JP2003165224A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】発熱抵抗体等の電気抵抗値を長期にわたって略
一定に保つことが可能な高信頼性のインクジェットヘッ
ドを提供する。 【解決手段】ベースプレート２の上面に、ＴｉＣ-Ｓｉ-
Ｏ系抵抗材料から成る複数個の発熱抵抗体３を被着させ
るとともに該発熱抵抗体３を保護層５で被覆してなるヘ
ッド基板１と、該ヘッド基板１との間に所定の間隙を形
成するようにして配設される天板６とを具備し、前記ヘ
ッド基板１−天板８間の間隙に充填されたインク１０を
発熱抵抗体３の発熱によってインク吐出孔９より吐出さ
せるインクジェットヘッドであって、前記ヘッド基板１
の保護層５を、Ｓｉの酸化物及び／又は窒化物を含む無
機質材料から成る第一層６と、ペルヒドロポリシラザン
の焼結体から成る第二層７とを順次積層して形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、記録紙にインク滴
を所定パターンに付着させて画像を記録するインクジェ
ットヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、記録紙に画像を形成するため
の記録デバイスとしてインクジェットヘッドが用いられ
ている。

【０００３】インクジェットヘッドの記録方式には、イ
ンク滴を記録紙に向けて吐出・飛翔させるのに発熱抵抗
体の発する熱エネルギーを利用するものや圧電素子の変
形を利用するもの、更には電磁波の照射に伴って発生す
る熱を利用するもの等があり、これらの中でも発熱抵抗
体の熱エネルギーを利用するサーマルジェットタイプの
ものは、発熱抵抗体のパターニングが容易である上に、
小さな面積の発熱抵抗体であっても比較的大きな熱エネ
ルギーを発生させることができることから、高密度記録
への対応に適したものとして注目されている。

【０００４】かかるサーマルジェットタイプのインクジ
ェットヘッドとしては、例えば図３に示す如く、表面に
熱酸化処理を施した単結晶シリコン製の板体により形成
されたベースプレート１２の上面に、複数個の発熱抵抗
体１３及び通電用の電極１４と、保護層１５とを順次形
成してなるヘッド基板１１上に、前記発熱抵抗体１３と
１対１に対応する複数個のインク吐出孔１７を有する天
板１６を、間に所定の間隙を形成するようにして配設す
るとともに、前記ヘッド基板１１−天板１６間の間隙に
インク１８を充填した構造のものが知られており、記録
紙を前記天板１６の外表面に沿って搬送しながら、ヘッ
ド基板１１の発熱抵抗体１３を外部からの画像データに
基づいて個々に選択的にジュール発熱させ、発熱抵抗体
１３上のインク１８中で気泡Ａを発生させるとともに、
該発生した気泡Ａによる圧力でもって発熱抵抗体１３上
のインク１８を上方に押し上げ、インク１８の一部をイ
ンク吐出孔１７より記録紙に向けて吐出させることによ
って記録紙に所定の画像が記録される。

【０００５】尚、前記ヘッド基板１１の保護層１５は、
インク１８中に含まれている水分やＫ⁺，ＯＨ^-等のイオ
ンが発熱抵抗体１３や電極１４等に接触してこれらを腐
食したり、或いは、インク１８中に含まれている染料の
固まり等が発熱抵抗体１３の表面にこびり付いたりする
のを防止したりするためのものであり、このような保護
層１５の材質としては、耐熱性や耐薬品性，封止性，良
熱伝導性，耐キャビテーション性等に優れた窒化珪素や
酸化珪素等の無機質材料が用いられる。

【０００６】また前記保護層１５の形成には、例えば、
従来周知のＣＶＤ（Chemical VaporDeposition）法やス
パッタリング法等の薄膜プロセスが採用され、上述の無
機質材料をベースプレート１２上に所定厚みに堆積させ
ることによって保護層１５を形成していた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ヘッド基板
１１の保護層１５をスパッタリング法やＣＶＤ法等の薄
膜プロセスにより形成した場合、保護層１５中にはピン
ホール等の微細な膜欠陥が数多く形成されることとな
る。

