JP3554148B2 - インクジェット記録ヘッド用基体、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
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紙、プラスチックシート、布、物品等を包含する記録保持体に対して、例えばインク等の機能性液体等を吐出することにより文字、記号、画像等の記録、印刷等を行うインクジェットヘッド（以下、単に”インクジェットヘッド”と略称する）を構成するための基体、この基体を用いて構成されるインクジェットヘッド、このインクジェットヘッドに対して供給されるインクを貯溜するためのインク貯溜部を含むインクジェットペン、及びインクジェットヘッドが装着されるインクジェット装置に関する。
【０００２】
なお、本発明においていうインクジェットペンは、インクジェットヘッドとインク貯溜部とを一体としたカートリッジ形態も、それらを互いに別体として取り外し可能に組み合わせた形態も包含するものを意味する。このインクジェットペンは、装置本体側のキャリッジ等の搭載手段に対して着脱自在に構成されている。
【０００３】
また、本発明において称するインクジェット記録装置は、ワードプロセッサー、コンピューター等の情報処理機器の出力端末として一体的に、または別体として設けられるものの他、情報読み取り機器等と組合わされた複写装置、情報送受信機能を有するファクシミリ装置、布への捺染を行う機械等の種々の形態を包含するものを意味している。
【０００４】
【従来の技術】
この種のインクジェット記録装置は、インクを微小な液滴として吐出口から高速で吐出することにより、高精細な画像の高速記録を行うことができるという特徴を有している。特に、インクを吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生手段として電気熱変換体を用い、この電気熱変換体が発生する熱エネルギーによって生ずるインクの発泡を利用してインクを吐出する方式のインクジェット記録装置は、画像の高精細化、高速記録化、記録ヘッド及び装置の小型化やカラー化に適していることから近年注目されている。（例えば米国特許第４７２３１２９号及び米国特許第４７４０７９６号参照）。
【０００５】
上記インクジェット記録に使用されるヘッドの基板要部の一般的な構成を図１に示す。また、図２は、図１のインク流路に相当する部分のＸ−Ｘ’線で切断したインクジェット記録ヘッド用基体２０００の模式的断面図である。
【０００６】
図１において、このインクジェット記録ヘッドには、複数の吐出口１００１が設けられ、また、これからそれぞれインクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生する電気熱変換素子１００２が各インク流路１００３毎に基板１００４上に設けられている。電気熱変換素子１００２は、主に発熱抵抗体１００５及びこれに電力を供給するための電極配線１００６並びにこれらを保護する絶縁膜１００７により構成される。
【０００７】
また、各インク流路１００３は複数の流路壁１００８が一体的に形成された天板を、基板１００４上の電気熱変換素子等との相対位置を画像処理等の手段により位置合わせしながら接合することで形成される。各インク流路１００３は、その吐出口１００１と反対側の端部が共通液室１００９と連通しており、この共通液室１００９にはインクタンク（図示せず）から供給されるインクが貯留される。
【０００８】
共通液室１００９に供給されたインクは、ここから各インク流路１００３に導かれ、吐出口１００１近傍でメニスカスを形成して保持される。この時、電気熱変換素子１００２を選択的に駆動させることにより、その発生する熱エネルギーを利用して熱作用面上のインクを急激に加熱沸騰させ、この時の衝撃力によってインクを吐出させる。
【０００９】
図２において、２００１はシリコン基板、２００２は熱酸化膜からなる蓄熱層を示すものであり、
２００３は、蓄熱機能を兼ねるＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜等からなる層間膜、２００４は発熱抵抗層、２００５はＡｌ，Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ等の金属配線、２００６はＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜等からなる保護層を示す。また、２００７は、発熱抵抗層２００４の発熱に伴う化学的、物理的衝撃から保護膜２００６を守るための耐キャビテーション膜、２００８は発熱抵抗層２００４の熱作用部である。
【００１０】
これらのインクジェット記録装置の記録ヘッドに用いられる発熱抵抗体としては、以下のような特性が要求される；
（１）発熱抵抗体として熱応答性に優れ、瞬時にインクの吐出を可能とする、
（２）高速及び連続の駆動に対して、抵抗値変化が少なく、インクの発泡状態が安定している、
（３）耐熱性、熱応力性に優れ、寿命が長く信頼性が高い。
これらの要求を満たすインクジェットヘッドに使用される発熱抵抗層として特開平７−１２５２１８号公開公報には、発熱抵抗体材料にＴａＮ膜を用いる構成が開示されている。このＴａＮ膜における特性安定性、特に長期繰り返し記録時の抵抗変化率は、ＴａＮ膜の組成と強い相関関係が有り、中でもＴａＮ０．８ｈｅｘを含む窒化タンタルで構成された発熱抵抗体は、上記長期繰り返し記録時の抵抗変化率が少なく吐出安定性に優れているものである。
【００１１】
ちなみに、発熱抵抗体を用いる記録ヘッドは上述のインクジェット記録ヘッドの他に感熱紙やインクリボンに直接接触させて記録を行うサーマルプリントヘッドがある。
【００１２】
このようなサーマルプリントヘッドにおける発熱抵抗体としては、例えば、特開昭５３−２５４４２号公開公報に記載されるように、高い温度で発熱させても寿命特性に優れた発熱抵抗体として、第１の元素がＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，ＷおよびＭｏのうちから選ばれた少なくとも１種であり、第２の元素がＮであり、第３の元素がＳｉであり、第１の元素が５〜４０原子％、第２の元素が３０〜６０原子％、第３の元素が３０〜６０％で発熱抵抗体を構成するものや、あるいは、特開昭６１−１００４７６号公開公報に記載されるように、熱的安定性が高く、印字品質の優れた発熱抵抗体として、タンタルと高融点金属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）と窒素との合金で発熱抵抗体を構成するものがある。更に、特開昭５６−８９５７８号公開公報のように、耐酸化性や抵抗値安定性に優れた発熱抵抗体として、窒化物を形成する金属とケイ素および窒素を含有する発熱抵抗体を用いるものがある。また、特公平２−６２０１号公告公報に記載されるように、サーマルヘッドにおける高速記録や、長寿命の使用に耐え得る発熱抵抗体として、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ系薄膜を用いるものがある。
【００１３】
しかしながら、現状ではインクジェット記録ヘッドの発熱抵抗体としては、ＨｆＢ２、ＴａＮ、ＴａＡｌもしくはＴａＳｉといった発熱抵抗体材料が用いられており、上述のサーマルプリントヘッドに用いられる発熱抵抗体は、一般にインクジェット記録ヘッドには実用化されていない。
【００１４】
これは、サーマルプリントヘッドでは、発熱抵抗体には１ｍｓｅｃ．の時間に１Ｗ程度の電力が印加されるのに対し、インクジェットヘッドでは短時間でインクを気化させるために、例えば７μｓｅｃの間に３Ｗ〜４Ｗ相当の電力を発熱抵抗体に印加するためである。これは、サーマルプリントヘッドに印加する電力の数倍の大きさであるため、インクジェットヘッドの発熱抵抗体ではサーマルプリントヘッドに比べて短い時間により熱ストレスを受けやすいものとなっている。
【００１５】
従って、発熱抵抗体としては、サーマルプリントヘッドに用いられるものとは異なるインクジェットヘッドに特有な吐出、駆動方法を考慮し、それに適した発熱抵抗体の設計（膜厚、ヒーターサイズ、形状など）が必要であり、サーマルプリントヘッド分野で使用されている発熱抵抗体をそのままインクジェットヘッドに適用することは困難である。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述したように、インクジェット記録装置においては、近年、装置の高画質化、高速記録等の高機能化がますます要求されている。このうち、高画質化に対しては、ヒーター（発熱抵抗体）のサイズを小さくすることにより、１ドット当りの吐出量を少なくし小ドット化により画質を向上する方法がある。
【００１７】
また、高速記録を行うためには、従来より一層パルスを短くした駆動を行うことにより、駆動周波数を上げる方法がある。
【００１８】
しかしながら、上述のように高画質化に対応するためヒーターサイズを小さくした構成で、高周波数でヒーターを駆動させるためには、シート抵抗値を大きくする必要がある。これらヒーターサイズの差異による各種駆動条件の関係説明図を図３（ａ）に示す。
【００１９】
図３（ａ）は、駆動電圧が一定の時にヒーターサイズが大きいもの（Ａ）から、小さいもの（Ｂ）に変化した時の駆動パルス幅に対する発熱抵抗体のシート抵抗値および電流値の変化を示す。また、同様にして駆動パルス幅が一定の時にヒーターサイズが変化した時の、駆動電圧に対する発熱抵抗体のシート抵抗値および電流値の関係を図３（ｂ）に示す。
【００２０】
すなわち、ヒーターサイズを小さくした時に、従来と同一条件で駆動させるためにはシート抵抗値を大きくする必要がある。また、エネルギーの関係から、シート抵抗値を大きくし、駆動電圧を高くして駆動させる方が電流値が少なくなり、省エネが達成できる。特に、発熱抵抗体を複数配置した構成の場合はその効果は大きくなる。
【００２１】
ところが、前述したように現在インクジェット記録ヘッドに用いられているＨｆＢ２、ＴａＮ、ＴａＡｌもしくはＴａＳｉ等の発熱抵抗体の比抵抗値は、２００〜３００μΩ・ｃｍ程度である。発熱抵抗体の製造安定性、吐出の特性安定性等を考慮すると、発熱抵抗体の膜厚は２００Åが限界と考えれば、シート抵抗値は１５０Ω／□が限界となる。従って、それ以上のシート抵抗値を得ようとすると、上記発熱抵抗体を使用することは難しくなる。
【００２２】
一方、上述したようなサーマルプリントヘッドに用いられている発熱抵抗体では、シート抵抗値を大きくすることは可能であるものの、上述のようにインクジェットヘッドに要求されるような熱応答性、高速記録特性を達成するためには使用することはできない。
【００２３】
さらに、インクジェット記録装置では電源容量や半導体素子の耐圧の観点から、駆動電圧の制約があり、現在のところ約３０Ｖ程度が上限とされている。この駆動電圧以下で動作させるためには、発熱抵抗体の比抵抗値は４０００μΩ・ｃｍ以下であることが必要であるが、上述のサーマルプリントヘッドに用いられている発熱抵抗体は、一般的に発熱抵抗体の比抵抗値が４０００μΩ・ｃｍを超えるものとなってしまっている。
【００２４】
