JP3799871B2 - インクジェットプリンタヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギー効率が良くインクを長期にわたり安定して吐出できる信頼性の高いインクジェットヘッド及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、インクジェット方式のプリンタが広く用いられている。このインクジェット方式によるプリンタは、インクを加圧して吐出するための加圧部を備えている。この加圧部の構成には、気泡の発生する力でインク滴を飛ばすサーマルジェット方式や、ピエゾ抵抗素子(圧電素子)の変形によってインク滴を飛ばすピエゾ方式等がある。
【0003】
これらの構成による印字方式は、色材たるインクをインク滴にして直接記録紙に向かって吐出するという工程により、粉末状の印材であるトナーを用いる電子写真方式と比較した場合、印字エネルギーが低くて済み、インクの混合によってカラー化が容易であり、印字ドットを小さくできるので高画質であり、印字に使用されるインクの量に無駄が無くコストパフォーマンスに優れており、このため特にパーソナル用プリンタとして広く用いられている印字方式である。
【0004】
そして、上記のサーマルジェット方式には、インク滴の吐出方向により二通りの構成がある。すなわち、加圧部としての発熱部の発熱面に平行な方向へインクを吐出する構成のものと、発熱部の発熱面に垂直な方向にインクを吐出する構成のものとがある。中でも発熱部の発熱面に垂直な方向にインク滴を吐出する構成のものは、ルーフシュータ型サーマルインクジェットヘッドと呼称されており、発熱部の発熱面に平行な方向へインクを吐出する構成のものに比較して、消費電力が極めて小さくて済むことが知られている。
【0005】
このルーフシュータ型のサーマルインクジェットヘッドの製法としては、シリコンウエハ上に区画された多数(例えば6インチ以上の直径のウエハで90個以上)のチップ基板の上に、シリコンLSI形成技術と薄膜形成技術を利用して、複数の発熱部、これらを個々に駆動する駆動回路、及びこれに対応するインク吐出ノズルを一括してモノリシックに形成する方法がある。
【0006】
図8(a) は、そのようにして作成されるルーフシュータ型サーマルインクジェットヘッドの概略の構成を模式的に示す平面図であり、同図(b) は、同図(a) のA−A′断面矢視図である。尚、同図(a) はオリフィス板8を透視的に示している。このサーマルインクジェットヘッド1は、同図(a),(b) に示すように、チップ基板2上に形成された薄膜からなる発熱抵抗体3と、その発熱抵抗体3の発熱部4の両端に接続された個別配線電極5及び給電共通電極6と、これらの上に積層された隔壁7と、更にこれらの上に積層されたオリフィス板8を備え、このオリフィス板8にはインク吐出ノズル9が形成されている。
【0007】
上記の発熱部4は、例えば40μm程度の微細な間隔で配置されており、個別配線電極5上に形成された櫛状の隔壁7の櫛の胴部に当る隔壁7aから伸び出す櫛の歯部に当る隔壁7bと7bの間に配置され、隣接する他の発熱部4とは個別に区画されている。そして、発熱部4の並設方向に平行し、上記櫛の歯の開口部側に、隔壁7の厚さに相当する高さのインク通路10が形成されている。
【0008】
図9(a) 〜(d) は、上記のサーマルインクジェットヘッドが発熱駆動されるときの動作状態を示す図であり、同図(a) は図8(b) に示した構成を再掲している。ただしインク流路10にはインク11が常時供給されている。また、印字動作に先立って目詰まり等を復元するときには洗浄液が供給されることもある。
【0009】
先ず、同図(b) に示すように、画像情報に応じた通電により、発熱部4を発熱させてこの発熱部4上に核気泡を発生させると、この核気泡が合体して膜気泡12が発生する。そして、同図(c) に示すように、上記の膜気泡12が断熱膨脹して更に大きな膜気泡12aに成長し周囲のインクを押し遣り、これによりインク吐出ノズル9からインク11aが押し出される。この押し出されたインク11aは、同図(d) に示すように、膜気泡12aの更なる膨張した膜気泡12bに押し出されてインク滴11bとなってインク吐出ノズル9から不図示の紙面に向けて吐出される。この後、通電がオフされ上記の成長した膜気泡12bが収縮し、ついには気泡が消滅し、次の発熱部4の加熱が待機される。この一連の工程は瞬時に行われる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したように、40μm程度の間隔で配置されている発熱部4を個別に区画している隔壁7bは、高さ幅ともに約10μm程度の寸法であって極めて微細なものである。このような微細構造の隔壁はマスクを用いてパターン化されるが、そのために隔壁の材料として感光性樹脂を用いるのが一般的である。中でも耐熱性に特に優れた感光性ポリイミドを用いることが多い。