【０００８】そのため、インク１８中に含まれている水
分やＫ⁺，ＯＨ^-等のイオンが保護層１５の膜欠陥を介し
て発熱抵抗体１３や電極１４に接触することがあり、そ
の場合、発熱抵抗体１３等がインク１８中に含まれてい
る水分やイオンとの接触により比較的早期に腐食されて
しまい、発熱抵抗体１３等の電気抵抗値が当初の値より
変動するという欠点を有していた。

【０００９】本発明は上述の欠点に鑑み案出されたもの
で、その目的は、発熱抵抗体等の電気抵抗値を長期にわ
たって略一定に保つことが可能な高信頼性のインクジェ
ットヘッドを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のインクジェット
ヘッドは、ベースプレートの上面に、ＴｉＣ-Ｓｉ-Ｏ系
抵抗材料から成る複数個の発熱抵抗体を被着させるとと
もに該発熱抵抗体を保護層で被覆してなるヘッド基板
と、該ヘッド基板との間に所定の間隙を形成するように
して配設される天板とを具備し、前記ヘッド基板−天板
間の間隙に充填されたインクを前記発熱抵抗体の発熱に
よってインク吐出孔より吐出させるインクジェットヘッ
ドであって、前記ヘッド基板の保護層は、Ｓｉの酸化物
及び／又は窒化物を含む無機質材料から成る第一層と、
ペルヒドロポリシラザンの焼結体から成る第二層とを順
次積層して形成されていることを特徴とするものであ
る。

【００１１】また本発明のインクジェットヘッドは、前
記保護層の第一層がスパッタリング法またはＣＶＤ法に
て成膜された薄膜から成ることを特徴とするものであ
る。

【００１２】更に本発明のインクジェットヘッドは、前
記発熱抵抗体を形成するＴｉＣ-Ｓｉ-Ｏ系抵抗材料の組
成比率が（ＴｉＣ）_xＳｉＯ_y（３．４≦ｘ≦２９．０、
１．８≦ｙ≦２．２）であり、且つ前記発熱抵抗体及び
前記保護層の各層に含まれているＳｉの含有率が３原子
％〜４４原子％に設定されていることを特徴とするもの
である。

【００１３】また更に本発明のインクジェットヘッド
は、前記インクの粘度（２５℃）が０．３ｍＰａ・ｓ〜
３．０ｍＰａ・ｓに調整されていることを特徴とするも
のである。

【００１４】本発明のインクジェットヘッドによれば、
保護層を構成する２つの層のうち、下層となる第一層の
膜欠陥はペルヒドロポリシラザンの焼結体から成る第二
層によって封止されることから、発熱抵抗体等をインク
中に含まれている水分やＫ⁺，ＯＨ^-等の接触による腐食
から良好に保護することができ、発熱抵抗体等を第二層
でインクより確実に遮断し続けることで、発熱抵抗体等
の電気抵抗値を長期にわたり略一定に保つことが可能と
なる。

【００１５】また本発明のインクジェットヘッドによれ
ば、ヘッド基板の発熱抵抗体を形成するＴｉＣ-Ｓｉ-Ｏ
系抵抗材料の組成比率を（ＴｉＣ）_xＳｉＯ_y（３．４≦
ｘ≦２９．０、１．８≦ｙ≦２．２）とし、発熱抵抗体
及び前記保護層の各層に含まれているＳｉの含有率を３
原子％〜４４原子％に設定することにより、発熱抵抗体
−保護層間、及び、保護層の各層間で馴染みを良好とし
て、発熱抵抗体及び保護層各層の線膨張係数を比較的近
い値に調整することができるため、記録動作に際して発
熱抵抗体の発する熱等によってインクジェットヘッドの
温度が上昇しても、これらの各層間に大きな熱応力が発
生するのを有効に防止することができ、保護層の各層を
下地に対して強固に被着させておくことが可能となる。
これにより、インクジェットヘッドの信頼性が向上され
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図面に基づい
て詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係るイ
ンクジェットヘッドの斜視図、図２は図１のインクジェ
ットヘッドの断面図であり、同図に示すインクジェット
ヘッドは、大略的に、ヘッド基板１と、天板８と、イン
ク１０とで構成されている。

