JP2003011372A - サーマルインクジェットプリントヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】キャビテーション耐性に優れ且つ発熱効率の良
い発熱抵抗体を備えたサーマルインクジェットプリント
ヘッドを提供する。 【解決手段】発熱部２０はチップ基板２１の基板面に接
する下地高抵抗層２２と、これに密着する発熱抵抗層２
３とで形成される。下地高抵抗層２２はＴａ−Ｓｉ−
Ｏ、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、Ｔａ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ又はＴ
ａ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎのいずれかで形成され、発熱抵
抗層２３も同様の組成で形成される。下地高抵抗層２２
の抵抗値Ｒ２は発熱抵抗層２３の抵抗値Ｒ１と「Ｒ２≧
Ｒ１×１０」の関係にあり電流は殆ど流れず、薄い発熱
抵抗層２３のみが発熱するので発熱効率がよい。また、
双方ともに組成成分が同一であるので密着力が強力であ
り且つ双方の厚さｄ２及びｄ１を合わせた厚さが「ｄ１
＋ｄ２≧４０００Å」となるように構成されているので
キャビテーション耐性に優れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、キャビテーション
耐性に優れて且つ発熱効率の低下しない発熱抵抗体を備
えたサーマルインクジェットプリントヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、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のプ
リンタに用いられる印字ヘッドには、インクを加熱し気
泡を発生させてその圧力でインク滴を飛ばすサーマル方
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の印字ヘッドがある。

【０００３】これらは、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し印字を行うから、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、騒音がきわめて低いので、特にパーソ
ナル用プリンタの印字ヘッドとして広く用いられてい
る。

【０００４】上記のサーマル方式の印字ヘッドは、サー
マルインクジェットプリントヘッドと呼ばれており、イ
ンク滴の吐出方向により二通りの構成がある。一つは発
熱素子の発熱面に平行な方向へインク滴を吐出する構成
のサイドシュータ型と呼ばれているものであり、他の一
つは発熱素子の発熱面に垂直な方向にインク滴を吐出す
る構成のルーフシュータ型と呼ばれているものである。
このルーフシュータ型のサーマルインクジェットプリン
トヘッドは、サイドシュータ型に比較して、消費電力が
極めて小さく経済的であることが知られている。

【０００５】図５(a) は、そのようなルーフシュータ型
のインクジェットプリンタに配設されるサーマルインク
ジェトプリントヘッドのインク吐出面を模式的に示す平
面図であり、同図(b) は、そのＡ−Ａ′断面矢視図、同
図(c) は、その内部構造を透視的に示す拡大平面図であ
る。

【０００６】同図(a),(b),(c) に示すサーマルインクジ
ェットプリントヘッド（以下、単に印字ヘッドという）
１は、不図示のシリコンウエハ上に多数区画されたチッ
プ基板２の上で、ＬＳＩ形成処理技術と薄膜形成処理技
術とにより形成され、完成後にシリコンウェハから個々
に切り出されて採取される。

【０００７】同図(a) に示すように、印字ヘッド１のイ
ンク吐出面には、イエロー、マゼンタ、シアン及びブラ
ックの４種類のインクを吐出するための４列のノズル列
３が形成されている。１列のノズル列３には、例えばこ
の印字ヘッド１が６００ドット／２５．４ｍｍの解像度
であれば、多数のノズル４が４２．３μｍの配列ピッチ
で縦１列に並んで配置されている。これらの各ノズル列
３には不図示のインクカートリッジ等から各ノズル列３
に対応する色のインクが夫々供給される。

【０００８】この印字ヘッド１の内部構造は、同図(b),
(c) に示すように、チップ基板２上に、ＬＳＩからなる
駆動回路５と薄膜からなる発熱抵抗体６が形成され、こ
の発熱抵抗体６の一方の端部と駆動回路５を結ぶ個別配
線電極７が形成され、更に発熱抵抗体６の他方の端部と
給電用端子８（同図(a) 参照）とを接続する共通電極９
が形成されている。そして、これらの上に隔壁１１（１
１ａ、１１ｂ、１１ｃ）が積層されている。上記の発熱
抵抗体６と個別駆動電極７は、それぞれ後から形成され
るノズル列３のノズル４の数だけ配設される。

