JPH0567426B2

JPH0567426B2 -

Info

Publication number: JPH0567426B2
Application number: JP58021657A
Authority: JP
Inventors: Masami Ikeda; Hiroto Matsuda; Hiroto Takahashi; Tatsumi Shoji
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1983-02-14
Filing date: 1983-02-14
Publication date: 1993-09-24
Also published as: JPS59146861A

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、而も
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
てある液体噴射記録法は、熱エネルギーを液体に
作用させて、液滴吐出の為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てある記録法は、
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われるという
特徴である。殊に、DOLS 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出来る
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、液体を吐出する為に設けられたオリフイス
と、該オリフイスに連通し、液滴を吐出する為の
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。この様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、及び第第１図ｂに示される。第１図ａは、本発明に係わる液体噴射記録ヘツ
ドのオリフイス側から見た正面部分図、第１図ｂ
は、第１図ａに一点鎖線XYで示す部分で切断し
た場合の切断面部分図である。図に示される記録ヘツド１０１は、その表面に
電気熱変換体１０２が設けられている基板１０３
の表面に、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１０４で覆う様に接
合することによつて、オリフイス１０５と液吐出
部１０６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、オリフイス１０５
を複数有するものとして示されてあるが、勿論本
発明においては、これに限定されるものではなく
単一オリフイスの場合の記録ヘツドも本発明の範
疇に這入るものである。液吐出部１０６は、その終端に液体を吐出させ
る為のオリフイス１０５と、電気熱変換体１０２
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
状態変化を引起す処である熱作用部１０７とを有
する。熱作用部１０７は、電気熱変換体１０２の熱発
生部１０８の上部に位置し、熱発生部１０８の液
体と接触する面としての熱作用面１０９をその底
面としている。熱発生部１０８は、基板１０３上に設けられた
下部層１１０、該下部層１１０上に設けられた発
熱抵抗層１１１、該発熱抵抗層１１１上に設けら
れた上部層１１２とで構成される。発熱抵抗層１
１１には、熱を発生させる為に該層１１１に通電
する為の電極１１３，１１４がその表面に設けら
れてある。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為の選択電極で
あつて、液吐出部の液流路に沿つて設けられてあ
る。上部層１１２は、熱発生部１０８に於いては
発熱抵抗層１１１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１１１と液吐出
部１０６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１１１の保護
的機能を有している。又、上部層１１２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
極と液体とが接触し、これに通電することによつ
て起る電蝕の防止は、重要であつて、この為にこ
の様な保護層的機能を有する上部層１１２が少な
くとも液流路下に於ける電極上に設けられてい
る。更に、各液吐出部に設けられてある液流路
は、各液吐出部の上流に於いて、液流路の一部を
構成する共通液室を介して連通されているが、各
液吐出部に設けられた電気熱変換体に接続されて
いる電極は、その設計上の都合により、熱作用部
の上流側に於いて前記共通液室下を通る様に設け
られている。従つて、この部分に於いても電極が液体と接触
するのを防止すべく前記した上部層が設けられて
いるのが一般的である。ところで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成され、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ラツ
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。詰
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
起す誘引となる。又、記録密度を向上させるためには、電気熱変
換体及びリード電極等のパターン密度を上げなく
てはならず、従つてリード電極間の層間幅は減少
する。これに伴いエツチング法により形成した電
極はエツチング時の残渣、ごみ等によりそれぞれ
隣接配線部とのシヨート、ブリツジもしくは断線
を引き起し易くなり、液体噴射記録ヘツドの製造
