JPH06198889A

JPH06198889A - 熱制御型インクジェット記録素子

Info

Publication number: JPH06198889A
Application number: JP1689493A
Authority: JP
Inventors: Nanao Inoue; 七穂井上; Koichi Saito; 孝一斉藤; Toshimichi Iwamori; 俊道岩森; Toru Mihara; 徹三原; Kozo Hosogai; 耕三細貝
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1993-01-07
Filing date: 1993-01-07
Publication date: 1994-07-19
Anticipated expiration: 2016-01-29
Also published as: JP3127647B2

Abstract

(57)【要約】【目的】熱効率を向上させ、低エネルギー化を図ると
ともに、素子の劣化を防止し、長寿命でかつ低価格の熱
制御型インクジェット記録素子を提供する。【構成】基板１上に蓄熱層２、抵抗体層３が積層さ
れ、その上に制御電極層５、共通電極層６が積層され、
パターニングされる。その後、電極保護層７が積層さ
れ、パターニングされる。電極保護層７の積層後、抵抗
体絶縁保護層８および抵抗体金属保護層９の２層からな
る抵抗体保護層を積層し、パターニングする。このと
き、抵抗体保護層の大きさＤは、熱作用部Ｈよりも周囲
に余分の広がりＬだけ大きく形成される。抵抗体保護層
は、電極保護層７の上まで設けられ、電極保護層７の端
部の段差を覆うように構成されている。これにより、熱
作用部Ｈの周囲の段差部を保護し、侵食および電極とイ
ンクの間の短絡を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発熱抵抗体において発
生する熱により気泡を発生させインク滴を記録体に飛翔
せしめ、記録を行なう熱制御方式のインクジェット記録
素子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式は、高速記録が
可能であり、記録の際に発生する騒音がほとんどなく、
普通紙に直接印字でき、定着処理等を必要としないた
め、装置の小型化が図れるという点で注目を集めてい
る。このインクジェット記録方法において、インクを噴
射させるための圧力を発生させる手段として、発熱抵抗
体を用いるサーマルインクジェット記録ヘッドが知られ
ている。このサーマルインクジェット記録ヘッドは、例
えば、特開昭５４−５１８３７号公報に記載されている
ように、インク滴を噴射するためのオリフィス内部に発
熱抵抗体を設け、水性インクに熱エネルギーを印加して
気泡を発生させ、その気泡の圧力によりインク滴を飛翔
させて、記録体に画像の形成を行なうものである。

【０００３】このような発熱抵抗体を利用したインクジ
ェット記録方法においては、熱効率を向上させて低エネ
ルギー化を図り、かつ、発熱素子の寿命を向上させるこ
とが重要な課題となっている。例えば、特願平３−２４
０５１７号に記載された記録素子は、発熱抵抗体上に設
けた抵抗体保護層が熱拡散性の高い素材からなり、発熱
領域に対して余分の広がりを設けることにより、低エネ
ルギー化と寿命の向上の両立を図ることを提案したもの
である。

【０００４】図１０は、このような従来の熱制御型イン
クジェット記録素子の発熱体近傍の説明図である。図１
０（Ａ）は断面図、図１０（Ｂ）は平面図である。図
中、１は基板、２は蓄熱層、３は抵抗体層、５は制御電
極層、６は共通電極層、７は電極保護層、８は抵抗体絶
縁保護層、９は抵抗体金属保護層、１０はピット層であ
る。基板１上に蓄熱層２が積層され、その上に抵抗体層
３が積層される。さらにその上には、制御電極層５およ
び共通電極層６が積層され、パターニングされる。この
制御電極層５と共通電極層６から抵抗体層３に電流が印
加され、抵抗体層３が発熱する。発熱する領域、すなわ
ち、熱作用領域Ｈは、抵抗体層３のうち、制御電極層５
と共通電極層６により挟まれた領域である。抵抗体層３
の上には、抵抗体絶縁保護層８および抵抗体金属保護層
９の２層からなる抵抗体保護層が積層され、パターニン
グされて、各オリフィスに対応した熱作用領域Ｈを覆う
領域に積層される。この抵抗体保護層としては、インク
に対する耐侵食性が高くかつ浸透性の低い材料が用いら
れる。この抵抗体保護層により、インクによる侵食から
抵抗体層３を保護している。さらに、制御電極層５およ
び共通電極層６の上には、電極保護層７が積層され、パ
ターニングされる。そして、気泡の発生領域を規定する
凹部を形成するため、ピット層１０が形成される。