このように、短パルス駆動による熱応答性に優れ、高いシート抵抗値を有することができるインクジェット記録ヘッド用の発熱抵抗体は従来なかった。更に、記録画像の高精細化に伴い、ヒーターサイズを小さくすることにより小さなインク滴を記録するためには、従来の発熱抵抗体を使用する限りにおいては、電流値が増加し、発熱による問題が避けられなかった。
【００２５】
従って、本発明の主たる目的は、従来のインクジェット記録ヘッド用の発熱抵抗体について上述した諸問題を解決し、高品位な記録画像を長期にわたって得ることを可能にする発熱抵抗体を有するインクジェット記録ヘッド用基体、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を提供することにある。
【００２６】
本発明の他の目的は、記録画像の高精細化に対応した小ドット化や高速記録に対応した高速駆動においても、吐出が安定した発熱抵抗体を有するインクジェット記録ヘッド用基体、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を提供することを目的とする。
【００２７】
本発明の更に他の目的は、上述した優れたインクジェット記録ヘッドに対して供給されるインクを貯溜するためのインク貯溜部を含むインクジェットペン、及びかかるインクジェット記録ヘッドが装着されるインクジェット記録装置を提供することにある。
【００２８】
本発明の他の目的は、発熱抵抗層をはさんで蓄熱層／発熱抵抗層／保護層からなる積層構造を有したインクジェット記録ヘッドにおいて、各層間の密着性が向上したインクジェット記録ヘッドを提供することを目的とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のインクジェット記録ヘッド用基体、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の構成により、前記目的を達成するものである。
【００３０】
すなわち、この発熱抵抗体は、比抵抗値が４０００μΩ・ｃｍ以下であるＴａｘＳｉｙＮｚで表わされる材料からなる薄膜で構成されており、ｘ＝２０〜８０ａｔ．％、ｙ＝３〜２５ａｔ．％、ｚ＝１０〜６０ａｔ．％（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００）であることを特徴とする。
【００３１】
また、インクを吐出するインク吐出口と、インクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生する複数の発熱抵抗体と、該発熱抵抗体を内包するとともに前記インク吐出口に連通するインク流路と、を有するインクジェット記録ヘッドにおいて、該発熱抵抗体は、比抵抗値が４０００μΩ・ｃｍ以下であるＴａｘＳｉｙＮｚで表わされる材料からなる薄膜で構成されており、ｘ＝２０〜８０ａｔ．％、ｙ＝３〜２５ａｔ．％、ｚ＝１０〜６０ａｔ．％（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００）であることを特徴とする。
【００３２】
また、インクを吐出するインク吐出口と、インクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生する複数の発熱抵抗体と、該発熱抵抗体を内包するとともに前記インク吐出口に連通するインク流路と、を有するインクジェット記録ヘッドと、該インクジェット記録ヘッドから吐出されるインクを受ける記録媒体を搬送するための搬送手段と、を備えるインクジェット記録装置において、前記発熱抵抗体は、比抵抗値が４０００μΩ・ｃｍ以下であるＴａｘＳｉｙＮｚで表わされる材料からなる薄膜で構成されており、ｘ＝２０〜８０ａｔ．％、ｙ＝３〜２５ａｔ．％、ｚ＝１０〜６０ａｔ．％（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００）であることを特徴とする。
【００３５】
（作用）
以上のような本発明構成によるインクジェット記録ヘッドの提供により、前記発熱抵抗体は、ヒータサイズを小さいものとして短いパルスで連続的に駆動した場合にも、所望の耐久性が得られ、エネルギー効率が高く、発熱を抑制して省エネルギーを可能にするとともに、高品位の記録画像を提供すること
ができる。
【００３６】
また、本発明は、インクジェット記録ヘッドのインクのみに限定されるものでなく、前記発熱抵抗体を用いて吐出が可能なインクジェット記録ヘッドの液体にも適用し得るものである。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、複数の実施例に基づいて詳細に説明する。但し、本発明は、以下に説明する各実施例のみに限定されるものでなく、本発明の目的を達成し得るものであればよいことは勿論である。
【００３８】
（発明の好ましい形態）
次に本発明の詳細について、図面を参照して説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されることはなく、本発明の目的が達成され得るものであれば良い。
【００３９】
前述の図１は本発明の一実施例に係わるインクジェットヘッドのインクを発泡させる、発熱部の基板要部の概略平面図であり、図２は、図１で示されたＸ−Ｘ’一点鎖線に沿って基板面に垂直に切断した時の模式的な切断面部分図である。
【００４０】
本発明実施例における発熱抵抗体２００４は、各種成膜法で作製可能であるが一般的には電源として高周波（ＲＦ）電源、または直流（ＤＣ）電源を用いたマグネトロンスパッタリング法により形成される。図４は、上記発熱抵抗層２００４を成膜するスパッタリング装置の概要を示す。図４において、４００１はあらかじめ所定の組成に作製されたＴａ−Ｓｉからなるターゲット、４００２は平板マグネット、４０１１は基板への成膜を制御するシャッター、４００３は基板ホルダー、４００４は基板、４００６はターゲット４００１と基板ホルダー４００３に接続された電源である。
【００４１】
さらに、図４において、４００８は成膜室４００９の外周壁を囲んで設けられた外部ヒーターである。該外部ヒーター４００８は、成膜室４００９の雰囲気温度を調節するのに使用される。基板ホルダー４００３の裏面には、基板の温度制御を行う内部ヒーター４００５が設けられている。基板４００４の温度制御は、外部ヒーター４００８を併用して行うことが好ましい。
【００４２】
図４の装置を用いた成膜は、以下の様に行われる。まず、排気ポンプ４００７を用いて成膜室４００９を１×１０−５〜１×１０−６Ｐａまで排気する。次いで、アルゴンガスと窒素ガスあるいは形成する発熱抵抗体に応じて酸素ガス、炭素系ガスからなる混合ガスを、マスフローコントローラー（不図示）を介してガス導入口４０１０から成膜室４００９に導入される。この時、上記基板温度及び雰囲気温度が所定の温度になるように内部ヒーター４００５、外部ヒーター４００８を調節する。次に、電源４００６からターゲット４００１にパワーを印加してスパッタリング放電を行い、シャッター４０１１を調節して、基板４００４の上に薄膜を形成させる。
【００４３】
上記発熱抵抗体の成膜は、Ｔａ−Ｓｉからなる合金ターゲットを用いた反応性スパッタリング法で形成する方法について説明した。上記成膜法のみに限定されるばかりでなく、別々のＴａターゲットとＳｉターゲットを用い、それぞれに接続された２台の電源からパワーを印加する、２元同時反応性スパッタリング法により形成することも可能である。この場合は、各々のターゲットに印加するパワーを単独に制御することが可能となる。
【００４４】
さらに、Ｔａ−Ｓｉ−Ｎ、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ、Ｔａ−Ｓｉ−Ｃあるいはそれらの混合物からなる合金ターゲットを用いて、アルゴンガスによりスパッタリングを行うスパッタリング法（場合によっては、窒素ガス、酸素ガス、炭素系ガスを導入した反応性スパッタリング法）により形成することも可能である。
【００４５】
本実施例においては、図４に示した装置を使用し、上述した成膜方法により各種の成膜条件で本発明の発熱抵抗体膜を作製した。
【００４６】
（実施例１）
以下、本発明の具体的な第１の実施例について説明する。
【００４７】
図２において、一部既述のように、シリコン基板２００１上に熱酸化により膜厚１．８μｍの蓄熱層２００２を形成し、更に蓄熱層を兼ねる層間膜２００３として、ＳｉＯ２膜をプラズマＣＶＤ法により膜厚１．２μｍに形成した。次に、発熱抵抗層２００４として２個のターゲットを用いた２元同時スパッタリング法によりＴａ−Ｓｉ−Ｎ膜を膜厚１０００Å形成した。
【００４８】
この時のガス流量は、Ａｒガス４５ｓｃｃｍ、Ｎ２ガス１５ｓｃｃｍ、窒素ガス分圧比２５％とし、ターゲットに投入するパワーは、Ｓｉターゲット１５０Ｗ、Ｔａターゲット５００Ｗとし、雰囲気温度２００℃、基板温度２００℃で行った。
【００４９】
更に、熱作用部２００８で発熱抵抗層２００４を加熱するための金属配線２００５として、Ａｌ膜を５５００Åスパッタリング法により形成した。
【００５０】
これを、フォトリソによりパターン形成し、Ａｌ層を取り除いた１５μｍ×４０μｍの熱作用部２００８を形成した。保護膜２００６としては、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＮ膜を１μｍの膜厚に形成し、最後に耐キャビテーション層２００７としてスパッタリング法によりＴａ膜を膜厚２０００Å形成し、本発明の基体を得た。上記形状の発熱抵抗層のシート抵抗値は、２７０Ω／□であった。
【００５１】
（比較例１）
発熱抵抗層２００４を、次のように変更する以外は、実施例１と同様に作製することにより比較例１の基体を得た。すなわち、Ｔａターゲットを用いた反応性スパッタリング法により膜厚１０００ÅのＴａＮ０．８膜を形成した。この時のガス流量は、Ａｒガス４８ｓｃｃｍ、Ｎ２ガス１２ｓｃｃｍ、窒素ガス分圧２０％とし、Ｔａターゲットへの投入パワー５００Ｗ、雰囲気温度２００℃、基板温度２００℃で行った。発熱抵抗層のシート抵抗値は２５Ω／□であった。
【００５２】
＜評価１＞
上記実施例１及び比較例１として作製された基体を用いて、インクを吐出する発泡電圧Ｖｔｈを求めた。
【００５３】
このＶｔｈに対して、１．２Ｖｔｈ（発泡電圧の１．２倍）を駆動電圧として、駆動パルス幅２μｓｅｃ．で駆動させた時の電流値を測定した。
【００５４】
すなわち、実施例１では、Ｖｔｈ＝２４Ｖ、電流値は３５ｍＡであったのに対し、比較例１ではＶｔｈ＝９．９Ｖ、電流値は１２０ｍＡであった。この結果から、本発明の実施例１と比較例１の基体を比較すると、電流値は比較例に比べ約１／３となっている。実際のヘッド形態では、同時に駆動させる発熱抵抗体数は複数あるので、比較例に比べてはるかに消費電力が少なくなり、省エネ効果が得られることが理解されよう。
【００５５】
更に、以下の条件で発熱抵抗体を駆動させ、破断パルスによる熱ストレス耐久評価をおこなった。
【００５６】
駆動周波数：１０ＫＨｚ、駆動パルス幅：２μｓｅｃ．
駆動電圧：発泡電圧×１．３
【００５７】
その結果、比較例では６．０×１０７パルスで破断したのに対し、実施例１では５．０×１０９パルスまで破断しなかった。
【００５８】
このように、本発明の実施例の基体では短いパルス駆動に対しても十分耐えられることがわかる。
