JPH09201965A - 発熱抵抗体、インクジェット記録ヘッド用基体、インクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ダブルヒーターを有する、高密度で耐久性に
優れた多値インクジェット記録ヘッドを提供する。 【解決手段】 熱エネルギーを用いて吐出口からインク
を吐出して記録媒体に記録を行うインクジェット記録ヘ
ッドにおいて、発熱抵抗体（抵抗層１０４）がＴａＮ
_0.8 の結晶構造を含むことを特徴とする多値インクジェ
ット記録ヘッド。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、熱エネルギーを利
用して液体、例えばインクを吐出、好ましくは飛翔させ
て、普通紙、加工紙、布、ＯＨＰ用紙等の媒体に所望の
画像を形成するためのインクジェット記録ヘッド及びイ
ンクジェット記録装置、更に、インクジェット記録ヘッ
ド用発熱抵抗体、及びインクジェット記録ヘッド用発熱
部材（基体）に関し、特に、ノズル内に複数の発熱素子
を有する多値インクジェット記録ヘッドの高密度化の実
現と発熱抵抗体がＴａＮ_0.8 の結晶構造を含むことで耐
久性、発熱状態の安定化を達成できるヘッドに関する。
本発明のインクジェット記録ヘッドは、プリンタ、ファ
クシミリや複写機、あるいは複合機等の各種の出力機能
を持つ機器や、それを用いて所望記録を所望媒体にプリ
ントするシステムにも適用可能である。

【０００２】

【従来の技術】熱エネルギーを利用してインクを吐出、
好ましくは飛翔させて、普通紙、加工紙、布、ＯＨＰ用
紙等の媒体に所望の画像を形成するための記録装置とし
ては、インクジェット方式が有効であることが確認され
ている。中でも、バブルジェット方式は膜沸騰をインク
に対して生じせしめ、インク滴を吐出させて、安定した
オンデマンド記録を達成できるもので、その基本的な特
許としては米国特許第４，８４９，７７４号明細書（西
ドイツ登録第２８４３０６４号明細書）に記載されたも
のがある。

【０００３】この特許には、インク吐出用発熱抵抗体の
例として窒化タンタル（tantalum nitride）、ＨｆＢ₂
等が挙げられている。これらの基本的な特許が完成する
段階では、これらの発熱抵抗体は、当時（１９７７年以
前）の水準でのプリント速度やプリント条件を満足させ
ていた。しかし、１０〜６４等の多数の吐出口に対する
安定化や耐久性等の近年（１９８３年以降現在）の市場
要求を満足して実用化されているものは、窒化タンタル
ではなく、ＨｆＢ₂ やＴａＡｌに限られている。つま
り、上記公報で認識されていた窒化タンタルは、米国特
許第３，２４２，００６号明細書に記載されているよう
な、ＴａＮ抵抗体単体、Ｔａ₂ Ｎ抵抗体単体あるいはこ
れらを混在させた抵抗体に過ぎなかった。

【０００４】窒化タンタルを発熱抵抗体として使用し、
感熱紙やインクリボンに直接接触するサーマルヘッドに
関する公知資料は数多くある。しかし、この発熱抵抗体
は、上記米国特許第３，２４２，００６号明細書におい
て開示される抵抗体と同等である。特殊なものとして
は、米国特許第４，７３７，７０９号明細書に記載され
ている（１０１）方向に配向されたＴａ₂ Ｎ発熱抵抗体
がある。この米国特許の発明は、Ｔａ₂ Ｎ発熱抵抗体の
中でも配向性に注目し、耐久性を向上できるものとして
（１０１）方向の配向のＴａ₂ Ｎ発熱抵抗体を採用した
ものである。

【０００５】ここで注目すべきは、サーマルヘッドでは
主として実用化されているＴａＮ発熱抵抗体が、インク
ジェット記録ヘッドには実用化されていない現状が存在
することである。この現実を検討すると、以下の理由を
挙げることができる。即ち、サーマルヘッドでは、発熱
抵抗体に印加される電力は１ｍｓｅｃの間に１Ｗ程度で
あるのに対して、インクジェット記録ヘッドでは、短時
間にインクを気化させるために、例えば７μｓｅｃの間
に３Ｗ以上４Ｗ以下の電力を発熱抵抗体に印加すること
になる。これは、サーマルヘッドの発熱抵抗体に印加す
る電力の数倍の大きさである。したがって、従来の窒化
タンタル（ＴａＮ抵抗体単体、Ｔａ₂ Ｎ抵抗体単体ある
いはこれらを混在させた抵抗体）をインクジェット記録
ヘッドの発熱抵抗体として使用して駆動すると、この発
熱抵抗体は電力の印加により短期間でその抵抗値が大き
くなる傾向を示す。この抵抗値変化は、サーマルヘッド
でも多少見られるが画像の急激な劣化を引き起こすもの
ではない。これに対して、インクジェット記録ヘッドで
は、気泡の発生を不安定な状態にして、インク滴自体の
量の減少を招き、その結果として記録品位を低下させて
しまうのである。同様にＴａ₂ Ｎ抵抗体は、同様の電力
印加により逆に抵抗値が著しく減少し、初期的に断線に
至り、ヘッドとしては実用化できないものであることが
わかった。

【０００６】以上の点から、従来知られているサーマル
ヘッドの分野におけるＴａＮ発熱抵抗体は、現実的には
近来のインクジェットヘッドには実用化されておらず、
その実用レベルでは、主としてＨｆＢ₂ が使用されてい
る。