【０００５】抵抗体保護層は、抵抗体層３で発生させた
熱を上部のインクに伝達させるため、熱伝導率の高い材
料で構成される。この抵抗体保護層の被覆面積が大きい
と、抵抗体層３で発生した熱は、この抵抗体保護層を通
して逃げてしまい、熱効率は低下する。そのため、抵抗
体保護層は、各熱作用領域Ｈ程度の大きさとし、その周
囲に熱伝導率の低い電極保護層７を配すことにより熱の
拡散を遮断し、熱効率を向上させている。抵抗体保護層
の大きさは、抵抗体層３の熱作用領域Ｈをカバーする程
度に設定するのが最も熱効率はよくなる。しかし、熱の
拡散を生じない分、抵抗体保護層の温度が上昇し、熱歪
みによる亀裂が発生する場合がある。そのため、抵抗体
保護層の大きさをある程度の大きさにする必要がある。
抵抗体保護層の大きさによって規定される熱拡散領域Ｄ
は、熱作用領域Ｈに対し、抵抗体保護層の熱伝導率、比
熱、密度、駆動時間をそれぞれλ，ｃ，ρ，τとすると
き、（２λτ／ｃρ）^1/2＜Ｌを満たす余分の広がりＬを有する大きさ、すなわち、Ｄ
＝Ｈ＋２Ｌとする。このような大きさとすることによ
り、熱効率を向上させ、低エネルギー化を図るととも
に、抵抗体保護層と電極保護層境界において熱歪みに起
因した亀裂の発生をなくしている。

【０００６】このような構成の記録素子では、熱硬化性
樹脂からなるピット層が電極付近で隆起して、そこにイ
ンクが侵入し、さらに、電極保護層を侵食し、電極とイ
ンクの間で短絡が発生する。

【０００７】また、別の従来のインクジェット記録ヘッ
ドとして、特開平３−９８４７号公報に記載されたもの
がある。図１１は、別の従来の熱制御型インクジェット
記録素子の発熱抵抗体近傍の説明図である。図１１
（Ａ）は断面図であり、図１１（Ｂ）は平面図である。
図中、図１０と同様の部分には同じ符号を付して説明を
省略する。４は層間絶縁膜である。蓄熱層２上に積層さ
れる抵抗体層３は、各オリフィス毎にパターニングさ
れ、その周囲は、層間絶縁膜４が積層されている。層間
絶縁膜４には、抵抗体層３に電極を接続するための孔が
設けられており、その孔を介して、制御電極層５および
共通電極層６と抵抗体層３が電気的に接続される。図１
０と同様に、抵抗体層３の熱作用領域Ｈ上には、抵抗体
絶縁保護層８および抵抗体金属保護層９の２層からなる
抵抗体保護層が積層され、また、制御電極層５と共通電
極層６、および、抵抗体保護層の周辺部を覆うように、
電極保護層７が積層され、さらに、気泡の発生領域を規
定する凹部を形成するためのピット層１０が形成され
る。電極保護層７は、電極の電気的絶縁を図るととも
に、低熱拡散物質を用いることにより不要な熱拡散を防
止するための働きを有する。

【０００８】この従来の技術では、抵抗体絶縁保護層８
は高温雰囲気下で作製された窒化珪素を採用している。
このように、抵抗体絶縁保護層８の窒化珪素を高温雰囲
気下で作製することにより、水素含有量を極力少なく
し、抵抗体および金属保護層に対する窒化珪素内の水素
の悪影響を排除し、寿命の向上を達成しようとしてい
る。抵抗体絶縁保護層８を高温雰囲気下で作成するた
め、制御電極層５及び共通電極層６を形成するＡｌ−Ｓ
ｉは、抵抗体保護層の作製後に設けられる。これは、Ａ
ｌ−Ｓｉは高温雰囲気下では耐えられないからである。
従って、図１０の例のように、抵抗体保護層は熱作用領
域を完全に被覆することが構成上不可能である。そのた
め、このような熱制御型インクジェット記録素子におい
ては、電極保護層７と抵抗体保護層の境界において発生
する熱歪みに起因した亀裂や、インクの侵食作用による
電極保護層７の腐食等により、電極とインク間の短絡が
発生する。

【０００９】このように、従来のインクジェット記録素
子では、インクにより電極保護層が侵食され、電極とイ
ンクの間で短絡が発生し、記録素子が使用不能となって
しまうという不具合があった。この現象は、主に、イン
クの腐蝕作用と気泡の膨張収縮によるキャビテーション
衝撃との協働現象により発生し、特に、熱作用領域周辺
の段差のある部分の劣化が著しい。そのため、例えば、
特開昭５９−１９４８６６号公報の図３に記載されてい
るように、電極上の保護層（第２の上部保護層）の段差
部分を、耐腐蝕性と耐キャビテーション性に優れた抵抗
体金属保護層（第３の上部保護層）により保護すること
が考えられる。しかし、この文献に開示されているイン
クジェット記録素子では、熱作用領域上に設けられてい
る第１の上部保護層が電極上まで延在しており、発熱抵
抗層で発生した熱は、この第１の上部保護層から逃げて
しまい、上述の従来のインクジェット記録素子のよう
に、低エネルギー化を図ることはできない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した事
情に鑑みてなされたもので、熱効率を向上させ、低エネ
ルギー化を図るとともに、素子の劣化を防止し、長寿命
でかつ低価格の熱制御型インクジェット記録素子を提供
することを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、発熱抵抗体に
おいて発生する熱により気泡を発生させインク滴を記録
媒体に飛翔させて印字を行なう熱制御型インクジェット
記録素子において、前記発熱抵抗体の発熱領域上に抵抗
体金属保護層と抵抗体絶縁保護層からなる少なくとも２
層の抵抗体保護層を有し、少なくとも抵抗体絶縁保護層
は各発熱領域毎に個別に設けられ、少なくとも抵抗体金
属保護層は発熱領域周囲の段差を覆うように設けられて
いることを特徴とするものである。抵抗体金属保護層と
してはＴａで構成し、また、発熱抵抗体としては多結晶
シリコン抵抗体で構成することができる。抵抗体絶縁保
護層及び抵抗体金属保護層の大きさは、層の熱伝導率、
比熱、密度、駆動時間をそれぞれλ、ｃ、ρ、τとする
とき、（２λτ／ｃρ）^1/2＜Ｌを満たす広がりＬを有する大きさとすることができる。