【００１７】前記ヘッド基板１は、矩形状をなすように
外形加工されたベースプレート２の上面に、その長手方
向にわたって複数個の発熱抵抗体３を被着・配列させる
とともに、該各発熱抵抗体３の両端に通電用の電極４を
接続し、これらを単一の保護層５で共通に被覆した構造
を有している。

【００１８】前記ベースプレート２は、表面に絶縁化処
理を施した単結晶シリコン等から成り、その上面で複数
個の発熱抵抗体３や通電用の電極４，保護層５等を支持
するための支持母材として機能するものである。

【００１９】尚、前記ベースプレート２は、単結晶シリ
コンから成る場合、従来周知のチョコラルスキー法（引
き上げ法）等によって形成した単結晶シリコンのインゴ
ット（塊）を所定厚みにスライスして矩形状に外形加工
し、得られた板体の表面に、従来周知の熱酸化法を採用
し、酸化膜（酸化珪素）を例えば０．５μｍ〜７．０μ
ｍの厚みに形成することにより製作される。

【００２０】また前記ヘッド基板１の発熱抵抗体３は、
例えば６００ｄｐｉ（dot per inch）の密度でベースプ
レート２の長手方向（主走査方向）に直線状に配列され
ており、その各々がＴｉＣ-Ｓｉ-Ｏ系抵抗材料により形
成されているため、電極４等を介して電源電力が供給さ
れるとジュール発熱を起こし、インク１０中で気泡Ａを
発生させるのに必要な所定の温度となる。

【００２１】このような発熱抵抗体３を形成するＴｉＣ
-Ｓｉ-Ｏ系抵抗材料としては、組成比率が（ＴｉＣ）_x
ＳｉＯ_y（３．４≦ｘ≦２９．０、１．８≦ｙ≦２．
２）で表されるものが好適に用いられ、発熱抵抗体３中
に含まれているＳｉの含有率は３原子％〜４４原子％に
設定される。

【００２２】かかる組成比率を有したＴｉＣ-Ｓｉ-Ｏ系
抵抗材料は、単位時間当たりの発熱量をインク滴ｉの吐
出に適した大きさに調整することが容易で、しかも耐パ
ルス性に優れており、特に階調表現が必要な写真印画等
の用途に適した発熱抵抗体３が得られる。

【００２３】また前記発熱抵抗体３の両端に接続される
一対の電極４，４は、Ａｌ（アルミニウム）等の金属材
料から成り、その一方が発熱抵抗体３の一端側で全ての
発熱抵抗体３に共通接続され、他方が発熱抵抗体３の他
端側で各発熱抵抗体３と個別に接続されている。

【００２４】前記一対の電極４は、発熱抵抗体３に電源
電力を印加するための給電線として機能するものであ
り、図示しないドライバーＩＣのオン・オフに基づいて
発熱抵抗体３への通電が制御される。

【００２５】尚、前記発熱抵抗体３や一対の電極４は、
従来周知の薄膜手法、具体的には、ベースプレート２の
上面全体に、上述したＴｉＣ-Ｓｉ-Ｏ系抵抗材料とＡｌ
等の金属材料とをスパッタリング法等によって順次、被
着させ、これを従来周知のフォトリソグラフィー及びエ
ッチング技術を採用し、所定パターンに加工することに
より形成される。このようにして得られる発熱抵抗体３
の厚みは例えば０．０１μｍ〜０．２μｍに、また電極
４の厚みは例えば０．１μｍ〜０．７μｍに設定され
る。

【００２６】また上述した発熱抵抗体３や一対の電極４
を被覆する保護層５は、インク１０中に含まれている水
分やイオン（Ｋ⁺，ＯＨ^-等）の接触による腐食から発熱
抵抗体３や電極４を保護するためのものであり、発熱抵
抗体３側より、第一層６及び第二層７を順次積層した２
層構造を有し、その厚みは保護層全体で例えば０．１３
μｍ〜２．１５μｍに設定される。

