JPH07276642A - インクジェット用印字ヘッド及びその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 インクジェット方式のプリンターに使用され
る印字ヘッドにおいて、基板からの剥離、離脱による電
極の消耗を防いだインク加熱電極から構成され、高寿命
で、高速応答性さらに低電圧駆動の優れたインクジェッ
ト用印字ヘッド及びその製造法を提供することを目的と
する。 【構成】 シリコン基板１１の導電性インク１８と接触
する部分にチタンとシリコンとの固相反応により一対の
低抵抗領域のチタンシリサイド２６を形成し、これを電
極１２ａ，１２ｂとして用い、前記シリコン基板１１上
にインク室形成用構造体１４を密着接合してインク室１
５を設け、導電性インクによる腐食反応、気泡圧力など
による加熱電極の剥離がない高安定性のインクジェット
用印字ヘッドが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プリンターに用いられ
るインクジェット用印字ヘッド及びその製造法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、導電性インクの直接加熱方式によ
る印字ヘッドは、インクを局部突沸させてインクを飛翔
させるインクジェット方式のプリンター用印字ヘッド用
として提案されている。インクを局部加熱し、突沸させ
てインクを飛翔させる方法としては、導電性のインクに
直接通電し、インク自身のジュール熱を発生させる方法
がある。

【０００３】以下に従来のインクジェット用印字ヘッド
について図面を参照しながら説明する。図６（ａ）は従
来のインクジェット用印字ヘッドの断面図である。図６
（ｂ）は従来のインクジェット用印字ヘッドの上部から
みた平面図である。つまり図６（ｂ）のＡ−Ａ′面の断
面図が図６（ａ）である。

【０００４】図６（ａ）及び（ｂ）において、ガラス等
で形成された基板１の表面に白金等で形成された電極２
を例えばスパッター法等により形成し、基板１上に、そ
の一部にインク突出用のノズル５を設けたインク室形成
用構造体４を密着接合してインク室３を設ける。インク
室３には導電性インク６が充満されている。実際の印字
動作は、電極２に接続された電気配線１０から電圧が印
加され、電極２から導電性インク６に電流が流れること
により、インク自身のジュール熱により局部加熱された
導電性インク６の内部にバブル７が発生し、インク室３
の内部の圧力が高くなりインク滴８がノズル５から矢印
９の方向に飛翔し、記録紙上に印字する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように上記の導電
性インク直接加熱方式によるインクジェット用印字ヘッ
ドでは、電極２は導電性インク６に直接接触するため
に、電極２は化学的かつ熱的に厳しい環境に曝され、ま
た、導電性インク６の毛細管力や突沸による圧力波によ
り、導電性インク６が浸透して白金電極２とガラス基板
１の界面に達し、局部電池形成による電極腐食、腐食反
応、気泡圧力による電極の剥離、脱落を招き、加熱電極
の消耗が著しい。

【０００６】その対策として従来の方法は、電極を白金
の代わりにチタンで形成するとともに、耐久性皮膜で電
極の端部を保護して、電極とガラス基板の密着性を改善
する方法や、チタン電極の代わりにチタンシリサイドを
用いて電極とガラス基板の密着性向上により、加熱電極
の消耗を軽減し、印字ヘッドの長寿命化がはかられてい
る。しかしこの場合も、チタンシリサイドとガラス基板
の熱膨張係数の差が大きいことにより電極が剥離すると
いう問題点を有していた。

【０００７】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、電極と基板の剥離を生じない長寿命で高速応答性を
有する、低電圧駆動のインクジェット用印字ヘッド及び
その製造法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明のインクジェット用印字ヘッドは、シリコン基
板のインクと接触する面に、固相反応により電極の少な
くとも一部を形成するチタンシリサイドあるいはチタン
からなる一対の低抵抗領域を形成し、前記低抵抗領域を
除くシリコン基板上に絶縁膜が形成された構造を有する
電極基板を用いた。

