JPH0555307B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 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ツドに関する。 インクジエツト記録法（液体噴射記録法）は、
記録時における騒音の発生が無視し得る程度に極
めて小さいという点、高速記録が可能でありしか
も所謂普通紙に定着という特別な処理を必要とせ
ずに記録の行なえる点において、最近関心を集め
ている。 その中で、例えば特開昭54−51837号公報、ド
イツ公開DOLS第2843064号公報に記載されてい
る液体噴射記録法は、熱エネルギーを液体に作用
させて、液滴吐出の原動力を得るという点におい
て、他の液体噴射記録法とは、異なる特徴を有し
ている。 即ち、上記の公報に開示された記録法は、熱エ
ネルギーの作用を受けた液体が急峻な体積の増大
を伴う状態変化を起し、該状態変化に基づく作用
力によつて、記録ヘツド部先端のオリフイスより
液体が吐出されて、飛翔的液滴が形成され、該液
滴が被記録部材に付着し記録が行なわれる。 殊に、DOLS第2843064号公報に開示されてい
る液体噴射記録法は、所謂drop−ondemand記録
法に極めて有効に適用されるばかりではなく、記
録ヘツド部をfull lineタイプで高密度マルチオリ
フイス化された記録ヘツドが容易に具現化できる
ので、高解像度、高品質の画像を高速で得られる
という特徴を有している。 上記の記録法に適用される装置の記録ヘツド部
は、液体を吐出するために設けられたオリフイス
と、該オリフイスに連通し、液滴を吐出するため
の熱エネルギーが液体に作用する部分である熱作
用部を構成の一部とする液流路とを有する液吐出
部と、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ている。 そして、この電気熱変換体は、一対の電極と、
これ等の電極に接続しこれ等の電極の間に発熱す
る領域（熱発生部）を有する発熱抵抗層とを具備
している。 このような液体噴射記録ヘツドの構造を示す典
型的な例が、第１図ａ、第１図ｂに示される。第
１図ａは、液体噴射記録ヘツドのオリフイス側か
ら見た正面部分図であり、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
部分図である。 記録ヘツド１００は、その表面に電気熱変換体
１０１が設けられている基板１０２の表面を、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１０３で覆うように接合すること
によつて、オリフイス１０４と液吐出部１０５が
形成された構造を有している。図に示す記録ヘツ
ドの場合には、オリフイス１０４を複数有するも
のとして示されているが、勿論本発明において
は、このようなものに限定されるものではなく、
単一オリフイスの記録ヘツドも本発明の範疇には
いるものである。 液吐出部１０５は、その終端に液体を吐出させ
るためのオリフイス１０４と、電気熱変換体１０
１より発生される熱エネルギーが液体に作用して
気泡を発生し、その体積の膨張と収縮に依る急峻
な状態変化を引き起す箇所である熱作用部１０６
とを有する。 熱作用部１０６は、電気熱変換体１０１の熱発
生部１０７の上部に位置し、熱発生部１０７の液
体と接触する面としての熱作用面１０８をその底
面としている。 熱発生部１０７は、基板１０２上に設けられた
下部層１０９、該下部層１０９上に設けられた発
熱抵抗層１１０、該発熱抵抗層１１０上に設けら
れた上部層１１１とで構成される。発熱抵抗層１
１０には、熱を発生させるために該層１１０に通
電するための配線電極（以下、電極とも記す。）
１１２，１１３がその表面に設けられている。電
