JPH0643130B2 - Liquid jet recording head - Google Patents

Liquid jet recording head

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JPH0643130B2
JPH0643130B2 JP60242869A JP24286985A JPH0643130B2 JP H0643130 B2 JPH0643130 B2 JP H0643130B2 JP 60242869 A JP60242869 A JP 60242869A JP 24286985 A JP24286985 A JP 24286985A JP H0643130 B2 JPH0643130 B2 JP H0643130B2
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JP
Japan
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heating resistor
jet recording
recording head
liquid jet
liquid
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朗 浅井
雅実 池田
伸一 平澤
博和 小室
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Canon Inc
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Canon Inc
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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、熱エネルギーによって液体中に気泡を形成
し、そのときに生じる圧力によってオリフィスから液体
を吐出させて、記録媒体上に文字・画像等の記録を行う
液体噴射記録ヘッドに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention forms bubbles in a liquid by thermal energy, and discharges the liquid from an orifice by the pressure generated at that time, so that characters / images are recorded on a recording medium. The present invention relates to a liquid jet recording head that records such as.

[従来の技術] 熱エネルギーを利用したこの種の液体噴射記録ヘッドに
おいて、特にオリフィスと連通する液体通路の基板上に
発熱抵抗体を積層し、この発熱抵抗体にパルス通電をす
ることによって液体を加熱するドット印字方式の液体噴
射記録ヘッドにおいては、各パルスごとに液体に熱エネ
ルギーを有効に与えると同時に、ヘッドを繰り返して駆
動した時に液体を安定に吐出させることが画質向上のた
めに重要である。
[Prior Art] In this type of liquid jet recording head utilizing thermal energy, a heating resistor is laminated on a substrate of a liquid passage communicating with an orifice, and the liquid is generated by applying a pulse current to the heating resistor. In a dot-printing type liquid jet recording head that heats, it is important to effectively apply thermal energy to the liquid at each pulse, and at the same time to eject the liquid stably when the head is repeatedly driven in order to improve image quality. is there.

そのための構成としては、例えば特開昭55-154171 号公
報に開示されているように、上述の基板上に、熱伝導率
k、比熱 c,密度ρで厚さ Lの下部層と、熱伝
導率 kで厚さ Lの発熱抵抗体層と、熱伝導率 k
比熱 c,密度ρで厚さ Lの上部層とからなる発熱
抵抗体をこの順に積層して、 なる関係式を満たすように材質・寸法を決定すればよい
ことが知られている。ただし、 τ…発熱抵抗体に入力される電気信号の半値幅 t…1つの電気信号が入力されてから次の電気信号が入
力されるまでの時間 S…上部層の熱作用部側表面における熱作用面の面積 ΔT …熱作用面の表面温度と下部層の基板側表面温度と
の差の平均値 Q…1つの電気信号当りの発熱量 である。
As a configuration for that, for example, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 55-154171, the thermal conductivity on the substrate is
a lower layer of k 2 , specific heat c 2 , density ρ 2 and thickness L 2 , a heating resistor layer of thermal conductivity k H and thickness L H , and thermal conductivity k 1 ,
A heating resistor composed of a specific heat c 1 and a density ρ 1 and an upper layer of thickness L 1 is laminated in this order, It is known that the material and dimensions may be determined so as to satisfy the following relational expression. However, τ ... Half-value width of electric signal input to heating resistor t ... Time from input of one electric signal to input of next electric signal S ... Heat acting surface on surface of heat acting portion of upper layer Area ΔT ... Average value of the difference between the surface temperature of the heat-acting surface and the substrate-side surface temperature of the lower layer Q ... The amount of heat generated per electric signal.

[発明が解決しようとする問題点] ところで、現在発熱抵抗体の形状として第9図に示すよ
うな形状が提案されている。このような形状を規定する
要件は以下に示すとおりである。すなわち、発熱抵抗体
1の表面上に直角座標系X-Y をとり、φ(x,y) を抵抗体
表面上の点(x,y) におけるポテンシャル値とし、抵抗体
の周囲境界のうち一方の電極2に接する部分にある値の
境界値を与え、他方の電極3に接する部分にその境界値
とは異なる値の境界値を与え、どちらの電極にも接して
いない部分に周囲境界の法線方向に対するφの微分係数
が0である境界条件を与え、発熱抵抗体領域を対象とし
てラプラス方程式 ∂φ/∂x+∂φ/∂y=0 を解いたとき、φの傾きの大きさ の最大値と抵抗体中央における との比で規定する。
[Problems to be Solved by the Invention] By the way, as the shape of the heating resistor, a shape as shown in FIG. 9 is currently proposed. The requirements for defining such a shape are as follows. That is, the rectangular coordinate system XY is set on the surface of the heating resistor 1, φ (x, y) is the potential value at the point (x, y) on the resistor surface, and one of the electrodes on the boundary of the resistor is The boundary value of a certain value is given to the part which is in contact with 2, the boundary value different from the boundary value is given to the part which is in contact with the other electrode 3, and the normal direction of the peripheral boundary is given to the part which is not in contact with either electrode. When the Laplace equation ∂ 2 φ / ∂x 2 + ∂ 2 φ / ∂y 2 = 0 is solved for the heating resistor region by giving the boundary condition that the derivative of φ to 0 is 0, the slope of φ is large. It The maximum value of It is specified by the ratio with.

