JP3904972B2

JP3904972B2 - Inkjet head

Info

Publication number: JP3904972B2
Application number: JP2002146271A
Authority: JP
Inventors: 利昭道廣
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2002-05-21
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2022-05-21
Also published as: JP2003145766A

Description

【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形成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】
かかる従来のインクジェットヘッドとしては、ベースプレートの上面に、多数の発熱抵抗体及び該発熱抵抗体の両端に接続される一対の電極を被着してなるヘッド基板と、前記発熱抵抗体と１対１に対応した多数のインク吐出孔を有する天板とを、間に所定の間隙を形成するように配設するとともに、前記ヘッド基板−天板間の間隙にインクを充填した構造を有しており、前記天板の外表面に沿って記録紙を搬送しながら、発熱抵抗体を外部からの画像データに基づいて個々に選択的に発熱させ、この熱エネルギーによってインク中に気泡を発生させるとともに、該発生した気泡による圧力でもってインクの一部をインク吐出孔より外部に吐出させ、これらのインク滴を記録紙に付着させることによって所定の画像が記録される。
【０００５】
尚、発熱抵抗体を形成する電気抵抗材料としては、Ｔａ₂ＮやＴａＡｌ，ＴａＳｉ，ＨｆＢ₂等が一般的に用いられており、記録動作時、パルス幅１０μｓｅｃ〜１２μｓｅｃ、電力値０．３３Ｗ〜０．４０Ｗの電力パルスを発熱抵抗体に印加することで発熱抵抗体をジュール発熱させ、インク中に気泡を発生させていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、インクジェットヘッドを用いた印画において、駆動周期０．１ｍｓｅｃ以下の高速記録にも対応できるように、インク滴の吐出に要する時間を出来るだけ短縮することが求められており、かかる要求を満たすべく、発熱抵抗体を大きな電力パルス（パルス幅０．５μｓｅｃ〜２．０μｓｅｃ、電力値１．６０〜４．１０Ｗ）で発熱・駆動させて、発熱抵抗体の温度を短時間で印画に必要な所定の温度まで上昇させることが検討されている。
【０００７】
しかしながら、上述した従来のインクジェットヘッドにおいては、発熱抵抗体がＴａ₂ＮやＴａＡｌ等の電気抵抗材料により形成されており、これらの抵抗材料はＴａやＡｌ等の金属成分を比較的多量に含んでいることから、上述の電力パルスを発熱抵抗体に印加して高速記録を行うと、発熱抵抗体がそれ自体の発する熱によりアニールされて結晶化し、抵抗値を大幅に変動させてしまうことがある。その場合、発熱抵抗体を所望する温度で発熱させることが不可となるため、インク滴の吐出量や吐出速度にバラツキを生じて、画像の歪みや濃度ムラ等の印画不良を発生する欠点を有していた。
【０００８】
またＴａ₂ＮやＴａＡｌ等のように金属成分を多量に含む発熱抵抗体は、スパッタリング等によって形成された際、その内部に大きな応力が蓄積される。そのため、機械的強度に乏しくなる傾向があり、インク中で発生した気泡が消滅する際の大きな衝撃が発熱抵抗体に繰り返し印加されると、これらの衝撃によって発熱抵抗体に割れ等の破損を招来する欠点が誘発される。
【０００９】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は、歪みや濃度ムラの少ない良好な画像を高速で記録することができる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、発熱抵抗体と一対の電極とを被着したヘッド基板と、その上方に配される天板とを具備し、前記ヘッド基板−天板間に充填されるインクを発熱抵抗体の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において、前記発熱抵抗体をＴａ-Ｎｉ-ＳｉＯ_x（１．２≦ｘ≦２．０）系抵抗材料により形成するとともに該抵抗材料中のタンタル（Ｔａ）含有率を４８原子％〜７０原子％に、ニッケル（Ｎｉ）含有率を０．１原子％〜２．０原子％に設定した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、前記発熱抵抗体が、酸素（Ｏ）を０．５原子％以上含有する無機質化合物により形成された保護膜で被覆されてい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、前記保護膜がＳｉ-Ｏ-Ｎ系の無機質化合物により形成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、前記保護膜中の酸素含有量が発熱抵抗体側に向かって漸次大きく成してあることを特徴とするものである。
【００１４】
更にまた、本発明のインクジェットヘッドは、前記一対の電極がアルミニウム（Ａｌ）から成り、発熱抵抗体との界面近傍に珪素（Ｓｉ）を０．０１原子％〜０．１原子％含有することを特徴とするものである。
【００１５】
本発明のインクジェットヘッドによれば、発熱抵抗体をＴａ-Ｎｉ-ＳｉＯ_x（１．２≦ｘ≦２．０）系抵抗材料により形成するとともに該抵抗材料中のタンタル（Ｔａ）含有率を４８原子％〜７０原子％に、ニッケル（Ｎｉ）含有率を０．１原子％〜２．０原子％にそれぞれ設定するようにしたことから、駆動周期０．１ｍｓｅｃ以下の高速印画を行うべく、発熱抵抗体に大きな電力パルスを繰り返し印加したとしても、発熱抵抗体を形成する電気抵抗材料の結晶化がニッケル（Ｎｉ）の作用によって有効に抑えられ、発熱抵抗体の抵抗値が長期にわたり略一定に保たれるようになる。従って、発熱抵抗体を所望する温度で発熱させることができるようになり、インク滴の吐出量及び吐出速度を均一化して、歪みや濃度ムラの少ない良好な印画を形成することが可能となる。
【００１６】
しかもこの場合、発熱抵抗体を形成した際、その内部に蓄積される応力をニッケル（Ｎｉ）等の作用により低減させて、発熱抵抗体の機械的強度を高めることができる。従って、インク中で発生した気泡が消滅する際の大きな衝撃が発熱抵抗体に繰り返し印加されても、このような衝撃によって発熱抵抗体に割れ等の破損が生じることは殆どなく、インクジェットヘッドの信頼性を向上させることもできる。
【００１７】
また本発明のインクジェットヘッドによれば、上記発熱抵抗体を、酸素（Ｏ）を０．５原子％以上含有する無機質化合物で形成した保護膜により被覆されているため、保護膜中の酸素（Ｏ）と発熱抵抗体中の珪素（Ｓｉ）とを強固に結合させて、発熱抵抗体に対する保護膜の密着強度を高めることができ、発熱抵抗体−保護膜間の熱応力等に起因した保護膜の剥離を有効に防止することが可能となる。
【００１８】
更に本発明のインクジェットヘッドによれば、前記保護膜中の酸素含有量が発熱抵抗体側に向かって漸次大きくなるように酸素含有量を調整しておくことにより、発熱抵抗体の近傍に保護膜中の酸素を数多く分布させることができ、これらの酸素を発熱抵抗体中の珪素と数多く結合させることで、発熱抵抗体に対する保護膜の密着強度を更に高めることができる。
【００１９】
