JPH03187759A - 液体噴射記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、吐出口より液体を吐出することで形成された
飛翔的液滴を用いて記録を行う液体噴射記録装置、殊に
熱エネルギーを利用する液体噴射記録装置に関する。

液体噴射記録装置には、種々の方式があるが、その中で
も例えば独国公開公報（ＯＬＳ）２８４３０６４号、同
２９４４００５号、ＵＳＰ４３３５３８９号公報等に開
示された方式の液体噴射記録装置は、高速カラー記録が
容易であって、その出力部の主要部である記録ヘッドは
、記録用の液体を吐出して、飛翔的液滴を形成する為の
吐出口（オリフィス）を高密度に配列することが出来る
為に、高解像力を得ることが出来ると同時に、記録ヘッ
ドとして全体的にはコンパクト化が計れ、かつ量産に向
くこと、半導体分野において技術の進歩と信頼性の向上
が著しいＩＣ技術やマイクロ加工技術の長所を十二分に
利用することで長尺化が容易であること等の為に、最近
冨みに熱い注目を集めでいる。

上記の液体噴射記録装置の特徴的な記録ヘッドには、オ
リフィスより液体を吐出して、飛翔的液滴を形成する為
の熱エネルギーを発生する手段としての電気熱変換体が
設けられている。

該電気熱変換体は、発生する熱エネルギーを効率良く液
体に作用させること、液体への熱作用の０Ｎ−ＯＦＦ応
答速度を高めること等の為に、液体に直接接触する様に
、オリフィスに連通している熱作用部に設けられる構造
とするのが望ましいとされている。

百年ら、前記の電気熱変換体は通電されることによって
発熱する発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に通電する為の一
対の電極とで、基本的には構成されている為に発熱抵抗
体が直に液体に接触する状態であると、記録用の液体の
電気抵抗値如何によっては該液体を通じて電気が流れた
り、液体を通じての電気の流れによって液体自体が電気
分解したり、或は発熱抵抗体への通電の際に該発熱抵抗
体と液体とが反応して、発熱抵抗体自体の腐蝕による抵
抗値の変化、強いては発熱抵抗体の破損或は破壊が起っ
たり、更には発熱抵抗体から発生される熱作用による液
体の、望ましくは蒸気泡の発生を含む液体の急激な状態
変化に伴う機械的衝撃によって、発熱抵抗体の表面が破
損したり或は発熱抵抗体の一部に亀裂が生ずる等して破
壊されたりする場合がある。

その為に、従来においては、ＮｉＣｒ等の合金やＺ　ｒ
　Ｂｚ　、Ｈｆ　Ｂ２等の金属硼化物等の比較的発熱抵
抗体材料としての特性に優れた無機材料で発熱抵抗体を
構成すると共に、該材料で構成された発熱抵抗体上に、
Ｓ　ｉ　Ｏ２等の耐酸化性に優れた材料で構成された保
護層（上部層）を設けることで、発熱抵抗体が液体に直
に接触するのを防止して、前記の諸問題を解決し、信頼
性と繰返し使用耐久性の向上を計ろうとすることが提案
されていた。

百年ら上記の様な構成の電気熱変換体が設けられた記録
ヘッドを有する液体噴射記録装置は、記録用の着色され
た液体として、電気伝導度の比較的低い液体（例えば液
媒体としての蒸留水やアルコールを用いたもの）を使用
する場合には、耐酸化性に優れ、繰返し使用耐久性の点
で満足の行くものではあるが、Ｎａイオン等の含有率が
高い為に電気伝導度の大きな記録用の液体や電解質の液
体を使用する場合には、繰返し使用耐久性、耐経詩的変
化性の点で不充分であった。従って、使用する記録用液
体の選択に制約があって、殊に多色或は天然色のカラー
記録を行う場合には、障害となっていた。

又、上記の様に発熱抵抗体上に保護層を設ける場合にお
いても、例えば層形成に生ずる保護層自体の欠陥に基づ
く発熱抵抗体側方向への液体の侵入を実質上完全に防止
することは再現性、量産性の点で非常に困難である。況
してや、高密度に多数の熱作用部をその構成の一部とす
る液流路（ノズル）を設ける、所謂高密度マルチオリフ
ィス化の場合には、少なくとも液流路数だけ電気熱変換
体を一度に設ける必要性から、先の保護層の欠陥による
不良化の電気熱変換体の製造歩留りへの影響は、製造コ
ストの面も含めて大きな問題である。

従って、保護層がなく、記録用の液体に発熱抵抗体が直
に接触する状態であっても、耐液性、使用繰返し性、耐
機械的衝撃性、耐電気化学反応性に優れた電気熱変換体
を具備する液体噴射記録装置の開発が強く望まれている
。

