JP2005212134A - インクジェット記録ヘッド、及びインクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
バブル方式のインクジェット記録ヘッドにおける上述した事情に鑑みてなされたもので、自己酸化被膜を有する薄膜抵抗体を設けた構成において、高エネルギ効率と長寿命を両立させたインクジェット記録ヘッド、及び当該インクジェット記録ヘッドを有するインクジェット記録装置を提供すること。
【解決手段】
インクジェット記録ヘッド１４を、例えば、インクを吐出するためのノズル１６と、ノズル１６に連通しインクが充填される複数本の個別流路２２と、個別流路２２の内面の一部を形成するＳｉ基板３０と、個別流路２２におけるノズル１６付近に配置されようにＳｉ基板３０上に設けられるヒータ２６と、を有する構成とし、当該ヒータ２６を、３元系合金抵抗体層からなる上層抵抗体層４０と、二元系合金抵抗体層からなる下層抵抗体層４２との２つの抵抗体層で構成し、上層抵抗体層４０の体積抵抗率又は抵抗値を下層抵抗体層４２の体積抵抗率又は抵抗値よりも高く設定する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、薄膜抵抗体にパルスを通電することにより、個別流路内のインクを加熱し、それによって発生した気泡の膨張によって、インクをノズルから吐出するオンデマンドのインクジェット記録ヘッドに関するものである。

インクを満たした個別流路中に抵抗体を含むヒータを設け、その抵抗体にパルスを通電することにより、インクを急速に加熱して高圧の気泡を発生させ、その気泡の膨張によってインク液滴を吐出するバブル方式のインクジェット記録ヘッドでは、エネルギー効率とヒータ寿命を両立させることが重要である。

そこで、特許文献１では、ヒータとして、薄い自己酸化膜を有するＴａＳｉＯ（三元合金）薄膜抵抗体を用いることを提案している。

しかし、バブル方式のインクジェット記録ヘッドでは、ヒータ上で発生した気泡は大気と連通することなくヒータ上で消滅するため、ヒータ面はキャビテーションにより衝撃を受ける。保護膜としての自己酸化膜はインク腐食には強いがキャビテーションには弱いため、ヒータ寿命が短いのが現状である。

一方で、耐キャビテーション性を付与するためには、従来の保護膜のように、膜厚が厚い保護膜を設ける必要があるが、寿命が長い一方でエネルギー効率が悪くなる。特に、Ｔａなどの金属膜とＳｉＮなどの絶縁膜で構成された保護膜は、ピンホールの発生を防止するために薄くすることができず、エネルギー効率が悪いのが現状である。

このようなエネルギー効率とヒータ寿命との両立を図るため、例えば、特許文献２〜７に様々な提案がなされている。
特許第３１９４４６５号 特開平０１−１９６３５２号公報 特開平１１−２４０１５７号公報 特開平１１−３３４０７５号公報 特開２０００−１６８０８８ 特開２０００−１７７１３５ 特開２００２−１１３８７０

しかしながら、上記いずれの提案でも、昨今の技術要求から未だ十分とは言えず改善が望まれているのが現状である。

従って、本発明の目的は、エネルギー効率とヒータ寿命とを共に向上させたインクジェット記録ヘッド、及びそれを備えたインクジェット記録装置を提供することである。

上記課題は、以下の手段により解決される。即ち、
本発明のインクジェット記録ヘッドは、インクを吐出するためのノズルと、
前記ノズルに連通し、インクが充填される複数本の個別流路と、前記個別流路の内面の一部を形成する基板と、前記個別流路における前記ノズル付近に配置されるように前記基板上に設けられる薄膜抵抗体と、を有し、
前記薄膜抵抗体は、異なる材料からなる２つの抵抗体体層を順次積層した積層体から構成され、
上層抵抗体層の体積抵抗率又は抵抗値を、下層抵抗体層の体積抵抗体率又は抵抗値よりも高くする、
ことを特徴としている。

本発明のインクジェット記録ヘッドでは、ヒータとしての薄膜抵抗体層を異なる材料かからなる２層構成として、上層抵抗体層にキャビテーションやインク腐食からの保護膜としての機能も持たせる。上層抵抗体層は、従来の金属保護膜と比べると薄いため、エネルギ効率を高くできる。ここで、上層抵抗体層の体積抵抗率又は抵抗値を下層抵抗体層の体積抵抗体率又は抵抗値よりも高くし、上層抵抗体層よりも下層抵抗体層に電流を流れやすい構成とすることで、例えばキャビテーションにより上層抵抗体層が多少ダメージを受けても、電流の大部分が流れるのは下層抵抗体層であるため、上層抵抗体層の一部での電流集中による破壊は発生し難く、ヒータ寿命が向上する。また、上層抵抗体層よりも下層抵抗体層に電流を流れやすい構成とするが、上層抵抗体層にも電流を流しヒータとして機能させるため、下層抵抗体層の電流密度を低下させることができる。これにより薄膜抵抗体層自体に過電流が流れた場合の下層抵抗体層への電流集中を防止し、ヒータ寿命を向上させることができる。

