JP2698418B2 - Liquid jet recording head - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、液体噴射記録ヘッド、より詳細にはバブル
ジェット型インクジェット記録ヘッドの発熱部における
蓄熱層の構造に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a liquid jet recording head, and more particularly, to a structure of a heat storage layer in a heat generating portion of a bubble jet type ink jet recording head.
従来技術 ノンインパクト記録法は、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において、最
近関心を集めている。その中で、高速記録が可能であ
り、而も所謂普通紙に特別の定着処理を必要とせずに記
録の行える所謂インクジェット記録法は極めて有力な記
録法であって、これまでにも様々な方式が提案され、改
良が加えられて商品化されたものもあれば、現在もなお
実用化への努力が続けられているものもある。2. Description of the Related Art Non-impact recording methods have recently attracted attention in that the generation of noise during recording is extremely small to a negligible level. Among them, the so-called ink jet recording method, which can perform high-speed recording and can perform recording on so-called plain paper without requiring a special fixing process, is an extremely powerful recording method. Some have been proposed and commercialized with improvements, while others are still being put to practical use.
この様なインクジェット記録法は、所謂インクと称さ
れる記録媒体の小滴(droplet)を飛翔させ、記録部材
に付着させて記録を行うものであって、この記録液体の
小滴の発生法及び発生された記録液小滴の飛翔方向を制
御する為の制御方法によって幾つかの方式に大別され
る。In such an ink jet recording method, droplets of a recording medium called so-called ink are made to fly and adhere to a recording member to perform recording. The control method for controlling the flying direction of the generated recording liquid droplet is roughly classified into several types.
先ず第1の方式は例えばUSP第3060429号明細書に開示
されているもの(Tele type方式)であって、記録液体
の小滴の発生を静電吸引的に行い、発生した記録液体小
滴を記録信号に応じて電界制御し、記録部材上に記録媒
体小滴を選択的に付着させて記録を行うものである。First, the first method is disclosed in, for example, US Pat. No. 3,060,429 (Tele type method), in which droplets of a recording liquid are generated by electrostatic attraction, and the generated recording liquid droplets are removed. The electric field is controlled in accordance with a recording signal, and recording is performed by selectively adhering small droplets of a recording medium onto a recording member.
これに就いて、更に詳述すれば、ノズルと加速電極間
に電界を掛けて、一様に帯電した記録液体の小滴をノズ
ルより吐出させ、該吐出した記録液体の小滴を記録信号
に応じて電気制御可能な様に構成されたxy傾向電極間を
飛翔させ、電界の強度変化によって選択的に小滴を記録
部材上に付着させて記録を行うものである。More specifically, in more detail, an electric field is applied between the nozzle and the accelerating electrode to discharge a uniformly charged droplet of the recording liquid from the nozzle, and the discharged droplet of the recording liquid is converted into a recording signal. In accordance with this, recording is performed by causing the droplets to fly between the xy-prone electrodes configured so as to be electrically controllable and selectively adhering small droplets onto the recording member by a change in the intensity of the electric field.
第2の方式は、例えばUSP第3596275号明細書、USP第3
298030号明細書等に開示されている方式(Sweet方式)
であって、連続振動発生法によって帯電量の制御された
記録液体の小滴を発生させ、この発生された帯電量の制
御された小滴を、一様の電界が掛けられている偏向電極
間を飛翔させることで、記録部材上に記録を行うもので
ある。The second method is described, for example, in US Pat. No. 3,596,275, US Pat.
Method disclosed in the specification of 298030 (Sweet method)
Wherein a droplet of the recording liquid having a controlled charge amount is generated by a continuous vibration generation method, and the generated droplet having a controlled charge amount is applied between the deflection electrodes to which a uniform electric field is applied. Is recorded on the recording member by flying the recording medium.
具体的には、ピエゾ振動素子の付設されている記録ヘ
ッドを構成する一部であるノズルのオリフィス(吐出
口)の前に記録信号が印加されている様に構成した帯電
電極を所定距離だけ離して配置し、前記ピエゾ振動素子
に一定周波数の電気信号を印加することでピエゾ振動素
子を機械的に振動させ、前記吐出口より記録液体の小滴
を吐出させる。この時前記帯電電極によって吐出する記
録液体小滴には電荷が静電誘導され、小滴は記録信号に
応じた電荷量で帯電される。帯電量の制御された記録液
体の小滴は、一定の電界が一様に掛けられている偏向電
極間を飛翔する時、付加された帯電量に応じて偏向を受
け、記録信号を担う小滴のみが記録部材上に付着し得る
様にされている。More specifically, a charging electrode configured so that a recording signal is applied in front of an orifice (ejection port) of a nozzle, which is a part of a recording head provided with a piezoelectric vibrating element, is separated by a predetermined distance. The piezoelectric vibrating element is mechanically vibrated by applying an electric signal of a constant frequency to the piezoelectric vibrating element, and a droplet of the recording liquid is discharged from the discharge port. At this time, a charge is electrostatically induced in the recording liquid droplet discharged by the charging electrode, and the droplet is charged with a charge amount according to the recording signal. When the droplet of the recording liquid whose charge amount is controlled flies between the deflection electrodes to which a constant electric field is uniformly applied, the droplet is deflected according to the added charge amount and carries a recording signal. Only the recording material can be deposited on the recording member.
