JP3194465B2 - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

インクジェット記録ヘッド

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JP3194465B2 JP34048695A JP34048695A JP3194465B2 JP 3194465 B2 JP3194465 B2 JP 3194465B2 JP 34048695 A JP34048695 A JP 34048695A JP 34048695 A JP34048695 A JP 34048695A JP 3194465 B2 JP3194465 B2 JP 3194465B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】本発明は、熱エネルギを利用してインク液
滴を記録媒体に向けて飛翔させる形式のインクジェット
記録ヘッドに関するものである。
【0002】
【従来の技術】パルス加熱によってインクの一部を急速
に気化させ、その膨張力によってインク液滴をオリフィ
スから吐出させる方式のインクジェット記録装置は特開
昭48−9622号公報、特開昭54−51837号公
報等によって開示されている。
【0003】このパルス加熱の最も簡便な方法は発熱抵
抗体にパルス通電することであり、その具体的な方法が
日経メカニカル1992年12月28日号58ページ、
及びHewlett-Packard-Journal,Aug.1988で発表されてい
る。これら従来の発熱抵抗体の共通する基本的構成は、
薄膜抵抗体と薄膜導体を酸化防止層で被覆し、この上に
該酸化防止層のキャビテーション破壊を防ぐ目的で、耐
キャビテーション層を1〜2層被覆するというものであ
った。
【0004】この複雑な多層構造を抜本的に簡略化する
ものとして、本出願人が先に出願した特開平06−71
888号公報に記載のように、前記酸化防止層と耐キャ
ビテーション層を不要とする発熱抵抗体を用いて印字す
る方法がある。
【0005】しかし、このプリントヘッドに種々の水性
インクを充填してフルカラー印刷を行っていたところ、
設計寿命を下廻るヘッドが出現することが分かった。そ
こで詳細な検討を行ったところ、寿命的に問題のなかっ
たヘッドのインクは比抵抗が大きい中性の水性インクで
あったこと、設計寿命を下廻るヘッドのインクは比抵抗
が102〜103Ωcmと小さく、PH=8〜9と非中性で
あることが分かった。すなわち、薄膜抵抗体が電蝕によ
って破壊されていたのである。
【0006】そこで、この問題に対処するため、本発明
者はTa−Si−SiO合金薄膜抵抗体を高温熱酸化処
理することによって、薄くて電気絶縁性に優れた自己酸
化被膜をこの薄膜抵抗体表面に形成する方法を開発した
(特願平07−43968号参照)。これによって非中
性の電解質水性インクに対しても、電蝕による破壊を完
全に防ぐことができるようになった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかし、Ta−Si−
SiO合金薄膜抵抗体とはいえ、全ての組成でこのよう
な優れた特性を示すものでないことも分かってきた。
【0008】本発明は、サーマルインクジェットプリン
トヘッドの薄膜抵抗体として不可欠な特性を有する組成
比等の条件を明らかにし、これを利用して高熱効率のプ
リントヘッドを提供することを課題とする。
【0009】なお、上記抵抗体はTa−Si−O系の三
元合金薄膜抵抗体として取り扱うのが良いことが分かっ
たので、以下そのように取り扱うことにする。
【0010】上記課題は、インク吐出口近傍に設けられ
た薄膜抵抗体を有する発熱抵抗体にパルス通電すること
によってインク液路中のインクの一部を急速に気化さ
せ、この気泡の膨張力によって前記インク吐出口から液
滴状インクを吐出させて記録するインクジェット記録ヘ
ッドにおいて、前記薄膜抵抗体は、Ta−Si−O三元
合金薄膜抵抗体であって、Ta、SiおよびOの組成
が、Ta、SiおよびOの三元成分図において、Taの
組成が64原子%以上85原子%以下、Siの組成が5
原子%以上26原子%以下およびOの組成が6原子%以
上15原子%以下の範囲で定まる領域内にある組成であ
ることを特徴とするインクジェット記録ヘッドによって
達成される。
【0011】前記発熱抵抗体は、Ni金属薄膜導体を有
するのが好ましく、前記Ta−Si−O三元合金薄膜抵
抗体は、TaとSiからなるターゲットを用いた反応性
スパッタリング法によって形成されたものであるのが好
ましい。
【0012】前記Ta−Si−O三元合金薄膜抵抗体
は、表面に絶縁性酸化被膜が形成されているのが好まし
い。
【0013】
【発明の実施の態様】以下、本発明を詳細に説明する。
【0014】(a)薄膜作成方法と検討した合金薄膜の