極１１２は、各液吐出部の熱発生部に共通の電極
であり、電極１１３は、各液吐出部の熱発生部を
選択して発熱させるための選択電極であつて、液
吐出部の液流路に沿つて設けられている。 上部層１１１は、熱発生部１０７に於いては発
熱抵抗層１１０を、使用する液体から化学的、物
理的に保護するために発熱抵抗層１１０と液吐出
部１０５の液流路を満たしている液体とを隔絶す
ると共に、液体を通じて電極１１２，１１３間が
短絡するのを防止する。発熱抵抗層１１０の保護
的機能を有している。また、上部層１１１は、隣
接する電極間に於ける電気的リークを防止する役
目も荷つている。殊に、各選択電極間に於ける電
気的リークの防止、或いは各液流路下にある電極
が何等かの理由で電極と液体とが接触し、これに
通電することによつて起る電極の電蝕の防止は重
要であつて、このためにこのような保護層的機能
を有する上部層１１１が少なくとも液流路下に存
在する電極上には設けられている。 上部層は、設けられる場所によつて要求される
特性が各々異なる。即ち、例えば熱発生部１０７
に於いては、耐熱性、耐液性、液浸透防止
性、熱伝導性、酸化防止性、絶縁性及び
耐破傷性に優れていることが要求され、熱発生部
１０７以外の領域に於いては熱的条件で緩和され
るが液浸透防止性、耐液性及び耐破傷性には充分
優れていることが要求される。 ところが、上記の〜の特性の総てを所望通
りに充分満足する上部層を構成する材料は、今の
ところなく〜の特性の幾つかを緩和して使用
しているのが現状である。 他方、これ等とは別に、マルチオリフイス化タ
イプの液体噴射記録ヘツドの場合には、基板上に
多数の微細な電気熱変換体を同時に形成する為
に、製造過程に於いて、基板上では各層の形成
と、形成された層の一部除去の繰返しが行なわ
れ、上部層が形成される段階では、上部層の形成
されるその表面はステツプウエツヂ部（段差部）
のある微細な凹凸状となつているので、この段差
部に於ける上部層の被覆性（Step coverage性）
が重要となつている。つまり、この段差部の被覆
性が悪いと、その部分での液体の浸透が起り、電
蝕或いは電気的絶縁破壊を起す誘因となる。ま
た、形成される上部層がその製造法上に於いて欠
陥部の生ずる確率が少なくない場合には、その欠
陥部を通じて、液体の浸透が起り、電気熱変換体
の寿命を著しく低下させる要因となつている。 これ等の理由から、上部層は、段差部に於ける
被覆性が良好であること、形成される層にピンホ
ール等の欠陥の発生する確率が低く、発生しても
実用上無視し得る程度或いはそれ以上に少ないこ
とが要求される。 そこで従来においては、これ等の要求を満たす
べく上部層を無機絶縁材料で構成される第１の保
護層と有機材料で構成される第２の保護層を積層
して形成したり、更には第１の保護層を２層構造
にして下層を無機絶縁材料で構成し、上層を粘り
があつて、比較的機械的強度に優れ、第１の保護
層と第２の保護層に対して密着性と粘着性のある
例えば金属等の無機材料で構成したり、第２の保
護層の更に上部に第３の保護層を金属等の無機材
料で構成して配設したりされていた。 しかしながら、上記の方法によつても、欠陥の
ない上部層を形成することは非常に困難である。
未だ要求の総てを満足し、総合的な使用耐久性に
優れた液体噴射記録ヘツドは提供されていない。 本発明は、上記の諸点に鑑み成されたものであ
つて、頻繁なる繰返し使用や長時間の連続使用に
於いて総合的な耐久性に優れ、初期の良好な液滴
形成特性を長期に亘つて安定に維持し得る液体噴
射記録ヘツドを提供することを主たる目的とす
る。 また、本発明の別の目的は、製造加工上に於け
る信頼性の高い液体噴射記録ヘツドを提供するこ
とでもある。 更には、マルチオリフイス化した場合にも製造
歩留りの高い液体噴射記録ヘツドを提供すること
