JPH04276456A - 液体噴射記録ヘッド、及び同ヘッドを備えた記録装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液体を噴射し、飛翔液滴
を形成して記録を行なう液体噴射記録ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、プリンタ等の記録装置にはインク
を吐出して記録を行なう方式があり、これには液体噴射
記録ヘッドが用いられている。図８はこのような液体噴
射記録ヘッドの概略構成図であり、エッチング、蒸着、
スパッタリング等の半導体製造プロセス工程を経て、基
板１１０２上に成膜形成した電気熱変換体１１０３、電
極１１０４、液路壁１１０５、天板１１０６から構成し
た液体噴射記録ヘッドを示している。記録用液体（イン
ク）１１１２は図示していない液体貯蔵室から液体供給
管１１０７を通して記録ヘッド１１０１の共通液室１１
０８内に供給する。図中１１０９は液体供給管用コネク
タである。共通液室１１０８内に供給した液体１１１２
は所謂毛管現象により液路１１１０内に移動し、液路先
端の吐出口面（オリフィス面）でメニスカスを形成する
ことにより安定に保持される。ここで電気熱変換体１１
０３に通電することにより、電気熱変換体面上の液体が
急峻に加熱され、液路中に気泡が生起し、その気泡の膨
張・収縮により吐出口１１１１から液体を吐出し液滴を
形成する。上述したような構成により、吐出口密度１６
ノズル／ｍｍといった高密度の吐出口配列で１２８吐出
口或いは２５６吐出口という、更には、記録幅内全域に
わたって吐出口を配置したマルチノズルのインクジェッ
ト記録ヘッドを形成できるものである。

【０００３】前記電気熱変換体１１０３には、従来各種
の保護膜を形成することが行なわれており、これにより
電気熱変換体１１０３の寿命を延ばし、液体を安定に吐
出できるようにしてある。これらの保護膜の構成として
は、特開昭５９−１９４８６６号等に記載されているも
のがある。図４〜７の各図に示すものは同公報に開示し
てある従来例のものである。各図において、基板支持体
４０５，５０５上に下部層４０６，５０６、更に発熱抵
抗層４０７，５０７を形成し、その上に共通電極４０４
，５０４及び選択電極４０３，５０３を設けることによ
り、電気熱変換体４０２，５０２よりなる熱発生部４１
０，５１０を形成する。上記のようにして形成した熱発
生部等の各構成上に例えばＳｉＯ２　等の無機の第１保
護層４０８，５０８を積層し、更にその上面に例えばＴ
ａ等の無機の第２保護層４０９，５０９を、また更に必
要により第３の上部保護層４１１，５１１を積層してい
るが、上記各保護層は一般的に上記構成した電極等の上
部のみならず、下部層等の全面に形成してあり、このよ
うな構成で基板４０１，５０１が作られている。なお、
液室部は一般に第１の無機保護層、第２の有機保護層（
例えば、東レ社製フォトニース、日立社製のＰＩＱ）を
順次積層した構成になっており、必要により、更にその
上に第２の無機保護層を積層することも行なう。

【０００４】しかしながら、上記従来例では次のような
欠点があった。 （１）製造工程上Ｔａ、ＳｉＯ２　エッチング時にピン
ホールが発生し、このピンホールを介して配線とインク
の電気的なリークが生じやすく、このため製造歩留りを
低下させていた。 （２）ヒーター部又は液室部全体に第２の無機保護層が
設けられていたため、膜応力が大きくなり膜の密着力を
低下させていた。

【０００５】また、吐出時の熱的なダメージを大きくし
、高速液体噴射記録ヘッドの寿命を短くしていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は前記問題点を
解決するためになされたもので、製造加工上に於ける信
頼性の高い液体噴射記録ヘッドを提供することを目的と
するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明はインクを吐出するために利用されるエネル
ギーを発生する電気熱変換体からなる熱発生部と、前記
熱発生部に電気を供給する共通電極及び選択電極とを基
板支持体上に形成した液路中に有する液体噴射記録ヘッ
ドにおいて、少なくとも前記熱発生部、共通電極及び選
択電極の上面を覆って第１上部保護膜を形成すると共に
、前記熱発生部、共通電極及び選択電極の上方の第１保
護層上のみに第２上部保護層を形成してなるもので、更
に記録媒体の記録領域の全幅にわたってインク吐出口が
複数設けられているフルラインタイプの液体噴射記録ヘ
ッド、及び同ヘッドを備えた記録装置を含むものである
。