組成範囲 先ず、本発明の発熱抵抗体の製造方法と、検討したTa
−Si−O三元合金薄膜(以下Ta−Si−O薄膜とい
う)の組成範囲について述べる。
【0015】Ta−Si−O薄膜はDCスパッタ装置に
よって形成した。この薄膜の成分比、比抵抗、熱酸化特
性等は、薄膜のみを基板上に形成したものを用いて計測
評価した。
【0016】一方、SST特性(ステップアップストレ
ス試験)、パルス印加試験等には薄膜の形成後、直ちに
同じスパッタ装置内でNi金属薄膜を高速スパッタ法で
約1μmの厚さに積層し、これをフォトエッチングによ
って所定の発熱抵抗体の形状に加工したものを用いた。
【0017】具体的には、Ta−Si−O薄膜は以下の
ように形成した。TaとSiを所定の面積比(例えばT
aの面積:Siの面積=70:30)に調整したターゲ
ットを熱酸化したSi基板に対向させ、DCスパッタ装
置の真空槽内に設定した。真空槽内を5×10~7Torr以
下に排気した後、所定の酸素量を含有するアルゴンガス
を導入し、アルゴンガス分圧1〜30mTorr、酸素ガス
分圧1×10~4〜1mTorrの雰囲気のもと、上記ターゲ
ットに400V〜10kVの電圧を印加してグロー放電
を起こし、Si基板上に所定の成分を有するTa−Si
−O薄膜を反応性スパッタリングにより形成した。Ta
−Si−O薄膜の生成時、Si基板は回転させたが、該
Si基板のベーキング以外は特別な加熱は行っていな
い。なお、形成したTa−Si−O薄膜の膜厚は約10
00Åであった。
【0018】検討したTa−Si−O薄膜の組成は広い
範囲に及んでいるが、ここでは表1に示す10種類の特
徴的な薄膜について述べる。なお、これら10種類のT
a−Si−O薄膜はいずれも上記の製造方法によって生
成されたもので、Ta、SiおよびOの組成比率は、タ
ーゲットのTa/Siの面積比と酸素分圧を変えること
によって得られたものである。
【0019】
【表1】
【0020】また、表1に示した10種類の薄膜を、金
属学で一般に用いられている三元系合金の成分比を表す
図表に示したのが図1である。これらの成分比は化学分
析と走査形オージェ電子分光分析によって同定したもの
である。ここに示されている試料のうち、〜はほぼ
一直線状に並んでいるので、各種特性をこの直線に沿っ
た傾向として見ることにし、その上下への変化をと
、及びと(10)の試料から判断することにする。な
お、以下に示す図2、図5、図6、図8及び図10のグ
ラフの横軸は前記直線に相当する。
【0021】(b)Ta−Si−O薄膜の基本的特性 前記10種類のTa−Si−O薄膜の比抵抗を図2に示
す。発熱抵抗体として利用できる比抵抗は0.5mΩcm
を下限とすると、〜が合格と言えよう。これに対
し、と(10)の比抵抗は0.2mΩcmと小さく、100
Ω程度の発熱抵抗体を形成するにはTa−Si−O薄膜
の厚さが約200Åとなり、実用困難であるので以下の
評価から除外する。
【0022】これらの薄膜を大気中で熱酸化させた時の
抵抗値変化の様子の一例を、図3(試料)と図4(試
料)に示す。これらはTa−Si−O薄膜を大気中で
10℃/minのスピードで加熱し、最高温度500℃
で10分放置後、再び10℃/minのスピードで冷却
させた時の抵抗変化率を%で示したものである。
【0023】
【数1】
【0024】この熱酸化処理によってTa−Si−O薄
膜はその表面から約100Åの深さまで酸化され、その
部分の体積も増えて緻密化し、約200Åの厚さの均質
で無欠陥の絶縁性被膜となることを種々の方法で確認し
ている。そして、一旦熱酸化処理された合金薄膜は50
0℃以下の再加熱に対して非常に安定となる。これは全
ての試料で確認されているほぼ共通の特性である。
【0025】試料〜について、上記と同条件で熱酸
化処理を行って室温に戻した時の抵抗値変化を図5に示
す。この結果から、試料及びは熱酸化処理によって
抵抗値がバラツキ易く、発熱抵抗体として利用するのが
難しいことが予想される。
【0026】さて、図3及び図4にも見られるように、
この薄膜の350℃までの抵抗温度係数は負である。こ
の係数が負の場合、定電圧駆動法が一般的に適用される
インクジェットデバイスでは、発熱抵抗体の温度が上昇
するに従って発熱抵抗体の抵抗値が減少し、投入される
電力が自動的に増加する。すなわち、この負の係数の値
が大きいと発熱抵抗体は暴走し易く、信頼性は低下す
る。従って、試料〜をインクジェットデバイスの発
熱抵抗体として用いる場合、図6に示すように、試料
及びは試料〜に比較して不適当と考えられる。こ
れに対し、、は−14%〜−18%の範囲にあり、
一応合格と考えて良い。これ以後、とについてはデ
ータは付記するが説明からは除外する。
【0027】(c)発熱抵抗体の大気中におけるパルス
印加特性 その上面に約2μm厚さの熱酸化SiO2層を持つSi
基板上に、Ta−Si−O薄膜とNi金属薄膜を順次積
層形成し、フォトエッチングによって50μm□の発熱