【０００９】

【作用】この構成によって、加熱電極となるシリコン基
板内部の低抵抗層は、シリコンとチタンの固相反応によ
ってできる金属間化合物のチタンシリサイドで形成され
ることにより、シリコン基板と電極が一体化された構造
となる。このためにシリコン基板と低抵抗層からなる電
極の界面に導電性インクが浸透することなく、したがっ
て、腐食反応、気泡圧力による電極の剥離が無くなる。
また、基板となるシリコンが良好な熱伝導体であること
と、シリコンとチタンシリサイドの熱膨張係数はほぼ同
じであることから、熱膨張による加熱電極の剥離をも防
止することができる。

【００１０】

【実施例】

（実施例１）以下本発明の一実施例について、図面を参
照しながら説明する。図１（ａ）及び図２は本発明の第
１実施例におけるインクジェット用印字ヘッドの構造を
示す断面図、図１（ｂ）は本発明の第１実施例における
インクジェット用印字ヘッドの上部から見た平面図でＡ
−Ａ′面の断面図が図１（ａ）及び図２である。図１
（ｃ）は本発明の第１実施例におけるインクジェット用
印字ヘッドのインク室形成用構造体の斜視図である。

【００１１】図１において、１１は抵抗率１×１０⁶ Ω
・cmを有するシリコン基板、１２ａ，１２ｂはシリコン
基板１１の一部にチタンとの固相反応により形成したチ
タンシリサイドからなる低抵抗領域で、インク加熱電極
を構成する。１３は前記シリコン基板の低抵抗領域１２
ａ，１２ｂを形成した部分以外のシリコン基板１１の表
面を熱酸化して得られるＳｉＯ₂ からなる絶縁膜、１４
はインク室形成用構造体で図１（ｃ）に示したように耐
熱性樹脂によって、内部にはインク室を形成するための
空間が設けられ、上部にはノズル１６を設け、下部はシ
リコン基板１１と密着接合する面であり解放口１７が設
けられている。

【００１２】１５はインク室形成用構造体１４をシリコ
ン基板１１と密着接合させることにより形成されるイン
ク室である。以上のように構成されたインクジェット用
印字ヘッドについて、図１を用いてその動作を説明す
る。

【００１３】まず電圧供給装置（図示せず）から電極１
２ａ，１２ｂに電圧が印加されると導電性インク１８内
を電極１２ａから電極１２ｂに矢印１９の方向に電流が
流れる。このとき電圧はシリコン基板１１の内部にも印
加されるが、シリコン基板１１の抵抗率が導電性インク
１８の抵抗率に比べて十分大きいので電流は導電性イン
ク１８にのみ流れる。従ってＩ² Ｒ（Ｉ：電流、Ｒ：導
電性インクの抵抗）で表される電流のジュール損失によ
って導電性インク１８が自己発熱し、時間の経過に伴い
突沸が始まり、バブル（図示せず）が発生、膨張する。

【００１４】このバブルの膨張にともない、導電性イン
ク１８内の電流はバブルが絶縁体でその中を電流が通過
できないためバブルの両側へ曲げられ、電流密度はバブ
ル表面で最も高くなる。よってバブル表面が最も加熱さ
れてバブルの膨張が一層加速され、バブルの膨張によ
り、インク室１５内の導電性インク１８の圧力が急激に
高まる。この高圧になった導電性インク１８はノズル１
６から矢印２１の方向に飛び出しインク滴２０となって
記録紙２２に飛翔して付着し、ドットの形成が行われ
る。

【００１５】バブルの膨張が最大の大きさに達すると電
流通過経路のかなりの部分をバブルが占めるようになる
ので、導電性インク１８に流れる電流が減少し、ジュー
ル熱の発生が抑えられる。一方ではバブルの熱が導電性
インク１８、シリコン基板１１、インク室形成用構造体
１４へ奪われることから、バブルが急激に収縮し消滅す
る。つまり、バブル自身の持つ熱が全方向に奪われ、導
電性インク１８はほぼ初期状態の温度近くまで冷却され
る。

【００１６】シリコン基板１１は良好な熱伝導体である
ために、バブル消滅後の導電性インク１８は従来のガラ
ス基板を用いた印字ヘッドに比べ極めて早く冷却され
る。このことにより、インクジェット用印字ヘッドとし
て高速応答性を実現できるものである。絶縁膜１３はシ
リコン基板１１の表面を電流が流れることを防止すると
共に、バブルが膨張するのに必要な熱のシリコン基板１
１への過度の放熱を防ぐ効果も有するものである。