本発明のインクジェット記録ヘッドにおいては、前記上層抵抗体層の体積抵抗率又は抵抗値を、前記下層抵抗体層の体積抵抗率又は抵抗値の１．１倍以上１０倍以下とすることが好適である。

この構成により、上層抵抗体層に流れる電流を適度なものとし、下層抵抗体層の電流密度を低減させつつ、上層抵抗体層がダメージを受けた場合にも上層抵抗体層のある部分での電流集中を抑制して破壊を防止する。

本発明のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記上層抵抗体層の厚みは、前記下層抵抗体層の厚みと同じ或いはそれ以下とすることが好適である。

この構成により、上層抵抗体層の抵抗値を下層抵抗体層の抵抗値より高くでき、上層抵抗体層に流れる電流を適量にすることができる。また、上層抵抗体層の厚みを薄くするほど、より高いエネルギー効率を実現することができる。

本発明のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記上層抵抗体層は三元系合金抵抗体層からなり、前記下層抵抗体層は二元系合金抵抗体層からなることが好適である。具体的には、前記三元系合金抵抗体層はＴａＳｉＯ層又はＴａＳｉＮ層であり、前記二元系合金抵抗体層はＴａＮ層、ＴａＡｌ層、又はＨｆＢ₂層であることが好適である。また、前記三元系合金抵抗体層は表面を自己酸化させた自己酸化膜を有することが好適である。

この構成により、上記構成の２つの抵抗体層を容易に実現できる。また、上層抵抗体層としての三元系合金抵抗体層が自己酸化膜を有することで、耐インク腐食性を付与することができる。

本発明のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記薄膜抵抗体を発熱させるための電極層は、前記上層抵抗体層よりも下層に設けることが好適である。

この構成により、電極層を保護するための保護層を必要とせず、従来この保護層に覆われていた発泡に寄与しない余分な薄膜抵抗体層部分が不要なので、エネルギー効率がより効果的に向上する。また、電極層が完全に薄膜抵抗体層の下に覆われるので、従来のような電極保護層のインク腐食によるヒータ破壊などを防止できる。

本発明のインクジェット記録ヘッドにおいては、前記薄膜抵抗体を駆動するスイッチングトランジスタと、前記スイッチングトランジスタを駆動する駆動回路が設けられてなり、前記薄膜抵抗体と前記駆動回路を同じ電圧で駆動させることが好適である。また、前記薄膜抵抗体と前記駆動回路との駆動電圧は、３Ｖ以上１５Ｖ以下とすることが好適である。

この構成では、前記薄膜抵抗体と前記駆動回路を同じ電圧で駆動させるため、電源を１系統にでき、低コスト化が可能である。また、前記薄膜抵抗体と前記駆動回路との駆動電圧を上記範囲とすることで、ノイズによる誤動作を防止しつつスイッチングトランジスタのオン抵抗分の割合を低減させてエネルギー効率を向上させ、駆動回路面積を低減し小チップ化しつつ高速動作を実現できる。

本発明のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記インクが前記ノズルからインク液滴として吐出すると共に、前記ノズルを通して前記個別流路中に生成された気泡が大気に連通することが好適である。

この構成では、薄膜抵抗体からの熱エネルギによりインク中に発生した気泡の膨張によって個別流路におけるノズル付近に充填されたインクをノズルからインク液滴として吐出すると共に、このノズルを通して個別流路中に生成された気泡を大気に連通することで、薄膜抵抗体上の気泡が大気に排出され、薄膜抵抗体上におけるキャビテーションを防止できるので、例えば、厚さが数１０Åから数１００Åという非常に薄い自己酸化被膜を有する薄膜抵抗体のキャビテーションによる機械的破壊を防止し、薄膜抵抗体の寿命低下を効果的に防止できる。

一方、本発明のインクジェット記録装置は、上記本発明のインクジェット記録ヘッドを備えることを特徴としている。

この構成では、上述したような効果を奏する本発明のインクジェット記録ヘッドを採用したことにより、記録ヘッドに対する交換、修理等のメンテナンスを長期間に亘り不要にでき、かつ電力の消費量を低減できる。

本発明によれば、エネルギー効率とヒータ寿命とを共に向上させたインクジェット記録ヘッド、及びそれを備えたインクジェット記録装置を提供することができる。

以下、本発明について、図面を参照しつつ説明する。なお、実質的に同様の機能を有する部材には全図面通じて同じ符合を付与して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを備えたインクジェットプリンタを示す概略構成図である。