【００１２】また、発熱抵抗体に接続される電極を保護
する電極保護層を有する場合には、該電極保護層の端部
を電極の端部よりも発熱抵抗体から離れる方向に後退さ
せ、抵抗体金属保護層を電極保護層の上方まで設けるよ
うに構成することができる。

【００１３】

【作用】本発明によれば、抵抗体金属保護層と抵抗体絶
縁保護層からなる少なくとも２層の抵抗体保護層を有
し、少なくとも抵抗体絶縁保護層が発熱抵抗体の発熱領
域上に個別に設けられているので、熱効率を向上させ、
低エネルギー化を図ることができるとともに、少なくと
も抵抗体金属層が発熱領域周囲の段差を覆うように設け
られていることにより、発熱領域周囲の段差部に、イン
クの腐蝕作用と気泡の膨張収縮によるキャビテーション
衝撃との協働現象から、段差を有する、例えば、電極保
護層などを保護することができる。このため、電極とイ
ンクの間で発生する短絡を防止することができる。これ
により、熱制御型インクジェット記録素子の長寿命化を
図ることができる。

【００１４】また、抵抗体金属保護層をＴａで構成する
ことにより、インクの腐蝕作用と気泡の膨張収縮による
キャビテーション衝撃との協働現象に対して、良好な保
護を図ることができる。さらに、発熱抵抗体を多結晶シ
リコン抵抗体で構成することにより、駆動回路と一体の
熱制御型インクジェット記録素子を得ることができる。

【００１５】抵抗体絶縁保護層及び抵抗体金属保護層の
大きさとして、各層が発熱領域を越えた広がりＬを有
し、その広がりＬが、層の熱伝導率、比熱、密度、駆動
時間をそれぞれλ，ｃ，ρ，τとするとき、（２λτ／ｃρ）^1/2＜Ｌを満たすようにすることにより、印字パルスが印加され
た駆動時間内には熱源の十分な拡散が行なわれず、か
つ、抵抗体保護層の境界における熱歪みが抑えられ、低
エネルギー化を図るとともに、電極保護層の亀裂の発生
をなくすことができる。

【００１６】さらに、発熱抵抗体に接続される電極を保
護する電極保護層を有する場合には、該電極保護層の端
部を電極の端部よりも発熱抵抗体から離れる方向に後退
させることにより、発熱領域の周囲に存在する段差をな
めらかにして、段差にかかる力を小さくするとともに、
抵抗体金属保護層を電極保護層の上方まで設けることに
より、インクの電極保護層への侵食を防ぐことができ
る。

【００１７】

【実施例】図１は、本発明の熱制御型インクジェット記
録素子の第１の実施例の説明図である。図中、図１０と
同様の部分には同じ符号を付して説明を省略する。図１
（Ａ）は断面図、図１（Ｂ）は平面図である。基板１上
に蓄熱層２が積層され、その上に抵抗体層３が積層され
る。さらにその上には、制御電極層５および共通電極層
６が積層され、パターニングされる。この制御電極層５
と共通電極層６から抵抗体層３に電流が印加され、抵抗
体層３が発熱する。発熱する領域、すなわち、熱作用領
域Ｈは、抵抗体層３のうち、制御電極層５と共通電極層
６により挟まれた領域である。

【００１８】その後、電極保護層７が積層され、パター
ニングされる。図１では、電極保護層７の端部を、制御
電極層５、共通電極層６の端部よりも発熱抵抗体から離
れる方向に後退させ、制御電極層５、共通電極層６の端
部が露出するように構成している。これに限らず、電極
保護層７の端部を電極の端部と揃えたり、電極を完全に
被覆するように構成することもできる。図１のような構
成とすると、熱作用領域Ｈの周囲の段差がなだらかにな
り、この段差部分に働く力を弱めることができる。