【００１７】以上の動作の繰り返しにより、たとえばコ
ンピューター等から送られてくる印字信号に応じて、電
極１２ａ，１２ｂに駆動電圧を印加され、記録紙２２へ
の印字が可能となる。

【００１８】以上の実施例では、チタンシリサイドによ
り形成された低抵抗領域１２ａ，１２ｂのみを電極とし
たシリコン基板１１を用いたが、チタンシリサイドとチ
タンシリサイドを形成せずに残ったチタン膜の一部とで
電極を構成した例を図２に示す。同図において、２５は
チタンシリサイドを形成せずに残ったチタン膜の一部で
あり、チタンシリサイドよりなる低抵抗領域１２ａ，１
２ｂとは固相反応により接合されている。この例におい
てもインクジェット用印字ヘッドの動作は上記と同一で
ある。

【００１９】次に本実施例のインクジェット用印字ヘッ
ドの製造方法の第一段階である基板作成工程ついて図３
を用いて説明する。まず図３（ａ）に示すように、基体
として抵抗率１×１０⁶ Ω・cmのシリコン基板１１を準
備する。次に図３（ｂ）に示すようにシリコン基板１１
の表面の自然酸化膜を除去した後、真空蒸着法でチタン
膜２５を０．５μｍ成長させる。この時のバックプレッ
シャーは１×１０^-6Pa、成長速度５０nm/secとした。

【００２０】次に図３（ｃ）に示すようにフォトリソグ
ラフィ技術により不要な部分を除き、電極寸法５０μｍ
角、電極間距離３０μｍの一対のチタン膜２５を残す。
次に図３（ｄ）に示すように１００mPaの真空中で５５
０℃、３０分間の熱処理によりチタン膜２５中のチタン
をシリコン基板１１中へ拡散させる。同図に示すように
前記拡散処理によってチタン膜２５中のチタンは、シリ
コン基板１１中に拡散してチタンシリサイド２６を形成
した。更に５時間の熱処理で図３（ｅ）に示すように、
チタン膜２５中のチタンはほぼ全部がシリコン基板１１
中へ拡散して低抵抗領域１２ａ，１２ｂが形成された。

【００２１】断面分析によればチタンのシリコン基板１
１への拡散深さは約１．５μｍであり、低抵抗領域１２
ａ，１２ｂの抵抗値は０．０１Ω・cm以下であった。次
に図３（ｆ）に示すように、低抵抗領域１２ａ，１２ｂ
を含むシリコン基板１１上に窒化膜２７をプラズマＣＶ
Ｄによって成膜した後、図３（ｇ）に示したようにフォ
トリソグラフィ法によって低抵抗領域１２ａ，１２ｂの
直上以外の膜を除去し、一対の窒化膜２７を残す。

【００２２】次に、図３（ｈ）に示すように、水蒸気
中、８５０℃で３０分熱処理することにより、窒化膜２
７が無く、露出したシリコン基板１１の表面を熱酸化し
てＳｉＯ₂ 絶縁膜１３を形成する。その後、図３（ｉ）
に示すように窒化膜２７を除去し、低抵抗領域すなわち
電極１２ａ，１２ｂとＳｉＯ₂ 絶縁膜１３を備えたシリ
コン基板１１が得られる。

【００２３】次に、上記の基板作成工程で得られたシリ
コン基板１１上に、図１（ｃ）に示したようにインク室
形成用構造体１４を密着接合するインク室形成工程を経
て、図１（ａ）に示すようなインクジェット用印字ヘッ
ドが形成される。チタン膜２５中のチタンのシリコン基
板１１への拡散処理による低抵抗領域１２ａ，１２ｂの
形成において、チタン膜２５のシリコン基板１１中への
拡散とチタンシリサイド２６の形成温度は不純物、特に
酸素の介在によって著しく上昇するので、拡散処理は真
空中あるいは不活性ガス中で行う必要がある。チタンシ
リサイド２６の形成は４５０℃以上で起こり、温度の上
昇と共に反応速度が大きくなる。