例えば、第9図に示した形状はその比が1.13という値を
とる。第10図に示す従来例のその比の値は無限大をと
る。この値が1.8 以下であれば、従来(無限大)に比べ
て、ヒータの4隅の電流集中が少なく、つまり4隅に熱
の集中が少なく、したがって4隅から最初に発泡が起ら
ず、発熱抵抗体1の全面から最初に発泡する。また、し
たがって安定した泡が得られる。これを具体的に表現す
ると、吐出周波数10KHz まで主泡(液体を吐出させるた
めに発生させる気泡)の体積の吐出毎の変動が少なく、
したがって吐出液滴の体積の変動が少なくなる。すなわ
ち、安定した吐出が得られ、良好な印字が得られるよう
になる。また、従来に比較すると、4隅の電流集中は少
なく発熱抵抗体の耐久性も向上している。
For example, the shape shown in FIG. 9 has a ratio of 1.13. The ratio value of the conventional example shown in FIG. 10 is infinite. If this value is 1.8 or less, the current concentration at the four corners of the heater is less than in the conventional case (infinity), that is, the heat concentration is less at the four corners, and therefore bubbling does not occur first from the four corners. The heating resistor 1 is first foamed from the entire surface. Also, a stable foam is thus obtained. To express this concretely, there is little fluctuation in the volume of the main bubbles (bubbles generated to eject the liquid) up to the ejection frequency of 10 KHz,
Therefore, fluctuations in the volume of the discharged droplets are reduced. That is, stable ejection can be obtained and good printing can be obtained. In addition, the current concentration at the four corners is small and the durability of the heating resistor is improved as compared with the conventional case.

従来は、特開昭55-154171 号公報に示される上式(1),
(2) によって膜構成を決定していた。しかしながら、現
在提案されている第9図の形状はヒータ(発熱抵抗体)
4隅から最初に発泡が起らず、従来にくらべて発泡を起
す熱量が異なる。したがって特開昭55-15417号公報に示
される式の膜構成を採用すると蓄熱して耐久性が低下し
たり、泡が不安定になる問題があった。
Conventionally, the above formula (1) shown in JP-A-55-154171,
The film composition was determined by (2). However, the currently proposed shape of FIG. 9 is a heater (heating resistor).
Foaming does not occur first from the four corners, and the amount of heat that causes foaming differs from the conventional one. Therefore, when the film structure of the formula shown in JP-A-55-15417 is adopted, there is a problem that heat is accumulated and durability is lowered, and bubbles become unstable.

この上式(1) および(2) は、パルス通電による加熱中は
下部層が基板への熱移動に対する障壁となって、熱が主
に上部層を通って熱作用部から液体に伝えられ、繰返し
駆動したときに最終的に記録ヘッド自体の温度が上昇し
ないという条件を定めたものである。
In the above equations (1) and (2), the lower layer serves as a barrier against heat transfer to the substrate during heating by pulsed current, and heat is transferred to the liquid from the heat acting part mainly through the upper layer. It defines the condition that the temperature of the recording head itself does not finally rise when it is repeatedly driven.

従って、上式(1) および(2) を満す液体噴射記録ヘッド
においては、1パルスごとの液体への熱伝達、および多
数パルス印加後の記録ヘッド自体の温度条件については
問題がないが、その反面において気泡消滅時に蒸気泡が
消泡する位置以外にも加熱限界温度より高温な高温部が
あるとその位置に液体の流れ方向に沿うすじ状の二次的
な泡が残ってしまうという現象がある。
Therefore, in the liquid jet recording head satisfying the above equations (1) and (2), there is no problem in the heat transfer to the liquid for each pulse and the temperature condition of the recording head itself after the application of a large number of pulses, On the other hand, if there is a high temperature part that is higher than the heating limit temperature other than the position where the vapor bubble disappears when the bubble disappears, a streak-like secondary bubble will remain at that position along the liquid flow direction. There is.

液体を吐出させるために発生した主泡は、液体の流れる
方向、つまり液流路方向からの力によってつぶれるが、
主泡の消滅後も残ってしまう上述した二次的な泡は、熱
作用面の近傍にあり、泡の高さが低いために、液体の流
れ方向の力を受けなく、そのため液流路とは垂直の方向
につぶれる。
The main bubbles generated to eject the liquid are crushed by the force of the liquid flow direction, that is, the liquid flow path direction,
The above-mentioned secondary bubbles that remain after the disappearance of the main bubbles are in the vicinity of the heat-acting surface, and because the height of the bubbles is low, they are not subjected to the force in the liquid flow direction, so Collapses vertically.

液流路と垂直につぶれる泡のキャビテーションは非常に
大きく、局部に集中し、実際に主泡の消泡によるキャビ
テーションに比べて何十倍もある。したがって、その泡
のキャビテーション崩壊により、熱作用部の上部保護層
を破壊し、発熱抵抗体が破壊し、耐久性を悪くしたこと
は、しばしばあった。
The cavitation of bubbles that collapse perpendicularly to the liquid flow path is very large and concentrated locally, and is several tens of times larger than the cavitation caused by the defoaming of the main bubbles. Therefore, due to the cavitation collapse of the bubbles, the upper protective layer of the heat-acting portion was destroyed, the heating resistor was destroyed, and the durability was often deteriorated.

