| 【発明の名称】 |
インクジェットヘッド |
| 【発明者】 |
【氏名】鈴木 博幸
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| 【要約】 |
【課題】金属イリジウム自身の持つ耐キャビテーション性、電気化学的安定性、耐熱性、耐熱衝撃性を確保しながら、コゲが付着しにくい表面性が得られるような耐キャビテーション膜を提案する。
【構成】インクを吐出するために利用される熱エネルギーを通電によって発生する発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に接続される電極とを有する電気熱変換体が具備されるインクジェットヘッドにおいて、 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクを吐出するために利用される熱エネルギーを通電によって発生する発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に接続される電極とを有する電気熱変換体が具備されるインクジェットヘッドにおいて、
前記抵抗体上に耐キャビテーション保護膜が具備されており、
該耐キャビテーション保護膜がイリジウムとフッ素からなることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】
前記耐キャビテーション保護膜におけるフッ素の含有量が、全体に占める原子数比で３％以上２０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】
インク吐出エネルギー発生素子が電気エネルギーを与えることによって発熱し、インクに状態変化を生ぜしめて吐出を行わせるための電気熱変換体であることを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。
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【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐キャビテーション性、電気化学的安定性、耐熱性、耐熱衝撃性等に優れ、かつインクコゲが付着しにくい保護膜を有するインクジェットヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第４７２３１２９号公報（特許文献１）あるいは米国特許第４７４０７９６号公報（特許文献２）に開示されているインクジェット記録方式は、高速、高密度で高精度、高画質の記録が可能で、かつカラー化、コンパクト化に適している。
【０００３】
このインクジェット記録方式を用いる、熱エネルギーを利用してインクを発泡させて記録媒体にインクを吐出する記録ヘッドは、インクを発泡させるための発熱抵抗体とインクを吐出させるためのノズルを主な構成要素としている。
【０００４】
一般的構成としては、この発熱抵抗体とこれに電気的接続を行う配線とを同一基板上に作製してインクジェット記録ヘッド用基板とし、さらにその上にノズルを形成する。
【０００５】
そして、このインクジェット記録ヘッド用基板は、一方では投入する電気エネルギーの省力化、他方ではインクの発泡にともなう機械的ダメージおよび熱パルスによる発熱部の破壊による基板の寿命の低下を防ぐために、様々な工夫がなされている。
【０００６】
とりわけ一対の配線パターンの間に位置する発熱部を有する発熱抵抗体をインクから保護する耐キャビテーション膜については、多くの工夫がなされている。
【０００７】
この耐キャビテーション膜は、熱効率から見ると、熱伝導率の高いもの、あるいは薄い方が有利である。
【０００８】
ところが一方で、耐キャビテーション膜は、発熱体に接続する配線をインクから守るという役目があり、信頼性の観点から膜の欠陥の発生を抑えるためには膜厚の厚い方が有利である。このように膜厚に関して相反する熱効率と信頼性の観点との両方を考慮して、最適の膜厚に設定している。
【０００９】
ただし、耐キャビテーション膜はインクの発泡によるキャビテーションダメージすなわち機械的ダメージと、発泡後の高温の膜表面とインク成分との化学反応によるダメージとの両方の影響を受ける。
【００１０】
このため、実際には配線を守るための絶縁性の膜と、機械的、化学的ダメージに安定な膜の両立が難しい。
【００１１】