【００２４】しかし、あまり高温になるとチタンシリサ
イド２６の結晶性が乱れて低抵抗領域１２ａ，１２ｂ内
に非晶質粒界や空孔などの欠陥が著しく多くなると共
に、シリコンの析出が顕著になり、本発明の目的とする
長寿命で高速応答性を有するインク加熱電極が実現でき
ない。そのために拡散温度は８５０℃以下が必要であ
る。

【００２５】一方、上述した長寿命で高速応答性に加え
て、低電圧駆動を可能にするインクジェット用印字ヘッ
ドの製造方法について実施例２で説明する。

【００２６】（実施例２）以下本発明のインクジェット
用印字ヘッドの製造法の第２の実施例について図面を参
照しながら説明する。図４は本発明の第２実施例におけ
るインクジェット用印字ヘッドを作成する方法を説明す
る第一段階の基板作成工程図である。図４（ａ）に示す
ように表面に酸化膜２８ａを形成したシリコン基板２８
を使用する。次に図４（ｂ）に示すように、シリコン基
板２８の酸化膜２８ａ上にシリコン膜２９を、例えばＣ
ＶＤ法等により形成する。この場合シリコン膜２９の厚
みは１〜３μの範囲が適当である。１μ以下では電極と
しての厚みが不足で、３μ以上では膜が剥離しやすい。

【００２７】また、ここで用いたシリコン膜２９とシリ
コン基板２８の酸化膜２８ａとの密着性は優れており、
薄膜トランジスタ等の製品技術として確立されている。
次に図４（ｃ）に示すようにシリコン膜２９上に真空蒸
着法でチタン膜２５を０．５μｍ成長させる。この状態
は第１の実施例で述べた図３（ｂ）の状態に相当する。
次に図４（ｄ）に示すようにフォトリソグラフィ技術に
より不要な部分を除き、電極寸法５０μｍ角、電極間距
離３０μｍの一対のチタン膜２５を残す。

【００２８】次に図４（ｅ）に示すように１００mPaの
真空中で５５０℃、３０分間の熱処理により一対のチタ
ン膜２５中のチタンをシリコン膜２９中へ拡散させるこ
とにより、一対のチタンシリサイド２６を形成した。更
に５時間の熱処理で図４（ｆ）に示すように、一対のチ
タン膜２５中のチタンはほぼ全部がシリコン膜２９中へ
拡散して低抵抗領域１２ａ，１２ｂが形成された。断面
分析によればチタンのシリコン膜２９への拡散深さは約
１．５μｍであり、低抵抗領域１２ａ，１２ｂの抵抗値
は０．０１Ω・cm以下であった。

【００２９】次に図４（ｇ）に示すように、低抵抗領域
１２ａ，１２ｂを含むシリコン膜２９上に窒化膜２７を
プラズマＣＶＤによって成膜した後、図４（ｈ）に示し
たようにフォトリソグラフィ法によって低抵抗領域１２
ａ，１２ｂの直上以外の膜を除去し、一対の窒化膜２７
を残す。次に図４（ｉ）に示すように、水蒸気中、８５
０℃で３０分熱処理することにより、一対の窒化膜２７
が無く、露出したシリコン膜２９の表面を熱酸化してＳ
ｉＯ₂ 絶縁膜１３を形成する。その後、図４（ｊ）に示
すように一対の窒化膜２７を除去し、低抵抗領域１２
ａ，１２ｂとＳｉＯ₂ 絶縁膜１３を備えたシリコン基板
２８が得られる。

【００３０】次に、上記の基板作成工程で得られたシリ
コン基板２８を用いて実施例１に記載したと同様に、シ
リコン基板２８上に図１（ｃ）に示したようにインク室
形成用構造体１４を密着接合するインク室形成工程を経
て、図１（ａ）に示すようにインクジェット用印字ヘッ
ドが形成される。

【００３１】上記では表面に酸化膜２８ａを形成したシ
リコン基板２８を電極基板として用いた場合の実施例を
示したが、表面酸化シリコン基板に代ってガラス基板を
用いた場合も実施例１または実施例２の方法で得たのと
同じ機能を有するインクジェット用印字ヘッドが得られ
る。ここで電極基板として用いる材料の熱絶縁性は、シ
リコン基板、表面酸化シリコン基板、ガラス基板の順に
高くなり、それら電極基板より構成された印字ヘッド内
部の導電性インクのバブル膨張に要する駆動電圧は順に
低くなる。