本発明は、上述の欠点を除去し、従来の液体噴射記録ヘ
ッドに比して格段の高耐久性と高品質記録性とを有する
液体噴射記録ヘッドを提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a liquid jet recording head that eliminates the above-mentioned drawbacks and has significantly higher durability and higher quality recording properties than the conventional liquid jet recording head.

[問題点を解決するための手段] かかる目的を達成するために、本発明は、液体吐出用の
オリフィスに連通して液体に熱エネルギーを与えて液体
中に気泡を形成させる熱作用部と、熱エネルギーを発生
する発熱抵抗体とを有する液体噴射記録ヘッドにおける
発熱抵抗体において、抵抗体表面上に直角座標系X-Y を
とり、φ(x,y) を抵抗体表面上の点(x,y) におけるポテ
ンシャル値とし、抵抗体の周囲境界のうち、一方の電極
に接する部分にある値の境界値を与え、他方の電極に接
する部分に境界値とは異なる値の境界値を与え、どちら
の電極にも接していない部分に周囲境界の法線方向に対
するφの微分係数が0である境界条件を与え、発熱抵抗
対領域を対象としてラプラス方程式 ∂φ/∂x+∂φ/∂y=0 を解いたとき、φの傾きの大きさ の最大値と抵抗体中央における との比が1.8 以下である形状の発熱抵抗体を有する液体
噴射記録ヘッドにおいて、発熱抵抗体を、基板上に下部
層,発熱抵抗体層および上部層の順に積層して形成し、
かつ下部層と基板の境界から熱作用部に向かって層方向
に測った位置xにおける物質の熱伝導率をk(x),比熱を
c(x),密度をρ(x) 、発熱抵抗体の全体の厚さをLおよ
び熱エネルギーを加え始めてから気泡が消失するまでの
時間をτとしたときに、次式 が成立するように発熱抵抗体の材質および厚さを設定し
たことを特徴とする。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve such an object, the present invention relates to a thermal action part that communicates with an orifice for ejecting liquid and applies thermal energy to the liquid to form bubbles in the liquid. For a heating resistor in a liquid jet recording head that has a heating resistor that generates thermal energy, set the Cartesian coordinate system XY on the resistor surface, and set φ (x, y) to the point (x, y ), The boundary value of the value that is in contact with one electrode of the peripheral boundary of the resistor is given, and the boundary value of the value that is different from the boundary value is given to the part that contacts the other electrode. A boundary condition that the derivative of φ with respect to the normal direction of the peripheral boundary is 0 is given to the part not in contact with the electrode, and the Laplace equation ∂ 2 φ / ∂x 2 + ∂ 2 φ / ∂ is applied to the heating resistance pair region. when solved y 2 = 0, the slope of φ I am come The maximum value of In a liquid jet recording head having a heating resistor having a shape with a ratio of less than 1.8, the heating resistor is formed by laminating a lower layer, a heating resistor layer and an upper layer in this order on a substrate,
In addition, the thermal conductivity of the substance at the position x measured in the layer direction from the boundary between the lower layer and the substrate toward the heat acting part is k (x), and the specific heat is
c (x), density ρ (x), the total thickness of the heating resistor is L, and τ B is the time from the start of applying heat energy to the disappearance of bubbles, The material and thickness of the heating resistor are set so that

[作用] 本発明の液体噴射記録ヘッドは、気泡消滅までに発熱抵
抗体の温度が十分に下がるように構成したことを特徴と
するものである。一般に、熱伝導率k,比熱c,密度ρ
なる物質中に熱が伝わる場合に、時刻t後に熱が伝わる
距離(すなわち、温度分布が変化する距離)をxとする
と、 の関係がある。従って、時刻 tまでに熱が放散する条
件は、 となる。この上式(4) の条件を発熱抵抗体に適用して、
下部層と基板との境界から測った発熱抵抗体層の位置x
における熱伝導率をk(x),比熱をc(x),密度をρ(x) と
すると、上式(4) は となる。ただし、Lは発熱抵抗体の厚さ、すなわち、下
部層と発熱抵抗層および上部層の厚さの和であり、τ
は気泡の寿命、すなわち気泡が発生してから消滅するま
での時間である。
[Operation] The liquid jet recording head of the present invention is characterized in that the temperature of the heating resistor is sufficiently lowered by the time the bubbles disappear. In general, thermal conductivity k, specific heat c, density ρ
In the case where heat is transferred to the substance, when the distance at which heat is transferred after time t (that is, the distance at which the temperature distribution changes) is x, Have a relationship. Therefore, the condition that heat is dissipated by time t B is Becomes Applying the condition of the above equation (4) to the heating resistor,
Position x of the heating resistor layer measured from the boundary between the lower layer and the substrate
Let k (x) be the thermal conductivity at, c (x) be the specific heat, and ρ (x) be the density. Becomes Here, L is the thickness of the heating resistor, that is, the sum of the thicknesses of the lower layer, the heating resistor layer and the upper layer, and τ B
Is the life of the bubble, that is, the time from the generation of the bubble to its disappearance.

