JPS59124870A - インク噴射ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、吐出口より液体を吐出することで形成された
飛翔的液滴を用いて記録を行う液体噴射記録装置、殊に
熱エネルギーを利用する液体噴射記録装置に関する。

液体噴射記録装置には、種々の方式があるが、その中で
も例えば独Ｈｉ公開公報（○Ｉ、５）２８４３０６１号
、同２９４４００５号、ＵＳＰ４３３５３Ｂ’９号公報
等に開示された方式の液体噴射記録装置は、高速カラー
記録が容易であって、その出力部の主要部である記録ヘ
ッドは、記録用の液体を吐出して、飛翔的液滴を形成す
る為の吐出口（オリスイス）を高密度に配列することが
出来る為に、高解像力を得ることが出来ると同時に、記
録ヘッドとして全体的にはコンパクト化が計れ、且つ量
産に向くこと、半導体分野において技術の進歩と信頼性
の向上が著しいＴｏ技術やマイクロ加工技術の長所を十
二分に利用することで長尺化が容易であること等の為に
、最近富みに熱い注目を集めている。

上記の液体噴射記録装置の特徴的な記録ヘッドには、オ
リフィスよシ液体を吐出して、飛翔的液滴を形成する為
の熱エネルギーを発生する手段としての電気熱変換体が
設けられている。

該電気熱変換体は、発生する熱エネルギーを効率良く液
体に作用させること、液体への熱作液体に直接接触する
様に、オリフィスに連通している熱作用部に設けられる
構造とするのが望ましいとされている。

百年ら、前記の電気熱変換体は通電されることによって
発熱する発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に通電する為の一
対の電柵とで、基本的には構成されている為に発熱抵抗
体が直に液体に接触する状態であると、記録用の液体の
電気抵抗値如何によっては該液体を通じて電気が流れた
り、液体を通じての電気の流れによって液体自体が電気
分解したり、或いは発熱抵抗体への通電の際に該発熱抵
抗体と液体とが反応して、発熱抵抗体自体の腐蝕による
抵抗値の変化、強いては発熱抵抗体の破損或いは破壊が
起こったり、更には発熱抵抗体から発生される熱作用に
よる液体の、望ましくは蒸気泡の発生を含む液体の急激
な状態変化に伴う機械的衝撃によって、発熱抵抗体の表
面が破損したり或いは発熱抵抗体の一部に亀裂が生ずる
等して破壊されたシする場合がある。

その為に、従来においては、　　Ｎｉ０ｒ等の合金やＺ
ｒＢ、　、ＨｆＢ、等の金属硼化物等の比較的発熱抵抗
体材料としての特性に優れた無機材料で発熱抵抗体を構
成すると共に、Ｋ亥材料で構成された発熱抵抗体上に、
Ｓｉｎ、等のせ峻化性に優れた材料で構成された保護層
（上部層）を設けることで、発熱抵抗体が液体に直に接
触するのを防止して、前記の堵間頌を解決し、信頼性と
繰返し１史用耐久性の向上を計ろうとすることが提案さ
れていた。

百年ら上記の椋な構成の電気熱変換体が設けられた記録
ヘッドを有する液体噴射記録装置は、記録用の着色され
た液体として、電気伝導度の比較的低い液体（例えば液
媒体として蒸留水やアルコールを用いたもの）を使用す
る場合には、ω酸化性に優れ、繰返し使用耐久性の点で
満足の行くものではあるが、Ｎａイオン等の含有率が亮
い為に電気伝導度の大きな記録用の液体や電解質の液体
を使用する場合には、燥返し使用耐久性、耐経時的変化
性の点で不充分であった。

従って、使用する記録用液体の選択に制約があって、殊
に多色或いは天然色のカラー記録を行う場合には、障害
と々っていた。

又、上記の様に発熱抵抗体上に保護層を設ける場合にお
いても、例えば層形成に生ずる保護層自体の欠陥に基づ
く発熱抵抗体側方間への液体の浸入を実質上完全に防止
することは再現性、を産性の点で非常に困難である。況
してや、高密度に多数の熱作用部をその構成の一部とす
る液流路（ノズル）を設ける、所謂高密度マルチオリフ
ィス化の場合には、少なくとも液流路数だけ電気熱変換
体を一度に設ける必要性から、先の保護層の欠陥による
不良化の電気熱変換体の製造歩留りへの影響は、製〕亘
コストの面も含めて大きな問題である。従って、保護層
がなく、記録用の液体に発熱抵抗体が直に接触する状態
であっても、耐液性、使用繰返し性、耐機械的衝撃性、
耐電気化学反応性、耐アルカリイオン性に優れた電気熱
変換体を具備する液体噴射記録装置の開発が強く望まれ
ている。