【0011】
この感光性ポリイミドが基板上に積層されて隔壁が形成される場合、基板と感光性ポリイミドの密着強度は、感光性ポリイミドの骨格をになうカルボニル基の酸素と積層化の下地になる基板表面に存在する酸素との酸素同志の分子間力に依存することが判明しているが、他方の基板の下地層の大部分を構成している上記の個別配線電極5や給電共通電極6には、これらに接して流れるインクからの腐食を防ぐために、例えばAuのような不活性で安定且つ低抵抗の金属材料をAlやNiの電極の上から被覆して又は最初から電極として用いなければならない。そして、このような不活性金属には酸化膜が生成し難く上述した分子間力が働かないため感光性ポリイミドの密着強度が弱くなるという問題が発生する。
【0012】
この問題を解決すべく、つまり隔壁の密着強度を上げるために隔壁の幅を大きくすることも考えられているが、これであると近年益々市場の要望が強くなっている高解像度化の流れに逆行するという問題が発生する。
【0013】
また、このような問題ばかりでなく、上記の図8(a),(b) に示すサーマルインクジェットヘッドの構造は、図9(d) の動作状態図に示すように、膜気泡12bの膨張エネルギーは、櫛の歯状の隔壁7bによる区画の開口(インク流入口)側へ広がって散逸し、インク吐出ノズル9へ集中すべき加圧エネルギーの効率が低下してしまうという問題も有していた。
【0014】
図10は、その加圧エネルギー効率の低下の問題を解決すべく提案されているサーマルインクジェットヘッドの改良型の構成を模式的に示す平面図であり、同図(b) は(a) のB−B′断面矢視図である。同図(a),(b) に示すように、この構成は、櫛の歯状の隔壁7bによる区画の開口部であるインク流入口に孤立した形状の隔壁13を立設してこれを圧力溜めとする構造である。そして、この圧力溜めの隔壁13により、吐出時の加圧エネルギーがインク流入口方向に逃げるのを抑止されるのでインクの吐出性能が良好になるとしている。
【0015】
しかしながら、上記の圧力溜めの隔壁13は、周囲のいずれの構成からも孤立した状態で、キュア(乾燥硬化、焼成)の処理工程ではオリフィス板8も未だ積層されていないから隔壁13は孤島のようになっている。その上更に不活性金属の共通電極6上に設置されていることも重なって下地層との密着性も弱く、このため現像やキュアの際には容易に崩壊し易いという問題を有していた。また、この崩壊の問題は、圧力溜めの隔壁13に限らず、区画用の隔壁7bにおいてもその幅が約10μmと極めて狭いことに加えて上記の下地層との密着性の弱さが重なって同様に発生していた。
【0016】
本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、加圧エネルギー効率が良く且つ基板への隔壁の密着性が良くインクを長期にわたり安定して吐出できる信頼性の高いインクジェットプリンタヘッドの製造方法を提供することである。
【0017】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明のインクジェットプリンタヘッドの製造方法は、液体を加圧し所定方向に吐出させて記録媒体上に記録を行うインクジェットプリンタヘッドの製造方法であって、絶縁性基板上に発熱抵抗体と電極層を積層した後に夫々を所定形状にパターニングし、上記発熱抵抗体の発熱部となるべき部位の両端に配線電極が接続された複数の発熱素子を形成する工程と、少なくとも上記発熱素子を含む所定の領域に下地層を形成する工程と、少なくとも個々の上記発熱部を夫々囲繞し液体に圧力を加える複数の加圧室を区画形成する隔壁を上記下地層上に直接形成する工程と、上記絶縁性基板上に上記隔壁を介してオリフィス板を設置する工程と、上記オリフィス板の上記発熱部に対向する位置に上記液体を吐出させる吐出ノズルを穿設すると共に、上記下地層の上記吐出ノズルとの対向領域を除去して上記発熱部を露出させるドライエッチングによるノズル形成工程と、前記発熱部の露出後前記ドライエッチングを所定時間継続し、前記発熱部に凹部を形成する行程と、を有する。