【００５９】
（実施例２）
発熱抵抗層２００４を、次のように変更する以外は、前記実施例１と同様に作製することにより、図１で示される基体２０００を得た。すなわち、成膜時に導入するガスを、実施例１の窒素ガスに変えて酸素ガスを導入し、反応性スパッタリング法により膜厚１０００ÅのＴａ−Ｓｉ−Ｏ膜を形成した。この時のガス流量は、Ａｒガス４５ｓｃｃｍ、酸素ガス１５ｓｃｃｍ、酸素ガス分圧２５％とし、ターゲット投入パワーは、Ｓｉターゲット１５０Ｗ、Ｔａターゲット５２０Ｗとし、雰囲気温度２００℃、基板温度２００℃で行った。発熱抵抗層のシート抵抗値は２９０Ω／□であった。
【００６０】
＜評価２＞
前記評価１と同様にして、以上の実施例２で作製された基体の評価を行った。
【００６１】
その結果、実施例２の基体ではＶｔｈ＝２５Ｖ、電流値は３６ｍであった。
【００６２】
また、破断パルスによる熱ストレス耐久評価では、６．０×１０９パルスまで破断しなかった。
【００６３】
評価１の結果と同じように、実施例２の基体は、電流値が少なく省エネ効果に優れた基体であることがわかる。
【００６４】
また、短いパルス駆動を行った場合でも耐久性に優れているものである。
【００６５】
（実施例３）
発熱抵抗層２００４を、次のように変更する以外は、前記実施例１と同様に作製することにより、図１で示される基体２０００を得た。すなわち、成膜時に導入するガスを、実施例１の窒素ガスに変えてメタン（ＣＨ４）ガスを導入し、反応性スパッタリング法により膜厚１０００ÅのＴａ−Ｓｉ−Ｃ膜を形成した。この時のガス流量は、Ａｒガス４８ｓｃｃｍ、ＣＨ４ガス１２ｓｃｃｍ、ＣＨ４ガス分圧２０％とし、ターゲット投入パワーは、Ｓｉターゲット１５０Ｗ、Ｔａターゲット５００Ｗとし、雰囲気温度２００℃、基板温度２００℃で行った。
【００６６】
＜評価３＞
前記評価１と同様にして、以上の実施例３で作製された基体の評価を行った。
【００６７】
その結果、実施例３の基体ではＶｔｈ＝２２Ｖ、電流値は４１ｍＡであった。
【００６８】
また、破断パルスによる熱ストレス耐久評価では、６．０×１０９パルスまで破断しなかった。
【００６９】
評価１の結果と同じように、実施例３の基体も、電流値が少なく省エネ効果に優れた基体であることがわかる。
【００７０】
また、短いパルス駆動を行った場合でも耐久性に優れているものである。
【００７１】
（実施例４）
発熱抵抗層２００４を、次のように変更する以外は、前記実施例１と同様に作製することにより、図１で示される基体２０００を得た。すなわち、成膜時に導入するガスを、実施例１の窒素ガスに変えて窒素ガスと酸素ガスからなる混合ガスを導入し、反応性スパッタリング法により膜厚１０００ÅのＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ膜を形成した。この時のガス流量は、Ａｒガス４８ｓｃｃｍ、混合ガス１２ｓｃｃｍ（酸素ガス５ｓｃｃｍ、窒素ガス７ｓｃｃｍ）、混合ガス分圧２０％とし、ターゲット投入パワーは、Ｓｉターゲット１５０Ｗ、Ｔａターゲット５００Ｗとし、雰囲気温度２００℃、基板温度２００℃で行った。
【００７２】
＜評価４＞
前記評価１と同様にして、以上の実施例４で作製された基体の評価を行った。
【００７３】
その結果、実施例３の基体ではＶｔｈ＝２３Ｖ、電流値は３９ｍＡであった。
【００７４】
また、破断パルスによる熱ストレス耐久評価では、５．０×１０９パルスまで破断しなかった。
【００７５】
評価１の結果と同じように、実施例４の基体も、電流値が少なく省エネ効果に優れた基体であることがわかる。
【００７６】
また、短いパルス駆動を行った場合でも耐久性に優れているものである。
【００７７】
＜膜物性評価＞
次に、発熱抵抗体膜の物性を評価するため、上述の実施例と同様にして図４に示した装置を使用し、上述した成膜方法により各種の成膜条件で複数種のＴａ−Ｓｉ−Ｎ膜を作製した。
【００７８】
まず、単結晶シリコンウエハ上に熱酸化膜を形成し、図４の装置の成膜室４００９内の基板ホルダ４００３上にセットした（基板４００４）。次いで、排気ポンプ４００７により成膜室４００９内を８×１０−６Ｐａまで排気した。
【００７９】
その後、アルゴンガス及び窒素ガスの混合ガスをガス導入口４０１０から成膜室４００９に導入し、成膜室４００９のガス圧を所定の圧力に調節した。次いで、それぞれの場合について上記混合ガス中の窒素分圧を変化させて上述の成膜方法により下記の成膜条件で成膜を行い、各種発熱抵抗体を形成した。
【００８０】
〔成膜条件〕
基板温度：２００℃
成膜室内ガス雰囲気温度：２００℃
成膜室内混合ガス圧力：０．３Ｐａ
上記のように、基板４００４上に形成された発熱抵抗体Ｔａ−Ｓｉ−Ｎ膜のＸ線回折測定を行い、構造解析を行った。その結果、窒素ガス分圧が変化しても特定の回折ピークは現われず、これらの膜はアモルファスに近い構造であることが明らかとなった。
【００８１】
次に、上記膜についてシート抵抗値を四端針法により測定し、比抵抗値を求めた。その結果の特性線図を図５（Ａ）および（Ｂ）に示す。図５（Ａ）のように、窒素分圧が増加するとともに比抵抗値は連続的に変化していることが判った。また、図５（Ｂ）のようにＴａターゲットに対して、Ｓｉターゲットに投入するパワーを増加させると同様にして窒素分圧が増加するとともに比抵抗値は増加するが、その比抵抗値の変化は大きくなる。これは、膜中のＳｉ量が増加したためであると考えられる。従って、ＴａおよびＳｉターゲットに投入するパワーおよび窒素分圧を任意に設定することにより、所望の比抵抗値が得られることを示唆している。
【００８２】
次に、上記膜についてＲＢＳ（ラザフォード後方散乱）分析を行い、膜の組成分析を行った。
【００８３】
その結果を図６に示す。図６における曲線（Ａ）は、上記図５（Ａ）曲線を、図６における曲線（Ｂ）は、図５（Ｂ）曲線に対応する膜組成を示している。また、図５及び図６から比抵抗値と膜組成には相関のあることが明らかになった。
【００８４】
＜インクジェット用特性評価＞
さらに、インクジェット記録ヘッド用基体の発熱抵抗体としての特性を評価するため、上述の実施例と同様にして図４に示した装置を使用し、上述した成膜方法により各種の成膜条件で複数種のＴａ−Ｓｉ−Ｎ膜を有する実施例５〜１０のインクジェット記録ヘッドを作成し、その特性を評価した。
【００８５】
（実施例５）
本実施例によるインクジェット特性としての評価を行う試料の基板は、Ｓｉ基板あるいは既に駆動用のＩＣを作り込んだＳｉ基板を用いる。
【００８６】
Ｓｉ基板の場合は、熱酸化法、スパッタ法、ＣＶＤ法などによって膜厚１．８μｍのＳｉＯ２の蓄熱層２００２（図２）を形成し、ＩＣを作り込んだＳｉ基板も同様にその製造プロセス中で、ＳｉＯ２の蓄熱層を形成しておく。
【００８７】
次に、スパッタ法、ＣＶＤ法などによってＳｉＯ２成る膜厚１．２μｍの層間絶縁膜２００３を形成した。次いで、ＴａとＳｉターゲットを用いた反応性２元スパッタリング法により、表１に示す条件で発熱抵抗層２００４を形成した。ターゲットに投入するパワーは、Ｔａ−４００Ｗ、Ｓｉ−３００Ｗとし、ガス流量は表１の条件とし、基板温度２００℃で行った。
【００８８】
電極配線２００５としてＡｌ膜を５５００Åをスパッタリング法により形成した。次に、フォトリソ法を用いてパターン形成し、Ａｌ膜を取り除いた２０μｍ×３０μｍの熱作用部２００８を形成した。次に保護膜２００６としてプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＮから成る膜厚１μｍの絶縁体を形成し、次に耐キャビテーション層２００７としてスパッタリング法によりＴａ膜を膜厚２３００Å形成し、フォトリソ法により図１に示すような本発明のインクジェット用基体を作製した。
【００８９】
このようにして作製された基体を用いてＳＳＴ試験を行った。このＳＳＴ試験とは、駆動周波数１０ＫＨｚ、駆動パルス幅５μｓｅｃ．のパルス信号を与え、吐出を開始する発泡開始電圧Ｖｔｈを求める。その後、印加電圧をＶｔｈから０．０５Ｖ毎に上げていきながら、駆動周波数１０ＫＨｚでそれぞれ１×１０５パルスを断線するまで印加し、この断線した時の破断電圧Ｖｂを求める。この発泡開始電圧Ｖｔｈと破断電圧Ｖｂとの比を破断電圧比Ｋｂ（＝Ｖｂ／Ｖｔｈ）と呼ぶ。この破断電圧比Ｋｂが大きいほど発熱抵抗体の耐熱性に優れていることを示す。評価の結果、Ｋｂ＝１．８が得られ、その結果を前出表１に示す。
【００９０】
次に、駆動電圧Ｖｏｐ＝１．３・Ｖｔｈにおいて、駆動周波数１０ＫＨｚ、駆動パルス幅５μｓｅｃ．、３．０×１０８パルスの連続したパルスを印加し、初期の発熱抵抗体の抵抗値Ｒ０、パルス印加後の抵抗値Ｒとした時、抵抗値変化率（Ｒ−Ｒ０）／Ｒ０を求めた（ＣＳＴ試験）。その結果、抵抗値変化率ΔＲ／Ｒ０＝＋１．５％（ΔＲ＝Ｒ−Ｒ０）が得られ、その結果を表１および図７に示す。
【００９１】
次に、実施例５のヘッドをインクジェット記録装置に取り付けて、印字耐久試験を行った。この試験は、Ａ４サイズの用紙にこのインクジェット記録装置に組み込まれている一般的なテスト印字パターンを印字させて行った。この時の駆動電圧Ｖｏｐは、１．３・Ｖｔｈに設定した。１５００文字の標準文書で、印字寿命が１００００枚以上印字可能であり、印字品位の劣化は見られなかった。これはＴａ−Ｓｉ−Ｎ発熱抵抗体が優れた耐久性を有していることを示している。
【００９２】
（実施例６〜８）
発熱抵抗層２００４を表１に示すような条件で形成する以外は実施例５と同様にしてインクジェットヘッド用基体を作製した。また、この基体を用いて実施例５と同様にしてＳＳＴ試験、ＣＳＴ試験、および印字耐久試験を行い、その結果を表１に示す。
【００９３】
（比較例２〜５）
発熱抵抗層２００４を表１に示すような条件で形成する以外は実施例５と同様にしてインクジェットヘッド用基体を作製した。この時のターゲットに投入するパワーは、比較例２ではＴａ−４００Ｗ，Ｓｉ−５００Ｗ、比較例３ではＴａ−４００Ｗ，Ｓｉ−４００Ｗ、比較例４、５ではＴａ−４００Ｗ，Ｓｉ−５０〜２００Ｗとした。また、この基体を用いて実施例５と同様にしてＳＳＴ試験、ＣＳＴ試験、および印字耐久試験を行い、その結果を表１に示す。
【００９４】
（実施例９〜１１）
発熱抵抗層２００４を表１に示すような条件で形成する以外は実施例５と同様にしてインクジェットヘッド用基体を作製した。なお、発熱抵抗層２００４は、Ｔａ８０−Ｓｉ２０からなる合金ターゲットを用いた反応性スパッタリング法により形成しており、その時のターゲット投入パワーは５００Ｗとした。また、この基体を用いて実施例５と同様にしてＳＳＴ試験、ＣＳＴ試験、および印字耐久試験を行い、その結果を表１に示す。
【００９５】
以上の結果から、以下のことが明らかになった。
【００９６】
すなわち、表１の結果から明らかなように、本発明実施例５〜１１による基体は、比較例に示す基体に比べて広い組成範囲でＣＳＴ、ＳＳＴ、印字耐久性に優れていることがわかる。
【００９７】
また、表１には示していないが、比較例１に示したような従来インクジェット記録ヘッドに用いられている発熱抵抗層２００４は、シート抵抗値が小さいことから本実施例のものと比べて駆動時の電流値が２〜３倍増加することが予想される。
【００９８】