また更に本発明のインクジェットヘッドによれば、発熱抵抗体に接続される一対の電極をアルミニウムにより形成し、これら電極の下部領域に発熱抵抗体中に存在していた珪素を０．０１原子％〜０．１原子％だけ拡散させておくことにより、発熱抵抗体と一対の電極との界面近傍で珪素とアルミニウムとが良好に結合し、一対の電極を発熱抵抗体に対して強固に被着させておくことができる。従って、インク中で発生した気泡が消滅する際の大きな衝撃等によって一対の電極が発熱抵抗体より剥離するといった不具合も有効に防止されるようになる。
【００２０】
【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分解斜視図、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、ヘッド基板１と天板６とを間に所定の間隙を形成するようにして略平行に配設するとともに前記間隙にインク８を充填して構成されている。
【００２１】
前記ヘッド基板１は、例えば、全面を酸化珪素（ＳｉＯ₂）等から成る絶縁膜で被覆した単結晶シリコン製の板体をベースプレート２として使用するもので、その上面には、多数の発熱抵抗体３や一対の電極４等が所定パターンに被着され、これらを保護膜５で被覆している。
【００２２】
前記ベースプレート２は、その上面で発熱抵抗体３や一対の電極４等を支持するための支持母材として機能するものであり、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することによって製作され、得られたベースプレート２の全面を従来周知の熱酸化法を採用し所定の深さ領域まで酸化することにより前述の絶縁膜が形成される。
【００２３】
また前記ベースプレート２の上面に設けられる多数の発熱抵抗体３は、例えば６００ｄｐｉ（dot per inch）の密度で主走査方向に直線状に配列されており、その各々がＴａ-Ｎｉ-ＳｉＯ_x（１．２≦ｘ≦２．０）系抵抗材料により形成されている。
【００２４】
従って、各発熱抵抗体３の両端に接続される一対の電極４を介して発熱抵抗体３に電源電力（パルス幅０．５μｓｅｃ〜２．０μｓｅｃ、電力値１．６Ｗ〜４．１Ｗ）が印加されると、ジュール発熱を起こし、インク８中に気泡Ａを発生するのに必要な所定の温度（５００℃〜８００℃）となる。
【００２５】
また前記発熱抵抗体３は、Ｔａ-Ｎｉ-ＳｉＯ_x（１．２≦ｘ≦２．０）系抵抗材料により形成されていることに加えて、タンタル（Ｔａ）含有率が４８原子％〜７０原子％に、ニッケル（Ｎｉ）含有率が０．１原子％〜２．０原子％に設定され、更に残部が微量（０．５ｗｔ％以下）の不純物（Ｆｅ，Ｃ等）とで形成されている。
【００２６】
このような電気抵抗材料からなる発熱抵抗体３は、ニッケル（Ｎｉ）の作用によって結晶化が有効に抑えられるため、駆動周期０．１ｍｓｅｃ以下の高速印画を行うべく、発熱抵抗体３に大きな電力パルスを繰り返し印加したとしても、発熱抵抗体３の抵抗値を長期にわたり略一定に保つことができ、発熱抵抗体３を常に所望する温度で発熱させることができる。
【００２７】
また前記発熱抵抗体３は、シリコン（Ｓｉ）に対する酸素（Ｏ）の割合ｘが１．２≦ｘ≦２．０に、タンタル（Ｔａ）含有率が４８原子％〜７０原子％に、ニッケル（Ｎｉ）含有率が０．１原子％〜２．０原子％にそれぞれ設定されているため、ニッケル（Ｎｉ）の作用によって、その機械的強度が有効に高められる。従って、インク８中で発生した気泡Ａが消滅する際の大きな衝撃が発熱抵抗体３に繰り返し印加されても、このような衝撃によって発熱抵抗体３に割れ等の破損が生じることは殆どなく、インクジェットヘッドの信頼性を向上させることもできる。
【００２８】
ここで、前記発熱抵抗体３中のタンタル（Ｔａ）の含有率が７０原子％を超えると、発熱抵抗体３中に流れる電流によって発熱抵抗体３の結晶化が促進され、発熱抵抗体３の寿命が短くなる恐れがあり、またタンタル（Ｔａ）の含有率が４８原子％よりも小さいと、発熱抵抗体そのものの機械的強度が不足する不都合がある。
【００２９】
また、発熱抵抗体３中のニッケル（Ｎｉ）含有率が２．０原子％を超えると、大きな電力パルスを印加しながらインクジェットヘッドを長期にわたって使用した際に、発熱抵抗体３の発熱時にニッケル（Ｎｉ）が偏析して、発熱抵抗体３の抵抗値が大きく低下する恐れがあり、またニッケル（Ｎｉ）含有率が０．１原子％よりも小さくなると、発熱抵抗体３中の各組成物をニッケル（Ｎｉ）で良好に接着することができなくなり、発熱抵抗体そのものの機械的強度が十分に改善されないという不都合がある。
【００３０】
一方、発熱抵抗体３をＴａ-Ｎｉ-ＳｉＯ_x（１．２≦ｘ≦２．０）系抵抗材料により形成するのは、シリコン（Ｓｉ）に対する酸素（Ｏ）の割合ｘをｘ＜１．２に設定すると、発熱抵抗体３の抵抗値が極端に小さくなりすぎて、インクジェットヘッドの消費電力が極めて大きくなってしまう不都合があり、またシリコン（Ｓｉ）に対する酸素（Ｏ）の割合ｘをｘ＞２．０に設定すると、発熱抵抗体３の抵抗値が極端に大きくなりすぎて、発熱抵抗体３を所望する温度で発熱させるのに長時間を要してしまい、駆動周期０．１ｍｓｅｃ以下の高速記録にも供することができるインクジェットヘッドの実現が困難となる。
【００３１】
従って、前記発熱抵抗体３をＴａ-Ｎｉ-ＳｉＯ_x（１．２≦ｘ≦２．０）系抵抗材料により形成するとともに、該抵抗材料中のタンタル（Ｔａ）含有率を４８原子％〜７０原子％に、ニッケル（Ｎｉ）含有率を０．１原子％〜２．０原子％に設定しておくことが重要である。
【００３２】
尚、前記発熱抵抗体３は、例えば従来周知のスパッタリング法を採用し、上述の電気抵抗材料をベースプレート２上に所定厚みに被着させることで抵抗体膜を形成し、しかる後、これを従来周知のフォトリソグラフィー技術及びエッチング技術によって所定パターンに加工することにより形成される。また、スパッタリングの際に用いるターゲット材として、Ｔａ₅₀（ＳｉＯ_1.5）₄₈Ｎｉ₂を用いる場合、例えば、タンタル（Ｔａ）、酸化珪素（ＳｉＯ₂）、タンタルシリサイド（ＴａＳｉ）及びニッケル（Ｎｉ）の粉末を３８：３６：１２：２のモル比で混合し、この混合物を焼結することにより製作される。
【００３３】
また、前記発熱抵抗体３に接続される一対の電極４は、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等の金属により所定パターンを成すように被着・形成されており、図示しないドライバーＩＣ等を介して供給される電力を発熱抵抗体３に印加する作用を為す。
【００３４】
ここで、一対の電極４をアルミニウムにより形成し、発熱抵抗体３との界面近傍（界面より２０Å〜１００Å電極４側の領域）に、珪素を０．０１原子％〜０．１原子％だけ含有させておけば、この領域で珪素とアルミニウムとが結合し、一対の電極４を発熱抵抗体３に対して強固に被着させておくことができる。従って、インク８中に発生した気泡Ａが消滅する際に生じる大きな衝撃が発熱抵抗体３に繰り返し印加されても、一対の電極４が発熱抵抗体３より剥離するといった不具合を有効に防止することができる。
【００３５】
尚、アルミニウムから成る電極４に含まれる珪素の含有率が０．０１原子％よりも小さいと、アルミニウムと結合する珪素原子の数が少なすぎて、一対の電極４を発熱抵抗体３に対して強固に被着させておくことができず、また珪素の含有率が０．１原子％を超えると、発熱抵抗体３−電極４間の界面近傍における珪素原子の量が過剰となり、この部分の電気抵抗が大となる不都合がある。
【００３６】
従って、一対の電極４をアルミニウムにより形成し、発熱抵抗体３との界面近傍に珪素を０．０１原子％〜０．１原子％だけ含有させておくことが好ましい。
