JPH106503A - インクジェット記録ヘッド用基板、インクジェット記録ヘッドおよび記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 １つのノズルごとに設けられた大小２つの発
熱抵抗体のインクを発泡させるための発泡電圧Ｖｔｈの
値を揃えることができるインクジェット記録ヘッド用基
板を得て、そのような基板を組み込んで良好な記録を行
うことのできるインクジェット記録用ヘッドおよび記録
装置を得る。 【解決手段】 大サイズの発熱抵抗体の上層の保護膜を
局部的に薄くするか、小サイズの発熱抵抗体の下層の蓄
熱層を局部的に薄くしてインクジェット記録ヘッド用基
板を作製する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェット記
録ヘッド、特に吐出エネルギー発生素子によりインク内
に生じるバブルの成長、収縮によりインクを吐出口より
吐出させて記録を行うインクジェット記録ヘッドに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】米国特許第４７２３１２９号あるいは米
国特許第４７４０７９６号に記載されているインクジェ
ット記録方式は、高速、高密度で高精度、高画質の記録
が可能で、かつカラー化、コンパクト化に適しており、
近年特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、記録液体等（以下、インクと称する）
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。すなわち、インク流
路に対応して、一対の配線電極と、これらの配線電極に
接続され、配線電極間の領域に熱を発生させるための発
熱抵抗層とを有する電気熱変換体を設け、その発熱抵抗
体層から発生した熱エネルギーを利用して熱作用面上の
インクを急激に加熱発泡させ、その発泡によってインク
を吐出するものである。

【０００３】ところで、インクジェット記録ヘッドの熱
作用面については、インクの発泡と消泡の繰返しによる
キャビテーションがもたらす機械的衝撃、さらにエロー
ジョンに曝されるという点、また０．１〜１０μ秒とい
う極めて短時間に１０００℃前後の温度の上昇および下
降にさらされるといった点などのように厳しい環境に置
かれるため、使用する環境から発熱抵抗体層を保護する
ための保護層が設けられている。保護層は、耐熱性、耐
液性、液浸透防止性、酸化安定性、絶縁性、耐破傷性お
よび熱伝導性に優れていることが要求され、ＳｉＯ₂あ
るいはＳｉＮ等の無機化合物が一般的に用いられてい
る。さらに、単層の保護膜では、発熱抵抗対体層の保護
性能に不十分な場合もあり、保護膜上に、より耐キャビ
テーション性の高いＴａ等の金属の層を形成することも
ある。

【０００４】また、上記構成は、発熱抵抗体部以外で
も、例えば発熱抵抗体と電気的接続をとる配線パターン
にも、その場合にはインクによって配線が腐食するのを
防止するために取られる。

【０００５】インクジェット記録ヘッドでは、このよう
にして熱作用面を有するＨＢ基板（ヒーターボード基
板）が構成されており、上記保護膜の構成が、インクジ
ェット記録ヘッドの性能、例えば、消費電力および寿命
を決定づける重要なファクターとなっている。

【０００６】一方、従来は、一つのノズルに対して一つ
の発熱体という考え方が一般的であるが、高画質化の手
段として階調性を持たせるために、一つのノズルに対し
て２つの大小の発熱抵抗体を配置するという工夫がなさ
れている。すなわち、大きな発熱抵抗体によって大きな
発泡エネルギーをインクに与えて大きい吐出量を得、ま
た、小さな発熱抵抗体によって小さな発泡エネルギーを
インクに与えて小さい吐出量を得、また、それらを組み
合せることによって、さらに大きい吐出量を得ること
で、階調性を持たせている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、その大
小の発熱抵抗体にはレイアウト的に以下のような欠点が
あった。

【０００８】大小の発熱抵抗体を一つのノズル内に配置
する場合、抵抗体の並びピッチを高密度化するために
は、小サイズの抵抗体を大サイズの抵抗体の前方に配置
する必要がある。そして限られたノズル間ピッチにおい
て、小サイズの抵抗体をレイアウト的に有効に利用する
ためには、小サイズは正方形に近い方が望ましい。ま
た、大サイズの抵抗体は限られたノズル間ピッチにおい
ては細長の長方形が高いパワーを得ることができる。従
って、小サイズは正方形に近く、大サイズは長方形にな
るため、発泡電圧Ｖｔｈのズレが生じてしまう。そし
て、そのことは、２つの駆動電圧が必要となることを意
味している。