これは複数の発熱抵抗層を駆動させるインクジェット記録装置では、その影響は大きくなり、装置設計上問題となる。特に、高画質、高速化に対応した発熱抵抗層のサイズが小さくなる構成においては、従来の発熱抵抗体を使用すると大幅な電力増加につながることを示唆しており、本発明の発熱抵抗体を使用することにより省エネルギー化が成し得ることを示している。
【００９９】
また、本発明の発熱抵抗体では、従来インクジェット記録ヘッドで用いられている発熱抵抗体では成し得ない比抵抗値を示しているわけであるが、前述のように発熱抵抗体材料の組成比と比抵抗値には密接な関係がある。そこで、本発明者らはＴａ−Ｓｉ−Ｎ膜における発熱抵抗体材料の組成比に着目し、複数種の組成比を有するＴａ−Ｓｉ−Ｎ膜を作成し、インクジェット記録ヘッドに用いられる発熱抵抗体の比抵抗値として好ましい値が得られるＴａ−Ｓｉ−Ｎ膜の組成範囲を図８−Ａに示した。
【０１００】
参考までに図８−Ｃには、特開昭５３−２５４４２号公開公報で開示されているサーマルプリントヘッドに好適とされる組成範囲を示す。上述の比較例２、３及び５はこの図８−Ｃの組成範囲に含まれるものであるが、この組成範囲のものは比抵抗値が４０００μΩ・ｃｍをはるかに越えるものとなってしまうため、断線を生じてしまいインクジェット記録ヘッドの発熱抵抗体として用いることはできないものである。
【０１０１】
すなわち、本発明の発熱抵抗体における抵抗の温度係数ＴＣＲは、比抵抗値に対して負の相関を示し、比抵抗値が大きくなると、マイナス方向に増加する傾向を示す。つまり、ＴＣＲが大きい場合には、温度が上昇するとともに抵抗値が減少する（負の温度係数）一方、電流が流れやすくなるため、その部分において局所的に温度上昇が起こり、断線へとつながる。さらにインクジェット記録ヘッドにおける発熱抵抗体は、サーマルプリントヘッドに比べ短時間に電圧が印加され、かつ、高温に達することからＴＣＲの影響をより受けやすくなり、ＴＣＲを可能な限り小さくする必要が生じる。このような理由から、本発明の発熱抵抗体の比抵抗値は４０００μΩ・ｃｍ以下となっており、好ましくは２５００μΩ・ｃｍ以下であることが望ましいものである。なお、前述の組成範囲においては、Ｔａが２０ａｔ％より少ない場合、Ｓｉが２５ａｔ％より多い場合、もしくはＮが６０ａｔ％より多い場合にこのように比抵抗値が大きくなってしまうことがわかっている。また、前述の組成範囲において、Ｔａが８０ａｔ％より多い場合、もしくはＮが１０ａｔ％より少ない場合には、比抵抗値が小さくなってしまうため、本願発明の目的である高抵抗値を有する発熱抵抗体を得ることができない。さらに、Ｓｉが３ａｔ％より少ない場合には膜が結晶構造となってしまい耐久性が低下してしまうことがわかっている。
【０１０２】
図８から明らかなように、本発明の組成範囲図８−Ａは、サーマルプリントヘッドに用いられる組成範囲図８−Ｃとは異なる範囲のものであり、インクジェット記録ヘッドに特有の組成範囲を有する発熱抵抗体であることがわかる。
【０１０３】
（実施例１２〜１７）
さらに、層間膜２００３および保護膜２００６を表３に示す材料で形成し、発熱抵抗層２００４を表２に示すような条件で形成する以外は実施例３と同様にしてインクジェットヘッド用基体を作製した。この時のターゲットに投入するパワーは、Ｔａ−４００Ｗ、Ｓｉ−１５０〜２００Ｗとした。また、この基体を用いて実施例５と同様にしてＳＳＴ試験、ＣＳＴ試験、および印字耐久試験を行い、その結果を表２に示す。
【０１０４】
上述した実施例５〜１１と同様にして、実施例１２〜１７においても広い組成範囲でＣＳＴ、ＳＳＴ、印字耐久性に優れていることが明らかになった。また、図５に示すように実施例１２〜１７に示した発熱抵抗層２００４は、実施例５〜１１の発熱抵抗層２００４に比べ、特にＳｉ量が少なく、窒素分圧の変化に対して比抵抗値の変化が少ないことから、均一な比抵抗値を有する発熱抵抗層２００４を安定して作製するためにはより好ましい製造方法であることが考えられる。この時のＴａ−Ｓｉ−Ｎ膜の組成範囲を図８−Ｂに示す。図８−Ａの組成範囲より特にＳｉ量の少ない組成範囲となっている。上述したように本発明の組成範囲Ｂにおいても、サーマルプリントヘッドに用いられる組成範囲Ｃとは異なり、インクジェット記録ヘッドに特有の発熱抵抗体であることを示している。
【０１０５】
また、本発明の基体は少なくともＴａ−Ｓｉ−Ｎ膜から構成される発熱抵抗層を挟んで蓄熱層／発熱抵抗層／保護層からなる積層構造を有し、上記発熱抵抗層の構成原子の中の少なくとも１種の原子を構成原子とする材料を用いて他の層のそれぞれが構成されていることから、各層間の密着性が向上し、ＳＳＴ試験や印字耐久試験において優れた特性を示していると考えられる。
【０１０６】
以下に本発明のインクジェット記録ヘッドを搭載可能なインクジェット記録装置の一般的な構成を示す。
【０１０７】
図９は本発明が適用されるインクジェット装置の一例の外観図で、駆動モータ２１０１の正逆回転に連動して駆動力伝達ギア２１０２、２１０３を介して回転するリードスクリュー２１０４の螺旋溝２１２１に対して係合するキャリッジ２１２０上に搭載されており、前駆動モータ２１０１の動力によってキャリッジ２１２０とともにガイド２１１９に沿って矢印ａ、ｂ方向に往復移動される。不図示の記録媒体給送装置によってプラテン２１０６上に搬送される記録用紙Ｐ用の紙押え板２１０５は、キャリッジ２１２０移動方向にわたって記録用紙をプラテン２１０６に対して押圧する。
【０１０８】
２１０７、２１０８はフォトカプラでキャリッジ２１２０のレバー２１０９のこの域での存在を確認して駆動モータ２１０１の回転方向切り替え等を行うためのホームポジション検知手段である。２１１０は記録ヘッド２２００の全面をキャップするキャップ部材２１１１を支持する部材で、２１１２は前記キャップ部材２１１１内を吸引する吸引手段で、キャップ内開口２１１３を介して記録ヘッド２２００の吸引回復を行う。
【０１０９】
２１１４はクリーニングブレードで、２１１５はこのブレードを前後方向に移動可能にする移動部材であり、本体支持板２１１６にこれらは支持されている。クリーニングブレード２１１４は、この形態でなく周知のクリーニングブレードが 本体に適用できることは言うまでもない。
【０１１０】
また、２１１７は、吸引回復の吸引を開始するためのレバーで、キャリッジ２１２０と係合するカム２１１８の移動に伴って移動し、駆動モータ２１０１からの駆動力がクラッチ切り替え等の公知の伝達手段で移動制御される。前記記録ヘッド２２００に設けられた発熱部２１１０に信号を付与したり、上述した各機構の駆動制御を司ったりする記録制御部は、記録装置本体側に設けられている（不図示）。
【０１１１】
上述したような構成のインクジェット記録装置２１００は、前記記録媒体給送装置によってプラテン２１０６上に搬送される記録用紙Ｐに対し、記録ヘッド２２００が前記記録用紙Ｐの全幅にわたって往復運動しながら記録を行うものであり、記録ヘッド２２００は上述したような方法で製造したものを用いているため、高精度で高速な記録が可能である。
【０１１２】
【表１】
【０１１３】
【表２】
【０１１４】
【表３】
【０１１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、インクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生する複数の発熱抵抗体を、比抵抗値が４０００μΩ・ｃｍ以下であるＴａｘＳｉｙＮｚで表わされる材料からなる薄膜で構成されており、ｘ＝２０〜８０ａｔ．％、ｙ＝３〜２５ａｔ．％、ｚ＝１０〜６０ａｔ．％（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００）として構成することにより、長期の連続使用によっても抵抗値の変化が少なく、長寿命で信頼性のある高品位の記録画像を提供することが可能となった。
【０１１６】
本発明によるインクジェット記録ヘッドの発熱抵抗体は、短いパルスで駆動した場合にも、所望の耐久性が維持され、高品位の記録画像を長期にわたって提供することが可能となった。
【０１１７】
本発明によるインクジェット記録ヘッドは、小ドット化に対応した高抵抗の発熱抵抗特性を可能とし、インクジェット記録ヘッドに用いた場合にはエネルギー効率が高い、つまり発熱を抑えることができ、省エネを可能にすることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインクジェットヘッドの基板を示す概略平面図である。
【図２】図１をＸ−Ｘ’の一点鎖線で垂直に切断したときの基板の断面図である。
【図３】ヒーターサイズの違いによる各種駆動条件を説明する図である。
【図４】本発明のインクジェット記録ヘッド用基体の各層を成膜する成膜装置である。
【図５】Ｔａ−Ｓｉ−Ｎ発熱抵抗体を形成する抵抗層の窒素分圧に対する比抵抗値を示す図である。
【図６】Ｔａ−Ｓｉ−Ｎ発熱抵抗体を形成する抵抗層の窒素分圧に対する膜組成値を示す図である。
【図７】ＣＳＴ試験の結果を示す図である。
【図８】本発明のインクジェット記録ヘッドの発熱抵抗体に使用できる抵抗体の組成範囲を示す図である。
【図９】本発明の記録ヘッドを用いたインクジェット記録装置の一例としての模式的斜視図である。
【符号の説明】
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
４００１ ターゲット
４００２ 平板マグネット
４００３ 基板ホルダー
４００４ 基板
４００５ 内部ヒーター
４００６ 電源
４００７ 排気ポンプ
４００８ 外部ヒーター
４００９ 成膜室
４０１０ ガス導入口
４０１１ シャッター
【発明の属する技術分野】
本発明は、紙、プラスチックシート、布、物品等を包含する記録保持体に対して、例えばインク等の機能性液体等を吐出することにより文字、記号、画像等の記録、印刷等を行うインクジェットヘッド（以下、単に”インクジェットヘッド”と略称する）を構成するための基体、この基体を用いて構成されるインクジェットヘッド、このインクジェットヘッドに対して供給されるインクを貯溜するためのインク貯溜部を含むインクジェットペン、及びインクジェットヘッドが装着されるインクジェット装置に関する。
【０００２】
なお、本発明においていうインクジェットペンは、インクジェットヘッドとインク貯溜部とを一体としたカートリッジ形態も、それらを互いに別体として取り外し可能に組み合わせた形態も包含するものを意味する。このインクジェットペンは、装置本体側のキャリッジ等の搭載手段に対して着脱自在に構成されている。
【０００３】
また、本発明において称するインクジェット記録装置は、ワードプロセッサー、コンピューター等の情報処理機器の出力端末として一体的に、または別体として設けられるものの他、情報読み取り機器等と組合わされた複写装置、情報送受信機能を有するファクシミリ装置、布への捺染を行う機械等の種々の形態を包含するものを意味している。
【０００４】
【従来の技術】
この種のインクジェット記録装置は、インクを微小な液滴として吐出口から高速で吐出することにより、高精細な画像の高速記録を行うことができるという特徴を有している。特に、インクを吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生手段として電気熱変換体を用い、この電気熱変換体が発生する熱エネルギーによって生ずるインクの発泡を利用してインクを吐出する方式のインクジェット記録装置は、画像の高精細化、高速記録化、記録ヘッド及び装置の小型化やカラー化に適していることから近年注目されている。（例えば米国特許第４７２３１２９号及び米国特許第４７４０７９６号参照）。