先ず、図１を参照し、本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド（以下、単に「記録ヘッド」という。）を備えたインクジェットプリンタについて簡単に説明する。インクジェットプリンタ１０（以下、単に「プリンタ」という。）は、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置から入力した画像情報に対応する画像を記録紙Ｐにインクを用いて記録するためのものである。

プリンタ１０には、外殻部としてケーシング１２が設けられると共に、このケーシング１２内にインクジェット記録ヘッド（以下、単に「記録ヘッド」という。）１４が配置されている。またプリンタ１０には、記録ヘッド１４を所定の主走査方向（図１の矢印Ｓ方向）へ移動させるためのキャリッジ機構（図示省略）及び記録紙Ｐを主走査方向と直交する副走査方向（図１の矢印Ｆ方向）へ搬送するための紙送り機構（図示省略）が設けられている。

ここで、記録ヘッド１４には、副走査方向（図１の矢印Ｆ方向）と平行方向に配列された複数のノズルが設けられており、これらのノズルは、記録される画像の解像度に応じたピッチ毎に配置されている。各ノズルからは、微小体積（本実施形態では、２ｐｌ〜１６ｐｌ）を有するインク液滴がそれぞれ吐出可能とされている。プリンタ１０では、記録ヘッド１４を走査方向へ所定の走査速度で移動させつつ、画像情報に応じて各ノズルからのインク液滴の吐出及び吐出停止を制御することにより、所定数の主走査ライン上の画像を記録紙Ｐ上に形成し、更に主走査ライン上への画像形成に同期して記録紙Ｐを所定のピッチ単位で搬送することで、記録紙Ｐへの二次元的な画像記録が可能になっている。

なお、本実施形態に係るインクジェットプリンタは、上記構成に限定されず、例えば、図１３に示す構成であっても良い。図１３に示すインクジェットプリンタは、記録ヘッド１４の幅が紙幅と同じまたはそれ以上であり、キャリッジ機構を持たず、副走査方向（図１３の矢印Ｆ方向）の紙送り機構のみで構成される。この場合、記録ヘッド１４は、単一のヘッドで構成される場合と複数のヘッドを並べて構成される場合がある。ここで、複数のノズルは、副走査方向（図１３の矢印Ｆ方向）と垂直方向に配列される。

図２及び図３には本発明の実施形態に係る記録ヘッドの構成が示されている。この記録ヘッド１４は、複数のノズル１６が穿設されたノズルプレート１８、ヘッダ部２０及び個別流路２２が形成された樹脂プレート２４、ヒータ２６及びインレット２８が設けられたＳｉ基板３０、インレット２８に接続されるインク供給口３２が形成されたマニホールド３４、マニホールド３４に接続されてインク供給口３２へインクを補充するためのインク供給管３６を備えている。記録ヘッド１４では、ノズルプレート１８、樹脂プレート２４及びＳｉ基板３０が厚さ方向（矢印Ｔ方向）に沿って互いに積層されて一体化され、これらがマニホールド３４上に固定されている。

ノズルプレート１８は、樹脂フィルムや金属板などを加工素材としており、レーザ加工やエッチングによりノズル１６が形成されている。また、樹脂プレート２４には、ＳＵ−８などが用いられ、個別流路２２及びヘッダ部２０がエッチングにより形成される。Ｓｉ基板３０を貫通しているインレット２８は、異方性エッチングにより形成されている。またＳｉ基板３０には、ヒータ２６及びインレット２８に加えて、図示されていない電極、スイッチングトランジスタ、駆動回路、パッド等が公知のＬＳＩプロセスにより形成されている。

インク供給管３６はマニホールド３４をインクタンク（図示省略）に接続しており、このインクタンクのインクは、インク供給管３６、インク供給口３２、インレット２８を通して樹脂プレート２４のヘッダ部２０へ供給され、ヘッダ部２０から櫛歯状に分岐した各個別流路２２にそれぞれ流入する。ヘッド非駆動時には、ノズル１６内におけるインクメニスカスによる毛管力とインクタンク内で発生している負圧とが釣り合い、各個別流路２２中のインクは静止状態となる。

図３（Ａ）の平面図及び（Ｂ）の断面図にはそれぞれ記録ヘッドにおける個別流路、ヒータ及びノズルが示されている。ノズルプレート１８には、図２に示されるように、複数のノズル１６が直線的に配列されたノズル列が２列設けられており、
ノズル列における各ノズル１６のピッチＰ（図３（Ａ）参照）は４２μｍとされ、また一方のノズル列におけるノズル１６と他方のノズル列におけるノズル１６とは互いに半ピッチずれて配置されている。