【００２７】このような保護層５を構成する第一層６及
び第二層７は、その双方がＳｉを含む無機質材料により
形成されており、各層６，７に含まれるＳｉの含有率
は、先に述べた発熱抵抗体３と同様に、３原子％〜４４
原子％に設定される。

【００２８】尚、第一層６及び第二層７に含まれるＳｉ
の含有率を発熱抵抗体３と同じ３原子％〜４４原子％に
設定するのは、発熱抵抗体３−保護層５間、及び、保護
層５の各層間で馴染みを良好になすとともに、これらの
層３，６，７の線膨張係数を比較的近い値に設定するた
めであり、これによって、記録動作に伴う発熱抵抗体３
の発熱等でインクジェットヘッドの温度が上昇しても、
各層間に大きな熱応力が発生するのを有効に防止し、保
護層５の各層を下地に対して強固に被着させておくこと
ができる。

【００２９】以下、保護層５を構成する第一層６、並び
に第二層７について個別に説明する。前記保護層５を構
成する２つの層のうち、下層となる第一層６は、Ｓｉの
酸化物（酸化珪素）及び／又は窒化物（窒化珪素）を含
む無機質材料により、例えば０．１μｍ〜２．０μｍの
厚みに形成され、発熱抵抗体３や電極４と接するように
形成されている。

【００３０】この第一層６は、その上に配される第二層
７を熱処理のプロセスを経て形成する際に、後述するペ
ルヒドロポリシラザン溶液中の有機溶剤が発熱抵抗体３
や電極４等と接触してこれらを酸化しようとするのを有
効に防止するためのものであり、これによってインクジ
ェットヘッドの製造プロセスにおける発熱抵抗体３の抵
抗値変動が極めて有効に抑えられる。

【００３１】尚、前記第一層６は、従来周知の薄膜手
法、具体的にはスパッタリング法やＣＶＤ法等を採用
し、酸化珪素や窒化珪素、或いは、これらの混合材料
（Ｓｉ-Ｏ-Ｎ）を所定厚みに堆積させることによって形
成され、このようにして得られた第一層６にはピンホー
ル等の微細な膜欠陥が数多く形成されることとなる。

【００３２】また一方、前記保護層５の上層となる第二
層７は、酸化珪素、窒化珪素、Ｓｉ-Ｏ-Ｎ等の無機質材
料によって０．０３μｍ〜０．１５μｍの厚みに形成さ
れ、化１に示すペルヒドロポリシラザンを焼結させてな
る焼結体により形成される。

【００３３】

【化１】

【００３４】このペルヒドロポリシラザンは、例えば１
５０℃〜２２０℃の温度で重合を起こすセラミック前駆
体ポリマーであり、ペルヒドロポリシラザンをキシレン
やシクロヘキセン等の有機溶剤に溶かして作製したペル
ヒドロポリシラザン溶液（粘度：０．５ｃｐｓ〜１．０
ｃｐｓ）を従来周知のディッピング法、スピンコート
法、バーコーター法等の厚膜手法によって第一層６の上
面に薄く塗布し、これをまず１５０℃〜２２０℃の温度
領域で約１時間、次に４００℃〜５００℃の温度で約１
時間、熱処理し、ペルヒドロポリシラザンをセラミック
化することにより第二層７が形成される。

【００３５】このとき、ペルヒドロポリシラザンの熱処
理を窒素雰囲気中で行うと、窒化珪素を主成分とするセ
ラミック焼結体が、また高湿度雰囲気（湿度５０％以
上）で行うと、酸化珪素を主成分とするセラミック焼結
体が形成されることとなる。

