JPH05254122A - インクジェット記録ヘッド及び記録ヘッドを用いた記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 インクを吐出させるために発熱抵抗体２を有
する電気熱変換体が具備されるインクジェットヘッドに
おいて、抵抗体上に具備される保護膜４上に具備する第
２の保護膜７を、ＰｔまたはＩｒ、あるいは、Ｐｔまた
はＩｒと他の金属元素との混合物（合金）とすることを
特徴とするインクジェットヘッド。 【効果】 耐キャビテーション膜として本発明の第２の
保護膜を使用することにより、本発明構造のインクジェ
ットヘッドの寿命は従来構造のものにくらべて２〜３倍
となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐キャビテーション
性、電気化学的安定性、耐熱性、耐熱衝撃性等に優れた
保護膜を有するインクジェットヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】米国特許第４７２３１２９号明細書や米
国特許第４７４０７９６号明細書等に記載されているイ
ンクジェット方式（即ち、バブルジェット方式）は、高
速高密度で高精細高画質の記録が可能で、且つカラー
化、コンパクト化に適しており、近年とみに注目を集め
ている。この方式を用いる装置の代表例においては、イ
ンク（記録用液体等）を熱エネルギーを利用して吐出さ
せるため、インクに熱を作用させる熱作用部が存在す
る。即ち、インク路に対応して熱作用部を有する発熱抵
抗体を設け、この発熱抵抗体から発生した熱エネルギー
を利用してインクを急激に過熱して発泡させ、この発泡
によってインクを吐出するものである。

【０００３】この熱作用部は、対象物に熱を作用させる
という観点からすると、従来のいわゆるサーマルヘッド
の構成と一見類似している部分もあるが、熱作用部がイ
ンクに直接接する点や、熱作用部がインクの発泡と消泡
の繰り返しによる機械的衝撃（キャビテーションエロー
ジョン）にさらされるという点、また熱作用部が１０ ^-1
〜１０μｓｅｃというオーダーの極めて短い時間に１０
００℃近い温度の上昇及び下降にさらされるといった点
などで、サーマルヘッドとはその根本技術が大きく異な
る。従って、サーマルヘッド技術をバブルジェット技術
にそのまま適用することができないことは言うまでもな
い。即ち、サーマルヘッド技術とバブルジェット技術と
を同列に論じることはできない。

【０００４】ところで、インクジェットヘッドの熱作用
部については、それが前述したような厳しい環境にさら
される為、発熱抵抗体上に保護膜として例えばＳｉＯ
₂ ，ＳｉＣ，Ｓｉ₃ Ｎ₄ 等からなる電気的絶縁性層と、
更にその上にＴａ等からなる対キャビテーションエロー
ジョン層とを設ける構造とし、使用環境から熱作用部を
保護するのが一般的である。このようなインクジェット
ヘッドに用いられる保護膜の構成材料としては、例えば
米国特許第４３３５３８９号明細書に記載されているキ
ャビテーションエロージョンに対して強い材料を挙げる
ことができる。

【０００５】尚、サーマルヘッドに一般的に用いられて
いるＴａ₂ Ｏ₅ 等からなる耐摩耗層が、耐キャビテーシ
ョン性に優れているとは必ずしも限らない。

【０００６】前述のような保護膜が設けられた形態のバ
ブルジェットヘッドでは、耐久性や抵抗変化の点で実用
上採用できるものが提案されているが、いずれの場合で
あってもインクによる腐食と泡の消える時の機械的衝撃
に対して十分な耐久性を示すものがない。そして、記録
の高速化、高密度化が一層求められ、それに対応して小
さなインク粒を多数回印字してひとつのドットを形成し
諧調印字を行うようになると、従来の耐久性では十分な
寿命を保証できないという欠点があった。

【０００７】諧調印字は、ひとつのドットをより多くの
小さな点で形成するほど緻密になり表現力が増す。しか
し多くの点を打つ為には多くのパルスをヘッドに加える
必要があり、上記保護膜では多数のパルスを加えると見
かけ上の耐久パルス数が少なくなるなどの問題があっ
た。