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図1(a),(b),(c) は、一実施の形態におけるインクジェットプリンタヘッドの製造方法を工程順に示す図であり、それぞれ一連の工程においてシリコンチップの基板上に形成されていく状態の概略の平面図と断面図を模式的に示している。尚、これらの図には、説明の便宜上、いずれもフルカラー用のインクジェットプリンタヘッドの1個の印字ヘッド(モノクロ用インクジェットヘッドの構成と同じ)のみを示しているが、実際には後述するように、このような印字ヘッドが複数個(通常は4個)連なった形状のものが、1個の基板(シリコンチップ)上に形成される。また、同図(c) には36個のオリフィスとしてのインク吐出ノズル44を示しているが、実際には64個、128個、256個等、設計上の方針によって多数形成されるものである。
【0022】
図2(a),(b),(c) は、上段に図1(a),(b),(c) の平面図をそれぞれ拡大して詳細に示しており、この図2(a),(b),(c) の中段には上段のC−C′断面矢視図(同図(a) 参照)を示し、下段には上段のD−D′断面矢視図(同図(a) 参照)示している。また、同図(a),(b),(c) の中段に示す断面図は、それぞれ図1(a),(b),(c) の下に示す断面図と同一のものである。尚、図2(a),(b),(c) には、図示する上での便宜上、64個、128個又は256個のインク吐出ノズルを、5個のインク吐出ノズルで代表させて示している。
【0023】
最初に、基本的な製造方法について説明する。先ず、工程1として、4インチ以上のシリコン基板にLSI形成処理により駆動回路とその端子を形成すると共に、厚さ1〜2μmの酸化膜(Si O2 )を形成し、次に、工程2として、薄膜形成技術を用いて、Ta(タンタル)−Si(シリコン)−O(酸素)からなる発熱抵抗体膜と、Ti−W等のバリア層を介在させてAuなどによる電極膜を順次積層形成する。そして、電極膜と発熱抵抗体をホトリソ技術によって夫々パターニングし、ストライプ状の発熱抵抗体膜上の発熱部とする領域の両側に配線電極が積層されたなる複数条の発熱素子が所定の間隔で平行に並設形成される。この工程で発熱部の位置が決められる。
【0024】
図1(a) 及び図2(a) は、上記の工程1及び工程2が終了した直後の状態を示している。すなわち、チップ基板20上には共通電極21、共通電極給電端子22(図1(a) 参照)、個別配線電極23、発熱抵抗体膜24(後述する図4(g)参照)をパターン化したことにより形成された多数の加圧エネルギー発生素子としての発熱部25、駆動回路26及び駆動回路端子27(図1(a) 参照)が形成されている。
【0025】
続いて、工程3として、個々の発熱部25に対応するインク供給路を形成すべく感光性ポリイミドなどの有機材料からなる隔壁部材をコーティングにより高さ20μm程度に形成し、これをフォトリソ技術によりパターン化した後に、300℃〜400℃の熱を30分〜60分加えるキュア(乾燥硬化、焼成)を行い、高さ10μm程度の上記感光性ポリイミドによる隔壁をチップ基板上に形成・固着させる。更に、工程4として、ウェットエッチングまたはサンドブラスト法などにより上記チップ基板の面に溝状の共通インク供給路を形成し、更にこの共通インク供給路に連通し基板下面に開口するインク給送孔を形成する。
【0026】
図1(b) 及び図2(b) は、上述の工程3及び工程4が終了した直後の状態を示している。すなわち、溝状の共通インク供給路28及びインク給送孔29が形成され、共通インク供給路28の左側に位置する共通電極21部分と、右方の個別配線電極23が配設されている部分、及び各発熱部25と発熱部25の間に、隔壁31(31、31−1、31−2)が形成されている。上記の隔壁31は、個別配線電極23上のインクシール隔壁31−1を櫛の胴とすれば、各発熱部25と発熱部25との間に伸び出す区画隔壁31−2は櫛の歯に相当する形状をなしている。これにより、この櫛の歯状の区画隔壁31−2を仕切り壁として、その歯と歯の間の付け根部分に発熱部25が位置する微細な区画部32が、発熱部25の数だけ形成される。