【０００９】そして、この発熱抵抗体６の配置方向と平
行に延在するインク供給溝１２と、このインク供給溝１
２に連通してチップ基板２の下面に貫通するインク供給
孔１３が穿設され、これらの上からオリフィス板１４
が、隔壁１１上に接着されて積層されている。このオリ
フィス板１４の積層により、隔壁１１の厚さに対応する
高さおよそ１０μｍのインク流路１５が、発熱抵抗体６
とインク供給溝１２間に形成される。この後、オリフィ
ス板１４に、インクを吐出する上述のノズル４が形成さ
れる。

【００１０】この印字ヘッド１は、印字の際には、外部
のインクカートリッジ等から発熱抵抗体６に、インク供
給孔１３、インク供給溝１２及びインク流路１５を介し
てインクが供給される。駆動回路５は、画像情報に応じ
て複数の発熱抵抗体６を選択的に通電して、インクとの
界面に急激に膨張し消滅する膜気泡現象を発生させ、そ
の膨張時の圧力で、インク滴をノズル４から用紙面に向
かって吐出させる。

【００１１】図６(a),(b),(c) は、上記印字ヘッド１の
基本的なインク吐出動作を示す図である。同図には、図
５(a),(b),(c) に示した構成と同一の構成部分には図５
(a),(b),(c) と同一の番号を付与して全体を簡略に示し
ている。先ず、図６(a) に示す待機状態において、外部
からインク流路１５に供給されているインク１６は、ノ
ズル４内に入り込み、オリフィス板１４の上面に沿った
ノズル４の上部開口でメニスカス１６ａを形成してい
る。

【００１２】次に、このノズル４からインク１６を吐出
させるには、上述したように画像情報に応じた通電によ
り発熱抵抗体６を発熱させて、同図(b) に示すように、
発熱抵抗体６上に膜気泡１７を発生させる。この膜気泡
１７は最初に発生した多数の核気泡がが合体して形成さ
れたものである。

【００１３】この膜気泡１７が断熱膨張して成長し周囲
のインク１６を押し遣り、これによりノズル４からイン
ク１６ｂが押し出され、更にこの押し出されたインク１
６ｂが、同図(c) に示すように、インク滴１６ｃとなっ
てノズル４から不図示の記録媒体に向けて吐出される。
この後、上記の成長した膜気泡は周囲のインクに熱を取
られて収縮して、ついには消滅する。インク滴１６ｃが
飛び出した直後のインク１６は、ノズル４の底部でメニ
スカス１６ａを形成しているが、このメニスカス１６ａ
はインク１６が外部からインク流路１５に補充されるこ
とにより、ノズル４内を上昇して、同図(a) の基準待機
状態に復元される。

【００１４】図７(a),(b) は、上記のインク滴の吐出に
係る気泡の成長と消滅の過程を模式的に示す図である。
同図(a) は実験的に水深１ｍｍ（ミリメータ）のオープ
ンプール１８に設定した発熱抵抗体６と、これによる気
泡の成長と消滅の過程を０〜６μｓ（マイクロ秒）ま
で、１μｓ毎に示している。また、同図(b) は発熱抵抗
体６への通電タイミングを示している。

【００１５】同図(a) に示すように、０〜１μｓで発熱
抵抗体６が加熱され、１〜２μｓで核気泡が成長し、２
μｓから３μｓに至る間に図６に示したインク滴１６ｃ
を吐出する気泡１７が発生し、３μｓでは既にその気泡
の収縮が始まっている。そして６μｓで気泡が消滅する
までの間に気泡内部の圧力が急激に低下し、同図の矢印
ａ−１、ａ−２、ａ−３で示すにように負圧を伴うキャ
ビテーションが発生する。このキャビテーションは、発
熱抵抗体６を設置面から引き剥がそうとする力として働
き、その衝撃力は、上記の水深１ｍｍのオープンプール
の場合、１０００ｔｏｎ／ｃｍ² に達すると言われてい
る。このような稼動環境下において、発熱抵抗体６は、
キャビテーションの衝撃により、やがて破壊される。