従って、本発明のように上式(5) を満足するように発熱
抵抗体の膜構成を行えば、気泡消滅時の時間τまでに
発熱抵抗体から熱が放散して、温度が十分に下がり切る
ので、気泡の消滅が遅れて高温部に泡が残る、あるいは
2次的な気泡が発生するという問題点が解消され、気泡
の断熱作用による発熱抵抗体の酸化,気泡消滅時のキャ
ビテーション等が発生しないので、従来の液体噴射記録
ヘッドに比べて実用上十分に満足できるような格段の耐
久性を得ることができる。
Therefore, if the heating resistor film is formed so as to satisfy the above equation (5) as in the present invention, the heat is dissipated from the heating resistor by the time τ B when the bubble disappears, and the temperature is sufficiently increased. Since it completely drops, the problem that bubbles disappear and the bubbles remain in the high temperature part, or secondary bubbles are generated is solved. Oxidation of the heating resistor due to the adiabatic action of bubbles, cavitation when bubbles disappear, etc. Is not generated, it is possible to obtain remarkably high durability which is sufficiently satisfactory in practical use as compared with the conventional liquid jet recording head.

[実施例] 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。
Embodiments Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

第1実施例 第1図〜第3図は本発明の第1実施例の基板作成の工程
を示し、第4図は本実施例の液体噴射記録ヘッドの構成
例を示す。ここで、101 は基板、102 は発熱部分、103,
104 は電極である。
First Embodiment FIGS. 1 to 3 show the steps of substrate preparation of the first embodiment of the present invention, and FIG. 4 shows an example of the configuration of the liquid jet recording head of the present embodiment. Here, 101 is a substrate, 102 is a heat generating part, 103,
104 is an electrode.

本実施例による発熱抵抗体の基板作成工程を説明する
と、まず、第2図(B) に示すように、基板支持体105 で
あるSiウエハの熱酸化により2μm 厚のSiO膜を形成
して基板101 の下部層106 とする。この下部層106 上の
スパッタ(スパッタリング)により HfBの発熱抵抗層
107 を1300Åの厚みに形成する。
The substrate forming process of the heating resistor according to the present embodiment will be described. First, as shown in FIG. 2 (B), a 2 μm thick SiO 2 film is formed by thermal oxidation of a Si wafer which is the substrate support 105. It is the lower layer 106 of the substrate 101. The heating resistor layer of HfB 2 is formed by sputtering on the lower layer 106.
Form 107 to a thickness of 1300Å.

続いて電子ビーム蒸着によりTi層50Å,Al層5000Åを連
続的に堆積して共通電極103 と選択電極104 とを形成す
る。このとき、フォトリソ(フォトリソグラフィ)工程
により第1図に示すような回路パターンを形成し、熱発
生部111 の発熱部分102 の熱作用面はその寸法を30μm
幅で、150 μm 長にし、Al電極103,104 の抵抗を含めて
100 Ωの抵抗値にする。
Subsequently, the Ti layer 50Å and the Al layer 5000Å are successively deposited by electron beam evaporation to form the common electrode 103 and the selection electrode 104. At this time, a circuit pattern as shown in FIG. 1 is formed by a photolithography (photolithography) process, and the heat acting surface of the heat generating portion 102 of the heat generating portion 111 has a dimension of 30 μm.
The width is 150 μm, including the resistance of Al electrodes 103 and 104.
Use a resistance value of 100 Ω.

次に、第2図(B) に示すように第1の上部保護層108 と
して SiOを1.6 μm 厚に基板101 の全面上にマグネト
ロン型ハイレートスパッタ法によって積層する。
Next, as shown in FIG. 2 (B), SiO 2 is laminated as a first upper protective layer 108 to a thickness of 1.6 μm on the entire surface of the substrate 101 by a magnetron high rate sputtering method.

続いて、第2の上部保護層110 として第2図(A),(B) に
示すようにTaを0.55μ厚にマグネトロン型ハイレートス
パッタ法によって積層する。次に、第2 の上部保護層11
0 をフォトリソ工程により、第2図(A),(B) に示すよう
な発熱部分102 の上部を覆うパターンに形成する。
Then, as the second upper protective layer 110, as shown in FIGS. 2A and 2B, Ta is deposited to a thickness of 0.55 μm by a magnetron high rate sputtering method. Then, the second upper protective layer 11
0 is formed by a photolithography process into a pattern covering the upper portion of the heat generating portion 102 as shown in FIGS. 2 (A) and 2 (B).

さらに、第3図(A)(B) に示すように、第3の上部保護
層109 として、感光性ポリイミド(商品名フォトニー
ス)を基板101 の第1上部保護層108 上に塗布し、フォ
トリソ工程により第3図のような回路パターンを形成す
る。
Further, as shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B), a photosensitive polyimide (trade name: Photo Nice) is applied as a third upper protective layer 109 on the first upper protective layer 108 of the substrate 101, and photolithography is performed. A circuit pattern as shown in FIG. 3 is formed by the process.