【００３７】
このような一対の電極４は、従来周知の薄膜手法、具体的にはスパッタリング、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術等を採用し、アルミニウム等の金属をベースプレート２上に所定厚み、所定パターンに被着させることにより形成される。
【００３８】
また上記電極４の下部領域、具体的には発熱抵抗体３との界面近傍に珪素を０．０１原子％〜０．１原子％だけ含有させるには、発熱抵抗体３及び一対の電極４を形成した後、これらを３８０℃〜５５０℃の温度で１２０秒〜７００秒程度加熱して、発熱抵抗体３中の珪素を電極４に所定量拡散させる。
【００３９】
そして上述した発熱抵抗体３や一対の電極４等の上面には保護膜５が被着され、この保護膜５によって発熱抵抗体３や一対の電極４を被覆している。
【００４０】
前記保護膜５は、例えばＳｉ₃Ｎ₄やＳｉＯＮ等の緻密な無機質化合物により形成されており、発熱抵抗体３等をインク中に含まれている水分の接触による腐食から保護する作用を為す。
【００４１】
ここで、前記保護膜５を、酸素（Ｏ）を０．５原子％以上含有する無機質化合物により形成しておけば、保護膜５中の酸素（Ｏ）と発熱抵抗体３中の珪素（Ｓｉ）とが強固に結合されて、発熱抵抗体３に対する保護膜５の密着強度を高めることができ、発熱抵抗体３−保護膜５間の熱応力等に起因した保護膜５の剥離が有効に防止されるようになる。
【００４２】
従って、前記保護膜５を、酸素（Ｏ）を０．５原子％以上含有する無機質化合物により形成しておくことが好ましい。
【００４３】
更に前記保護膜５中の酸素含有量が発熱抵抗体３側に向かって漸次大きくなるように酸素含有量を調整しておくことにより、発熱抵抗体３の近傍に保護膜５中の酸素（Ｏ）を数多く分布させることができることから、これらの酸素を発熱抵抗体３中の珪素と数多く結合させることで、発熱抵抗体３に対する保護膜５の密着強度を更に高めることができる。
【００４４】
尚、前記保護膜５は、上述の無機質材料を発熱抵抗体３等の上面に従来周知のスパッタリング等によって所定の厚みに被着させることにより形成される。
【００４５】
また保護膜５中の酸素含有量を発熱抵抗体３側に向かって漸次大きくなすには、上述したスパッタリングのプロセスにおいて、スパッタリング装置のチャンバー内に注入される酸素ガスの濃度を漸次小さくしながら保護膜５を形成するようにすればよい。
【００４６】
一方、前記天板６は、ヘッド基板１との間に図示しないスペーサ等を介して例えば２０μｍ〜３００μｍの間隙を形成するようにしてヘッド基板１に対し略平行に配設される。
【００４７】
この天板６は、発熱抵抗体３と１対１に対応する多数のインク吐出孔７を有しており、これらのインク吐出孔７が発熱抵抗体３の真上に位置するようにしてヘッド基板１上に配設・固定される。
【００４８】
前記天板６のインク吐出孔７は、その直径が１０μｍ〜１００μｍの大きさに設定されており、インクジェットヘッドの記録動作時、発熱抵抗体３の発熱に伴いインク８中に気泡Ａが発生すると、気泡発生時の圧力でもってインク滴ｉをインク吐出孔７より外部に吐出させる。
【００４９】
尚、前記天板６は、モリブデン等の金属やアルミナセラミックス等の電気絶縁性材料あるいは感光性樹脂から成り、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って所定厚みの板体と成し、得られた板体に従来周知のレーザー加工によってインク吐出孔７を厚み方向に穿設することにより製作され、得られた天板６をヘッド基板１上にスペーサを介して載置させることによりヘッド基板１上の所定位置に固定される。
【００５０】
そして、ヘッド基板１−天板６間に形成される隙間にはインク８が充填される。
このようなインク８としては、例えば顔料タイプの水性インクや水性染料インク等が使用され、該インク８は図示しないインクタンクからヘッド基板１−天板６間に供給され、前述した発熱抵抗体３の発熱に伴う熱エネルギーによってインク８中に気泡Ａが発生すると、該気泡Ａによる圧力でもってインク８の一部がインク滴ｉとなってインク吐出孔７より外部に吐出される。
【００５１】
かくして上述したインクジェットヘッドは、記録紙を天板６の外表面に沿ってインク吐出孔７上に搬送しながら、多数の発熱抵抗体３を外部からの画像データに基づいて個々に選択的に発熱させ、この熱エネルギーによって発熱抵抗体３上のインク８中に気泡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インク８の一部をインク吐出孔７より外部に吐出させ、これらのインク滴ｉを記録紙に付着させることによって所定の印画が形成される。
【００５２】
このとき、発熱抵抗体３は、前述した如く、常に所望する温度で発熱するようになっていることから、インク滴ｉの吐出量及び吐出速度は均一化され、歪みや濃度ムラの少ない良好な印画を形成することができる。
【００５３】
尚、本発明は、上述の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で種々の変更、改良等が可能である。
【００５４】
例えば、上述の実施形態においては、インク吐出孔７を天板６に設け、インク吐出孔７を発熱抵抗体３の真上に配置させるようにしたが、これに代えて、インク吐出孔７を発熱抵抗体３に対しずらして配置させるようにしても良いし、或いは、インク滴ｉをヘッド基板１のエッジより吐出させるエッジシュータータイプのインクジェットヘッドに本発明を適用しても構わない。
【００５５】
また上述の実施形態においては、ベースプレート２の全面に絶縁膜を形成するようにしたが、これに代えて、ベースプレート２と発熱抵抗体３、一対の電極４とを電気的に絶縁させるために必要な領域のみ、具体的にはベースプレートの上面のみ、上面と側面のみ、あるいは、上面の一部にだけ絶縁膜を形成するようにしても構わない。
【００５６】
更に上述の実施形態において、ベースプレート２と天板６との間に、隣接する発熱抵抗体３間に、両者を隔てるように配置される隔壁部材を介在させても良く、更に、かかる隔壁部材と前記天板６とをエポキシ樹脂やポリイミド樹脂等の樹脂材料により一体的に形成しても良い。
【００５７】
また更に上述の実施形態において、ベースプレート２上に発熱抵抗体３の発熱を制御するドライバーＩＣを搭載するようにしても良いことは言うまでもない。
【００５８】
（実験例）
次に本発明の作用効果を実験例に基づき説明する。
まず、Ｔａ-Ｎｉ-ＳｉＯ_x系抵抗材料から成る発熱抵抗体中のシリコン（Ｓｉ）に対する酸素（Ｏ）の割合ｘとタンタル（Ｔａ）含有率とニッケル（Ｎｉ）含有率を少しずつ変化させて１８０個のインクジェットヘッドサンプル（サンプルNo.1〜No.180）を作成し、これらのサンプルについて発熱抵抗体の抵抗値変化率ΔＲ／Ｒを個別に測定した後、この測定中における発熱抵抗体の破損の有無を調べ、最後に測定後のサンプルを用いて実際に記録紙に印画を形成して画像歪みの有無について調べた。
【００５９】
上述の抵抗値変化率ΔＲ／Ｒとは、発熱抵抗体の初期の抵抗値をΩ₁、発熱抵抗体に電力パルス（パルス幅０．６μｓｅｃ、電力値２．６Ｗ）を１０ｋＨｚの周波数で１．０×１０⁸回印加した後の抵抗値をΩ₂で表したとき、（Ω₁−Ω₂）／Ω₁×１００（％）で求められる値のことである。
【００６０】
尚、この実験に用いたインクジェットヘッドサンプルの発熱抵抗体は、そのサイズを全て２５μｍ×２５μｍに、厚みを全て０．０６μｍに揃えた。
これらの実験結果を表１〜表５に示す。
【００６１】
【表１】