【０００９】そこで本発明の目的は、上記のような大小
２つの発熱抵抗体のインクを発泡させるための発泡電圧
Ｖｔｈの値を揃えることができるインクジェット記録ヘ
ッド用基板を提供し、そのような基板を組み込んで良好
な記録を行うことのできるインクジェット記録用ヘッド
および記録装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に蓄熱
層が形成され、該蓄熱層上に電極配線とインクジェット
記録ヘッドの一つのノズルに対応して大サイズ発熱抵抗
体と小サイズ発熱抵抗体各１個とが形成されており、そ
の発熱抵抗体が形成された基板上に保護膜が形成されて
いるインクジェット記録ヘッド用基板において、前記大
サイズ発熱抵抗体の上層の保護膜が局部的に、前記小サ
イズ発熱抵抗体の上層の保護膜より薄いことを特徴とす
るインクジェット記録ヘッド用基板；そのような基板を
組み込んだインクジェット記録ヘッド；ならびにそのヘ
ッドを具備する記録装置を提供する。

【００１１】すなわち、本発明によれば、大小の発熱抵
抗体のうち、大側の発熱抵抗体の上層の保護膜を部分的
に薄膜化することによって、大側の発熱抵抗体の発泡へ
のエネルギー効率を上げ、発泡電圧Ｖｔｈを小サイズの
発熱抵抗体と同じ値にすることができる。

【００１２】あるいは、小側の発熱抵抗体の下層の蓄熱
層を部分的に薄膜化することによって、下方向への熱の
逃げを増大させ、発泡のエネルギー効率を下げ、発泡電
圧Ｖｔｈを大サイズの発熱抵抗体と同じ値にすることが
できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照しながら、実施例によって
本発明を詳細に説明する。

【００１５】（実施例１）図１は、本発明の１実施例に
係わるインクジェット記録ヘッドのインクを発泡させる
発熱部の基板の平面図であり、図２は、図１で示された
基板をＸ1−Ｘ1’一点鎖線に沿って基板面に垂直に切断
した時の切断面部分図である。図３は図１で示された基
板をＸ2−Ｘ2’一点鎖線に沿って基板面に垂直に切断し
た時の切断面部分図である。

【００１６】本実施例による発熱部の基板の作製は、Ｓ
ｉ基板１２０を用いる。そのＳｉＯ ₂基板１２０には、
すでに駆動用のＩＣが作り込まれていてもよい。Ｓｉ基
板の場合は、熱酸化法、スパッタ法、ＣＶＤ法などによ
って発熱抵抗体の下部にＳｉＯ₂の蓄熱層を形成し、Ｉ
Ｃを作り込んだ基板も同様にその製造プロセス中でＳｉ
Ｏ₂の蓄熱層を形成しておく。図中では１０６がその部
分に相当する。

【００１７】次に、反応性スパッタリングにより、発熱
抵抗体としてＴａＮ層１０７を約１０００Å、電極配線
としてのＡｌ層１０３および１０４をスパッタリングに
よって６０００Åの厚さに形成する。

【００１８】次に、フォトリソ法を用いて図１の配線パ
ターンを形成し、Ａｌをウェットエッチングで除去した
後、再びパターンを形成し、ＴａＮをリアクティブイオ
ンエッチングで除去し、Ａｌ電極、発熱抵抗体部１０２
を形成する。なお、Ａｌ電極から延びたＡｌ配線の端部
は、Ｓｉ基板の場合はワイヤーボンディング用のパッド
となり、ＩＣを作り込んだ基板の場合にはスルホールを
介して下部の電極と接続される。

【００１９】Ａｌ電極を覆う膜としてのＰＳＧ層（リン
ガラス層、以下、ＰＳＧ層と略称する）１０９をＣＶＤ
法によって約７０００Å形成し、フォトリソ法によって
小さい方の発熱抵抗体部のＰＳＧ層のみウェットエッチ
ング法を用いて除去する。次に、ＳｉＮ層１０８をＣＶ
Ｄ法によって約３０００Å形成する。その結果、Ａｌ配
線上にはＰＳＧ７０００ÅおよびＳｉＮ３０００Åの保
護膜が形成され、発熱抵抗体部上にはＳｉＮ３０００Å
の保護膜が形成される。そのことによって、図３に示す
大きい方の発熱抵抗体部上には計１００００Åの保護
膜、図２に示す小さい方の発熱抵抗体部には３０００Å
の保護膜が形成され、図１のような構成となる。