ヒータ２６のＳｉ基板３０表面に沿った面形状は、ノズル１６に対する軸対称性、アスペクト比に依存するヒータ抵抗値、加工性などの観点から略正方形とされている。例えば、ヒータ２６の面形状をアスペクト比が大きい長方形とすると、ノズル１６に対する軸対称性が低下することにより、噴射方向性やエネルギ効率が低下し易くなると共に、ヒータ抵抗値の変動が大きくなって駆動上の問題が発生し易くなる。ここで、駆動上の問題とは、例えば、アスペクト比が１より大きくなりすぎると、ヒータ抵抗値が大きくなるので、駆動電圧を上げなければならず、これに対応するためにドライバトランジスタや電源を大型化しなければならないことであり、一方でアスペクト比が１より小さくなりすぎると、ヒータ抵抗値が小さくなるので、抵抗値の減少に従って駆動電流を増やさなければならず、これに対応するために電極を大型化しなければならないことである。

また、個別流路２２のＳｉ基板３０表面に沿った流路形状は主走査方向を長手方向とする長方形とする。すなわち、一般に、個別流路２２におけるインレット２８側の端部に絞り部を設けることにより、気泡の圧力がインレット側へ逃げる割合を調整する方法も多く用いられているが、絞り部の寸法精度を十分に高くできないと、各ノズル間に吐出特性のばらつきが生じ易い。このため、個別流路２２の流路形状を単純な長方形としたものである。

また、２列のノズル１６列はお互いに半ピッチずれて配置されていて、例えば、１列のノズルが６００ｄｐｉで並んでいれば、１回のヘッドスキャンで１２００ｄｐｉが達成できる。

Ｓｉ基板３０上のヒータ２６は、図４に示すように、三元系合金抵抗体層からなる上層抵抗体層４０と、二元系合金抵抗体層からなる下層抵抗体層４２との２つの抵抗体層で構成し、上層抵抗体層４０の体積抵抗率又は抵抗値を下層抵抗体層４２の体積抵抗率又は抵抗値よりも高く設定している。以下、体積抵抗率又は抵抗値を称して「ヒータ抵抗値」ということがある。そして、上層抵抗体層４０としての三元系合金抵抗体層には、表面を自己酸化させた自己酸化膜４４が設けられている。また、ヒータ２６はＳｉ基板３０に設けられた絶縁膜（ＳｉＯ₂膜）などからなる蓄熱層４６上に設けられている。なお、下層抵抗体層４２とはヒータ２６（薄膜抵抗体）が設けられる基板（Ｓｉ基板３０）側に設けられる抵抗体層であり、上層抵抗体層４０とはインク流路側に設けられる層である。

上層抵抗体層４０のヒータ抵抗値は、下層抵抗体層４２のヒータ抵抗値よりも１．１倍以上１０倍以上にすることが好ましく、より好ましくは１．５倍以上５倍以下であり、さらに好ましくは１．７倍以上３倍以下である。

この上層抵抗体層４０と下層抵抗体層４２との抵抗比が小さすぎると、上層抵抗体層４０に流れる電流の割合が増加し、上層抵抗体層４０がキャビテーションでダメージを受けた場合、上層抵抗体層４０の一部で電流集中が生じやすくなりヒータ２６が破壊することがある。また、抵抗比が大きすぎると下層抵抗体層４２にほとんどの電流が流れることになり、ヒータ２６に過電流が流れた場合にヒータ寿命が短くなることがある。

上層抵抗体層４０の体積抵抗率として具体的には、８．００×１０^-4〜２０．００×１０^-4Ωｃｍ程度が好ましく、一方、上層抵抗体層４０の抵抗値として具体的には、８０〜２００Ω程度が好ましい。ここで、ヒータ長さとは電流方向の長さ、ヒータ幅とは電流と垂直方向の長さのことである。

下層抵抗体層４２の体積抵抗率として具体的には、３．００×１０^-4〜８．００×１０^-4Ωｃｍ程度が好ましく、一方、下層抵抗体層４２の抵抗値として具体的には、３０〜８０Ω程度が好ましい。

ここで、抵抗値は、スイッチング回路などの駆動回路がないヒータと電極のみのテストチップ（ＴＥＧ）を用いて測定される。また、体積抵抗率は、前述のようにして測定された抵抗値と、ヒータ長さ、ヒータ幅、ヒータ膜厚から計算して求められる。

また、上層抵抗体層４０の厚みは、下層抵抗体層４２の厚みと同じ或いはそれ以下にすることが好ましい。上層抵抗体層４０の厚みが下層抵抗体層４０の厚みより大きいと、エネルギー効率が低減してしまう一方で、上層抵抗体層に多くの電流が流れ、前述のような効果が得られない。

