JPH106500A

JPH106500A - インクジェットヘッド及びその製造方法

Info

Publication number: JPH106500A
Application number: JP16255496A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Kondo; 信昭近藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1996-06-24
Filing date: 1996-06-24
Publication date: 1998-01-13

Abstract

(57)【要約】【課題】耐久性、熱効率に優れ、高速記録による鮮明
画像の記録を実現できない。【解決手段】保護層１４は一層の傾斜材料からなり、
この傾斜材料は炭素と珪素を主成分とし、発熱抵抗体層
２近傍では珪素濃度が高く、表面に向かうに従って珪素
濃度が段階的に低下し、最表面部では炭素のみからなる
構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はインクジェットヘッ
ド及びその製造方法に関し、特に発熱抵抗体を覆う保護
層を備えたインクジェットヘッド及びその製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】インクジェット記録装置は、記録時の振
動、騒音が殆どなく、カラー化が容易なことから、コン
ピュータ等のデジタル処理装置のデータを出力するプリ
ンタの他、ファクシミリやコピー等にも用いられるよう
になっている。このようなインクジェット記録装置とし
ては、例えばインクを加圧するためのアクチュエータ素
子として発熱抵抗体を用いて、発熱抵抗体近傍のインク
を沸騰させてその力でインク滴を吐出させるようにした
サーマルインクジェット（ＴＩＪ）ヘッドを備えたもの
が知られている。

【０００３】このようにインクジェットヘッドのアクチ
ュエータ素子として発熱抵抗体を用いた場合、インクか
ら発熱抵抗体を化学的、物理的に保護する必要があると
ともに、発熱抵抗体及びその電極の腐食を防止する必要
がある。そこで、例えば特開昭６０−２３６７５８号公
報に記載されているように、熱発生部には耐熱性、熱伝
導性に優れた無機材料を用い、それ以外の部分では液浸
透防止を図るために有機材料を用いた二層構造の保護層
を設けたもの、或いは無機材料を２回に以上に分けて異
なる膜厚に形成することで二層構造にした保護層を設け
たものなどが知られている。

【０００４】また、サーマルインクジェットヘッドでは
ないが、サーマルヘッドの発熱部の保護層として無機材
料とダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜の二層構
造にしてヒートショック等による保護層のダメージによ
って電極や発熱抵抗体が腐食されるのを防止するように
した技術も知られている（特開平７−１３２６２８号公
報参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したようにサーマ
ルインクジェットヘッドにおいては、耐熱性、熱伝導
性、耐液性、耐浸透防止性、絶縁性等に優れた保護層を
設けることが要請されるが、この場合、熱発生部上では
耐熱性、熱伝導性に優れ、熱発生部以外の部分では耐液
性、液浸透防止性に優れていることが要求されている。
そのために、従来は、熱発生部上には金属酸化物、金属
窒化物等の無機材料で形成した保護層を設け、熱発生部
以外の部分では樹脂等で形成した保護層を設けることに
よって電極の腐食などを防止している。

【０００６】ところが、従来の二層構造の保護層にあっ
ては、長時間の連続使用によって液体（インク）と接触
する部分で剥離や絶縁性の低下が生じている。また、特
質の異なる材料で成膜して二層構造としているために、
密着性の低下や保護層形成時のピンホール、マイクロク
ラック等による欠陥部からの液浸透によって発熱抵抗体
や電極の腐食が発生している。

【０００７】特に、高速印字を行なう場合には保護層の
耐久性を確保するためにその厚みを厚くするようにして
いるが、そのために熱伝導性が悪くなって熱効率が低下
し、画像品質が低下している。

【０００８】本発明は上記の点に鑑みてなされたもので
あり、耐久性、熱効率に優れ、高速記録による鮮明画像
の記録を実現できるインクジェットヘッド及びその製造
方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、請求項１のインクジェットヘッドは、基板上に発熱
抵抗体を設け、この発熱抵抗体上に保護層を形成したイ
ンクジェットヘッドにおいて、前記保護層は一層構造の
傾斜材料で形成した構成とした。

【００１０】請求項２のインクジェットヘッドは、上記
請求項１のインクジェットヘッドにおいて、前記傾斜材
料は炭素と珪素を主成分とし、前記発熱抵抗体近傍では
珪素濃度が高く、表面に向かうに従って珪素濃度が段階
的又は連続的に減少し、最表面部では炭素のみである構
成とした。

【００１１】請求項３のインクジェットヘッドは、上記
請求項１のインクジェットヘッドにおいて、前記傾斜材
料は珪素と窒素を主成分とし、前記発熱抵抗体近傍では
珪素濃度が高く、表面に向かうに従って珪素／窒素比が
３／４に近付いている構成とした。