【００１６】一方、発熱抵抗体６の寿命確保は重要な課
題である。したがって、上記のキャビテーションの衝撃
によって発熱抵抗体６が破壊されるという不具合の発生
を極力防止する構成が考えられてきた。図８(a) は、従
来からの、つまりキャビテーション衝撃の破壊作用が明
らかになる以前の、発熱抵抗体の厚さを模式的に示す図
であり、同図(b) は、キャビテーション衝撃の破壊作用
に耐性を持たせるべく発熱抵抗体そのものを厚く形成し
た例を示す図である。同図(a) に示す発熱抵抗体６′の
厚さは、素材にもよるが、１０００Å〜５０００Å程度
に形成される。同図(b) の発熱抵抗体６″は、同図(a)
の発熱抵抗体６′の厚さを３倍近くの厚さに形成したも
のである。更に従来は、上記の例の他に、同図(a) に示
す発熱抵抗体６′の上に、例えば３０００Å程度の厚い
保護層を設けることも考えられていた。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、発熱抵
抗体そのものを厚く形成するのは、厚くなるのに応じて
発熱抵抗体の抵抗値が低下して発熱性能が低下する。発
熱性能が低下すれば、その低い発熱性能を補って所望の
発熱を得るために多大の電力を消耗する。したがって、
経済的でないという問題を有している。

【００１８】また、発熱抵抗体の上に厚い保護層を設け
るのは、厚い保護層を通してインクを加熱しなければな
らないためインク加熱のためのエネルギー効率が低下す
る。この場合も低下したエネルギー効率を補って所望の
加熱性能を得るために多大の電力を消耗する。したがっ
て、やはり経済的でないという問題を有している。

【００１９】本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、
キャビテーション耐性に優れ、発熱効率の良い発熱抵抗
体を備えたサーマルインクジェットプリントヘッドを提
供することである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】以下に、本発明に係わる
サーマルインクジェットプリントヘッドの構成を述べ
る。本発明のサーマルインクジェットプリントヘッド
は、基板表面に設けられた発熱抵抗体によりインクを加
熱して発生させた気泡の圧力により上記インクを所定方
向に吐出させて記録を行うサーマルインクジェットプリ
ントヘッドであって、上記基板面に接して下地高抵抗層
としてＴａＡＢ（但しＡはＳｉ又はＳｉ−Ａｌ、ＢはＯ
又はＯ−Ｎ）を設け、その上層に発熱抵抗層としてＴａ
ＡＢ（但しＡはＳｉ又はＳｉ−Ａｌ、ＢはＯ又はＯ−
Ｎ）を設け、上記下地高抵抗層の抵抗値をＲ２とし上記
発熱抵抗層の抵抗値をＲ１としたとき「Ｒ１×１０≦Ｒ
２」であり、上記下地高抵抗層の厚さをｄ２とし上記発
熱抵抗層の厚さをｄ１としたとき「ｄ１＋ｄ２≧４００
０Å」であるように構成される。

【００２１】上記下地高抵抗層は、例えば請求項２記載
のように、上記発熱抵抗層よりもＯ又はＯ−Ｎのモル％
が大きいように構成される。また、このサーマルインク
ジェットプリントヘッドは、例えば請求項３記載のよう
に、上記下地高抵抗層と上記発熱抵抗層の間にＴａ−Ｓ
ｉ−Ｏよりなる絶縁層を設けて構成してもよい。その場
合、上記絶縁層の厚みは、例えば請求項４記載のよう
に、２０００Å以下であることが好ましい。

【００２２】

【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は、一実施の形態におけ
るサーマルインクジェットプリントヘッドの発熱抵抗体
の構成を示す図である。尚、本例のサーマルインクジェ
ットプリントヘッドは、この発熱抵抗体の作成工程が異
なる点を別にすれば、図５に示したサーマルインクジェ
ットプリントヘッド１と同様の方法で作成される。

