(57)【要約】【課題】  ＴａＸＮ（Ｘ＝Ｓｉ，Ｂ）薄膜をヒーターとして使用した液体噴射記録ヘッドにおいて、ヘッド使用時のヒーターの抵抗変化を抑えることを目的とする。【解決手段】  ＴａＸＮ（Ｘ＝Ｓｉ，Ｂ）薄膜を成膜して、液体噴射記録ヘッドが完成するまでのいずれかの段階で、薄膜内のＴａーＮ結合を安定化させる為の処理が行われることを特徴とする。具体的には、ＴａＸＮを成膜してその上に保護膜を製作した後、真空アニール処理を行い、Ｘ線回折法によりＴａーＮ結合の変化を観察しながら、最適なアニール条件を決める方法がある。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号を印加することで、インクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生するために用いられるものであって、発熱抵抗体と該発熱抵抗体に電気信号を印加するための一対の電極とを含む電気熱エネルギー変換体を有し、且つ窒素（N）とタンタル（Ta）に第三の成分を添加したサーメット薄膜を発熱抵抗体として使用した液体噴射記録ヘッドの製造方法において、前記発熱抵抗体内のTa-N結合を安定化する処理工程を含むことを特徴とする液体噴射記録ヘッドの製造方法。
【請求項２】
第三の成分はSiもしくはBであり、該発熱抵抗体は、TaXN薄膜（X＝SiもしくはB）で表されるサーメット薄膜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の製造法。
【請求項３】
Ta−N結合を安定化させる処理工程は、前記発熱抵抗体に熱エネルギーを付与する工程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の製造法。
【請求項４】
電気信号を印加することで、インクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生するために用いられるものであって、発熱抵抗体と該発熱抵抗体に電気信号を印加するための一対の電極とを含む電気熱エネルギー変換体を有し、且つ窒素（N）とタンタル（Ta）に第三の成分を添加したサーメット薄膜を発熱抵抗体として使用した液体噴射記録ヘッドにおいて、前記発熱抵抗体内のTa-N結合を安定化する処理工程を含んで製造されたことを特徴とする液体噴射記録ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体噴射記録ヘッドの製造方法および該方法により製造された液体噴射記録ヘッドおよび該液体噴射記録ヘッドを装着した液体噴射記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体噴射記録方法は、インク等の記録液により飛翔的液滴を形成し、これを紙等の被記録材に付着させて記録が行なわれるもので、かかる記録方法を採用した液体噴射記録装置は、低騒音で高速印字、高密度記録ができ、しかも普通紙に対して、現像，定着などの処理が不要であることから、装置自体を小型化することが可能であり、かつ、大量生産時の生産性が良く、製造費用も廉価にできるものとして特に注目されている。
【０００３】
特にオンデマンド型液体噴射記録装置は、コンティニアス型液体噴射記録装置で必要とされる高電圧発生装置および不要インクの回収装置を必要とせず、装置を小型化できることからその応用が有望視されている。その中でも、特公昭６１−５９９１４号公報に記載のものは、液体が充填された液路中の一部を熱して前記液体に急激に発泡による体積増加に伴う圧力変位を与えることにより、前記液路中に連通する吐出口から液体を吐出させて飛翔用液滴を形成し、このような液滴を被記録材に付着させて記録する液体噴射記録ヘッドを使用することで液体噴射記録装置として特に注目されている。しかも、上述の液体噴射記録ヘッドは、ノズルを高密度化、マルチ化し易い特徴を持つので、ヘッドを長尺化することにより印字速度を向上させ、かつ、高品位の画像を得ることができるという特色がある。
【０００４】
この飛翔的液滴を形成するために熱エネルギーを利用する液体噴射記録ヘッドにおいて、記録液を加熱する手段は、電気信号を印加することにより発熱して記録液を加熱することのできる発熱抵抗体（以後、ヒーターと称する。）と、かかる発熱抵抗体に電気信号を印加するための一対の電極とを有する電気熱変換体を具えている。また、ここで使用される記録液は、一般に顔料や染料などの記録成分と、これを溶解または分散させるための水、あるいは水と水溶性有機溶剤とからなる溶媒成分とによって形成されている。