本発明は、上記の諸点に鑑み成されたものであって、前
記の従来における諸問題の総てを解決した優れた液体噴
射記録装置を提供することを主たる目的とする。

本発明の別の目的は、耐液性、耐機械的衝撃性、繰返し
使用性、耐電気化学反応性に優れた液体噴射記録装置を
提供することである。

本発明の液体噴射記録装置は液体を吐出して、飛翔的液
滴を形成する為に設けられた吐出口と、該吐出口（オリ
フィス）に連通し、飛翔的液滴を形成する為の熱エネル
ギーが液体に作用するところとしての熱作用部と、前記
熱エネルギーを発生する手段としての電気熱変換体とを
具備し、該電気熱変換体を構成する発熱抵抗層がＴａま
たはＴａ含有合金から成る事を特徴とする。

上記の様な構成とされる本発明の液体噴射記録装置は、
耐繰返し使用性、耐液性、記録信号に対する応答の忠実
性と確実性に優れ、高解像度で高品質の画像を高速で記
録することが出来る。

更に、発熱抵抗体を記録用の液体に直に接触する様に電
気熱変換体を構成する場合には、発熱抵抗体より発生さ
れる熱エネルギーが記録用の液体に有効に作用するので
、電気熱変換体を駆動する為の駆動電圧の閾値が低く、
且つ飛翔液滴の形成を安定的に行う為の実際の駆動電圧
も低く省エネルギー化を容易に実現することが出来る。

又、記録用の液体の選択範囲が広範である為に所望の色
の多色及び天然色のカラー記録を容易に行なう事が出来
る。

以下、本発明を図面に従って、更に具体的に説明する。

第１図（ａ）は、本発明の液体噴射記録装置の主要部の
オリフィス側から見た正面部分図、第１図（ｂ）は、第
１図（ａ）に−点鎖線ＸＹで示す部分で切断した場合の
切断面部分図である。

図に示される記録ヘッド１は、その表面に電気熱変換体
２が設けられている基板３の表面に、所定の線密度で所
定の巾と深さの溝が所定数設けられている溝付板４で覆
う様に接合することによって、オリフィス５と液吐出部
６が形成された構造を有している。図に示す液体噴射記
録装置の場合、オリフィス５を複数性するものとして示
されであるが、勿論本発明は、これに限定されるもので
はなく単一オリフィスの場合の記録装置への適用の場合
も本発明の範晴に這入るものである。

液吐出部６は、その終端に液体を吐出して飛翔する液滴
な形成する為のオリフィス５と、電気熱変換体２より発
生される熱エネルギーが液体に作用して蒸気泡を発生し
、その体積の膨張と収縮に依る急激な状態変化を引起す
処である熱作用部７とを有する。

熱作用部７は、電気熱変換体２の熱発生部８の上部に位
置し、熱発生部８の液体と接触する熱作用面９をその底
面としている。

熱発生部８は、基板３上に設けられた下部層１０、該下
部層１０上に設けられた発熱抵抗層（発熱抵抗体）１１
、該発熱抵抗層１１上に必要に応じて設けられる上部層
１２とで、構成される。

発熱抵抗層１１には、熱を発生させる為に核層１１に通
電する為の電極１３．１４がその表面に設けられである
。電極１３は各液吐出部の熱発生部に共通の電極であり
、電極１４は各液吐出部の熱発生部を選択して発熱させ
る為の選択電極であって、液吐出部の流路に沿って設け
られである。

上部層１２は発熱抵抗層１１を、使用する液体から化学
的・物理的に保護する為に発熱抵抗層１１と液吐出部６
にある液体とを隔絶すると共に、液体を通じて電極１３
．１４間が短絡するのを防止する発熱抵抗層１１の保護
的機能を有している。

上部層１２は、上記の様な機能を有するものであるが、
本発明の液体噴射記録装置における発熱抵抗層１１は、
前記した特性を有するものであるから、液体を通じて電
極１３．１４間が電気的に短絡する心配が全くない場合
には、必ずしも設ける必要はなく、又、上記の心配があ
る場合であっても、発熱抵抗層ｌｌ上には設ける必要は
なく、電極１３．１４の表面を覆ってやるだけで前記の
心配が全面的に解消される。

下部［１０は、主に熱流量制御機能を有する。

即ち、飛翔液滴の形成の際には、発熱抵抗Ｎ１１で発生
する熱が基板３側の方に伝導するよりも、熱作用部７側
の方に伝導する割合が出来る限り多くなり、飛翔液滴形
成後、詰り発熱抵抗層１１への通電がＯＦＦされた後に
は、熱作用部７及び熱発生部８にある熱が速やかに基板
３側に放出されて、熱作用部７にある液体及び発生した
気泡が急冷される為に設けられる。