第3の方式は例えばUSP第3416153号明細書に開示され
ている方式(Hertz方式)であって、ノズルとリング状
の帯電電極間に電界を掛け、連続振動発生法によって、
記録液体の小滴を発生霧化させて記録する方式である。
即ちこの方式ではノズルと帯電電極間に掛ける電界強度
を記録信号に応じて変調することによって小滴の霧化状
態を制御し、記録画像の階調性を出して記録する。The third method is a method disclosed in, for example, US Pat. No. 3,416,153 (Hertz method), in which an electric field is applied between a nozzle and a ring-shaped charging electrode, and a continuous vibration generation method is used.
This is a system in which small droplets of the recording liquid are generated and atomized for recording.
That is, in this method, the atomization state of the small droplet is controlled by modulating the electric field intensity applied between the nozzle and the charging electrode in accordance with the recording signal, and the image is recorded with the gradation of the recorded image.
第4の方式は、例えばUSP第3747120号明細書に開示さ
れている方式(Stemme方式)で、この方式は前記3つの
方式とは根本的に原理が異なるものである。The fourth method is, for example, a method (Stemme method) disclosed in US Pat. No. 3,747,120, and this method is fundamentally different from the above three methods in principle.
即ち、前記3つの方式は、何れもノズルより吐出され
た記録液体の小滴を、飛翔している途中で電気的に制御
し、記録信号を担った小滴を選択的に記録部材上に付着
させて記録を行うのに対して、このStemme方式は、記録
信号に応じて吐出口より記録液体の小滴を吐出飛翔させ
て記録するものである。That is, in each of the three methods, the droplet of the recording liquid discharged from the nozzle is electrically controlled during the flight, and the droplet carrying the recording signal is selectively attached to the recording member. On the other hand, according to the Stemme method, recording is performed by ejecting a small droplet of recording liquid from an ejection port in accordance with a recording signal.
つまり、Stemme方式は、記録媒体を吐出する吐出口を
有する記録ヘッドに付設されているピエゾ振動素子に、
電気的な記録信号を印加し、この電気的記録信号をピエ
ゾ振動素子の機械的振動に変え、該機械的振動に従って
前記吐出口より記録液体の小滴を吐出飛翔させて記録部
材に付着させることで記録を行うものである。That is, in the Stemme method, the piezoelectric vibrating element attached to the recording head having the ejection port for ejecting the recording medium includes:
Applying an electrical recording signal, converting the electrical recording signal into mechanical vibration of a piezo-vibrating element, and ejecting a droplet of the recording liquid from the ejection port in accordance with the mechanical vibration to cause the droplet to fly and adhere to the recording member. Is to record.
これ等、従来の4つの方式は各々に特長を有するもの
であるが、又、他方において解決され得る可き点が存在
する。Each of these four conventional methods has its own features, but on the other hand, there are points that can be solved.
即ち、前記第1から第3の方式は記録液体の小滴の発
生の直接的エネルギーが電気的エネルギーであり、又、
小滴の偏向制御も電界制御である。その為、第1の方式
は、構成上はシンプルであるが、小滴の発生に高電圧を
要し、又、記録ヘッドのマルチノズル化が困難であるの
で高速記録には不向きである。That is, in the first to third methods, the direct energy of the generation of the droplet of the recording liquid is electric energy,
Droplet deflection control is also electric field control. Therefore, the first method is simple in structure, but requires a high voltage to generate small droplets, and is not suitable for high-speed printing because it is difficult to use a multi-nozzle recording head.
第2の方式は、記録ヘッドのマルチノズル化が可能で
高速記録に向くが、構成上複雑であり、又記録液体小滴
の電気的制御が高度で困難であること、記録部材上にサ
テライトドットが生じ易いこと等の問題点がある。The second method enables multi-nozzle recording heads and is suitable for high-speed recording. However, the method is complicated in structure, and the electrical control of small droplets of recording liquid is difficult and difficult. Are liable to occur.