【００２３】本例のサーマルインクジェットプリントヘ
ッドの発熱部２０は、図１に示すように、チップ基板２
１の上に、基板面に接して下地高抵抗層２２が形成さ
れ、これに密着する発熱抵抗層２３が発熱抵抗体として
形成されている。上記の下地高抵抗層２２の材料組成
は、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、Ｔａ−Ｓｉ
−Ａｌ−Ｏ又はＴａ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎのいずれかで
形成する。

【００２４】また、発熱抵抗層２３の材料組成も上記同
様に、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、Ｔａ−Ｓ
ｉ−Ａｌ−Ｏ又はＴａ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎのいずれか
で形成するが、この発熱抵抗層２３と上記の下地高抵抗
層２２とでは、組成がきわめて近似していながら電気抵
抗値が大きく異なる。

【００２５】すなわち、下地高抵抗層２２の抵抗値をＲ
２とし発熱抵抗層２３の抵抗値をＲ１とすると、「Ｒ１
×１０≦Ｒ２」となるように、それぞれが構成されてい
る。この抵抗値の差は、詳しくは後述するが、それぞれ
の組成のうちの「Ｏ」又は「Ｏ−Ｎ」のモル％を変更す
るだけで実現ができる。

【００２６】また、上記下地高抵抗層２２と発熱抵抗層
２３とを合わせた厚さは、下地高抵抗層２２の厚さをｄ
２とし発熱抵抗層２３の厚さをｄ１とすると、「ｄ１＋
ｄ２≧４０００Å」となるように構成されている。この
ような組成と厚さの構成からなる発熱抵抗体部分の構造
こそが、キャビテーション衝撃の破壊力に対して強い耐
性のある本発明のサーマルインクジェットプリントヘッ
ドの特徴となっている。このようにキャビテーション衝
撃の破壊力に対して強い耐性のあるサーマルインクジェ
ットプリントヘッドを開発するについては、先ず、キャ
ビテーション破壊のメカニズムを調査することから開始
した。以下、これについて説明する。

【００２７】この調査では、最初に、キャビテーション
破壊のメカニズムを調査するためのキャビテーション破
壊用の試料を以下のようにして作成した。先ず、表面に
厚さ約１μｍのＳｉＯ₂ の絶縁層が予め形成されている
Ｓｉ基板の上に、スパッタリングでＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ
の発熱抵抗体膜を作成する。膜厚は１０００Åにした。
この上に、Ｗ−Ｔｉ系の下地配線膜、Ａｕの本配線膜、
更にＷ−Ｔｉ系の親隔壁配線膜からなる３層構造の配線
膜を形成する。

【００２８】この後、これら配線膜と発熱抵抗体膜をパ
ターン化して、下層の発熱抵抗体膜の発熱部となる部分
つまり発熱抵抗体となる部分を露出させ、この露出した
発熱抵抗体の両側に電極膜からパターン化された３層構
造の配線を形成する。上記発熱抵抗体の大きさは、２５
μｍ角である。更に、この発熱抵抗体を囲むようにして
隔壁を形成した。

【００２９】図２は、上記のように作成した試料のサー
マルインクジェットプリントヘッドを水のオープンプー
ルに入れて、発熱駆動パルスを印加して実験した結果を
示すグラフである。同図は横軸に印加した発熱駆動パル
スの回数を１０⁸ 単位（右端の「１」が１億回を示す）
で示しており、縦軸には試料の発熱抵抗体の電気抵抗値
（以下、単に抵抗値という）を初期値を１として示して
いる。

【００３０】この実験では、上記のサーマルインクジェ
ットプリントヘッドを水のオープンプールに入れて、水
圧が１ｍｍとなるように適宜の台上に固定し、多数の発
熱抵抗体の中から試料としてランダムに９個の発熱抵抗
体ｃｈｘｘ（同図の例ではｃｈ０１、ｃｈ０９、ｃｈ１
７、ｃｈ２５、ｃｈ３３、ｃｈ４１、ｃｈ４９、ｃｈ５
７、ｃｈ６５）を選択した。