【００１２】請求項４のインクジェットヘッドの製造方
法は、上記請求項１乃至３のいずれかのインクジェット
ヘッドを製造するインクジェットヘッドの製造方法にお
いて、原料ガスの混合比を連続的に変化させながら気相
成長させた傾斜材料からなる一層構造の保護層を形成す
る構成とした。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面を参照して説明する。図１は本発明を適用したイン
クジェットヘッドの模式的斜視図、図２は同ヘッドの要
部模式的断面図である。

【００１４】このインクジェットヘッドは、熱エネルギ
ーを発生する発熱抵抗体層２を有する基板１上にフォト
レジストを用いて壁部材３を設け、この壁部材３上にガ
ラス等からなる覆い部材４を接着して、インク流路５、
液室６及びオリフィス７を形成し、発熱抵抗体層２の熱
エネルギーの作用でインクに急峻な体積増大を伴う状態
変化を生起し、その状態変化に基づく作用力によってオ
リフィス７からインク滴を吐出させる。

【００１５】このインクジェットヘッドにおいては、図
２に示すように、セラミックス基板やガラス基板からな
る基板１上に、畜熱層となる下部層１１を成膜して、こ
の下部層１１上に発熱抵抗体層２を形成し、この発熱抵
抗体層１２上に電極層１３を形成して、全体を一層構造
の保護層１４で覆っている。

【００１６】下部層１１はスパッタ等の方法による酸化
珪素（ＳiＯ₂）、シリコン、酸化ジルコニウム、酸化タ
ンタル、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムなどの無
機酸化物材料にて成膜することができ、ここではＳiＯ₂
を用いている。この下部層１１は、液吐出の際には発熱
抵抗体層２で発生する熱が基板１側に伝達するよりも、
インク側に伝達する割合ができる限り多くなり、液吐出
後、つまり発熱抵抗体層２への通電がオフされた後は、
発熱抵抗体層２にある熱が速やかに基板１側に放出され
て、発熱抵抗体層２上にあるインク及び発生した気泡が
急冷されるように設けるものである。

【００１７】発熱抵抗体層２の具体的材料としては、通
電することで熱を発生するものであれば概略どのような
ものでも使用することができる。例えば、タンタル、タ
ングステン、モリブデン、ニオブ、クロム等の金属、ニ
クロム、銀−パラジウム等の合金、窒化タンタル等の金
属窒化物、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、硼化ニオブ等の金属硼化物が好
ましい材料として挙げられ、ここではＴaＳiＯ₂膜を用
いている。電極層１３はアルミニウムを蒸着して形成し
ている。

【００１８】保護層１４は、傾斜材料から形成した一層
構造をなしている。傾斜材料としては、炭素と珪素を主
成分とし、発熱抵抗体層２近傍では珪素濃度を高くし、
表面に向かうに従って珪素濃度を段階的又は連続的に低
下させ、最表面部では炭素のみである構成としたもの、
或いは、珪素と窒素を主成分とし、発熱抵抗体層２近傍
では珪素濃度を高くし、表面に向かうに従って珪素／窒
素比が３／４に近付いている構成としたものなどを用い
ることができる。

【００１９】ここで、保護層について図２を用いて一般
的な説明をすると、保護層は熱発生部１５部分ではイン
ク流路内のインクと直接接触すると共に発熱抵抗体層２
で発生した熱をインクに伝達するため、耐熱性及び熱伝
導性に優れた材料を用いる必要がある。この場合、熱発
生部１５の保護層が厚いほど層内での熱エネルギーの伝
導性が悪くなって損失が大きくなり、発熱抵抗体層２で
の発熱量を多くしなければならないので、発熱抵抗体層
２の劣化が速くなる。また、熱発生部１５における加熱
及び冷却に要する時間が長くなって、吐出応答性が低下
し、記録速度の低下を招くことになる。そのため、熱発
生部１５では保護層の膜厚を厚くすることは好ましくな
い。

【００２０】他方、保護層の膜厚を薄くすることは、電
極層１３等によって発生している段差を完全に被覆する
ことが困難になり、被膜が不完全な保護層の欠陥部から
インクが浸透して発熱抵抗体層２や電極層１３を腐食す
るおそれがあるので、あまり薄くすることができない。

【００２１】この保護層の形成方法としては、所望の形
状を有する発熱抵抗体層２及び電極層１３が設けられた
基板１との密着性に優れた膜を成膜性良く形成すること
ができるＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法等の堆積
法を用いることが行われている。そして、保護層の形成
材料としては、耐熱性、熱伝導性を主とし、耐液性、絶
縁性に優れた無機材料、例えば、炭化物、ＳiＯ₂等の無
機酸化物、Ｓi₃Ｎ₄等の無機窒化物、酸化チタン、酸化
タンタル、酸化クロム、窒化シリコン、窒化アルミニウ
ム等の高抵抗薄膜を形成可能な材料を用いている。な
お、主な材料の熱伝導率を表１に示している。