上層抵抗体層４０の厚みとして具体的は、０．０５〜０．１０μｍ程度が好ましい。一方、下層抵抗体層４２の厚みとして具体的は、０．１０〜０．２０μｍ程度が好ましい。

上層抵抗体層４０としての三元系合金抵抗体層は、具体的には、ＴａＳｉＯ層、ＴａＳｉＮ層が好適に挙げられる。また、下層抵抗体層４２としての二元系合金抵抗体層は、具体的には、ＴａＮ層、ＴａＡｌ層、ＨｆＢ₂層が好適に挙げられる。

ここで、ヒータ２６においては、ヒータ抵抗値により駆動電圧、すなわち電源電圧が決まることから、ヒータ２６の体積抵抗率及び抵抗値が適正な範囲にあることが重要である。また、共通電極に流せる限界電流に応じて、複数のヒータは、いくつかのグループに分けられ、タイミングをずらして駆動される。駆動エネルギが一定とすると、ヒータ２６の体積抵抗率及び抵抗値が高い方がヒータ２６の電流値は低くなり、同時駆動ヒータ数を増やすことができ、吐出サイクルの高速化ができるが、駆動電圧が高くなり電源が大型化してしまう。ヒータ抵抗値が低い場合は、駆動電圧が低くなる一方で電流値が増加してしまう。以上のように、ヒータ２６の体積抵抗率及び抵抗値は、電源やプリント速度に影響を与える重要なパラメータであり、これが適正範囲にあることが非常に重要である。上層抵抗体層４０としての三元系合金抵抗体層は、組成比によりヒータ抵抗値を調整することができ、体積抵抗率及び抵抗値を適正範囲に設定しやすい利点がある。また、三元系合金および二元系合金の薄膜抵抗体層は、反応性スパッタリング法により容易に成膜でき、エッチングにより容易にパターニングできるという利点もある。

上層抵抗体層４０としての三元合金抵抗体層は、形成された後に熱処理によって厚さ数１０Åから数１００Åの自己酸化膜４４を形成することができる。

上層抵抗体層４０及び下層抵抗体層４２（ヒータ２６）にパルス通電をして発熱させるための電極層４８（共通電極、信号電極）は、ヒータ２６よりも下層側（Ｓｉ基板３０側）に設けられているが、この形態に限定されることはなく、図５に示すように、上層抵抗体層４０と下層抵抗体層４２に電極層４８を挟持した形態でもよく、図６に示すように、ヒータ２６上（Ｓｉ基板３０とは反対側）に電極層４８を設けた形態でもよい。しかし、ヒータ２６上に電極層４８を設けた場合、電極保護層５０を設ける必要があり、この電極保護層５０の一部はヒータ２６の発熱部上に積層されるので、ヒータ寿命やエネルギー効率を低下させるため、電極層４８は少なくとも上層抵抗体層４０よりも下層に設ける方が好ましい。

ここで、図７に、本発明の実施形態に係るヒータ及びその周辺の具体的な構成の一例を示す。また、比較のために、図８及び図９には、従来のヒータ及びその周辺の具体的構成（比較例１〜比較例２）を示す。図７に示す本実施形態は、Ｓｉ基板３０上にＳｉＯ₂膜：２．８μｍ（蓄熱層４６）、ＴａＮ膜：０．１μｍ（下層抵抗体層４２）、ＴａＳｉＯ膜：０．１μｍ（上層抵抗体層４０）、及びＴａＳｉＯ膜の自己酸化膜４４：０．０１μｍを順次積層し、Ａｌからなる電極層４８をＴａＮ膜（下層抵抗体層４２）の下層に設けた構成である。図８に示す比較例１は、Ｓｉ基板３０上にＳｉＯ₂膜：２．８μｍ（蓄熱層４６）、ＴａＳｉＯ膜：０．１μｍ（ヒータ２６）、及びＴａＳｉＯ膜の自己酸化膜４４：０．０１μｍを順次積層し、Ｎｉからなる電極層４８をＴａＳｉＯ膜（ヒータ２６）の上層に設けた構成である。図９に示す比較例２は、Ｓｉ基板３０上にＳｉＯ₂膜：２．８μｍ（蓄熱層４６）、及びＴａＮ膜：０．１μｍ（ヒータ２６）を順次積層し、Ａｌからなる電極層４８をＴａＮ膜（ヒータ２６）の上層に設け、さらに、ＳｉＮ膜：０．２μｍ（絶縁層５２ａ）及びＴａ膜：０．５μｍ（金属保護膜５２ｂ）からなる保護層５２を全面に覆った構成である。また、いずれのヒータサイズも、２３μｍ×２３μｍの正方形（アスペクト比１）である。