【００１９】電極保護層７の積層後、抵抗体絶縁保護層
８および抵抗体金属保護層９の２層からなる抵抗体保護
層を積層し、パターニングする。このとき、抵抗体保護
層の大きさＤは、熱作用領域Ｈよりも周囲に余分の広が
りＬだけ大きく形成される。この余分の広がりＬは、層
の熱伝導率、比熱、密度、駆動時間をそれぞれλ，ｃ，
ρ，τとするとき、（２λτ／ｃρ）^1/2＜Ｌの関係を満たす大きさとする。図１では、抵抗体絶縁保
護層８と抵抗体金属保護層９の大きさを合わせるように
構成している。もちろん、各抵抗体保護層をそれぞれの
大きさに構成することも可能である。抵抗体保護層は、
電極保護層７の上まで設けられ、電極保護層７の端部の
段差を覆うように構成されている。これにより、インク
の腐蝕作用と気泡の発生、消滅時のキャビテーション衝
撃との協働現象から段差部を保護し、電極保護層７の侵
食、および、侵食が進んで発生する電極とインクの間の
短絡を防止することができる。また、ここまでの製造工
程で用いる技術も従来と同様であり、特別なプロセスを
用いることなく、インクジェット記録素子を製造するこ
とができる。

【００２０】抵抗体保護層の余分の広がりＬの寸法は、
これを大きくすれば、作製過程の簡易化を図ることが可
能である。しかし、この広がりＬが大きいと、熱が拡散
し、熱効率が低下するので、熱効率と作成の容易性によ
り広がりＬの値を設定すればよい。また、設定した余分
の広がりＬの寸法によっては、隣接した抵抗体に跨る場
合も考えられるが、このような場合には、抵抗体の並び
方向に広がる帯状パターンとすることもできる。

【００２１】抵抗体保護層の厚みは、それぞれ５０００
０Å以下、好ましくは２００００Å以下５００Å以上が
望ましい。ＰＳＧで構成される電極保護層７の厚みは、
電極の厚みに依存するが、被覆性を考慮し、電極の厚み
が１００００Åの場合に、約１０００Å〜２００００Å
程度とすることが望ましい。

【００２２】また、電極保護層７は、その熱伝導率、比
熱、密度をそれぞれ、λ₀，ｃ₀，ρ₀とし、選択され
た抵抗体保護層の熱伝導率、比熱、密度をそれぞれ、
λ，ｃ，ρとするとき、 λｃ₀ρ₀＞λ₀ｃρ を満たすことが望ましい。

【００２３】抵抗体絶縁保護層８の素材としては、窒化
珪素の他、酸窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、アルミ
ナ、窒化アルミ、窒化硼素等が挙げられるが、これに限
るものではなく、所望の素材を用いることができる。た
だし、抵抗体絶縁保護層８の固有抵抗値は、抵抗体の固
有抵抗値以上、好ましくは１０倍以上、より好ましくは
１０００倍以上であることが望ましい。また、抵抗体で
発生する熱を伝達することから、熱伝導性のよい材料を
用いることが望ましい。このとき、上述の不等式を満た
す広がりＬを有するように構成すればよい。

【００２４】また、抵抗体金属保護層９の素材として
は、Ｔａの他に、Ｗ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，
Ｖの単体金属、Ｔａ−Ｍｏ，Ｔａ−Ｔｉ，Ｔｉ−Ｗ，Ｔ
ａ−Ｖ，Ｎｂ−Ｖ，Ｎｂ−Ｔａ，Ｎｉ−Ｃｒなどの合金
や、Ｔａ，Ｗ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｖの珪化物、
Ｔａ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｚｒの窒化物等を用いること
ができる。これらの素材は、耐熱温度が高く、また、ア
ルカリ性インクに浸水させても、せいぜい表面に薄い酸
化層を形成するだけであり、アルカリイオンの浸透を阻
止することができるので、抵抗体の熱を伝達し、また、
常にアルカリ性インクに接する抵抗体金属保護層９とし
ては好適である。

【００２５】図２は、各物質のアルカリ性インクに対す
る劣化状態の説明図である。図２では、ＰＳＧ５０００
Åを堆積したＳｉ基板上に、上述の抵抗体金属保護層９
に好適な素材及びＣｕ，Ａｌを５０００Å積層し、ｐＨ
８．４、Ｎａイオン濃度６０ｐｐｍの黒インクに浸し
て、１０００時間、８５℃の雰囲気に放置したときの劣
化状態を示している。その結果、図２のように、上述の
抵抗体金属保護層９に好適な素材では、無変化または表
面に酸化層が形成されただけで、下地のＰＳＧは無変化
であった。しかし、Ｃｕ，Ａｌでは、これらの金属層お
よび下地のＰＳＧとも、溶解してしまった。これらのこ
とから、上述の素材は、抵抗体金属保護層９に好適であ
ることがわかる。

【００２６】Ｔａ等の抵抗体金属保護層９は、内部スト
レスが激しく、数１００ｍｍ角程度の大面積にパターニ
ングした場合には、しばしば剥離が発生する。そのた
め、抵抗体金属保護層９を帯状パターンとした場合に
は、このような剥離の発生をなくすことができる。この
ときの抵抗体並び方向に広がる帯状パターンの幅は、抵
抗体長さに依存するが、最大５００μｍ以内であること
が望ましく、広がりＬは１００μｍ以内であることが望
ましい。これ以上の余分の広がりを設けても寿命の飛躍
的向上を図ることはできず、逆に抵抗体金属保護層の剥
離が発生する。

