JPH0470148B2 - - Google Patents

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インク噴
射ヘツド、殊に熱エネルギーを利用するインク噴
射ヘツドに関する。 液体噴射装置には、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
容易であつて、その出力部の主要部である記録ヘ
ツドは、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（オリフイス）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、記録ヘツドとして全体的にはコ
ンパクト化が計れ、且つ量産に向くこと、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、
最近富みに熱い注目を集めている。 上記の液体噴射記録装置の特徴的な記録ヘツド
には、オリフイ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
ON−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、オリフイスに連通している
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。 而乍ら、前記の電気熱変換体は通電されること
によつ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
つ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つて液体自体が電気分解し
たり、或い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
或いは破壊が起こつたり、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
的衝撃によつて、発熱抵抗体の表面が破損したり
或い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
ZrB₂，HfB₂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、SiO₂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。 而乍ら上記の様な構成の電気熱変換体が設けら
れた記録ヘツ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、耐経時
的変化性の点で不充分であつた。従つて、使用す
る記録用液体の選択に制約があつて、殊に多色或
いは天然色のカラー記録を行う場合には、障害と
なつていた。 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浸
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イス化
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。従つて、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つても、耐液性、
使用繰返し性、耐機械的衝撃性、耐電気化学反応
性、耐アルカリイオン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
つて、前記の従来における諸問題の総てを解決し
た優れたインク噴射ヘツド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、特に耐ア
ルカリイオン性に優れたインク噴射ヘツドを提供
することである。 本発明のインク噴射ヘツドは、 インクに直接熱エネルギーを与える熱作用面を
形成し通電によつて該熱作用面上のインクに気泡
を形成するための熱エネルギーを発生する発熱抵
抗層を具備する電気熱変換体を備え、前記熱エネ
ルギーを利用してインクを吐出するインク噴射ヘ
ツドにおいて、 前記電気熱変換体の発熱抵抗層が、発熱抵抗層
が、Ti，Ｖ，Cr，Ni，ZrまたはNbの窒化物の層
であるか、或いはTi，Ｖ，Cr，Ni，Zr，Nb及び
Moから成る群の中から選択される２つの元素の
窒化物の層であることを特徴とする。 上記の様な構成とされる本発明のインク噴射ヘ
ツドは、繰返し使用性、耐液性（特にインク中の
アルカリイオンに対する耐性）、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
行う事が出来る。 以下、本発明を図面に従つて、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
部のオリフイス側から見た正面部分図、第１図ｂ
は、第１図ａに一点鎖線XYで示す部分で切断し
た場合の切断面部分図である。 図に示される液体噴射記録装置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
によつて、オリフイス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
１の場合、オリフイス５を複数有するものとして
示されてあるが、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イスの場合の記録装置
への適用の場合も本発明の範囲に這入るものであ
る。 液吐出部６は、その終端に液体を吐出して飛翔
する液滴を形成する為のオリフイス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１
０、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該層１１に
通電する為の電極１３，１４がその表面に設けら
れてある。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つ
て、液吐出部の流路に沿つて設けられてある。 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つ
ても、発熱抵抗層１１上には設ける必要はなく、
電極１３，１４の表面を覆つてやるだけで前記の
心配が全面的に解消される。 下部層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、発熱抵抗層１１
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
設計することによつて、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Ti，Ｖ，Cr，Ni，Zrまた
はNbの窒化物か、或いはTi，Ｖ，Cr，Ni，Zr，
Nb及びMoから成る群の中から選択される２つの
元素の窒化物の薄層として設けられる。 本発明における発熱抵抗層を形成する窒化物は
一種類に限ることなく所望の特性を最大限に得る
為に二種類用いて層形成しても良いものである。 本発明において、金属窒化物として特に好まし
く用いられる例として具体的には、窒化ニオブ
（例えばNb₂N）、窒化バナジウム（例えばVN）、
窒化クロム（例えばCrN）、窒化ジルコニウム
（例えばZrN）、窒化チタン（TiN）、窒化ニツケ
ル（例えばNi₃N）が挙げられる。上記金属窒化
物を２種類混合させること、あるいは、窒化タン
タル（例えばTa₂N）を混合することにより化学
的な安定性を単独で用いるよりも向上させること
が可能である。 本発明において発熱抵抗層中に含有される窒素
の含有量は、相手金属の種類、相手金属が複数の
場合には、相手金属同士の含有割合等によつて、
本発明の目的に適う発熱抵抗層が得られる様に適
宜所望に従つて決定されるものであるが、化学的
な安定性および比抵抗の安定性から、発熱抵抗層
中に含まれる窒素の含有量は、層中の全原子に対
して、15原子％（以後「at％」と略記する）以上
が好ましく最適には25at％以上55at％未満とされ
るのが望ましい。 本発明において、発熱抵抗層の層厚は、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決められる
が、好ましくは100Å〜5μ程度とされるのが好ま
しく最適には2000Å〜3μとされるのが望ましい。 本発明において、本発明の金属窒化物から成る
発熱抵抗層は所望の金属あるいは合金のターゲツ
ト、例えばTiターゲツトの上に所望面積のNi片
を置いて、N₂ガス、あるいはアンモニアガスと
アルゴンガスの混合ガスの雰囲気化でスパツタリ
ングする、即ち反応性スパツタリングにより形成
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
或い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て説明する。 先ず、以下の実施例及び比較例に相当する電気
熱変換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１
０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200μmの発熱抵抗層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層の表面に、必要に応じて保
護層（上部層）１２を積層し基板３上に電気熱変
換体を形成した。 又、これ等とは別に、ガラス板に複数本の溝
（例えば巾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ツターを用い
て切削形成してなる溝付き板４を作成した。 このようにして作成した、電気熱変換体設置基
板と溝付き板とを、電気熱変換体と溝との位置合
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、SiO₂1.0μ層厚、Ta0.5μ層厚の薄層
を各発熱抵抗層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、
シリコンウエハを用い、下部層１０としては、シ
リコンウエハの表面を熱配化して形成された２〜
5μのSiO₂層を用いて同様の評価を行つたが、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、セラミツクス、耐熱性プラスチツ
ク等も用いることが出来る。 電極材料としては、Alの他に、Al−Cu、Al−
Si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2100、−液流路
当り−電気熱変換体）に就て、−電気熱変換体当
り５×10³回のパルス駆動を行つた際の故障発熱
抵抗体数を計数して信頼性の測定を行つた。その
結果を以下の表に示す。また窒素の含有量による
結果を表−２に示す。使用したインクの導電率は
３×10³μv／cmである。 表−１に示されている様に、各サンプルに関し
2100もの電気熱変換体についてパルス駆動を行つ
たが、本発明に係るサンプルは上部層があつても
なくても良好な結果を示した。