【００３１】次に、印加エネルギーを変化させながら発
泡状態を観察し、泡の大きさが最大になるエネルギーの
１割り増しの印加エネルギーを設定し、この設定条件で
９個の発熱抵抗体に１０ＫＨｚで１μｓｅｃの発熱駆動
パルスを、１千万パルス連続的に印加し、その前後で抵
抗値の変化率を測定した。そして、上記１千万回の連続
パルス印加を十回繰り返して、合計１億パルスの発熱駆
動パルスを印加した。その結果、およそ８千万回で、１
個の発熱抵抗体、例えば発熱抵抗体ｃｈ０９が断線状態
（図２のｆ参照）となった。

【００３２】上記の各発熱抵抗体ｃｈｘｘは、初期の平
均抵抗値で一定値に規格化している。上記の８千万回の
印加パルスで断線した発熱抵抗体ｃｈ０９は、断線する
直前まで、抵抗値に変化はほとんど見られず、あっても
３％以下であった。また、断線に至らなかった残る他の
発熱抵抗体ｃｈｘｘの抵抗値も、その変化は５％以下で
あった。そして、上記の一億パルス印加後の試料を光学
顕微鏡で観察したところ、断線した発熱抵抗体ｃｈ０９
以外の他の発熱抵抗体ｃｈｘｘにも異常が観察された。

【００３３】図３(a),(b),(c) は、上記の断線箇所及び
他の異常箇所に対する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）による
観察を行った所見を模式的に示す図である。この観察に
よれば、同図(a) に示すように、異常箇所の発熱抵抗体
ｃｈｘｘでは、発熱抵抗体ｃｈｘｘの一部に孔２４が空
いており、その孔２４は基板２６側に達していた。その
孔２４の深さは、約３０００Å程度である。

【００３４】また、断線箇所の発熱抵抗体ｃｈ０９で
は、同図(c) に示すように、電流と直角方向に全面的な
破壊２７が見られた。この部分をＥＰＭＡで面分析を行
ったところ、破壊部分の発熱抵抗膜は剥がれて消滅して
おり、基板面が露出していることが判明した。更に、こ
の露出部分を観察すると、この露出部分にも上述したと
同様の深さ３０００Å程度の孔２４が空いていることが
観察された。

【００３５】以上の観察結果をまとめると、断線直前
まで発熱抵抗体の抵抗値はほとんど変化しない。断線
前に基板に達する孔が形成される（図３(a) 参照）。
この孔の数が逐次増加する（図３(b) 参照）。これら
の孔を中心に横方向に破壊が一挙に進行する（図３(c)
参照）。というモデルが考えられる。

【００３６】尚、上記の「横方向」は、発熱抵抗体に流
れる電流方向に直角で基板に平行な方向として定義して
いる。また、上記の孔破壊は基板に達して更に深さ３０
００Å程度まで進行するが、上記の横方向破壊は、発熱
抵抗体のみで起り、基板面を露出させるまで進行するが
基板内部にまでは達しないことが判明している。

【００３７】上記のモデルで、断線直前まで抵抗がほと
んど変化しないことを確かめるために、基板に達する孔
の大きさを、発熱抵抗体の大きさの１／１０とし、この
大きさで、横方向に断線が進行した場合の抵抗値の変化
率を計算すると、横方向に３割程度まで破壊が進行した
場合の抵抗値の変化率は５％程度であった。このこと
は、発熱抵抗体の大きさの１／１０の孔が３つ横方向に
直線に並んだ場合に抵抗変化が５％程度であることを意
味する。

【００３８】したがって、この計算結果は、キャビテー
ション破壊によって、孔が複数個形成され、これらの孔
を中心に横方向に破壊が一挙に進行し、この破壊の直前
まで、抵抗値の変化が少ないとする上述したモデルと良
く整合する。尚、現実の発熱抵抗体は、それ自身の損傷
以外に、配線電極が破損して、当初の接続位置から後退
していることも観察されているが、この影響について
は、本発明の要点ではないので、ここでは触れない。