【００２７】第１の実施例の具体例について述べる。基
板１は単結晶Ｓｉであり、その上に熱酸化膜を約２００
００Å成長させて、蓄熱層２を形成した。その上に抵抗
体層３として、Ｔａ₂Ｎを７００Å、制御電極層５、共
通電極層６として、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉを１００００Å順
次堆積し、積層順序と逆にパターニングする。熱作用領
域Ｈの面積は３５×１１０μｍ²であり、抵抗体の１素
子当たりの抵抗値は約１００Ωである。このような大き
さの発熱抵抗体は、例えば、１インチ当たり４００個の
密度で２５６個設けることができる。両者ともにマグネ
トロンスパッタリングにより成膜を行なうことができ
る。電極保護層７としてＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ−Ｓｉ
ｌｉｃａｔｅＧｌａｓｓ）５０００ÅをＣＶＤ法によ
り堆積し、エッチングした。

【００２８】次に、抵抗体絶縁保護層８，抵抗体金属保
護層９として、窒化珪素５０００Å，Ｔａ５０００Åを
順次堆積し、熱作用領域Ｈよりも余分の広がりＬ＝１２
μｍをもたせて、プラズマエッチングした。このとき、
余分の広がりＬは、層の熱伝導率、比熱、密度、駆動時
間をそれぞれλ，ｃ，ρ，τとするとき、（２λτ／ｃρ）^1/2＜Ｌの関係を満たすように構成する。Ｔａ層では、λ／ｃρ
＝２．０×１０^-5ｍ²／ｓ、窒化珪素層では、λ／ｃρ
＝１．４×１０^-5ｍ²／ｓである。これらの値より、窒
化珪素，Ｔａの広がりの最小値は、それぞれ約９μｍ，
１０μｍであるが、作製過程の簡易化を図るため、図１
では、Ｔａの広がりに窒化珪素の広がりを合わせるよう
に構成している。

【００２９】抵抗体保護層８，９の大きさを上述の寸法
とすることにより、電極保護層７の電極上の段差部分
は、この抵抗体保護層８，９に被覆された構造となる。
この構成により、熱作用領域Ｈの周囲に存在する電極
５，６および電極保護層７によって形成されている段差
部を、キャビテーション衝撃の協働現象から保護するこ
とができる。このため、電極保護層７の侵食、および、
電極とインクの間で発生する短絡を防止することができ
る。

【００３０】図３は、本発明の熱制御型インクジェット
記録素子の第２の実施例の説明図である。図中、図１と
同様の部分には同じ符号を付して説明を省略する。上述
の第１の実施例と比べ、電極保護層７と抵抗体絶縁保護
層８の堆積およびパターニングの順序が異なる。すなわ
ち、第２の実施例では、例えばＰＳＧで構成される電極
保護層７の堆積およびパターニングを行なう前に、例え
ば窒化珪素で構成される抵抗体絶縁保護層８の積層およ
びパターニングを行なっている。しかし、電極保護層７
の端部において、例えばＴａで構成される抵抗体金属保
護層９により被覆されているのは、第１の実施例と同様
である。また、第２の実施例では、第１の実施例と同じ
く、抵抗体金属保護層９は、余分の広がりＬ＝１２μｍ
を有し、抵抗体ごとに区切られた個別パターンとした
が、抵抗体絶縁保護層８は抵抗体金属保護層に比べ広げ
た構成とした。これは、抵抗体絶縁保護層８のパターン
の端部によって電極保護層７に生じる段差と、抵抗体金
属保護層９のパターンの端部が重ならないようにするた
めである。

【００３１】上述の第１、第２の実施例のようにして作
製したインクジェット記録素子の寿命試験を実施した。
比較例として、図１０に示したような従来のインクジェ
ット記録素子も同様の寿命試験を行なった。試験に用い
た従来のインクジェット記録素子は、電極までの積層お
よびパターニングを終えた後、抵抗体絶縁保護層８とし
て窒化珪素５０００Å、抵抗体金属保護層９としてＴａ
５０００Åを積層・パターニングしてから、電極保護層
ＰＳＧの積層・パターニングを行なったものを用いた。
また、インク滴の飛翔に必要なエネルギーの閾値は、す
べての発熱素子において約１７μＪであるが、この１．
２倍の印加エネルギーを与えて寿命試験を行なった。

【００３２】実験の結果、図４に示すように、図１０に
示した従来のインクジェット記録素子に比べ、上述の第
１及び第２の実施例におけるインクジェット記録素子の
寿命は、約５倍近く向上していることが分かった。ま
た、寿命試験を行なった後の発熱素子の観察から、故障
原因を調べると、第１、第２の実施例におけるインクジ
ェット記録素子では発熱領域の中央部において、Ｔａで
構成された抵抗体金属保護層９の表面に摩耗破壊が発生
したのに対して、図１０に示した従来のインクジェット
記録素子では、発熱領域の境界付近の電極保護層が侵食
され、電極とインクの間の短絡によって破壊が発生して
いることが分かった。第１、第２の実施例におけるイン
クジェット記録素子の破壊が、発生した気泡が崩壊する
瞬時の圧力衝撃により、抵抗体金属保護層が摩耗して発
生したものと考えられる。これに対し、図１０に示した
従来のインクジェット記録素子の破壊は、印字パターン
に同期した電場によって、インク中のアルカリイオンが
断続的に電極保護層を侵食することにより発生したもの
と考えられる。このように、上述の第１、第２の実施例
では、抵抗体金属保護層により、アルカリイオンの浸透
を阻止することによって、インクジェット記録素子が破
壊されることはなかった。