【０００５】
上記インクジェット記録に使用されるヘッドの基板要部の一般的な構成を図１に示す。また、図２は、図１のインク流路に相当する部分のＸ−Ｘ’線で切断したインクジェット記録ヘッド用基体２０００の模式的断面図である。
【０００６】
図１において、このインクジェット記録ヘッドには、複数の吐出口１００１が設けられ、また、これからそれぞれインクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生する電気熱変換素子１００２が各インク流路１００３毎に基板１００４上に設けられている。電気熱変換素子１００２は、主に発熱抵抗体１００５及びこれに電力を供給するための電極配線１００６並びにこれらを保護する絶縁膜１００７により構成される。
【０００７】
また、各インク流路１００３は複数の流路壁１００８が一体的に形成された天板を、基板１００４上の電気熱変換素子等との相対位置を画像処理等の手段により位置合わせしながら接合することで形成される。各インク流路１００３は、その吐出口１００１と反対側の端部が共通液室１００９と連通しており、この共通液室１００９にはインクタンク（図示せず）から供給されるインクが貯留される。
【０００８】
共通液室１００９に供給されたインクは、ここから各インク流路１００３に導かれ、吐出口１００１近傍でメニスカスを形成して保持される。この時、電気熱変換素子１００２を選択的に駆動させることにより、その発生する熱エネルギーを利用して熱作用面上のインクを急激に加熱沸騰させ、この時の衝撃力によってインクを吐出させる。
【０００９】
図２において、２００１はシリコン基板、２００２は熱酸化膜からなる蓄熱層を示すものであり、
２００３は、蓄熱機能を兼ねるＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜等からなる層間膜、２００４は発熱抵抗層、２００５はＡｌ，Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ等の金属配線、２００６はＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜等からなる保護層を示す。また、２００７は、発熱抵抗層２００４の発熱に伴う化学的、物理的衝撃から保護膜２００６を守るための耐キャビテーション膜、２００８は発熱抵抗層２００４の熱作用部である。
【００１０】
これらのインクジェット記録装置の記録ヘッドに用いられる発熱抵抗体としては、以下のような特性が要求される；
（１）発熱抵抗体として熱応答性に優れ、瞬時にインクの吐出を可能とする、
（２）高速及び連続の駆動に対して、抵抗値変化が少なく、インクの発泡状態が安定している、
（３）耐熱性、熱応力性に優れ、寿命が長く信頼性が高い。
これらの要求を満たすインクジェットヘッドに使用される発熱抵抗層として特開平７−１２５２１８号公開公報には、発熱抵抗体材料にＴａＮ膜を用いる構成が開示されている。このＴａＮ膜における特性安定性、特に長期繰り返し記録時の抵抗変化率は、ＴａＮ膜の組成と強い相関関係が有り、中でもＴａＮ０．８ｈｅｘを含む窒化タンタルで構成された発熱抵抗体は、上記長期繰り返し記録時の抵抗変化率が少なく吐出安定性に優れているものである。
【００１１】
ちなみに、発熱抵抗体を用いる記録ヘッドは上述のインクジェット記録ヘッドの他に感熱紙やインクリボンに直接接触させて記録を行うサーマルプリントヘッドがある。
【００１２】
このようなサーマルプリントヘッドにおける発熱抵抗体としては、例えば、特開昭５３−２５４４２号公開公報に記載されるように、高い温度で発熱させても寿命特性に優れた発熱抵抗体として、第１の元素がＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，ＷおよびＭｏのうちから選ばれた少なくとも１種であり、第２の元素がＮであり、第３の元素がＳｉであり、第１の元素が５〜４０原子％、第２の元素が３０〜６０原子％、第３の元素が３０〜６０％で発熱抵抗体を構成するものや、あるいは、特開昭６１−１００４７６号公開公報に記載されるように、熱的安定性が高く、印字品質の優れた発熱抵抗体として、タンタルと高融点金属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）と窒素との合金で発熱抵抗体を構成するものがある。更に、特開昭５６−８９５７８号公開公報のように、耐酸化性や抵抗値安定性に優れた発熱抵抗体として、窒化物を形成する金属とケイ素および窒素を含有する発熱抵抗体を用いるものがある。また、特公平２−６２０１号公告公報に記載されるように、サーマルヘッドにおける高速記録や、長寿命の使用に耐え得る発熱抵抗体として、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ系薄膜を用いるものがある。
【００１３】
しかしながら、現状ではインクジェット記録ヘッドの発熱抵抗体としては、ＨｆＢ２、ＴａＮ、ＴａＡｌもしくはＴａＳｉといった発熱抵抗体材料が用いられており、上述のサーマルプリントヘッドに用いられる発熱抵抗体は、一般にインクジェット記録ヘッドには実用化されていない。
【００１４】
これは、サーマルプリントヘッドでは、発熱抵抗体には１ｍｓｅｃ．の時間に１Ｗ程度の電力が印加されるのに対し、インクジェットヘッドでは短時間でインクを気化させるために、例えば７μｓｅｃの間に３Ｗ〜４Ｗ相当の電力を発熱抵抗体に印加するためである。これは、サーマルプリントヘッドに印加する電力の数倍の大きさであるため、インクジェットヘッドの発熱抵抗体ではサーマルプリントヘッドに比べて短い時間により熱ストレスを受けやすいものとなっている。
【００１５】
従って、発熱抵抗体としては、サーマルプリントヘッドに用いられるものとは異なるインクジェットヘッドに特有な吐出、駆動方法を考慮し、それに適した発熱抵抗体の設計（膜厚、ヒーターサイズ、形状など）が必要であり、サーマルプリントヘッド分野で使用されている発熱抵抗体をそのままインクジェットヘッドに適用することは困難である。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述したように、インクジェット記録装置においては、近年、装置の高画質化、高速記録等の高機能化がますます要求されている。このうち、高画質化に対しては、ヒーター（発熱抵抗体）のサイズを小さくすることにより、１ドット当りの吐出量を少なくし小ドット化により画質を向上する方法がある。
【００１７】
また、高速記録を行うためには、従来より一層パルスを短くした駆動を行うことにより、駆動周波数を上げる方法がある。
【００１８】
しかしながら、上述のように高画質化に対応するためヒーターサイズを小さくした構成で、高周波数でヒーターを駆動させるためには、シート抵抗値を大きくする必要がある。これらヒーターサイズの差異による各種駆動条件の関係説明図を図３（ａ）に示す。
【００１９】
図３（ａ）は、駆動電圧が一定の時にヒーターサイズが大きいもの（Ａ）から、小さいもの（Ｂ）に変化した時の駆動パルス幅に対する発熱抵抗体のシート抵抗値および電流値の変化を示す。また、同様にして駆動パルス幅が一定の時にヒーターサイズが変化した時の、駆動電圧に対する発熱抵抗体のシート抵抗値および電流値の関係を図３（ｂ）に示す。
【００２０】
すなわち、ヒーターサイズを小さくした時に、従来と同一条件で駆動させるためにはシート抵抗値を大きくする必要がある。また、エネルギーの関係から、シート抵抗値を大きくし、駆動電圧を高くして駆動させる方が電流値が少なくなり、省エネが達成できる。特に、発熱抵抗体を複数配置した構成の場合はその効果は大きくなる。
【００２１】
ところが、前述したように現在インクジェット記録ヘッドに用いられているＨｆＢ２、ＴａＮ、ＴａＡｌもしくはＴａＳｉ等の発熱抵抗体の比抵抗値は、２００〜３００μΩ・ｃｍ程度である。発熱抵抗体の製造安定性、吐出の特性安定性等を考慮すると、発熱抵抗体の膜厚は２００Åが限界と考えれば、シート抵抗値は１５０Ω／□が限界となる。従って、それ以上のシート抵抗値を得ようとすると、上記発熱抵抗体を使用することは難しくなる。
【００２２】
一方、上述したようなサーマルプリントヘッドに用いられている発熱抵抗体では、シート抵抗値を大きくすることは可能であるものの、上述のようにインクジェットヘッドに要求されるような熱応答性、高速記録特性を達成するためには使用することはできない。
【００２３】
さらに、インクジェット記録装置では電源容量や半導体素子の耐圧の観点から、駆動電圧の制約があり、現在のところ約３０Ｖ程度が上限とされている。この駆動電圧以下で動作させるためには、発熱抵抗体の比抵抗値は４０００μΩ・ｃｍ以下であることが必要であるが、上述のサーマルプリントヘッドに用いられている発熱抵抗体は、一般的に発熱抵抗体の比抵抗値が４０００μΩ・ｃｍを超えるものとなってしまっている。
【００２４】
このように、短パルス駆動による熱応答性に優れ、高いシート抵抗値を有することができるインクジェット記録ヘッド用の発熱抵抗体は従来なかった。更に、記録画像の高精細化に伴い、ヒーターサイズを小さくすることにより小さなインク滴を記録するためには、従来の発熱抵抗体を使用する限りにおいては、電流値が増加し、発熱による問題が避けられなかった。
【００２５】
従って、本発明の主たる目的は、従来のインクジェット記録ヘッド用の発熱抵抗体について上述した諸問題を解決し、高品位な記録画像を長期にわたって得ることを可能にする発熱抵抗体を有するインクジェット記録ヘッド用基体、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を提供することにある。
【００２６】
本発明の他の目的は、記録画像の高精細化に対応した小ドット化や高速記録に対応した高速駆動においても、吐出が安定した発熱抵抗体を有するインクジェット記録ヘッド用基体、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を提供することを目的とする。
【００２７】
本発明の更に他の目的は、上述した優れたインクジェット記録ヘッドに対して供給されるインクを貯溜するためのインク貯溜部を含むインクジェットペン、及びかかるインクジェット記録ヘッドが装着されるインクジェット記録装置を提供することにある。
【００２８】
本発明の他の目的は、発熱抵抗層をはさんで蓄熱層／発熱抵抗層／保護層からなる積層構造を有したインクジェット記録ヘッドにおいて、各層間の密着性が向上したインクジェット記録ヘッドを提供することを目的とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のインクジェット記録ヘッド用基体、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の構成により、前記目的を達成するものである。
【００３０】