発熱抵抗層１１、基板３との関係において、上記の様な
機能が充分発揮出来る様な下部層１０を設計することに
よって、本発明の液体噴射記録装置はより優れたものと
なる。

即ち、飛翔的液滴の形成の際には、熱作用部７側への熱
流量の割合が出来る限り大きく、発熱抵抗層１１への通
電がＯＦＦされた際には、基板３側への熱流量の割合が
出来る限り大きくなる様にして、液滴吐出エネルギーの
高効率化と高熱応答性及び連続的繰返し液滴吐出性の向
上、液滴形成周波数の向上、液滴の量の均一化、液滴の
飛翔方向の安定化、液滴の初期飛翔スピードの均一化、
及び記録信号に対する応答の忠実性と確実性の向上を一
層効果的に実現させ得る。

本発明の液体噴射記録装置における発熱抵抗層１１は、
前記した様に、Ｔａ（タンタル）又はＴａ含有合金の薄
層として設けられる。

本発明において、Ｔａ含有合金を形成するＴａの相手材
料として有効なのは、八β（アルミニウム）、Ｓｉ　（
シリコン）及び遷移金属である。遷移金属としては、周
期律表第４周期に属する金属、即ち、Ｔｉ（チタン）、
■（バナジウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｎ（マンガン）
、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）Ｎｉ（＝ッヶル）　　
Ｃｕ（銅）　周期律表第５周期に属する金属、例えば、
Ｎｂ（ニオブ）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｐｄ（パラジウ
ム）等、周期律表第６周期に属する金属、例えば、Ｈｆ
（ハフニウム）、Ｗ（タングステン）、Ｐｔ（白金）、
Ａｕ（金）等が好ましい金属として挙げることが出来る
。

Ｔａ含有合金を構成するこれ等のＴａの相手材料となる
金属は、一種類に限ることなく、所望の特性を最大限に
得る為に二種類以上用いても良い。即ち、本発明におい
ては、Ｔａ含有合金は、２元系、３元系、更には４元系
或はそれ以上と、多元系とされても良いものである。

Ｔａ含有合金として、３元系以上の多元系とする場合に
は、周期律表の同族に属する金属を選択するよりは、異
種族の金属を目的に合せて選択する方が種々の物性を有
する金属が得られるので好ましいものである。

本発明において、Ｔａ含有合金として、特に好ましく用
いられる組合せ例としては、Ｔａ−Ａβ、Ｔａ−Ｓｉ％
Ｔａ−Ｍｏ、Ｔａ−Ｗ％Ｔａ−Ｇｏ、Ｔａ−Ｎｉ等の２
゛元系合金、Ｔａ−Ｎｉ−Ａｌ２、Ｔａ−Ｎｉ−Ｍｏ、
Ｔａ−Ｎｉ−Ｃｒ。

Ｔａ−Ｃｒ−Ｍｏ、Ｔａ−Ｃｒ−Ａｌ２、Ｔａ　−Ｃｒ
−Ｗ、　Ｔａ−３ｉ−Ｗ等の３元系合金、Ｔａ−Ｎ　ｉ
−Ａ氾−Ｗ％Ｔａ−Ｗ−Ａｌ２−３　ｉ％Ｔａ−Ｎ１−
Ｗ−Ｓｉ等の４元系合金が挙げられる。

本発明において、Ｔａ含有合金中に含有されるＴａの含
有率は、相手金属の種類、相手金属が複数の場合には、
相手金属同志の含有割合等によって、本発明の目的に適
う発熱抵抗ＪｉＪ１１が得られる様に適宜所望に従って
決定されるものであるが、ｍｏｌ％で好ましくは２０ｍ
ｏｌ％以上、より好ましくは２５ｍｏｌ％以上、最適に
は３５ｍｏｌ％以上とされるのが望ましく、上限として
は好ましくはｌ　ＯＯｍｏ　１％未満とされるのが望ま
しい。

本発明において、発熱抵抗層１１の層厚は、適切な熱エ
ネルギーが効果的に発生される様に、構成材料の特性、
種類、含有率及び装置自体に要求される飛翔液滴形成特
性等に応じて適宜状められるが、好ましくは５０人〜５
μ、より好ましくは１００人〜２μ、最適には３００人
〜１μとされるのが望ましい。

本発明において、Ｔａ含有合金から成る発熱抵抗層１１
は所望のＴａの相手金属、例えばＡｌ２であればＴａダ
ーゲット上に所望面積のＡ１２片を置いて、Ｃｏ−３ｕ
ｐｔｔｅｒ　（共スパッタ）することによって形成する
のが望ましい。