【００２０】次に、耐キャビテーションおよび耐インク
膜としてのＴａを図２および図３の１１０のようにスパ
ッタリングによって約２５００Å形成する。

【００２１】最後に、フォトリソ法によってＴａのパタ
ーニングを行い、最後にＰＳＧおよびＳｉＮ層が積層さ
れたワイヤーボンディング用のパッドの窓あけを行っ
て、インクジェット記録ヘッドのインクを発泡させる発
熱部の基板（図１の１０１）を作製した。

【００２２】このようにして作製された基板では、大小
２つの発熱抵抗体のうち大の発熱抵抗体の上層の保護膜
が小の発熱抵抗体上層の保護膜に比べて薄くなっている
ことで、２つの発熱抵抗体のインクを発泡させるための
発泡電圧Ｖｔｈの値を揃えることができた。

【００２３】（実施例２）図４は、本発明の第２の実施
例に係るインクジェット記録ヘッドのインクを発泡させ
る発熱部の基板の平面図であり、図５は図４で示された
基板をＹ1−Ｙ1’一点鎖線に沿って基板面に垂直に切断
した時の切断面の部分図である。図６は、図４で示され
た基板をＹ2−Ｙ2’一点鎖線に沿って基板面に垂直に切
断した時の切断面部分図である。

【００２４】本実施例による発熱部の基板の作製は、Ｓ
ｉ基板１２０を用いる。そのＳｉ基板１２０には、すで
に駆動用のＩＣを作り込んであってもよい。

【００２５】Ｓｉ基板の場合は、熱酸化法、スパッタ
法、ＣＶＤ法などによって発熱抵抗体の下部にＳｉＯ₂
の蓄熱層を形成しておく。図中では、１０６がその部分
に相当する。

【００２６】次に、フォトリソ法を用いて、図４の大サ
イズの発熱抵抗体部の蓄熱層を局部的にウェットエッチ
ングによって掘り込む。掘り込んだ後の蓄熱層は図５で
示されるように、発熱抵抗体部の下層の蓄熱層が薄くな
っている。

【００２７】次に、反応性スパッタリングにより、発熱
抵抗体としてＴａＮ層１０７を約１０００Å、電極配線
としてのＡｌ層１０３および１０４をスパッタリングに
よって６０００Åの厚さに形成する。

【００２８】次に、フォトリソ法を用いて図４の配線パ
ターンを形成し、Ａｌをウェットエッチングで除去した
後、再びパターンを形成し、ＴａＮをリアクティブイオ
ンエッチングで除去し、Ａｌ電極、発熱抵抗体部１０２
を形成する。なお、Ａｌ電極から延びたＡｌ配線の端部
は、Ｓｉ基板の場合はワイヤーボンディング用のパッド
となり、ＩＣを作り込んだ基板の場合にはスルホールを
介して下部の電極と接続される。

【００２９】次に、保護膜としてのＳｉＮ層１０８をＣ
ＶＤ法によって約１００００Å形成し、続いて、耐キャ
ビテーション膜としてのＴａ層１１０を、スパッタリン
グ法によって約２５００Å形成する。

【００３０】次に、フォトリソ法を用いて、Ｔａをドラ
イエッチングによりパターニングし、続いて、ワイヤー
ボンディング用パッド上のＳｉＮを除去し、インクジェ
ット記録ヘッドのインクを発泡させる発熱部の基板（図
４の１０１）を作製した。

【００３１】このようにして作製された基板では、大小
２つの発熱抵抗体のうち小の発熱抵抗体の下層の蓄熱層
を局部的に大の発熱抵抗体の下層の蓄熱層より薄くする
ことによって、２つの発熱抵抗体のインクを発泡させる
ための発泡電圧Ｖｔｈの値を揃えることができた。