【０００８】本発明においては、上記のように構成する
ことにより、 （１）第１の保護膜（例えばＳｉＯ２　）をエッチング
する時、下層の各電極等の配線に凹凸が存在しても、第
２の保護膜を設けることにより、第１と第２の保護層の
選択性が大きいため、第２の保護層がエッチング停止層
となり、第１の保護層にピンホールが発生することを少
なくでき、配線とインクの電気的なリークを少なくでき
る。

【０００９】また、第２の保護層（例えばＴａ）を配線
上に設けることで、第２の保護層をエッチングする時に
第１の保護層（下層）にダメージを与えないため、ピン
ホールを少なくでき、配線とインクの電気的なリークを
少なくできる。 （２）第２の保護層がチップ全体ではなく配線上だけに
設けられているため（第２の保護層が各配線ごとに設け
られているため）応力が緩和され膜の密着力が向上する
。これにより、熱的ダメージを小さくし、高速液体噴射
記録ヘッドの寿命を伸ばすことができる。等の効果を生
じるものである。

【００１０】

【実施例】以下図面に従って本発明に係る液体噴射記録
ヘッドの実施例の基板構成を具体的に説明する。 実施例１ 図１（ａ）は本発明の液体噴射記録ヘッドの基板の電気
熱変換体付近の平面部分図、図１（ｂ）は図１（ａ）の
一点鎖線ＸＹで示された部分で切断した場合の切断面部
分図である。

【００１１】図１（ａ）、及び（ｂ）中１０１は基板で
ある。この基板１０１はシリコン、ガラス、セラミック
等の材料で構成される基板支持体１０５と、該基板支持
体１０５上にＳｉＯ２　等で構成される下部層１０６と
、発熱抵抗層１０７と、該発熱抵抗層１０７の上面の熱
発生部１１０を除いた部分に積層された共通電極１０４
及び選択電極１０３と、熱発生部１１０と共通電極１０
４及び選択電極１０３とを覆う第１の上部保護層１０８
と、それぞれの下部構造に応じて積層する第２の上部保
護層１０９を具備してなる。この場合、本発明に係る基
板には、図１（ａ）、図１（ｂ）に示す通り第２の上部
保護層１０９を発熱抵抗層１０７、熱発生部１１０、共
通電極１０４及び選択電極１０３の上部のみに、かつ第
１の上部保護層１０８上に設けるものである。

【００１２】少なくとも、発熱部分１０２及び電極１０
３．１０４上に積層される第１の上部保護層１０８の主
な役割は絶縁性を保つことにあり、その材質としては、
比較的熱伝導性及び耐熱性にも優れた、例えばＳｉＯ２
　等の無機酸化物やＳｉ３　Ｎ４等の無機窒化物等の無
機質絶縁材料が好ましい。

【００１３】第１の上部保護層１０８を構成する材料と
しては、上記した無機質絶縁材料の他に、酸化チタン、
酸化バナジウム、酸化ニオブ、酸化モリブデン、酸化タ
ンタル、酸化タングステン、酸化クロム、酸化ジルコニ
ウム、酸化ハフニウム、酸化ランタン、酸化イットリウ
ム、酸化マンガン等の遷移金属酸化物、更に酸化アルミ
ニウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バ
リウム、酸化シリコン等の金属酸化物、及びそれらの複
合体、窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化ボロン、
窒化タンタル等の高抵抗窒化物、及びこれらの酸化物、
窒化物の複合体、更にはアモルファスシリコン、アモル
ファスセレン等の半導体などのバルクでは低抵抗であっ
てもスパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法、気相反応法
、液体コーティング法等の製造過程で高抵抗化し得る薄
膜材料を挙げることができる。第１の上部保護層１０８
の膜厚としては、一般に０．１〜５μｍ、好ましくは０
．２〜３μｍ、特に好ましいのは０．５〜３μｍである
。保護層の形成法としては、上記スパッタリング法、Ｃ
ＶＤ法、蒸着法、気相反応法、コーティング法等が適宜
利用できる。