次に、以降において説明される本発明の実施例或は比較
例において製造された液体噴射記録装置の製造法及び形
態の概要に就いて説明する。

先ず、以下の実施例及び比較例に相当する発熱抵抗体設
置基板を以下の要領で作成した。

下部層１０を兼ねたアルミナ基板３の下部層１０上に発
熱抵抗層１１及びアルミニウム電極層を形成した後、選
択エツチングにより例えば幅４０μｍ、長さ２００１Ｌ
ｍの発熱抵抗体１１−１〜１１−３−・・を形成した。

又、エツチングにより選択電極１４及び共通電極１３を
形成した。更に、各電極及び各発熱抵抗体の表面に、必
要に応じて保護層（上部層）１２を積層した。

又、これ等とは別に、ガラス板に複数本の溝（例えば幅
４０μｍ、深さ４０μｍ）と共通インク室（不図示）と
なる溝とをマイクロカッターを用いて切削形成してなる
溝付き板４も作成した。

このようにして作成した、発熱抵抗体設置基板と溝付き
板とを、発熱抵抗体と溝との位置合せをした上で接合し
、更に不図示のインク供給部から共通インク室に液体イ
ンクを導入するためのインク導入管（不図示）も接続し
て記録装置を一体的に完成した。

更に、この記録装置には前述の選択電極及び共通電極に
接続されているリード電極（共通リード電極、及び選択
リード電極）を有するリード基板が付設された。

上記の構成の液体噴射記録装置に於て、上部層１２とし
て、Ｓｉｎｇ　１．Ｏｕ層厚、Ｔａｇ’ｓ０．５μ層厚
の薄層を各発熱抵抗［１１上に積層したものでは、発泡
閾値電圧に対して１．５〜１．９倍の駆動電圧マージン
が得られた。このことは、発熱抵抗層１１を液体に露出
させる系の場合に比べて上部層１２を設けることで一層
耐熱性が向上することが示される。

この際、上記の上部層１２のない系は発泡閾値電圧の約
１．３倍の駆動電圧マージンが得られ、従来に較べて優
れていることが示される。

基板３としては、上記のアルミナ基板の外に、シリコン
ウェハを用い、下部層１０としては、シリコンウェハの
表面を熱酸化して形成された２〜５μのＳ　ｉ　Ｏを層
を用いて同様の評価を行なったが、同様の良好な結果が
得られた。

又、基板３としては、実施例で使用されたものの他、ガ
ラス、セラミックス、耐熱性プラスチック等も用いるこ
とが出来る。

電極材料としては、ＡＩ２の他に、ＡＪ２−Ｃｕ、Ａβ
−Ｓｔ等を用いる。ことが出来るが、これ等の材料を用
いる際には電極と液体との間を隔絶する為に、例えば感
光性の耐熱樹脂を硬化させた被膜で熱作用面の部分を除
いて電極及び電極の回りを覆うのが好ましい。

実施例 前記に説明した構成の液体噴射記録装置（サンプルＮｏ
１−１〜１４−４）（液流路数１００、−液流路当り一
電気熱変換体）に就いて、−電気熱変換体当たり５Ｘ１
０’回のパルス駆動を行なった際の故障発熱抵抗体数を
計数して信頼性の測定を行った。その結果を以下の表に
示す。

（以下余白）

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は、本発明の適用される液体噴射記録ヘッ
ドの好適な実施態様の１つのオリフィス側からの正面部
分図、第１図（ｂ）は、第１図（ａ）の−点鎖線ＸＹで
示す部分で切断した場合の切断部分図である。 ｌ・・・液体噴射記録装置、２・・・電気熱変換体、３
・・・基板、４・・・溝付板、５・・・オリフィス、６
・・・液吐出部、７・・・熱作用部、８・・・熱発生部
、９・・・熱作用面、１０・・・下部層、１１・・・発
熱抵抗層、１２・・・上部層、１３・・・共通電極、１
４・・・選択電極。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）液体を吐出して、飛翔的液滴を形成する為に設け
   られた吐出口と、該吐出口に連通し、飛翔的液滴を形成
   する為の熱エネルギーが液体に作用するところとしての
   熱作用部と、前記熱エネルギーを発生する手段としての
   電気熱変換体とを具備し、該電気熱変換体を構成する発
   熱抵抗層がＴａまたはＴａ含有合金から成る事を特徴と
   する液体噴射記録装置。
2. （２）Ｔａの含有率が２０ｍｏｌ％以上である特許請求
   の範囲第１項に記載の液体噴射記録装置。