【表】

【表】

【表】 【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
ヘツドの好適な実施態様の１つのオリフイス側か
らの正面部分図、第１図ｂは、第１図ａの一点鎖
線XYで示す部分で切断した場合の切断面部分図
である。 １…液体噴射記録装置、２…電気熱変換体、３
…基板、４…溝付板、５…オリフイス、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、１４…選択電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ インクに直接熱エネルギーを与える熱作用面
   を形成し通電によつて該熱作用面上のインクに気
   泡を形成するための熱エネルギーを発生する発熱
   抵抗層を具備する電気熱変換体を備え、前記熱エ
   ネルギーを利用してインクを吐出するインク噴射
   ヘツドにおいて、 前記電気熱変換体の発熱抵抗層が、Ti，Ｖ，
   Cr，Ni，ZrまたはNbの窒化物の層であるか、或
   いはTi，Ｖ，Cr，Ni，Zr，Nb及びMoから成る
   群の中から選択される２つの元素の窒化物の層で
   あることを特徴とするインク噴射ヘツド。 ２ 前記電気熱変換体の熱作用面は、前記発熱抵
   抗層上の保護層によつて形成されている特許請求
   の範囲第１項に記載のインク噴射ヘツド。 ３ 前記保護層は、前記熱作用面を形成するTa
   層と、該Ta層と前記発熱抵抗層との間に介在す
   るSi絶縁層とを有する特許請求の範囲第２項に記
   載のインク噴射ヘツド。 ４ 前記電気熱変換体の熱作用面は、前記発熱抵
   抗層によつて形成されている特許請求の範囲第１
   項に記載のインク噴射ヘツド。 ５ 前記発熱抵抗層中に含まれる窒素の含有率
   は、15原子％以上である特許請求の範囲第１項に
   記載のインク噴射ヘツド。 ６ 前記発熱抵抗層中に含まれる窒素の含有率
   は、25原子％以上55原子％以下である特許請求の
   範囲第１項に記載のインク噴射ヘツド。 ７ 前記発熱抵抗層の厚みは100Å〜5μである特
   許請求の範囲第１項に記載のインク噴射ヘツド。 ８ 前記発熱抵抗層の厚みは2000Å〜3μである
   特許請求の範囲第７項に記載のインク噴射ヘツ
   ド。 ９ 前記発熱抵抗層にはタンタルが含有されてい
   る特許請求の範囲第１項に記載のインク噴射ヘツ
   ド。 １０ 多色記録を行う特許請求の範囲第１項に記
   載のインク噴射ヘツド。