このようにして作成した基板101 上に、第4図に示すよ
うに、厚さ50μm の感光性樹脂ドライフィルム400 を積
層して、所定のパターンマスクによる露光と現像を行う
ことにより、液流路401 と共通液室404 とを形成し、更
にそのフィルム400 上にエポキシ系接着剤を介してガラ
ス製を天井板405 を接着積層して液体噴射記録ヘッドを
作成する。なお、402 はオリフィス、403 はインク流路
壁、406 はインク供給口である。
As shown in FIG. 4, a photosensitive resin dry film 400 having a thickness of 50 μm is laminated on the substrate 101 prepared in this way, and exposure and development are performed by a predetermined pattern mask to thereby obtain a liquid flow path. 401 and a common liquid chamber 404 are formed, and a ceiling plate 405 made of glass is adhered and laminated on the film 400 via an epoxy adhesive to form a liquid jet recording head. In addition, 402 is an orifice, 403 is an ink flow path wall, and 406 is an ink supply port.

一例として、上述の液流路401 は幅50μm ,高さ50μm
,長さ750 μm の寸法に形成する。また、熱発生部
(ヒータ)111 の前端とオリフィス(吐出口)402 まで
の長さは150 μm にする。
As an example, the above-mentioned liquid channel 401 has a width of 50 μm and a height of 50 μm.
, 750 μm long. Also, the length from the front end of the heat generating part (heater) 111 to the orifice (discharging port) 402 is 150 μm.

本実施例の液体噴射記録ヘッドの消泡時間を実際に測定
したところ、パルス印加から50μs (マイクロ秒)であ
った。但し、その時の駆動条件はパルス幅7μs 、周波
数2KHz 、駆動電圧は発泡電圧の1.2 倍である。この液
体噴射記録ヘッドの式(5) の左辺 の値は上述した当該の数値を代入すると次のようにな
る。該当の数値を第1表に示す。
When the defoaming time of the liquid jet recording head of this example was actually measured, it was 50 μs (microseconds) from the pulse application. However, the driving conditions at that time were a pulse width of 7 μs, a frequency of 2 KHz, and a driving voltage of 1.2 times the foaming voltage. The left side of equation (5) for this liquid jet recording head The value of is as follows by substituting the corresponding numerical value described above. The corresponding numerical values are shown in Table 1.

また、τ=50μsec =50×10-6sec であるから、上式
(5) の右辺の値は次のようになる。
Also, since τ B = 50 μsec = 50 × 10 -6 sec, the above equation
The value on the right side of (5) is as follows.

したがって、 4.35×10-3<1.4 ×10-2であるから、 となり、上式(5) の条件を満足することが分る。 Therefore, since 4.35 × 10 -3 <1.4 × 10 -2 , It can be seen that the condition of the above equation (5) is satisfied.

本実施例の液体噴射記録ヘッドの耐久試験の結果は他の
実施例の結果とともに、後述の第2表に示す。
The results of the durability test of the liquid jet recording head of this embodiment are shown in Table 2 below, together with the results of other embodiments.

第2実施例 第5図は本発明の第2実施例で作成した基板101 の断面
を示す。本図に示すように、本実施例では、Siウエハの
基板支持体105 上にマグネトロンスパッタにより5μm
厚の Al2O3膜を形成して基板101 の下部層106 とし、第
1の上部保護層108 として SiOを1.9 μm 厚にマグネ
トロン型ハイレートスパッタ法により積層した。その他
の基板作成工程、液体噴射記録ヘッドの構造および材
質,寸法等は上述の第1実施例と同一なのでその詳細な
説明は省略する。
Second Embodiment FIG. 5 shows a cross section of a substrate 101 prepared in the second embodiment of the present invention. As shown in the figure, in this embodiment, 5 μm is formed on the substrate support 105 of the Si wafer by magnetron sputtering.
A thick Al 2 O 3 film was formed as a lower layer 106 of the substrate 101, and SiO 2 was laminated as a first upper protective layer 108 to a thickness of 1.9 μm by a magnetron high rate sputtering method. The other substrate forming steps, the structure and material of the liquid jet recording head, the dimensions, and the like are the same as those in the above-described first embodiment, and a detailed description thereof will be omitted.

このようにして作成した本実施例の液体噴射記録ヘッド
の消泡時間を第1実施例と同一の条件で測定したとこ
ろ、パルス印加から50μs であった。この液体噴射記録
ヘッドの式(5) の左辺 の値は、第1実施例と同様に計算すると、 4.29×10-3となる。
When the defoaming time of the liquid jet recording head of this example prepared in this way was measured under the same conditions as in the first example, it was 50 μs from the pulse application. The left side of equation (5) for this liquid jet recording head The value of is calculated to be 4.29 × 10 −3 in the same manner as in the first embodiment.

τ=50μsec =50×10-6sec であるから、 である。Since τ B = 50 μsec = 50 × 10 -6 sec, Is.

したがって、 4.29×10-3<1.4 ×10-2であるから、 の式(5) の条件が成立する。Therefore, since 4.29 × 10 -3 <1.4 × 10 -2 , The condition of Equation (5) is satisfied.

本実施例の液体噴射記録ヘッドの耐久試験の結果は他の
実施例の結果とともに後述の第2表に示す。
The results of the durability test of the liquid jet recording head of this embodiment are shown in Table 2 below together with the results of other embodiments.