【００３２】一方熱膨張による熱応力の大きさは前述の
逆の傾向を示し、熱膨張の大きな基板を用いると電極剥
離などによる印字ヘッドの寿命に影響を与えるので、用
途によって基板を使い分けるのが望ましい。

【００３３】（実施例３）次に本発明のインクジェット
用印字ヘッドの製造方法の第３の実施例について図面を
参照しながら説明する。図５は本発明の第３実施例にお
けるインクジェット用印字ヘッドを作成する方法を説明
する第一段階の基板作成工程図である。図５（ａ）に示
すようにシリコン基板１１を使用し、図５（ｂ）に示す
ようにシリコン基板１１上に真空蒸着法でチタン膜２５
を０．５μｍ成長させる。

【００３４】次に図５（ｃ）に示すようにフォトリソグ
ラフィ技術により不要な部分を除き、電極寸法５０μｍ
角、電極間距離３０μｍの一対のチタン膜２５を残す。
次に図５（ｄ）に示すように１００mPaの真空中で５５
０℃、３０分間の熱処理により一対のチタン膜２５中の
チタンの一部をシリコン基板１１中へ拡散させることに
より、拡散せずに残ったチタン膜２５とチタンシリサイ
ドからなる低抵抗領域１２ａ，１２ｂを形成する。

【００３５】次に図５（ｅ）に示すように、チタン膜２
５を含むシリコン膜１１上に窒化膜２７をプラズマＣＶ
Ｄによって成膜した後、図５（ｆ）に示したようにフォ
トリソグラフィ法によってチタン膜２５の直上以外の膜
を除去し、一対の窒化膜２７を残す。次に図５（ｇ）に
示すように、水蒸気中、８５０℃で３０分熱処理するこ
とにより、一対の窒化膜２７が無く、露出したシリコン
基板１１の表面を熱酸化してＳｉＯ₂ 絶縁膜１３を形成
する。その後、図５（ｈ）に示すように一対の窒化膜２
７を除去し、チタンシリサイドからなる低抵抗領域１２
ａ，１２ｂとチタン膜２５およびＳｉＯ₂ 絶縁膜１３を
備えたシリコン基板１１が得られる。

【００３６】次に、上記の基板作成工程で得られたシリ
コン基板１１を用いて実施例１に記載したと同様に、シ
リコン基板１１上に図１（ｃ）に示したインク室形成用
構造体１４を密着接合するインク室形成工程を経て、図
１（ａ）に示すようにインクジェット用印字ヘッドが形
成される。

【００３７】以上述べた第１実施例、第２実施例および
第３実施例の方法でインクジェット用印字ヘッドを作製
して、低抵抗領域１２ａ，１２ｂの寿命試験を行った。
１０Ｖの電圧を５ＭＨｚの周波数で印加して、繰り返し
２千万回の印字を行ったあと、低抵抗領域１２ａ，１２
ｂの消耗状態を調べた。本発明のインクジェット用印字
ヘッドでは導電性インク１８のシリコン基板１１と低抵
抗領域１２ａ，１２ｂ間への浸透による剥離は生じず、
電極の膜厚方向に０．１μｍ程度の消耗した凹形状にな
った程度であった。

【００３８】一方、ガラス基板上にスパッター法等によ
りチタン膜を形成した従来の加熱電極は、チタン膜の膜
厚減少と剥離、脱落が激しく、約４０％の面積が残存し
ているにすぎなかった。第１実施例、第２実施例ではチ
タンをシリコン基板中に完全に拡散させたものを用いた
が、チタンが一部残った第３実施例の形状の加熱電極に
おいても基板とチタンの密着性はチタンシリサイドの形
成によって強固であり、加熱電極の剥離、離脱が押さえ
られ従来の加熱電極よりも寿命が長い結果が得られた。

【００３９】

【発明の効果】以上のように本発明は、シリコン基板の
導電性インクと接触する部分に、チタンとシリコンの固
相反応による低抵抗領域を形成して加熱電極とし、前記
基板上にインク室形成用構造体を密着接合することによ
りインクジェット用印字ヘッドを形成したものであり、
本発明のインクジェット用印字ヘッドは加熱電極と基板
の剥離を生じない、寿命の長いインクジェット用印字ヘ
ッを提供することができる。