抵抗体を形成した。そして、この発熱抵抗体に、例えば
1.5W×100μsecのパルス電力を5KHzの周
波数で60秒間、大気中で印加し、Ta−Si−O薄膜
のみを500〜600℃に加熱して、その表面に絶縁性
酸化被膜を形成した。このパルス熱酸化処理による抵抗
変化は意外に小さく、±3%以内であった。以下、上記
熱処理条件を標準熱処理条件と呼ぶことにする。
【0028】一般に熱酸化被膜の絶縁耐圧はバルク値に
近く、本発明においても〜10V/100Åと推定され
る。この発熱抵抗体に印加される実稼動電圧は15〜2
0V程度であり、電解質インクを通しての必要耐圧は数
Vもあれば充分と推定できる。すなわち、絶縁性酸化被
膜の必要膜厚は数10Åと考えている。なお、このよう
にパルス通電によって熱酸化させるのは、薄膜導体であ
るNiを酸化させないためと、本発明を適用しようとす
る実デバイスでは同一Si基板上に形成されているドラ
イバ回路に悪影響を及ぼさない方法となるためである。
【0029】これ以降の内容は、特に断わらない限りパ
ルス熱酸化処理済みの発熱抵抗体を使用したものであ
る。
【0030】上記のように形成されたTa−Si−O薄
膜とNi金属薄膜からなる発熱抵抗体を水性インク中
(イエローインク)に沈めてパルス通電し、ストロボ観
察しながら核沸騰が始まる印加電力を調べたところ、
2.7W×1μsecとなることが分かった。そこで、
以下の実験では、約10%の過電力となる3.0W×1
μsecのパルス通電を10KHzの繰り返し周波数で
印加する方法を標準パルス印加条件と呼ぶことにする。
【0031】すなわち、このパルス通電による発熱抵抗
体の到達温度は300〜330℃であり、平均昇温速度
は3×108℃/secである。また、このような沸騰
をオープンプール沸騰と呼び、発熱抵抗体の近傍に天井
とか隔壁のある状態で沸騰させることをクローズドプー
ル沸騰と呼ぶことにする。
【0032】なお、この発熱抵抗体を空気中で標準パル
ス印加条件で1億パルス連続印加させても、その抵抗変
化は2〜3%以内であり、耐パルス性と耐酸化性に優れ
ていることは確認済みである。
【0033】(d)水性インク中での耐電蝕性とSST
評価 まず、この発熱抵抗体の耐電蝕性のみを評価するために
次のような実験を行った。すなわち、標準パルス印加条
件のうち、印加電力のみを2.5Wに下げて水性インク
中で連続印加試験を行った。この場合、印加電圧は実駆
動電圧の91%であり、充分な電蝕試験となっているこ
とが分かる。
【0034】この印加条件では核沸騰は発生せず、キャ
ビテーション破壊も起こっていない。1億パルスまでの
この非発泡試験に〜の全試料が合格し、抵抗値は全
く変化しなかった。すなわち、絶縁性熱酸化被膜はTa
−Si−O薄膜を電蝕から完全に防護し、保護膜を持た
ないNi金属薄膜の電極は正極のみが若干電蝕される
が、導体として何らの不都合も認められなかった。
【0035】なお正極側のNi金属薄膜については、本
発明者の発明になる特願平07−43968号に記載し
た耐熱性隔壁でこの正極をカバーする方法を採用する
と、その電蝕も完全に防護することが可能である。
【0036】次に、この発熱抵抗体のインク中での過負
荷耐力をステップアップストレス試験(以下SSTとい
う)で評価した。ここでのSST評価とは、深さ300
μmの水性インクのオープンプールで、ヒータに1μs
ecの印加パルスを2KHzの周波数で1ステップ10
4パルス印加し、各ステップ毎に抵抗値の変化を計測し
て破断するまで印加電力を増大させる評価方法である。
印加電力は0.2W/ステップで増大させた。
【0037】その一例として、試料の結果を図7に示
す。約2.7Wから核沸騰が始まっているので、この3
〜4倍の印加電力まで試料は耐えられることが分か
る。すなわち、実稼動状態にあるこのヒータに異常電圧
が印加されても、破壊に至るまでには充分大きな余裕が
見込めるのである。他の試料についての結果も含めて図
8に示すが、特に〜の組成範囲が高い信頼性を有し
ていると判断できる。
【0038】(e)水性インクのオープンプール沸騰で
の寿命評価 300μmの深さの水性インクのオープンプール沸騰の
条件で発熱抵抗体の耐キャビテーション性を評価した。
パルス印加条件は標準パルス印加条件であり、ヒータの
破壊寸前まで核沸騰が正常に発生していることをストロ
ボ観察によるモニタで確認している。なお、試験に使用
した水性インクはイエローインクのほか、市販のインク
ジェットデバイスに使用されている数種類の電解質イン
クであるが、寿命試験の結果に差異は認められなかっ
た。また、インクのPHがアルカリ性か酸性かによる差
異も認められなかった。更に顔料タイプと染料タイプの
インクによる差異も認められなかった。
【0039】試料に関するこの寿命試験の結果を図9
に示す。
【0040】ここで、aは試料に標準熱処理条件での
熱処理は行わず、その代り大気中での標準パルス印加条