すなわち、この発熱抵抗体は、比抵抗値が４０００μΩ・ｃｍ以下であるＴａｘＳｉｙＮｚで表わされる材料からなる薄膜で構成されており、ｘ＝２０〜８０ａｔ．％、ｙ＝３〜２５ａｔ．％、ｚ＝１０〜６０ａｔ．％（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００）であることを特徴とする。
【００３１】
また、インクを吐出するインク吐出口と、インクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生する複数の発熱抵抗体と、該発熱抵抗体を内包するとともに前記インク吐出口に連通するインク流路と、を有するインクジェット記録ヘッドにおいて、該発熱抵抗体は、比抵抗値が４０００μΩ・ｃｍ以下であるＴａｘＳｉｙＮｚで表わされる材料からなる薄膜で構成されており、ｘ＝２０〜８０ａｔ．％、ｙ＝３〜２５ａｔ．％、ｚ＝１０〜６０ａｔ．％（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００）であることを特徴とする。
【００３２】
また、インクを吐出するインク吐出口と、インクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生する複数の発熱抵抗体と、該発熱抵抗体を内包するとともに前記インク吐出口に連通するインク流路と、を有するインクジェット記録ヘッドと、該インクジェット記録ヘッドから吐出されるインクを受ける記録媒体を搬送するための搬送手段と、を備えるインクジェット記録装置において、前記発熱抵抗体は、比抵抗値が４０００μΩ・ｃｍ以下であるＴａｘＳｉｙＮｚで表わされる材料からなる薄膜で構成されており、ｘ＝２０〜８０ａｔ．％、ｙ＝３〜２５ａｔ．％、ｚ＝１０〜６０ａｔ．％（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００）であることを特徴とする。
【００３５】
（作用）
以上のような本発明構成によるインクジェット記録ヘッドの提供により、前記発熱抵抗体は、ヒータサイズを小さいものとして短いパルスで連続的に駆動した場合にも、所望の耐久性が得られ、エネルギー効率が高く、発熱を抑制して省エネルギーを可能にするとともに、高品位の記録画像を提供すること
ができる。
【００３６】
また、本発明は、インクジェット記録ヘッドのインクのみに限定されるものでなく、前記発熱抵抗体を用いて吐出が可能なインクジェット記録ヘッドの液体にも適用し得るものである。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、複数の実施例に基づいて詳細に説明する。但し、本発明は、以下に説明する各実施例のみに限定されるものでなく、本発明の目的を達成し得るものであればよいことは勿論である。
【００３８】
（発明の好ましい形態）
次に本発明の詳細について、図面を参照して説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されることはなく、本発明の目的が達成され得るものであれば良い。
【００３９】
前述の図１は本発明の一実施例に係わるインクジェットヘッドのインクを発泡させる、発熱部の基板要部の概略平面図であり、図２は、図１で示されたＸ−Ｘ’一点鎖線に沿って基板面に垂直に切断した時の模式的な切断面部分図である。
【００４０】
本発明実施例における発熱抵抗体２００４は、各種成膜法で作製可能であるが一般的には電源として高周波（ＲＦ）電源、または直流（ＤＣ）電源を用いたマグネトロンスパッタリング法により形成される。図４は、上記発熱抵抗層２００４を成膜するスパッタリング装置の概要を示す。図４において、４００１はあらかじめ所定の組成に作製されたＴａ−Ｓｉからなるターゲット、４００２は平板マグネット、４０１１は基板への成膜を制御するシャッター、４００３は基板ホルダー、４００４は基板、４００６はターゲット４００１と基板ホルダー４００３に接続された電源である。
【００４１】
さらに、図４において、４００８は成膜室４００９の外周壁を囲んで設けられた外部ヒーターである。該外部ヒーター４００８は、成膜室４００９の雰囲気温度を調節するのに使用される。基板ホルダー４００３の裏面には、基板の温度制御を行う内部ヒーター４００５が設けられている。基板４００４の温度制御は、外部ヒーター４００８を併用して行うことが好ましい。
【００４２】
図４の装置を用いた成膜は、以下の様に行われる。まず、排気ポンプ４００７を用いて成膜室４００９を１×１０−５〜１×１０−６Ｐａまで排気する。次いで、アルゴンガスと窒素ガスあるいは形成する発熱抵抗体に応じて酸素ガス、炭素系ガスからなる混合ガスを、マスフローコントローラー（不図示）を介してガス導入口４０１０から成膜室４００９に導入される。この時、上記基板温度及び雰囲気温度が所定の温度になるように内部ヒーター４００５、外部ヒーター４００８を調節する。次に、電源４００６からターゲット４００１にパワーを印加してスパッタリング放電を行い、シャッター４０１１を調節して、基板４００４の上に薄膜を形成させる。
【００４３】
上記発熱抵抗体の成膜は、Ｔａ−Ｓｉからなる合金ターゲットを用いた反応性スパッタリング法で形成する方法について説明した。上記成膜法のみに限定されるばかりでなく、別々のＴａターゲットとＳｉターゲットを用い、それぞれに接続された２台の電源からパワーを印加する、２元同時反応性スパッタリング法により形成することも可能である。この場合は、各々のターゲットに印加するパワーを単独に制御することが可能となる。
【００４４】
さらに、Ｔａ−Ｓｉ−Ｎ、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ、Ｔａ−Ｓｉ−Ｃあるいはそれらの混合物からなる合金ターゲットを用いて、アルゴンガスによりスパッタリングを行うスパッタリング法（場合によっては、窒素ガス、酸素ガス、炭素系ガスを導入した反応性スパッタリング法）により形成することも可能である。
【００４５】
本実施例においては、図４に示した装置を使用し、上述した成膜方法により各種の成膜条件で本発明の発熱抵抗体膜を作製した。
【００４６】
（実施例１）
以下、本発明の具体的な第１の実施例について説明する。
【００４７】
図２において、一部既述のように、シリコン基板２００１上に熱酸化により膜厚１．８μｍの蓄熱層２００２を形成し、更に蓄熱層を兼ねる層間膜２００３として、ＳｉＯ２膜をプラズマＣＶＤ法により膜厚１．２μｍに形成した。次に、発熱抵抗層２００４として２個のターゲットを用いた２元同時スパッタリング法によりＴａ−Ｓｉ−Ｎ膜を膜厚１０００Å形成した。
【００４８】
この時のガス流量は、Ａｒガス４５ｓｃｃｍ、Ｎ２ガス１５ｓｃｃｍ、窒素ガス分圧比２５％とし、ターゲットに投入するパワーは、Ｓｉターゲット１５０Ｗ、Ｔａターゲット５００Ｗとし、雰囲気温度２００℃、基板温度２００℃で行った。
【００４９】
更に、熱作用部２００８で発熱抵抗層２００４を加熱するための金属配線２００５として、Ａｌ膜を５５００Åスパッタリング法により形成した。
【００５０】
これを、フォトリソによりパターン形成し、Ａｌ層を取り除いた１５μｍ×４０μｍの熱作用部２００８を形成した。保護膜２００６としては、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＮ膜を１μｍの膜厚に形成し、最後に耐キャビテーション層２００７としてスパッタリング法によりＴａ膜を膜厚２０００Å形成し、本発明の基体を得た。上記形状の発熱抵抗層のシート抵抗値は、２７０Ω／□であった。
【００５１】
（比較例１）
発熱抵抗層２００４を、次のように変更する以外は、実施例１と同様に作製することにより比較例１の基体を得た。すなわち、Ｔａターゲットを用いた反応性スパッタリング法により膜厚１０００ÅのＴａＮ０．８膜を形成した。この時のガス流量は、Ａｒガス４８ｓｃｃｍ、Ｎ２ガス１２ｓｃｃｍ、窒素ガス分圧２０％とし、Ｔａターゲットへの投入パワー５００Ｗ、雰囲気温度２００℃、基板温度２００℃で行った。発熱抵抗層のシート抵抗値は２５Ω／□であった。
【００５２】
＜評価１＞
上記実施例１及び比較例１として作製された基体を用いて、インクを吐出する発泡電圧Ｖｔｈを求めた。
【００５３】
このＶｔｈに対して、１．２Ｖｔｈ（発泡電圧の１．２倍）を駆動電圧として、駆動パルス幅２μｓｅｃ．で駆動させた時の電流値を測定した。
【００５４】
すなわち、実施例１では、Ｖｔｈ＝２４Ｖ、電流値は３５ｍＡであったのに対し、比較例１ではＶｔｈ＝９．９Ｖ、電流値は１２０ｍＡであった。この結果から、本発明の実施例１と比較例１の基体を比較すると、電流値は比較例に比べ約１／３となっている。実際のヘッド形態では、同時に駆動させる発熱抵抗体数は複数あるので、比較例に比べてはるかに消費電力が少なくなり、省エネ効果が得られることが理解されよう。
【００５５】
更に、以下の条件で発熱抵抗体を駆動させ、破断パルスによる熱ストレス耐久評価をおこなった。
【００５６】
駆動周波数：１０ＫＨｚ、駆動パルス幅：２μｓｅｃ．
駆動電圧：発泡電圧×１．３
【００５７】
その結果、比較例では６．０×１０７パルスで破断したのに対し、実施例１では５．０×１０９パルスまで破断しなかった。
【００５８】
このように、本発明の実施例の基体では短いパルス駆動に対しても十分耐えられることがわかる。
【００５９】
（実施例２）
発熱抵抗層２００４を、次のように変更する以外は、前記実施例１と同様に作製することにより、図１で示される基体２０００を得た。すなわち、成膜時に導入するガスを、実施例１の窒素ガスに変えて酸素ガスを導入し、反応性スパッタリング法により膜厚１０００ÅのＴａ−Ｓｉ−Ｏ膜を形成した。この時のガス流量は、Ａｒガス４５ｓｃｃｍ、酸素ガス１５ｓｃｃｍ、酸素ガス分圧２５％とし、ターゲット投入パワーは、Ｓｉターゲット１５０Ｗ、Ｔａターゲット５２０Ｗとし、雰囲気温度２００℃、基板温度２００℃で行った。発熱抵抗層のシート抵抗値は２９０Ω／□であった。
【００６０】
＜評価２＞
前記評価１と同様にして、以上の実施例２で作製された基体の評価を行った。
【００６１】
その結果、実施例２の基体ではＶｔｈ＝２５Ｖ、電流値は３６ｍであった。
【００６２】
また、破断パルスによる熱ストレス耐久評価では、６．０×１０９パルスまで破断しなかった。
【００６３】
評価１の結果と同じように、実施例２の基体は、電流値が少なく省エネ効果に優れた基体であることがわかる。
【００６４】
また、短いパルス駆動を行った場合でも耐久性に優れているものである。
【００６５】
（実施例３）
発熱抵抗層２００４を、次のように変更する以外は、前記実施例１と同様に作製することにより、図１で示される基体２０００を得た。すなわち、成膜時に導入するガスを、実施例１の窒素ガスに変えてメタン（ＣＨ４）ガスを導入し、反応性スパッタリング法により膜厚１０００ÅのＴａ−Ｓｉ−Ｃ膜を形成した。この時のガス流量は、Ａｒガス４８ｓｃｃｍ、ＣＨ４ガス１２ｓｃｃｍ、ＣＨ４ガス分圧２０％とし、ターゲット投入パワーは、Ｓｉターゲット１５０Ｗ、Ｔａターゲット５００Ｗとし、雰囲気温度２００℃、基板温度２００℃で行った。
【００６６】
＜評価３＞
前記評価１と同様にして、以上の実施例３で作製された基体の評価を行った。
【００６７】
その結果、実施例３の基体ではＶｔｈ＝２２Ｖ、電流値は４１ｍＡであった。
