JPH05301345A

JPH05301345A - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JPH05301345A
Application number: JP10755892A
Authority: JP
Inventors: Takumi Suzuki; 工鈴木; Shuji Koyama; 修司小山; Makoto Shibata; 誠柴田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-04-27
Filing date: 1992-04-27
Publication date: 1993-11-16

Abstract

(57)【要約】【構成】インクジェットヘッドの熱作用面上のインク
に直接熱エネルギーを与えて、インクを吐出させるため
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、発熱抵抗体上に具備される第１の保
護膜とその上に具備される第２の保護膜との間にＣｒ、
Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏのうちの少なく
とも一種の金属層を具備することを特徴とする。【効果】本発明の金属中間層を用いることにより、熱
ストレスによる保護膜の剥離に対する寿命が長くなり、
安定した性能を維持でき、信頼性の高いインクジェット
ヘッドが提供される。

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
ンクジェット記録方式（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。この方式を用いる記録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させるものである。

【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。また、上記耐キャビテーションエロージ
ョン膜と上記電気的絶縁層の間には、密着層としてＴａ
₂ Ｏ₅ を設けているものもある。

【０００５】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、それに対応して短
いパルスを印加することで熱の上昇下降を短時間で行う
ような高速印字になると、熱によるストレスが大きくな
り、密着の弱い部分から剥れが生ずる。この現象が前述
の第一の保護膜と第二の保護膜の間で起こり、本来の予
測寿命に対して短いパルス数でヘッドが不良となるいわ
ゆる偶発故障の原因のひとつとなっている、という欠点
がある。

【０００６】高速に印字する為には、発熱抵抗体に短い
パルスを加え極めて短い周期で次のパルスを印加すると
いう方法が用いられる。ところが、このような印字方法
では発熱抵抗対及びこの上に具備される保護膜に大きな
熱ストレスがかかり、密着力の低いところで膜の剥離が
発生する問題があった。

【０００７】図３−（ａ）は、従来構造のヘッドを示し
図３−（ｂ）は従来構造ヘッドの上記不良の発生原理説
明図である。図３−（ｂ）に示す様に、のびによる熱ス
トレスがかかると密着力の弱いところでは剥離が生じ、
膜の内部に存在する応力で自ら更にきっかけとなる剥離
部を広げ、印字中の機械的衝撃（キャビテーション）に
よって破壊する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】解決しようとする問題
点は、上記の膜の剥離という不良の原因となる第一の保
護膜と第二の保護膜の密着性を向上することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】発明者は、耐キャビテー
ション膜としてＰｔやＩｒを用いることを見いだした。
ところがこれら貴金属類は耐久性が向上する代わりに他
の膜との密着力が弱く膜厚が余りに厚くなると膜自身の
応力で剥離が発生する。そこで前述の発熱抵抗体の上に
具備される第一の保護膜と際二の保護膜の間に第一の保
護膜と第二の保護膜共に密着力の良い薄膜を一層設ける
ことを提案するに至った。

【００１０】本発明は、発熱抵抗体の上に具備される第
一の保護膜とこの第一の保護膜の上に具備され、Ｐｔや
Ｉｒなどで構成される第二の保護膜の間に、Ｃｒ、Ｔ
ｉ、Ｖ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏのうち少なくとも
１種の金属層を具備させることを特徴とする。

【００１１】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。

【００１２】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。

【００１３】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できるため、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なうことができる。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】さらに、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
れているような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。

【００１７】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。

【００１８】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、キャッピング手段、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なう予備吐出モードを行なう
手段を付加することも安定した記録を行なうために有効
である。

【００１９】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、複数個の組み合わせて
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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】図５は本発明が適用可能なインクジェット
記録ヘッドの概略構成図であり、後述するようなエッチ
ング・蒸着・スパッタリング等の半導体製造プロセス工
程を経て、基板１１０２上に成膜形成された電気熱変換
体１１０３、電極１１０４、液路壁１１０５、天板１１
０６から構成されているインクジェット記録ヘッドが示
されている。記録用液体１１１２は図示していない液体
貯蔵室から液体供給管１１０７を通して記録ヘッド１１
０１の共通液室１１０８内に供給される。図中１１０９
は液体供給管用コネクタである。共通液室１１０８内に
供給された液体１１１２は所謂毛管現象により液路１１
１０内に供給され、液路先端の吐出口面（オリフィス
面）でメニスカスを形成することにより安定に保持され
る。ここで電気熱変換体１１０３に通電することによ
り、電気熱変換体面上の液体が急激に加熱され、液路中
に気泡が生起され、その気泡の膨張・収縮により吐出口
１１１１から液体を吐出し液滴が形成される。上述した
ような構成により、吐出口密度１６ノズル／ｍｍといっ
た高密度の吐出口配列で１２８吐出口或いは２５６吐出
口という、更には、記録幅内全域にわたって吐出口が配
置されたマルチノズルのインクジェット記録ヘッドが形
成できる。