【００３３】図５は、本発明の熱制御型インクジェット
記録素子の第１及び第２の実施例の変形例の説明図であ
る。図５（Ａ）は、第１の実施例の変形例、図５（Ｂ）
は、第２の実施例の変形例である。図中、図１、図３と
同様の部分には同じ符号を付して説明を省略する。１０
はピット層である。図５は、図１および図３で示したイ
ンクジェット記録素子の上に、さらに、気泡の発生領域
を規定するためのピット層１０を設けた例を示してい
る。このピット層１０は、熱硬化性樹脂等により形成す
ることができる。

【００３４】ピット層１０も、気泡の発生、消滅により
侵食される。そのため、図１０で示したような従来のイ
ンクジェット記録素子では、ピット層１０の侵食が電極
保護層の段差部まで達し、電極保護層の侵食につなが
る。しかし、図５に示したような構造とすれば、ピット
層１０が侵食されても、抵抗体金属保護層により電極保
護層の段差部が保護され、露出しないので、電極保護層
の侵食を起こりにくくすることができる。

【００３５】もちろん、ピット層１０も、抵抗体金属保
護層で覆うように構成することができる。このように構
成することにより、ピット層１０の侵食を防ぐことも可
能である。

【００３６】図６は、本発明の熱制御型インクジェット
記録素子の第３の実施例の説明図である。図６（Ａ）は
断面図、図６（Ｂ）は平面図である。図中、図１１と同
様の部分には同じ符号を付して説明を省略する。基板１
上に蓄熱層２が積層され、その上に抵抗体層３が積層さ
れる。蓄熱層２上に積層される抵抗体層３は、各オリフ
ィス毎にパターニングされる。その後、層間絶縁膜４が
積層およびパターニングされる。層間絶縁膜４の上に、
制御電極層５及び共通電極層６が積層される。層間絶縁
膜４には、抵抗体層３に電極を接続するための孔が設け
られており、その孔を介して、制御電極層５および共通
電極層６と抵抗体層３が電気的に接続される。次に、制
御電極層５と共通電極層６を覆うように、電極保護層７
が積層される。

【００３７】そして、抵抗体層３の熱作用領域Ｈ上に、
抵抗体絶縁保護層８および抵抗体金属保護層９の２層か
らなる抵抗体保護層が積層され、パターニングされる。
積層される抵抗体保護層の大きさ、厚み、素材等は、第
１の実施例と同様に構成することができる。このとき、
抵抗体保護層の大きさＤは、熱作用領域Ｈよりも周囲に
余分の広がりＬだけ大きく形成される。この余分の広が
りＬは、層の熱伝導率、比熱、密度、駆動時間をそれぞ
れλ，ｃ，ρ，τとするとき、（２λτ／ｃρ）^1/2＜Ｌの関係を満たす大きさとする。図６では、抵抗体絶縁保
護層８と抵抗体金属保護層９の大きさを合わせるように
構成している。もちろん、各抵抗体保護層をそれぞれの
大きさに構成することも可能である。抵抗体保護層は、
電極保護層７の平坦部まで設けられ、電極保護層７の端
部の段差を覆うように構成されている。これにより、イ
ンクの腐蝕作用と気泡の発生、消滅時のキャビテーショ
ン衝撃との協働現象から段差部を保護し、電極保護層７
の侵食、および、侵食が進んで発生する電極とインクの
間の短絡を防止することができる。

【００３８】第３の実施例の具体例について述べる。基
板１は単結晶Ｓｉであり、その上に熱酸化膜を約１２０
００Å成長させて蓄熱層２を形成した。その上に抵抗体
層３として、多結晶シリコンを４５００Å堆積した後、
イオン注入とアニーリング処理およびパターニングを行
った。

【００３９】層間絶縁層４は、抵抗体層３と、制御電極
層５、共通電極層６との電気的接触および絶縁を図るた
めに形成される。この層間絶縁層４は、ＣＶＤ法により
シリコン酸化膜３０００Å，ＢＰＳＧ（ＢｏｒｏｎＰ
ｈｏｓｐｈｏ−ＳｉｌｉｃａｔｅＧｌａｓｓ）を５０
００Å堆積し、約１０００℃の高温雰囲気下においてリ
フロー処理して形成した。この処理により、堆積膜表面
の平坦化および緻密化を図っている。次に、抵抗体層３
と、電極の電気的接触領域を形成するため、反応性イオ
ンエッチングして開口を設け、この領域の多結晶シリコ
ン上にＰｔＳｉ₂を形成した。この後、発熱領域のシリ
コン酸化膜とＢＰＳＧを除去した。制御電極層４および
共通電極層５として、Ａｌ−Ｓｉを１２０００Åマグネ
トロンスパッタリング法により堆積し、パターニングし
た。熱作用領域Ｈの面積は、４５×１４０μｍ²であ
り、抵抗体１素子当たりの抵抗値は約１００Ωである。
このような大きさの発熱抵抗体を、例えば、１インチ当
たり３００個の密度で１２８個設けることができる。電
極保護層７として、ＰＳＧ１００００ÅをＣＶＤ法によ
り堆積し、熱作用領域Ｈの部分をエッチングした。