これらのヒータについてエネルギー効率、ヒータ寿命（耐キャビテーション性、耐インク腐食性）について調べた。各ヒータの抵抗値、実験条件と共に結果を示す。なお、評価方法は以下の通りである。

―実験条件―
ドロップ速度が飽和領域に達するときの電圧、電流、エネルギーの各しきい値を、駆動電圧、駆動電流、駆動エネルギーとした。ここで、ドロップ速度の飽和領域とは、あるしきい値電圧以上においてノズルから噴射される液滴の速度（ドロップ速度）が一定になる領域のことである。ここで、駆動パルス幅は１．０μｓｅｃに固定した。インクとして、粘度２．０ｍＰａ・ｓ、表面張力３７．０ｍＮ／ｍの水性染料インクを使用した。

―エネルギー効率―
ドロップ速度が飽和領域に達したときの駆動エネルギーについて調べ、エネルギー効率を評価した。評価基準は以下の通りである。
◎：駆動エネルギーが０．７μＪ未満。
○：駆動エネルギーが０．７μＪ以上０．８μＪ未満。
△：駆動エネルギーが０．８μＪ以上。

―ヒータ寿命（耐キャビテーション性）―
耐キャビテーション性は、ヒータがキャビテーションにより破壊されるパルス数を調べ、評価した。評価基準は以下の通りである。
◎：パルス数が２×１０⁹パルス以上
○：パルス数が１×１０⁹パルス以上２×１０⁹パルス未満
△：パルス数が１×１０⁹パルス未満

―ヒータ寿命（耐インク腐食性）―
耐インク腐食性は次のように調べて評価した。各ヒータのサンプルチップをインク中に浸漬し、７０℃・３００時間の加速試験を行った後、ヒータ表面の電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察やヒータの膜厚測定と抵抗値測定などを行い、異常変化がなければ○、異常変化があれば×という評価基準を用いた。

表１の結果から、本実施形態のヒータは、高エネルギー効率化とヒータ長寿命化を両立できることがわかる。また、上層抵抗体層表面の自己酸化膜を保護層とすることで、エネルギー効率及び耐キャビテーション性のみならず、耐インク腐食性をも両立可能であることがわかる。

このように本実施形態では、ヒータ２６として、三元系合金抵抗体層からなる上層抵抗体層４０と二元系合金抵抗体層からなる下層抵抗体層４２との２層構成として、なおかつ上層抵抗体層４０のヒータ抵抗値を下層抵抗体層の体積抵抗体率又は抵抗値よりも高くすることで、エネルギー効率とヒータ寿命を両立させて向上させることができる。これは、従来の金属保護膜と比べると薄い上層抵抗体層４０に保護膜としての機能も持たせることで、エネルギー効率を低下させる膜厚が厚い保護膜を必要とせず、一方で、上層抵抗層より下層抵抗層に、より多くの電流を流すことで、例えばキャビテーションにより上層抵抗体層が多少ダメージを受けても、電流の大部分が流れるのは下層抵抗体層であるので、上層抵抗層の一部での電流集中による破壊が発生し難くなるためである。また、上層抵抗体層４０にも電流を流しヒータ２６として機能させるため、下層抵抗体層４２の電流密度を低下させることができる。これにより薄膜抵抗体層自体に過電流が流れた場合、下層抵抗体層への電流集中を緩和することができる。

ところで、記録ヘッド１４のＳｉ基板３０には、図１０に示すように、ヒータ２６を駆動するスイッチングトランジスタ５４と、スイッチングトランジスタ５４を駆動する駆動回路５６が設けられている。スイッチングトランジスタ５４はヒータ２６毎に設けられている。また、駆動回路５６はシフトレジスタ回路５８及びラッチ回路６０などから構成されている。

ヒータ２６は、次のようにして、画像データに応じ選択的にパルス通電される。画像データ信号が、まず、クロック信号に応じてシフトレジスタ回路５８に入力され、次に、ラッチ信号に応じてシフトレジスタ回路５８からラッチ回路６０にラッチされ、最後に、画像データ信号とエネーブル信号に応じてスイッチングトランジスタ５４がオンオフされて、ヒータ２６が選択的にパルス通電され、発熱駆動される。なお、エネーブル信号はヒータ２６に通電させるパルス波形を規定する信号である。