【００３２】以上の実施例１および実施例２で得られた
基板を組み込んだインクジェット記録ヘッドを用いて記
録を行ったところ、階調性に優れた良好な記録ができ
た。

【００３３】（実施例３）実施例１および実施例２で示
した大および小サイズの発熱抵抗体の配線は、図１およ
び図４で示すだけでなく、図７のように大サイズ、小サ
イズの発熱抵抗体ごとに個別の配線を持っていても、実
施例１および実施例２と同様の効果をもたらす基板を得
ることができる。

【００３４】（実施例４）実施例１で示した大および小
サイズの発熱抵抗体への配線は、図８および図９（図８
の基板をＺ1−Ｚ1’線で垂直に切断した場合の断面図）
のように上下折り返し配線を利用すれば、配線の横方向
の占有面積が減り、さらに高密度化を図ることができ
る。

【００３５】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的液滴を形成し、記
録を行うインクジェット方式の記録ヘッド、記録装置に
おいて優れた効果をもたらすものである。

【００３６】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いる基本的な原理を用いて
行うものが好ましい。この方式はいわゆるオンデマンド
型、コンティニュアス型のいずれにも適用可能である
が、特に、オンデマンド型の場合には、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いて核沸騰を越
える急速な温度上昇を与える少なくとも一つの駆動信号
を印加することによって、電気熱変換体に熱エネルギー
を発生せしめ、記録ヘッドの熱作用面に膜沸騰を生じさ
せて、結果的にこの駆動信号に一対一で対応した液体
（インク）内の気泡を形成できるので有効である。この
気泡の成長、収縮により吐出用開口を介して液体（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。

【００３７】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４３４５２６２号
明細書に記載されているようなものが適している。な
お、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、さらに優れた記録を行うことができる。

【００３８】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口、液路、電気熱変換体
の組み合わせ構成（直線状液流路または直角液流路）の
他に、熱作用部が屈曲する領域に配置されている構成を
開示する米国特許第４５５８３３３号明細書、米国特許
第４４５９６００号明細書を用いた構成も本発明に含ま
れるものである。

【００３９】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部とする構成を開
示する特開昭５９−１２３６７０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５９−１３８４６１号公報に基づいた構成
としても本発明は有効である。

【００４０】さらに、記録装置が記録できる最大記録媒
体の幅に対応した長さを有するフルラインタイプの記録
ヘッドとしては、上述した明細書に開示されているよう
な複数記録ヘッドの組み合わせによってその長さを満た
す構成や、一体的に形成された１個の記録ヘッドとして
の構成のいずれでもよいが、本発明は、上述した効果を
一層有効に発揮することができる。

【００４１】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インクタンクが設けら
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。

【００４２】また、本発明の記録装置の構成として設け
られる、記録ヘッドに対しての回復手段、予備的な補助
手段等を付加することは本発明の効果を一層安定できる
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、加圧あるいは吸引手段、電気熱変換体あるいはこ
れとは別の加熱素子あるい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
を行うことも安定した記録を行うために有効である。

【００４３】さらに、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モードだけではなく、記録ヘッ
ドを一体的に構成するか複数個を組み合わせによってで
もよいが、異なる色の複色カラー、または混色によるフ
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。

【００４４】以上説明した本発明実施例においては、イ
ンクを液体として説明しているが、室温やそれ以下で固
化するインクであって、室温で軟化するもの、もしくは
液体であるもの、あるいは上述のインクジェット方式で
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よい。

【００４５】加えて、積極的に熱エネルギーによる昇温
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防止するか、またはイン
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
用いるかして、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、液状インクとし
て吐出するものや、記録媒体に到達する時点では既に固
化し始めるもの等のような、熱エネルギーによって初め
て液化する性質のインクの使用も本発明には適用可能で
ある。本発明においては、上述した各インクに対して最
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。

【００４６】さらに加えて、本発明に係る記録装置の形
態としては、ワードプロセッサやコンピュータ等の情報
処理機器の画像出力端末として一体または別体に設けら
れるものの他、リーダ等と組み合わせた複写装置、さら
には送受信機能を有するファクシミリ装置の形態を採る
ものであっても良い。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
インクを吐出させるひとつのノズル内にインクを発泡さ
せるための発熱抵抗体が大小２個配置され、大サイズの
発熱抵抗体の上層の保護膜を局部的に薄くすることによ
って、２つの発熱抵抗体のインクを発泡させるための発
泡電圧Ｖｔｈの値を揃えることができるインクジェット
記録ヘッド用基板を得ることができる。

