JPH0526657B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、液体を噴射し、飛翔液滴を形成して
記録を行なう液体噴射記録ヘツドに関する。 インクジエツト記録法（液体噴射記録法）は、
記録時における騒音の発生が無視し得る程度に極
めて小さいという点、高速記録が可能でありしか
も所謂普通紙に定着という特別な処理を必要とせ
ずに記録の行なえる点において、最近関心を集め
ている。 その中で、例えば特開昭54−51837号公報、ド
イツ公開（DOLS）第2843064号公報に記載され
ている液体噴射記録法は、熱エネルギーを液体に
作用させて、液滴吐出の原動力を得るという点に
おいて、他の液体噴射記録法とは、異なる特徴を
有している。 即ち、上記の公報に開示された記録法は、熱エ
ネルギーの作用を受けた液体が急峻な体積の増大
を伴う状態変化を起し、該状態変化に基づく作用
力によつて、記録ヘツド部先端のオリフイスより
液体が吐出されて、飛翔的液滴が形成され、該液
滴が被記録部材に付着し記録が行なわれる。 殊に、DOLS第2843064号公報に開示されてい
る液体噴射記録法は、所謂drop−on demand記
録法に極めて有効に適用されるばかりではなく、
記録ヘツド部をfull lineタイプで高密度マルチオ
リフイス化された記録ヘツドが容易に具現化でき
るので、高解像度、高品質の画像を高速で得られ
るという特徴を有している。 上記の記録法に適用される装置の記録ヘツド部
は、液体を吐出するために設けられたオリフイス
と、該オリフイスに連通し、液滴を吐出するため
の熱エネルギーが液体に作用する部分である熱作
用部を構成の一部とする液流路とを有する液吐出
部と、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ている。 そして、この電気熱変換体は、一対の電極と、
これ等の電極に接続しこれ等の電極の間に発熱す
る領域（熱発生部）を有する発熱抵抗層とを具備
している。 このような液体噴射記録ヘツドの構造を示す典
型的な例が、第１図ａ、第１図ｂ及び第１図ｃに
示される。第１図ａは、液体噴射記録ヘツドのオ
リフイス側から見た正面部分図であり、第１図ｂ
は、第１図ａに一点鎖線XYで示す部分で切断し
た場合の切断部分図であり、第１図ｃは基板平面
図である。 記録ヘツド１００は、その表面に電気熱変換体
１０１が設けられている基板１０２の表面を、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１０３で覆うように接合すること
によつて、オリフイス１０４と液吐出部１０５が
形成された構造を有している。図に示す記録ヘツ
ドの場合には、オリフイス１０４を複数有するも
のとして示されているが、勿論本発明において
は、このようなものに限定されるものではなく、
単一オリフイスの記録ヘツドも本発明の範疇には
いるものである。 液吐出部１０５は、その終端に液体を吐出させ
るためのオリフイス１０４と、電気熱変換体１０
１より発生される熱エネルギーが液体に作用して
気泡を発生し、その体積の膨張と収縮に依る急激
な状態変化を引き起す箇所である熱作用部１０６
とを有する。 熱作用部１０６は、電気熱変換体１０１の熱発
生部１０７の上部に位置し、熱発生部１０７の液
体と接触する面としての熱作用面１０８をその底
面としている。 熱発生部１０７は、基板１０２上に設けられた
下部層１０９、該下部層１０９上に設けられた発
熱抵抗層１１０、該発熱抵抗層１１０上に設けら
れた第１の保護層１１１、第２の保護層１１２と