【０００８】図２は、従来のインクジェットヘッドの保
護膜の構成を示す説明図であり、図３は上記の不良の発
生原理説明図である。図３−Ａは不良発生部の表面観察
図、図３−Ｂは不良発生部のＡ−Ａ′断面図である。従
来いわゆるキャビテーションと言われる不良発生原因
は、印字中の熱により保護膜が酸化しこの酸化膜がイン
クによって腐食するものと、泡が消える時の衝撃によっ
て機械的に破壊されるモードがある。Ｔａ膜による保護
膜は、本発明者らの研究により、後者の機械的衝撃には
比較的強いが、インクに対する化学的安定性が不足して
いて十分な耐久性がないことが判明した。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】解決すべき課題は、イ
ンクジェットヘッドの上記不良化原因のうちインクに対
する耐久性が十分でなかった点である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、第２の保護膜
の材料をＰｔまたはＩｒあるいはＰｔまたはＩｒと他の
金属との合金を用いることにより、機械的強度は従来の
Ｔａと同等またはＴａより高く、インクに対する耐久性
は、Ｔａの約２〜３倍にすることにより従来のインクジ
ェットヘッドに比べ２〜３倍の寿命を有することを特徴
とするインクジェット記録ヘッド及び該記録ヘッドを用
いた記録装置を提供する。

【００１１】発明者は、表１に示すように上記不良原因
を機械的強度不足と化学的安定不足の２種であることを
見いだし、更にインクジェット記録ヘッドの保護膜の評
価としてその機械的強度はヤング率がその程度を示し、
一次イオン化エネルギーが化学的安定性の指標であるこ
とをも見いだした。そして元素の中からＴａに比べ、上
記２種の特性が優れているものを捜した。その結果Ｐｔ
とＩｒを見いだした。

【００１２】

【表１】 本発明は、特にインクジェット記録方式の中でも、熱エ
ネルギーを利用して飛翔液滴を形成し、記録を行うイン
クジェット記録方式の記録ヘッド、記録装置に於いて、
優れた効果をもたらすものである。

【００１３】その代表的な構成や原理については、例え
ば、米国特許第４７２３１２９号明細書、同第４７４０
７９６号明細書に開示されており、本発明はこれらの基
本的な原理を用いて行うものが好ましい。この記録方式
は所謂オンデマンド型、コンティニュアス型のいずれに
も適用可能である。

【００１４】この記録方式を簡単に説明すると、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液体
（インク）に核沸騰現象を越え、膜沸騰現象を生じる様
な急速な温度上昇を与えるための少なくとも一つの駆動
信号を印加することによって、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を生じさせる。この
様に液体（インク）から電気熱変換体に付与する駆動信
号に一対一対応した気泡を形成出来るため、特にオンデ
マンド型の記録法には有効である。この気泡の成長，収
縮により吐出孔を介して液体（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４４６３３５９号明細書、同第４３４５
２６２号明細書に記載されているようなものが適してい
る。尚、上記熱作用面の温度上昇率に関する発明の米国
特許第４３１３１２４号明細書に記載されている条件を
採用すると、更に優れた記録を行うことができる。

【００１５】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孔、液流路、電気熱変換
体を組み合わせた構成（直線状液流路又は直角液流路）
の他に、米国特許第４５５８３３３号明細書、米国特許
第４４５９６００号明細書に開示されている様に、熱作
用部が屈曲する領域に配置された構成を持つものも本発
明に含まれる。

【００１６】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孔とする構成を開
示する特開昭５９年第１２３６７０号公報や熱エネルギ
ーの圧力波を吸収する開孔を吐出部に対応させる構成を
開示する特開昭５９年第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。

【００１７】更に、本発明が有効に利用される記録ヘッ
ドとしては、記録装置が記録できる記録媒体の最大幅に
対応した長さのフルラインタイプの記録ヘッドがある。
このフルラインヘッドは、上述した明細書に開示されて
いるように記録ヘッドを複数組み合わせることによって
フルライン構成にしたものや、一体的に形成された一個
のフルライン記録ヘッドであっても良い。

【００１８】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有効であ
る。

【００１９】又、本発明の記録装置に、記録ヘッドに対
する回復手段や、予備的な補助手段等を付加すること
は、本発明の記録装置を一層安定にすることができるの
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、キャピング手段、クリーニング手
段、加圧或は吸引手段、電気熱変換体或はこれとは別の
加熱素子、或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う手段
を付加することも安定した記録を行うために有効であ
る。