【０００５】
ところで、このような水系記録液において急激な気化を行なうための加熱限界温度、すなわち、ヒーターの面と液体との間で極めて薄く、かつ、安定した蒸気膜を介して、その熱伝導で伝えられる熱量により蒸気が生ずる温度は２５０℃〜３５０℃である。したがって、この様な温度特性の記録液を用いて、ヒーターに電気信号を与えることにより記録液を発泡させ、飛翔的液滴を形成させて被記録材に記録するためには、ヒーターは電気信号が与えられる毎に、雰囲気温度から３００℃〜８００℃までの温度で繰り返して加熱されることになる。
【０００６】
なおヒーターおよび電極等は半導体プロセスによって形成されるもので、例えば、基板上（例えば、Ｓｉ，硝子，セラミックス等）に設けられた発熱抵抗体（例えば、ＨｆＢ2 ，ＺｒＢ2 ，ＴａＮ2，ＴａＳｉ等の耐熱抵抗材）上に、中間層（例えば、Ｔｉ，Ｃｒ等）を介して、電気良導体である金属からなる配線部（電極、例えば、Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ等）を上記中間層が露出するように積層して形成され、その露出した部分がヒーターとなる。また、記録液からの電食，酸化を防ぐための、耐熱性，記録液遮断性に優れた保護膜等が必要に応じてヒーターおよび電極上に形成される。
【０００７】
発熱抵抗体として上に挙げた耐熱抵抗体以外に、チッ化タンタルに第三の成分としてSiもしくはBを添加したサーメット薄膜（TaXN薄膜：X＝Si, B）が挙げられる。TaXN薄膜は、高抵抗が達成でき、他の高抵抗薄膜と比較して抵抗温度係数（TCR）小さく使用する環境の温度が変化しても発熱量が安定していることから、該液体噴射記録装置のヒーターに使用する発熱抵抗体として最も優れた材料の一つである。
【特許文献１】特公昭６１−５９９１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、該TaXN薄膜をヒーターとして使用した液体吐出記録ヘッドは、短時間の使用に対しては安定した吐出が得られるものの、長期に渡って該液体吐出記録ヘッドを使用しつづけた場合、ヒーターの抵抗Rが変化することにより吐出特性が安定しないという問題を抱えていた。現在、多くの液体噴射記録装置は、消費者の費用負担を抑える為、ヘッドを長寿命化する方向で開発が進められており、該TaXN薄膜ヒーターの抵抗変化は、液体噴射記録装置を開発する上で、大きな足かせとなっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、電気信号を印加することで、インクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生するために用いられるものであって、発熱抵抗体と該発熱抵抗体に電気信号を印加するための一対の電極とを含む電気熱エネルギー変換体を有する液体噴射記録ヘッドであり、且つ窒素（N）とタンタル（Ta）に第三の成分としてSiもしくはBを添加したサーメット薄膜（TaXN薄膜：N＝Si,B）を発熱抵抗体として使用した液体噴射記録ヘッドの製造方法において、前記発熱抵抗体内のTa-N結合を安定化する処理工程を含むことを特徴とする。
【００１０】
我々は、TaとNおよび抵抗率を上げる為の第三の成分Xを構成元素とするサーメット薄膜を該発熱抵抗体として使用した液体噴射記録ヘッドにおいて、前述のヒーター抵抗率の変化は、Ta-Nの結合状態が変化することが原因であることを、詳細な検討により見出した。すなわち、本発明は、Ta-N結合を安定化する処理を該発熱抵抗体に施すことによって、前述の抵抗率の変化を抑制し、該液体吐出記録装置の吐出特性を長期に渡り安定化することを可能にするものである。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、記録の初期の段階から常に良好な液滴吐出状態を得るために好適な範囲内にヒーターの抵抗変化が抑えられ、特に長時間に渡る記録においても、常に良好で安定した液滴吐出状態が得られる液体噴射記録ヘッドの製造方法を提供することができる。
【００１２】