本発明は、上記の諸点に鑑み成されたものであって、前
記の従来における諸問題の諾てを解決した優れた液体噴
射記録装置を提供することを主たる目的とする。

本発明の別の目的は、耐液性、耐機械的衝撃性、繰返し
使用性、耐電気化学反応性、特に耐アルカリイオン性に
優れた液体噴射記録装置を提供することである。

本発明の液体噴射記録装置は液体を吐出して、飛翔的液
滴を形成する為に設けられた吐出口と、核吐出口（オリ
フィス）に連通し、飛翔的液滴を形成する為の熱エネル
ギーが液体に作用するところと１７ての熱作用部と、前
記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、該電気熱変換体を構成する発熱抵抗層がＴｉ
、Ｖ、Ｏｒ、Ｍｎ、Ｆｅ　、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、
Ｍｏ及びＨｆから成る群の中から選択された少なくとも
１つの元素を含む窒化物から成る事を特徴とする。

上記の様な構成とされる本発明の液体噴射記録装置は、
繰返し使用性、耐液性（特にインク中のアルカリイオン
に対する耐性）、記録信号に対する応答の忠実性と確実
性に優れ、高解像度で高品質の画像を高速で記録するこ
とが出来る。

更に、発熱塾抗体を記録用の液体に直に接触する様に電
気熱変換体を構成する場合には、発熱抵抗体より発生さ
れる熱エネルギーが記録用の液体に有効に作用するので
、電気熱変換体を駆動する為の５駆動電圧の閾値が低く
、且つ飛翔液滴の形成を安定的に行う為の実際の駆動電
圧も低く省エネルギー化を容易に実現することが出来る
。

又、記録用の液体の選択範囲が広範である為に所望の色
の多色及び天然色のカラー記録を容易に行う事が出来る
。

以下、本発明を図面に従って、更に具体的に説明する。

第１図（ａｌは、本発明の液体噴射記録装置の主要部の
第１ノフイス側から見た正面部分図、第１図（’ｂ）は
、第１図（ａｌに一点鎖線ＸＹで示す部分で切断した場
合の切断面部分図である。

図に示される液体噴射記録装置１は、その表面に電気熱
変換体２が設けられている基板３０表面に、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
４で覆う様に接合することによって、オリフィス５と液
吐出部６が形成された構造を有している。図に示す液体
噴射記録装置１の場合、オリフィス５を複数重するもの
として示されであるが、勿、倫本発明は、これに限定さ
れるものではなく単一オリフィスの場合の記録装置への
適用の場合も本発明の範−に引入るものである。

液吐出部６は、その終端に液体を吐出して飛翔する液滴
を形成する為のオリフィス５と、電気熱変換体２よシ発
生される熱エネルギーが液体に作用して蒸気泡を発生し
、その体積の膨張と収縮に依る急激な状態変化を引起す
処である熱作用部７とを有する。

熱作用部７は、電気熱変換体２の熱発生部８の上部に位
置し、熱発生部８の液体と接触する熱作用面９をその底
面としている。

熱発生部８は、基板６上に設けられた下部層１０、該下
部層１ｏ上に設けられた発熱抵抗層（発熱抵抗体）１１
、核発熱抵抗層１１上に必要に応じて設けられる上部ｒ
＠１２とで構成される。発熱抵抗層１１には、熱を発生
させる為に該層１１に通電する為の電、極１３，１４が
その表面に設けられである。電極１３は、各液吐出部の
熱発生部に共通の電極であり、電極１４は、各液吐出部
の熱発生部を選択して発熱させる為の選択Ｍ″″１栖で
あって、液吐出部の流路に沿って設けられである。

上部Ｎ１２は、発熱抵抗層１１を、使用する液体から化
学的・物理的に保護する為に発熱抵抗層１１と液吐出部
６にある液体とを隔絶すると共に、液体を通じて電極１
３．１４間が短絡するのを防止する発熱抵抗層１１の保
護的機能を有している。