第3実施例 第6図は本発明の第3実施例で作成した基板101 の断面
を示す。本図に示すように、本実施例では、Siウエハの
基板支持体105 上に熱酸化により10μm 厚の SiO膜を
形成して、基板101 の下部層106 としている。その他の
基板作成工程、液体噴射記録ヘッドの構造および材質寸
法等は上述の第1実施例と同一なのでその詳細な説明は
省略する。
Third Embodiment FIG. 6 shows a cross section of a substrate 101 prepared in the third embodiment of the present invention. As shown in this figure, in this embodiment, a SiO 2 film having a thickness of 10 μm is formed on a substrate support 105 of a Si wafer by thermal oxidation to form a lower layer 106 of the substrate 101. The other substrate forming steps, the structure and material dimensions of the liquid jet recording head, etc. are the same as those in the above-described first embodiment, and detailed description thereof will be omitted.

このようにして作成した本実施例の液体噴射記録ヘッド
の消泡時間を第1実施例と同一の条件で測定したとこ
ろ、パルス印加から50μs であった。この液体噴射記録
ヘッドの式(5) の左辺 の値は、第1実施例と同様に計算すると、 1.37×10-2 となる。
When the defoaming time of the liquid jet recording head of this example prepared in this way was measured under the same conditions as in the first example, it was 50 μs from the pulse application. The left side of equation (5) for this liquid jet recording head The value of is 1.37 × 10 -2 when calculated in the same manner as in the first embodiment.

τ=50μsec =50×10-6sec であるから、上式(5) の
右辺の値は次のようになる。
Since τ B = 50 μsec = 50 × 10 -6 sec, the value on the right side of the above equation (5) is as follows.

したがって、 1.37×10-2<1.4 ×10-2 であるから、 となり、上式(5) の条件を満すこととなる。 Therefore, since 1.37 × 10 -2 <1.4 × 10 -2 , Therefore, the condition of the above equation (5) is satisfied.

本実施例の液体噴射記録ヘッドの耐久試験の結果は他の
実施例の結果とともに、後述の第2表に示す。
The results of the durability test of the liquid jet recording head of this embodiment are shown in Table 2 below, together with the results of other embodiments.

第1比較例 上述の第1〜第3実施例と比較するために、上式(5) の
条件を満足しない液体噴射記録ヘッドの発熱抵抗体の例
を第7図に示す。本図に示すように、この第1比較例で
はSiウエハの基板支持体105 上に熱酸化により15μm 厚
の SiO膜を形成して基板101 の下部層106 とし、この
下部層106 上にスパッタにより HfBの発熱抵抗層107
を1500Åの厚みに形成し、また、第1の上部保護層108
として SiOを2.5 μm 厚にマグネトロン型ハイレート
スパッタ法により積層した。その他の基板作成工程、液
体噴射記録ヘッドの構造および材質・寸法等は上述の第
1実施例と同一なので、その詳細な説明は省略する。
First Comparative Example FIG. 7 shows an example of a heating resistor of a liquid jet recording head which does not satisfy the condition of the above expression (5) for comparison with the above-mentioned first to third embodiments. As shown in the figure, in this first comparative example, a 15 μm thick SiO 2 film was formed on a substrate support 105 of a Si wafer by thermal oxidation to form a lower layer 106 of the substrate 101, and sputtering was performed on the lower layer 106. By HfB 2 heating resistance layer 107
To a thickness of 1500Å, and the first upper protective layer 108
As a result, SiO 2 was laminated to a thickness of 2.5 μm by a magnetron type high rate sputtering method. The other substrate forming steps, the structure, material, dimensions, etc. of the liquid jet recording head are the same as those in the above-described first embodiment, and therefore detailed description thereof will be omitted.

このように作成した第1比較例の液体噴射記録ヘッドの
消泡時間を第1実施例と同一条件で測定したところ、パ
ルス印加から50μs であった。この液体噴射記録ヘッド
の式(5) の左辺 の値は第1実施例と同様に計算すると、 2.0 ×10-2 となる。
When the defoaming time of the liquid jet recording head of the first comparative example prepared in this way was measured under the same conditions as in the first example, it was 50 μs from the pulse application. The left side of equation (5) for this liquid jet recording head The value of is 2.0 × 10 -2 when calculated in the same manner as in the first embodiment.

τ=50μsec =50×10-6sec であるから、 である。Since τ B = 50 μsec = 50 × 10 -6 sec, Is.

したがって、 2.0 ×10-2>1.4 ×10-2 であるから、 となり、式(5) の条件を満足することができないことが
分る。
Therefore, since 2.0 × 10 -2 > 1.4 × 10 -2 , Therefore, it can be seen that the condition of equation (5) cannot be satisfied.

本比較例の液体噴射記録ヘッドの耐久試験の結果は他の
実施例の結果とともに、下記の第2表に示す。
The results of the durability test of the liquid jet recording head of this comparative example are shown in the following Table 2 together with the results of other examples.