で構成される。発熱抵抗層１１０には、熱を発生
させるために該層１１０に通電するための電極１
１３，１１４がその表面に設けられている。電極
１１３は、各液吐出部の熱発生部に共通の電極で
あり、電極１１４は、各液吐出部の熱発生部を選
択して発熱させるための選択電極であつて、液吐
出部の液流路に沿つて設けられている。 第１の保護層１１１および第２の保護層１１２
は、熱発生部１０７に於いては発熱抵抗層１１０
を、使用する液体から化学的、物理的に保護する
ために発熱抵抗層１１０と液吐出部１０５の液流
路を満たしている液体とを隔絶すると共に、液体
を通じて電極１１３，１１４間が短絡するのを防
止する、発熱抵抗層１１０の保護的機能を有して
いる。また、第１の保護層１１１は、隣接する電
極間に於ける電気的リークを防止する役目も荷つ
ている。殊に、各選択電極間に於ける電気的リー
クの防止、或いは各液流路下にある電極が何等か
の理由で電極と液体が接触し、これに通電するこ
とによつて起る電極の電蝕の防止は重要であつ
て、このためにこのような保護層的機能を有する
第１の保護層１１１が少なくとも液流路下に存在
する電極上には設けられている。 第１の保護層をはじめとする上部層は、設けら
れる場所によつて要求される特性が各々異なる。
即ち、例えば熱発生部１０７に於いては、耐熱
性、耐液性、液浸透防止性、熱伝導性、
酸化防止性、絶縁性及び耐破傷性に優れてい
ることが要求され、熱発生部１０７以外の領域に
於いては熱的条件で緩和されるが液浸透防止性、
耐液性及び耐破傷性には充分優れていることが要
求される。 ところが、上記〜の特性の総てを所望通り
に充分満足する上部層を構成する材料は、今のと
ころなく〜の特性の幾つかを緩和して使用し
ているのが現状である。即ち、熱発生部１０７に
於いては、、及びに優先が置かれて材料の
選択が成され、他方熱発生部１０７以外の、例え
ば電極部に於いては、、及びに優先が置か
れて材料の選択が成されて、夫々の該当する領域
面上に各相当する材料を以つて上部層が形成され
ている。 他方、これ等とは別に、マルチオリフイス化タ
イプの液体噴射記録ヘツドの場合には、基板上に
多数の微細な電気熱変換体を同時に形成する為
に、製造過程に於いて、基板上では各層の形成
と、形成された層の一部除去の繰返しが行なわ
れ、上部層が形成される段階では、上部層の形成
されるその表面はステツプウエツヂ部（段差部）
のある微細な凹凸状となつているので、この段差
部に於ける上部層の被覆性（Step coverage性）
が重要となつている。つまり、この段差部の被覆
性が悪いと、その部分での液体の浸透が起り、電
蝕或いは電気的絶縁破壊を起す誘因となる。ま
た、形成される上部層がその製造法上に於いて欠
陥部の生ずる確率が少なくない場合には、その欠
陥部を通じて、液体の浸透が起り、電気熱変換体
の寿命を著しく低下させる要因となつている。 これ等の理由から、上部層は、段差部に於ける
被覆性が良好であること、形成される層にピンホ
ール等の欠陥が発生する確率が低く、発生しても
実用上無視し得る程度或いはそれ以上に少ないこ
とが要求される。 一方、熱作用部１０６では、液体が加熱により
気化されるが、これが、サブクール沸騰である為
と、加熱時間が短い為にすぐ冷却されて凝縮す
る。従つて熱作用面近傍では毎秒数千回の高頻度
で発泡−凝縮が繰り返されており、この時の圧力
変化（キヤビテーシヨン コロージヨン）は、基
板を破壊することも少なくない。 近年、高画質、高密度の印字品位の要請が強
く、従来にも増して、電極、発熱抵抗層、付随す
る保護層等の微細部の精密な加工が必要とされて
いる。 本発明は、上記の諸点に鑑み成されたものであ