【００４０】次に、抵抗体絶縁保護層８および抵抗体金
属保護層９として、窒化珪素１５００Å，Ｔａ５０００
Åを順次堆積し、熱作用領域Ｈよりも余分の広がりＬ＝
１７μｍをもたせてエッチングした。窒化珪素による抵
抗体絶縁保護層８の積層は、プラズマＣＶＤ法により比
較的低温の３５０℃雰囲気下で堆積した。Ｔａによる抵
抗体金属保護層９の積層は、マグネトロンスパッタリン
グ法により堆積した。これらの窒化珪素１５００Å，Ｔ
ａ５０００Åの層を、同一マスクによってプラズマエッ
チングし、Ｔａの層の広がりに窒化珪素の層の広がりを
合わせた。このとき、ＰＳＧで形成した電極保護層７
は、その端部における段差部が、２層の抵抗体保護層に
より被覆される構造となる。抵抗体保護層の厚みは、そ
れぞれ５００００Å以下、好ましくは２００００Å以下
５００Å以上が望ましい。抵抗体絶縁保護層８および抵
抗体金属保護層９の素材は、第１の実施例と同様の素材
を選択して用いることができる。また、抵抗体層３とし
て、多結晶シリコンを用いることにより、駆動素子と一
体の記録ヘッドを形成することができる。

【００４１】図７は、本発明の熱制御型インクジェット
記録素子の第４の実施例の説明図である。図７（Ａ）は
断面図、図７（Ｂ）は平面図である。図中、図６、図１
１と同様の部分には同じ符号を付して説明を省略する。

【００４２】この第４の実施例では、上述の第３の実施
例と比べ、電極保護層７と抵抗体絶縁保護層８の堆積お
よびパターニングの順序が異なる。すなわち、第４の実
施例では、電極保護層７の堆積およびパターニングを行
なう前に、抵抗体絶縁保護層８の積層およびパターニン
グを行なっている。しかし、電極保護層７が、その端部
において、抵抗体金属保護層９により被覆されているの
は第３の実施例と同様である。電極保護層７としてはＰ
ＳＧを、抵抗体絶縁保護層８としては窒化珪素を、抵抗
体金属保護層９としてはＴａを用いることができる。も
ちろん、他の材料でもよい。また、この第４の実施例で
は、第３の実施例と同じく、抵抗体金属保護層９は、余
分の広がりＬ＝１７μｍを有しているが、抵抗体絶縁保
護層８は、余分の広がりＬを抵抗体金属保護層９よりも
広げた。これは、抵抗体絶縁保護層８のパターンによっ
て生じた段差上に、抵抗体絶縁保護層９のパターンの端
部が重ならないようにするためである。

【００４３】第３、第４の実施例のようにして作製した
インクジェット記録素子の寿命試験を実施した。比較例
として、図１１に示したような従来のインクジェット記
録素子を用いて実験した。試験で用いる従来のインクジ
ェット記録素子としては、層間絶縁層４の堆積及びパタ
ーニングまでの過程を終えた後、抵抗体絶縁保護層８と
して窒化珪素１５００Å、抵抗体金属保護層９としてＴ
ａ５０００Åを順次積層及びパターニングし、ＰＳＧに
よる電極保護層７の積層及びパターニングを行なって作
成したものを用いた。抵抗体絶縁保護層８を構成する窒
化珪素１５００Åは、約８００℃の高温雰囲気下におい
て、熱ＣＶＤ法により堆積した。また、インク滴の飛翔
に必要なエネルギー閾値は、すべての発熱素子において
約２１μＪであるが、この１．２倍の印加エネルギーで
寿命試験を行なった。

【００４４】試験の結果、図８に示すように、図１１に
示したような従来のインクジェット記録素子に比べ、第
３、第４の実施例の寿命は、約４倍以上向上しているこ
とが分かった。また、寿命試験を行なった後の発熱素子
の観察から故障原因を調べると、第３、第４の実施例で
は、発熱領域の中央部において、抵抗体金属保護層９の
表面に摩耗破壊が発生していた。これに対して、図１１
に示したような従来のインクジェット記録素子では、発
熱領域の境界付近において電極保護層７の段差部分が侵
食され、電極とインクの間の短絡によって破壊が発生し
ていることが分かった。第３、第４の実施例によるイン
クジェット記録素子の破壊は、気泡が崩壊する瞬時の圧
力衝撃によって、抵抗体金属保護層９が摩耗したものと
考えられる。これに対し、図１１に示したような従来の
インクジェット記録素子の破壊は、抵抗体金属保護層９
と電極保護層７の境界における熱歪みや、印字パルスに
同期した電場によってインク中のアルカリイオンが断続
的に電極保護層を侵食することにより引き起こされたも
のと考えられる。このように、第３、第４の実施例で
は、抵抗体金属保護層９が、インク中のアルカリイオン
の浸透を阻止することにより、電極保護層７が侵食さ
れ、破壊されることはない。