第2比較例 第8図(A),(B) は本発明のヘッドに対する第2比較例と
して作成したヘッドの基板を示す。本図に示すように本
比較例が他の実施例と特に異なる点はヒータ(熱発生部
111)の形状である。また、Siウエハの基板支持体105
上に熱酸化により5μm 厚の SiOを形成して基板101
の下部層としている。その他の基板作成工程、液体噴射
記録ヘッドの構造および材質,寸法等は上述の第2実施
例と同一なのでその詳細な説明は省略する。
Second Comparative Example FIGS. 8A and 8B show a substrate of a head prepared as a second comparative example for the head of the present invention. As shown in this figure, this comparative example is different from the other examples in that the heater (heat generation part
111). Also, the substrate support 105 of the Si wafer
Substrate 101 is formed by forming 5 μm thick SiO 2 on top by thermal oxidation.
As the lower layer. The other substrate forming steps and the structure, material, dimensions and the like of the liquid jet recording head are the same as those in the second embodiment described above, and thus detailed description thereof will be omitted.

吐出周波数応答性において、第1〜第3実施例および第
1比較例が20KHz の吐出周波数応答であるのに比べて、
第2比較例は、5KHzの吐出周波数では泡が不安定であ
り、吐出体積も不安定になり、その結果印字品質が悪化
する。
Regarding the ejection frequency response, compared with the ejection frequency response of 20 KHz in the first to third examples and the first comparative example,
In the second comparative example, bubbles are unstable at a discharge frequency of 5 KHz, and the discharge volume is also unstable, resulting in poor print quality.

また、第2比較例の液体噴射記録ヘッドの耐久試験の結
果は、他の実施例および比較例の結果とともに後述の第
2表に示す。
The results of the durability test of the liquid jet recording head of the second comparative example are shown in Table 2 below together with the results of the other examples and comparative examples.

耐久試験結果例 第1〜第3実施例および第1,2比較例の液体噴射記録
ヘッドの耐久試験の結果を第2表に示す。
Durability test result example Table 2 shows the results of the durability test of the liquid jet recording heads of the first to third examples and the first and second comparative examples.

なお、駆動条件は、第1実施例において述べたように、
駆動電圧が発泡電圧の1.2 倍であり、そのパルス幅7μ
s 、周波数2KHz である。
The driving conditions are, as described in the first embodiment,
The driving voltage is 1.2 times the foaming voltage and its pulse width is 7μ
s, the frequency is 2 KHz.

第2表から明らかなように、第1〜第3実施例は実用上
満足できる耐久性を示している。しかしながら、第1比
較例は実用上満足できない耐久性となっている。また、
第2比較例は実用上満足できない耐久性および印字品質
となっている。
As is clear from Table 2, the first to third examples show practically satisfactory durability. However, the first comparative example has practically unsatisfactory durability. Also,
The second comparative example has durability and print quality that are not practically satisfactory.

