熱体下流側領域より大きく設定したこと
を特徴とするサーマルインクジェットヘッド。
【請求項２】流路用溝の溝幅を部分的に広くしてその
領域のインク流路の断面積を大きくしたことを特徴とす
る請求項１記載のサーマルインクジェットヘッド。
【請求項３】流路用溝の溝深さを部分的に深くしてそ
の領域のインク流路の断面積を大きくしたことを特徴と
する請求項１又は２記載のサーマルインクジェットヘッ
ド。
【請求項４】断面積を大きくした領域の中心部を発熱
体領域の中心部よりも下流側位置に設定したことを特徴
とする請求項１，２又は３記載のサーマルインクジェッ
トヘッド。
【請求項５】（１００）面の結晶方位面に切出された
単結晶シリコンウエハ上で流路用溝部分及び溝深さを深
くする部分とのフォトリソグラフィ工程及び異方性エッ
チング工程を各々同時に行い、流路用溝を形成した後
も、異方性エッチング工程を続行して溝深さの深い部分
を形成するようにしたことを特徴とする請求項３記載の
サーマルインクジェットヘッドの流路基板作製方法。