つて、頻繁なる繰返し使用や長時間の連続使用に
於いて総合的な耐久性に優れ、初期の良好な液滴
形成特性を長期に亘つて安定的に維持し得る液体
噴射記録ヘツドを提供することを主たる目的とす
る。 また、本発明の別の目的は、製造加工上に於け
る信頼性の高い液体噴射記録ヘツドを提供するこ
とでもある。 更には、マルチオリフイス化した場合にも製造
歩留りの高い液体噴射記録ヘツドを提供すること
でもある。 本発明の液体噴射記録ヘツドは、液体を吐出し
て飛翔的液滴を形成するために設けられたオリフ
イスと、該オリフイスに連通し、前記液滴を形成
するための熱エネルギーが液体に作用する部分で
ある熱作用部を構成の一部とする複数の液流路
と、それぞれの液流路で少なくとも一対の対置す
る電極が発熱抵抗層に電気的に接続して設けら
れ、これら電極の間に熱発生部が形成されている
複数の電気熱変換体とを具備する液体噴射記録ヘ
ツドにおいて、少なくとも前記熱発生部の発熱抵
抗層の上にある部分上に少なくとも無機絶縁材料
で構成される第１の保護層と、隣接する熱発生部
上に前記液流路の配列方向に帯状に連続して形成
され無機材料で構成される第２の保護層とを有す
ることを特徴とする。 以下、図面に従つて本発明の液体噴射記録ヘツ
ドを具体的に説明する。 第２図は、第１図ｃに対応する本発明の液体噴
射記録ヘツドの好適な実施態様例である。 第２図に示すように、本発明においては第２の
保護層は、各熱発生部上に単独に設けられず、隣
接する熱発生部上に連続してバー状に設けられ
る。 上部層は、前述のように主として発熱抵抗層を
液流路内の液体と隔絶する機能、耐キヤビテーシ
ヨン機能を有するものであるが、第２図に示した
例では、第１の保護層には主として前者の機能
を、第２の保護層には主として後者の機能を持た
せてある。第２の保護層を第２図に示すような形
状に設けることによつて、パターニングが容易に
なる。従つてノズルが高密度化してもそれに伴う
加工が繁雑になることも、より高い精度が必要と
されることもない。この形状にすることによつ
て、第１図に示す従来例に比べ、電極、発熱抵抗
層、第１の保護層が短絡する確率は、約２倍にな
るが、短絡する程度のピンホール密度は約１〜５
×10^-3個／cm²であることを考えると、1000ノズル
の高密度液体噴射記録ヘツドにおいても短絡確率
は0.02〜0.1％であり、十分に高い製造歩留りが
確保できる。加工容易性、歩留り等の点から総合
的に判断すると、最終的には従来よりも高品位の
高密度液体噴射記録ヘツドの提供が可能である。 図示例においては、電極１１３，１１４の液流
路下部分はほとんど第１の保護層１１１のみによ
つて覆われている。熱作用面を除く第１の保護層
の上層に第３の保護層を、被覆性に優れる有機材
料等で構成することもできる。 第１の保護層１１１は、例えばSiO₂等の無機
酸化物やSi₃N₄等の無機窒化物等の無機質絶縁材
料で構成され、第２の保護層１１２は粘りがあつ
て、比較的機械的強度に優れ、かつ第１の保護層
に対して密着性と接着性のある、例えば第１の保
護層がSiO₂で形成されている場合にはTa等の金
属材料で構成されるのが好ましい。このように第
２の保護層を金属等の比較的粘りがあつて機械的
強度のある無機材料で構成することは、特に熱作
用面１０８に於いて、液体吐出の際に生ずるキヤ
ビテーシヨン作用からのシヨツクを充分吸収する
ことができ、電気熱変換体１０１の寿命を格段に
延ばす効果がある。 第１の保護層１１１を構成する材料としては、
比較的熱伝導性及び耐熱性に優れた無機質絶縁材
料が適している。例えば、SiO₂等の無機酸化物