も本発明の目的である。 本発明の液体噴射記録ヘツドは、吐出口を有し
熱エネルギーを用いて該吐出口から液体を吐出し
て記録を行う液体噴射記録ヘツドにおいて、該記
録ヘツドは、支持体と、液流路側の該支持体上に
配され電気信号を供給するための配線電極と、段
差部の前記配線電極を覆うように配され前記配線
電極を介して供給される電気信号によつて液体に
作用させるための前記熱エネルギーを発生する発
熱抵抗層とを有することを特徴とする。 前記発熱抵抗層で被覆される電極の部分は、全
部または液流路下の部分のみ、あるいは熱作用面
近傍のみであつてもよい。上部層との組合せによ
り被覆部分を決定することができる。 電極を覆う発熱抵抗層の巾は、電極をほぼ覆う
ことができれば良く、特に限定はされない。電極
の設けられていない熱作用面においては電極を覆
う部分より狭くても良い。上述の本発明による
と、段差部に位置する配線電極上を覆うように発
熱抵抗層を設けているため、発熱抵抗層自体も電
極を保護する保護層となすことができ、インク流
路内のインクへの熱の伝達を阻害することなく、
特に配線電極端部のステツプエツジ部において配
線どうしが短絡するといつた問題を生じる虞が少
なく、また、配線電極と発熱抵抗層との境界での
温度上昇が緩和された、さらに信頼性の高い記録
ヘツドを提供することができる。 以下、図面に従つて本発明の液体噴射記録ヘツ
ドを具体的に説明する。 第２図ａには、本発明の液体噴射記録ヘツドの
好適な実施態様例の構造の主要部を説明するため
のオリフイス側から見た正面部分図が、第２図ｂ
には、第２図ａに一点鎖線AA′で示した部分で切
断した場合の切断面部分図が示されており、第２
図ａは、先に説明した第１図ａに相当し、第２図
ｂは第１図ｂに相当するものである。 図に示される液体噴射記録ヘツド２００は、所
望数の電気熱変換体２０１が設けられた熱を液吐
出に利用する液体噴射記録（サーマルインクジエ
ツト：TJと略記する）用の基板２０２と、前記
電気熱変換体２０１に対応して設けられた溝を所
望数有する溝付板２０３とでその主要部が構成さ
れている。 TJ基板２０２と溝付板２０３とは、所定個所
で接着剤等で接合されることでTJ基板２０２の
電気熱変換体２０１の設けられている部分と、溝
付板２０３の溝の部分とによつて液流路２１５を
形成しており、該液流路２１５は、その構成の一
部に熱作用部２０６を有する。 TJ基板２０２は、シリコン、ガラス、セラミ
ツクス等で構成されている支持体２１４と、該支
持体２１４上にSiO₂等で構成される下部層２０
９と、共通電極２１２，選択電極２１３、それぞ
れの電極を覆つて発熱抵抗層２１０、発熱抵抗層
２１０の上に上部層２１１とを具備している。 電気熱変換体２０１は、その主要部として熱発
生部２０７を有し、熱発生部２０７は、支持体２
１４上に支持体２１４側から順次、下部層２０
９、発熱抵抗層２１０及び上部層２１１が積層さ
れて構成されており、上部層２１１の表面（熱作
用面２０８）は液流路２１５を満たしている液体
と直接接触している。 上部層２１１は、例えばSiO₂等の無機酸化物
やSi₃N₄等の無機窒化物等の比較的電気絶縁性、
熱伝導性、及び耐熱性に優れた無機質材料で構成
される。 前述のように上部層を第１の保護層、第２の保
護層、第３の保護層等を組み合わせて形成しても
よい。 第１の保護層を構成する材料としては、比較的
熱伝導性及び耐熱性に優れた無機質絶縁材料が適
している。例えば、SiO₂等の無機酸化物や、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、酸化イツトリウム、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、窒化タンタル等高抵抗窒化物及びこれら