このことからインクジェット用基板の保護膜の構成は上層にインクの発泡による機械的および化学的ダメージに対して安定性の高い膜を形成し、下層は配線を守るための絶縁性の膜を形成することが一般的である。
【００１２】
具体的には上層には機械的、化学的安定性の極めて高い膜であるＴａ膜、下層には、既存の半導体製造装置で安易に安定な膜が形成できるＳｉＮ膜やＳｉＯ膜を形成することが一般的である。
【００１３】
詳述すると、配線上に保護層としてＳｉＮ膜を約０．２μｍ以上１μｍ以下の厚さに形成し、そのあとに上層の保護膜、一般的にはそのキャビテーションダメージに対する膜としてＴａ膜を０．２μｍ以上０．５μｍ以下の厚さに形成する。
【００１４】
この構成によってインクジェット用基板の発熱抵抗体の寿命および信頼性の両立を図っている。
【００１５】
また上記のような機械的、化学的ダメージの他に、発熱部では、インクに含まれる色材および含有物などが高温加熱によって分子レベルで分解され、難溶性の物質になり、上層の保護膜である耐キャビテーション膜上に物理吸着する現象が発生する。
【００１６】
この現象はコゲーション（以下、「コゲ」と称す）と呼ばれている。
【００１７】
このように、耐キャビテーション膜上に難溶性の有機物や無機物が吸着すると、発熱抵抗体からインクへの熱伝導が不均一となり、発泡が不安定となる。
【００１８】
このため、発熱部における耐キャビーション膜上にコゲが発生しない必要があるが、この対策についてはまだ完璧に出来ていない。
【００１９】
（以下、耐キャビテーション膜は＜耐キャビ膜＞とも称す）。
【特許文献１】米国特許第４７２３１２９号公報
【特許文献２】米国特許第４７４０７９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
これまで本発明者らのインクのコゲに関する研究により、耐キャビ膜に求められる物性として表面エネルギーの小さい材料が有効であることがわかってきた。
【００２１】
すなわち耐キャビ膜には耐キャビテーション性、電気化学的安定性、耐熱性、耐熱衝撃性、低表面エネルギーのすべてを満足する材料が最も良いのである。
【００２２】
耐キャビテーション性、電気化学的安定性、耐熱性、耐熱衝撃性の観点から言えばイリジウム（Ｉｒ）が最も優れた材料であることはすでに特開平０５−２５４１２２号公報でも開示されている。
【００２３】
しかし、イリジウム単独の材料では、インクのコゲの問題に対しては満足のできるものではなかった。この原因としては、イリジウムは電気化学的安定性が高いためインクにはほとんど反応しない。そのため、膜の損傷等がないため、発熱によりインク中の染料が膜表面に付着したコゲも、剥離しないで膜上に蓄積される。
【００２４】
このコゲは剥離しないため耐キャビ膜上の温度が十分上がらなくなってしまい、その結果インクの吐出が停止する不良が頻発する。
【００２５】
ところで、一般的に金属材料の表面エネルギーは高く、イリジウムも同様に表面エネルギーは高い。
【００２６】
表面エネルギーの高い材料では、水が主成分であるインクが非常に濡れやすく、そのためインクのコゲ自体も表面に付着しやすく、さらに一回付着したコゲは非常に強く付着することが分かっている。
【００２７】
このことを回避するためには、イリジウムの表面エネルギーを低下させる材料を添加することで解決できることが本発明者の研究の結果分かってきた。
【００２８】
本発明が解決しようとする課題は、Ｉｒ自身の持つ耐キャビテーション性、電気化学的安定性、耐熱性、耐熱衝撃性を確保しながら、コゲが付着しにくい表面性が得られるような耐キャビテーション膜を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
上記目的を達成するために本発明では、インクを吐出するために利用される熱エネルギーを通電によって発生する発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に接続される電極とを有する電気熱変換体が具備されるインクジェットヘッドに以下に示す特徴を持たせた。
【００３０】
具体的には、前記抵抗体上に耐キャビテーション保護膜が具備されており、
該耐キャビテーション保護膜がイリジウムとフッ素からなることである。
【発明の効果】
【００３１】
本発明による耐キャビテーション保護膜を採用することにより、耐キャビテーション性、電気化学的安定性、耐熱性、耐熱衝撃性に優れた材料でありかつインクのコゲが剥離しやすいヘッドの可能性が判明した。