【００６２】
【表２】

【００６３】
【表３】

【００６４】
【表４】

【００６５】
【表５】

【００６６】
表１〜表５に示す実験結果によれば、Ｔａ-Ｎｉ-ＳｉＯ_x系抵抗材料からなる発熱抵抗体３のシリコン（Ｓｉ）に対する酸素（Ｏ）の割合ｘを１．２≦ｘ≦２．０に、発熱抵抗体中のタンタル（Ｔａ）含有率を４８原子％〜７０原子％に、ニッケル（Ｎｉ）含有率を０．１原子％〜２．０原子％にそれぞれ設定したNo.44〜No.47,No.50〜No.53,No.56〜No.59,No.62〜No.65.No.80〜No.83,No.86〜No.89,No.92〜No.95,No.98〜No.101,No.116〜No.119,No.122〜No.125,No.128〜No.131,No.134〜No.137のインクジェットヘッドサンプルについては、発熱抵抗体に破損を生じたサンプルが一切なく、抵抗値変化率ΔＲ／Ｒも０％〜−５％の狭い範囲に収まっており、印画試験においても歪みの無い良好な画像が得られている。
【００６７】
特にニッケル（Ｎｉ）含有率を０．５原子％〜１．０原子％の範囲に設定したNo.45,No.46,No.51,No.52,No.57,No.58,No.63,No.64,No.81,No.82,No.87,No.88,No.93,No.94,No.99,No.100,No.117,No.118,No.123,No.124,No.129,No.130,No.135,No.136のインクジェットヘッドサンプルについては、抵抗値変化率ΔＲ／Ｒが０％〜−２％の極めて狭い範囲に収まっており、発熱抵抗体の抵抗値変動が極めて小さく抑えられていることが判る。
【００６８】
これに対し、Ｔａ-Ｎｉ-ＳｉＯ_x系抵抗材料から成る発熱抵抗体中のシリコン（Ｓｉ）に対する酸素（Ｏ）の割合ｘが１．２≦ｘ≦２．０に、タンタル（Ｔａ）含有率が４８原子％〜７０原子％の範囲内にそれぞれ設定されていても、ニッケル（Ｎｉ）含有率が０．１原子％よりも小さいNo.43,No.49,No.55,No.61,No.79,No.85,No.91,No.97,No.115,No.121,No.127,No.133のインクジェットヘッドサンプルや、ニッケル（Ｎｉ）含有率が２．０原子％を超える値に設定されているNo.48,No.54,No.60,No.66,No.84,No.90,No.96,No.102,No.120,No.126,No.132,No.138のインクジェットヘッドサンプルでは、抵抗値変化率ΔＲ／Ｒが−８％を超える大きな値となっており、印画試験においても画像の歪みが確認されている。
【００６９】
また、タンタル（Ｔａ）含有率が７０原子％を超える、あるいはタンタル（Ｔａ）含有率が４８原子％よりも小さなNo.1〜No.6,No.31〜No.42,No.67〜No.78,No.103〜No.114のインクジェットヘッドサンプルでは、発熱抵抗体に電力パルスを１．０×１０⁸回印加する前に、発熱抵抗体が破損してしまい、インクジェットヘッドとして使用することができない状態となった。またNo.139〜No.144のインクジェットヘッドサンプルでは、抵抗値が４８０Ω以上と極めて大きく、駆動周期０．１ｍｓｅｃ以下の高速記録にも供することができるインクジェットヘッドサンプルを得ることができなかった。
【００７０】
一方、シリコン（Ｓｉ）に対する酸素（Ｏ）の割合ｘがｘ＜１．２となっているNo.7〜No.30のインクジェットヘッドサンプルでは、画像記録前、画像記録後双方における発熱抵抗体の抵抗値が極端に小さくなりすぎて、インクジェットヘッドの消費電力が極めて大きくなった。またシリコン（Ｓｉ）に対する酸素（Ｏ）の割合ｘがｘ＞２．０となっているNo.145〜No.180のインクジェットヘッドサンプルでは、発熱抵抗体の抵抗値が８００Ω以上と極端に大きくなり、駆動周期０．１ｍｓｅｃ以下の高速記録にも供することができるインクジェットヘッドサンプルを得ることができなかった。
【００７１】
以上の実験結果から、発熱抵抗体の破損を有効に防止し、且つ発熱抵抗体の抵抗値変動を小さく抑えて歪みの無い良好な画像を得るには、発熱抵抗体中のシリコンに対する酸素の割合ｘを１．２≦ｘ≦２．０に、タンタル（Ｔａ）含有率を４８原子％〜７０原子％に、ニッケル（Ｎｉ）含有率を０．１原子％〜２．０原子％にそれぞれ設定しておけば良いことが判り、特にニッケル（Ｎｉ）含有率を０．５原子％〜１．０原子％の範囲内に設定しておけば、発熱抵抗体の抵抗値変動をより有効に抑えることができることが判る。
【００７２】
【発明の効果】
本発明のインクジェットヘッドによれば、発熱抵抗体をＴａ-Ｎｉ-ＳｉＯ_x（１．２≦ｘ≦２．０）系抵抗材料により形成するとともに該抵抗材料中のタンタル（Ｔａ）含有率を４８原子％〜７０原子％に、ニッケル（Ｎｉ）含有率を０．１原子％〜２．０原子％にそれぞれ設定するようにしたことから、駆動周期０．１ｍｓｅｃ以下の高速印画を行うべく、発熱抵抗体に大きな電力パルスを繰り返し印加したとしても、発熱抵抗体を形成する電気抵抗材料の結晶化がニッケル（Ｎｉ）の作用によって有効に抑えられ、発熱抵抗体の抵抗値が長期にわたり略一定に保たれるようになる。従って、発熱抵抗体を所望する温度で発熱させることができるようになり、インク滴の吐出量及び吐出速度を均一化して、歪みや濃度ムラの少ない良好な印画を形成することが可能となる。
【００７３】
しかもこの場合、発熱抵抗体を形成した際、その内部に蓄積される応力をニッケル（Ｎｉ）等の作用により低減させて、発熱抵抗体の機械的強度を高めることができる。従って、インク中で発生した気泡が消滅する際の大きな衝撃が発熱抵抗体に繰り返し印加されても、このような衝撃によって発熱抵抗体に割れ等の破損が生じることは殆どなく、インクジェットヘッドの信頼性を向上させることもできる。
【００７４】
また本発明のインクジェットヘッドによれば、上記発熱抵抗体を、酸素（Ｏ）を０．５原子％以上含有する無機質化合物で形成した保護膜により被覆しておくことにより、保護膜中の酸素（Ｏ）と発熱抵抗体中の珪素（Ｓｉ）とを強固に結合させて、発熱抵抗体に対する保護膜の密着強度を高めることができ、発熱抵抗体−保護膜間の熱応力等に起因した保護膜の剥離を有効に防止することが可能となる。
【００７５】
更に本発明のインクジェットヘッドによれば、前記保護膜中の酸素含有量が発熱抵抗体側に向かって漸次大きくなるように酸素含有量を調整しておくことにより、発熱抵抗体の近傍に保護膜中の酸素を数多く分布させることができ、これらの酸素を発熱抵抗体中の珪素と数多く結合させることで、発熱抵抗体に対する保護膜の密着強度を更に高めることができる。
【００７６】
また更に本発明のインクジェットヘッドによれば、発熱抵抗体に接続される一対の電極をアルミニウムにより形成し、これら電極の下部領域に発熱抵抗体中に存在していた珪素を０．０１原子％〜０．１原子％だけ拡散させておくことにより、発熱抵抗体と一対の電極との界面近傍で珪素とアルミニウムとが良好に結合し、一対の電極を発熱抵抗体に対して強固に被着させておくことができる。従って、インク中で発生した気泡が消滅する際の大きな衝撃等によって一対の電極が発熱抵抗体より剥離するといった不具合も有効に防止されるようになる。
【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。
【符号の説明】
１・・・ヘッド基板、２・・・ベースプレート、３・・・発熱抵抗体、４・・・一対の電極、５・・・保護膜、６・・・天板、７・・・インク吐出孔、８・・・インク[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ink jet head that forms an image by adhering ink droplets to a recording paper in a predetermined pattern.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an ink jet head has been used as a recording device for forming an image on recording paper.
[0003]
Ink jet head recording methods use thermal energy generated by heating resistors to eject ink droplets toward recording paper, those that use deformation of piezoelectric elements, and also occur when electromagnetic waves are irradiated. Among them, the type that uses the heat energy of the heating resistor is easy to pattern the heating resistor, and even a heating resistor with a small area is compared. Therefore, it is attracting attention as being suitable for high-density recording.
[0004]
In such a conventional ink jet head, a head substrate formed by attaching a plurality of heating resistors and a pair of electrodes connected to both ends of the heating resistors on the upper surface of a base plate, and the heating resistors one-to-one. A top plate having a large number of ink ejection holes corresponding to the above-mentioned structure is disposed so as to form a predetermined gap therebetween, and the gap between the head substrate and the top plate is filled with ink. , While conveying the recording paper along the outer surface of the top plate, the heating resistors are selectively heated individually based on the image data from the outside, and bubbles are generated in the ink by this thermal energy, A predetermined image is recorded by ejecting a part of the ink to the outside through the ink ejection holes with the pressure generated by the generated bubbles and attaching these ink droplets to the recording paper.
[0005]
As an electric resistance material for forming the heating resistor, Ta ₂ N, TaAl, TaSi, HfB ₂ Are generally used, and during the recording operation, a heating pulse is applied to the heating resistor by applying a power pulse having a pulse width of 10 μsec to 12 μsec and a power value of 0.33 W to 0.40 W to the ink. Bubbles were generated inside.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Incidentally, in recent years, in printing using an ink jet head, it has been required to shorten the time required to eject ink droplets as much as possible so that high-speed recording with a driving cycle of 0.1 msec or less can be supported. To satisfy the requirement, the heating resistor is heated and driven with a large power pulse (pulse width 0.5 μsec to 2.0 μsec, power value 1.60 to 4.10 W), and the temperature of the heating resistor is required for printing in a short time. It has been studied to increase the temperature to a predetermined temperature.
[0007]
However, in the conventional inkjet head described above, the heating resistor is Ta. ₂ It is made of an electric resistance material such as N or TaAl, and these resistance materials contain a relatively large amount of metal components such as Ta and Al. Therefore, the above-described power pulse is applied to the heating resistor at high speed. When recording is performed, the heating resistor may be annealed and crystallized by the heat generated by itself, and the resistance value may be greatly changed. In this case, since it becomes impossible to heat the heating resistor at a desired temperature, there is a disadvantage in that variations in ink droplet ejection amount and ejection speed cause variations in image quality such as image distortion and density unevenness. Was.
[0008]