の酸化物、窒化物の複合体、更にアモルフアスシ
リコン、アモルフアスセレン等の半導体などバル
クでは低抵抗であつてもスパツタリング法、
CVD法、蒸着法、気相反応法、液体コーテイン
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３の保護層を形成する材料としては、上記の
Taの他に、Se，Ｙなどの周期律表第^a族の元
素、Ti，Zr，Hfなどの第^a族の元素、Ｖ，Nb
などの第^a族の元素、Cr，Mo，Ｗなどの第^a
族の元素、Fe，Co，Niなどの第族の元素；Ti
−Ni，Ta−Ｗ，Ta−Mo−Ni，Ni−Cr，Fe−
Co，Ti−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，
Cr−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。第３の保護層は、これらの材料を用いて
蒸着法、スパツタリング法、CVD法等の手法に
より形成することができる。第３の保護層は、上
記の材料単独であつてもよいが、もちろんこれら
の幾つかを組合わせることもできる。 第２の保護層は、液浸透防止と耐液作用に優れ
た有機質絶縁材料で構成され、更には、成膜性
が良いこと、緻密な構造でかつピンホールが少
ないこと、使用インクに対し膨潤、溶解しない
こと、成膜したとき絶縁性が良いこと、耐熱
性が高いこと等の物性を具備していることが望ま
しい。そのような有機質材料としては以下の樹
脂、例えば、シリコーン樹脂、フツ素樹脂、芳香
族ポリアミド、付加重合型ポリイミド、ポリベン
ズイミダゾール、金属キレート重合体、チタン酸
エステル、エポキシ樹脂、フタル酸樹脂、熱硬化
性フエノール樹脂、Ｐ−ビニルフエノール樹脂、
ザイロツク樹脂、トリアジン樹脂、BT樹脂（ト
リアジン樹脂とビスマレイミド付加重合樹脂）等
が挙げられる。又、この他に、ポリキシリレン樹
脂及びその誘導体を蒸着して第２の保護層を形成
することもできる。 更に、種々の有機化合物モノマー、例えばチオ
ウレア、チオアセトアミド、ビニルフエロセン、
１，３，５−トリクロロベンゼン、クロロベンゼ
ン、スチレン、フエロセン、ピロリン、ナフタレ
ン、ペンタメチルベンゼン、ニトロトルエン、ア
クリロニトリル、ジフエニルセレナイド、Ｐ−ト
ルイジン、Ｐ−キシレン、Ｎ，Ｎ−ジメチル−Ｐ
−トルイジン、トルエン、アニリン、ジフエニル
マーキユリー、ヘキサメチルベンゼン、マロノニ
トリル、テトラシアノエチレン、チオフエン、ベ
ンゼンセレノール、テトラフルオロエチレン、エ
チレン、Ｎ−ニトロソジフエニルアミン、アセチ
レン、１，２，４−トリクロロベンゼン、プロパ
ン、等を使用してプラズマ重合法によつて成膜さ
せて、第２の保護層を形成することもできる。 しかしながら、高密度マルチオリフイスタイプ
の記録ヘツドを作成するのであれば、上記した有
機質材料とは別に微細フオトリングラフイー加工
が極めて容易とされる有機質材料を第２の保護層
を形成する材料として使用するのが望ましい。そ
のような有機質材料としては具体的には、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、デユポン製）、環化ポリ
ブタジエン（商品名：JSR−CBR、CBR−
M901、日本合成ゴム製）、フオトニース（商品
名：東レ製）、その他の感光性ポリイミド樹脂等
が好ましいものとして挙げられる。 発熱抵抗層２１０を構成する材料は、通電され
ることによつて、所望通りの熱が発生するもので
あれば大概のものが採用され得るが、使用インク
に対し、変質、溶解せず、耐熱性の高い材料であ
ることが望ましい。 そのような材料としては、具体的には例えば窒
化タンタル、ニクロム、銀−パラジウム合金、シ
