JPH05338167A - インクジェット記録ヘッド基板およびインクジェット記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱ストレスに対する耐久性が高く、信頼性の
高いインクジェット記録ヘッドを提供する。 【構成】 下部層１１の線膨張係数と上部層４１との線
膨張係数との比が１／５以上５以下にある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はインクジェット記録ヘッ
ド基板およびインクジェット記録ヘッドに関し、特に、
熱エネルギーを利用して記録液を吐出するために用いら
れるインクジェット記録ヘッド基板およびインクジェッ
ト記録ヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】インクジェット記録方法は、インクジェ
ット記録ヘッドに設けた吐出口からインク（記録液）液
滴を吐出させ、これを紙などの被記録媒体に付着させて
記録を行う記録方法であり、騒音の発生が極めて少な
く、かつ高速記録が可能であり、しかも普通紙など特別
な記録用紙を用いないでも記録が行えるという多くの利
点を有し、種々のタイプのインクジェット記録ヘッドが
開発されている。

【０００３】なかでも、例えば、特開昭５４−５１８３
７号公報およびドイツ公開（ＤＯＬＳ）第２８４３０６
４号公報に記載されているような熱エネルギーをインク
に作用させてインクを液滴を吐出口から吐出させるタイ
プのインクジェット記録ヘッドは、記録信号に対する応
答性が良い、吐出口の高マルチ化が容易であるなどの利
点を有する。

【０００４】このようなインク吐出エネルギーとして熱
エネルギーを利用するタイプのインクジェット記録ヘッ
ドの代表的構成を図２に示し、図２（Ａ）はインクジェ
ット記録ヘッドの断面図であり、図２（Ｂ）はインクジ
ェット記録ヘッドの分解斜視図である。

【０００５】このインクジェット記録ヘッドは、Ｓｉな
どからなる基体１０上に、絶縁性のある下部層１１が設
けられている。この下部層１１上にはインクを吐出する
ために電気エネルギーを熱エネルギーに変換するために
設けられた発熱抵抗体層２と、この発熱抵抗体層２と電
気的に接続する一対の電極３が所定の位置に設けられて
いる。発熱抵抗体層２と一対の電極３により電気熱変換
体８が構成されている。さらに発熱抵抗体層２と電極３
上に保護層としての上部層４を設け、ヒータボード１が
構成される。このヒータボード１とインク路用溝６およ
び共通液室１２等が形成された天板５とを接合してイン
クジェット記録ヘッドが作製される。

【０００６】記録用の液体（インク）は、天板５に設け
られたインク供給口９より共通液室１２に供給され、こ
こより各インク路用溝６内に導かれる。電極３に電流を
印加して、発熱抵抗体層２を発熱させると、発熱抵抗体
層２の付近にあるインクが瞬間的に加熱されて、その箇
所から気泡が発生し、その気泡の発生による瞬間的な体
積膨張と収縮による体積変化によってインク吐出口７よ
りインク液滴が吐出される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このような記録ヘッド
における下部層１１は、絶縁性があり熱伝導率の小さ
い、例えば、ＳｉＯ₂ を約３μｍの厚みに形成するのが
一般的である。その理由は、熱応答性の面から膜厚が薄
い方が良く、発泡に必要な電力を小さくするには、膜厚
は厚い方がよいというトレード・オフの関係があるから
である。

【０００８】また、発熱抵抗体層２や電極３上に設けら
れる上部層４には、インクとの接触やインクの浸透によ
る電気熱変換体８や電極３における電触や、電気的絶縁
破壊を防止する目的で設けられる。この上部層４として
はＳｉＯ₂ あるいはＡｌ₂ Ｏ₃ が種々の成膜方法を用い
て形成されている。

【０００９】このようなインクジェット記録ヘッド基板
の発熱抵抗体層２の熱ストレス試験（ステップストレス
試験）を実施した所、耐久性が悪く、低い電圧で破断す
ることがあった。

【００１０】低い電圧で破断することは、とりも直さ
ず、実際にインクジェット記録ヘッドを駆動すると早期
に破断することであり、インクジェット記録ヘッドの信
頼性を著しく低下させることになる。