【００３９】いずれにしても、上記観察と計算の結果か
ら、発熱抵抗体の長寿命化のためには、その膜厚を厚く
すれば良いことになる。例えば、孔が基板面まで達しな
いようにするためには、膜厚を少なくとも４０００Åに
すれば良いと考えられた。そして、このことを確かめる
ために、上記とほぼ同じ膜質で、厚さ約４０００Åの発
熱抵抗体を成膜し、上記と同様の実験をおこなったとこ
ろ、１億回の発熱駆動パルスでの断線はゼロであった。

【００４０】しかしながら、発熱抵抗体の膜厚を厚くす
ることは多大の電力を消耗するため望ましくないことは
前述した。例えば、膜厚１０００Åでシート抵抗１００
Ω／ｓｑｒの発熱抵抗体を正方形に成形すると、その抵
抗値は１００Ωになる。この発熱抵抗体を用いて１μＪ
のエネルギーでインクを吐出させると、電流は１００ｍ
Ａである。これに対して同じ膜質で４倍の膜厚の発熱抵
抗体を作成した場合の抵抗値は２５Ωになるから、この
場合の駆動電流は２００ｍＡである。このように発熱抵
抗体の抵抗値が下がるほど、それを発熱駆動するために
は大電流のドライバーが必要になり、現実には実用にな
らない。

【００４１】そこで、発熱抵抗体の抵抗値を、厚さが１
０００Åのときの抵抗値と同じ程度に維持したまま、全
体としての厚さを４０００Å以上に形成する方法を志向
することにした。これで結果として得られた構造が図１
に示した発熱部２０の構造である。

【００４２】すなわち、発熱抵抗体としての発熱抵抗層
２３の下に、より高抵抗の下地高抵抗層２２を配置し
て、実質的に膜厚の厚い発熱部を形成する。例えば、Ｔ
ａ−Ｓｉ−Ｏ系やＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の抵抗体は、Ｏ
又はＯ−Ｎの量（モル％）を増やすことによって、抵抗
値を大きくすることができる。具体的には、例えば、Ｔ
ａ−Ｓｉ−Ｏの場合、酸素量を通常の発熱抵抗体の場合
の３０％から、５０％に増やすことにより抵抗率が１桁
程度増加する。

【００４３】すなわち、発熱抵抗層２３の酸素量が３０
モル％でその抵抗値がＲ１であるとすると、下地高抵抗
層２２を、その酸素量が５０モル％になるように形成す
ると、その抵抗値Ｒ２は「Ｒ２≧Ｒ１×１０」となる。
このように、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ系という同一の組成を用
い、酸素量を変更する（増やす）だけで、抵抗値を変更
する（高抵抗にする）ことができる。

【００４４】尚、上記の酸素量を更に６０％まで増加さ
せた場合は抵抗値が数桁増加する。しかし、発熱抵抗層
２３の抵抗値よりも下地高抵抗層２２の抵抗値を１桁増
加させることができれば当初の開発目的は達成されるの
で、敢えて数桁増加を目指す必要はない。

【００４５】また、この抵抗値の変更方法は、薄膜の組
成がＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系にした場合でも、「酸素＋窒
素」の増加により、抵抗が増加することが実験により判
明している。但し、酸素と窒素の割合によって、抵抗値
特性は複雑な挙動を示すが、それでも、「酸素＋窒素」
の増加により抵抗値が増加することにおいては変わりが
ない。

【００４６】上記一方の発熱抵抗層２３は、その抵抗値
Ｒ１が通常の発熱抵抗体の持つ抵抗値となるように組成
的に設定されている。これに対して下層の下地高抵抗層
２２の抵抗値Ｒ２は、「Ｒ２≧Ｒ１×１０」というよう
にきわめて高抵抗であるので、電流は殆ど流れず、この
部分でのエネルギー損失は無視できる程度のものであ
る。