【００３６】以上のような厚膜プロセスによって形成さ
れる第二層７には、ピンホール等の膜欠陥が殆ど存在し
ないことから、第一層６の膜欠陥を第二層７で良好に塞
ぐことができる。従って、発熱抵抗体３や電極４を保護
層５で良好に封止し、発熱抵抗体３や電極４をインク１
０中に含まれている水分やイオン等の接触による腐食か
ら良好に保護することが可能となる。

【００３７】そして、上述したヘッド基板１上には、間
に所定の間隙を形成するようにして天板８が配設され
る。

【００３８】前記天板８は、発熱抵抗体３と１対１に対
応する複数個のインク吐出孔９を有しており、これらの
インク吐出孔９が対応する発熱抵抗体３の真上に位置す
るように位置決めされ、その内表面とヘッド基板上面
（保護層５の表面）との間には例えば５μｍ〜５０μｍ
の間隙が形成される。

【００３９】前記天板８のインク吐出孔９は、インクジ
ェットヘッドの記録動作時、気泡Ａの発生に伴いインク
滴ｉを記録紙に向けて吐出するためのものであり、各々
のインク吐出孔９の直径は例えば１０μｍ〜１００μｍ
の大きさに設定され、発熱抵抗体３と同じ密度で主走査
方向に配列される。

【００４０】尚、前記天板８の材質としては、モリブデ
ン等の金属材料、アルミナセラミックス等のセラミック
材料、エポキシ樹脂等の合成樹脂材料が用いられ、例え
ば、モリブデンから成る場合、モリブデンのインゴット
（塊）を従来周知の金属加工法により板状に成形すると
ともに該板体の所定箇所に従来周知のエッチング技術等
により孔明けして複数個のインク吐出孔９を穿設するこ
とによって製作され、得られた天板８を図示しないスペ
ーサ等を介してヘッド基板１上に載置させることにより
天板８がヘッド基板１上の所定位置に固定される。

【００４１】また前記ヘッド基板１−天板８間の間隙に
はインク１０が充填され、ヘッド基板１−天板８間に所
定のインク流路を形成している。このようなインク１０
としては水性染料インク等が好適に使用され、その粘度
は、例えば、０．３ｍＰａ・ｓ〜３．０ｍＰａ・ｓ（２５
℃）に調整される。

【００４２】前記インク１０は、図示しないインクタン
クからヘッド基板１−天板８間のインク流路に供給され
るようになっており、前述した発熱抵抗体３からの熱エ
ネルギーによってインク１０中に気泡Ａが発生すると、
気泡Ａの発生に伴う圧力によってインク１０の一部がイ
ンク吐出孔９側に押し上げられ、インク１０の一部がイ
ンク滴ｉとなってインク吐出孔９より外部に吐出され
る。

【００４３】そして、インク吐出孔９より吐出したイン
ク滴ｉは、天板８の外表面に沿って搬送される記録紙の
表面に付着され、これによって記録紙に所定の画像が形
成されることとなる。

【００４４】以上のような本実施形態のインクジェット
ヘッドによれば、ヘッド基板１の発熱抵抗体３や電極４
が保護層５でもって良好に封止されているため、発熱抵
抗体３や電極４をインク１０中に含まれている水分やＫ
⁺，ＯＨ^-等の接触による腐食から良好に保護することが
でき、発熱抵抗体３や電極４をインク１０より確実に遮
断し続けることで、これらの電気抵抗値を長期にわたり
略一定に保つことが可能である。

【００４５】尚、本発明は上述した実施形態に限定され
るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲におい
て種々の変更、改良等が可能である。

【００４６】例えば上述の実施形態においては、電極４
をＡｌにより形成するようにしたが、これに代えて、電
極４をＡｌ-Ｓｉ、Ａｌ-Ｓｉ-Ｃｕ等のＳｉを含む導電
材料により形成するようにしても良く、この場合、電極
４−保護層５間の密着性も向上させることができる利点
がある。

【００４７】また上述の実施形態において、ヘッド基板
１−天板８間に、隣接する発熱抵抗体を隔てるための隔
壁部材を介在させても良く、その場合、インク１０中で
発生する気泡Ａからの圧力が主走査方向に分散しようと
するを上記隔壁部材でもって有効に防止することができ
るため、気泡Ａの形成に伴い発生する圧力の多くをイン
ク滴ｉの吐出に寄与せしめ、インク滴を効率良く吐出さ
せることができる利点もある。