【００２２】

【表１】

【００２３】ところで、材料として最も熱伝導率が高
く、しかも硬度が高くて緻密性にも優れたものが炭素
（Ｃ）、特にダイヤモンドであることは一般に知られて
いる。そこで、このダイヤモンド（Ｃ）のみの保護層を
形成する試行を行ったが、要求を満足する結果が得られ
なかった。

【００２４】そこで、本発明においては、図３を参照し
て、保護層１４を形成する材料として、炭素（Ｃ）及び
珪素（Ｓi）を主成分として、発熱抵抗体層２及び電極
層１３側近傍部分（最下層部分）１４ａでは緻密性を考
慮して靱性を大きくするためにＳi濃度を高くし、最表
面部分１４ｃでは熱伝導を考慮してダイヤモンド（Ｃ）
材質として、中間部分１４ｂではＳiとＣを中間濃度に
した傾斜材料を用いた。

【００２５】この保護層１４の形成は、プラズマＣＶＤ
法を用いて、炭化水素化合物（ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ
₂Ｈ₂）と水素化物（ＳiＨ₄）の混合ガスを原料ガスに用
いて基板１上に気相成長させて成膜した。膜堆積に当っ
ては、上記の原料ガスの混合比を段階的（連続的でもよ
い。）に変化させて形成した。混合比については、図３
に示すように保護層１４の最下層部分（界面）１４ｃ近
傍でＳi濃度を最も高くし、中間部分１４ｂでＳi濃度を
低下させ、最表面部分１４ｃでダイヤモンド（Ｃ）濃度
リッチとした。

【００２６】また、保護層１４の膜厚については、靱性
に富み、破損がなく、耐熱性や熱伝導性に優れたものが
得られる範囲内であれば良く、０．３〜３．０μｍ程度
が好ましいが、より好ましくは０．４〜２．０μｍであ
る。

【００２７】次に、保護層１４の材料としては、珪素
（Ｓi）と窒素（Ｎ）を主成分とし、最下層部分１４ａ
では緻密性を考慮して靱性を大きくするためにＳi濃度
を高くし、最表面部分１４ｃに向かうに従ってＳi／窒
素比が３／４の理論的なＳi₃Ｎ₄膜となる傾斜材料を用
いることもできる。このような保護層でも、靱性に富
み、破損がなく、耐熱性や熱伝導性に優れたものが得ら
れる。

【００２８】この保護層１４の形成は、上述したと同様
にプラズマＣＶＤ法を用いて、ＳiＨ₄／ＮＨ₃の混合ガ
スを原料ガスに用いて、保護層１４の最下層部分（界
面）１４ｃ近傍ではＳiＨ₄流量を多くしてＳiリッチに
なるようにし、その後中間部分１４ｂでＳiＨ₄の流量を
低下させて、最表面部分１４ｃでＳi／Ｎ比が３／４に
なるようにして安定したＳi3Ｎ4膜となるように形成す
る。なお、基板温度を変化させることによっても傾斜度
を変えることができるが、プロセス時間が長くなる。

【００２９】そこで、具体的な実施例について説明す
る。〈実施例１〉ＳiＨ₄／ＣＨ₄の混合ガスを用いて、ＳiＨ
₄／ＣＨ₄混合ガスのトータル流量５０ＳＣＣＭにて最下
層部分１４ａを形成し、次いでＳｉＨ₄の流量を減少し
た混合ガスで中間部分１４ｂを形成し、更にＳiＨ₄の流
量を減少し、ＣＨ₄濃度を２％として、最表面部分１４
ｃがＣリッチのダイヤモンドライクカーボン膜となる保
護層１４を設けた。なお、デポジットのトータルの時間
は６０分間とし、トータルの膜厚は２μｍとした。

【００３０】〈実施例２〉実施例１において、最表面部
分１４ｃを形成する際のＣＨ₄濃度を３％にした以外
は、実施例１と同様である。

【００３１】〈実施例３〉実施例１において、最表面部
分１４ｃを形成する際のＣＨ₄濃度を３．５％にした以
外は、実施例１と同様である。

【００３２】〈実施例４〉ＳiＨ₄／ＮＨ₃の混合ガスを
用いて、ＳiＨ₄／ＮＨ₄混合ガスのトータル流量３００
ＳＣＣＭにて最下層部分１４ａを形成し、次いでＳiＨ₄
の流量を減少した混合ガスで中間部分１４ｂを形成し、
更にＳiＨ₄の流量を減少し、最表面部分１４ｃではＳi
／Ｎ比を１．２にして窒化珪素膜とした保護層１４を設
けた。トータルの膜厚は２μｍとした。