このように駆動されるヒータ２６は、上述のようにエネルギー効率が良いため、駆動電流を増加させることなく駆動電圧を低くできる。これにより、同じＳｉ基板３０上に設けてあるスイッチングトランジスタ５４の駆動回路５６の駆動電圧と、ヒータ２６の駆動電圧とを同じに設定して、従来それぞれに対応して２系統あった電源をひとつに統一することができる。また、ヒータ２６の駆動電圧が従来より低くなることによって、電源を１系統にできるだけでなく、ヒータ２６をスイッチングするスイッチングトランジスタ５４を小型化でき、小チップ化によって低コスト化が可能となる。なお、上記比較例１及び２においては、駆動電圧を低くするためにはヒータ２６（ＴａＳｉＯ膜や、ＴａＮ膜）の厚みを２倍以上にする必要があり、作製の観点からコスト高になりエネルギー効率も低下する一方で、駆動電流も増加するので共通電極が同じならば同時駆動ヒータ数を減らさなければならない。

このヒータ２６と駆動回路５６の駆動電圧は、３Ｖ以上１５Ｖ以下とすることが好ましく、より好ましくは、３Ｖ以上１２Ｖ以下であり、さらに好ましくは３Ｖ以上６Ｖ以下である。この駆動電圧が低すぎると、ノイズに弱くなり誤動作し易くなるばかりでなく、スイッチングトランジスタ５４のオン抵抗分の割合が増加し、エネルギー効率が悪くなる。また、駆動電圧が高すぎると、駆動回路５６の面積が大型化し、コストが高くなるばかりでなく、高速動作に不利になる。

さらに、駆動電圧が、１５Ｖ、１２Ｖ、５Ｖなど、汎用の電源電圧と同じであれば、特別な変圧回路を設ける必要がなく、さらなる低コスト化が可能となる。

次に、図１１に本実施形態に係る記録ヘッドにおけるインク液滴噴射時の気泡の発生から消滅までの状態を時系列的に示し、この本実施形態との比較のために、図１２には従来の記録ヘッドにおけるインク噴射時の気泡の発生から消滅までの状態を時系列的に示す。

まず、従来の記録ヘッドによるインク液滴噴射時の気泡状態を説明する。図１２（Ａ）に示される初期状態からヒータ１００へ所定パターンの駆動パルスを通電することにより、図１２（Ｂ）に示されるように、ヒータ１００上の一部のインクＩが急速に加熱されて相変化することで、ヒータ１００上には高圧の気泡Ｂが発生する。この気泡Ｂは、図１２（Ｃ）〜（Ｅ）に示されるように、高圧時に発生したインクＩの慣性力により膨張し、この膨張に従って気泡Ｂ内は減圧していき、その慣性力と減圧された内圧が釣り合った時に、図１２（Ｆ）に示されるように最大体積となる。

気泡Ｂは、最大体積に達した後、図１２（Ｇ）、（Ｈ）に示されるように、インクＩの静圧を受けて収縮していく。この気泡Ｂは、図１２（Ｉ）に示されるように、ヒータ１００上で消滅し、消滅時にキャビテーションを引き起こす。この気泡Ｂの発生から消滅までの間に、図１２（Ｆ）に示されるように、気泡Ｂの膨張及び収縮の作用によりノズル１０２から所定体積のインク液滴Ｄが噴射される。このインク液滴Ｄの噴射後に、図１２（Ｊ）に示されるようにノズル１０２内には、毛管力によりインクＩが個別流路１０４から再供給される。

上記のように、従来の記録ヘッドでは、気泡Ｂがヒータ１００上で消滅することからキャビテーションが生じ、このキャビテーションが繰り返されることにより、ヒータ２６（ヒータ２６に設けられた自己酸化膜）が機械的に破壊されて行き、ヒータの寿命が短くなっていた。

次に、本実施形態の記録ヘッドによるインク噴射時の気泡状態を説明する。図１１（Ａ）に示される初期状態からヒータ２６へパルス通電することにより、図１１（Ｂ）に示されるようにヒータ２６上に高圧の気泡Ｂが発生する。この気泡Ｂは、図１１（Ｃ）〜（Ｄ）に示されるように高圧時に発生したインクＩの慣性力により膨張して行き、図１１（Ｅ）に示されるように、その膨張過程においてインク液滴Ｄをノズル１６から噴射させると共に、インク液滴Ｄの噴射と略同時に、ノズル１６を通して大気と連通する。その後、図１１（Ｆ）〜（Ｊ）に示されるように、毛管力によりインクが再供給される。