【０００７】そのような中で、インクジェット記録ヘッ
ドに関しては、特公昭６２−４８５８５号公報に記載さ
れているようにノズル内に複数の発熱素子を設けた多値
出力のカラーインクジェットヘッドが考案されている。
例えば、ノズル内に２つの発熱素子を設けてそれぞれ個
別に駆動ドライバに接続し、独立駆動できるように構成
し、さらに素子サイズを、例えば１：２のように別にす
る。このとき、小ヒーターによる印字ドットを１とすれ
ば、大ヒーターによる印字ドットは２となり、両ヒータ
ーを同時に駆動させると印字ドットは４となることを利
用して、１ノズルで４値の諧調性を得ようとするもので
ある。この素子構成を以下ダブルヒーターと称する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ＨｆＢ₂ は、上記窒化
タンタル（ＴａＮ単体、Ｔａ₂ Ｎ_hex 単体）に比べて、
インクジェット記録ヘッドの発熱抵抗体の材料として実
用化水準を満足するものとして評価され使用されてはい
るものの、更なる市場要求を満足するに足るレベルを安
定して得ることが難しく、本発明者達によって、特に、
多値出力のインクジェット記録ヘッドには、不都合な問
題点があることが見い出された。

【０００９】すなわち、ＨｆＢ₂ 膜は、通常ＲＦスパッ
タリング法により作製されるが、ＨｆＢ₂ は不純物が１
％以上含まれているため抵抗体に欠陥発生確率が高く、
ヒーター耐久性のばらつきが大きい、更にダブルヒータ
ーでは、同じ印字密度を得るために、従来のヘッドの発
熱素子が１回駆動する間に、２回駆動しなければならな
い。しかも、ダブルヒーターは数μｍのギャップで隣接
しているため、お互いの発熱の影響を大きく受け、その
結果、発熱素子への熱ストレスが非常に大きくなり、Ｈ
ｆＢ₂ では従来素子の１／２以下の耐久性しかないこと
がわかった。

【００１０】さらに、ダブルヒーターの場合、ヒーター
に１：１の駆動トランジスタが必要でありノズル密度の
倍の素子密度がトランジスタに要求される。例えば３６
０ＤＰＩであれば３５μｍであり、９００ＤＰＩであれ
ば１５μｍとなる。従来の発熱素子はバイポーラトラン
ジスタが一般的であり、ノズル方向の素子密度は、せい
ぜい７０μｍであった。それ以上素子密度を上げる場合
には、トランジスタを２段構成にする等の工夫が必要で
あって、そのような場合、配線が複雑になり、ヘッド基
体の形状が大きくなってしまうことがわかった。

【００１１】以上から、本発明の主たる目的は、多値イ
ンクジェット記録ヘッド用のダブルヒーターについて前
述した諸問題を解決し、高密度で耐久性に優れたインク
ジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装置を提供
することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は、１
ノズル内に複数の発熱素子が設けられる多値出力ヘッド
であり、発熱抵抗体からの熱エネルギーを用いて吐出口
からインクを吐出して記録媒体に記録を行うインクジェ
ット記録ヘッドにおいて、前記発熱抵抗体が、ＴａＮ
_0.8 の結晶構造を含むことを特徴とするインクジェット
記録ヘッドにより達成できる。

【００１３】また、本発明は、ＴａＮ_0.8 の結晶構造を
含むことを特徴とするインクジェット記録ヘッド用発熱
抵抗体、この発熱抵抗体を備えることを特徴とするイン
クジェット記録ヘッド用基体、発熱素子の駆動トランジ
スタがＮーＭＯＳトランジスタである上記本発明のイン
クジェット記録ヘッド、及び、記録媒体の被記録面に対
してインクを吐出する吐出口が設けられている上記本発
明のインクジェット記録ヘッドと該ヘッドを載置するた
めの部材とを少なくとも具備する事を特徴とするインク
ジェット記録装置をも包含する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態に
ついて説明する。

【００１５】図１は、本発明のインクジェット記録ヘッ
ド用基体１００のインク路に相当する部分の断面構成を
示す模式的断面図である。図１中、１０１はシリコン基
板、１０２は蓄熱層であるところの熱酸化膜を示す。１
０３は蓄熱層を兼ねる層間膜であるところのＳｉＯ膜ま
たはＳｉＮ膜、１０４は抵抗層、１０５はＡｌまたはＡ
ｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ等のＡｌ合金配線、１０６は保護
膜であるところのＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜またはＳｉＯ膜を
示す。１０７は抵抗層１０４の発熱に伴う化学的、物理
的衝撃から保護膜１０６を守るための耐キャビテーショ
ン膜である。１０８は、電極配線１０５が形成されてい
ない領域の抵抗層１０４の熱作用部である。

【００１６】抵抗層１０４は、機能素子としての発熱抵
抗体を電極としての配線１０５間に位置せしめる層であ
る。本発明は抵抗層１０４により構成さえれる発熱抵抗
体がＴａＮ_0.8 の結晶構造を含むことを特徴としてい
る。これは、例えば、ＴａＮ_{0. 8} 及びＴａ₂ Ｎを含み、
より好ましくはそのＴａＮ_0.8 が１７ｍｏｌ％以上１０
０ｍｏｌ％未満であるかあるいは、ＴａＮ_0.8 及びＴａ
Ｎを含み、より好ましくはそのＴａＮ_0.8 が２０ｍｏｌ
％以上１００ｍｏｌ％未満である。製法としては、例え
ば、タンタル（Ｔａ）材料（純度９９．９９％）をター
ゲットに使用し、アルゴンガス（Ａｒ）及び窒素ガス
（Ｎ₂ ）をスパッタリングガスに使用し、Ｎ ₂ 分圧、雰
囲気温度及び基板温度をそれぞれ所定範囲にコントロー
ルして反応性スパッタリング法により前記タンタルター
ゲットを前記スパッタリングガスでスパッタすることに
より、ＴａＮ_0.8 を有する微細な多結晶質膜が得られ
る。このＴａＮ_0.8 を有する膜をダブルヒーター用発熱
抵抗体に使用すれば、該発熱抵抗体は、長期の連続使用
にあっても抵抗値の変動は極めて少なく、長寿命で信頼
性の高いものとなる。図１の例では発熱抵抗体部分は無
論のこと、抵抗層１０４全体がＴａＮ_0.8 を含む構成と
なっている。このＴａＮ_0.8 を含む発熱抵抗体は、製造
上のばらつきが少なく、同一基板（あるいは基体）に多
数の発熱抵抗体を形成しても、機能効果の安定性が得ら
れる。さらに、通電を各種の条件で行っても、抵抗変化
が少なく、多数の発熱抵抗体夫々の機能が安定して同等
の作用を発揮することができる。