Ta ₂ When a heating resistor containing a large amount of a metal component such as N or TaAl is formed by sputtering or the like, a large stress is accumulated therein. Therefore, the mechanical strength tends to be poor, and when a large impact is repeatedly applied to the heating resistor when the bubbles generated in the ink disappear, the impact causes breakage of the heating resistor. The disadvantages are induced.
[0009]
The present invention has been devised in view of the above drawbacks, and an object of the present invention is to provide a highly reliable ink jet head capable of recording a good image with little distortion and density unevenness at high speed.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
An ink jet head according to the present invention includes a head substrate on which a heating resistor and a pair of electrodes are attached, and a top plate disposed above the head substrate, and heats ink filled between the head substrate and the top plate. In an inkjet head that discharges from an ink discharge hole by the heat of a resistor, the heating resistor is Ta-Ni-SiO. _x (1.2 ≦ x ≦ 2.0) formed of a resistive material, the tantalum (Ta) content in the resistive material is 48 atomic% to 70 atomic%, and the nickel (Ni) content is 0.1 atom % To 2.0 atomic%.
[0011]
In the ink jet head of the present invention, the heating resistor is covered with a protective film formed of an inorganic compound containing 0.5 atomic% or more of oxygen (O).
[0012]
Furthermore, the ink jet head of the present invention is characterized in that the protective film is formed of a Si—O—N inorganic compound.
[0013]
Furthermore, the ink jet head of the present invention is characterized in that the oxygen content in the protective film is gradually increased toward the heating resistor.
[0014]
Furthermore, in the ink jet head of the present invention, the pair of electrodes is made of aluminum (Al) and contains 0.01 atomic% to 0.1 atomic% of silicon (Si) in the vicinity of the interface with the heating resistor. It is a feature.
[0015]
According to the inkjet head of the present invention, the heating resistor is Ta-Ni-SiO. _x (1.2 ≦ x ≦ 2.0) formed of a resistive material, the tantalum (Ta) content in the resistive material is 48 atomic% to 70 atomic%, and the nickel (Ni) content is 0.1 atom % To 2.0 atomic%, so that a heating resistor is formed even if a large power pulse is repeatedly applied to the heating resistor to perform high-speed printing with a driving cycle of 0.1 msec or less. Crystallization of the electrical resistance material is effectively suppressed by the action of nickel (Ni), and the resistance value of the heating resistor is kept substantially constant over a long period of time. Therefore, the heating resistor can be heated at a desired temperature, and the discharge amount and discharge speed of the ink droplets can be made uniform to form a good print with less distortion and density unevenness.
[0016]
Moreover, in this case, when the heating resistor is formed, the stress accumulated in the heating resistor can be reduced by the action of nickel (Ni) or the like, and the mechanical strength of the heating resistor can be increased. Therefore, even when a large impact when the bubbles generated in the ink disappear is repeatedly applied to the heating resistor, the heating resistor hardly causes breakage such as a crack, and the reliability of the inkjet head It can also improve the performance.
[0017]
According to the ink jet head of the present invention, the heating resistor is covered with a protective film formed of an inorganic compound containing 0.5 atomic% or more of oxygen (O). Because The oxygen (O) in the protective film and the silicon (Si) in the heating resistor can be firmly bonded to increase the adhesion strength of the protective film to the heating resistor, and between the heating resistor and the protective film. It is possible to effectively prevent peeling of the protective film due to thermal stress or the like.
[0018]
Furthermore, according to the ink jet head of the present invention, by adjusting the oxygen content so that the oxygen content in the protective film gradually increases toward the heating resistor side, the protective film is placed in the vicinity of the heating resistor. A large amount of oxygen can be distributed, and by bonding many of these oxygens with silicon in the heating resistor, the adhesion strength of the protective film to the heating resistor can be further increased.
[0019]
Furthermore, according to the ink jet head of the present invention, the pair of electrodes connected to the heating resistor is formed of aluminum, and the silicon existing in the heating resistor in the lower region of these electrodes is 0.01 atomic% to By diffusing by 0.1 atomic%, silicon and aluminum are bonded well in the vicinity of the interface between the heating resistor and the pair of electrodes, and the pair of electrodes are firmly attached to the heating resistor. I can keep it. Accordingly, it is possible to effectively prevent a problem that the pair of electrodes are separated from the heating resistor due to a large impact when the bubbles generated in the ink disappear.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an exploded perspective view of an ink jet head according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the ink jet head of FIG. 1. The ink jet head shown in FIG. Are arranged substantially in parallel so as to form a predetermined gap, and the gap 8 is filled with ink 8.
[0021]
The head substrate 1 has, for example, an entire surface made of silicon oxide (SiO 2). ₂ ) Or the like is used as the base plate 2, and a large number of heating resistors 3 and a pair of electrodes 4 are deposited on the upper surface thereof in a predetermined pattern. These are covered with a protective film 5.
[0022]
The base plate 2 functions as a support base material for supporting the heating resistor 3 and the pair of electrodes 4 on the upper surface thereof. When the base plate 2 is made of single crystal silicon, a conventionally known chocolate ski method (lifting method) is used. By slicing single crystal silicon ingots (lumps) formed to a predetermined thickness, the entire surface of the obtained base plate 2 is oxidized to a predetermined depth region using a conventionally known thermal oxidation method. The aforementioned insulating film is formed.
[0023]
A number of heating resistors 3 provided on the upper surface of the base plate 2 are linearly arranged in the main scanning direction at a density of, for example, 600 dpi (dot per inch), each of which is Ta-Ni-SiO. _x It is made of a (1.2 ≦ x ≦ 2.0) type resistance material.
[0024]
Therefore, power supply power (pulse width 0.5 μsec to 2.0 μsec, power value 1.6 W to 4.1 W) is applied to the heating resistor 3 through a pair of electrodes 4 connected to both ends of each heating resistor 3. As a result, Joule heat is generated, and a predetermined temperature (500 ° C. to 800 ° C.) necessary for generating bubbles A in the ink 8 is reached.
[0025]