件(3.0W×1μsec、10KHz)で10分間印
加しただけの試料である。すなわち、発熱抵抗体のピー
ク温度が330℃前後と推定されるパルス加熱を6×1
6回実施しただけである。一方、bは標準熱処理条件
よりもピーク温度の低い1.2W×100μsecのパ
ルス電力を5KHzの周波数で60秒間、大気中で印加
したものである。cは標準熱処理条件で熱酸化処理を行
ったものである。
【0041】以上、同一組成のTa−Si−O合金薄膜
抵抗体について、その熱酸化処理温度を変えてその絶縁
性酸化被膜の厚さを変え、この被膜の耐キャビテ−ショ
ン性を評価した。
【0042】驚くべきことに、高々数10Å程度と推定
される極薄の低温熱酸化被膜でも、2000万回を越え
るキャビテーション破壊に耐えているのである。勿論、
1500万パルスを越えるとヒータ面の中央部にはキャ
ビテーションによる破壊痕が認められた。そしてこの耐
キャビテーション性は、絶縁性酸化被膜がより厚いb、
cの試料程高くなっていることは図9に示されている通
りである。但し、最も厚い酸化被膜の試料cの場合でも
高々100Å程度の厚さとなっている。
【0043】なお、同一ロットの同じ組成の試料でも、
オープンプール沸騰での寿命は気泡の消滅状況の変動の
ために若干のバラツキが見られることが良く知られてお
り、図9のcのデータにもバラツキが存在している。こ
のバラツキも含めた平均寿命を図10に示す。試料、
、の寿命はキャビテーション破壊によることがその
ヒータ面から判断できるが、、、(勿論、
も)の破断は導体薄膜近傍で発生しており、別の原因に
よるものと推定している。
【0044】(f)実用型ヘッドにおける寿命評価 試料の発熱抵抗体を用い、360dpi(70μmピ
ッチ)のトップシュータタイプの実用型ヘッドを製作し
て水性インクを充填し、標準パルス印加条件で1億回の
連続インク吐出実験を行ったが、インクの吐出状況に何
らの変化も認められなかった。ヘッドの製作は本発明者
の発明になる特願平07−135185号記載の方法で
行ったが、詳細は省略する。
【0045】この寿命試験を行ったヒータを取り出し、
その表面を詳細に観察したが、何らの異常も認められな
かった。すなわち、水深300μmのオープンプール沸
騰では、3000〜4000万パルスから光顕観察が可
能となるキャビテーション破壊痕が、実用型ヘッドでは
1億パルス印加しても全く認められないのである。これ
は既にL.S.Changら(Proc.9th Intern.Congr.on Adv.in
Non-Impact PrintingTech./Japan Hardcopy'93,Yokoham
a(1993)241)によって指摘されているように、実用型ヘ
ッドのようなクローズドプール沸騰では、気泡の収縮が
周囲条件によって抑制され、キャビテーション破壊力が
大幅に低下するので長寿命化が可能となるのである。
【0046】これを更に確かめるため、1995年時点
の最新モデルの市販プリンタに使用されているヘッドを
用いて同様の実験を行った。ヘッドはサイドシュータタ
イプ(A社)とトップシュータタイプ(B社)で、両者
共、1億回のインク吐出でヒータ面にはキャビテーショ
ン破壊痕は光顕観察では認められなかった。この両者の
ヒータを水深300μmのオープンプールで寿命評価し
たところ、1500万〜3000万パルス(A社)、1
500万〜7000万パルス(B社)で破断し、いづれ
も1000万〜1500万パルスからキャビテーション
破壊痕が観察可能となることを確認している。
【0047】以上の結果から、図10のオープンプール
沸騰寿命の合格ラインを1500万パルスとすると、図
10内に記した矢印の範囲の組成が合格となる。
【0048】以上の結果から総合的に判断すると、図1
に示す組成範囲が実ヘッドでのインク吐出に1億パルス
以上の寿命を有するものであると結論付けられる。すな
わち、原子%表示で、64%≦Ta≦85%、5%≦S
i≦26%、6%≦O≦15%の範囲である。
【0049】なお、Ta−Si−O三元合金薄膜抵抗体
の唯一の公知例である特開昭62−167056号公報
はサーマルヘッド用発熱抵抗体に用いられる合金薄膜で
ある。それに適する組成として特許請求している範囲は
図11に示すBの領域であり、本願の主張するAの領域
とは全く別組成のものである。この相違は、耐摩耗保護
層等を被覆することを前提としたサーマルヘッドに対
し、この種の保護層を全く用いないことを前提としてい
ること、インクジェットは電解質インクに触れると共に
キャビテーション破壊にもさらされていること、などを
信頼性良く達成させなければならないことに起因してい
る。
【0050】(g)熱効率と加熱・冷却特性 既に述べたように、本発明のヒータは1μsecのパル
ス幅で2.7W/50μmの印加電力から核沸騰を始
められるので、余裕をとって3.0W×1μsecを標
準パルス印加条件としている。これに対し厚い保護層を