【００３２】
このことによりインクジェットヘッドの寿命が大幅に長くなり、またインクジェットヘッドの特性安定性の向上および信頼性の向上が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
Ｉｒは、耐キャビテーション性、電気化学的安定性、耐熱性、耐熱衝撃性から優れた材料であることはわかっていたが、インクのコゲに対しては対策できなかった。本発明ではこの点に注目して、Ｉｒの表面エネルギーを減少させる方法としてＩｒにＦを添加することを見出した。
【００３４】
ここで、Ｆを添加して表面エネルギーを減少させようとした時、添加量が少なければ表面エネルギーを減少させることが出来ない。またＦの添加量を多くした場合には、Ｉｒ自身の耐キャビテーション性、電気化学的安定性、耐熱性、耐熱衝撃性など、金属Ｉｒの持つ様々な特性が劣化する。すなわちこれらの問題を解決するためには、最適なＦ添加量があることが判明した。
【００３５】
実際の検討の結果、Ｆの添加量としては全体に占める原子数比で３％以上２０％以下であることが最適であることが分かった。なお、保護膜は、特定の定められた原子比のＩｒとＦとからなるが、通常の成膜方法によって混入する不純物については、原子数比算出にあたって無視できるものとする。（以下、全体に占める原子数比のパーセンテージを単にａｔ％とも表記する。）以下に詳述する。
【００３６】
本発明による耐キャビテーション保護膜は、熱エネルギーを用いてインクを吐出する方式のインクジェットヘッドであればいかなる形態のものにも使用しうる。代表的なインクジェットヘッドの構成を図１及び図２に示す。この構成の場合、図２に示された２００７が耐キャビテーション保護膜である。
【００３７】
本発明では，すでに特開２００５−２０５８９１号公報及び特開２００５−３１４８０２号公報において提案している評価方法によりコゲの付着性について評価した。
【００３８】
まず耐キャビ膜を成膜したＳｉ基板を準備する。このときＳｉ基板のサイズとしては２０ｍｍから３０ｍｍ角程度が望ましい。この基板上にインクを滴下しておく。
【００３９】
このインクが滴下された基板をあらかじめ温度を３５０℃〜４００℃に昇温された大気マッフル炉（ヤマト科学製ＦＰ−１００）の中に投入する。インクは急激に加熱されるために、投入直後に発泡し周りに飛散してコゲが耐キャビ膜上に付着する。
【００４０】
実際のインクジェットヘッドでは、非常に短い電気パルスを抵抗体に印加することで、抵抗体が発熱しその熱が耐キャビ膜に伝わり、インクが発泡する。
【００４１】
通常の印加条件では１００万パルス程度印加すると耐キャビ膜上にコゲが生成され始める。このように実際のインクジェットヘッドでは微小時間に電力が印加され、その繰り返しで徐々にコゲが生成されていると考えて良い。
【００４２】
３０μｍ□程度のヒーターサイズであればこのように電気的なパルス印加で抵抗体が発熱し、さらにその熱が耐キャビ膜に伝わって、インクの発泡現象を起こすことが可能である。
【００４３】
しかしながら、今回はコゲの評価をするためにもサンプルサイズは２０ｍｍ〜３０ｍｍ角が必要であり、このような場合はヒーターサイズを大きくしても、電気パルスを印加してインクが発泡する程度まで発熱させることは非常に難しい。
【００４４】
このことから、実際のインクジェットヘッドでのこのような発熱現象を再現するため、昇温と温度維持の特性の双方に工夫を加えた。
【００４５】
まず、実際のインクジェットヘッドの迅速な昇温を再現するために、基板として熱伝導率の比較的高いＳｉを採用した。このことで耐キャビ膜自体の昇温速度も速いものとなった。
【００４６】
また、マッフル炉は熱容量が非常に大きく、サンプルサイズが２０ｍｍ〜３０ｍｍ角と大きなものを入れても温度の一定性が保たれる。これをあらかじめインク発泡する温度であると考えられる３５０℃〜４００℃に保つことで実ヘッドの状況が再現できた。
【００４７】
具体的には、インクがマッフル炉投入直後に発泡することが確認できており、従って、この方法で生成したコゲが実ヘッドで生成したものと近い状態のものである事は、容易に予想することができる。
【００４８】
この評価方法で生成されたコゲは、１回のインク発泡によるものだけでなく、同一プロセスを数回繰り返して作成した場合でも、対応する実際のインクジェットヘッドでのコゲと同等になると考えられる。
【００４９】