The heating resistor 3 is made of Ta—Ni—SiO. _x (1.2 ≦ x ≦ 2.0) In addition to being formed of a resistive material, the tantalum (Ta) content is 48 atomic% to 70 atomic%, and the nickel (Ni) content is 0.1. The atomic percent is set to 2.0 atomic percent, and the balance is formed with a trace amount (0.5 wt% or less) of impurities (Fe, C, etc.).
[0026]
Since the crystallization of the heating resistor 3 made of such an electrical resistance material is effectively suppressed by the action of nickel (Ni), the heating resistor 3 has a large electric power to perform high-speed printing with a driving cycle of 0.1 msec or less. Even if the pulse is repeatedly applied, the resistance value of the heating resistor 3 can be kept substantially constant over a long period of time, and the heating resistor 3 can always be heated at a desired temperature.
[0027]
The heating resistor 3 has a ratio x of oxygen (O) to silicon (Si) of 1.2 ≦ x ≦ 2.0, a tantalum (Ta) content of 48 atomic% to 70 atomic%, nickel ( Since the Ni) content is set to 0.1 atomic percent to 2.0 atomic percent, the mechanical strength is effectively increased by the action of nickel (Ni). Therefore, even if a large impact when the bubbles A generated in the ink 8 disappear is repeatedly applied to the heating resistor 3, the heating resistor 3 hardly breaks or breaks due to such an impact. The reliability of the ink jet head can also be improved.
[0028]
Here, when the content of tantalum (Ta) in the heating resistor 3 exceeds 70 atomic%, crystallization of the heating resistor 3 is promoted by the current flowing in the heating resistor 3, and the heating resistor 3. The lifetime may be shortened, and if the content of tantalum (Ta) is less than 48 atomic%, there is a disadvantage that the mechanical strength of the heating resistor itself is insufficient.
[0029]
Further, when the nickel (Ni) content in the heating resistor 3 exceeds 2.0 atomic%, when the inkjet head is used for a long time while applying a large power pulse, the nickel (Ni) Ni) is segregated, and the resistance value of the heating resistor 3 may be greatly reduced. If the nickel (Ni) content is less than 0.1 atomic%, each composition in the heating resistor 3 is changed. Nickel (Ni) cannot be satisfactorily bonded, and the mechanical strength of the heating resistor itself is not sufficiently improved.
[0030]
On the other hand, the heating resistor 3 is Ta-Ni-SiO. _x The (1.2 ≦ x ≦ 2.0) resistance material is formed by setting the ratio x of oxygen (O) with respect to silicon (Si) to x <1.2. If the ratio x of oxygen (O) to silicon (Si) is set to x> 2.0, there is a disadvantage that the power consumption of the ink jet head becomes extremely large because it becomes extremely small. Realization of an ink jet head that has a resistance value that is excessively large and requires a long time to cause the heating resistor 3 to generate heat at a desired temperature, and can be used for high-speed recording with a driving cycle of 0.1 msec or less. It becomes difficult.
[0031]
Therefore, the heating resistor 3 is Ta-Ni-SiO. _x (1.2 ≦ x ≦ 2.0) It is formed of a resistance material, the tantalum (Ta) content in the resistance material is 48 atomic% to 70 atomic%, and the nickel (Ni) content is 0.1. It is important to set the atomic% to 2.0 atomic%.
[0032]
The heating resistor 3 employs, for example, a conventionally known sputtering method, and forms a resistor film by depositing the above-described electrical resistance material on the base plate 2 to a predetermined thickness. It is formed by processing into a predetermined pattern by a well-known photolithography technique and etching technique. As a target material used for sputtering, Ta ₅₀ (SiO _1.5 ) ₄₈ Ni ₂ For example, tantalum (Ta), silicon oxide (SiO ₂ ), Tantalum silicide (TaSi) and nickel (Ni) powders are mixed in a molar ratio of 38: 36: 12: 2 and the mixture is sintered.
[0033]
The pair of electrodes 4 connected to the heating resistor 3 is deposited and formed in a predetermined pattern with a metal such as aluminum (Al) or copper (Cu). The electric power supplied via this is applied to the heating resistor 3.
[0034]
Here, the pair of electrodes 4 is made of aluminum, and silicon is contained in an amount of 0.01 atomic% to 0.1 atomic% in the vicinity of the interface with the heating resistor 3 (region on the side of 20 to 100 mm from the interface). In this case, silicon and aluminum are bonded in this region, and the pair of electrodes 4 can be firmly attached to the heating resistor 3. Therefore, even when a large impact generated when the bubble A generated in the ink 8 disappears is repeatedly applied to the heating resistor 3, it is possible to effectively prevent a problem that the pair of electrodes 4 are separated from the heating resistor 3. Can do.
[0035]
If the silicon content contained in the electrode 4 made of aluminum is less than 0.01 atomic%, the number of silicon atoms bonded to aluminum is too small, and the pair of electrodes 4 are connected to the heating resistor 3. If the silicon content exceeds 0.1 atomic%, the amount of silicon atoms in the vicinity of the interface between the heating resistor 3 and the electrode 4 becomes excessive. There is an inconvenience that electric resistance becomes large.
[0036]
Therefore, it is preferable that the pair of electrodes 4 be formed of aluminum and silicon be contained in the vicinity of the interface with the heating resistor 3 by 0.01 atomic% to 0.1 atomic%.
[0037]
Such a pair of electrodes 4 employs a conventionally well-known thin film technique, specifically sputtering, photolithography technique, etching technique, etc., and deposits a metal such as aluminum on the base plate 2 in a predetermined thickness and pattern. Is formed.
[0038]
In order to contain silicon by 0.01 atomic% to 0.1 atomic% in the lower region of the electrode 4, specifically, in the vicinity of the interface with the heating resistor 3, the heating resistor 3 and the pair of electrodes 4 are provided. After the formation, these are heated at a temperature of 380 ° C. to 550 ° C. for about 120 seconds to 700 seconds to diffuse a predetermined amount of silicon in the heating resistor 3 into the electrode 4.
[0039]
A protective film 5 is deposited on the upper surfaces of the heating resistor 3 and the pair of electrodes 4 described above, and the heating resistor 3 and the pair of electrodes 4 are covered with the protective film 5.
[0040]
The protective film 5 is made of, for example, Si. _Three N _Four It is made of a dense inorganic compound such as SiON, and serves to protect the heating resistor 3 and the like from corrosion caused by contact with moisture contained in the ink.
[0041]
Here, if the protective film 5 is formed of an inorganic compound containing 0.5 atomic% or more of oxygen (O), oxygen (O) in the protective film 5 and silicon (Si) in the heating resistor 3 are formed. ) Are strongly bonded to each other, so that the adhesion strength of the protective film 5 to the heating resistor 3 can be increased, and the peeling of the protective film 5 due to the thermal stress between the heating resistor 3 and the protective film 5 is effective. Will be prevented.