【００１４】第２の上部保護層１０９を形成することの
できる材料としては、上記のＴａの他に、Ｓｃ、Ｙなど
の周期律表第ＩＩＩａ族の元素、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆなど
の第ＩＶａ族の元素、Ｖ、Ｎｂなどの第Ｖａ　族の元素
、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗなどの第ＶＩａ　族の元素、Ｆｅ、Ｃ
ｏ、Ｎｉなどの第ＶＩＩＩ族の元素；Ｔｉ−Ｎｉ、Ｔａ
−Ｗ、Ｔａ−Ｍｏ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ｃｏ、Ｔ
ｉ−Ｗ、Ｆｅ−Ｔｉ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−
Ｎｉ−Ｃｒなどの上記金属の合金；Ｔｉ−Ｂ、Ｔａ−Ｂ
、Ｈｆ−Ｂ、Ｗ−Ｂなどの上記金属の硼化物；Ｔｉ−Ｃ
、Ｚｒ−Ｃ、Ｖ−Ｃ、Ｔａ−Ｃ、Ｍｏ−Ｃ、Ｎｉ−Ｃな
どの上記金属の炭化物；Ｍｏ−Ｓｉ、Ｗ−Ｓｉ、Ｔａ−
Ｓｉなどの上記金属のケイ化物；Ｔｉ−Ｎ、Ｎｂ−Ｎ、
Ｔａ−Ｎなどの上記金属の窒化物が挙げられる。

【００１５】第２の上部保護層は、これらの材料を用い
て蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等の手法により
形成することができ、その膜厚としては一般に０．０１
　〜５μｍ、好ましくは０．１〜５μｍ、特に好ましく
は０．２〜３μｍとすることが望ましい。

【００１６】上記の様にして作成した液体噴射記録ヘッ
ドの配線と、インクとの電気的なリーク試験を行なった
結果、不良数は１／５以下に削減でき、歩留りが向上し
た。（従来１０〜２０％程度の不良率が本実施例によれ
ば２％程度に減少した。）また、この液体噴射記録ヘッ
ドを用いて１日当り４×１０８　回、５日間作動させて
耐久回数試験を行なった結果、数１０９　回を安定して
達成でき、ヘッドの断線もなく良好な記録特性を維持で
きた。特に高速記録ヘッドにおいては、数倍も耐久回数
を伸ばし、耐久性に優れたものであった。 実施例２ 図２のように第２の保護層２０９上に有機保護層を積層
してもまったく同様の効果が得られた。なお、第１の保
護層の材質はＳｉＯ２　で、厚さは１．０μｍにした。 また第２の保護層の材質はＴａで、厚さは０．６μｍに
した。

【００１７】有機保護層の材料としては、微細フォトリ
ソグラフィー加工が極めて容易な、例えばポリイミドイ
ソインドロキナゾリンジオン（商品名：ＰＩＱ，日立化
成製）、ポリイミド樹脂（商品名：ＰＹＲＡＬＩＮ，デ
ュポン製）、環化ポリブタジエン（商品名：ＪＳＲ−Ｃ
ＢＲ，日本合成ゴム製）、フォトニース（商品名：東レ
製）、その他の感光性ポリイミド樹脂等を用いた。 実施例３ 図３のように各配線ごとに配線全体を第２の保護層３０
９で覆ってもまったく同様の効果が得られた。第２の保
護層は材料としてＴａを用いて、０．６μｍの厚さに形
成した。

【００１８】本発明は、特にインクジェット記録方式の
中でも熱エネルギーを利用して飛翔液滴を形成し、記録
を行うインクジェット記録方式の記録ヘッド、記録装置
に於いて、優れた効果をもたらすものである。