上部層１２ば、上記の様な機能を有するものであるが、
本発明の液体噴射記録装置における発熱抵抗層１１は、
前記した特性を有するものであるから、液体を通じて電
極１３．１４間が電気的に短絡する心配が全くない場合
には、必ずしも設ける必要はなく、又、上記の心配があ
る場合であっても、発熱抵抗層１１上には設ける必要は
なく、電極１３，１４の表面を覆ってやるだけで前記の
心配が全面的に解消される。

下部層１０は、主に熱流量制御機能を有する。

即ち、飛翔液滴の形成の際には、発熱抵抗層１１で発生
する熱が基板３側の方に伝導するよりも、熱作用部７側
の方に伝導する割合が出来る限り多くなり、飛翔液滴形
成後、詰り発熱抵抗層１１への通電がＯＦＦされた後に
は、熱作用部７及び熱発生部８にある熱が速かに基板３
側に放出されて、熱作用部７にある液体及び発生した気
泡が急冷される為に設けられる。

発熱抵抗層１１、基板３との関係において、上記の様な
機能が充分発揮出来る様な下部層１０を設計することに
よって、本発明の液体噴射記録装置はより優れたものと
なる。

即ち、飛翔的液滴の形成の際には、熱作用部Ｚ側への熱
流量の割合が出来る限り大きく、発熱抵抗層１１への通
電が酵ｐされた際には、基板３側への熱流量の割合が出
来る限シ大きくなる様にして、液滴吐出エネルギーの高
効率化と高熱応答性及び連続的繰返し液滴吐出性の向上
、液滴形成周波数の向上、液滴の量の均一化、液滴の飛
翔方向の安定化、液滴の初期飛翔スピードの均一化、及
び記録信号に対する応答の忠実性と確実性の向上を一層
効果的に実現させ得る。

本発明の液体噴射記録装置における発熱抵抗層１１は、
前記した様にＴｉ、Ｖ、Ｏｒ、’Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎ
ｉ。

Ｚｒ、Ｎｂ、ＭＯ又はＨｆの、或いはこれの金属の２種
以上の窒化物の薄層として設けられる。

本発明における発熱抵抗層を形成する窒化物は一種頌に
限ることなく所望の特性を最大限に得る為に二種類以上
用いて層形成しても良いものである゛。

本発明において、金属窒化物として特に好ましく用いら
れる例として具体的には、窒化ニオブ（例えばＮｌ）、
Ｎ）、窒化バナジウム（例えばＶＮ　）、窒化クロム（
例えばＯｒＮ　）　、窒化ジルコニウム（例えばＺｒＮ
　）　、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化ニッケル（例えば
Ｎｉ、Ｎ）が挙げられる。

上記金属窒化物を二種類以上混合させること、あるいは
、窒化タンタル（例えばＴａ、Ｎ）を混合することによ
シ化学的な安定性を単独で用いるよ勺も向上させること
が可能である。

本発明において発熱抵抗層中に含有される窒素の含有量
は、相手金属の種類、相手金属が複数の場合には、相手
金属同志の含有割合等によって、本発明の目的に適う発
熱抵抗層が得られる様に適宜所望に従って決定されるも
のであるが、化学的な安定性および比抵抗の安定性から
、発熱抵抗層中に含まれる窒素の含有量は、層中の全原
子に対して、１５原子チ（以後、／［ａｔ％Ｊと略記す
る）以上が好ましく最適には２５ａｔ％以上５５ａｔｑ
６未満とされるのが望ましい。

本発明において、発熱抵抗層の層厚は、適切な熱エネル
ギーが効果的に発生される様に、構成材料の特性、種類
、含有率及び装置自体に要求される飛翔液滴形成特性等
に応じて適宜法められるが、好ましくは１００八〜５μ
程度とされ゛るのが好ましく最適には２０００Ａ〜３μ
とされるのが望ましい。

本発明において、本発明の金属窒化物から成る発熱抵抗
層は所望の金属あるいは合金のターゲット、例えばＴ１
ターゲットの上に所望面積（７）Ｎｉ片を置いて、Ｎ、
ガス、あるいはアンモニアガスとアルゴンガスの混合ガ
スの雰囲気化でスパッタリングする、即ち反応性スパッ
タリングにより形成するのが望ましい。