第3の方式は、記録液体小滴を霧化することによって
階調性に優れた画像が記録され得る特長を有するが、他
方霧化状態の制御が困難であること、記録画像にカブリ
が生ずること及び記録ヘッドのマルチノズル化が困難
で、高速記録には不向きであること等の諸問題点が存す
る。The third method has a feature that an image having excellent gradation can be recorded by atomizing a recording liquid droplet, but on the other hand, it is difficult to control the atomization state, and fogging occurs in the recorded image. In addition, there are problems such as the fact that it is difficult to use a multi-nozzle recording head, and it is not suitable for high-speed recording.
第4の方式は、第1乃至第3の方式に比べ利点を比較
的多く有する。即ち、構成上シンプルであること、オン
デマンド(on−demand)で記録液体をノズルの吐出口よ
り吐出して記録を行う為に、第1乃至第3の方式の様に
吐出飛翔する小滴の中、画像の記録に要さなかった小滴
を回収することが不要であること及び第1乃至第2の方
式の様に、導電性の記録液体を使用する必要性がなく記
録液体の物質上の自由度が大であること等の大きな利点
を有する。而乍ら、一方において、記録ヘッドの加工上
に問題があること、所望の共振数を有するピエゾ振動素
子の小型化が極めて困難であること等の理由から記録ヘ
ッドのマルチノズル化が難しく、又、ピエゾ振動素子の
機械的振動という機械的エネルギーによって記録液体小
滴の吐出飛翔を行うので高速記録には向かないこと、等
の欠点を有する。The fourth scheme has relatively many advantages over the first to third schemes. That is, in order to perform recording by discharging the recording liquid from the discharge port of the nozzle on demand (on-demand), it is simple in terms of the configuration. It is not necessary to collect small droplets that are not required for recording an image, and there is no need to use a conductive recording liquid as in the first and second methods, and the recording liquid material Has a great advantage such as a large degree of freedom. However, on the other hand, it is difficult to form a multi-nozzle recording head because there are problems in processing the recording head and it is extremely difficult to reduce the size of the piezoelectric vibrating element having a desired resonance number. However, since the recording liquid droplets are ejected and fly by the mechanical energy of mechanical vibration of the piezo-vibration element, it is not suitable for high-speed recording.
このように従来法には、構成上、高速記録化上、記録
ヘッドのマルチノズル化上、サテライトドットの発生お
よび記録画像のカブリ発生等の点において一長一短があ
って、その長所を利する用途にしか適用し得ないという
制約が存在していた。As described above, the conventional method has advantages and disadvantages in terms of configuration, high-speed recording, multi-nozzle recording head, generation of satellite dots and occurrence of fogging of a recorded image, etc. There was a restriction that only the application was possible.
また、特開昭55−123478号公報には、所謂バブルジェ
ット液体噴射記録装置における熱エネルギー発生手段を
低熱伝導性の薄膜を有する基板上に設けることが提案さ
れている。Also, Japanese Patent Application Laid-Open No. 55-123478 proposes that a thermal energy generating means in a so-called bubble jet liquid jet recording apparatus be provided on a substrate having a thin film having low thermal conductivity.
第6図は、上記特開昭55−123478号公報に開示された
熱エネルギー発生部の詳細を説明するための図で、発熱
抵抗体11は、熱伝導度の大きな基板12上に、熱伝導度の
小さな薄膜13をコートし、更に発熱体層14及び外部から
信号を印加する為の電極層15を積層して形成される。図
に於いてHの部分が発熱部となる。又、16は保護膜であ
り、発熱体層・電極等の保護或いは記録媒体液が直接該
発熱抵抗体に接する場合の絶縁等を目的として、必要に
応じて設けられる。基板12の材料としては、例えばAl,C
u等の金属或いはAl2O3等のセラミックスが挙げられる。
基板に積層される薄膜用の材料としては、発熱体層附近
の上昇温度範囲内で、熱による変質を受けないこと、均
一な層形成を行ない得ること、応答性・エネルギー効率
等の改良の為に0.1〜10μm程度の層を容易に形成し得
ること、積層した状態でその他の層(発熱体層,基板
等)と充分な密着性を有していること等が要求される。
又、常温附近の温度で、その熱伝導度の値が0.6kcal/mh
r℃以下、好ましくは0.05〜0.4kcal/mhr℃のものが使用
される。FIG. 6 is a view for explaining the details of the thermal energy generating section disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 55-123478. The heat generating resistor 11 is provided on a substrate 12 having a large thermal conductivity. It is formed by coating a thin film 13 having a small degree, and further laminating a heating element layer 14 and an electrode layer 15 for applying a signal from the outside. In the figure, a portion H is a heating portion. Reference numeral 16 denotes a protective film, which is provided as necessary for the purpose of protecting the heating element layers and electrodes, insulating the recording medium liquid in direct contact with the heating resistor, and the like. As a material of the substrate 12, for example, Al, C
Metals such as u or ceramics such as Al 2 O 3 are mentioned.