【００２５】図６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な
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なう。このヘッド回復装置
２６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
を行なう。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はブレード保持部材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】以下に本発明の実施例を示す。

【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
の断面図であって、１〜５は、図３−（ａ）の従来構造
のインクジェットヘッドと同様である。６は本発明によ
る中間金属層である。

【００３１】上記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。下地の蓄熱層を有する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と本発明による中間
金属層６（Ｃｒ）をスパッタし、保護膜２のＰｔ５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）と中間金属（Ｃｒ）を残すようにフォ
トリソ法によってレジストのパターニングをする。その
後、保護膜２は硝酸と塩酸の混酸でエッチングする。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 をフロン系エッチングガスによるドラ
イエッチングを用いて取り去る。また中間金属（Ｃｒ）
は塩素系のガスのドライエッチングまたは、過塩素酸と
硝酸第二セリウムアンモンを用いたエッチング液でエッ
チングする。そして、前記Ａｌワイヤーを用い外部配線
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の樹脂を塗布し本発明のイン
クジェットヘッドを完成させる。

【００３２】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、通常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。

【００３３】Ｐｔ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倍の寿命を持つが、密着性の点で問題があり、図４に
示すように予想寿命に比べて明らかに短いものがあっ
た。しかしながら本発明の様に第一の保護膜と第二の保
護膜の間に、中間金属を設けることにより、前記偶発故
障が減少する様になる。

【００３４】その為、インクジェットヘッドの製品安定
性が増し、ロットごとの信頼性保証を行わなくてもよく
なり製造時の検査工程が不要となる効果がある。実施例２図２は、本発明の他の実施例を示すものである。

【００３５】本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。下地の蓄熱層を有するＳｉウェハー上
にＨｆＢ₂ 発熱抵抗体と配線導体のＡｌ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 と本発明による中間金属層（Ｔ
ｉ）をスパッタし、保護層２のＰｔ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（Ｐ
ｔ）と中間金属（Ｔｉ）を残すようにフォトリソ法によ
ってレジストのパターニングをする。その後、保護膜２
は硝酸と塩酸の混酸でエッチングする。また中間金属
（Ｔｉ）はフッ素系のガスのドライエッチングまたは、
熱りん酸を用いたエッチング液でエッチングする。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 をフロン系エッチングガスによるドライ
エッチングを用いて取り去り、前記Ａｌワイヤーを用い
て外部配線とはワイヤーボンディングによって接続し、
ボンディング部にワイヤーを保護する為の樹脂を塗布し
本発明のヘッドを完成させる。以上の説明で用いてい
る、Ｃｒ、Ｔｉ以外の高融点金属を中間金属として用い
ても、上記プロセスを大幅に変更することなく使用可能
であることは言うまでもない。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明の中間層を用
いたインクジェットヘッドは、従来のような偶発故障が
なくなるので安定した性能を維持でき、信頼性の高いヘ
ッドとなった。これによって、毎ロットの信頼性保証試
験工程が必要なくなり、大幅な肯定削減が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施例を示したインクジェットヘ
ッドの構造説明図である。

【図２】本発明による他の実施例を示した説明図であ
る。

【図３】（ａ）従来構造のインクジェットヘッドの説明
図である。（ｂ）従来構造のインクジェットヘッドの不良化原因の
説明図である。

【図４】本発明と従来構造を用いたヘッドの寿命比較の
グラフを示す図である。

【図５】本発明を適用可能なインクジェット記録ヘッド
の概略構成図である。

【図６】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発熱抵抗体膜３配線用Ａｌ導体４保護膜１（ＳｉＯ₂ ）５保護膜２（Ｐｔ）６中間層（金属）７のび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１１０２基板１１０３電気熱変換体１１０４電極１１０５液路壁１１０６天板１１０７液体供給管１１０８共通液室１１０９コネクタ１１１０液路１１１１吐出口面１１１２記録液体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱作用面上のインクに直接熱エネルギー
を与えて、インクを吐出させるために利用される該熱エ
ネルギーを通電によって発生する発熱抵抗体を有する電
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、前記発熱抵抗体上に具備される第１の保護膜と当該
第一の保護膜上に具備される第２の保護膜との間に、Ｃ
ｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏのうちの少
なくとも１種の金属層を具備することを特徴とするイン
クジェットヘッド。
【請求項２】前記第２の保護膜がＰｔ、Ｉｒからなる
請求項１に記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】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記載のインクジェットヘット。
【請求項４】記録媒体の記録領域の全幅にわたって吐
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記載のインクジェットヘッド。
【請求項５】記録媒体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記載の
インクジェットヘッドと、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。