【0027】
この後、工程5として、ポリイミドからなる厚さ10〜30μmのフィルムのオリフィス板を、その片面に接着剤としての熱可塑性ポリイミドを極薄に例えば厚さ2〜5μmにコーテングし上記積層構造の最上層つまり隔壁の上に張り付けて290〜300℃で加熱しながら加圧してそのオリフィス板を固着させる。続いてNi、Cu又はAlなどの厚さ0.5〜1μm程度の金属膜を形成する。
【0028】
更に、工程6として、オリフィス板の上の金属膜をパターン化して、ポリイミドを選択的にエッチングするマスクを形成し、続いて、オリフィス板をヘリコン波などによるドライエッチングにより上記の金属膜マスクに従って31μmφ〜29μmφの孔明けをして多数のインク吐出ノズルを一括形成する。
【0029】
図1(c) 及び図2(c) は、上述した工程5と工程6が終了した直後の状態を示している。すなわち、オリフィス板33が共通給電端子22及び駆動回路端子27の部分を除く全領域を覆っており、区画隔壁31−2によって形成されている区画部32も上を覆われて隔壁31の厚さ(高さ)10μmに対応する高さの微細な坑房となって共通インク供給路28方向に開口を向けている。そして、これら区画部32の開口と共通インク供給路28とを連通させる高さ10μmのインク流路34が形成されている。
【0030】
そして、オリフィス板33には、発熱部25に対向する部分にオリフィス、つまりインク吐出ノズル35がドライエッチングによって形成されている。これにより、64個、128個又は256個のインク吐出ノズル35を1列に備えたモノカラーインクジェットヘッド、つまり単一印字ヘッド36が完成する。
【0031】
このようにオリフィス板33を張り付けて、その後で、下地のパターンつまり発熱部25の位置に合わせてインク吐出ノズル35を加工することは、予めインク吐出ノズル35を加工したオリフィス板33を張り合わせるよりも、遥かに生産性の高い実用性のある方法である。また、ドライエッチングによる場合は、マスクはNi、Cu、又はAlなどの金属膜を使うことで樹脂と金属膜との選択比が概略100程度得られる。したがって、29〜31μmのポリイミドフィルム及び後述する10μm程度の厚さの下地層をエッチングするには1μm以下の金属膜でマスクを形成することで十分である。
【0032】
ここまでが、シリコンウエハの状態で処理される。そして、最後に、工程7として、ダイシングソーなどを用いてシリコンウエハをスクライブラインに沿ってカッテングして、チップ基板単位毎に個別に分割し、実装基板にダイスボンデングし、端子接続して、実用単位のインクジェットプリンタヘッドが完成する。
【0033】
上記のように1列のインク吐出ノズル35を備えた単一印字ヘッド36はモノクロ用インクジェットヘッドの構成であるが、通常フルカラー印字においては、減法混色の三原色であるイエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)の3色に、文字や画像の黒部分に専用されるブラック(Bk)を加えて合計4色のインクを必要とする。したがって最低でも4列のノズル列が必要である。そして上述した製造方法によれば4列の単一印字ヘッド36をモノリシックに構成することは可能であり、各列の位置関係も今日の半導体の製造技術により正確に配置することが可能である。
【0034】
図3(a) は、上述の図1及び図2に示したチップ基板20、共通電極21、共通電極給電端子22、個別配線電極23、発熱部25、駆動回路26、駆動回路端子27、共通インク供給路28、インク供給孔29、隔壁31、区画部32、オリフィス板33、インク流路34、インク吐出ノズル35の各部を1組としてなる印字素子つまり単一印字ヘッド36を4列並べてフルカラーインクジェットプリンタヘッド38を構成した状態を示す図である。また、図3(b) は、同図(a) の単一印字ヘッド36が4列並んだ構成を分かり易く示すため、図1(a) に示した工程1〜工程2まで終了した状態のものを示している。
【0035】
この図3(a),(b) に示すように、フルカラーインクジェットプリンタヘッド38は、4個の単一印字ヘッド36(36a、36b、36c、36d)が並んで配置され、例えば共通インク供給路28aからYインクが単一印字ヘッド36aの個々の区画部32に供給され、共通インク供給路28bからMインクが単一印字ヘッド36bの個々の区画部32に供給され、共通インク供給路28cからCインクが単一印字ヘッド36cの個々の区画部32に供給され、そして、共通インク供給路28dからはBkインクが単一印字ヘッド36dの個々の区画部32に供給される。