【００１１】そこで、本発明の目的は、上述した問題点
を解消し、耐久性が良好で信頼性の高いインクジェット
記録ヘッド基板およびインクジェット記録ヘッドを提供
することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者は鋭意
努力して耐久性の悪いインクジェット記録ヘッドを分解
して、物性に関するデータを解析した所、上部層と下部
層との間には熱物性に相関があり、そのインクジェット
記録ヘッドはある成膜条件下で組み合わせて成膜したも
のであることがわかった。

【００１３】すなわち、電流による発熱抵抗体層２への
発熱によって、下部層１１の上部層４側の発熱抵抗体層
２側の温度が上昇する。熱エネルギーを利用するインク
ジェット記録ヘッドは、発熱抵抗体層２から発生した熱
により、上部層４と下部層１１の温度は急激に上昇し、
高温となる。よって、下部層１１と上部層４の発熱抵抗
体層２側の温度は約１０００℃と室温との間の昇降の繰
り返しによる熱ストレスにさらされている。

【００１４】かつ、下部層１１と上部層４との線膨張係
数との差が大きいと、下部層１１と発熱抵抗体層２との
間、および、上部層４と発熱抵抗体層２との間に大きな
剥離の力がかかり、最終的には、下部層１１、上部層４
が発熱抵抗体層２から剥れ、発熱抵抗体層２の破断が起
こる。

【００１５】このように、上部層４と下部層１１との間
には、両者の線膨張係数の比に相関がある。本発明者
は、上部層４と下部層１１との間の線膨張係数の比を１
／５以上５以下にすることによってインクジェット記録
ヘッドの耐久性が向上されることを見いだし、本発明を
完成するように至った。

【００１６】すなわち、本発明のインクジェット記録ヘ
ッド基板は、基体と、該基体上に設けられた第１の上部
層と、該第１の上部層上に設けられた発熱抵抗体層と、
該発熱抵抗体層と電気的に接続する一対の電極とを有す
る電気熱変換体と、該電気熱変換体上に設けられた第２
の上部層とを有するインクジェット記録ヘッド基板にお
いて、前記第１の上部層の線膨張係数と前記第２の上部
層の線膨張係数との比が１／５以上５以下であることを
特徴とする。

【００１７】また、本発明のインクジェット記録ヘッド
は、基体と、該基体上に設けられた第１の上部層と、該
第１の上部層上に設けられた発熱抵抗体層と、該発熱抵
抗体層と電気的に接続する一対の電極とを有する電気熱
変換体と、該電気熱変換体上に設けられた第２の上部層
とを具えたインクジェット記録ヘッドにおいて、前記第
１の上部層の線膨張係数と前記第２の上部層の線膨張係
数との比が１／５以上５以下であるインクジェット記録
ヘッド基板を具備したことを特徴とする。

【００１８】

【作用】本発明によれば、発熱抵抗体層に接する上部層
と下部層との線膨張係数との比を１／５以上５以下にす
ることにより、発熱抵抗体層の熱ストレスが小さくな
り、層間の剥離が生じない。

【００１９】

【実施例】以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を詳
細に説明する。

【００２０】図１は本発明のインクジェット記録ヘッド
基板の一例を示す構成図であり、図１（Ａ）はその主要
部の平面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＸ−Ｙ線
に沿った断面図である。

【００２１】このインクジェット記録ヘッド基板は、基
体１０上に下部層として下部層１１が形成され、この下
部層１１上に一対の電極３ａ，３ｂと発熱抵抗体層２と
からなる電気熱変換体８が設けられている。さらに、上
部層として第１の保護層４１、第２の保護膜４２、およ
び、第３の保護膜４３が設けられている。

【００２２】電極３ａ，３ｂを構成する材料としては、
通常用いられている電極材料の多くのものが有効に用い
られ、具体的には、Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｃｕ等の
金属が挙げられ、これらの金属を用いて蒸着法等の手法
で所望の位置に、所望の大きさ、形状、厚さで設けるこ
とができる。