や、酸化チタン、酸化バナジウム、酸化ニオブ、
酸化モリブデン、酸化タンタル、酸化タングステ
ン、酸化クロム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニ
ウム、酸化ランタン、酸化イツトリウム、酸化マ
ンガン等の遷移金属酸化物、更に酸化アルミニウ
ム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化
バリウム、酸化シリコン、等の金属酸化物及びそ
れらの複合体、窒化シリコン、窒化アルミニウ
ム、窒化ボロン、窒化タンタル等高抵抗窒化物及
びこれら酸化物、窒化物の複合体、更にアモルフ
アスシリコン、アモルフアスセレン等の半導体な
どバルクでは低抵抗であつてもスパツタリング
法、CVD法、蒸着法、気相反応法、液体コーテ
イング法等の製造過程で高抵抗化し得る薄膜材料
を挙げることができる。 第２の保護層１１２を形成する材料としては、
上記のTaの他に、Sc、Ｙなどの周期律表第ａ
族の元素、Ti、Zr、Hfなどの第ａ族の元素、
Ｖ、Nbなどの第ａ族の元素、Cr、Mo、Ｗな
どの第ａ族の元素、Fe、Co、Niなどの第族
の元素；Ti−Ni、Ta−Ｗ、Ta−Mo−Ni、Ni
−Cr、Fe−Co、Ti−Ｗ、Fe−Ti、Fe−Ni、Fe
−Cr、Fe−Ni−Crなどの上記金属の合金；Ti−
Ｂ、Ta−Ｂ、Hf−Ｂ、Ｗ−Ｂなどの上記金属の
硼化物；Ti−Ｃ、Zr−Ｃ、Ｖ−Ｃ、Ta−Ｃ、
Mo−Ｃ、Cr−Ｃなどの上記金属の炭化物；Mo
−Si、Ｗ−Si、Ta−Siなどの上記金属のケイ化
物；Ti−Ｎ、Nb−Ｎ、Ta−Ｎなどの上記金属の
窒化物が挙げられる。第２の保護層は、これらの
材料を用いて蒸着法、スパツタリング法、CVD
法等の手法により形成することができる。第２の
保護層は、上記の材料単独であつてもよいが、も
ちろんこれらの幾つかを組合わせることもでき
る。 前述の第３の保護層は、液浸透防止と耐液作用
に優れた有機質絶縁材料で構成され、更には、
成膜性が良いこと、緻密な構造でかつピンホー
ルが少ないこと、使用インクに対し膨潤、溶解
しないこと、成膜したとき絶縁性が良いこと、
耐熱性が高いこと等の物性を具備していること
が望しい。そのような有機材料としては以下の樹
脂、例えば、シリコーン樹脂、フツ素樹脂、芳香
族ポリアミド、付加重合型ポリイミド、ポリベン
ズイミダゾール、金属キレート重合体、チタン酸
エステル、エポキシ樹脂、フタル酸樹脂、熱硬化
性フエノール樹脂、Ｐ−ビニルフエノール樹脂、
ザイロツク樹脂、トリアジン樹脂、BT樹脂（ト
リアジン樹脂とビスマレイミド付加重合樹脂）等
が挙げられる。又、この他に、ポリキシリレン樹
脂及びその誘導体を蒸着して第３の保護層を形成
することもできる。 更に種々の有機化合物モノマー、例えばチオウ
レア、チオアセトアミド、ビニルフエロセン、
１，３，５−トリクロロベンゼン、クロロベンゼ
ン、スチレン、フエロセン、ピロリン、ナフタレ
ン、ペンタメチルベンゼン、ニトロトルエン、ア
クリロニトリル、ジフエニルセレナイド、Ｐ−ト
ルイジン、Ｐ−キシレン、Ｎ，Ｎ−ジメチル−Ｐ
−トルイジン、トルエン、アニリン、ジフエニル
マーキユリー、ヘキサメチルベンゼン、マロノニ
トリル、テトラシアノエチレン、チオフエン、ベ
ンゼンセレノール、テトラフルオロエチレン、エ
チレン、Ｎ−ニトロジフエニルアミン、アセチレ
ン、１，２，４−トリクロロベンゼン、プロパ
ン、等を使用してプラズマ重合法によつて成膜さ
せて、第３の保護層を形成することもできる。 しかしながら、高密度マルチオリフイスタイプ
の記録ヘツドを作成するのであれば、上記した有