必要とするA、B両社の発熱抵抗体は、50μm□ヒー
タに換算して5.0W×3.5μsecのパルスを印加
し、5〜6倍のエネルギを投入しなければならない。イ
ンクの吐出に必要なエネルギはこれらの1/100〜1
/1000と言われているので、ほとんど全てのエネル
ギは基板加熱に消費され、基板の強制冷却が必要となっ
ている。本発明の波及効果の第1は低消費電力化であ
り、第2はこの強制冷却の不要化である。
【0051】発熱抵抗体表面の必要到達温度はいずれの
場合も同じ約300℃であるので本発明の発熱抵抗体の
昇温速度は約300℃/1μsec=3×108℃/s
ecである。一方、A、B両社の発熱抵抗体の昇温速度
は、約300℃/3.5μsec=0.86×108
/secより保護層の厚さの分だけ遅く、約0.7×1
8℃/sec程度と推定される。発熱抵抗体の昇温速
度をこれより速くするにはより大きな印加電力を投入
(パルス巾を短くできる)しなければならないが、印加
する電圧と電流が非常に大きくなり、実用的範囲を越え
てしまうので困難である。他方、本願の発熱抵抗体は更
に高電圧化、短パルス化が可能であり、1×109℃/
secも実用範囲である。すなわち、インクの吐出特性
は発熱抵抗体の加熱速度が速い程良いと言われている
が、本願の発熱抵抗体はこれを容易に達成できる。これ
が第3の波及効果である。
【0052】第4の波及効果はヒータの冷却速度の速さ
である。発熱抵抗体表面の冷却速度がヒートシンクであ
るSi基板までの距離に逆比例して速くなる(実際には
もっと大きな差である)ことから、厚い保護層が熱障壁
の一つとして付加される従来型発熱抵抗体に比べ、数倍
の冷却速度を本願の発熱抵抗体は達成できている。これ
はリフィルされるインクの再加熱等の不安定要因を削除
する重要な条件である。
【0053】このように本願の発熱抵抗体は、保護層を
不要化できる直接的な製造コストの削減効果だけでな
く、多くの重要な波及効果を達成できるものとなってい
る。
【0054】
【発明の効果】上記のように構成された発熱抵抗体は、
電解質で非中性の水性インク中でも電蝕されず、1億パ
ルス以上のインク吐出に問題なく耐え得る。また、この
薄膜抵抗体表面に形成されている数10Åという非常に
薄い自己酸化被膜は、従来技術の3〜4μm厚さの保護
層と比べても同等以上の耐キャビテーション性を示す。
すなわち、本発明における薄膜抵抗体は、それ自身の耐
パルス性と耐酸化性に加え、極薄の自己酸化被膜が耐電
蝕性と耐キャビテーション性を本抵抗体に与えるのであ
る。そして更に、インク吐出に必要な印加エネルギを1
/5〜1/10に低減し、しかも高速で安定したインク
の吐出に必要な超高速の加熱速度まで容易に実現させる
ことが出来る。
【0055】このように本発明によれば、ヒータ上に保
護層を積層させることが不要となり、ヒータの製造コス
トを大幅に削減できる。またこれによって、熱効率は5
〜6倍に向上し、インクジェットデバイスの冷却負荷を
5〜6分の1に解消できる。更に、インクの加熱速度を
5〜10倍に、ヒータ冷却速度を2〜3倍にすることが
でき、インクの吐出特性を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願で検討したTa−Si−O三元合金薄膜の
組成を示す三元成分図
【図2】試料〜(10)の比抵抗を示すグラフ
【図3】試料の熱処理過程の抵抗変化を示すグラフ
【図4】試料の熱処理過程の抵抗変化を示すグラフ
【図5】試料〜の抵抗変化(%)を示すグラフ
【図6】試料〜の熱酸化後の抵抗温度係数を示すグ
ラフ
【図7】試料のSST特性を示すグラフ
【図8】試料〜の水性インク中のSST破断電力を
示すグラフ
【図9】試料の水性インクオープンプール沸騰での寿
命試験結果を示すグラフ
【図10】試料〜の水性インクオープンプール沸騰
での寿命試験結果を示すグラフ
【図11】サーマルプリンタ用Ta−Si−O三元合金
組成範囲(B)と本願の組成範囲(A)を示す三元成分
図。
フロントページの続き (72)発明者 町田 治 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立 工機株式会社内 (72)発明者 清水 一夫 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立 工機株式会社内 (56)参考文献 特開 平6−71888(JP,A) 特開 昭57−61582(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B41J 2/05 B41J 2/16

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】インク吐出口近傍に設けられた薄膜抵抗体
    を有する発熱抵抗体にパルス通電することによってイン
    ク液路中のインクの一部を急速に気化させ、この気泡の