【００１７】図２は、図１の基体構成を応用したダブル
ヒーターをレイアウトしたインクジェット記録ヘッド用
基体の１ノズル分の要部上面図である。ダブルヒーター
は、図１の構成を発熱抵抗体２０１として備えており、
２０１、２０２、２素子１組のｓｅｇｍｅｎｔで１ノズ
ル用である。ダブルヒーター２素子間は、数μｍで構成
されている。２０１と２０２は、個別に駆動ドライバ２
０３と２０４に接続されている。２０３は電力供給ライ
ンである。

【００１８】図３は、インクジェット記録ヘッド基体の
等価回路である。図３中、１ノズル内に構成されるダブ
ルヒーター（発熱抵抗体２０１、２０２）と駆動トラン
ジスタであるＮ−ＭＯＳトランジスタ３０１の他、ＣＭ
ＯＳトランジスタで構成される駆動信号処理のためのシ
フトレジスタ３０２、データを保持するラッチ３０３、
ノズルをブロック分割するためのブロック選択信号３０
４及びそれらのデータと駆動パルス信号３０５をＡＮＤ
する３０６等から構成される。さらに、温度調整用サブ
ヒーター３０７、温度センサー３０８、ヒーターの抵抗
値モニター用ヒーター３０９などが構成されている。こ
れら駆動素子は、半導体技術によりＳｉ基板に形成さ
れ、熱作用部が同一基板に更に形成される。

【００１９】図４に、基体の主要素子を縦断するよう切
断した時の模式的断面図を示す。Ｐ導電体のＳｉ基板４
０１上に、一般的なＭＯＳプロセスを用いイオンプラン
テーション等の不純物導入及び拡散によりＮ型ウエル領
域４０２にＰ−ＭＯＳ４５０、Ｐ型ウエル領域４０３に
Ｎ−ＭＯＳ４５１が構成される。Ｐ−ＭＯＳ４５０及び
Ｎ−ＭＯＳ４５１は、それぞれ厚さ数百オングストロー
ムのゲート絶縁膜４０８を介して４０００オングストロ
ーム以上５０００オングストローム以下の厚さにＣＶＤ
法で堆積したｐｏｌｙ−Ｓｉによるゲート配線４１５及
びＮ型あるいはＰ型の不純物導入をしたソース領域４０
５、ドレイン領域４０６等で構成され、それらＰ−ＭＯ
ＳとＮ−ＭＯＳによりＣ−ＭＯＳロジックが構成され
る。また、素子駆動用Ｎ−ＭＯＳトランジスタは、やは
り不純物導入及び拡散等の工程によりＰ−ウエル基板中
にドレイン領域４１１、ソース領域４１２、及びゲート
配線４１３等で構成される。

【００２０】ここで、素子駆動ドライバに、Ｎ−ＭＯＳ
トランジスタを使うと、１つのトランジスタを構成する
ドレインゲート間の距離Ｌは、最小値で約１０μｍであ
りダブルヒーターでも十分９００ＤＰＩ以上の密度が可
能である。１０μｍの内訳は、ソースとドレインのコン
ダクト４１７が２×２μｍであるが、実際の半分は隣の
トランジスタと兼用なのでその１／２で、２μｍであ
り、コンダクト４１７とゲート４１３間が２×２μｍで
４μｍ、ゲート４１３が４μｍであり、計１０μｍとな
る。また、各素子間は、５０００オングストローム以上
１００００オングストローム以下の厚さのフィールド酸
化により、酸化膜分離領域４５３を形成し、素子分離さ
れている。このフィールド酸化膜は、熱作用部１０８下
においては一層目蓄熱層４１４として作用する。

【００２１】各素子が形成された後、層間絶縁膜４１６
が約７０００オングストロームの厚さにＣＶＤ法による
ＰＳＧ、ＢＰＳＧ等で堆積され、熱処理により平坦化処
理等をされてからコンタクトホールを介し、一層目Ａｌ
電極４１７（コンダクト）により配線が行われている。
その後、プラズマＣＶＤ法によるＳｉＯ等の層間絶縁膜
４１８を１００００オングストローム以上１５０００オ
ングストローム以下の厚さに堆積し、更にスルーホール
を介して、抵抗層１０４として約１０００オングストロ
ームの厚さの本発明にかかるＴａＮ_{0.8 hex} 膜をＤＣス
パッタ法により形成する。その後、各発熱体への配線と
なる二層目Ａｌ電極を形成する。次に、保護膜１０６と
しては、プラズマＣＶＤによるＳｉＮ膜が、約１０００
０オングストロームの厚さに成膜される。最上層には耐
キャビテーション膜１０７としてＴａ等で約２０００オ
ングストロームの厚さに堆積される。