歩歩りを著しく低下させる原因となつている。従
つて電極部には、特に段差部における被覆性が良
好であること、シヨート、ブリツジもしくは断線
などの欠陥の発生する確率が低いことが要求され
る。而乍ら、従来に於いては、これ等の要求の総て
を満足し、総合的な使用耐久性に優れた液体噴射
記録ヘツドは提案されてない。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。又、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。本発明のインクジエツトヘツド（以下、液体噴
射記録ヘツドともいう）は、インクを吐出するオ
リフイスに連通する液路と、該液路に対応して設けられた、発熱抵抗層と該
発熱抵抗層に電気的に接続する電極とを有する、
電気熱交換体と、を具備するインクジエツトヘツドにおいて、前記発熱抵抗層を含む基板面側全面には前記電
極を形成する導電性材料が設けられており、前記
電極となる部分以外の前記導電性材料を変質して
無機絶縁材料化することによつて形成された電極
間分離層が設けられていることを特徴とするイン
クジエツトヘツドである。以下、図面に従つて本発明を具体的に説明す
る。第２図ａには、本発明の液体噴射記録ヘツドの
好適な実施態様例の構造の主要部を説明する為の
オリフイス側から見た正面部分図が、第２図ｂに
は、第２図ａに一点鎖線AA′で示した部分で切断
した場合の切断面部分図が示されており、第２図
ａは、第１図ａに相当し、第２図ｂは第１図ｂに
相当するものである。図に示される液体噴射記録ヘツド２００は、所
望数の電気熱変換体２０１が設けられた熱を液吐
出に利用する液体噴射記録（サーマルインクジエ
ツト：Ｔ／Ｊと略記する）用の基板２０２と、前
記電気熱変換体２０１に対応して設けられた溝を
所望数有する溝付板２０３とでその主要部が構成
されている。Ｔ／Ｊ基板２０２と溝付板２０３とは、所定個
所で接着剤等で接合されることでＴ／Ｊ基板２０
２の電気熱変換体２０１の設けられている部分
と、溝付板２０３の溝の部分とによつて液流路２
０４を形成しており、該液流路２０４は、その構
成の一部に熱作用部２０５を有する。Ｔ／Ｊ基板２０２は、シリコン、ガラス、セラ
ミツクス等で構成されている支持体２０６、該支
持体２０６上にSiO₂等で構成される下部層２０
７、発熱抵抗層２０８、発熱抵抗層２０８の表面
には、液流路２０４に沿つて電極２０９ならびに
２１０及び電極部以外の部分を覆う電極間分離層
２１４そして更に電極２０９，２１０及び電極間
分離層２１４を覆う様に無機質材料で構成された
上部層２１１とを具備している。電気熱変換体２
０１は、その主要部として熱発生部２１２を有
し、熱発生部２１２は支持体２０６上に支持体２
０６側より順次発熱抵抗層２０８、電極間分離層
２１４、上部層２１１とが積層されて構成されて
おり、上部層２１１の表面（熱作用面）２１３
は、液流路２０４中を満たす液体と直に接触して
いる。第２図に示す液体噴射記録ヘツド２００の場合
には、上部層２１１は、該層２１１の機械的な強
度を一層高める為に、層２１６、層２１７を設け
た二重層構造とされていて、層２１６は、例えば
SiO₂等の無機酸化物やSi₃N₄等の無機窒化物等の
比較的電気絶縁性、熱伝導性、及び耐熱性に優れ
た無機質材料で構成され、層２１７は粘りがあつ
て、比較的機械的強度に優れた層２１６に対して
密着性と接着性のある、例えば層２１６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。この様に上部層２１１の表面層を金属等の比較
的粘りがあつて機械的強度のある無機質材料で構
成することによつて、熱作用面２１３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出来、電気熱変
換体２０１の寿命を格段に延ばす効果がある。而乍ら、上部層２１１の表面層として設けられ
る層２１７は、本発明に於いては、必ずしも要す
るものではない。本発明では上述のように発熱抵抗層２０８上の
電極部以外の部分には電極間分離層２１４が設け
られているのであるが、該電極間分離層２１４は
電極を形成する導電性材料を変質して無機絶縁材
料化することによつて形成されることが特徴とな
つている。電極間分離層２１４は熱作用面２１３及び電極
配線のない部分に設けられ、その主な役目は電極
及び素子間を歩留りよく分離し、且電極端部のカ
バレージ性を良くすることである。電極間分離層２１４は上記の役目を果すことが
出来るような無機絶縁材料で構成されるが、更に
該分離層は (1) 成膜性が良いこと。 (2) 緻密な構造でかつピンホールやクラツクがな
いこと。 (3) 使用インクに対して変質、溶解しないこと。 (4) 成膜したときの絶縁性がよいこと。 (5) 耐熱性が高いこと。等の物性を具備していることが望ましい。その様
な無機絶縁材料として例えば、Al，Ta，Ti，
Zr，Hf，Ｖ，Nb，Mg，Si，No，Ｗ，Ｙ，La等
の金属およびそれら合金の酸化物、炭化物，窒化
物，硼化物等が挙げられ、電極及び素子間に上述
の物性が得られるような層の形式が可能なもので
あれば良い。一方、電極２０９及び２１０を構成する材料と
しては、その変質無機絶縁材料化により上述の物
性を持つ層が形成可能なものであり、且導電性材
料であればよく、たとえばAl，Ta，Ti，Zr，
Hf，Ｖ，Nb，Mg，Si，Mo，Ｗ，Ｙ，La等の金
属およびそれらの合金が挙げられ、これら材料を
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。電極を形成する導電性材料を変質して無機絶縁
材料化する方法として好ましい方法は、後述の実
施例に示すようにその部分を陽極酸化法によつて
酸化物に変質せしめることである。この方法で形
成された金属酸化物層は、電極間分離層として要
求される上述の物性を満足する理想的な層とな