【００４５】また、第３、第４の実施例では、抵抗体絶
縁保護層８として窒化珪素をプラズマＣＶＤ法により堆
積したが、窒化珪素に多量に含まれる水素に起因した多
結晶シリコン抵抗体の抵抗値の上昇や、Ｔａで構成され
た抵抗体金属保護層９の脆弱化による亀裂の発生などは
観察されなかった。

【００４６】図９は、本発明の熱制御型インクジェット
記録素子の第３及び第４の実施例の変形例の説明図であ
る。図９（Ａ）は、第３の実施例の変形例、図９（Ｂ）
は、第４の実施例の変形例である。図中の符号は、図
６、図７、および、図５と同様である。図５と同様に、
図９では、図６および図７で示したインクジェット記録
素子の上に、さらに、気泡の発生領域を規定するための
ピット層１０を設けた例を示している。このピット層１
０は、熱硬化性樹脂等により形成することができる。

【００４７】ピット層１０も、気泡の発生、消滅により
侵食される。そのため、図１１で示したような従来のイ
ンクジェット記録素子では、ピット層１０の侵食が電極
保護層の段差部まで達し、電極保護層の侵食につなが
る。しかし、図９に示したような構造とすれば、ピット
層１０が侵食されても、抵抗体金属保護層により電極保
護層の段差部が保護され、露出しないので、電極保護層
の侵食を起こりにくくすることができる。

【００４８】もちろん、ピット層１０も、抵抗体金属保
護層で覆うように構成することができる。このように構
成することにより、ピット層１０の侵食を防ぐことも可
能である。

【００４９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、熱効率を向上させ、低エネルギー化を図ると
ともに、例えば、インクが電極保護層を侵食して電極と
インクの間が短絡することにより、記録素子の劣化およ
び破壊を防止し、熱制御型インクジェット記録素子の寿
命の向上を図ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱制御型インクジェット記録素子の
第１の実施例の説明図である。

【図２】各物質のアルカリ性インクに対する劣化状態
の説明図である。

【図３】本発明の熱制御型インクジェット記録素子の
第２の実施例の説明図である。

【図４】第１、第２の実施例のインクジェット記録素
子の寿命試験を実施した実験結果の説明図である。

【図５】本発明の熱制御型インクジェット記録素子の
第１及び第２の実施例の変形例の説明図である。

【図６】本発明の熱制御型インクジェット記録素子の
第３の実施例の説明図である。

【図７】本発明の熱制御型インクジェット記録素子の
第４の実施例の説明図である。

【図８】第３、第４の実施例のインクジェット記録素
子の寿命試験を実施した実験の結果の説明図である。

【図９】本発明の熱制御型インクジェット記録素子の
第３及び第４の実施例の変形例の説明図である。

【図１０】従来の熱制御型インクジェット記録素子の
発熱体近傍の説明図である。

【図１１】別の従来の熱制御型インクジェット記録素
子の発熱抵抗体近傍の説明図である。

【符号の説明】

１基板、２蓄熱層、３抵抗体層、４層間絶縁
膜、５制御電極層、６共通電極層、７電極保護層、
８抵抗体絶縁保護層、９抵抗体金属保護層、１０
ピット層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｂ４１Ｊ 2/16 (72)発明者三原徹神奈川県海老名市本郷2274番地富士ゼロックス株式会社内 (72)発明者細貝耕三神奈川県海老名市本郷2274番地富士ゼロックス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発熱抵抗体において発生する熱により気
泡を発生させインク滴を記録媒体に飛翔させて印字を行
なう熱制御型インクジェット記録素子において、前記発
熱抵抗体の発熱領域上に抵抗体金属保護層と抵抗体絶縁
保護層からなる少なくとも２層の抵抗体保護層を有し、
少なくとも抵抗体絶縁保護層は各発熱領域毎に個別に設
けられ、少なくとも抵抗体金属保護層は発熱領域周囲の
段差を覆うように設けられていることを特徴とする熱制
御型インクジェット記録素子。
【請求項２】抵抗体金属保護層がＴａで構成され、発
熱抵抗体が多結晶シリコン抵抗体から構成されることを
特徴とする請求項１に記載の熱制御型インクジェット記
録素子。
【請求項３】抵抗体絶縁保護層及び抵抗体金属保護層
の大きさは、層の熱伝導率、比熱、密度、駆動時間をそ
れぞれλ、ｃ、ρ、τとするとき、（２λτ／ｃρ）^1/2＜Ｌを満たす広がりＬを有することを特徴とする請求項１ま
たは２に記載の熱制御型インクジェット記録素子。
【請求項４】発熱抵抗体に接続される電極を保護する
電極保護層の端部が電極の端部よりも発熱抵抗体から離
れる方向に後退しており、抵抗体金属保護層は電極保護
層の上方まで設けられていることを特徴とする請求項１
乃至３に記載の熱制御型インクジェット記録素子。