As a material for the thin film laminated on the substrate, it is necessary to improve the responsiveness and energy efficiency, such as not being affected by heat, being able to form a uniform layer, and improving the responsiveness and energy efficiency within the temperature range near the heating element layer. It is required that a layer having a thickness of about 0.1 to 10 μm can be easily formed, and that the layer has sufficient adhesion to other layers (heating element layer, substrate, etc.) in a laminated state.
Also, at a temperature near normal temperature, its thermal conductivity value is 0.6 kcal / mh
Those having a temperature of r ° C or less, preferably 0.05 to 0.4 kcal / mhr ° C are used.
更に、上記の条件を満足する材料を、発熱抵抗体に印
加する信号エネルギー量,信号印加時間の間隔等を考慮
して通常は0.1〜10μm、好適には、0.3〜10μm、最適
には1〜6μmの範囲の厚さに層形成することが望まし
い。Further, a material satisfying the above condition is usually 0.1 to 10 μm, preferably 0.3 to 10 μm, and most preferably 1 to 10 μm in consideration of the amount of signal energy applied to the heating resistor, the interval between signal application times, and the like. It is desirable to form a layer with a thickness in the range of 6 μm.
使用される材料としては、これらの条件を満足する限
りに於いて、無機或いは有機系の材料、場合によつては
これらの材料から成る複合材料或いは積層された複数の
材料等いずれのタイプでも良い。特に、軟化点又は融点
が150℃以上、更には200℃以上の耐熱性有機高分子材料
は好適に使用される。The material to be used may be any type such as an inorganic or organic material, and depending on the case, a composite material composed of these materials or a plurality of laminated materials as long as these conditions are satisfied. . In particular, a heat-resistant organic polymer material having a softening point or melting point of 150 ° C. or more, and more preferably 200 ° C. or more, is suitably used.
低熱伝導性の薄膜用の材料に有機材料が有効な理由と
しては、一般に、薄膜を容易に形成し得ること、積層し
た状態でその他の層と密着性の高い層が得られやすいこ
と、熱伝導度の値が充分低いこと等が挙げられている。In general, organic materials are effective as materials for low thermal conductivity thin films because they can be easily formed, easy to obtain a layer with high adhesion to other layers when laminated, It is mentioned that the degree value is sufficiently low.
而して、上記特開昭55−123478号公報に記載の発明に
おいては、熱エネルギー発生手段が低熱伝導性の薄膜を
有する基板上に設けられており、この薄膜の低熱伝導性
は重要であるが、上記特開昭55−123478号公報には、他
の重要な要求品質である耐久性に関しては述べられてい
ない。とりわけSiOxを材料とする蓄熱層についての記述
はないが、バブルジェットにおいては、熱エネルギー作
用部は、過酷なヒートサイクルにさらされるため、その
耐久性は重要問題である。特に高速(たとえば4kHzより
高速)で連続駆動するようなヘッドにおいては、その問
題は深刻となる。Thus, in the invention described in JP-A-55-123478, the thermal energy generating means is provided on a substrate having a low thermal conductive thin film, and the low thermal conductivity of this thin film is important. However, JP-A-55-123478 does not disclose durability, which is another important quality requirement. Although there is no description of a heat storage layer made of SiOx in particular, in a bubble jet, the thermal energy action section is exposed to a severe heat cycle, so that its durability is an important issue. In particular, in a head that is continuously driven at a high speed (for example, higher than 4 kHz), the problem becomes serious.
目的 本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもの
で、特に、高速で連続駆動するバブルジェット型インク
ジェット記録ヘッド発熱部の耐久性を向上させることを
目的としてなされたものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and has been made in particular for the purpose of improving the durability of a bubble jet type ink jet recording head heat generating portion which is driven continuously at high speed.