る。酸化物層の形成は空気又は酸素中での加熱酸
化や酸化剤による化学的酸化によつて行なつても
よい。又導電性材料の変質は酸化による酸化物層
の形成に限らず、窒化、硼化、炭化等による窒化
物、硼化物、炭化物層の形成であつてもよい。上部層２１１を構成する材料としては、上記し
た無機質材料の他に酸化チタン、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出来、その層厚と
しては一般に0.1μm〜5μm、好ましくは0.2μm〜
3μmとされるのが望ましい。下部層２０７は、主に熱発生部２１２より発生
する熱の支持体２０６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２０５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２１２より発生する熱が熱作用部２０５側に
より多く流れるようにし、電気熱変換体２０１へ
の通電がOFFされた際には、熱発生部２１２に
残存している熱が、支持体２０６側に速やかに流
れる様に構成材料の選択と、その層厚の設計が成
される。下部層２０７を構成する材料としては、
先に挙げたSiO₂の他に酸化ジルコニウム、酸化
タンタル、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム
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２０８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。その様な材料としては、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
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２０８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
とが出来、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２０８は、上記した材料を使用し
て、電子ビーム蒸着やスパツターリング等の手法
を用いて形成することが出来る。溝付板２０３及び熱作用部２０５の上流側に設
けられる共通液室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積度が所望通りに容易に
出、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様に加工し得るもので
あれば、大概のものが有効である。第２図ｃは、第２図ｂに示す一点鎖線BB′で切
断した場合の切断面部分図である。第２図に示した液体噴射記録ヘツド２００は第
２図ｄに示す様に、電極間分離層２１４は電極上
部には設けられていないが、変形例として電極上
部にもこの層２１４を設けても良い。この場合に
はもしこの層２１４が上部層２１１のうちの層２
１６の特性を兼ね備えている場合は層２１６を設
ける必要性はなく、また、上部層２１１全ての機
能をこの層２１４がもつ場合は、上部層２１１を
設けず、この層２１４が直接インク（液体）と接
する構造であつても良い。以下、本発明を実施例に従つて説明する。＜実施例＞ Siウエハを熱酸化により5μm厚のSiO₂膜を形成
し基板とした。基板にスパツタにより発熱抵抗層
としてHfB₂を2000Åの厚みに形成し、続いてフ
オトリツ工程により発熱抵抗体のパターンを形成
した。その後電子ビーム蒸着によりTi層50Å、
Al層10000Åを連続的に堆積した。次に、第２図ｄの如きパターンをフオトリツに
より形成し、Al露出部を陽極酸化して電極間分
離層部及び電極部を形成した。以下に、Al露出部の陽極酸化工程を示す。発熱抵抗層が所定のパターンに形成され、導電
材料のAlがその上を覆つた支持体を洗浄、乾燥
後ホトレジストOMR−83（東京応化製）をスピ
ンナーで塗布し、乾燥後マスクアライナーを用い
て露光し、現像処理を行ない所望の陽極酸化用パ
ターンを得た。次に、10％H₃PO₄溶液を用い、浴温10℃で電
流密度5mA／cm²、対電極をPtとして、12分間陽
極酸化した。（陽極酸化中は試料はジグに固定し
電解浴は充分スターラーにより撹拌を行つた。）
水洗、乾燥後OMR用剥離液でホトレジストを剥
離した後、充分洗浄、乾燥し、電極間分離層部及
び電極部の形成工程を終えた。電極間分離層部及び電極部の形成に続いて
SiO₂スパツタ層をハイレートスパツタにより
2.2μm堆積させ、更にTaの0.5μmスパツタにより
Ta層を積層した。このＴ／Ｊ基板上に溝付ガラ
ス板を所定通りに接着した。即ち、第２図ｂに示
してあるのと同様にＴ／Ｊ基板にインク導入流路
と熱作用部を形成する為の溝付ガラス板（50μm
×50μm長さ２mm）を接着した。このようにして液体噴射記録ヘツドを作成し
た。この様にして作成した記録ヘツドの電気熱変換
体に10μSの30Vの矩形電圧を800Hzで印加すると
印加信号に応じて液体がオリフイスから吐出され
て、飛翔的液滴が安定的に形成された。この様な液滴の形成を繰り返すと製造不良のヘ
ツドに於いてはAl電極の電蝕やTa保護層とAl電
極間の絶縁破壊などにより断線が生じインクを吐
出しなくなる。この時点での繰返し数を耐久回数
という。この耐久回数と、製品歩留りを (a) 本実施例の構成による記録ヘツド (b) 本実施例によらず、電極間をエツチングによ
りパターニングして形成した記録ヘツド（比較
例） (c) 本発明の実施例の一つであるが、後記する方
法により電極上部にも電極間分離層を形成した
記録ヘッドの３例について求めた結果（各々サンプル数1000
について評価した）を第１表に示す。但し、歩留
りは配線のパターニング後、シヨート、ブリツ
ジ、断線のチエツクによつて評価した結果であ
る。