【００３３】〈実施例５〉実施例４において、最表面部
分１４ｃを形成する際のＳi／Ｎ比を１．０にした以外
は、実施例４と同様である。

【００３４】〈実施例６〉実施例４において、最表面部
分１４ｃを形成する際のＳi／Ｎ比を０．８にした以外
は、実施例４と同様である。

【００３５】このようにして得られた実施例１〜３、６
のインクジェットヘッドの耐久性を寿命として評価し
た。これは、普通紙を用いて所定の印字濃度が得られる
印字距離を測定して行った。この結果について、表２に
示している。また、従来の２層構造の保護膜を用いた場
合を比較例として同様の評価を行い、実施例１、実施例
４及び比較例の寿命を相対値で表わしたものを図４に示
している。

【００３６】

【表２】

【００３７】この結果から分かるように、本発明に係る
傾斜材料を用いたインクジェットヘッドは耐久性におい
て比較例に対して飛躍的に向上している。また、熱効率
においても実験の結果優れた特性が得られた。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１のインク
ジェットヘッドによれば、基板上に発熱抵抗体を設け、
この発熱抵抗体上に保護層を形成したインクジェットヘ
ッドにおいて、保護層は一層構造の傾斜材料から形成し
た構成としたので、耐久性、熱効率に優れ、高速記録に
よる鮮明画像の記録を実現できるインクジェットヘッド
が得られる。

【００３９】請求項２のインクジェットヘッドによれ
ば、上記請求項１のインクジェットヘッドにおいて、傾
斜材料は炭素と珪素を主成分とし、発熱抵抗体近傍では
珪素濃度が高く、表面に行くに従って珪素濃度が段階的
又は連続的に減少し、最表面部では炭素のみである構成
としたので、下地との密着性が向上し、最表面の高硬質
材料による耐久性の向上、薄層による熱伝導性の向上に
よる熱効率の向上によって高速記録による鮮明画像の記
録を実現できるインクジェットヘッドが得られる。

【００４０】請求項３のインクジェットヘッドによれ
ば、上記請求項１のインクジェットヘッドにおいて、前
記傾斜材料は珪素と窒素を主成分とし、前記発熱抵抗体
近傍では珪素濃度が高く、表面に行くに従って珪素／窒
素比が３／４に近付いている構成としたので、下地との
密着性が向上し、最表面の高硬質材料による耐久性の向
上、薄層による熱伝導性の向上による熱効率の向上によ
って高速記録による鮮明画像の記録を実現できるインク
ジェットヘッドが得られる。

【００４１】請求項４のインクジェットヘッドの製造方
法によれば、上記請求項１乃至３のいずれかのインクジ
ェットヘッドを製造するインクジェットヘッドの製造方
法において、原料ガスの混合比を段階的又は連続的に変
化させながら気相成長で形成した傾斜材料からなる保護
膜を形成する構成としたので、高速記録による鮮明画像
の記録を実現できるインクジェットヘッドを簡単な工程
で製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用したインクジェットヘッドの模式
的斜視図

【図２】同ヘッドの要部模式的断面図

【図３】同インクジェットヘッドの保護層の傾斜濃度の
説明に供する説明図

【図４】同インクジェットヘッドの耐久性の説明に供す
る説明図

【符号の説明】

１…基板、２…発熱抵抗体層、３…壁部材、４…覆い部
材、５…インク流路、６…液室、７…オリフィス、１１
…下部層、１３…電極層、１４…保護層、１５…発熱
部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に発熱抵抗体を設け、この発熱抵
抗体上に保護層を形成したインクジェットヘッドにおい
て、前記保護層は一層構造の傾斜材料で形成したことを
特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】請求項１に記載のインクジェットヘッド
において、前記傾斜材料は炭素と珪素を主成分とし、前
記発熱抵抗体近傍では珪素濃度が高く、表面に向かうに
従って珪素濃度が段階的又は連続的に低下し、最表面部
では炭素のみであることを特徴とするインクジェットヘ
ッド。
【請求項３】請求項１に記載のインクジェットヘッド
において、前記傾斜材料は珪素と窒素を主成分とし、前
記発熱抵抗体近傍では珪素濃度が高く、表面に向かうに
従って珪素／窒素比が３／４に近付いていることを特徴
とするインクジェットヘッド。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載のイン
クジェットヘッドを製造するインクジェットヘッドの製
造方法において、原料ガスの混合比を段階的又は連続的
に変化させながら気相成長させた傾斜材料からなる一層
構造の保護層を形成することを特徴とするインクジェッ
トヘッドの製造方法。