構成 本発明は、上記目的を達成するために、導入される記
録液体を収容するとともに、該記録液体に熱によって気
泡を発生させ、該気泡の体積増加にともなう作用力を発
生させる熱エネルギー作用部を付設した流路と、該流路
に連絡して前記記録液体を前記作用力によって液滴とし
て吐出させるためのオリフィスと、前記流路に連絡して
該流路に前記記録液体を導入するための液室と、該液室
に前記記録液体を導入する手段よりなる液体噴射記録ヘ
ッドにおいて、前記熱エネルギー作用部は、スパッタリ
ングによって形成された、少なくとも発熱層、電極層、
保護層からなる熱エネルギー作用部であって、前記保護
層はスパッタリングによって形成されたSiO2の層であ
り、前記熱エネルギー作用部は熱酸化によって成長させ
られたSiO2の蓄熱層を有したSi基板上に形成されてお
り、4kHzより高い頻度で連続駆動されること、更には、
前記蓄熱層は、Si基板上に高圧熱酸化によって成長させ
られたSiO2であることを特徴としたものである。以下、
本発明の実施例に基づいて説明する。Configuration In order to achieve the above object, the present invention provides a thermal energy operating section that accommodates a recording liquid to be introduced, generates bubbles in the recording liquid by heat, and generates an action force accompanying an increase in the volume of the bubbles. And an orifice communicating with the flow path to discharge the recording liquid as droplets by the action force, and an orifice communicating with the flow path to introduce the recording liquid into the flow path. A liquid chamber and a liquid jet recording head comprising means for introducing the recording liquid into the liquid chamber, wherein the thermal energy action section is formed by sputtering, at least a heating layer, an electrode layer,
A thermal energy acting portion comprising a protective layer, wherein the protective layer is a layer of SiO 2 formed by sputtering, and the thermal energy acting portion is a Si having a thermal storage layer of SiO 2 grown by thermal oxidation. It is formed on a substrate and is continuously driven at a frequency higher than 4 kHz.
The heat storage layer is characterized by being SiO 2 grown on a Si substrate by high-pressure thermal oxidation. Less than,
A description will be given based on an embodiment of the present invention.
第1図は、本発明の一実施例を説明するための要部断
面図、つまり、熱エネルギー作用部の拡大断面図、第2
図は、本発明が適用されるインクジェットヘッドの一例
としてのバブルジェットヘッドの動作説明をするための
図、第3図は、バブルジェットヘッドの一例を示す斜視
図、第4図は、第3図に示したヘッドを構成する蓋基板
(第4図(a))と発熱体基板(第4図(b))に分解
した時の斜視図、第5図は、第4図(a)に示した蓋基
板を裏側から見た斜視図で、図中、21は蓋基板、22は発
熱体基板、23は記録液体流入口、24はオリフィス、25は
流路、26は液室を形成するための領域、27は個別(独
立)電極、28は共通電極、29は発熱体(ヒータ)、30は
インク、31は気泡、32は飛翔インク滴、33は蓄熱層、34
は発熱抵抗体保護層、35は電極保護層である。FIG. 1 is a sectional view of an essential part for explaining one embodiment of the present invention, that is, an enlarged sectional view of a heat energy acting part, FIG.
FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of a bubble jet head as an example of an ink jet head to which the present invention is applied, FIG. 3 is a perspective view showing an example of a bubble jet head, and FIG. FIG. 4 (a) is a perspective view when the cover substrate (FIG. 4 (a)) and the heating element substrate (FIG. 4 (b)) constituting the head shown in FIG. In the figure, 21 is a lid substrate, 22 is a heating element substrate, 23 is a recording liquid inlet, 24 is an orifice, 25 is a flow path, and 26 is a liquid chamber in the drawing. , 27 is an individual (independent) electrode, 28 is a common electrode, 29 is a heating element (heater), 30 is ink, 31 is a bubble, 32 is a flying ink droplet, 33 is a heat storage layer, 34
Is a heating resistor protection layer, and 35 is an electrode protection layer.
最初に、第2図を参照しながらバブルジェットによる
インク噴射について説明すると、 (a)は定常状態であり、オリフィス面でインク30の
表面張力と外圧とが平衡状態にある。First, the ink ejection by bubble jet will be described with reference to FIG. 2. (a) is a steady state, and the surface tension of the ink 30 and the external pressure are in an equilibrium state at the orifice surface.
(b)はヒータ29が加熱されて、ヒータ29の表面温度
が急上昇し隣接インク層に沸騰現像が起きるまで加熱さ
れ、微小気泡31が点在している状態にある。3B shows a state in which the heater 29 is heated until the surface temperature of the heater 29 sharply rises and boiling development occurs in the adjacent ink layer, and minute bubbles 31 are scattered.
(c)はヒータ29の全面で急激に加熱された隣接イン
ク層が瞬時に気化し、沸騰膜を作り、この気泡31が生長
した状態である。この時、ノズル内の圧力は、気泡の生
長した分だけ上昇し、オリフィス面での外圧とのバラン
スがくずれ、オリフィスよりインク柱が生長し始める。(C) shows a state in which the adjacent ink layer, which is rapidly heated on the entire surface of the heater 29, is instantaneously vaporized to form a boiling film, and the bubbles 31 grow. At this time, the pressure in the nozzle rises by an amount corresponding to the growth of the bubble, the balance with the external pressure on the orifice surface is lost, and the ink column starts to grow from the orifice.