リコン半導体、或いは、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
の金属及びその合金並びにそれらの硼化物等が好
ましいものとして挙げられる。 これ等の材料は、上部層２１１にクラツクが生
じたり、ピンホールがあり、液流路中のインクが
基板に浸入しても、インクと接触する部分で不働
態化し、不働態層を形成する。従つて、インクが
電極層にまで浸入し、電蝕をおこしたりすること
がなく、液体噴射記録ヘツドとしての耐久性が向
上する。 発熱抵抗層２１０は、上記した材料を使用し
て、電子ビーム蒸着やスパツタリング等の手法を
用いて形成することができる。 電極２１２及び２１３を構成する材料として
は、通常使用されている電極材料の多くのものが
有効に使用され、具体的には例えば、Al，Ag，
Au，Pt，Cu等の金属が挙げられ、これ等を使用
して、蒸着等の手法で所定位置に、所定の大き
さ、形状、厚さで設けられる。 下部層２０９は、主に熱発生部２０７より発生
する熱の支持体２１４側への流れを制御する層と
して設けられるもので、熱作用部２０６に於いて
液体に熱エネルギーを作用させる場合には、熱発
生部２０７より発生する熱が熱作用部２０６側に
より多く流れるようにし、電気熱変換体２０１へ
の通電がOFFされた際には、熱発生部２０７に
残存している熱が、支持体２１４側に速やかに流
れるように構成材料の選択と、その層厚の設計が
成される。下部層２０９を構成する材料として
は、SiO₂、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、
酸化マグネシウム等の金属酸化物に代表される無
機質材料が挙げられる。 支持体２１４は、シリコン、ガラス、セラミツ
クス等で構成する。 溝付体２０３並びに熱作用部２０６の上流側に
設けられる共通液室の構成部材を構成する材料と
しては、記録ヘツドの工作時の、或いは使用時の
環境下に於いて形状に熱的影響を受けないか或い
は殆んど受けないものであつて微細精密加工が容
易に適用され得ると共に、面精度を所望通りに容
易に出すことができ、更には、それ等によつて形
成される流路中を液体がスムーズに流れ得るよう
に加工し得るものであれば、大概のものが有効で
ある。 そのような材料として代表的なものを挙げれ
ば、セラミツクス、ガラス、金属、プラスチツク
或いはシリコンウエハー等が好適なものとして例
示される。殊に、ガラス、シリコンウエハーは加
工上容易であること、適度の耐熱性、熱膨張係
数、熱伝導性を有しているので好適な材料の１つ
である。オリフイス２０４の周りの外表面は液体
で漏れて、液体がオリフイス２０４の外側に回り
込まないように、液体が水系の場合には撥水処理
を、液体が非水系の場合には撥油処理を施した方
が良い。 また、前記オリフイスの形成は、感光性樹脂、
例えばドライフイルム等を基板に貼付け、フオト
リングラフイーにより、パターン形成し、次に天
板を貼付けることにより形成しても良い。 前述のように発熱抵抗層２１０で被覆する部分
は第３図ａに示すように電極２１２，２１３上の
全てであつても、また第３図ｂに示すように液流
路２１５下の電極２１２，２１３のみ、あるいは
上部層２１１の選択、構造等により例えば上部層
を第１の保護層２１１−１と第２の保護層あるい
は第３の保護層２１１−２を設ける等、電極溶解
の発生をほとんど防止し得る場合には、第３図ｃ
に示すように、限定した部分に設けるだけでも、
十分な効果が得られる。 さらに、発熱抵抗層２１０の巾は、第４図ａに
示すように、電極２１２，２１３の巾より広いこ
とが最も好ましいが、第４図ｂに示すように電極
がほとんど被覆されていればよい。また第４図ｃ
に示すように電極被覆部よりも、電気熱変換体に
おいては、発熱抵抗層２１０の巾を狭くしてもよ