次に、以降において説明される本発明の実施例或いは比
較例において製造された液体噴射記録装置の製造法及び
形態の概要に就て説明する。

先ず、以下の実施例及び比較例に相当する電気熱変換体
設置基板を以下の要領で作成した。

下部層１０を兼ねたアルミナ基板３の下部層１０上に発
熱抵抗層１１及びアルミニウム電極層を形成した後、選
択エツチングにょシ例えば幅４０μｍ１長さ２００μｍ
の発熱抵抗層１１−１〜１１−３・・・・ぐを形成した
。又、エツチングによシ選択電極１４及び共通電極１３
を形成した。更に、各電極及び各発熱抵抗層の表面に、
必要に応じて保護層（上部層）１２を積層し基板３上に
電気熱変換体を形成した。

又、とれ等とは別に、ガラス板に複数本の溝（例えば巾
４０μｍ、深さ４０μｍ）と共通インク室（不図示）と
なる溝とをマイクロカッターを用いて切削形成して々る
溝付き板４も作成した。

このようにして作成した、電気熱変換体設置基板と溝付
き板とを、電気熱変換体と溝との位置合せをした上で接
合し、更に不図示のインク供給部から共通インク室に液
体インクを導入するためのインク導入管（不図示）も接
続して記録装置を一体的に完成した。

更に、この記録装置には前述の選択電極及び共通電極に
接続されているリード電極（共通リード電極、及び選択
リード電極）を有するリード基板が付設された。

上記の構成の液体噴射記録装置に於て、上部層１２とし
て、Ｓｉｎ、　　１．０　／ｊ層厚、Ｔａ　Ｏ，５μ層
厚の薄層を各発熱抵抗層１１上に積層したものでは、発
泡閾値電圧に対して１．５〜１．９倍の駆動電圧マージ
ンが得られた。このことは、発熱抵抗層１１を液体に露
出させる系の場合に比べて上部層１２を設けることで一
層耐熱性が向上することが示される。

この際、上記の上部層１２のない系は発泡閾値電圧の約
１．３倍の駆動電圧マージンが得られ、従来に較べて優
れていることが示される。

基板３としては、上記のアルミナ基板の外に、シリコン
ウェハを用い、下部層１ｏとしては、シリコンウェハの
表面を熱配化して形成された２〜５μのＳｉＯ、層を用
いて同様の評価を行ったが、同様の良好外結果が得られ
た。

又、基板３としては、実施例で使用されたものの他、ガ
ラス、セラミックス、耐熱性プラスチック等も用いるこ
とが出来る。

電極材料としては、Ａｔの他に、Ａｔ−０１ｌ、Ａｚ−
８ｉ等を用いることが出来るが、これ等の材料を用いる
際には電極と液体との間を隔絶する為に、例えば感光性
の耐熱樹脂を硬化させた被膜で熱作用面の部分を除いて
電極及び電極の回りを覆うのが好ましい。

実施例 前記に説明した構成の液体噴射記録装置（す？ ンプルＡ１−１〜１４＝４）（液流路数１００、△ 一液流路邑）−電気熱変換体）に就で、−電気熱変換体
当り５Ｘ１０’回のパル駆動を行った際の故障発熱抵抗
体数を計数して信頼性の測定を行った。その結果を以下
の表に示す。また窒素の含有量による結果を表−２に示
す。使用したインクの導電率は３Ｘ’１０”μｖ−／Ｃ
ｌ’ｌである。

（１２）

【図面の簡単な説明】

第１図（＆ｌは、本発明の適用される液体噴射記録ヘッ
ドの好適な実施態様の１つのオリフィス側からの正面部
分図、第１図（ｂ）は、第１図（ａ）の一点鎖線ＸＹで
示す部分で切断した場合の切断面部分図である。 １　・・・・・液体噴射記録装置 ２・・・・・電気熱変換体 ３　・・・・・基板 ４・・・・・溝付板 ５・・・・・オリフィス ６・・・・・液吐出部 ７・・・・・熱作用部 ８・・・・・熱発生部 ９・・・・・熱作用面 １０・・・・・下部層 １１・・・・・発熱抵抗層 １２・・・・・上部層 １３・・・・・共通電極 １４・・・・・選択電極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）液体を吐出して、飛翔的液滴を形成する為に設け
   られた吐出口と、該吐出口に連通し、飛翔的液滴を形成
   する為の熱エネルギーが液体に作用するところとしての
   熱作用部と、前記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、該電気熱変換体を構成する発
   熱抵抗層がＴｉ、Ｖ、Ｏｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃ！Ｏ，Ｎｉ
   、Ｚｒ。 Ｎｂ、Ｍｏ及びＨｆから成る群の中から選択される少な
   くとも１つの元素を含む窒化物から成る事を特徴とする
   液体噴射記録装置。