【0036】
ところで、本発明においては上述した基本的な製造方法における工程3、工程5及び工程6において、発熱部近傍の構成並びにインク吐出ノズルの形成工程に特別の工夫が施され、特殊な製法が採用されている。以下、これについて説明する。
【0037】
図4(a) 〜(e) は、工程3における隔壁の特別の製法を示す図であり、同図(f) は、同図(e) の平面図、同図(g) は、同図(e) のE−E′断面矢視図であると共に同図(e) は同図(f) のF−F′断面矢視図である。尚、同図(f) にはオリフィス板33を透視的に示している。
【0038】
同図(a) に示すように、工程3では、先ず前工程で複数条の発熱素子が形成されているチップ基板20上全面に下地層41として感光性ポリイミドをコーティングする。感光性ポリイミドがチップ基板20上の不活性金属電極膜との密着性が弱いことは前述したが、このようにチップ基板20上全面にコーティングした場合には、発熱素子が形成されていない領域でシリコン基板に形成されているSi O2 膜と感光性ポリイミド膜とが強く密着していることもあって、前述したような不活性金属に対する密着性の弱さは全く問題にならない。
【0039】
次に、同図(b) に示すように、上記の下地層41の上に、隔壁31(図2(b) のインクシール隔壁31−1及び区画隔壁31−2参照)をフォトリソ技術によりパターン化する。
【0040】
続いて、サンドブラストによるインク供給路等の形成工程4を経た後、工程5において、同図(c) に示すように、上記隔壁31の上にオリフィス板33を積層して固着させた後、その上に金属膜を形成して、続く工程6において、同図(d) に示すように、上記オリフィス板33の上の金属膜をパターン化してオリフィス板33をエッチングする金属膜マスク42を形成する。
【0041】
この後、同図(e) に示すように、オリフィス板33をヘリコン波などのドライエッチング法により金属膜マスク42に従って孔明けして多数のインク吐出ノズル35を一括形成すると共に、引き続きそのままドライエッチングを行って、上記インク吐出ノズル35直下の下地層41にも孔明けして、同図(f) 及び同図(g) に示すように、発熱部25に対応する領域を除去して発熱部25を露出させる。
【0042】
本例では、ここで、インク吐出ノズル35の貫通と発熱部25の配置領域上の下地層41の除去後たとえば3分程の余裕をみてオーバエッチングを行う。本例で用いられるヘリコン波ドライエッチングによる場合、オリフィス板33や下地層41の如くポリイミド材に対しては、毎分1.5μm以上のエッチング速度が得られるが、Ta−Si−Oからなる発熱抵抗体層23に対しては、その1/75の毎分200Å程度のエッチング速度となる。従って、3分程度のエッチングにより、インク吐出ノズル35の直下に配置される発熱部25の中央部には600Åほどの凹みが形成される。つまり発熱抵抗体膜24の発熱部25の位置が部分的に薄くなってその抵抗値が増大する。
【0043】
この発熱部25を初期の厚さに対して1割又は2割薄く加工(オーバーエッチング)したときの抵抗値は、発熱部25とインク吐出ノズル35の大きさの関係に依存して変化する。例えば発熱部25の大きさが40μm口であり、これに対向するインク吐出ノズル35の径が30μmφである場合に、発熱部25を10%薄くする(つまり本例では400Å薄くする)と抵抗値が5%上昇し、20%薄く(800Å薄く)すると抵抗値が11%上昇することが判明している。
【0044】
また、発熱部25の大きさが同じ40μm口であっても、インク吐出ノズル35の径が35μmφである場合は、発熱部25を10%薄く(400Å薄く)すると抵抗値が8%上昇し、20%薄く(800Å薄く)すると抵抗値が15%上昇することも判明している。これによれば、初期値を200Ωに設定し、上記の発熱部25とインク吐出ノズル35の大きさの組み合わせを適宜に設定すれば241Ωから255Ωまで調整することができる。
【0045】