機質材料とは別に微細フオトリソグラフイー加工
が極めて容易とされる有機質材料を第３の保護層
を形成する材料として使用するのが望ましい。そ
のような有機質材料としては具体的には、例え
ば、ポリイミドイソインドロキナゾリンジオン
（商品名：PIQ、日立化成製）、ポリイミド樹脂
（商品名：PYRALIN、デユポン製）、環化ポリ
ブタジエン（商品名：JSR−CBR、CBR−
M901、日本合成ゴム製）、フオトニース（商品
名：東レ製）、その他の感光性ポリイミド樹脂等
が好ましいものとして挙げられる。 支持体１１５は、シリコン、ガラス、セラミツ
クス等で構成する。 下部層１０９は、主に熱発生部１０７より発生
する熱の支持体１１５側への流れを制御する層と
して設けられるもので、熱作用部１０６に於いて
液体に熱エネルギーを作用させる場合には、熱発
生部１０７より発生する熱が熱作用部１０６側に
より多く流れるようにし、電気熱変換体１０１へ
の通電がOFFされた際には、熱発生部１０７に
残存している熱が、支持体１１５側に速やかに流
れるように構成材料の選択と、その層厚の設計が
成される。下部層１０９を構成する材料として
は、SiO₂、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、
酸化マグネシウム等の金属酸化物に代表される無
機質材料が挙げられる。 発熱抵抗層１１０を構成する材料は、通電され
ることによつて、所望通りの熱が発生するもので
あれば大概のものが採用され得る。 そのような材料としては、具体的には例えば窒
化タンタル、ニクロム、銀−パラジウム合金、シ
リコン半導体、或いは、ハフニウム、ランタン、
ジルコニウム、チタン、タンタル、タングステ
ン、モリブデン、ニオブ、クロム、バナジウム等
の金属及びその合金並びにそれらの硼化物等が好
ましいものとして挙げられる。 これ等の発熱抵抗層１１０を構成する材料の
中、殊に金属硼化物が優れたものとして挙げるこ
とができ、その中でも最も特性の優れているのが
硼化ハフニウムであり、次いで硼化ジルコニウ
ム、硼化ランタン、硼化タンタル、硼化バナジウ
ム、硼化ニオブの順となつている。 発熱抵抗層１１０は、上記した材料を使用し
て、電子ビーム蒸着やスパツタリング等の手法を
用いて形成することができる。 電極１１３及び１１４を構成する材料として
は、通常使用されている電極材料の多くのものが
有効に使用され、具体的には、例えばAl，Ag，
Au，Pt，Cu等の金属が挙げられ、これ等を使用
して、蒸着等の手法で所定位置に、所定の大き
さ、形状、厚さで設けられる。 溝付板１０３並びに熱作用部１０６の上流側に
設けられる共通液室の構成部材を構成する材料と
しては、記録ヘツドの工作時の、或いは使用時の
環境下に於いて形状に熱的影響を受けないか或い
は殆んど受けないものであつて微細精密加工が容
易に適用され得ると共に、面精度を所望通りに容
易に出すことができ、更には、それ等によつて形
成される流路中を液体がスムーズに流れ得るよう
に加工し得るものであれば、大概のものが有効で
ある。 そのような材料として代表的なものを挙げれ
ば、セラミツクス、ガラス、金属、プラスチツク
或いはシリコンウエハー等が好適なものとして例
示される。殊に、ガラス、シリコンウエハーは加
工上容易であること、適度の耐熱性、熱膨張係
数、熱伝導性を有しているので好適な材料の１つ
である。オリフイス１０４の周りの外表面は液体
で漏れて、液体がオリフイス１０４の外側に回り
込まないように、液体が水系の場合には撥水処理
を、液体が非水系の場合には撥油処理を施した方
が良い。 以下に実施例を示して本発明の液体噴射記録ヘ