【００２２】記録ヘッド基体完成後は、図５に示すよう
に、インクの吐出のための吐出口等が形成されてインク
ジェット記録ヘッドとなる。図５中、１００は基体、１
１０は発熱部、５００は吐出口、５０１は液路壁部材、
５０２は天板、５０３はインク供給口、５０４は共通液
室、５０５は液路、５０６は配線、５１０は記録ヘッド
である。図６は、インクジェットヘッドの発熱素子の駆
動と発泡とインク液滴の吐出模式図である。図６中、６
０１はインク吐出液、６０２は発泡、６０３はインク、
６０４は駆動手段、６０５はシフトレジスタ、２０７は
インク吐出口である。

【００２３】本発明のインクジェット記録ヘッドに適用
し得る記録用の液体（インク）としては様々なものが使
用可能であるが、一般的には、染料０．５ｗｔ％〜２０
ｗｔ％、（多価）アルコール、ポリアルキレングリコー
ル等の水溶性有機溶剤１０ｗｔ％〜９０ｗｔ％のインク
組成を持つものを好ましく用いることができ、その具体
的なインク組成の一例としては、Ｃ．Ｉ．フードブラッ
ク２を３ｗｔ％、ジエチレングリコールを２５ｗｔ％、
Ｎ−メチル−２−ピロリドンを２０ｗｔ％、水を５２ｗ
ｔ％とする構成を挙げることができる。

【００２４】次に、本発明の記録ヘッドを用いたインク
ジェット記録装置について図７を参照して説明する。図
７は本発明が適用されるインクジェット記録装置２１０
０の一例を示す概観斜視図である。

【００２５】記録ヘッド２２００は、駆動モータ２１０
１の正逆回転に連動して駆動力伝達ギア２１０２、２１
０３を介して回転するリードスクリュー２１０４の螺旋
溝２１２１に対して係合するキャリッジ２１２０上に搭
載されており、前記駆動モータ２１０１の動力によって
キャリッジ２１２０とともにガイド２１１９に沿って矢
印ａ、ｂ方向に往復移動される。図示しない記録媒体給
送装置によってプラテン２１０６上に搬送される記録用
紙Ｐ用の紙押え板２１０５は、キャリッジ移動方向にわ
たって記録用紙Ｐをプラテン２１０６に対して押圧す
る。

【００２６】２１０７、２１０８はフォトカプラであ
り、キャリッジ２１２０のレバー２１０９のこの域での
存在を確認して駆動モータ２１０１の回転方向切換等を
行うためのホームポジション検知手段である。２１１０
は上述の記録ヘッド２１１０の全面をキャップするキャ
ップ部材２１１１を支持する支持部材で、２１１２は前
記キャップ部材２１１１内を吸引する吸引手段で、キャ
ップ内開口２１１３を介して記録ヘッド２２００の吸引
回復を行う。２１１４はクリーニングブレードで、２１
１５はこのブレードを前後方向に移動可能にする移動部
材であり、本体支持板２１１６に、これらは支持されて
いる。クリーニングブレード２１１４は、この形態でな
く周知のクリーニングブレードが本実施例に適用できる
ことはいうまでもない。

【００２７】また、２１１７は、吸引回復の吸引を開始
するためのレバーで、キャリッジ２１２０と係合するカ
ム２１１８の移動に伴って移動し、駆動モータ２１０１
からの駆動力がクラッチ切換等の公知の伝達手段で移動
制御される。前記記録ヘッド２２００に設けられた発熱
部２１１０に信号を付与したり、上述した各機構の駆動
制御を司ったりする記録制御部は、記録装置本体側に設
けられている（不図示）。

【００２８】上述のような構成のインクジェット記録装
置２１００は、前記記録媒体給送装置によってプラテン
２１０６上に搬送される記録用紙Ｐに対し、記録ヘッド
２２００が前記記録用紙Ｐの全幅にわたって往復移動し
ながら記録を行うものであり、記録ヘッド２２００は上
述したような方法で製造したものを用いているため、高
精度で高速な記録が可能である。

【００２９】また、インクジェット記録装置には、記録
ヘッドに対してインクを吐出させるための電気信号を付
与するための電気信号付与手段を有している。また、イ
ンクジェット記録装置としては、上述のような記録媒体
に記録を行う形態だけではなく、布等に模様を描いて記
録する捺染装置も、その一態様である。この捺染装置に
おいては、長い反物に連続して記録を行うため、記録途
中での断線や抵抗値の変動の大きな変動による記録品位
の低下の生じにくい本発明の発熱抵抗体を備えるインク
ジェット記録ヘッドの適用は特に望ましいものである。

【００３０】本発明は、特にインクジェット記録方式の
中でもキャノン（株）の提唱する、熱エネルギーを利用
してインクを吐出す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。

【００３１】その代表的な構成や原理については、例え
ば、米国特許第４，７２３，１２９号明細書、同第４，
７４０，７９６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。

【００３２】この方式はいわゆるオンデマンド型、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一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ーを発生せし
め、記録ヘッドの熱作用面に膜沸騰させて、結果的にこ
の駆動信号に一対一対応し液体（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
くとも一つの滴を形成する。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なわれるの
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４，４６３，３５９号明細書、同第４，
３４５，２６２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、前記熱作用面の温度上昇率に関する
発明の米国特許第４，３１３，１２４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。

【００３３】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
の組み合わせ構成（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４，５５８，３３３号明細書、米国
特許第４，４５９，６００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
熱エネルギーの圧力波を吸収する開口を吐出部に対応さ
せる構成を開示する特開昭５９−１３８４６１号公報に
基づいた構成においても本発明は有効である。

【００３４】さらに、記録装置が記録できる最大記録媒
体の幅に対応した長さを有するフルラインタイプの記録
ヘッドとしては、上述した明細書に開示されているよう
な複数記録ヘッドの組み合わ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一個の記録ヘッドとしての
構成のいずれでもよいが、本発明は、上述した効果を一
層有効に発揮することができる。