すなわち、このオーバーエッチングしたときの発熱部25の抵抗値の変化を測定・監視しながらエッチングを実行する制御装置を用い、共通電極21と1つの個別配線電極23間の発熱部25の抵抗値を制御装置によって監視(モニター)しながらエッチングを行うことによって、このドライエッチングが終了したときインク吐出ノズル35の形成及び発熱部25の配置領域上の下地層41の除去が完了し且つ露出した発熱部25の抵抗値を所望の値に合わせて一定に形成することができる。この場合、通常、複数の発熱部25間のエッチングバラツキは発生しないことが既に判明しているので、これを前提にして、抵抗値をモニターする発熱部25は1つで良い。
【0046】
上記のように、オリフィス板33のエッチングに連続して発熱部25を露出させるために下地層41にも続けてエッチングすることにより、下地層41に対するフォトリソによるパターニングの工程を省略することができ、したがって、このように基本構成に加えて下地層41を形成することによる工程数の増加は、図4(a) に示す下地層41を形成するために感光性ポリイミドをコーティングする作業だけである。
【0047】
上述した製造工程により得られる本実施形態例のインクジェットプリンタヘッドは、図4(e),(f),(g) に示されるように、隔壁31の全ての部分が下地層41上に直接立設された構成となっている。そして、発熱部25はその全周囲を下地層41に囲繞されている。従って、発熱部25が設けられている加圧室45へ通じるインク流路34は下地層41上に形成されており、インク流路34と発熱部25の間には下地層41の厚さに相当する段差が形成されている。ここで、隔壁31と下地層41の夫々の厚さの比は、略3:1程度が好適である。
【0048】
尚、発熱部25に近接する下地層41には耐熱性が高く解像度には多少劣る感光性樹脂もしくは非感光性の樹脂を用いるようにし、隔壁31にはフォトリソの解像度が良く耐熱温度の比較的低い感光性樹脂を用いるなど、材料の使い分けをすることができる。従来、隔壁を形成する樹脂材料には解像度と耐熱性及び基板への密着力など厳しい性能が要求され、設計に多様な制約を受けていたが、本発明を用いることにより、そのような制約が低減し設計の自由度が向上する。
【0049】
いずれにしても、上述のインクジェットプリンタヘッドの構造は、多数の各発熱部25の配設領域を除いてそれらの周囲には下地層41が敷設された形状となって、その下地層14の上に隔壁31が直接立設されている。
【0050】
このように、隔壁31は、自己の素材と同質のポリイミドからなる下地層41上に形成されるため、下地層41との密着性が極めて強く、したがって、キュアの工程で容易に崩壊することがなく、これにより、信頼性の高い隔壁を有するインクジェットプリンタヘッドを構成することができる。
【0051】
また、発熱部25は四方を下地層41によって囲繞され、竪穴坑房状に形成された加圧室45の底に配置されるように構成されている。これによって、この発熱部25は効率よく動作する。同図(f) のQ部拡大図である同図(h) に示されているように、本例では、発熱部25より一回り大きい面積に亙って下地層41が除去されており、従って、発熱部25の周囲の個別配線電極23及び共通電極21及びチップ基板20上の酸化膜が露出されている。これは、下地層41が発熱部25の熱により変形等の影響を受けることを防止するためである。従って、下地層41を耐熱性の高い材料で形成する場合は、発熱部25と下地層41間の上述した間隙は設けなくてもよい。
【0052】
なお、下地層41と隔壁31の材料の組合せとしては、上述したように同一種類の樹脂膜同士に限らず、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、無機物のシラノール等の組合せ或はこれらとポリイミド樹脂との組合せ等、種々の材料の組合せが可能である。また、下地層41の材料は、樹脂材料に限らず、無機絶縁膜や金属酸化膜等でもよい。即ち、下地層41の材料としては、隔壁31と密着性の良い種々の材料を適用可能である。
【0053】
図5(a) 〜(d) は、上記構成のフルカラーインクジェットプリンタヘッド38が発熱駆動されるときの動作状態を示す図であり、同図(a) は図4(g) に示した構成を再掲している。ただし図5(a) に示す実働時には、インク流路34にはインク43が常時供給されている。また、印字動作に先立つ目詰まり等の復元、或は単一印字ヘッドごとに供給するインクの色を変更するときなどには洗浄液が供給されることもある。