【００２０】更に、記録装置の記録モードとしては黒色
等の主流色のみを記録するモードだけではなく、記録ヘ
ッドを一体的に構成したものか、複数個を組み合わせて
構成したものかのいずれでも良いが、異なる色の複色カ
ラー又は、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。

【００２１】以上説明した本発明実施例においては、液
体インクを用いて説明しているが、本発明では室温で固
体状であるインクであっても、室温で軟化状態となるイ
ンクであっても用いることができる。上述のインクジェ
ット装置ではインク自体を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良い。

【００２２】加えて、熱エネルギーによるヘッドやイン
クの過剰な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積極的に
防止するか又は、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ことも出来る。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等のよう
な、熱エネルギーの付与によって初めて液化する性質を
持つインクの使用も本発明には適用可能である。

【００２３】このようなインクは、特開昭５４−５６８
４７号公報あるいは特開昭６０−７１２６０号公報に記
載されるような、多孔質シートの凹部又は貫通孔に液状
又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良い。

【００２４】本発明において、上述した各インクにたい
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。

【００２５】図５は本発明により得られた記録ヘッドを
インクジェットヘッドカートリッジ（ＩＪＣ）として装
着したインクジェット記録装置（ＩＪＲＡ）の一例を示
す外観斜視図である。

【００２６】図において、２０はプラテン２４上に送紙
されてきた記録紙の記録面に対向してインク吐出を行う
ノズル群を具えたインクジェットヘッドカートリッジ
（ＩＪＣ）である。１６はＩＪＣ２０を保持するキャリ
ッジＨＣであり、駆動モータ１７の駆動力を伝達する駆
動ベルト１８の一部と連結し、互いに平行に配設された
２本のガイドシャフト１９Ａおよび１９Ｂと摺動可能と
することにより、ＩＪＣ２０の記録紙の全幅にわたる往
復移動が可能となる。

【００２７】２６はヘッド回復装置であり、ＩＪＣ２０
の移動経路の一端、例えばホームポジションと対向する
位置に配設される。伝動機構２３を介したモータ２２の
駆動力によって、ヘッド回復装置２６を動作せしめ、Ｉ
ＪＣ２０のキャッピングを行う。このヘッド回復装置２
６のキャップ部２６ＡによるＩＪＣ２０へのキャッピン
グに関連させて、ヘッド回復装置２６内に設けた適宜の
吸引手段によるインク吸引もしくはＩＪＣ２０へのイン
ク供給経路に設けた適宜の加圧手段によるインク圧送を
行い、インクを吐出口より強制的に排出させることによ
りノズル内の増粘インクを除去する等の吐出回復処理を
行う。また、記録終了時等にキャッピングを施すことに
よりＩＪＣが保護される。

【００２８】３０はヘッド回復装置２６の側面に配設さ
れ、シリコンゴムで形成されるワイピング部材としての
ブレードである。ブレード３０はブレード保有部材３０
Ａにカンチレバー形態で保持され、ヘッド回復装置２６
と同様、モータ２２および伝動機構２３によって動作
し、ＩＪＣ２０の吐出面との係合が可能となる。これに
より、ＩＪＣ２０の記録動作における適切なタイミング
で、あるいはヘッド回復装置２６を用いた吐出回復処理
後に、ブレード３０をＩＪＣ２０の移動経路中に突出さ
せ、ＩＪＣ２０の移動動作に伴なってＩＪＣ２０の吐出
面における結露、濡れあるいは塵埃等をふきとるもので
ある。

【００２９】以下に実施例により、さらに本発明を説明
する。

【００３０】

【実施例】

（実施例１）図１は、本発明によるインクジェットヘッ
ドの１実施例の流路位置での基板の断面図であって、符
号１〜４は、図２の従来のインクジェットヘッドを構成
する各層と同様のものを示す。７は本発明による第２の
保護膜を示す。図４は、本発明のインクジェットヘッド
と従来のヘッドでの寿命比較を示したグラフである。

【００３１】ＰｔまたはＩｒもしくはそれらを主とした
合金を耐キャビテーション膜として図１の保護膜２にＰ
ｔまたはＩｒを用いたインクジェットヘッドを作成し
た。これを染料を含まないインク（クリア）中に浸し印
字電圧に相当する電圧を印加してその寿命を調査した。
結果が図４に示されている。