【００３５】加えて、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。

【００３６】また、本発明の記録装置の構成として設け
られる、記録ヘッドに対しての回復手段、予備的な補助
手段などを付加することは本発明の効果を一層安定化で
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、加圧あるいは吸引手段、電気熱変換体ある
いはこれとは別の加熱素子あるいはこれらの組み合わせ
による予備加熱手段、記録とは別の吐出を行う予備吐出
モードを行なうことも安定した記録を行うために有効で
ある。

【００３７】さらに、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ってで
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。

【００３８】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体あるい
は、上述のインクジェットではインク自体を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
のであればよい。加えて、積極的に熱エネルギーによる
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
ネルギーとして使用せしめることで防止するか、または
インクの蒸発防止を目的として放置状態で固化するイン
クを用いるかして、いずれにしても熱エネルギーの記録
信号に応じた付与によってインクが液化してインク液状
として吐出す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などのような、熱エネルギーによっ
て初めて液化する性質のインク使用も本発明には適用可
能である。このような場合インクは、特開昭５４−５６
８４７号公報あるいは特開昭６０−７１２６０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
状また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。

【００３９】

【実施例】以下、本発明をより具体的な実施例に基づい
て更に詳細に説明する。

【００４０】一般的に、発熱素子への印加電圧は、膜沸
騰が始まるレベルをＶｔｈとした時、Ｖｔｈの１．２倍
の電圧を印加し、上限は１．３である。ところが、発熱
体材料がＨｆＢ₂ の場合、１．３のＫ値で使用すると、
通常２００００枚の記録が可能なプリンタ本体の寿命と
同等程度の寿命を得る事はできず、更には、ダブルヒー
ター駆動によりインク吐出を行うと、益々ＨｆＢ₂ 発熱
体の寿命が短くなるので、インクタンクとヘッドとが一
体であって記録可能枚数の限られた比較的短寿命の交換
型ヘッドとしての製品化が限界とされている。このよう
な記録ヘッドの使用条件の下における本発明の利点を含
めて、本発明の発熱抵抗体を用いたより好ましい実施例
を説明する。

【００４１】本発明の発熱抵抗体は、図８のＸ線回折パ
ターン（Ｉ）に示すように、主となる結晶として、Ｔａ
Ｎ_{0.8 hex} のピークを有している。ここで、Ｔａ、Ｎの
組成比ｘの好ましい条件を検討すると、ＴａＮ_{0.8 hex}
を有する抵抗体としてＴａ_xＮのｘ値の値が１．０５以
上１．８５以下の間において、図９のＸ線回折パターン
であるＴａＮ_{0.8 hex} と図１０のＸ線回折パターンであ
るＴａ₂ Ｎ_hex とＴａＮ_hex+cubic の３つの結晶構造
が、表１に示すように得られた。

【００４２】

【表１】 表１に示すように、得られた各結晶構造中のＴａとＮと
の各組成比ｘの値は、ＥＰＭＡ（電子プローブマイクロ
アナライザー）、より好ましくはＲＢＳ(Rutherford Ba
ckscattering spectrometry)で測定し、各結晶構造はＸ
線回折法により決定され、ＴａＮ_{0.8 hex} 、Ｔａ₂ Ｎ
_hex 及びＴａＮ_hex+cubic の各量比（ｍｏｌ％）が算出
される。また、各組成比ｘの値の決定は、同一試料を３
回測定してその測定値の平均値とすることにより行っ
た。表１の最下欄には、以下に記載する対応実施例の番
号を示した。

【００４３】〔実施例１〕図１に示した構成を有するイ
ンクジェット記録ヘッド用の基板を以下のようにして作
製した。まず、成膜直前に同一装置内で基板表面をプラ
ズマクリーニングにより該表面を清浄化した。蓄熱層１
０２として熱酸化法によりＳｉＯ₂ を１．２μｍの厚さ
に形成し、更に層間絶縁を兼ねる蓄熱層１０３として、
プラズマＣＶＤ法によりＳｉＯＮを１．２μｍの厚さに
堆積した。

【００４４】次に、抵抗層１０４として、Ｔａ_x Ｎの組
成比ｘの値をｘ＝１．２５にして、図８（Ｘ線回折パタ
ーン（Ｉ））のように、結晶としてＴａＮ_{0.8 hex} のピ
ークのみを示す膜（ＴａＮ_{0.8 hex} １００ｍｏｌ％）を
１０００オングストロームの厚さに形成した。該ＴａＮ
_{0.8 hex} 膜は、反応性スパッタリング法により、窒素ガ
ス分圧比が２４％、アルゴンガスと窒素ガスの混合ガス
の全圧が７．５ｍＴｏｒｒ、スパッタリングＤＣパワー
が２．０ｋＷ、雰囲気温度が２００℃、基板温度が２０
０℃の条件で成膜した。このＴａＮ_{0.8 hex} 膜の上に、
インクを吐出させるために発生する熱エネルギーを供給
するための導電体であるＡｌを５５００オングストロー
ムの厚さにスパッタリング法により堆積させた。該Ａｌ
層は、発熱抵抗体の堆積後、大気中に取り出す前に同一
装置内で連続的にスパッタリングにより成膜した。この
連続成膜により、抵抗層とＡｌ配線とは、不純物や水分
の侵入が抑制されるとともに、両層の密着性が良く信頼
性の高い記録ヘッド基体の作製が可能であった。その
後、前記Ａｌ層とＴａＮ_{0.8 hex} 層とを所定の形状にパ
ターニングした。熱作用部１０８は、図１に示したよう
にＴａＮ_{0.8 hex} 層上のＡｌ層を取り除いた領域であ
る。次に、保護膜１０６として、プラズマＣＶＤ法によ
り、ＳｉＮを１μｍの厚さに堆積させ、その後、耐キャ
ビテーション層１０７として、ＤＣスパッタリング法に
よりＴａ膜を２０００オングストロームの厚さに堆積さ
せて、本発明のインクジェット記録ヘッド用基体を完成
した。