【0054】
先ず、ここで、画像情報に応じた通電により、発熱部25を発熱駆動すると、発熱部25上に極微の核気泡が発生しこの核気泡が合体して、同図(b) に示すように、膜気泡44が発生する。そして、同図(c) に示すように、上記の膜気泡44が断熱膨脹により更に大きな膜気泡44aに成長してその圧力によりインク吐出ノズル35からインク43aが押し出され、この押し出されたインク43aは、同図(d) に示すように、膜気泡44aの更に膨張した膜気泡44bの圧力によってインク滴43bとなってインク吐出ノズル35から不図示の紙面に向けて吐出される。
【0055】
このとき、同図(d) に示すように、加圧室45内で成長してきた膜気泡44bの膨張方向は、加圧室45の四方を囲繞する下地層41によって水平方向への膨張をはばまれ、垂直方向のインク吐出ノズル35方向へ集約される。これにより、発熱部25の発熱による加圧エンルギーは効率よくインク吐出ノズル35からのインク滴43bの吐出に集中して使用される。
【0056】
尚、本実施の形態においては、上述したように、オリフィス板33のエッチングに連続して下地層41もエッチングしているが、これに限ることなく、下地層41をフォトリソによりパターニングするようにしてもよい。
【0057】
図6(a) 〜(f) は、そのように下地層41をフォトリソによりパターニングして全体を形成する場合の工程を示す図である。同図(a),(b) は、チップ基板20上全面に下地層41をコーティングした後、発熱部25の配設領域のみを除去するようにフォトリソでパターニングした状態を示す図であり、同図(b) は同図(a) のG−G′矢視図を示している。
【0058】
この後、同図(c) に示すように、下地層41の上に隔壁31をパターニングし、その隔壁31の上に、同図(d) に示すように、オリフィス板33を積層し、そのオリフィス板33の上に金属膜マスク42を形成し、そして、その金属膜マスク42に従ってオリフィス板33をエッチングしてインク吐出ノズル35のみを形成する。
【0059】
このようにしても、図4(e),(f),(g) に示したと全く同様のインクジェットプリンタヘッド(図3(a) に示すフルカラーインクジェットプリンタヘッド38)を製造することがで、また、同様に、このフルカラーインクジェットヘッドは図5(a) 〜(d) に示したように動作する。
【0060】
尚、図4又は図6に示すいずれの製法においても、図10に示した圧力溜めの隔壁13と同様の圧力溜め隔壁を区画隔壁31−2と区画隔壁31−2の間の区画開口部の前に設けるようにしてもよい。
【0061】
図7は、そのように圧力溜め隔壁を区画隔壁31−2と区画隔壁31−2の間の区画開口部の前に設けた例を示す図である。同図に示すように圧力溜め隔壁31−3は、図10の場合と同様に孤立した島状の配置で形成されているが、この圧力溜め隔壁31−3が配置される部分の下は下地層41であり、共通電極21を形成している不活性金属は下地層41の下方に隠れている。
【0062】
したがって、従来問題となっていた基板表面への圧力溜め隔壁31−3の密着性の弱さについては解消されており、したがって、キュア時における崩壊の虞も解消さている。この構造を用いることにより、図5(d) に示した発熱部25の四方を取り巻く加圧室45の囲繞構造と、隔壁31のインクシール隔壁31−1及び区画隔壁31−2による区画部とそのインク流入口に立設する圧力溜め隔壁31−3の囲繞性により、図5(d) に示した膜気泡44bの加圧エネルギーはより一層垂直方向に集約されて、さらに良好な吐出性能が得られるようになる。
【0063】
尚、上記の例ではいずれも発熱部による発熱でインク滴を吐出するサーマルインクジェットプリンタヘッドについて説明したが、ピエゾ圧電抗素子の変形を利用してインクを加圧してインク滴を吐出する構成のインクジェットプリンタヘッドに適用することも可能である。
【0064】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、発熱部を除いて少なくともその周囲に隔壁との密着性の良い下地層を設けるので、従来問題となっていた配線電極材料の不活性金属と隔壁材料の感光性ポリイミドとの低い密着性に伴う隔壁の欠落・崩壊の問題が解消され、これにより、インクジェットプリンタヘッドの隔壁構造における信頼性が高められる。
【0065】