【００３２】本発明のインクジェットヘッドの作成方法
を順を追って説明する。下地の畜熱層を有するＳｉウェ
ハー１の上にＨｆＢ₂ 発熱抵抗体２と配線導体のＡｌ３
を順次スパッタする。次いで、フォトリソグラフィとエ
ッチングによって配線パターンと発熱抵抗体パターンを
形成し、その後、保護膜１のＳｉＯ₂ ４と本発明による
保護膜２（ＰｔまたはＩｒ）７をスパッタする。耐キャ
ビテーション性を必要とする部分に保護膜２（Ｐｔまた
はＩｒ）を残すようにフォトリソ法によってパターニン
グする。そして、電気配線の外部引き出し端子として用
いるＡｌパッド部のＳｉＯ₂ をエッチングで取り去る。

【００３３】この際、Ｐｔのエッチングは硝酸と塩酸の
混酸で行い、ＩｒのエッチングはＡｒガスによるスパッ
タエッチングで行う。その後前記Ａｌパッドを用い外部
配線とワイヤーボンディングによって接続しボンディン
グ部にはワイヤーを保護する為樹脂を塗布し、上記ヘッ
ドを完成させる。

【００３４】本製造方法によって完成したインクジェッ
トヘッドは、染料を含まないインク中に投入され、印字
と同一条件で一定間隔ごとに抵抗変化を観察しながら破
壊するまで試験が続けられる。この方法によると、イン
クは実際の印字とはことなりノズルがある場合の印字の
時より短い時間で不良が発生する。実際の印字との相関
は約１０倍である。

【００３５】図４から明らかなように、ＰｔまたはＩｒ
を保護膜２の耐キャビテーション膜として使用したイン
クジェットヘッドは、従来のＴａを用いたインクジェッ
トヘッドに比較して少なくとも約２〜３倍の寿命を持つ
ため、従来では実現不可能であった３値以上の諧調表示
を行い、且つ従来の２値表示のヘッドと同等の印字枚数
を保守できるヘッドが実現でき、より表現力の優れたヘ
ッドの実現と、２値ヘッドに用いれば従来より更に信頼
性の高いヘッドの実現を可能にする効果がある。 （実施例２）表２は、遷移金属とその他の元素のヤング
率と一次イオン化エネルギーをしめしたものである。上
記他元素を混入した他の実施例について説明する。下地
の畜熱層形成済Ｓｉウェハー上に、発熱抵抗体のＨｆＢ
₂ と配線導体のＡｌを順次スパッタしてフォトリソ法に
よってパターニングする。その後、発熱抵抗体の酸化防
止層のＳｉＯ₂ をスパッタし、同一チャンバーでＷ上に
ＰｔチップまたはＴａ上にＩｒチップを載せＡｒガスに
よってスパッタする。前述の薄膜のスパッタ条件は、全
て下表に示す通りである。

【００３６】

【表２】 ここで、ＰｔとＷの混合比はＰｔが６０％でＷが４０
％、ＩｒとＴａの混合比はＩｒが６０％で、Ｔａが残り
であった。

【００３７】上記表の条件によって形成された試験用サ
ンプルを実施例１と同様に評価を行ったところ、Ｐｔま
たはＩｒと同様な結果を得た。従って、ＰｔとＷまたは
ＩｒとＴａの元素を夫々混合しても従来のヘッドに比べ
十分長い寿命を得ることができる。また、上記結果から
ＷまたはＴａ以外の遷移金属をＰｔまたはＩｒに混合し
ても、ＰｔまたはＩｒと同様な寿命特性を得られるのは
明らかである。

【００３８】

【表３】 出典*1 真空ハンドブック（日本真空編） *2 ＨＰライブラリー （実施例３）さらに、他の元素を混入した他の実施例に
ついて説明する。下地の畜熱層形成済Ｓｉウェハー上
に、発熱抵抗体のＨｆＢ₂ と配線導体のＡｌを順次スパ
ッタしてフォトリソ法によってパターニングする。その
後、発熱抵抗体の酸化防止層のＳｉＯ₂ をスパッタし、
同一チャンバーでＰｔターゲットまたはＩｒターゲット
上にＢＮチップを乗せＡｒガスによってスパッタする。
前述の薄膜のスパッタ条件は、全て下表に示す通りであ
る。