(d)は気泡が最大に生長した状態であり、オリフィ
ス面より気泡の体積に相当する分のインク30が押し出さ
れる。この時、ヒータ29には電流が流れていない状態に
あり、ヒータ29の表面温度は降下しつつある。気泡31の
体積の最大値は電気パルス印加のタイミングからややお
くれる。(D) is a state in which the bubble has grown to the maximum, and the ink 30 corresponding to the volume of the bubble is pushed out from the orifice surface. At this time, no current is flowing through the heater 29, and the surface temperature of the heater 29 is decreasing. The maximum value of the volume of the bubble 31 is slightly delayed from the timing of applying the electric pulse.
(e)は気泡31がインクなどにより冷却されて収縮を
開始し始めた状態を示す。インク柱の先端部では押し出
された速度を保ちつつ前進し、後端部では気泡の収縮に
伴ってノズル内圧の減少によりオリフィス面からノズル
内へインクが逆流してインク柱にくびれが生じている。(E) shows a state where the bubble 31 is cooled by ink or the like and starts to contract. At the front end of the ink column, the ink moves forward while maintaining the pushed speed, and at the rear end, the ink flows backward from the orifice surface into the nozzle due to a decrease in the nozzle internal pressure due to the contraction of the bubble, and the ink column is constricted. .
(f)はさらに気泡31が収縮し、ヒータ面にインクが
接しヒータ面がさらに急激に冷却される状態にある。オ
リフィス面では、外圧がノズル内圧より高い状態になる
ためメニスカスが大きくノズル内に入り込んで来てい
る。インク柱の先端部は液滴になり記録紙の方向へ5〜
10m/secの速度で飛翔している。(F) is a state in which the bubble 31 further contracts, the ink comes into contact with the heater surface, and the heater surface is cooled more rapidly. At the orifice surface, the external pressure is higher than the internal pressure of the nozzle, so that the meniscus largely enters the nozzle. The tip of the ink column becomes a droplet and moves in the direction of the recording paper.
Flying at a speed of 10m / sec.
(g)はオリフィスにインクが毛細管現象により再び
供給(リフィル)されて(a)の状態にもどる過程で、
気泡は完全に消滅している。(G) is a process in which the ink is supplied (refilled) to the orifice again by capillary action and returns to the state of (a).
The bubbles have completely disappeared.
本発明は上述のごときバブルジェット用インクジェッ
トヘッドの熱エネルギー作用部をヒートサイクルから保
護し、そのライフタイムを向上させるための蓄熱層の材
料を数多くの実験及び数多くのヘッドの試作を通じて、
厳選及びその組成を限定し、真に実用化できる構成を提
供するものである。The present invention protects the thermal energy action portion of the ink jet head for bubble jet as described above from a heat cycle, and through many experiments and many prototypes of materials for a heat storage layer for improving the life time thereof,
The purpose of the present invention is to provide a configuration that can be truly put to practical use by carefully selecting and limiting the composition thereof.
第1図は、本発明による液体噴射記録ヘッドの一実施
例を説明するための要部断面図、換言すれば、熱エネル
ギー作用部の拡大断面図で、本発明においては発熱抵抗
体29が形成される部分、つまり蓄熱層33の材料としてケ
イ素酸化物(SiOx)を使用するように選定している。こ
の理由は、ケイ素酸化物は熱伝導率が低く、又、絶縁材
料としても優れた性能を示し、発熱体29で発生した熱エ
ネルギーを気泡が発生する間、基板側22に逃げないよう
にするからである。この蓄熱層33はスパッタリング法、
CVD法等によって容易に製作されえるが、最も好ましい
方法としては、基板22をシリコンとし、熱酸化によっ
て、シリコン,ケイ素酸化物(SiOx)を成長させること
が良い。安易な条件のもとで製作されたものは、たとえ
ケイ素化合物といえども厳しいヒートサイクルにさらさ
れることにより耐久性を維持できなくなり、熱エネルギ
ー作用部の破壊を引き起こすことがある。この問題は、
くりかえしのヒートサイクルが多くなればなるほど深刻
化する問題であり、高速記録を狙って4kHzよりも高速
で、連続駆動させるようなことがあるヘッドにおいて
は、特に重要である。FIG. 1 is a sectional view of an essential part for explaining an embodiment of a liquid jet recording head according to the present invention, in other words, an enlarged sectional view of a heat energy acting portion. In the present invention, a heating resistor 29 is formed. It is selected so that silicon oxide (SiOx) is used as the material of the portion to be heat-treated, that is, the heat storage layer 33. The reason for this is that silicon oxide has a low thermal conductivity and also exhibits excellent performance as an insulating material, so that the thermal energy generated by the heating element 29 does not escape to the substrate side 22 while bubbles are generated. Because. This heat storage layer 33 is formed by a sputtering method.