【表】第１表の結果から明らかなように本発明のヘツ
ドで耐久回数10⁹回を安定して達成出来る。従つ
てマルチヘツドとしての使用に適している。ま
た、本発明によつてパターニング後の歩留りは飛
躍的に向上する。さらに、(a)構成のヘツドにおいては、電極部と
Ta層との絶縁破壊による耐久劣下が見られたが
(c)構成においては、上記絶縁破壊は全く皆無であ
つた。このことは、電極部を形成する際電極上部
にも無機絶縁層を形成することにより、SiO₂の
ピンホールによる耐久性劣化が防がれたためであ
る。即ち本発明の様に電極部と電極間分離層部を陽
極酸化法によつて形成すると、記録ヘツドの信頼
性、製品歩留り等が極端に向上し、更に電極部上
にも変質層を形成することによつては保護層
（SiO₂層）の欠陥による耐久性劣化も皆無とする
ことができる。本実施例においては、電気化学的な陽極酸化を
用いて酸化層の形成を行つたが、他の部分への悪
影響がなければ、加熱酸化によつて酸化層を形成
しても良く、また膜質に問題がなければ、酸化剤
による処理等による化学的な酸化によつて酸化層
を形成してもかまわない。さらに、無機絶縁材料２１４は酸化物に限らず
窒化、硼化、炭化等によつて窒化物、硼化物、炭
化物等を形成しても良い。また、層２１４の形成方法は本実施例(a)におい
ては、第２図ｄのように、電極部上部には設けて
いないが、前述したように電極上部にも設けても
良く（実施例(c)）、その形成方法は第３図ａごと
く二段に処理を分けても、第３図ｂのごとく、最
初に電極部が凸となるようにパターニングしてお
き、次に全体を処理して電極部を形成する方法を
とつても良い。さらに、本実施例における陽極酸化法において
は、りん酸浴による陽極酸化法であるが、これは
陽極化成が可能で、前述の特性をもつ無機絶縁層
が形成できる電解浴なら何でも良く、例えば硫
酸、しゆう酸、クエン酸、酒石酸、クロム酸、ホ
ウ酸等が挙げられ、それらの混浴でもかまわな
い。また、電解条件は、成膜された層２１４が前
述の特性を得る条件であれば良く。さらに、ピン
ホールを減少させるために、封孔処理、もしく
は、ホウ酸＋ホウ酸ナトリウム等の中性浴で二次
電解することによるpore−fillingした場合は、さ
らに良い特性を備えた膜質となる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂは夫々、従来の記録ヘツドを説明
する為のもので、第１図ａは模式的正面部分図、
第１図ｂは第１図ａのXX′−点鎖線での切断面部
分図、第２図ａ，ｂ，ｃ，ｄは夫々本発明の記録
ヘツドの実施態様の１つを説明する為のもので、
第２図ａは模式的正面部分図、第２図ｂは第２図
ａに示すAA′一点鎖線での切断面部分図、第２図
ｃは第２図ｂに示すBB′一点鎖線での切断面部分
図、第２図ｄはＴ／Ｊ基板の模式的平面部分図、
第３図ａ，ｂは他の実施例におけるＴ／Ｊ基板の
模式的切断面図で第２図ｃに相当する。１０１，２００……記録ヘツド、１０２，２０
１……電気熱変換体、１０３，２０２……基板、
１０４，２０３……溝付板、１０５，２１８……
オリフイス、１０６，２０４……液流路、１０７
……熱作用部、１０８，２１２……熱発生部、１
０９，２１３……熱作用面、２０６……支持体、
１１０，２０７……下部層、１１１，２０８……
発熱抵抗層、１１２，２１１，２１６，２１７…
…上部層、２１４……電極間分離層、１１３，２
０９……電極（共通）、１１４，２１０……電極
（選択）。

Claims

【特許請求の範囲】１インクを吐出するオリフイスに連通する液路
と、該液路に対応して設けられた、発熱抵抗層と該
発熱抵抗層に電気的に接続する電極とを有する、
電気熱変換体と、を具備するインクジエツトヘツドにおいて、前記発熱抵抗層を含む基板面側全面には前記電
極を形成する導電性材料が設けられており、前記
電極となる部分以外の前記導電性材料を変質して
無機絶縁材料化することによつて形成された電極
間分離層が設けられていることを特徴とするイン
クジエツトヘツド。２前記電極間分離層は前記電極上にも設けられ
ている特許請求の範囲第１項に記載のインクジエ
ツトヘツド。３前記電極間分離層は酸化物、窒化物、硼化物
又は炭化物の層である特許請求の範囲第１項に記
載のインクジエツトヘツド。４前記導電性材料の変質は、陽極酸化、加熱酸
化又は化学的酸化によつてなされている特許請求
の範囲第１項に記載のインクジエツトヘツド。