最終的に生成されたコゲについて構造分析した結果、両方の結果が同等であると判定できたので、この方法で生成されたコゲの評価結果をもって実ヘッドで生成されたコゲについての評価結果とすることが可能である。
【実施例１】
【００５０】
コゲの付着性についての評価用サンプルとしてはスパッタ法によりＦ添加Ｉｒ膜を成膜して、膜厚は３００ｎｍとした。
【００５１】
ここでスパッタ条件としては、Ａｒ：１８．５ｍｌ／ｍｉｎ（Ｎｏｒｍａｌ） Ｆ2：１．５ｍｌ／ｍｉｎ（Ｎｏｒｍａｌ） ターゲットパワー：１５０Ｗ で成膜した。
【００５２】
この膜について組成分析を行った結果Ｉｒ：９７ａｔ％ Ｆ：３ａｔ％が得られた。
【００５３】
このときＳｉ基板のサイズとしては３０ｍｍ角を使用した。この基板上にインクを滴下しておく。インクはキヤノン株製のＢＣＩ−７ｅＢＫインクカートリッジに収納されているものを使用した。
【００５４】
このインクが滴下された基板をあらかじめ温度を３７５℃に昇温された大気マッフル炉（ヤマト科学製ＦＰ−１００）の中に投入する。
【００５５】
インクは急激に加熱されるために、投入直後に発泡し周りに飛散してコゲが耐キャビ膜上に付着する。この作業を３回繰り返した後、耐キャビ膜上のコゲをセロハンテープ（ニチバン製・セロテープ（登録商標））で剥離評価を行った。
【００５６】
その結果、コゲの面積として約５０％程度剥離することが分かった。
【実施例２】
【００５７】
コゲの付着性についての評価用サンプルとしてはスパッタ法によりＦ添加Ｉｒ膜を成膜して、膜厚は３００ｎｍとした。
【００５８】
ここでスパッタ条件としては、Ａｒ：１６．５ｍｌ／ｍｉｎ（Ｎｏｒｍａｌ） Ｆ2：３．５ｍｌ／ｍｉｎ（Ｎｏｒｍａｌ） ターゲットパワー：１５０Ｗ で成膜した。
【００５９】
この膜について組成分析を行った結果Ｉｒ：８８ａｔ％ Ｆ：１２ａｔ％が得られた。
【００６０】
このときＳｉ基板のサイズとしては３０ｍｍ角を使用した。この基板上にインクを滴下しておく。インクはキヤノン株製のＢＣＩ−７ｅＢＫインクカートリッジに収納されているものを使用した。
【００６１】
このインクが滴下された基板をあらかじめ温度を３７５℃に昇温された大気マッフル炉（ヤマト科学製ＦＰ−１００）の中に投入する。
【００６２】
インクは急激に加熱されるために、投入直後に発泡し周りに飛散してコゲが耐キャビ膜上に付着する。この作業を３回繰り返した後、耐キャビ膜上のコゲをセロハンテープ（ニチバン製・セロテープ（登録商標））で剥離評価を行った。
【００６３】
その結果、コゲの面積として約７０％程度剥離することが分かった。
【実施例３】
【００６４】
コゲの付着性についての評価用サンプルとしてはスパッタ法によりＦ添加Ｉｒ膜を成膜して、膜厚は３００ｎｍとした。
【００６５】
ここでスパッタ条件としては、Ａｒ：１４．５ｍｌ／ｍｉｎ（Ｎｏｒｍａｌ） Ｆ2：５．５ｍｌ／ｍｉｎ（Ｎｏｒｍａｌ） ターゲットパワー：１５０Ｗ で成膜した。
【００６６】
この膜について組成分析を行った結果Ｉｒ：８０ａｔ％ Ｆ：２０ａｔ％が得られた。
【００６７】
このときＳｉ基板のサイズとしては３０ｍｍ角を使用した。 この基板上にインクを滴下しておく。インクはキヤノン株製のＢＣＩ−７ｅＢＫインクカートリッジに収納されているものを使用した。
【００６８】
このインクが滴下された基板をあらかじめ温度を３７５℃に昇温された大気マッフル炉（ヤマト科学製ＦＰ−１００）の中に投入する。
【００６９】
インクは急激に加熱されるために、投入直後に発泡し周りに飛散してコゲが耐キャビ膜上に付着する。この作業を３回繰り返した後、耐キャビ膜上のコゲをセロハンテープ（ニチバン製・セロテープ（登録商標））で剥離評価を行った。
【００７０】
その結果、コゲの面積として約８０％程度剥離することが分かった。
（比較例１）
【００７１】
コゲの付着性についての評価用サンプルとしてはスパッタ法によりＩｒ膜を成膜して、膜厚は３００ｎｍとした。
【００７２】
ここでスパッタ条件としては、Ａｒ：２０．０ｍｌ／ｍｉｎ（Ｎｏｒｍａｌ）ターゲットパワー：１５０Ｗ で成膜した。
【００７３】
このときＳｉ基板のサイズとしては３０ｍｍ角を使用した。この基板上にインクを滴下しておく。インクはキヤノン株製のＢＣＩ−７ｅＢＫインクカートリッジに収納されているものを使用した。
【００７４】
このインクが滴下された基板をあらかじめ温度を３７５℃に昇温された大気マッフル炉（ヤマト科学製ＦＰ−１００）の中に投入する。インクは急激に加熱されるために、投入直後に発泡し周りに飛散してコゲが耐キャビ膜上に付着する。