【００３９】

【表４】 ここで、ＰｔとＢＮまたはＩｒとＢＮの混合比は、Ｐｔ
またはＩｒが夫々６０％となる様にＢＮの量をチップの
数を変更することで調整した。他の元素については軽元
素が主であるので確実な分析ができなかった。上記表の
条件によって形成された試験用サンプルを実施例１と同
様に評価を行ったところ、ＰｔまたはＩｒと同様な結果
を得た。従って、ＰｔまたはＩｒとＢやＮ以外の軽元素
を混合しても従来のヘッドに比べ十分長い寿命を得るこ
とができる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように本発明の材料を用い
た保護膜２の耐キャビテーション膜を用いることによっ
て、従来のヘッドに比べ少なくとも２〜３倍の寿命を実
現可能となった。これによって、４値以上の諧調表示が
可能となり現在のヘッドに比べより表現力に富むヘッド
の実現が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第２の保護膜を有するインクジェ
ットヘッドの説明図である。

【図２】従来の保護膜を有するインクジェットヘッドの
説明図である。

【図３】従来のインクジェットヘッドにおける不良発生
の説明図である。図３−Ａは不良発生部の表面観察図で
あり、図３−Ｂは不良発生部Ａ−Ａ′断面図である。

【図４】本発明と従来構造を用いたインクジェットヘッ
ドの寿命比較のグラフを示す図である。

【図５】本発明に係るインクジェットヘッドを備えた記
録装置の一例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 蓄熱層形成済Ｓｉウェハー ２ 発熱抵抗体 ３ 配線用Ａｌ導体 ４ 保護膜１（ＳｉＯ₂ ） ５ 保護膜２（Ｔａ） ６ キャビテーションによる穴 ７ 本発明による保護膜２（ＰｔまたはＩｒ、あるい
はＰｔまたはＩｒ合金） １６ キャリッジ １７ 駆動モータ １８ 駆動ベルト １９Ａ，１９Ｂ ガイドシャフト ２０ インクジェットヘッドカートリッジ ２２ クリーニング用モータ ２３ 伝動機構 ２４ プラテン ２６ キャップ部材 ３０ ブレード ３０Ａ ブレード保持部材

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インクを吐出するために利用される熱エ
   ネルギーを通電によって発生する発熱抵抗体と、該発熱
   抵抗体に接続される電極とを有する電気熱変換体が具備
   されるインクジェットヘッドにおいて、前記抵抗体上に
   具備される第１の保護膜上に具備する第２の保護膜が、
   ＰｔまたはＩｒを含む材料で構成されていることを特徴
   とするインクジェットヘッド。
2. 【請求項２】 第２の保護膜がＰｔまたはＩｒを含み、
   ＰｔまたはＩｒを除く遷移金属の内の少なくとも１種の
   金属との合金である請求項１に記載のインクジェットヘ
   ッド。
3. 【請求項３】 第２の保護膜がＰｔまたはＩｒとＢ，Ａ
   ｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｃ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｐｂ，
   Ｎ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの内の少な
   くとも１種の金属を含む材料である請求項１に記載のイ
   ンクジェットヘッド。
4. 【請求項４】 第２の保護膜がＰｔまたはＩｒと、遷移
   金属と、Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｃ，Ｓｉ，Ｇ
   ｅ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｎ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｓ，Ｓ
   ｅ，Ｔｅの内の少なくとも１種以上と、を含む材料から
   なる請求項１に記載のインクジェットヘッド。
5. 【請求項５】 インク吐出エネルギー発生素子が電気エ
   ネルギーを与えることによって発熱し、インクに状態変
   化を生ぜしめて吐出を行わせるための電気熱変換体であ
   る請求項１に記載のインクジェットヘッド。
6. 【請求項６】 記録媒体の記録領域の全幅にわたってイ
   ンク吐出口が複数設けられているフルラインタイプのも
   のである請求項１に記載のインクジェットヘッド。
7. 【請求項７】 被記録材の被記録面に対向してインクを
   吐出するインク吐出口が設けられている請求項１に記載
   のインクジェット記録ヘッドと、該記録ヘッドを載置す
   るための部材とを少なくとも具備することを特徴とする
   記録装置。