    膨張力によって前記インク吐出口から液滴状インクを吐
    出させて記録するインクジェット記録ヘッドにおいて、 前記薄膜抵抗体は、Ta−Si−O三元合金薄膜抵抗体
    であって、Ta、SiおよびOの組成が、Ta、Siお
    よびOの三元成分図において、Taの組成が64原子
    以上85原子%以下、Siの組成が5原子%以上26
    %以下およびOの組成が6原子%以上15原子%以下
    の範囲で定まる領域内にある組成であることを特徴とす
    るインクジェット記録ヘッド。
  2. 【請求項2】前記発熱抵抗体は、Ni金属薄膜導体を有
    する請求項1に記載のインクジェット記録ヘッド。
  3. 【請求項3】前記Ta−Si−O三元合金薄膜抵抗体
    は、TaとSiからなるターゲットを用いた反応性スパ
    ッタリング法によって形成されたものである請求項1ま
    たは2に記載のインクジェット記録ヘッド。
  4. 【請求項4】前記Ta−Si−O三元合金薄膜抵抗体
    は、表面に絶縁性酸化被膜が形成されている請求項1〜
    3のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6527813B1 (en) 1996-08-22 2003-03-04 Canon Kabushiki Kaisha Ink jet head substrate, an ink jet head, an ink jet apparatus, and a method for manufacturing an ink jet recording head
US6723436B1 (en) * 1999-03-22 2004-04-20 California Institute Of Technology Electrically conducting ternary amorphous fully oxidized materials and their application
WO2000069635A1 (en) * 1999-05-13 2000-11-23 Casio Computer Co., Ltd. Heating resistor and manufacturing method thereof
JP2004230770A (ja) 2003-01-31 2004-08-19 Fuji Photo Film Co Ltd インクジェットヘッド
JP2005084331A (ja) 2003-09-08 2005-03-31 Fuji Photo Film Co Ltd 表示装置、画像表示装置および表示方法
US7448729B2 (en) * 2005-04-04 2008-11-11 Silverbrook Research Pty Ltd Inkjet printhead heater elements with thin or non-existent coatings
SG187483A1 (en) * 2008-11-10 2013-02-28 Silverbrook Res Pty Ltd Printhead with increasing drive pulse to counter heater oxide growth
US9469107B2 (en) 2013-07-12 2016-10-18 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Thermal inkjet printhead stack with amorphous metal resistor
US9511585B2 (en) 2013-07-12 2016-12-06 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Thermal inkjet printhead stack with amorphous thin metal protective layer
WO2016018284A1 (en) 2014-07-30 2016-02-04 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Amorphous metal alloy electrodes in non-volatile device applications

Family Cites Families (46)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH538755A (fr) * 1970-05-26 1973-06-30 Commissariat Energie Atomique Dispositif d'ajustage de la valeur d'une résistance à une valeur déterminée