【００６８】
また、破断パルスによる熱ストレス耐久評価では、６．０×１０９パルスまで破断しなかった。
【００６９】
評価１の結果と同じように、実施例３の基体も、電流値が少なく省エネ効果に優れた基体であることがわかる。
【００７０】
また、短いパルス駆動を行った場合でも耐久性に優れているものである。
【００７１】
（実施例４）
発熱抵抗層２００４を、次のように変更する以外は、前記実施例１と同様に作製することにより、図１で示される基体２０００を得た。すなわち、成膜時に導入するガスを、実施例１の窒素ガスに変えて窒素ガスと酸素ガスからなる混合ガスを導入し、反応性スパッタリング法により膜厚１０００ÅのＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ膜を形成した。この時のガス流量は、Ａｒガス４８ｓｃｃｍ、混合ガス１２ｓｃｃｍ（酸素ガス５ｓｃｃｍ、窒素ガス７ｓｃｃｍ）、混合ガス分圧２０％とし、ターゲット投入パワーは、Ｓｉターゲット１５０Ｗ、Ｔａターゲット５００Ｗとし、雰囲気温度２００℃、基板温度２００℃で行った。
【００７２】
＜評価４＞
前記評価１と同様にして、以上の実施例４で作製された基体の評価を行った。
【００７３】
その結果、実施例３の基体ではＶｔｈ＝２３Ｖ、電流値は３９ｍＡであった。
【００７４】
また、破断パルスによる熱ストレス耐久評価では、５．０×１０９パルスまで破断しなかった。
【００７５】
評価１の結果と同じように、実施例４の基体も、電流値が少なく省エネ効果に優れた基体であることがわかる。
【００７６】
また、短いパルス駆動を行った場合でも耐久性に優れているものである。
【００７７】
＜膜物性評価＞
次に、発熱抵抗体膜の物性を評価するため、上述の実施例と同様にして図４に示した装置を使用し、上述した成膜方法により各種の成膜条件で複数種のＴａ−Ｓｉ−Ｎ膜を作製した。
【００７８】
まず、単結晶シリコンウエハ上に熱酸化膜を形成し、図４の装置の成膜室４００９内の基板ホルダ４００３上にセットした（基板４００４）。次いで、排気ポンプ４００７により成膜室４００９内を８×１０−６Ｐａまで排気した。
【００７９】
その後、アルゴンガス及び窒素ガスの混合ガスをガス導入口４０１０から成膜室４００９に導入し、成膜室４００９のガス圧を所定の圧力に調節した。次いで、それぞれの場合について上記混合ガス中の窒素分圧を変化させて上述の成膜方法により下記の成膜条件で成膜を行い、各種発熱抵抗体を形成した。
【００８０】
〔成膜条件〕
基板温度：２００℃
成膜室内ガス雰囲気温度：２００℃
成膜室内混合ガス圧力：０．３Ｐａ
上記のように、基板４００４上に形成された発熱抵抗体Ｔａ−Ｓｉ−Ｎ膜のＸ線回折測定を行い、構造解析を行った。その結果、窒素ガス分圧が変化しても特定の回折ピークは現われず、これらの膜はアモルファスに近い構造であることが明らかとなった。
【００８１】
次に、上記膜についてシート抵抗値を四端針法により測定し、比抵抗値を求めた。その結果の特性線図を図５（Ａ）および（Ｂ）に示す。図５（Ａ）のように、窒素分圧が増加するとともに比抵抗値は連続的に変化していることが判った。また、図５（Ｂ）のようにＴａターゲットに対して、Ｓｉターゲットに投入するパワーを増加させると同様にして窒素分圧が増加するとともに比抵抗値は増加するが、その比抵抗値の変化は大きくなる。これは、膜中のＳｉ量が増加したためであると考えられる。従って、ＴａおよびＳｉターゲットに投入するパワーおよび窒素分圧を任意に設定することにより、所望の比抵抗値が得られることを示唆している。
【００８２】
次に、上記膜についてＲＢＳ（ラザフォード後方散乱）分析を行い、膜の組成分析を行った。
【００８３】
その結果を図６に示す。図６における曲線（Ａ）は、上記図５（Ａ）曲線を、図６における曲線（Ｂ）は、図５（Ｂ）曲線に対応する膜組成を示している。また、図５及び図６から比抵抗値と膜組成には相関のあることが明らかになった。
【００８４】
＜インクジェット用特性評価＞
さらに、インクジェット記録ヘッド用基体の発熱抵抗体としての特性を評価するため、上述の実施例と同様にして図４に示した装置を使用し、上述した成膜方法により各種の成膜条件で複数種のＴａ−Ｓｉ−Ｎ膜を有する実施例５〜１０のインクジェット記録ヘッドを作成し、その特性を評価した。
【００８５】
（実施例５）
本実施例によるインクジェット特性としての評価を行う試料の基板は、Ｓｉ基板あるいは既に駆動用のＩＣを作り込んだＳｉ基板を用いる。
【００８６】
Ｓｉ基板の場合は、熱酸化法、スパッタ法、ＣＶＤ法などによって膜厚１．８μｍのＳｉＯ２の蓄熱層２００２（図２）を形成し、ＩＣを作り込んだＳｉ基板も同様にその製造プロセス中で、ＳｉＯ２の蓄熱層を形成しておく。
【００８７】
次に、スパッタ法、ＣＶＤ法などによってＳｉＯ２成る膜厚１．２μｍの層間絶縁膜２００３を形成した。次いで、ＴａとＳｉターゲットを用いた反応性２元スパッタリング法により、表１に示す条件で発熱抵抗層２００４を形成した。ターゲットに投入するパワーは、Ｔａ−４００Ｗ、Ｓｉ−３００Ｗとし、ガス流量は表１の条件とし、基板温度２００℃で行った。
【００８８】
電極配線２００５としてＡｌ膜を５５００Åをスパッタリング法により形成した。次に、フォトリソ法を用いてパターン形成し、Ａｌ膜を取り除いた２０μｍ×３０μｍの熱作用部２００８を形成した。次に保護膜２００６としてプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＮから成る膜厚１μｍの絶縁体を形成し、次に耐キャビテーション層２００７としてスパッタリング法によりＴａ膜を膜厚２３００Å形成し、フォトリソ法により図１に示すような本発明のインクジェット用基体を作製した。
【００８９】
このようにして作製された基体を用いてＳＳＴ試験を行った。このＳＳＴ試験とは、駆動周波数１０ＫＨｚ、駆動パルス幅５μｓｅｃ．のパルス信号を与え、吐出を開始する発泡開始電圧Ｖｔｈを求める。その後、印加電圧をＶｔｈから０．０５Ｖ毎に上げていきながら、駆動周波数１０ＫＨｚでそれぞれ１×１０５パルスを断線するまで印加し、この断線した時の破断電圧Ｖｂを求める。この発泡開始電圧Ｖｔｈと破断電圧Ｖｂとの比を破断電圧比Ｋｂ（＝Ｖｂ／Ｖｔｈ）と呼ぶ。この破断電圧比Ｋｂが大きいほど発熱抵抗体の耐熱性に優れていることを示す。評価の結果、Ｋｂ＝１．８が得られ、その結果を前出表１に示す。
【００９０】
次に、駆動電圧Ｖｏｐ＝１．３・Ｖｔｈにおいて、駆動周波数１０ＫＨｚ、駆動パルス幅５μｓｅｃ．、３．０×１０８パルスの連続したパルスを印加し、初期の発熱抵抗体の抵抗値Ｒ０、パルス印加後の抵抗値Ｒとした時、抵抗値変化率（Ｒ−Ｒ０）／Ｒ０を求めた（ＣＳＴ試験）。その結果、抵抗値変化率ΔＲ／Ｒ０＝＋１．５％（ΔＲ＝Ｒ−Ｒ０）が得られ、その結果を表１および図７に示す。
【００９１】
次に、実施例５のヘッドをインクジェット記録装置に取り付けて、印字耐久試験を行った。この試験は、Ａ４サイズの用紙にこのインクジェット記録装置に組み込まれている一般的なテスト印字パターンを印字させて行った。この時の駆動電圧Ｖｏｐは、１．３・Ｖｔｈに設定した。１５００文字の標準文書で、印字寿命が１００００枚以上印字可能であり、印字品位の劣化は見られなかった。これはＴａ−Ｓｉ−Ｎ発熱抵抗体が優れた耐久性を有していることを示している。
【００９２】
（実施例６〜８）
発熱抵抗層２００４を表１に示すような条件で形成する以外は実施例５と同様にしてインクジェットヘッド用基体を作製した。また、この基体を用いて実施例５と同様にしてＳＳＴ試験、ＣＳＴ試験、および印字耐久試験を行い、その結果を表１に示す。
【００９３】
（比較例２〜５）
発熱抵抗層２００４を表１に示すような条件で形成する以外は実施例５と同様にしてインクジェットヘッド用基体を作製した。この時のターゲットに投入するパワーは、比較例２ではＴａ−４００Ｗ，Ｓｉ−５００Ｗ、比較例３ではＴａ−４００Ｗ，Ｓｉ−４００Ｗ、比較例４、５ではＴａ−４００Ｗ，Ｓｉ−５０〜２００Ｗとした。また、この基体を用いて実施例５と同様にしてＳＳＴ試験、ＣＳＴ試験、および印字耐久試験を行い、その結果を表１に示す。
【００９４】
（実施例９〜１１）
発熱抵抗層２００４を表１に示すような条件で形成する以外は実施例５と同様にしてインクジェットヘッド用基体を作製した。なお、発熱抵抗層２００４は、Ｔａ８０−Ｓｉ２０からなる合金ターゲットを用いた反応性スパッタリング法により形成しており、その時のターゲット投入パワーは５００Ｗとした。また、この基体を用いて実施例５と同様にしてＳＳＴ試験、ＣＳＴ試験、および印字耐久試験を行い、その結果を表１に示す。
【００９５】
以上の結果から、以下のことが明らかになった。
【００９６】
すなわち、表１の結果から明らかなように、本発明実施例５〜１１による基体は、比較例に示す基体に比べて広い組成範囲でＣＳＴ、ＳＳＴ、印字耐久性に優れていることがわかる。
【００９７】
また、表１には示していないが、比較例１に示したような従来インクジェット記録ヘッドに用いられている発熱抵抗層２００４は、シート抵抗値が小さいことから本実施例のものと比べて駆動時の電流値が２〜３倍増加することが予想される。
【００９８】
これは複数の発熱抵抗層を駆動させるインクジェット記録装置では、その影響は大きくなり、装置設計上問題となる。特に、高画質、高速化に対応した発熱抵抗層のサイズが小さくなる構成においては、従来の発熱抵抗体を使用すると大幅な電力増加につながることを示唆しており、本発明の発熱抵抗体を使用することにより省エネルギー化が成し得ることを示している。
【００９９】
また、本発明の発熱抵抗体では、従来インクジェット記録ヘッドで用いられている発熱抵抗体では成し得ない比抵抗値を示しているわけであるが、前述のように発熱抵抗体材料の組成比と比抵抗値には密接な関係がある。そこで、本発明者らはＴａ−Ｓｉ−Ｎ膜における発熱抵抗体材料の組成比に着目し、複数種の組成比を有するＴａ−Ｓｉ−Ｎ膜を作成し、インクジェット記録ヘッドに用いられる発熱抵抗体の比抵抗値として好ましい値が得られるＴａ−Ｓｉ−Ｎ膜の組成範囲を図８−Ａに示した。
【０１００】
参考までに図８−Ｃには、特開昭５３−２５４４２号公開公報で開示されているサーマルプリントヘッドに好適とされる組成範囲を示す。上述の比較例２、３及び５はこの図８−Ｃの組成範囲に含まれるものであるが、この組成範囲のものは比抵抗値が４０００μΩ・ｃｍをはるかに越えるものとなってしまうため、断線を生じてしまいインクジェット記録ヘッドの発熱抵抗体として用いることはできないものである。
【０１０１】
すなわち、本発明の発熱抵抗体における抵抗の温度係数ＴＣＲは、比抵抗値に対して負の相関を示し、比抵抗値が大きくなると、マイナス方向に増加する傾向を示す。つまり、ＴＣＲが大きい場合には、温度が上昇するとともに抵抗値が減少する（負の温度係数）一方、電流が流れやすくなるため、その部分において局所的に温度上昇が起こり、断線へとつながる。さらにインクジェット記録ヘッドにおける発熱抵抗体は、サーマルプリントヘッドに比べ短時間に電圧が印加され、かつ、高温に達することからＴＣＲの影響をより受けやすくなり、ＴＣＲを可能な限り小さくする必要が生じる。このような理由から、本発明の発熱抵抗体の比抵抗値は４０００μΩ・ｃｍ以下となっており、好ましくは２５００μΩ・ｃｍ以下であることが望ましいものである。なお、前述の組成範囲においては、Ｔａが２０ａｔ％より少ない場合、Ｓｉが２５ａｔ％より多い場合、もしくはＮが６０ａｔ％より多い場合にこのように比抵抗値が大きくなってしまうことがわかっている。また、前述の組成範囲において、Ｔａが８０ａｔ％より多い場合、もしくはＮが１０ａｔ％より少ない場合には、比抵抗値が小さくなってしまうため、本願発明の目的である高抵抗値を有する発熱抵抗体を得ることができない。さらに、Ｓｉが３ａｔ％より少ない場合には膜が結晶構造となってしまい耐久性が低下してしまうことがわかっている。