い。 以下に実施例を示して本発明の液体噴射記録ヘ
ツドを具体的に説明する。 実施例 第２図、第３図ａ、第４図ａに示した本発明の
液体噴射記録ヘツドを以下のようにして製造し
た。 Siウエハの熱酸化により5μm厚のSiO₂膜を形成
し基板とした。基板に電子ビーム蒸着によりTi
層50Å、Al層5000Åを連続的に堆積した。 フオトリソ工程により電極部をパターニング
し、電極２１２，２１３を形成した。 次にスパツタにより発熱抵抗層としてHfB₂を
1500Åの厚みに形成し、フオトリソ工程により発
熱抵抗層部のパターンをレジストで形成後、電気
熱変換体２０１にあたる部分をエツチングし、発
熱抵抗層２１０を形成した。熱作用面のサイズは
30μm幅、150μm長である。 次に上部層１１１として、SiO₂層をハイレー
トスパツタリングにより2.8μm堆積した。 以上のようにして作成したTJ基板に、ガラス
の溝付板２０３を所定の位置に接着した。液流路
２１５は巾50μm、高さ50μmであつた。 製造した液体噴射記録ヘツドB₁従来の液体噴
射記録ヘツドＡを、60℃のインク（PH４〜９）
に、40Vの電位を与えながら、10μSパルスを5k
Hzで駆動させ、故障率（配線オープン数／全セグ
メント）を調べた。結果は第１表に示した通り
で、本発明の液体噴射記録ヘツドは耐久性に優
れ、初期の良好な液滴形成特性を長期に亘つて維
持し得るものであつた。 発熱抵抗層２１０をTaN₂，Taで形成したも
の（B₂，B₃）も同様に作成し、同時に故障率を
調べた結果も第１表に示した。耐久性に優れ初期
の良好な液滴形成特性を長期亘つて維持し得るも
のであつた。 【表】

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂは従来の液体噴射記録ヘツドの構
成を説明するためのもので、第１図ａは模式的正
面部分図、第１図ｂは第１図ａの一点鎖線XYで
の切断面部分図である。第２図ａ，ｂは本発明の
液体噴射記録ヘツドの構成を説明するためのもの
で、第２図ａは模式的正面部分図、第２図ｂは第
２図ａの一点鎖線AA′での基板切断面部分図であ
る。第３図ａ，ｂ，ｃは本発明の実施態様例を示
す第２図ａの一点鎖線AA′での切断面部分図、第
４図ａ，ｂ，ｃは本発明の実施態様例の基板平面
図である。 １００，２００……液体噴射記録ヘツド、１０
１，２０１……電気熱変換体、１０２，２０２…
…基板、１０３，２０３……溝付板、１０４，２
０４……オリフイス、１０５……液吐出部、１０
６，２０６……熱作用部、１０７，２０７……熱
発生部、１０８，２０８……熱作用面、１０９，
２０９……下部層、１１０，２１０……発熱抵抗
層、１１１，２１１……上部層、２１１−１……
第１の保護層、２１１−２……第２又は第３の保
護層、１１２，２１２……（共通）電極、１１
３，２１３……（選択）電極、１１４，２１４…
…支持体、２１５……液流路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 吐出口を有し熱エネルギーを用いて該吐出口
   から液体を吐出して記録を行う液体噴射記録ヘツ
   ドにおいて、 該記録ヘツドは、支持体と、液流路側の該支持
   体上に配され電気信号を供給するための配線電極
   と、段差部の前記配線電極を覆うように配され前
   記配線電極を介して供給される電気信号によつて
   液体に作用させるための前記熱エネルギーを発生
   する発熱抵抗層とを有することを特徴とする液体
   噴射記録ヘツド。 ２ 前記発熱抵抗層の幅が前記配線電極の幅より
   広い特許請求の範囲第１項に記載の液体噴射記録
   ヘツド。 ３ 前記発熱抵抗層は窒化タンタルで構成されて
   いる特許請求の範囲第１項に記載の液体噴射記録
   ヘツド。