【００４８】あるいは、インクを吐出させる一つのノズ
ル内にインクを発泡させるための発熱抵抗体が大小２個
配置され、小サイズの発熱抵抗体の下層の蓄熱層を局部
的に薄くすることによって、２つの発熱抵抗体のインク
を発泡させるための発泡電圧Ｖｔｈの値を揃えることが
できるインクジェット記録ヘッド用基板を得ることがで
きる。

【００４９】そして、そのようなインクジェット記録ヘ
ッド用基板を組み込んでインクジェット記録ヘッドを作
製することで、階調性に優れた記録を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１に係る本発明のインクジェット記録ヘ
ッドの発熱基板の平面図である。

【図２】図１の発熱基板をＸ1−Ｘ1’線で垂直に切断し
た時の発熱基板の断面図である。

【図３】図１の発熱基板をＸ2−Ｘ2’線で垂直に切断し
た時の発熱基板の断面図である。

【図４】実施例２に係る本発明のインクジェット記録ヘ
ッドの発熱基板の平面図である。

【図５】図４の発熱基板をＹ1−Ｙ1’線で垂直に切断し
た時の発熱基板の断面図である。

【図６】図４の発熱基板をＹ2−Ｙ2’線で垂直に切断し
た時の発熱基板の断面図である。

【図７】実施例３に係る本発明のインクジェット記録ヘ
ッドの発熱基板の平面図である。

【図８】実施例４に係る本発明のインクジェット記録ヘ
ッドの発熱基板の平面図である。

【図９】図８の発熱基板をＺ1−Ｚ1’線で垂直に切断し
た時の発熱基板の断面図である。

【図１０】従来のインクジェット記録ヘッドの発熱基板
の１例の平面図である。

【符号の説明】

１０１ 発熱抵抗体と電極を形成した基板 １０２ 発熱部（ヒーター） １０３ Ａｌ電極 １０４ Ａｌ電極 １０５ 局部的に薄膜化された部分 １０６ 蓄熱層 １０７ 発熱抵抗体層 １０８ ＳｉＮ保護膜 １０９ ＰＳＧ保護膜 １１０ Ｔａ １１１ 上下折り返し配線の下層Ａｌ電極 １２０ Ｓｉ基板

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に蓄熱層が形成され、該蓄熱層上
   に電極配線とインクジェット記録ヘッドの一つのノズル
   に対応して大サイズ発熱抵抗体と小サイズ発熱抵抗体各
   １個とが形成されており、その発熱抵抗体が形成された
   基板上に保護膜が形成されているインクジェット記録ヘ
   ッド用基板において、前記大サイズ発熱抵抗体の上層の
   保護膜が局部的に、前記小サイズ発熱抵抗体の上層の保
   護膜より薄いことを特徴とするインクジェット記録ヘッ
   ド用基板。
2. 【請求項２】 基板上に蓄熱層が形成され、該蓄熱層上
   に電極配線とインクジェット記録ヘッドの一つのノズル
   に対応して大サイズ発熱抵抗体と小サイズ発熱抵抗体各
   １個とが形成されており、その発熱抵抗体が形成された
   基板上に保護膜が形成されているインクジェット記録ヘ
   ッド用基板において、前記小サイズ発熱抵抗体の下層の
   蓄熱層が局部的に、前記大サイズ発熱抵抗体の下層の蓄
   熱層より薄いことを特徴とするインクジェット記録ヘッ
   ド用基板。
3. 【請求項３】 電極配線が上下折り返し配線である請求
   項１記載のインクジェット記録ヘッド用基板。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれか１項に記載
   の基板を組み込んだインクジェット記録ヘッド。
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なわせるための電気熱変換体で
   ある、請求項４記載のインクジェット記録ヘッド。
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
   ることを特徴とする、請求項４記載のインクジェット記
   録ヘッド。
7. 【請求項７】 記録媒体の被記録面に対向してインクを
   吐出するためのインク吐出口が設けられている請求項４
   に記載の記録ヘッドと、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記録装置。