【００１９】その代表的な構成や原理については、例え
ば、米国特許第４７２３１２９号明細書、同第４７４０
７９６号明細書に開示されており、本発明はこれらの基
本的な原理を用いて行なうものが好ましい。この記録方
式は所謂オンデマンド型、コンティニュアス型のいずれ
にも適用可能である。

【００２０】この記録方式を簡単に説明すると、液体（
インク）が保持されているシートや液路に対応して配置
されている電気熱変換体に、記録情報に対応して液体（
インク）に核沸騰現象を越え、膜沸騰現象を生じる様な
急速な温度上昇を与えるための少なくとも一つの駆動信
号を印加することによって、熱エネルギーを発生せしめ
、記録ヘッドの熱作用面に膜沸騰を生じさせる。この様
に液体（インク）から電気熱変換体に付与する駆動信号
に一対一対応した気泡を形成出来るため、特にオンデマ
ンド型の記録法には有効である。この気泡の成長，収縮
により吐出口を介して液体（インク）を吐出させて、少
なくとも一つの滴を形成する。この駆動信号をパルス形
状とすると、即時適切に気泡の成長収縮が行なわれるの
で、特に応答性に優れた液体（インク）の吐出が達成で
き、より好ましい。このパルス形状の駆動信号としては
、米国特許第４４６３３５９号明細書、同第４３４５２
６２号明細書に記載されているようなものが適している
。尚、上記熱作用面の温度上昇率に関する発明の米国特
許第４３１３１２４号明細書に記載されている条件を採
用すると、更に優れた記録を行なうことができる。

【００２１】記録ヘッドの構成としては、上述の各明細
書に開示されているような吐出口、液路、電気熱変換体
を組み合わせた構成（直線状液路又は直角液路）の他に
、米国特許第４５５８３３３号明細書、米国特許第４４
５９６００号明細書に開示されている様に、熱作用部が
屈曲する領域に配置された構成を持つものも本発明に含
まれる。

【００２２】加えて、複数の電気熱変換体に対して、共
通するスリットを電気熱変換体の吐出口とする構成を開
示する特開昭５９年第１２３６７０号公報や熱エネルギ
ーの圧力波を吸収する開孔を吐出部に対応させる構成を
開示する特開昭５９年第１３８４６１号公報に基づいた
構成においても本発明は有効である。

【００２３】更に、本発明が有効に利用される記録ヘッ
ドとしては、記録装置が記録できる記録媒体の最大幅に
対応した長さのフルラインタイプの記録ヘッドがある。 このフルラインヘッドは、上述した明細書に開示されて
いるような記録ヘッドを複数組み合わせることによって
フルライン構成にしたものや、一体的に形成された一個
のフルライン記録ヘッドであっても良い。

【００２４】加えて、装置本体に装着されることで、装
置本体との電気的な接続や装置本体からのインクの供給
が可能になる交換自在のチップタイプの記録ヘッド、あ
るいは記録ヘッド自体に一体的に設けられたカートリッ
ジタイプの記録ヘッドを用いた場合にも本発明は有効で
ある。

【００２５】又、本発明の記録装置に、記録ヘッドに対
する回復手段や、予備的な補助手段等を付加することは
、本発明の記録装置を一層安定にすることができるので
好ましいものである。これらを具体的に挙げれば、記録
ヘッドに対しての、キャピング手段、クリーニング手段
、加圧或は吸引手段、電気熱変換体或はこれとは別の加
熱素子、或はこれらの組み合わせによる予備加熱手段、
記録とは別の吐出を行なう予備吐出モードを行なう手段
を付加することも安定した記録を行なうために有効であ
る。

【００２６】更に、記録装置の記録モードとしては黒色
等の主流色のみを記録するモードだけではなく、記録ヘ
ッドを一体的に構成したものか、複数個の組み合わせて
構成したものかのいずれでも良いが、異なる色の複色カ
ラー又は、混色によるフルカラーの少なくとも一つを備
えた装置にも本発明は極めて有効である。