【００２３】下部層１１の材料としては、耐熱性、絶縁
性を満たしていればよく、一般的には酸化膜などが用い
られる。第１の保護膜４１は絶縁性があり、欠陥密度が
小さくステップカバレージが良ければよい。第２の保護
膜４２は耐キャビテーションが良ければよく、主に高融
点金属が用いられる。第３の保護膜４３は絶縁性がよく
欠陥密度が小さく、ステップカバレージが良ければよ
い。

【００２４】発熱抵抗体層２を構成する材料は、通電さ
せることによって、所望通りの熱が発生させるものであ
れば、大概のものが採用され得る。

【００２５】そのような材料としては、具体的には例え
ば、窒化タニタル，ニクロム−銀パラジウム合金、シリ
コン半導体、あるいは、ハフニウム、ランタン、ジルコ
ニウム、チタン、タンタル、タングステン、モリブデ
ン、ニオブ、クロム、バナジウム等の金属の硼化物が好
ましいものとして挙げられる。

【００２６】これらの発熱抵抗体層２を構成する材料の
うち、特に、金属硼化物が優れたものとして挙げること
ができ、その中でも最も特性の優れているのが硼化バナ
ジウムであり、次いで、硼化ジルコニウム、硼化ランタ
ン、硼化タンタル、硼化バナジウム、硼化ニオブの順で
ある。

【００２７】発熱抵抗体層２は、上記した材料を用い
て、電子ビーム蒸着法、あるいは、スパッタリング法等
の手法を用いて形成することができる。

【００２８】下部層１１を構成する材料として有用なも
のには、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化マ
グネシウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ジ
ルコニウム等があげられ、これらは、電子ビーム蒸着
法，熱酸化法，あるいはスパッタリング法等の手法を用
いて形成することができる。

【００２９】第２の保護膜４２を構成する材料として
は、Ａｌ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｓｉ，
Ｍｏ，Ｗ，Ｙ，Ｌａなどの金属およびそれらの合金、あ
るいは、それらの金属の合金の酸化物，炭化物，窒化
物，硼化物等を挙げることができる。

【００３０】図１に示す構成のインクジェット記録ヘッ
ドを以下のようにして作製した。

【００３１】基体１０としてシリコンウェハー上に、下
部層１１としてＳｉＯ₂ を熱酸化法あるいはスパッタリ
ング法により０．３μｍの厚みとなるように形成した。
この時、熱酸化法およびスパッタリング法によるＳｉＯ
₂ の線膨張係数はそれぞれ５．４×１０^-7（℃^-1）およ
び１．５×１０^-6（℃^-1）であった。次に、下部層１１
であるＳｉＯ₂ 層上にスパッタリング法により発熱抵抗
体層としてＨｆＢ₂ を０．２μｍの厚みになるように形
成した。

【００３２】さらに、Ａｌを電子ビーム蒸着法により
０．６μｍの厚みとなるように形成し、さらにまたフォ
トリソグラフィーを用いて、一対の電極３ａ，３ｂ間に
電気熱変換体８が構成される。

【００３３】続いて、電気熱変換体８上に後述する表１
に示すような成膜条件のもとでＳｉＯ₂ またはＡｌ₂ Ｏ
₃ をバイアススパッタリング法により上部層４１である
第１の保護膜を１．０μｍの厚みになるように成膜し
た。

【００３４】次に、第１の保護膜４１上にＴａからなる
第２の保護膜４２をスパッタリング法により０．６μｍ
の厚みになるように形成し、さらに、第３の保護膜４３
としてポリイミドを３．０μｍの厚みになるように成膜
し、インクジェット記録ヘッド基板を作製した。

【００３５】以上の構成によってＳｉＯ₂ 層は電気熱変
換体８の下部層１１をなし、第１の保護膜は電気熱変換
体８の上部層４１をなす。

【００３６】このようにして得られた多数のインクジェ
ット記録ヘッド基板についてステップストレス試験を行
ってインクジェット記録ヘッド基板の耐久性を評価する
と共に、各材料、各成膜条件毎に保護層の線膨張係数を
測定した。