また、同様に隔壁の欠落・崩壊の虞が無いので、隔壁を小さくして高解像度化を促進することが可能となり、市場の高解像度の要請に対応したインクジェットプリンタヘッドの提供が可能となる。
【0066】
さらに、発熱部の配設領域が下地層によって四方を囲繞されるので、吐出エネルギーを垂直方向のインク吐出ノズルに集約させることができ、これにより、吐出エネルギーを有効に利用することができて経済的である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a),(b),(c) は一実施の形態におけるインクジェットプリンタヘッドの製造方法を工程順に示す図である。
【図2】 (a),(b),(c) は上段は図1(a),(b),(c) の平面図をそれぞれ拡大して詳細に示す図、中段は上段のC−C′断面矢視図、下段は上段のD−D′断面矢視図である。
【図3】 (a) は単一印字ヘッドを4列並べて構成したフルカラーインクジェットプリンタヘッドを示す図、(b) は(a) の構成を分かり易く示すため工程1〜工程2まで終了した状態のものを示す図である。
【図4】 (a) 〜(e) は本発明の隔壁の製法を示す図、(e) は(f) のF−F′断面矢視図、(f) は(e) の平面図、(g) は(e) のE−E′断面矢視図、(h) はQ部の拡大詳細図である。
【図5】 (a) 〜(d) はフルカラーインクジェットプリンタヘッドが発熱駆動されるときの発熱部の動作状態を示す図である。
【図6】 (a) 〜(f) は下地層をフォトリソによりパターニングして全体を形成する場合の工程を示す図である。
【図7】圧力溜め隔壁を区画隔壁と区画隔壁の間の区画開口部の前に設けた例を示す図である。
【図8】 (a) は従来のサーマルインクジェットヘッドの概略の構成を模式的に示す平面図、(b) は(a) のA−A′断面矢視図である。
【図9】 (a) 〜(d) は従来のサーマルインクジェットヘッドが発熱駆動されるときの動作状態を示す図である。
【図10】 (a) は従来のサーマルインクジェットヘッドの改良型の構成を模式的に示す平面図、(b) は(a) のB−B′断面矢視図である。
【符号の説明】
1 サーマルインクジェットヘッド
2 チップ基板
3 発熱抵抗体
4 発熱部
5 個別配線電極
6 給電共通電極
7、7a、7b 隔壁
8 オリフィス板
9 インク吐出ノズル(オリフィス)
10 インク通路
11、11a インク
11b インク滴
12、12a、、12b 膜気泡
13 圧力溜めの隔壁
20 チップ基板
21 共通電極
22 共通電極給電端子
23 個別配線電極
24 発熱抵抗体膜
25 発熱部
26 駆動回路
27 駆動回路端子
28(28a、28b、28c、28d) 共通インク供給路
29 インク給送孔
31 隔壁
31−1 インクシール隔壁
31−2 区画隔壁
31−3 圧力溜め隔壁
32 区画部
33 オリフィス板
34 インク流路
35 インク吐出ノズル
36(36a、36b、36c、36d) 単一印字ヘッド
38 フルカラーインクジェットプリンタヘッド
41 下地層
42 金属膜マスク
43、43a インク
43b インク滴
44、44a、44b 膜気泡
45 竪穴坑房
Claims (1)
- 液体を加圧し所定方向に吐出させて記録媒体上に記録を行うインクジェットプリンタヘッドの製造方法であって、
絶縁性基板上に発熱抵抗体と電極層を積層した後に夫々を所定形状にパターニングし、前記発熱抵抗体の発熱部となるべき部位の両端に配線電極が接続された複数の発熱素子を形成する工程と、
少なくとも前記発熱素子を含む所定の領域に下地層を形成する工程と、
少なくとも個々の前記発熱部を夫々囲繞し液体に圧力を加える複数の加圧室を区画形成する隔壁を前記下地層上に直接形成する工程と、
前記絶縁性基板上に前記隔壁を介してオリフィス板を設置する工程と、
前記オリフィス板の前記発熱部に対向する位置に前記液体を吐出させる吐出ノズルを穿設すると共に、前記下地層の前記吐出ノズルとの対向領域を除去して前記発熱部を露出させるドライエッチングによるノズル形成工程と、
前記発熱部の露出後前記ドライエッチングを所定時間継続し、前記発熱部に凹部を形成する行程と、
を有することを特徴とするインクジェットプリンタヘッドの製造方法。
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