[0042]
Therefore, it is preferable that the protective film 5 be formed of an inorganic compound containing 0.5 atomic% or more of oxygen (O).
[0043]
Furthermore, by adjusting the oxygen content so that the oxygen content in the protective film 5 gradually increases toward the heat generating resistor 3, oxygen (O ) Can be distributed in a large amount, and by bonding many of these oxygens with silicon in the heating resistor 3, the adhesion strength of the protective film 5 to the heating resistor 3 can be further increased.
[0044]
The protective film 5 is formed by depositing the above-described inorganic material on the upper surface of the heating resistor 3 or the like to a predetermined thickness by conventionally known sputtering or the like.
[0045]
Further, in order to gradually increase the oxygen content in the protective film 5 toward the heating resistor 3, the protective film 5 is protected while gradually decreasing the concentration of oxygen gas injected into the chamber of the sputtering apparatus in the above-described sputtering process. The film 5 may be formed.
[0046]
On the other hand, the top plate 6 is disposed substantially parallel to the head substrate 1 so as to form a gap of 20 μm to 300 μm, for example, via a spacer (not shown) between the top substrate 6 and the head substrate 1.
[0047]
The top plate 6 has a large number of ink ejection holes 7 corresponding to the heating resistors 3 in a one-to-one relationship, and the heads 6 are positioned so that these ink ejection holes 7 are directly above the heating resistors 3. Arranged and fixed on the substrate 1.
[0048]
The ink discharge hole 7 of the top plate 6 is set to have a diameter of 10 μm to 100 μm, and when bubbles are generated in the ink 8 due to the heat generation of the heating resistor 3 during the recording operation of the inkjet head. Then, the ink droplet i is ejected to the outside from the ink ejection hole 7 with the pressure at the time of bubble generation.
[0049]
The top plate 6 is made of a metal such as molybdenum, an electrically insulating material such as alumina ceramics, or a photosensitive resin. When the top plate 6 is made of, for example, molybdenum, a molybdenum ingot is formed to a predetermined thickness by a known metal processing method. This plate is manufactured by punching ink discharge holes 7 in the thickness direction by laser processing known in the art, and the obtained top plate 6 is formed on the head substrate 1 via a spacer. To be fixed at a predetermined position on the head substrate 1.
[0050]
A gap formed between the head substrate 1 and the top plate 6 is filled with ink 8.
For example, pigment-type water-based ink or water-based dye ink is used as the ink 8. The ink 8 is supplied from an ink tank (not shown) between the head substrate 1 and the top plate 6, and the heating resistor 3 described above. When bubbles A are generated in the ink 8 due to the heat energy accompanying the heat generation, a part of the ink 8 becomes ink droplets i by the pressure of the bubbles A and is ejected outside through the ink ejection holes 7.
[0051]
Thus, the ink jet head described above selectively heats a large number of heating resistors 3 individually based on image data from the outside while conveying the recording paper along the outer surface of the top plate 6 onto the ink discharge holes 7. The thermal energy causes bubbles A to be generated in the ink 8 on the heating resistor 3, and a part of the ink 8 is discharged to the outside from the ink discharge holes 7 by the pressure generated by the generated bubbles A. A predetermined print is formed by attaching the ink droplets i to the recording paper.
[0052]
At this time, since the heating resistor 3 always generates heat at a desired temperature as described above, the discharge amount and discharge speed of the ink droplet i are made uniform, and the distortion and density unevenness are small. A print can be formed.
[0053]
In addition, this invention is not limited to the above-mentioned form, A various change, improvement, etc. are possible in the range which does not deviate from the summary of this invention.
[0054]
For example, in the above-described embodiment, the ink discharge hole 7 is provided in the top plate 6 and the ink discharge hole 7 is arranged right above the heating resistor 3. Alternatively, the present invention may be applied to an edge shooter type inkjet head that ejects ink droplets i from the edge of the head substrate 1.
[0055]
In the above-described embodiment, the insulating film is formed on the entire surface of the base plate 2, but instead, it is necessary for electrically insulating the base plate 2, the heating resistor 3, and the pair of electrodes 4. The insulating film may be formed only in such a region, specifically, only the upper surface of the base plate, only the upper surface and the side surface, or only a part of the upper surface.
[0056]
Further, in the above-described embodiment, a partition member arranged so as to separate the two may be interposed between the adjacent heating resistors 3 between the base plate 2 and the top plate 6. The top plate 6 may be integrally formed of a resin material such as an epoxy resin or a polyimide resin.
[0057]
Furthermore, it goes without saying that in the above-described embodiment, a driver IC for controlling the heat generation of the heating resistor 3 may be mounted on the base plate 2.
[0058]
(Experimental example)
Next, the function and effect of the present invention will be described based on experimental examples.
First, Ta-Ni-SiO _x 180 inkjet head samples (samples) by gradually changing the ratio x of oxygen (O) to silicon (Si), the tantalum (Ta) content, and the nickel (Ni) content in a heating resistor made of a system resistance material No.1 to No.180), and the resistance value change rate ΔR / R of the heating resistor was individually measured for these samples, and then the presence or absence of breakage of the heating resistor during this measurement was examined. Using the sample after measurement, a print was actually formed on the recording paper, and the presence or absence of image distortion was examined.
[0059]
The above-mentioned resistance value change rate ΔR / R means the initial resistance value of the heating resistor is Ω. ₁ A power pulse (pulse width 0.6 μsec, power value 2.6 W) is applied to the heating resistor at a frequency of 10 kHz, 1.0 × 10 ⁸ The resistance value after ₂ (Ω ₁ −Ω ₂ ) / Ω ₁ It is a value obtained by × 100 (%).
[0060]
The heating resistors of the ink jet head sample used in this experiment were all set to 25 μm × 25 μm in thickness and 0.06 μm in thickness.
These experimental results are shown in Tables 1-5.
[0061]
[Table 1]