Although it can be easily manufactured by a CVD method or the like, the most preferable method is to use silicon as the substrate 22 and grow silicon or silicon oxide (SiOx) by thermal oxidation. Those manufactured under easy conditions, even though they are silicon compounds, may not be able to maintain durability due to a severe heat cycle, and may cause destruction of the heat energy action portion. This problem,
This problem becomes more serious as the number of repeated heat cycles increases, and is particularly important for a head that may be driven continuously at a speed higher than 4 kHz for high-speed recording.
発熱抵抗体層29を構成する材料として有用なものに
は、たとえば、窒化タンタル、ニクロム、銀−パラジウ
ム合金、シリコン半導体あるいはハフニウム、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、パナジウム等の金属の硼
化物があげられる。Useful materials for the heating resistor layer 29 include, for example, tantalum nitride, nichrome, silver-palladium alloy, silicon semiconductor or hafnium, lanthanum, zirconium, titanium, tantalum, tungsten,
Boride of a metal such as molybdenum, niobium, chromium, and vanadium.
これらの発熱抵抗体層を構成する材料のうち、殊に金
属硼化物が優れたものとしてあげることができ、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っている。Among these materials constituting the heating resistor layer, metal borides can be particularly excellent, and among them, hafnium boride has the most excellent characteristics.
Next are zirconium boride, lanthanum boride, tantalum boride, vanadium boride, and niobium boride.
発熱抵抗体層は上記の材料を用い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。発熱抵抗体層の膜厚は、単位時間当たりの発熱量が
所望どうりとなるように、その面積、材質及び熱作用部
分の形状及び大きさ、更には実際面での消費電力等に従
って決定されるものであるが、通常の場合0.001〜5μ
m、好適には0.01〜1μm、とされる。The heating resistor layer can be formed using the above-mentioned materials by a technique such as electron beam evaporation or sputtering. The thickness of the heating resistor layer is determined according to the area, the material, the shape and size of the heat acting portion, the actual power consumption, etc. so that the amount of heat generated per unit time is as desired. But usually 0.001-5μ
m, preferably 0.01 to 1 μm.
電極27、28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等があげられ、これらを
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。As the material constituting the electrodes 27 and 28, many commonly used electrode materials are effectively used.Specifically, for example, Al, Ag, Au, Pt, Cu and the like are mentioned. Use, a predetermined size in a predetermined position by a method such as evaporation,
Provided in shape and thickness.
保護層34、に要求される特性は、発熱抵抗体で発生さ
れた熱を記録液体(インク)に効果的に伝達することを
妨げずに、かつインクより発熱抵抗体を保護するという
ことである。保護層を構成する材料として有用なものに
は、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、酸化マグネシ
ウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニ
ウム等があげられ、これらは、電子ビーム蒸着やスパッ
タリング等の手法を用いて形成することができる。保護
層の膜厚は、通常は0.01〜10μm、好適には0.1〜5μ
m、最適には0.1〜3μmとされるのが望ましい。The characteristics required for the protective layer 34 are that the heat generated by the heating resistor is not effectively transmitted to the recording liquid (ink) and that the heating resistor is protected from the ink. . Useful materials for the protective layer include, for example, silicon oxide, silicon nitride, magnesium oxide, aluminum oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, and the like. Can be formed. The thickness of the protective layer is usually 0.01 to 10 μm, preferably 0.1 to 5 μm.
m, optimally 0.1 to 3 μm.
比較例 シリコン基板上にスパッタリングでSiO2とTaをターゲ
ットとして、両者の比がおよそ8:2となるような膜を形
成した。膜厚は2.5μmである。その後、第1図に示す
ような構成で、窒化タンタル(発熱体)を0.3μm、金
(電極)0.8μm、発熱体の保護膜としては、SiO2を1
μmとして形成した。発熱体の有効サイズは、25μm×
100μmであり、16本/mmの配列密度となるようにしたも
のである。これをインク中で駆動したところ、2kHzの連
続駆動では問題はなかったが、5kHzで駆動したところ、
数分後に破損した。Comparative Example A film was formed on a silicon substrate by sputtering using SiO 2 and Ta as targets, and the ratio between the two was approximately 8: 2. The thickness is 2.5 μm. Then, with the structure shown in FIG. 1, 0.3 μm of tantalum nitride (heating element), 0.8 μm of gold (electrode), and 1 μm of SiO 2 as a protective film of the heating element
μm. The effective size of the heating element is 25μm ×
The thickness was 100 μm, and the array density was 16 lines / mm. When this was driven in ink, there was no problem with continuous driving at 2 kHz, but when driven at 5 kHz,
Damaged after a few minutes.