【００４７】したがって、このように連続する２層構造
であっても、発熱抵抗層２３の抵抗値は、単独の１層構
造の場合に比べて、多少低下するものの９％以下の低下
率にとどまるので、熱効率を大きく損なうことはない。
すなわち駆動電圧の印加によって効率良く発熱して、効
率よくインクを吐出する。

【００４８】このように、下地高抵抗層２２と発熱抵抗
層２３は電気的にみるとほぼ相互に独立しているが、そ
れにも拘らず、この下地高抵抗層２２と発熱抵抗層２３
は、酸素量が異なるだけで同一の組成であるから、その
界面の密着性はきわめて強力である。これは、両者のア
モルファス状態が類似している（Ｘ線回折のブロードパ
ターンが類似している）ためと考えられる。

【００４９】このように、この下地高抵抗層２２と発熱
抵抗層２３との界面の密着性がきわめて強力であるか
ら、上層の発熱抵抗層２３はキャビテーション衝撃の負
圧に対しても容易に引き剥がされることがない。また、
双方それぞれの厚さｄ２とｄ１を重ねた全体としての厚
さが４０００Å以上となるように形成いされているの
で、１億回の駆動パルスで、キャビテーション破壊によ
る孔が３０００Åまで進行しても、孔が基板面に達する
ことがなく、これにより、発熱部と基板面との密着性が
損なわれることがなく、したがって、横方向の破壊を誘
発することがない。

【００５０】図４は、他の実施の形態におけるサーマル
インクジェットプリントヘッドの発熱部の構成を示す図
である。同図に示す発熱抵抗体３０は、チップ基板２１
の上に、下部層３１、中間層３２、そして最上層に発熱
抵抗層３３が形成されている。最上層の発熱抵抗層３３
は、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ系又はＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の組成
からなる薄膜であり、下部層３１も発熱抵抗層３３とほ
ぼ同じ組成の薄膜である。そして、中間層３２は、Ｔａ
−Ｓｉ−Ｏ系の組成で、酸素量が約７０モル％、厚さが
５０〜１００Å程度の絶縁層である。

【００５１】この中間層３２は、下部層３１のＴａ−Ｓ
ｉ−Ｏ又はＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎを、大気中で４００〜５
００℃でアニール処理することによって得られる。この
場合も、Ｔａ−ＳｉーＯ膜の中間絶縁層（中間層３２）
と、上下のＴａ−ＳｉーＯ膜又はＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ膜
の発熱抵抗層３３及び下部層３１との密着性は強力であ
る。但しこの場合は、両者のアモルファス状態が類似し
ているかどうかは未確認である。

【００５２】一般的に絶縁層は、弾性変形領域が少ない
ためであるのか、キャビテーション耐性が低いことが知
られている。したがって、上記中間層３２となる絶縁層
の厚さは薄いほうが良く、２０００Å以下とするのが好
ましい。勿論、この場合も、３層構造全体の膜厚は４０
００Å以上であるようにするのが好ましい。

【００５３】尚、全体の膜厚を４０００Å以上とするこ
とのみに主眼を置いて、発熱抵抗層と下部層の２層構造
の下部層を、酸素量が約７０モル％のＴａ−Ｓｉ−Ｏの
膜すなわち絶縁層とし、これを蓄熱層として兼用する構
成としてもよい。この場合、上述した実施の形態と比較
して、キャビテーション耐性の点でやや劣るものの、構
造が簡単、つまり工程上からみて作成が容易であるとい
う利点がある。

【００５４】尚、上述した各実施の形態では、Ｔａ−Ｓ
ｉ−Ｏ系又はＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系を例として取り上げ
て説明してきたが、これに限ることなく、例えばＴａ−
Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ系であっても、酸素濃度の変化に応じて
抵抗率が変化する系であるので、上記の構成を適用する
ことが可能である。

【００５５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、基板に対するキャビテーション衝撃による孔破壊
が進行する３０００Åの距離を吸収する少なくとも４０
００Åの厚さの発熱部を、密着強度の強力な２層又は３
層構造で形成して最上層を比較的薄い発熱抵抗層とする
ので、キャビテーション耐性に優れると共に発熱効率の
良い抵抗体を備えたサーマルインクジェットプリントヘ
ッドを提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施の形態におけるサーマルインクジェット
プリントヘッドの発熱抵抗体の構成を示す図である。