【００４０】また低抵抗領域を形成するチタンシリサイ
ドは電気化学的に安定な材料であり、電極反応による消
耗も少ない特徴がある。

【００４１】更に基板としてシリコン基板を用いるため
に熱の放散が早く高速応答性に優れることと、シリコン
とチタンシリサイドの熱膨張係数がほぼ同じであるため
に熱応力の発生が少ない利点もある。更に印字動作にお
ける駆動電圧を押さえる方法として、シリコン基板の代
わりに、表面に酸化膜を形成したシリコン基板、あるい
はガラス基板等の熱絶縁性基板を用いて加熱電極構成す
ることにより、インクジェット用印字ヘッドの駆動電圧
を低減できる。

【００４２】本発明による低抵抗領域を形成する方法と
しての拡散による固相反応法は、従来のスパッター法等
により形成した電極と違って、基板のシリコンとの結晶
構造が連続的に変化するので、欠陥が極めて少なく劣化
のない加熱電極を提供し、高信頼性、高寿命、そして低
電圧駆動の優れたインクジェット用印字ヘッドを実現で
きるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例におけるインクジェット用
印字ヘッドの構造を示す図

【図２】本発明の第１実施例におけるインクジェット用
印字ヘッドの構造を示す図

【図３】本発明の第１実施例における加熱電極を作製す
る方法を説明する基板作成工程図

【図４】本発明の第２実施例におけるインクジェット印
字用ヘッドを作成する方法を説明する第一段階の基板作
成工程図

【図５】本発明の第３実施例におけるインクジェット用
印字ヘッドを作成する方法を説明する第一段階の基板作
成工程図

【図６】（ａ）従来のインクジェット用印字ヘッドの断
面図 （ｂ）従来のインクジェット用印字ヘッドの上部からみ
た平面図

【符号の説明】

１１，２８ シリコン基板 １２ａ，１２ｂ 低抵抗領域（電極） １３ 絶縁膜 １４ インク室形成用構造体 １５ インク室 １６ ノズル ２５ チタン膜 ２６ チタンシリサイド ２７ 窒化膜 ２８ａ 酸化膜 ２９ シリコン膜

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリコン基板と、前記シリコン基板のイン
   クと接触する面に設けた金属間化合物領域を備えた一対
   の電極と、前記電極を除く前記シリコン基板上の絶縁膜
   と、その一部にインク突出用のノズルを備えたインク室
   形成用構造体とからなることを特徴とするインクジェッ
   ト用印字ヘッド。
2. 【請求項２】前記金属間化合物領域がチタンシリサイド
   であることを特徴とする請求項１記載のインクジェット
   用印字ヘッド。
3. 【請求項３】前記電極が前記チタンシリサイドと前記チ
   タンシリサイド上のチタン過剰領域とで構成されてなる
   ことを特徴とする請求項１記載のインクジェット用印字
   ヘッド。
4. 【請求項４】前記シリコン基板が、酸化膜を被覆したシ
   リコンと、その表面に形成したシリコン膜からなること
   を特徴とする請求項１記載のインクジェット用印字ヘッ
   ド。
5. 【請求項５】前記シリコン基板が、ガラスの表面に形成
   したシリコン膜からなることを特徴する請求項１記載の
   インクジェット用印字ヘッド。
6. 【請求項６】シリコン基板上に、フォトリソグラフィ法
   により一対のチタン層を形成した後、真空あるいは窒
   素、アルゴン、ヘリウムの不活性ガス雰囲気中で４５０
   ℃以上８５０℃以下の温度で熱処理を行い、チタンの全
   部または一部ををシリコン中に拡散させることにより、
   シリコンの面内にチタンあるいはチタンシリサイドから
   なる一対の電極の少なくとも一部を形成する低抵抗領域
   を設け、前記低抵抗領域を除く前記シリコン基板上には
   絶縁膜を形成する基板作成工程と、前記基板上にインク
   室を形成する構造体を密着接合するインク室形成工程と
   からなることを特徴とするインクジェット用印字ヘッド
   の製造法。