実施例 シリコン基板上に、熱酸化によりSiO2膜を成長させ
た。その際高圧熱酸化の手法を用い、よりち密なSiO2膜
を形成するよう心がけた厚さは2μmである。Example An SiO 2 film was grown on a silicon substrate by thermal oxidation. At this time, the thickness of the SiO 2 film was set to 2 μm by using a high-pressure thermal oxidation technique so as to form a denser SiO 2 film.
その後のパターン形成は、実施例1と同じである。こ
のようにしてできた発熱体基板をインク中で駆動したと
ころ、5kHzで駆動しても異常は認められず、109回以上
のくりかえしサイクルが得られた。The subsequent pattern formation is the same as in the first embodiment. Such a heating element substrate could do was driven in the ink, no abnormality was observed even when driven at 5 kHz, 10 9 times or more repeated cycles were obtained.
効果 以上の説明から明らかなように、本発明によると蓄熱
層の耐久性が向上し、熱エネルギー作用部全体の寿命が
著しく長くなる利点がある。Effects As is clear from the above description, according to the present invention, there is an advantage that the durability of the heat storage layer is improved and the life of the entire heat energy action section is significantly prolonged.
第1図は、本発明の一実施例を説明するための要部構成
図、第2図は、本発明が適用されるインクジェットヘッ
ドの一例としてのバブルジェットヘッドの動作説明をす
るための図、第3図は、バブルジェットヘッドの一例を
示す斜視図、第4図は、分解斜視図、第5図は、蓋基板
を裏側から見た図で、第6図は、従来技術を説明するた
めの図である。 22……発熱体基板、27,28……電極、29……発熱抵抗
体、33……蓄熱層、34……発熱抵抗体保護層、35……電
極保護層。FIG. 1 is a main part configuration diagram for explaining an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of a bubble jet head as an example of an ink jet head to which the present invention is applied, FIG. 3 is a perspective view showing an example of a bubble jet head, FIG. 4 is an exploded perspective view, FIG. 5 is a view of a lid substrate viewed from the back side, and FIG. FIG. 22 ... heating element substrate, 27, 28 ... electrode, 29 ... heating resistor, 33 ... heat storage layer, 34 ... heating resistor protection layer, 35 ... electrode protection layer.
Claims (2)
該記録液体に熱によって気泡を発生させ、該気泡の体積
増加にともなう作用力を発生させる熱エネルギー作用部
を付設した流路と、該流路に連絡して前記記録液体を前
記作用力によって液滴として吐出させるためのオリフィ
スと、前記流路に連絡して該流路に前記記録液体を導入
するための液室と、該液室に前記記録液体を導入する手
段よりなる液体噴射記録ヘッドにおいて、前記熱エネル
ギー作用部は、スパッタリングによって形成された、少
なくとも発熱層、電極層、保護層からなる熱エネルギー
作用部であって、前記保護層はスパッタリングによって
形成されたSiO2の層であり、前記熱エネルギー作用部は
熱酸化によって成長させられたSiO2の蓄熱層を有したSi
基板上に形成されており、4kHzより高い頻度で連続駆動
されることを特徴とする液体噴射記録ヘッド。1. A storage device for accommodating a recording liquid to be introduced,
A flow path provided with a thermal energy action portion for generating bubbles in the recording liquid by heat and generating an action force in accordance with an increase in the volume of the bubbles; and connecting the recording liquid by the action force to communicate with the flow path. A liquid jet recording head comprising: an orifice for discharging droplets; a liquid chamber for communicating with the flow path to introduce the recording liquid into the flow path; and a means for introducing the recording liquid into the liquid chamber. The heat energy action section is a heat energy action section formed by sputtering, at least a heating layer, an electrode layer, and a protection layer, wherein the protection layer is a layer of SiO 2 formed by sputtering, Si thermal energy acting portion having a heat storage layer of SiO 2 grown by thermal oxidation
A liquid jet recording head formed on a substrate and continuously driven at a frequency higher than 4 kHz.
って成長させられたSiO2であることを特徴とする請求項
1に記載の液体噴射記録ヘッド。2. The liquid jet recording head according to claim 1, wherein said heat storage layer is made of SiO 2 grown on a Si substrate by high-pressure thermal oxidation.
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JP63-62725 | 1988-03-15 | ||
JP1058628A JP2698418B2 (en) | 1988-03-15 | 1989-03-10 | Liquid jet recording head |
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JPS6189668A (en) * | 1984-10-09 | 1986-05-07 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Manufacture of semiconductor device |
JPH0729433B2 (en) * | 1986-03-05 | 1995-04-05 | キヤノン株式会社 | How to make a liquid jet recording head |
JPS63309462A (en) * | 1987-06-11 | 1988-12-16 | Seiko Epson Corp | Nozzle plate for bubble jet head |
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1989
- 1989-03-10 JP JP1058628A patent/JP2698418B2/en not_active Expired - Lifetime
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