【図２】作成した試料のサーマルインクジェットプリン
トヘッドを水のオープンプールに入れて発熱駆動パルス
を印加して実験した結果を示すグラフである。

【図３】(a),(b),(c) は断線箇所及び他の異常箇所に対
する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察をおこなった
所見を模式的に示す図である。

【図４】他の実施の形態におけるサーマルインクジェッ
トプリントヘッドの発熱抵抗体の構成を示す図である。

【図５】(a) は従来のサーマルインクジェットプリント
ヘッドのインク吐出面を模式的に示す平面図、(b) はそ
のＡ−Ａ′断面矢視図、(c) はその内部構造を透視的に
示す拡大平面図である。

【図６】(a),(b),(c) は印字ヘッドの基本的なインク吐
出動作を示す図である。

【図７】(a),(b) は印字ヘッドのインク滴の吐出に係る
気泡の成長と消滅の過程を模式的に示す図である。

【図８】(a) は従来からの発熱抵抗体の厚さを模式的に
示す図、(b) はキャビテーション衝撃に対処すべく発熱
抵抗体そのものを厚く形成した例を示す図である。

【符号の説明】

１ サーマルインクジェットプリントヘッド ２ チップ基板 ３ ノズル列 ４ ノズル ５ 駆動回路 ６、６′、６″ 発熱抵抗体 ７ 個別配線電極 ９ 共通電極 １１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ） 隔壁 １２ インク供給溝 １３ インク供給孔 １４ オリフィス板 １５ インク流路 １６ インク １６ａ メニスカス １６ｂ インク １６ｃ インク滴 １７ 膜気泡 ２０ 発熱部 ２１ チップ基板 ２２ 下地高抵抗層 ２３ 発熱抵抗層 ２４ 孔 ２６ 基板 ２７ 破壊 ３０ 発熱抵抗体 ３１ 下部層 ３２ 中間層 ３３ 発熱抵抗層

フロントページの続き (72)発明者 新井 一能 東京都青梅市今井３丁目10番６号 カシオ 計算機株式会社青梅事業所内 Ｆターム(参考） 2C057 AF53 AF65 AG46 BA13

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板表面に設けられた発熱抵抗体により
   インクを加熱して発生させた気泡の圧力により前記イン
   クを所定方向に吐出させて記録を行うサーマルインクジ
   ェットプリントヘッドであって、 前記基板面に接して下地高抵抗層としてＴａＡＢ（但し
   ＡはＳｉ又はＳｉ−Ａｌ、ＢはＯ又はＯ−Ｎ）を設け、
   その上層に発熱抵抗層としてＴａＡＢ（但しＡはＳｉ又
   はＳｉ−Ａｌ、ＢはＯ又はＯ−Ｎ）を設け、 前記下地高抵抗層の抵抗値をＲ２とし前記発熱抵抗層の
   抵抗値をＲ１としたとき、 Ｒ１×１０≦Ｒ２ であり、 前記下地高抵抗層の厚さをｄ２とし前記発熱抵抗層の厚
   さをｄ１としたとき、 ｄ１＋ｄ２≧４０００Å であることを特徴とするサーマルインクジェットプリン
   トヘッド。
2. 【請求項２】 前記下地高抵抗層は、前記発熱抵抗層よ
   りもＯ又はＯ−Ｎのモル％が大きい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プリントヘッド。
3. 【請求項３】 前記下地高抵抗層と前記発熱抵抗層の間
   にＴａ−Ｓｉ−Ｏよりなる絶縁層を設けたことを特徴と
   する請求項１記載のサーマルインクジェットプリントヘ
   ッド。
4. 【請求項４】 前記絶縁層の厚みは２０００Å以下であ
   ることを特徴とする請求項２記載のサーマルインクジェ
   ットプリントヘッド。