したがって熱発生部111 と電極101,103 間を第1図に示
すような角のない形状にし、かつ式(5) の の条件を満足させれば、実用上満足できる耐久性および
印字品質を有する液体噴射記録ヘッドを得ることができ
る。
Therefore, the shape between the heat generating part 111 and the electrodes 101, 103 should be as shown in FIG. By satisfying the above condition, a liquid jet recording head having practically satisfactory durability and print quality can be obtained.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、液体噴射記録ヘ
ッドの発熱抵抗体の形状を角のないものにし、その膜構
成を、その下部層と基板との境界から測った発熱抵抗体
層の位置xにおける熱伝導率をk(x),比熱をc(x),密度
ρ(x) とし、発熱抵抗体の厚さをL、気泡の寿命をτ
としたときに、 の条件を満足するようにして材質および層厚を設定して
行うようにしたので、気泡消滅時までに発熱抵抗体の温
度が十分に下がり切り、気泡の消滅の遅れ、泡の残存や
2次的な気泡の発生の問題が解消され、その気泡にもと
づく発熱抵抗体の酸化やキャビテーション等による破損
が防止されるので、従来に比べて実用上十分に満足でき
る格段の高耐久性と高品質記録性とを有する液体噴射記
録ヘッドを得ることができる効果がある。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, the heating resistor of the liquid jet recording head has no corner, and the film structure is measured from the boundary between the lower layer and the substrate. The heat conductivity at the position x of the heating resistor layer is k (x), the specific heat is c (x), the density is ρ (x), the thickness of the heating resistor is L, and the life of bubbles is τ B
And when Since the material and layer thickness are set so as to satisfy the conditions described in 1., the temperature of the heating resistor has fallen sufficiently by the time the bubbles disappear, delaying the disappearance of the bubbles, remaining bubbles and secondary The problem of the generation of bubbles is solved, and the oxidation of the heating resistor due to the bubbles and damage due to cavitation, etc. are prevented. There is an effect that it is possible to obtain a liquid jet recording head having excellent properties.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図〜第3図は本発明の第1実施例の基板作成の工程
を示し、第1図,第2図(A) ,第3図(A) はその平面
図、第2図(B) ,第3図(B) は対応する各図(A) のX-Y
線に沿う断面図、 第4図は第1実施例の液体噴射記録ヘッドの完成時の内
部構成を示す斜視図、 第5図は本発明の第2実施例の基板の構成を示す断面
図、 第6図は本発明の第3実施例の基板の構成を示す断面
図、 第7図は第1比較例の基板の構成を示す断面図、 第8図(A),(B) は第2比較例の基板の構成を示す平面図
および断面図、 第9図は本発明にかかわる発熱抵抗体の形状例を示す平
面図、 第10図は従来の一般的な発熱抵抗体の形状例を示す平面
図である。 101 ……基板、 102 ……発熱部分、 103 ……共通電極、 104 ……選択電極、 105 ……基板支持体、 106 ……下部層、 107 ……発熱抵抗体層、 108 ……第1の上部保護層、 109 ……第3の上部保護層、 110 ……第2の上部保護層、 111 ……熱発生部、 401 ……液流路、 402 ……オリフィス、 403 ……インク流路壁、 404 ……共通液室、 405 ……天井板、 406 ……インク供給口。
FIGS. 1 to 3 show the steps of producing a substrate according to the first embodiment of the present invention, and FIGS. 1, 2 (A) and 3 (A) are plan views and FIG. 2 (B). ), Fig. 3 (B) is the XY of each corresponding diagram (A).
4 is a sectional view taken along the line, FIG. 4 is a perspective view showing the internal structure of the liquid jet recording head of the first embodiment when completed, and FIG. 5 is a sectional view showing the structure of the substrate of the second embodiment of the present invention. FIG. 6 is a sectional view showing the structure of the substrate of the third embodiment of the present invention, FIG. 7 is a sectional view showing the structure of the substrate of the first comparative example, and FIGS. 8 (A) and 8 (B) are the second parts. FIG. 9 is a plan view showing a configuration of a substrate of a comparative example and a cross-sectional view, FIG. 9 is a plan view showing a shape example of a heating resistor according to the present invention, and FIG. 10 is a shape example of a conventional general heating resistor. It is a top view. 101 ... substrate, 102 ... heating part, 103 ... common electrode, 104 ... selection electrode, 105 ... substrate support, 106 ... lower layer, 107 ... heating resistor layer, 108 ... first Upper protective layer, 109 ...... Third upper protective layer, 110 …… Second upper protective layer, 111 …… Heat generation part, 401 …… Liquid flow path, 402 …… Orifice, 403 …… Ink flow path wall , 404 ... common liquid chamber, 405 ... ceiling plate, 406 ... ink supply port.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小室 博和 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−73588(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Hirokazu Komuro 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc. (56) Reference JP-A-62-73588 (JP, A)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】液体吐出用のオリフィスに連通して前記液
体に熱エネルギーを与えて該液体中に気泡を形成させる
熱作用部と、前記熱エネルギーを発生する発熱抵抗体と
を有する液体噴射記録ヘッドにおける前記発熱抵抗体に
おいて、該抵抗体表面上に直角座標系X-Y をとり、φ
(x,y) を抵抗体表面上の点(x,y) におけるポテンシャル
値とし、該抵抗体の周囲境界のうち、一方の電極に接す
る部分にある値の境界値を与え、他方の電極に接する部
分に前記境界値とは異なる値の境界値を与え、どちらの
電極にも接していない部分に前記周囲境界の法線方向に
対するφの微分係数が0である境界条件を与え、発熱抵
抗体領域を対象としてラプラス方程式∂φ/∂x
φ/∂y=0を解いたとき、φの傾きの大きさ の最大値と抵抗体中央における との比が1.8 以下である形状の発熱抵抗体を有する液体
噴射記録ヘッドにおいて、 前記発熱抵抗体を、基板上に下部層,発熱抵抗体層およ
び上部層の順に積層して形成し、かつ前記下部層と前記
基板の境界から前記熱作用部に向かって層方向に測った
位置xにおける物質の熱伝導率をk(x) ,比熱をc(x),
密度をρ(x) 、前記発熱抵抗体の全体の厚さをLおよび
前記熱エネルギーを加え始めてから前記気泡が消失する
までの時間をτとしたときに、次式 が成立するように前記発熱抵抗体の材質および厚さを設
定したことを特徴とする液体噴射記録ヘッド。
1. A liquid jet recording having a heat acting portion communicating with an orifice for ejecting liquid to apply heat energy to the liquid to form bubbles in the liquid, and a heating resistor generating the heat energy. In the heating resistor of the head, a rectangular coordinate system XY is set on the resistor surface, and φ
Let (x, y) be the potential value at the point (x, y) on the resistor surface, and give the boundary value of the value at the part of the peripheral boundary of the resistor that is in contact with one electrode, and the other electrode A boundary value different from the boundary value is given to the contacting portion, and a boundary condition in which the derivative of φ with respect to the normal direction of the peripheral boundary is 0 is given to the portion not in contact with either electrode. Laplace equation ∂ 2 φ / ∂ x 2
When ∂ 2 φ / ∂y 2 = 0 is solved, the magnitude of the inclination of φ The maximum value of In a liquid jet recording head having a heating resistor having a shape having a ratio of 1.8 or less, the heating resistor is formed by laminating a lower layer, a heating resistor layer and an upper layer in this order on a substrate, and The thermal conductivity of the substance at the position x measured in the layer direction from the boundary between the lower layer and the substrate toward the heat acting portion is k (x), the specific heat is c (x),
Assuming that the density is ρ (x), the total thickness of the heating resistor is L, and the time from the start of applying the thermal energy to the disappearance of the bubbles is τ B , A liquid jet recording head, wherein the material and the thickness of the heating resistor are set so that
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