【００４５】ここで、蓄熱層１０３と保護膜１０６は同
一のプラズマＣＶＤ成膜装置を用い、成膜条件を所定の
条件に制御して形成し、さらに、抵抗層１０４と耐キャ
ビテーション層１０７も同一の反応性スパッタリング成
膜装置で同じＴａターゲットを用い、成膜条件を所定の
条件に制御して２種の膜を形成した。これにより成膜装
置数が少なく、装置内のコンタミネーションが少なく、
更にはバッチ開放を極力減らし、歩留りと稼動率の高い
生産プロセスが可能となった。

【００４６】図１１に、ＳＳＴ試験を行ってその結果を
示した。ＳＳＴ試験とは、インク吐出Ｖｔｈに対して、
０．０５Ｖｔｈ毎に印加電圧を上げ各１０００００パル
ス印加し、破断電圧Ｋｂを求める試験である。図１１に
おける実施例１のＴａＮ_{0.8 hex} 膜を発熱抵抗体とした
場合の電気熱変換体の抵抗値の変化は極めて小さく、ま
た、その破断電圧比Ｋ_b （Ｋ_b ＝印加電圧／発泡電圧）
が１．８Ｖｔｈと良好な特性を有している事がわかっ
た。

【００４７】図１２に、最大駆動電圧である１．３Ｖｔ
ｈでのヒートパルス耐久試験（ＣＳＴ試験）の結果を示
す。ＣＳＴ試験は、発熱抵抗体にパルスを印加するだけ
であり、記録ヘッド内にはインクは入っていない。この
実験の結果から、実施例１のＴａＮ_{0.8 hex} 膜を用いた
電気熱変換体は、ほぼ０％の抵抗値変化であることがわ
かった。

【００４８】次に、実施例１の発熱抵抗体を備えるヘッ
ドを作製し、インクジェット記録装置に取り付けて印字
耐久試験を行った結果を説明する。該試験はＡ４の用紙
に該インクジェット記録装置に組み込まれている一般的
なテスト印字パターンを印字させて行なった。この時の
駆動電圧は１．３Ｖｔｈに設定されるよう調整した。実
施例１のＴａＮ_{0.8 hex} は、表２に示すように、印字寿
命が１ページ当たり、１５００文字の標準文書で、２
０，０００枚以上印字可能であり、印字品位も図１３に
印字耐久時の抵抗変化を示すが、ＣＳＴ同様、ほぼ０％
であり、表２に示すように長耐久試験による２０，００
０枚印字後でも印字品位劣化がなかった。この２０，０
００枚の印字耐久寿命は、ほぼプリンターの本体寿命と
同程度である。

【００４９】なお、１５００文字の標準文書１ページ当
り、最大パルスが印加されるノズルの印加パルス数は、
約３×１０⁴ パルスである。従って、２０，０００枚の
印字を行うためには、連続吐出による寿命低下を考慮し
て印加パルス数としては、５×１０⁸ パルス乃至６×１
０⁸ パルスの印加に耐える耐久性があればよいこととな
る。

【００５０】〔実施例２〕実施例１のＴａＮ_{0.8 hex} に
より構成される抵抗層１０４に代えて、表１のｘ値が
１．８５の組成であって、図９に示すようなＸ線回折パ
ターンを示すＴａＮ _{0.8 hex} とＴａ₂ Ｎ_hex の混合され
た実施例２の発熱抵抗体を作成し、これを使用してイン
クジェット記録ヘッドを作製した。図１１のＳＳＴ試験
結果に示すように、実施例２は、破断電圧比Ｋ_b が１．
８Ｖｔｈと良好な結果であった。また、図１２のＣＳＴ
試験結果に示すように、抵抗値の変化が（−）側（抵抗
値が減少する変化）であるため実施例１より寿命が短か
く、５×１０⁸ パルスで発熱体断線が見られたが、記録
ヘッドとしての評価を行ったところ、図１３に示すよう
に少なくとも１０，０００枚以上の印字が可能であっ
た。その際に、印字品位は断線するまで劣化は見られな
かった。

【００５１】〔実施例３〕実施例１のＴａＮ_{0.8 hex} に
より構成される抵抗層に代えて、表１のｘ値が１．０５
の組成であって、図１０に示すようなＸ線回折パターン
を示すＴａＮ_hexとＴａＮ_hex の混合された窒化タンタ
ル膜として実施例３の発熱抵抗体を作成し、これを使用
してインクジェット記録ヘッドを作製した。図１１のＳ
ＳＴ試験結果に示すように、実施例３は、破断電圧比Ｋ
_b が１．８Ｖｔｈと良好な結果であった。また、図１２
のＣＳＴ試験結果に示すように、実施例３は、抵抗値の
変化が（＋）側（抵抗値が増加する変化）へ変化するこ
とがわかり、記録ヘッドとしての評価を行ったところ、
図１３に示すように、２０，０００枚以上の印字が可能
であることがわかった。