[0062]
[Table 2]

[0063]
[Table 3]

[0064]
[Table 4]

[0065]
[Table 5]

[0066]
According to the experimental results shown in Tables 1 to 5, Ta-Ni-SiO _x The ratio x of oxygen (O) to silicon (Si) of the heating resistor 3 made of a system resistor material is 1.2 ≦ x ≦ 2.0, and the tantalum (Ta) content in the heating resistor is 48 atomic% to No.44 to No.47, No.50 to No.53, No.56 to No.59 in which the content of nickel (Ni) is set to 0.1 atomic percent to 2.0 atomic percent in 70 atomic percent, respectively. No.62 to No.65 No.80 to No.83, No.86 to No.89, No.92 to No.95, No.98 to No.101, No.116 to No.119, No No.122-No.125, No.128-No.131, No.134-No.137 ink-jet head samples have no sample that has damaged the heating resistor, and the resistance value change rate ΔR / R is also It is within a narrow range of 0% to -5%, and a good image without distortion is obtained even in the printing test.
[0067]
In particular, No. 45, No. 46, No. 51, No. 52, No. 57, No. 58, No. in which the nickel (Ni) content is set in the range of 0.5 atomic% to 1.0 atomic%. 63, No.64, No.81, No.82, No.87, No.88, No.93, No.94, No.99, No.100, No.117, No.118, No.123, No.124, No.129, No.130, No.135, No.136 inkjet head samples have a resistance value change rate ΔR / R within an extremely narrow range of 0% to −2%, and generate heat. It can be seen that the resistance value variation of the resistor is extremely small.
[0068]
In contrast, Ta-Ni-SiO _x The ratio x of oxygen (O) to silicon (Si) in the heating resistor made of a system resistance material is 1.2 ≦ x ≦ 2.0, and the tantalum (Ta) content is in the range of 48 atomic% to 70 atomic%. No. 43, No. 49, No. 55, No. 61, No. 79, No. 85, No. whose nickel (Ni) content is smaller than 0.1 atomic%. 91, No. 97, No. 115, No. 121, No. 127, No. 133 inkjet head sample, or No. 48 in which nickel (Ni) content is set to a value exceeding 2.0 atomic% , No.54, No.60, No.66, No.84, No.90, No.96, No.102, No.120, No.126, No.132, No.138 inkjet head samples, The resistance value change rate ΔR / R is a large value exceeding −8%, and image distortion is also confirmed in the printing test.
[0069]
Moreover, the tantalum (Ta) content exceeds 70 atomic%, or the tantalum (Ta) content is smaller than 48 atomic% No. 1 to No. 6, No. 31 to No. 42, No. 67 to No. .78, No.103 to No.114 inkjet head samples, 1.0 × 10 ⁸ Before the application was repeated, the heating resistor was damaged, and the ink jet head could not be used. In addition, the ink jet head samples No. 139 to No. 144 have an extremely large resistance value of 480Ω or more, and an ink jet head sample that can be used for high-speed recording with a driving cycle of 0.1 msec or less could not be obtained.
[0070]
On the other hand, in the No. 7 to No. 30 inkjet head samples in which the ratio x of oxygen (O) to silicon (Si) is x <1.2, the heating resistor is recorded both before and after image recording. The resistance value became extremely small, and the power consumption of the inkjet head became extremely large. In addition, in the No. 145 to No. 180 inkjet head samples in which the ratio x of oxygen (O) to silicon (Si) is x> 2.0, the resistance value of the heating resistor becomes extremely large, 800Ω or more. Inkjet head samples that can be used for high-speed recording with a driving cycle of 0.1 msec or less could not be obtained.
[0071]
From the above experimental results, in order to effectively prevent breakage of the heating resistor and to obtain a good image without distortion while suppressing the resistance value fluctuation of the heating resistor to be small, the ratio of oxygen to silicon in the heating resistor x is set to 1.2 ≦ x ≦ 2.0, the tantalum (Ta) content is set to 48 atomic% to 70 atomic%, and the nickel (Ni) content is set to 0.1 atomic% to 2.0 atomic%, respectively. In particular, if the nickel (Ni) content is set within the range of 0.5 atomic% to 1.0 atomic%, the resistance value fluctuation of the heating resistor is more effectively suppressed. I can see that
[0072]
【The invention's effect】
According to the inkjet head of the present invention, the heating resistor is Ta-Ni-SiO. _x (1.2 ≦ x ≦ 2.0) formed of a resistive material, the tantalum (Ta) content in the resistive material is 48 atomic% to 70 atomic%, and the nickel (Ni) content is 0.1 atom % To 2.0 atomic%, so that a heating resistor is formed even if a large power pulse is repeatedly applied to the heating resistor to perform high-speed printing with a driving cycle of 0.1 msec or less. Crystallization of the electrical resistance material is effectively suppressed by the action of nickel (Ni), and the resistance value of the heating resistor is kept substantially constant over a long period of time. Therefore, the heating resistor can be heated at a desired temperature, and the discharge amount and discharge speed of the ink droplets can be made uniform to form a good print with less distortion and density unevenness.
[0073]
Moreover, in this case, when the heating resistor is formed, the stress accumulated in the heating resistor can be reduced by the action of nickel (Ni) or the like, and the mechanical strength of the heating resistor can be increased. Therefore, even when a large impact when the bubbles generated in the ink disappear is repeatedly applied to the heating resistor, the heating resistor hardly causes breakage such as a crack, and the reliability of the inkjet head It can also improve the performance.
[0074]
According to the ink jet head of the present invention, the heating resistor is covered with a protective film formed of an inorganic compound containing 0.5 atomic% or more of oxygen (O), whereby oxygen ( O) and silicon (Si) in the heating resistor can be firmly bonded to increase the adhesion strength of the protective film to the heating resistor, and protection due to thermal stress between the heating resistor and the protective film, etc. It is possible to effectively prevent film peeling.
[0075]
Furthermore, according to the ink jet head of the present invention, by adjusting the oxygen content so that the oxygen content in the protective film gradually increases toward the heating resistor side, the protective film is placed in the vicinity of the heating resistor. A large amount of oxygen can be distributed, and by bonding many of these oxygens with silicon in the heating resistor, the adhesion strength of the protective film to the heating resistor can be further increased.
[0076]
Furthermore, according to the ink jet head of the present invention, the pair of electrodes connected to the heating resistor is formed of aluminum, and the silicon existing in the heating resistor in the lower region of these electrodes is 0.01 atomic% to By diffusing by 0.1 atomic%, silicon and aluminum are bonded well in the vicinity of the interface between the heating resistor and the pair of electrodes, and the pair of electrodes are firmly attached to the heating resistor. I can keep it. Accordingly, it is possible to effectively prevent a problem that the pair of electrodes are separated from the heating resistor due to a large impact when the bubbles generated in the ink disappear.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of an inkjet head according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the ink jet head of FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Head substrate, 2 ... Base plate, 3 ... Heat generating resistor, 4 ... A pair of electrodes, 5 ... Protective film, 6 ... Top plate, 7 ... Ink ejection hole , 8 ... Ink

Claims

A head substrate on which a heating resistor and a pair of electrodes are attached, and a top plate disposed above the head substrate, and ink filled between the head substrate and the top plate is ejected by heat of the heating resistor. In the ink jet head ejected from the hole, the heating resistor is formed of a Ta—Ni—SiO _x (1.2 ≦ x ≦ 2.0) resistance material and the tantalum (Ta) content in the resistance material is 48. Inorganic compound in which nickel (Ni) content is set to 0.1 atomic% to 2.0 atomic% in atomic% to 70 atomic%, and the heating resistor contains oxygen (O) in 0.5 atomic% or more An inkjet head characterized by being coated with a protective film formed by the above .

The inkjet head according to claim 1 , wherein the protective film is formed of a Si—O—N inorganic compound.

The inkjet head according to claim 1 or claim 2, characterized in that the oxygen content in the protective film are form gradually increases toward the heating resistor side.

Made from the pair of electrodes of aluminum (Al), claims 1 to 3, characterized in that it contains the vicinity of the interface to the silicon with a (Si) 0.01 atomic% to 0.1 atomic% of the heating resistor An inkjet head according to any one of the above.