【００７５】
この作業を３回繰り返した後、耐キャビ膜上のコゲをセロハンテープ（ニチバン製・セロテープ（登録商標））で剥離評価を行った。その結果、コゲは剥離しなかった。
（比較例２）
【００７６】
コゲの付着性についての評価用サンプルとしてはスパッタ法によりＴａ膜を成膜して、膜厚は３００ｎｍとした。
【００７７】
ここでスパッタ条件としては、Ａｒ：２０．０ｍｌ／ｍｉｎ（Ｎｏｒｍａｌ） ターゲットパワー：２００Ｗ で成膜した。
【００７８】
このときＳｉ基板のサイズとしては３０ｍｍ角を使用した。この基板上にインクを滴下しておく。インクはキヤノン株製のＢＣＩ−７ｅＢＫインクカートリッジに収納されているものを使用した。
【００７９】
このインクが滴下された基板をあらかじめ温度を３７５℃に昇温された大気マッフル炉（ヤマト科学製ＦＰ−１００）の中に投入する。インクは急激に加熱されるために、投入直後に発泡し周りに飛散してコゲが耐キャビ膜上に付着する。
【００８０】
この作業を３回繰り返した後、耐キャビ膜上のコゲをセロハンテープ（ニチバン製・セロテープ（登録商標））で剥離評価を行った。その結果、コゲは剥離しなかった。
（比較例３）
【００８１】
コゲの付着性についての評価用サンプルとしてはスパッタ法によりＦ添加Ｔａ膜を成膜して、膜厚は３００ｎｍとした。
【００８２】
ここでスパッタ条件としては、Ａｒ：１８．５ｍｌ／ｍｉｎ（Ｎｏｒｍａｌ） Ｆ2：２．０ｍｌ／ｍｉｎ（Ｎｏｒｍａｌ） ターゲットパワー：２００Ｗ で成膜した。
【００８３】
この膜について組成分析を行った結果Ｔａ：９７ａｔ％ Ｆ：３ａｔ％が得られた。
【００８４】
このときＳｉ基板のサイズとしては３０ｍｍ角を使用した。この基板上にインクを滴下しておく。インクはキヤノン株製のＢＣＩ−７ｅＢＫインクカートリッジに収納されているものを使用した。
【００８５】
このインクが滴下された基板をあらかじめ温度を３７５℃に昇温された大気マッフル炉（ヤマト科学製ＦＰ−１００）の中に投入する。
【００８６】
インクは急激に加熱されるために、投入直後に発泡し周りに飛散してコゲが耐キャビ膜上に付着する。この作業を３回繰り返した後、耐キャビ膜上のコゲをセロハンテープ（ニチバン製・セロテープ（登録商標））で剥離評価を行った。その結果、コゲは剥離しなかった。
【００８７】
このように、Ｉｒと異なり、Ｔａの場合には、Ｆ添加の効果は確認されなかった。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】インクジェットヘッドの基体を示す概略平面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ′の一点鎖線で基体を垂直に切断したときの基板の断面図である。
【符号の説明】
【００８９】
１００１ 吐出口
１００２ 電気熱変換素子
１００３ インク流路
１００４ 基板
１００５ 発熱抵抗体
１００６ 電極配線
１００７ 絶縁膜
１００８ 流路壁
１００９ 共通液室
２０００ 基体
２００１ シリコン基板
２００２ 蓄熱層
２００３ 層間膜
２００４ 発熱抵抗層
２００５ 金属配線
２００６ 保護層
２００７ 耐キャビテーション膜
２００８ 熱作用部
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００１００７
【氏名又は名称】キヤノン株式会社
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| 【出願日】 |
平成１８年７月１４日（２００６．７．１４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１２３７８８
【弁理士】
【氏名又は名称】宮崎 昭夫
【識別番号】１００１０６１３８
【弁理士】
【氏名又は名称】石橋 政幸
【識別番号】１００１２７４５４
【弁理士】
【氏名又は名称】緒方 雅昭
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| 【公開番号】 |
特開２００８−１８６６８（Ｐ２００８−１８６６８Ａ） |
| 【公開日】 |
平成２０年１月３１日（２００８．１．３１） |
| 【出願番号】 |
特願２００６−１９４０５５（Ｐ２００６−１９４０５５） |
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