【００５２】〔実施例４〜７〕表１のＴａＮ_{0.8 hex} と
Ｔａ₂ Ｎによる発熱抵抗体のＴａＮ_0.8 混合ｍｏｌ比が
８０％の抵抗体を実施例４、ＴａＮ_0.8 混合ｍｏｌ比が
５０％の抵抗体を実施例５、また、ＴａＮ_{0.8 hex} とＴ
ａＮによる発熱抵抗体のＴａＮ_0.8 混合ｍｏｌ比が８０
％の抵抗体を実施例６、ＴａＮ_0.8 混合ｍｏｌ比が５０
％の抵抗体を実施例７として、図１３に各実施例の印字
耐久試験の結果を示す。実施例４及び実施例５の試験結
果は、実施例１と実施例２の間の特性を示していること
がわかった。また、実施例６及び実施例７の試験結果
は、実施例１と実施例３の間の特性を示していることが
わかった。従って、ＴａＮ_0.8 の混合ｍｏｌ比が５０％
以上であると、より一層本発明の効果を安定して奏する
ことができ、より理想的な抵抗体及びインクジェットヘ
ッドを提供できることがわかった。

【００５３】次に、これら実施例の実際の印字枚数を以
下の表２にまとめる。

【００５４】

【表２】 表２の印字耐久試験結果において、印字耐久枚数とは、
発熱抵抗体が断線するまでの印字枚数である。画像品位
に関して、一般に発熱抵抗体の抵抗値は印字字数の増加
と共に増加し、抵抗体に流れる電流が減じて、発熱エネ
ルギーが減少し、その結果寿命が伸びる。しかしなが
ら、発熱抵抗体に流れる電流が減少することで、発熱エ
ネルギーが減少し、その結果、インクの吐出量が減少し
て、印字濃度が薄くなるという印字劣化が発生すること
がある。

【００５５】表２からわかる様に実施例１の発熱体は、
２０，０００枚以上印字でき、しかも品位劣化がなかっ
た。すなわち、実施例１のＴａＮ_{0.8 hex} を用いたイン
クジェット記録ヘッドは、記録画像品位、耐久性共に優
れており、長寿命、高画質化に適している事がわかっ
た。

【００５６】実施例２の発熱体は、プリンタ本体の寿命
までの耐久寿命はないが、１０，０００枚毎に交換する
交換型ヘッド用発熱体としては有効であり、画像品位性
能を持っている事がわかった。

【００５７】実施例３の発熱体の場合、画像品位は劣化
するが、２０，０００枚程度の印字寿命を有する通常の
市販のプリンタと同等以上の耐久寿命があり、耐久面で
非常に良好な特性を持っている事が判り、画像濃度が多
少薄くなるものの、抵抗値が増加することからパーマネ
ント型のインクジェット記録ヘッドとして適しているこ
とがわかった。

【００５８】また、実施例４乃至実施例７のそれぞれの
発熱体は、２０，０００枚以上の印字が行えて、しかも
品位劣化がないという上述の実施例１と同様の結果を得
ることができ、更に特性的には、ＴａＮ_0.8 混合ｍｏｌ
比が高い程、実施例１の良好な特性に近づく事がわかっ
た。

【００５９】以上の点より、ＴａＮ_0.8 とＴａ₂ Ｎとの
混合物であって、ＴａＮ_0.8 の混合ｍｏｌ比が５０％以
上の発熱体を使用した記録ヘッドは、その抵抗体の抵抗
値の変化は見られるものの、２０，０００枚印字しても
発熱体の断線及び記録による画像劣化も無く、通常の市
販のプリンタであれば実施例１同様の使い方ができるこ
とがわかった。ＴａＮ_0.8 の混合比が８０％以上であれ
ば、抵抗値の変化は見られるものの、実施例１と特性差
は確認できない。

【００６０】また、ＴａＮ_0.8 とＴａＮの混合との混合
物であって、ＴａＮ_0.8 の混合ｍｏｌ比が５０％以上の
発熱体を使用した記録ヘッドは、その抵抗体の抵抗値の
変化は見られるものの、２０，０００枚印字しても発熱
体の断線も画像劣化も無く、通常の市販のプリンタであ
れば実施例１同様の使い方ができることがわかった。Ｔ
ａＮ_0.8 の混合比が８０％以上であれば、抵抗値の変化
は見られるものの、実施例１との特性差は確認できな
い。

【００６１】また、表２に示した結果より、多数の発熱
抵抗体を配する記録ヘッドのそれぞれの発熱抵抗体に、
上述の実施例１乃至実施例７の抵抗体を混在させて用い
た場合であっても、交換型の記録ヘッドとしては全く問
題なく使用できる事がわかった。

【００６２】ここで、実施例２及び実施例３のように、
ＴａＮ_0.8 を有しているが従来から知られているＴａ₂
Ｎ、ＴａＮを含む抵抗体について考察する。一般に、従
来の窒化タンタル発熱体の材料として用いられたＴａ₂
Ｎ、ＴａＮ及びＴａ₂ Ｎ／ＴａＮの混合物は、従来技術
で説明したように大きな抵抗値変化のためにインクジェ
ット記録ヘッドとしての耐久性能を持っていないことが
わかっている。これらの抵抗変化のメカニズムは、Ｔａ
₂ Ｎが、高電気エネルギーのパルス印加により、他の膜
層からの酸素で、ＮＯ_x が生成され余ったＴａが金属と
なり、そのＴａ金属が抵抗値を下げていると予想され
る。また、ＴａＮが、パルス印加により周辺の酸素を取
り込んで、ＴａＯ＋ＴａＮの多結晶となり、抵抗値を上
げていると予想される。さらに、Ｔａ₂ Ｎ／ＴａＮの混
合物は、抵抗変化がキャンセルされ、抵抗値変化がない
特性を示すと思われたが、実際には、混合されているＴ
ａ₂Ｎによる抵抗値変化は、自身の抵抗減少とそれによ
る印加エネルギー増加による自乗作用で大きく抵抗値が
減少するため、抵抗値変化特性は、Ｔａ₂ Ｎの特性が支
配的に現れて、その結果、印字によるパルス印加の増加
に伴って抵抗値が増加するというような抵抗値変化を示
すと予想される。