【００２７】以上説明した本発明実施例においては、液
体インクを用いて説明しているが、本発明では室温で固
体状であるインクであっても、室温で軟化状態となるイ
ンクであっても用いることができる。上述のインクジェ
ット装置ではインク自体を３０℃以上７０℃以下の範囲
内で温度調整を行ってインクの粘性を安定吐出範囲にあ
るように温度制御するものが一般的であるから、使用記
録信号付与時にインクが液状をなすものであれば良い。

【００２８】加えて、熱エネルギーによるヘッドやイン
クの過剰な昇温をインクの固形状態から液体状態への状
態変化のエネルギーとして使用せしめることで積極的に
防止するか又は、インクの蒸発防止を目的として放置状
態で固化するインクを用いることも出来る。いずれにし
ても熱エネルギーの記録信号に応じた付与によってイン
クが液化してインク液状として吐出するものや記録媒体
に到達する時点ではすでに固化し始めるもの等のような
、熱エネルギーの付与によって初めて液化する性質を持
つインクの使用も本発明には適用可能である。

【００２９】このようなインクは、特開昭５４−５６８
４７号公報あるいは特開昭６０−７１２６０号公報に記
載されるような、多孔質シートの凹部又は貫通孔に液状
又は固形物として保持された状態で、電気熱変換体に対
して対向するような形態としても良い。

【００３０】本発明において、上述した各インクに対し
て最も有効なものは、上述した膜沸騰方式を実行するも
のである。

【００３１】図９は本発明により、得られた記録ヘッド
をインクジェットヘッドカートリッジ（ＩＪＣ）として
装着したインクジェット記録装置（ＩＪＲＡ）の一例を
示す外観斜視図である。

【００３２】図において、２０はプラテン２４上に送紙
されてきた記録紙の記録面に対向してインク吐出を行な
うノズル群を具えたインクジェットヘッドカートリッジ
（ＩＪＣ）である。１６はＩＪＣ２０を保持するキャリ
ッジＨＣであり、駆動モータ１７の駆動力を伝達する駆
動ベルト１８の一部と連結し、互いに平行に配設された
２本のガイドシャフト１９Ａおよび１９Ｂと摺動可能と
することにより、ＩＪＣ２０の記録紙の全幅にわたる往
復移動が可能となる。

【００３３】２６はヘッド回復装置であり、ＩＪＣ２０
の移動経路の一端、例えばホームポジションと対向する
位置に配設される。伝動機構２３を介したモータ２２の
駆動力によって、ヘッド回復装置２６を動作せしめ、Ｉ
ＪＣ２０のキャッピングを行なう。このヘッド回復装置
２６のキャップ部２６ＡによるＩＪＣ２０へのキャッピ
ングに関連させて、ヘッド回復装置２６内に設けた適宜
の吸引手段によるインク吸引もしくはＩＪＣ２０へのイ
ンク供給経路に設けた適宜の加圧手段によるインク圧送
を行ない、インクを吐出口より強制的に排出させること
によりノズル内の増粘インクを除去する等の吐出回復処
理を行なう。また、記録終了時等にキャッピングを施す
ことによりＩＪＣが保護される。

【００３４】３０はヘッド回復装置２６の側面に配設さ
れ、シリコンゴムで形成されるワイピング部材としての
ブレードである。ブレード３１はブレード保持部材３１
Ａにカンチレバー形態で保持され、ヘッド回復装置２６
と同様、モータ２２および伝動機構２３によって動作し
、ＩＪＣ２０の吐出面との係合が可能となる。これによ
り、ＩＪＣ２０の記録動作における適切なタイミングで
、あるいはヘッド回復装置２６を用いた吐出回復処理後
に、ブレード３１をＩＪＣ２０の移動経路中に突出させ
、ＩＪＣ２０の移動動作に伴なってＩＪＣ２０の吐出面
における結露、濡れあるいは塵埃等をふきとるものであ
る。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように第１の保護層上の配
線上方部分のみに第２の保護層を設けることにより、次
の効果がある。 （１）Ｔａ／ＳｉＯ２　エッチング時にピンホールの発
生が少なくなり、配線とインクの電気的なリークが減少
し、製造歩留りが向上して製造コストが下がる。 （２）第２の保護層がチップ全体ではなく配線上方部の
みに設けられているため、応力が緩和され密着力が向上
する。このため、熱的なダメージを小さくし、高速液体
噴射記録ヘッドの寿命を伸ばすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の液体噴射記録ヘッドの第１実
施例における熱発生部近傍を示す部分拡大平面図であり
、（ｂ）は（ａ）図中のＸ−Ｙ線に沿った部分断面拡大
図である。