【００４８】更に上述の実施形態において発熱抵抗体３
の発熱を制御するためのドライバーＩＣをヘッド基板１
上に搭載しても良いことは言うまでもない。

【００４９】

【発明の効果】本発明のインクジェットヘッドによれ
ば、保護層を構成する２つの層のうち、下層となる第一
層の膜欠陥はペルヒドロポリシラザンの焼結体から成る
第二層によって封止されることから、発熱抵抗体等をイ
ンク中に含まれている水分やＫ⁺，ＯＨ^-等の接触による
腐食から良好に保護することができ、発熱抵抗体等を第
二層でインクより確実に遮断し続けることで、発熱抵抗
体等の電気抵抗値を長期にわたり略一定に保つことが可
能となる。

【００５０】また本発明のインクジェットヘッドによれ
ば、ヘッド基板の発熱抵抗体を形成するＴｉＣ-Ｓｉ-Ｏ
系抵抗材料の組成比率を（ＴｉＣ）_xＳｉＯ_y（３．４≦
ｘ≦２９．０、１．８≦ｙ≦２．２）とし、発熱抵抗体
及び前記保護層の各層に含まれるＳｉの含有率を３原子
％〜４４原子％に設定することにより、発熱抵抗体−保
護層間、及び、保護層の各層間で馴染みを良好として、
発熱抵抗体及び保護層各層の線膨張係数を比較的近い値
に調整することができるため、記録動作に際して発熱抵
抗体の発する熱等によってインクジェットヘッドの温度
が上昇しても、これらの各層間に大きな熱応力が発生す
るのを有効に防止することができ、保護層の各層を下地
に対して強固に被着させておくことが可能となる。これ
により、インクジェットヘッドの信頼性が向上される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るインクジェットヘッ
ドの分解斜視図である。

【図２】図１のインクジェットヘッドの断面図である。

【図３】従来のインクジェットヘッドの断面図である。

【符号の説明】 １・・・ベースプレート、３・・・発熱抵抗体、４・・
・通電用の電極、５・・・保護層、６・・・第一層、７
・・・第二層、８・・・天板、９・・・インク吐出孔、
１０・・・インク

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ベースプレートの上面に、ＴｉＣ-Ｓｉ-Ｏ
   系抵抗材料から成る複数個の発熱抵抗体を被着させると
   ともに該発熱抵抗体を保護層で被覆してなるヘッド基板
   と、該ヘッド基板との間に所定の間隙を形成するように
   して配設される天板とを具備し、前記ヘッド基板−天板
   間の間隙に充填されたインクを前記発熱抵抗体の発熱に
   よってインク吐出孔より吐出させるインクジェットヘッ
   ドであって、 前記ヘッド基板の保護層は、Ｓｉの酸化物及び／又は窒
   化物を含む無機質材料から成る第一層と、ペルヒドロポ
   リシラザンの焼結体から成る第二層とを順次積層して形
   成されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 【請求項２】前記保護層の第一層がスパッタリング法ま
   たはＣＶＤ法にて成膜された薄膜から成ることを特徴と
   する請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 【請求項３】前記発熱抵抗体を形成するＴｉＣ-Ｓｉ-Ｏ
   系抵抗材料の組成比率が（ＴｉＣ）_xＳｉＯ_y（３．４≦
   ｘ≦２９．０、１．８≦ｙ≦２．２）であり、且つ前記
   発熱抵抗体及び前記保護層の各層に含まれているＳｉの
   含有率が３原子％〜４４原子％にに設定されていること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載のインクジ
   ェットヘッド。
4. 【請求項４】前記インクの粘度（２５℃）が０．３ｍＰ
   ａ・ｓ〜３．０ｍＰａ・ｓに調整されていることを特徴と
   する請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のインクジ
   ェットヘッド。