【０１０２】
図８から明らかなように、本発明の組成範囲図８−Ａは、サーマルプリントヘッドに用いられる組成範囲図８−Ｃとは異なる範囲のものであり、インクジェット記録ヘッドに特有の組成範囲を有する発熱抵抗体であることがわかる。
【０１０３】
（実施例１２〜１７）
さらに、層間膜２００３および保護膜２００６を表３に示す材料で形成し、発熱抵抗層２００４を表２に示すような条件で形成する以外は実施例３と同様にしてインクジェットヘッド用基体を作製した。この時のターゲットに投入するパワーは、Ｔａ−４００Ｗ、Ｓｉ−１５０〜２００Ｗとした。また、この基体を用いて実施例５と同様にしてＳＳＴ試験、ＣＳＴ試験、および印字耐久試験を行い、その結果を表２に示す。
【０１０４】
上述した実施例５〜１１と同様にして、実施例１２〜１７においても広い組成範囲でＣＳＴ、ＳＳＴ、印字耐久性に優れていることが明らかになった。また、図５に示すように実施例１２〜１７に示した発熱抵抗層２００４は、実施例５〜１１の発熱抵抗層２００４に比べ、特にＳｉ量が少なく、窒素分圧の変化に対して比抵抗値の変化が少ないことから、均一な比抵抗値を有する発熱抵抗層２００４を安定して作製するためにはより好ましい製造方法であることが考えられる。この時のＴａ−Ｓｉ−Ｎ膜の組成範囲を図８−Ｂに示す。図８−Ａの組成範囲より特にＳｉ量の少ない組成範囲となっている。上述したように本発明の組成範囲Ｂにおいても、サーマルプリントヘッドに用いられる組成範囲Ｃとは異なり、インクジェット記録ヘッドに特有の発熱抵抗体であることを示している。
【０１０５】
また、本発明の基体は少なくともＴａ−Ｓｉ−Ｎ膜から構成される発熱抵抗層を挟んで蓄熱層／発熱抵抗層／保護層からなる積層構造を有し、上記発熱抵抗層の構成原子の中の少なくとも１種の原子を構成原子とする材料を用いて他の層のそれぞれが構成されていることから、各層間の密着性が向上し、ＳＳＴ試験や印字耐久試験において優れた特性を示していると考えられる。
【０１０６】
以下に本発明のインクジェット記録ヘッドを搭載可能なインクジェット記録装置の一般的な構成を示す。
【０１０７】
図９は本発明が適用されるインクジェット装置の一例の外観図で、駆動モータ２１０１の正逆回転に連動して駆動力伝達ギア２１０２、２１０３を介して回転するリードスクリュー２１０４の螺旋溝２１２１に対して係合するキャリッジ２１２０上に搭載されており、前駆動モータ２１０１の動力によってキャリッジ２１２０とともにガイド２１１９に沿って矢印ａ、ｂ方向に往復移動される。不図示の記録媒体給送装置によってプラテン２１０６上に搬送される記録用紙Ｐ用の紙押え板２１０５は、キャリッジ２１２０移動方向にわたって記録用紙をプラテン２１０６に対して押圧する。
【０１０８】
２１０７、２１０８はフォトカプラでキャリッジ２１２０のレバー２１０９のこの域での存在を確認して駆動モータ２１０１の回転方向切り替え等を行うためのホームポジション検知手段である。２１１０は記録ヘッド２２００の全面をキャップするキャップ部材２１１１を支持する部材で、２１１２は前記キャップ部材２１１１内を吸引する吸引手段で、キャップ内開口２１１３を介して記録ヘッド２２００の吸引回復を行う。
【０１０９】
２１１４はクリーニングブレードで、２１１５はこのブレードを前後方向に移動可能にする移動部材であり、本体支持板２１１６にこれらは支持されている。クリーニングブレード２１１４は、この形態でなく周知のクリーニングブレードが 本体に適用できることは言うまでもない。
【０１１０】
また、２１１７は、吸引回復の吸引を開始するためのレバーで、キャリッジ２１２０と係合するカム２１１８の移動に伴って移動し、駆動モータ２１０１からの駆動力がクラッチ切り替え等の公知の伝達手段で移動制御される。前記記録ヘッド２２００に設けられた発熱部２１１０に信号を付与したり、上述した各機構の駆動制御を司ったりする記録制御部は、記録装置本体側に設けられている（不図示）。
【０１１１】
上述したような構成のインクジェット記録装置２１００は、前記記録媒体給送装置によってプラテン２１０６上に搬送される記録用紙Ｐに対し、記録ヘッド２２００が前記記録用紙Ｐの全幅にわたって往復運動しながら記録を行うものであり、記録ヘッド２２００は上述したような方法で製造したものを用いているため、高精度で高速な記録が可能である。
【０１１２】
【表１】
【表２】
【表３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、インクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生する複数の発熱抵抗体を、比抵抗値が４０００μΩ・ｃｍ以下であるＴａｘＳｉｙＮｚで表わされる材料からなる薄膜で構成されており、ｘ＝２０〜８０ａｔ．％、ｙ＝３〜２５ａｔ．％、ｚ＝１０〜６０ａｔ．％（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００）として構成することにより、長期の連続使用によっても抵抗値の変化が少なく、長寿命で信頼性のある高品位の記録画像を提供することが可能となった。
【０１１６】
本発明によるインクジェット記録ヘッドの発熱抵抗体は、短いパルスで駆動した場合にも、所望の耐久性が維持され、高品位の記録画像を長期にわたって提供することが可能となった。
【０１１７】
本発明によるインクジェット記録ヘッドは、小ドット化に対応した高抵抗の発熱抵抗特性を可能とし、インクジェット記録ヘッドに用いた場合にはエネルギー効率が高い、つまり発熱を抑えることができ、省エネを可能にすることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインクジェットヘッドの基板を示す概略平面図である。
【図２】図１をＸ−Ｘ’の一点鎖線で垂直に切断したときの基板の断面図である。
【図３】ヒーターサイズの違いによる各種駆動条件を説明する図である。
【図４】本発明のインクジェット記録ヘッド用基体の各層を成膜する成膜装置である。
【図５】Ｔａ−Ｓｉ−Ｎ発熱抵抗体を形成する抵抗層の窒素分圧に対する比抵抗値を示す図である。
【図６】Ｔａ−Ｓｉ−Ｎ発熱抵抗体を形成する抵抗層の窒素分圧に対する膜組成値を示す図である。
【図７】ＣＳＴ試験の結果を示す図である。
【図８】本発明のインクジェット記録ヘッドの発熱抵抗体に使用できる抵抗体の組成範囲を示す図である。
【図９】本発明の記録ヘッドを用いたインクジェット記録装置の一例としての模式的斜視図である。
【符号の説明】
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
４００１ ターゲット
４００２ 平板マグネット
４００３ 基板ホルダー
４００４ 基板
４００５ 内部ヒーター
４００６ 電源
４００７ 排気ポンプ
４００８ 外部ヒーター
４００９ 成膜室
４０１０ ガス導入口
４０１１ シャッター
Claims (8)
- インクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生する複数の発熱抵抗体を有するインクジェット記録ヘッド用基体において、
この発熱抵抗体は、比抵抗値が４０００μΩ・ｃｍ以下であるＴａｘＳｉｙＮｚで表わされる材料からなる薄膜で構成されており、ｘ＝２０〜８０ａｔ．％、ｙ＝３〜２５ａｔ．％、ｚ＝１０〜６０ａｔ．％であることを特徴とするインクジェット記録ヘッド用基体。
ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００。 - 前記発熱抵抗体が、ＴａｘＳｉｙＮｚからなり、ｘ＝３０〜６０ａｔ．％、ｙ＝３〜１５ａｔ．％、ｚ＝３０〜６０ａｔ．％であることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録ヘッド用基体。
- 前記発熱抵抗層が少なくともＴａ−Ｓｉ−Ｎ膜から構成され、発熱抵抗層をはさんで、蓄熱層／発熱抵抗層／保護層からなる積層構造を有し、前記発熱抵抗層の構成原子の中の少なくとも１種の原子を構成原子とする材料を用いて他の層のそれぞれが構成されていることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録ヘッド用基体。
- インクを吐出するインク吐出口と、インクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生する複数の発熱抵抗体と、該発熱抵抗体を内包するとともに前記インク吐出口に連通するインク流路と、を有するインクジェット記録ヘッドにおいて、
この発熱抵抗体は、比抵抗値が４０００μΩ・ｃｍ以下であるＴａｘＳｉｙＮｚで表わされる材料からなる薄膜で構成されており、ｘ＝２０〜８０ａｔ．％、ｙ＝３〜２５ａｔ．％、ｚ＝１０〜６０ａｔ．％であることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００。 - 前記発熱抵抗体が、ＴａｘＳｉｙＮｚからなり、ｘ＝３０〜６０ａｔ．％、ｙ＝３〜１５ａｔ．％、ｚ＝３０〜６０ａｔ．％であることを特徴とする請求項４記載のインクジェット記録ヘッド。
- 前記発熱抵抗層が少なくともＴａ−Ｓｉ−Ｎ膜から構成され、発熱抵抗層をはさんで、蓄熱層／発熱抵抗層／保護層からなる積層構造を有し、前記発熱抵抗層の構成原子の中の少なくとも１種の原子を構成原子とする材料を用いて他の層のそれぞれが構成されていることを特徴とする請求項４記載のインクジェット記録ヘッド。
- 前記インク流路中にインクを保持するとともに、前記発熱抵抗体は該インクに膜沸騰を超える熱エネルギーを付与し、前記インクを吐出するものである請求項４記載のインクジェット記録ヘッド。
- インクを吐出するインク吐出口と、インクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生する複数の発熱抵抗体と、該発熱抵抗体を内包するとともに前記インク吐出口に連通するインク流路と、を有するインクジェット記録ヘッドと、
該インクジェット記録ヘッドから吐出されるインクを受ける記録媒体を搬送するための搬送手段と、を備えるインクジェット記録装置において、
前記発熱抵抗体は、比抵抗値が４０００μΩ・ｃｍ以下であるＴａｘＳｉｙＮｚで表わされる材料からなる薄膜で構成されており、ｘ＝２０〜８０ａｔ．％、ｙ＝３〜２５ａｔ．％、ｚ＝１０〜６０ａｔ．％であることを特徴とするインクジェット記録装置。
ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００。
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