【図２】本発明の液体噴射記録ヘッドの第２実施例にお
ける熱発生部近傍を示す部分拡大断面図である。

【図３】本発明の液体噴射記録ヘッドの第３実施例にお
ける熱発生部近傍を示す部分拡大平面図である。

【図４】（ａ）は液体噴射記録ヘッドの従来例を示す熱
発生部近傍の部分拡大平面図であり、（ｂ）は同図中Ｘ
’−Ｙ’線に沿った部分の断面拡大図である。

【図５】（ａ）は液体噴射記録ヘッドの他の従来例を示
す熱発生部近傍の部分拡大平面図、（ｂ）は同図中Ｘ”
−Ｙ”線に沿った部分の断面拡大図である。

【図６】第３の上部保護層を設けた従来の記録ヘッドの
部分拡大断面図である。

【図７】第３の上部保護層を設けた他の従来の記録ヘッ
ドの部分拡大断面図である。

【図８】液体噴射記録ヘッドの構造の説明用部分切断斜
視図である。

【図９】本発明の液体噴射記録ヘッドを備えた記録装置
を示す斜視図である。

【符号の説明】

１０１，２０１，３０１，４０１，５０１　　　　基板
１０２，２０２，３０２，４０２，５０２　　　　電気
熱変換体 １０３，２０３，３０３，４０３，５０３　　　　（選
択）電極 １０４，２０４，３０４，４０４，５０４　　　　（共
通）電極 １０５，２０５，４０５，５０５　　　　基板支持体１
０６，２０６，４０６，５０６　　　　下部層１０７，
２０７，４０７，５０７　　　　発熱抵抗層１０８，２
０８，４０８，５０８　　　　第１の上部保護層１０９
，２０９，３０９，４０９，５０９　　　　第２の上部
保護層 １１０，２１０，３１０，４１０，５１０　　　　熱発
生部１１１，２１１，３１１，４１１，５１１　　　　
第３の上部保護層 １６　　　　キャリッジ １７　　　　駆動モータ １８　　　　駆動ベルト １９Ａ，１９Ｂ　　　　ガイドシャフト２０　　　　イ
ンクジェットヘッドカートリッジ２２　　　　クリーニ
ング用モータ ２３　　　　伝動機構 ２４　　　　プラテン ２６　　　　キャップ部材 ３０　　　　ブレード ３０Ａ　　　　ブレード保持部材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　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電気熱変換体からなる熱発生部と、
   前記熱発生部に電気を供給する共通電極及び選択電極と
   を基板支持体上に形成した液路中に有する液体噴射記録
   ヘッドにおいて、少なくとも前記熱発生部、共通電極及
   び選択電極の上面を覆って第１上部保護膜を形成すると
   共に、前記熱発生部、共通電極及び選択電極の上方の第
   １保護層上のみに第２上部保護層を形成してなることを
   特徴とする液体噴射記録ヘッド。
2. 【請求項２】　　記録媒体の記録領域の全幅にわたって
   インク吐出口が複数設けられているフルラインタイプの
   ものであることを特徴とする請求項１記載の液体噴射記
   録ヘッド。
3. 【請求項３】　　記録媒体の被記録面に対向してインク
   吐出口が設けられている請求項１又は２記載の液体噴射
   記録ヘッドと、該ヘッドを載置するための部材とを少な
   くとも具備することを特徴とする液体噴射記録装置。