【００６３】これら従来の発熱体に対して、本発明の上
述したＴａＮ_{0.8 hex} を有する抵抗体は、その抵抗値変
化の挙動結果から予想できるように、ＴａＮ_{0.8 hex} が
駆動パルスの印加に対して、Ｔａの酸化もしくは還元を
抑制する結晶構造体であることが予想でき、その結果と
して、ＴａＮ_{0.8 hex} を有さない従来の発熱体からは予
想できない本発明で得られた独自の抵抗値変化を示して
いると認められる。したがって、Ｘ線回折法による測定
でＴａＮ_{0.8 hex} が検出できる窒化タンタル膜は、耐印
加パルスに対し安定であると言える。

【００６４】以上の点から、窒化タンタル膜は、多値用
インクジェット記録ヘッドのダブルヒーター用発熱抵抗
体の材料としては、その膜構造の相違によって適否があ
ることがわかり、本発明によるＴａＮ_0.8 を含む発熱抵
抗体がインクジェット記録ヘッド用の発熱抵抗体として
優れている事がわかった。

【００６５】さらに、ダブルヒーターの駆動素子をＮ−
ＭＯＳトランジスタにすることにより９００ＤＰＩ以上
の高密度でも発熱素子以上の密度で基体上にレイアウト
できるので基体上に効率よくレイアウトできることがわ
かった。

【００６６】

【発明の効果】本発明のＴａＮ_0.8 を有するダブルヒー
ター発熱抵抗体を持ったインクジェット記録ヘッドにお
いては、発熱抵抗体を、長期の連続使用にあっても抵抗
値の変動は極めて少なく、長寿命で信頼性の高いものと
することができ、高密度で高品質の記録を可能にするこ
とができる効果がある。

【００６７】また、本発明によるインクジェット記録ヘ
ッドは、ダブルヒーターの駆動素子をＮ−ＭＯＳトラン
ジスタにすることにより９００ＤＰＩ以上の高密度な多
値ヘッドが構成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェット記録ヘッド用基体の模
式的断面図である。

【図２】本発明のダブルヒーターのレイアウト略図であ
る。

【図３】本発明のインクジェット記録ヘッド用基体の等
価回路である。

【図４】本発明のインクジェット記録ヘッド用基体の主
要素子を縦断する模式的断面図である。

【図５】本発明のインクジェット記録ヘッドの模式的斜
視図である。

【図６】本発明のインクジェット記録ヘッド用基体のダ
ブルパルス駆動発泡模式的断面図である。

【図７】本発明の記録ヘッドを用いたインクジェット記
録装置の一例としての模式的斜視図である。

【図８】実施例１におけるＴａＮ_0.8 発熱抵抗体を形成
する抵抗層のＸ線回折測定パターンである。

【図９】実施例２におけるＸ線回折測定パターンであ
る。

【図１０】実施例３におけるＸ線回折測定パターンであ
る。

【図１１】実施例１〜３におけるＳＳＴ試験の結果を示
す図である。

【図１２】実施例１〜７におけるＣＳＴ試験の結果を示
す図である。

【図１３】実施例１〜７における印字耐久試験の結果を
示す図である。

【符号の説明】

１０１ シリコン基板 １０２ 熱酸化膜 １０３ 層間膜 １０４ 抵抗層 １０５ Ａｌ合金配線 １０６ 保護膜 １０７ 耐キャビテーション膜 １０８ 熱作用部 ６０１ インク吐出液 ６０２ 発泡 ６０３ インク ６０４ 駆動手段

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １ノズル内に複数の発熱素子が設けられ
   る多値出力ヘッドであるインクジェット記録ヘッドに用
   いる発熱抵抗体において、ＴａＮ_0.8 の結晶構造を含む
   ことを特徴とするインクジェット記録ヘッド用発熱抵抗
   体。
2. 【請求項２】 １ノズル内に複数の発熱素子が設けられ
   る多値出力ヘッドであるインクジェット記録ヘッドに用
   いる基体において、ＴａＮ_0.8 の結晶構造を含む発熱抵
   抗体を備えることを特徴とするインクジェット記録ヘッ
   ド用基体。
3. 【請求項３】 １ノズル内に複数の発熱素子が設けられ
   る多値出力ヘッドであり、発熱抵抗体からの熱エネルギ
   ーを用いて吐出口からインクを吐出して記録媒体に記録
   を行うインクジェット記録ヘッドにおいて、 前記発熱抵抗体が、ＴａＮ_0.8 の結晶構造を含むことを
   特徴とするインクジェット記録ヘッド。
4. 【請求項４】 前記発熱抵抗体が、ＴａＮ_0.8 のみの結
   晶構造で構成される請求項３記載のインクジェット記録
   ヘッド。
5. 【請求項５】 前記発熱抵抗体が、ＴａＮ_0.8 及びＴａ
   Ｎの結晶構造を含む請求項３記載のインクジェット記録
   ヘッド。
6. 【請求項６】 前記発熱抵抗体が、ＴａＮ_0.8 及びＴａ
   ₂ Ｎの結晶構造を含む請求項３記載のインクジェット記
   録ヘッド。
7. 【請求項７】 発熱素子の駆動トランジスタが、ＮーＭ
   ＯＳトランジスタである請求項３〜６の何れか一項記載
   のインクジェット記録ヘッド。
8. 【請求項８】 記録媒体の被記録面に対してインクを吐
   出する吐出口が設けられている請求項３〜７の何れか一
   項記載のインクジェット記録ヘッドと、該ヘッドを載置
   するための部材とを少なくとも具備する事を特徴とする
   インクジェット記録装置。