SE349676B (ja) * 1971-01-11 1972-10-02 N Stemme
JPS5311037A (en) * 1976-07-19 1978-02-01 Toshiba Corp Thin film thermal head
JPS5345698A (en) * 1976-10-07 1978-04-24 Asahi Glass Co Ltd Preventive method for leakage of current in electrolytic cell plant of alkali chloride
JPS53110374A (en) * 1977-03-08 1978-09-27 Fujitsu Ltd Manufacture of semiconductor device
JPS5439529A (en) * 1977-09-05 1979-03-27 Hitachi Ltd Transfer control system for magnetic bubble element and the like
JPS5451837A (en) * 1977-09-30 1979-04-24 Ricoh Co Ltd Ink jet head device
JPS5459936A (en) * 1977-10-03 1979-05-15 Canon Inc Recording method and device therefor
US4345262A (en) * 1979-02-19 1982-08-17 Canon Kabushiki Kaisha Ink jet recording method
JPS5931943B2 (ja) * 1979-04-02 1984-08-06 キヤノン株式会社 液体噴射記録法
US4313124A (en) * 1979-05-18 1982-01-26 Canon Kabushiki Kaisha Liquid jet recording process and liquid jet recording head
JPS5761582A (en) * 1980-10-01 1982-04-14 Toshiba Corp Thermal printing head method of manufacutre thereof
US4429321A (en) * 1980-10-23 1984-01-31 Canon Kabushiki Kaisha Liquid jet recording device
GB2104452B (en) * 1981-06-29 1985-07-31 Canon Kk Liquid jet recording head
JPS5882770A (ja) * 1981-11-13 1983-05-18 Hitachi Ltd 感熱記録ヘツド
JPS5884401A (ja) * 1981-11-13 1983-05-20 株式会社日立製作所 抵抗体
JPS59199256A (ja) * 1983-04-28 1984-11-12 Canon Inc 液体噴射記録方法
US4535343A (en) * 1983-10-31 1985-08-13 Hewlett-Packard Company Thermal ink jet printhead with self-passivating elements
US4532530A (en) * 1984-03-09 1985-07-30 Xerox Corporation Bubble jet printing device
US4663640A (en) * 1984-07-20 1987-05-05 Canon Kabushiki Kaisha Recording head
JPH0647291B2 (ja) * 1984-08-17 1994-06-22 京セラ株式会社 サ−マルヘツド
JPS61107542U (ja) * 1984-12-19 1986-07-08
JPS61159701A (ja) * 1984-12-28 1986-07-19 株式会社東芝 サ−マルヘツドおよびその製造方法
US4719478A (en) * 1985-09-27 1988-01-12 Canon Kabushiki Kaisha Heat generating resistor, recording head using such resistor and drive method therefor
JPS62152860A (ja) * 1985-12-27 1987-07-07 Canon Inc 液体噴射記録ヘツド
JPH0712689B2 (ja) * 1986-01-20 1995-02-15 京セラ株式会社 サ−マルヘツド
JPS62240558A (ja) * 1986-04-14 1987-10-21 Canon Inc 液体噴射記録ヘツド