【００３７】上記のステップストレス試験においては、
一対の電極３ａ，３ｂ間に周波数３ＫＨｚ，パルス幅１
０μｓの矩形波とその電圧を徐々に上昇させながら印加
し、破断電圧を測定し、測定された破断電圧Ｖ_b から、
以下の式よりＭの値を求めた。

【００３８】

【数１】Ｍ＝Ｖ_b ／Ｖ_th 上式において、Ｖ_thは発泡電圧を表わす。これにより求
められるＭは、インクジェット記録ヘッド基板の信頼性
を示し、この値が１．３以下であると製品として実用で
きない。そこで、インクジェット記録ヘッド基板の評価
においてＭの値が１．３を超えたものについては、○、
Ｍが１．３以下の場合は×とした。

【００３９】ステップストレス試験による評価の結果
と、測定して得られた線膨張係数の値を成膜条件と共に
表１に示す。

【００４０】

【表１】

【００４１】表１において、下部層１１のＳｉＯ₂ をス
パッタリング法によって形成するには、ガス圧０．５Ｐ
ａ、１．７Ｗ／ｃｍ² の条件下で実施した。また、各材
料に対する線膨張係数の比は、上部層に対する線膨張係
数と下部層の線膨張係数の比を表わす。

【００４２】表１より、Ｍが１．３以下を満足する線膨
張係数の比は５．０以下が良いことがわかる。

【００４３】ここで、表１は下部層に対する上部層の線
膨張係数の比を表したものであるが、上部層に対する下
部層の線膨張係数の比が１／５以上であっても同様の効
果を示す。

【００４４】このようにして作成したインクジェット記
録ヘッド基板を用いて図２に示したようなインクジェッ
ト記録ヘッドを作製した。Ｍが１．３以下のインクジェ
ット記録ヘッドに対して記録試験を行った所、良好な記
録が実施でき、耐久性も良好であった。

【００４５】本実施例においては、下部層にＳｉＯ₂ を
用い、上部層にＳｉＯ₂ またはＡｌ₂ Ｏ₃ を用いたが、
Ｓｉ₃ Ｎ₄ ，ＳｉＣ，ＢＮ，Ｔａ₂ Ｏ₅ 等の他の絶縁性
材料についても同様の結果が得られた。

【００４６】（その他）なお、本発明は、特にインクジ
ェット記録方式の中でも、インク吐出を行わせるために
利用されるエネルギとして熱エネルギを発生する手段
（例えば電気熱変換体やレーザ光等）を備え、前記熱エ
ネルギによりインクの状態変化を生起させる方式の記録
ヘッド、記録装置において優れた効果をもたらすもので
ある。かかる方式によれば記録の高密度化，高精細化が
達成できるからである。

【００４７】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いる基本的な原理を用いて
行うものが好ましい。この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が、特
に、オンデマンド型の場合には、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いて核沸騰を越える急
速な温度上昇を与える少なくとも１つの駆動信号を印加
することによって、電気熱変換体に熱エネルギを発生せ
しめ、記録ヘッドの熱作用面に膜沸騰を生じさせて、結
果的にこの駆動信号に一対一で対応した液体（インク）
内の気泡を形成できるので有効である。この気泡の成
長，収縮により吐出用開口を介して液体（インク）を吐
出させて、少なくとも１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
４３４５２６２号明細書に記載されているようなものが
適している。なお、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、さらに優れた記録を行うことが
できる。

【００４８】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
の組合せ構成（直線状液流路または直角液流路）の他に
熱作用部が屈曲する領域に配置されている構成を開示す
る米国特許第４５５８３３３号明細書，米国特許第４４
５９６００号明細書を用いた構成も本発明に含まれるも
のである。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部とする構成を開示
する特開昭５９−１２３６７０号公報や熱エネルギの圧
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５９−１３８４６１号公報に基いた構成として
も本発明の効果は有効である。すなわち、記録ヘッドの
形態がどのようなものであっても、本発明によれば記録
を確実に効率よく行うことができるようになるからであ
る。

【００４９】さらに、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を有するフルラインタイプの記録
ヘッドに対しても本発明は有効に適用できる。そのよう
な記録ヘッドとしては、複数記録ヘッドの組合せによっ
てその長さを満たす構成や、一体的に形成された１個の
記録ヘッドとしての構成のいずれでもよい。