ツドを具体的に説明する。 実施例 第２図に示した液体噴射記録ヘツドを以下のよ
うにして製造した。 Siウエハの熱酸化により5μｍ厚のSiO₂膜を形
成し基板とした。基板にスパッタにより発熱抵抗
層としてHfB₂を1500Åの厚みに形成し、続いて
電子ビーム蒸着によりTi層50Å、Al層5000Åを
連続的に堆積した。 フオトリソ工程により第２図のようなパターン
を形成し電極１１３，１１４を形成した。熱作用
面のサイズは30μｍ幅、150μｍ長でAl電極の抵抗
を含めて150オームであつた。 次に第１の保護層１１１として、SiO₂層をハ
イレートスパツタリングにより2.5μｍ堆積した。 次に第２の保護層１１２を以下の工程に従つて
作成した。Taリフトオフ用レジストとしてポリ
イミド膜（日立化成製PIQ）3μｍをパターニング
し、その後DCスパツタによりTa膜を1.0μｍ形成
した。Ta膜形成後PIQ膜を剥離し、所望のTa膜
のパターンを得て基板作製を終了した。 このようにして形成した基板の発熱抵抗体及び
電極と第１の保護層Taとの短絡を１基板あたり
100セグメント、123基板について調べたところ、
10MΩ以下の抵抗を示すものはなかつた。 最後に液流路と熱作用部およびオリフイスを形
成する為の溝付きガラス板を溝部が基板に形成さ
れた熱発生部と適切な配置になるように所定通り
に合わせて接着した。 このようにして作成した記録ヘツドの電気熱変
換体に10μsで30Vの短形電圧を800Hzで印加して
液体吐出実験を行なつたところ、従来と同等以上
の信頼性を得た。 またノズル密度が８本／mm、12本／mm、16本／
mmの記録ヘツドを同様に作成した。その時のTa
膜パターニングの歩留りを従来と比較して表１に
示す。

【表】 以上のように、本発明によれば、高品位、高密
度の液体噴射記録ヘツドを高い製造歩留りで提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂ，ｃは夫々、従来の液体噴射記録
ヘツドの構成を説明するためのもので、第１図ａ
は模式的正面部分図、第１図ｂは第１図ａの一点
鎖線XYでの切断部分図、第１図ｃは基板の模式
的平面図、第２図は本発明の液体噴射記録ヘツド
の構成を説明するためのもので、第１図ｃに相当
する基板の模式的平面図である。 １００……液体噴射記録ヘツド、１０１……電
気熱変換体、１０２……基板、１０３……溝付
板、１０４……オリフイス、１０５……液吐出
部、１０６……熱作用部、１０７……熱発生部、
１０８……熱作用面、１０９……下部層、１１０
……発熱抵抗層、１１１……第１の保護層、１１
２……第２の保護層、１１３……共通電極、１１
４……選択電極、１１５……支持体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液体を吐出して飛翔的液滴を形成するために
   設けられたオリフイスと、該オリフイスに連通
   し、前記液滴を形成するための熱エネルギーが液
   体に作用する部分である熱作用部を構成の一部と
   する複数の液流路と、それぞれの液流路で少なく
   とも一対の対置する電極が発熱抵抗層に電気的に
   接続して設けられ、これら電極の間に熱発生部が
   形成されている複数の電気熱変換体とを具備する
   液体噴射記録ヘツドにおいて、 少なくとも前記熱発生部の発熱抵抗層の上にあ
   る部分上に少なくとも無機絶縁材料で構成される
   第１の保護層と、隣接する熱発生部上に前記液流
   路の配列方向に帯状に連続して形成され無機材料
   で構成される第２の保護層とを有することを特徴
   とする液体噴射記録ヘツド。