DE3717294C2 (de) * 1986-06-10 1995-01-26 Seiko Epson Corp Tintenstrahlaufzeichnungskopf
US4931813A (en) * 1987-09-21 1990-06-05 Hewlett-Packard Company Ink jet head incorporating a thick unpassivated TaAl resistor
JP2612580B2 (ja) * 1987-12-01 1997-05-21 キヤノン株式会社 液体噴射記録ヘッド及び該ヘッド用基板
JPH01190459A (ja) * 1988-01-26 1989-07-31 Ricoh Co Ltd 液体噴射記録ヘッド
US5053787A (en) * 1988-01-27 1991-10-01 Canon Kabushiki Kaisha Ink jet recording method and head having additional generating means in the liquid chamber
WO1990010089A1 (fr) * 1989-02-28 1990-09-07 Canon Kabushiki Kaisha Nouvelle substance non monocristalline contenant de l'iridium, du tantale et de l'aluminium
WO1990013428A1 (en) * 1989-05-12 1990-11-15 Eastman Kodak Company Improved drop ejector components for bubble jet print heads and fabrication method
US4951063A (en) * 1989-05-22 1990-08-21 Xerox Corporation Heating elements for thermal ink jet devices
US4994826A (en) * 1990-01-19 1991-02-19 Xerox Corporation Thermal ink jet printhead with increased operating temperature and thermal efficiency
JPH03246055A (ja) * 1990-02-26 1991-11-01 Canon Inc インクジェット記録装置およびインクジェット記録ヘッドの回復方法
JPH0733091B2 (ja) * 1990-03-15 1995-04-12 日本電気株式会社 インクジェット記録方法及びそれを用いたインクジェットヘッド
WO1993009953A1 (en) * 1991-11-12 1993-05-27 Canon Kabushiki Kaisha Polycrystalline silicon-based base plate for liquid jet recording head, its manufacturing method, liquid jet recording head using the base plate, and liquid jet recording apparatus
JP3320825B2 (ja) * 1992-05-29 2002-09-03 富士写真フイルム株式会社 記録装置
JP3573515B2 (ja) * 1995-03-03 2004-10-06 富士写真フイルム株式会社 インク噴射記録ヘッド、記録装置、およびインク噴射記録ヘッドの製造方法
JPH06238933A (ja) * 1992-07-03 1994-08-30 Hitachi Koki Co Ltd サーマルプリントヘッド及びサーマルプリンタ
US6315398B1 (en) * 1992-10-21 2001-11-13 Xerox Corporation Thermal ink jet heater design
US5666140A (en) * 1993-04-16 1997-09-09 Hitachi Koki Co., Ltd. Ink jet print head
DE19505465A1 (de) * 1994-02-18 1995-08-24 Hitachi Koki Kk Thermischer Tintenstrahldrucker
US5790154A (en) * 1995-12-08 1998-08-04 Hitachi Koki Co., Ltd. Method of manufacturing an ink ejection recording head and a recording apparatus using the recording head

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