【００５０】加えて、上例のようなシリアルタイプのも
のでも、装置本体に固定された記録ヘッド、あるいは装
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
体的にインクタンクが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。

【００５１】また、本発明の記録装置の構成として、記
録ヘッドの吐出回復手段、予備的な補助手段等を付加す
ることは本発明の効果を一層安定できるので、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
対してのキャッピング手段、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を用いて加熱を行う予備加熱手
段、記録とは別の吐出を行なう予備吐出手段を挙げるこ
とができる。

【００５２】また、搭載される記録ヘッドの種類ないし
個数についても、例えば単色のインクに対応して１個の
みが設けられたものの他、記録色や濃度を異にする複数
のインクに対応して複数個数設けられるものであっても
よい。すなわち、例えば記録装置の記録モードとしては
黒色等の主流色のみの記録モードだけではなく、記録ヘ
ッドを一体的に構成するか複数個の組み合わせによるか
いずれでもよいが、異なる色の複色カラー、または混色
によるフルカラーの各記録モード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。

【００５３】さらに加えて、以上説明した本発明実施例
においては、インクを液体として説明しているが、室温
やそれ以下で固化するインクであって、室温で軟化もし
くは液化するものを用いてもよく、あるいはインクジェ
ット方式ではインク自体を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を用いてもよ
い。加えて、熱エネルギによる昇温を、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として使用せし
めることで積極的に防止するため、またはインクの蒸発
を防止するため、放置状態で固化し加熱によって液化す
るインクを用いてもよい。いずれにしても熱エネルギの
記録信号に応じた付与によってインクが液化し、液状イ
ンクが吐出されるものや、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、熱エネルギの付与
によって初めて液化する性質のインクを使用する場合も
本発明は適用可能である。このような場合のインクは、
特開昭５４−５６８４７号公報あるいは特開昭６０−７
１２６０号公報に記載されるような、多孔質シート凹部
また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
よい。本発明においては、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。

【００５４】さらに加えて、本発明インクジェット記録
装置の形態としては、コンピュータ等の情報処理機器の
画像出力端末として用いられるものの他、リーダ等と組
合せた複写装置、さらには送受信機能を有するファクシ
ミリ装置の形態を採るもの等であってもよい。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、発熱抵抗体層に接
する下部層と上部層との線膨張係数との比を５倍以内に
することにより、発熱抵抗体層の熱ストレスの耐久性が
向上する。

【００５６】従って、信頼性の高いインクジェット記録
ヘッドを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】インクジェット記録ヘッド基板の一例を示す模
式的構成図である。

【図２】インクジェット記録ヘッドの一例を示す構成図
である。

【符号の説明】

１ ヒータボード ２ 発熱抵抗体層 ３，３ａ，３ｂ 電極 ４ 上部層 ５ 天板 ６ インク路用溝 ７ インク吐出口 ８ 電気熱変換体 ９ インク供給口 １０ 基体 １１ 下部層 １２ 共通液室

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体と、 該基体上に設けられた第１の上部層と、 該第１の上部層上に設けられた発熱抵抗体層と、該発熱
   抵抗体層と電気的に接続する一対の電極とを有する電気
   熱変換体と、 該電気熱変換体上に設けられた第２の上部層とを有する
   インクジェット記録ヘッド基板において、 前記第１の上部層の線膨張係数と前記第２の上部層の線
   膨張係数との比が１／５以上５以下であることを特徴と
   するインクジェット記録ヘッド基板。
2. 【請求項２】 基体と、 該基体上に設けられた第１の上部層と、 該第１の上部層上に設けられた発熱抵抗体層と、該発熱
   抵抗体層と電気的に接続する一対の電極とを有する電気
   熱変換体と、 該電気熱変換体上に設けられた第２の上部層とを具えた
   インクジェット記録ヘッドにおいて、 前記第１の上部層の線膨張係数と前記第２の上部層の線
   膨張係数との比が１／５以上５以下であるインクジェッ
   ト記録ヘッド基板を具備したことを特徴とするインクジ
   ェット記録ヘッド。