上記したような、本実施形態の記録ヘッド１４におけるインク噴射時の一連の動作では、ヒータ２６上にキャビテーションが発生せず機械的破壊が生じない。

本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを用いたインクジェットプリンタの概略を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの構成を示す分解斜視図である。 図２に示されるインクジェット記録ヘッドの平面図及び側面断面図である。 本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドにおけるヒータ及びその周辺の構成を示す概略断面図である。 本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドにおけるヒータ及びその周辺の他の構成を示す概略断面図である。 本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドにおけるヒータ及びその周辺の他の構成を示す概略断面図である。 本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドにおけるヒータ及びその周辺の具体的構成を示す概略断面図である。 従来のインクジェット記録ヘッドにおけるヒータ及びその周辺の具体的構成を示す概略断面図である。 従来のインクジェット記録ヘッドにおけるヒータ及びその周辺の具体的構成を示す概略断面図である。 本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドにおけるヒータ、スイッチングトランジスタ及び駆動回路を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る記録ヘッドにおけるインク噴射時の気泡の発生から消滅までの状態が時系列的に示された側面断面図である。 従来の記録ヘッドにおけるインク噴射時の気泡の発生から消滅までの状態が時系列的に示された側面断面図である。 本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを用いたインクジェットプリンタの別の概略を示す斜視図である。

符号の説明

１０ インクジェットプリンタ
１２ ケーシング
１４ インクジェット記録ヘッド
１６ ノズル
１８ ノズルプレート
２４ 樹脂プレート
２６ ヒータ
２８ インレット
３０ Ｓｉ基板
３２ インク供給口
３４ マニホールド
３６ インク供給管
４０ 上層抵抗体層
４２ 下層抵抗体層
４４ 自己酸化膜
４６ 蓄熱層
４８ 電極層
５０ 電極保護層

Claims (13)

1. インクを吐出するためのノズルと、
   前記ノズルに連通し、インクが充填される複数本の個別流路と、
   前記個別流路の内面の一部を形成する基板と、
   前記個別流路における前記ノズル付近に配置されるように前記基板上に設けられる薄膜抵抗体と、
   を有するインクジェット記録ヘッドであって、
   前記薄膜抵抗体は、異なる材料からなる２つの抵抗体体層を順次積層した積層体から構成され、
   上層抵抗体層の体積抵抗率を、下層抵抗体層の体積抵抗体率よりも高くする、
   ことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 前記上層抵抗体層の体積抵抗率を、前記下層抵抗体層の体積抵抗率の１．１倍以上１０倍以下とすることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
3. インクを吐出するためのノズルと、
   前記ノズルに連通し、インクが充填される複数本の個別流路と、
   前記個別流路の内面の一部を形成する基板と、
   前記個別流路における前記ノズル付近に配置されるように前記基板上に設けられる薄膜抵抗体と、
   を有するインクジェット記録ヘッドであって、
   前記薄膜抵抗体は、異なる材料からなる２つの抵抗体体層を順次積層した積層体から構成され、
   上層抵抗体層の抵抗値を、下層抵抗体層の抵抗値よりも高くする、
   ことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
4. 前記上層抵抗体層の抵抗値を、前記下層抵抗体層の抵抗値の１．１倍以上１０倍以下とすることを特徴とする請求項３に記載のインクジェット記録ヘッド。
5. 前記上層抵抗体層の厚みは、前記下層抵抗体層の厚みと同じ或いはそれ以下とすることを特徴とする請求項１又は３に記載のインクジェット記録ヘッド。
6. 前記上層抵抗体層は三元系合金抵抗体層からなり、前記下層抵抗体層は二元系合金抵抗体層からなることを特徴とする請求項１又は３に記載のインクジェット記録ヘッド。
7. 前記三元系合金抵抗体層は表面を自己酸化させた自己酸化膜を有することを特徴とする請求項６に記載のインクジェット記録ヘッド。
8. 前記三元系合金抵抗体層はＴａＳｉＯ層又はＴａＳｉＮ層であり、前記二元系合金抵抗体層はＴａＮ層、ＴａＡｌ層、又はＨｆＢ₂層であることを特徴とする請求項６に記載のインクジェット記録ヘッド。
9. 前記薄膜抵抗体を発熱させるための電極層は、前記上層抵抗体層よりも下層に設けることを特徴とする請求項１又は３に記載のインクジェット記録ヘッド。
10. 前記薄膜抵抗体を駆動するスイッチングトランジスタと、前記スイッチングトランジスタを駆動する駆動回路が設けられてなり、前記薄膜抵抗体と前記駆動回路を同じ電圧で駆動させることを特徴とする請求項１又は３に記載のインクジェット記録ヘッド。
11. 前記薄膜抵抗体と前記駆動回路との駆動電圧は、３Ｖ以上１５Ｖ以下とすることを特徴とする請求項１０に記載のインクジェット記録ヘッド。
12. 前記インクが前記ノズルからインク液滴として吐出すると共に、前記ノズルを通して前記個別流路中に生成された気泡が大気に連通することを特徴とする請求項１又は３に記載のインクジェット記録ヘッド。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッドを備えたインクジェット記録装置。

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