また、記録装置のヒーターにおける長期に渡る繰り返し発熱に対して高耐久寿命の液体噴射記録ヘッドが得られる液体噴射記録ヘッドの製造方法を提供することができる。
【００１３】
さらにまた、常に良好な液滴吐出状態を得るために好適な範囲内にヒーター抵抗変化が抑えられ、特に長時間に渡る記録においても、常に良好で安定した液滴吐出状態が得られる液体噴射記録ヘッドを提供するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下図面を用いて本発明を詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の方法により製造された液体噴射記録ヘッドを搭載する液体噴射記録装置の一例を、また図２は図１に示す液体噴射記録ヘッドの主要部の構成を、更にまた図３は図２に示す液体噴射記録ヘッドのヒーターおよびヒーターの駆動に使用されるCMOSトランジスターの断面の一例を示す。
【００１６】
図１において、１は液体噴射記録ヘッド、２は記録ヘッド１およびサブインクタンク３を搭載し、案内軸４に沿って往復移動するキャリッジ、５は記録ヘッド１の対向位置に被記録材（記録シート）６を保持するプラテンである。なお、サブタンク３には記録液貯蔵用のメインタンク７から供給チューブ８によって記録液が供給され、更にここから供給管ユニット９を介して記録ヘッド１の液室１０（図２参照）に導かれる。なお、上述構成は、前記記録ヘッド１，前記サブインクタンク３，前記メインタンク７，前記供給チューブ８，前記供給管ユニット９を１つにまとめてユニット化したもの、または、上述の機能をすべてもつ記録ヘッドにしたものであってもかまわない。１１はフレキシブルプリント配線基板（以下でＦＰＣという）であり、このＦＰＣ１１により記録装置の吐出信号発生手段１２，予備吐出処理制御手段１３および予備加熱処理制御手段１４等からの吐出信号を始めとする各種制御信号が記録ヘッド１に供給される。１５は供給管ユニット９やＦＰＣ１１の端部、更に記録ヘッド１等をベースプレート１６との間に保持する押え部材である。
【００１７】
一方、記録を行う記録ヘッド１に対し、その記録領域外のホームポジション近傍で記録ヘッド１に当接して吐出回復動作およびキャッピング処理を行うために回復ポンプ１７，キャップ部材１８およびその間を連絡する吸引チューブ１９が設けられていて、回復処理制御手段２０によって制御される。かくして、予備吐出処理制御手段１３，予備加熱処理制御手段１４による記録ヘッド１側の制御と相俟って、高品位の記録を得るために、互いに独立または一連のモードによって対応した動作が行われる。
【００１８】
ついで、図２に従って記録ヘッド１の構成について説明しておく。ここで、１Ａはヘッド基板であり、ヘッド基板１Ａ上には共通液室１０と、これに連通する液路２１，記録液（以下でインクという）を吐出させる吐出口２２，各液路２１に設けられるヒーター２３がそれぞれ設けられ、更にその上部に天板２４を重ね合わせた形で記録ヘッド１が構成される。
【００１９】
さらに、図３に従って記録ヘッド１のインクに熱エネルギーを与えるヒーター部について、さらに説明を加える。１Aは基板であり、その表面には、CMOSを形成する為の熱酸化膜２５が設けられている。２６〜２７は、電極２８，２９を通して発熱抵抗体３０にインクを発泡させるのに十分な電力を供給する為の、CMOSトランジスターの各要素である。発熱抵抗体３０とインクの間には、インクと発熱抵抗体を絶縁する為の絶縁膜３１と、発熱抵抗体３０から熱エネルギーが付与されることにより発生するインク内の気泡が、該熱エネルギーの付与が遮断されて消失するときに生ずる衝撃から、発熱抵抗体３０および絶縁膜３１を保護する為の保護膜３２が形成される。
【００２０】
このように構成した記録装置を用いて記録を行うには、まずメインタンク７から、供給チューブ８および供給管ユニット９を介して、サブタンク２，液室１０および液路２１内にインクを充填する。次に、ＦＰＣ１１により記録ヘッド１のヒーター２３に電気信号、即ち吐出信号発生手段１２からの電気信号を印加する。これによってヒーター２３を発熱させることにより、熱エネルギーがヒーター２３近傍の液路２１内に存在するインクに付与される。かくしてインクに対してヒーター２３から熱エネルギーが付与されることでその部分において瞬間的にインクの体積増大を伴う気泡が発生し、ヒーター２３より下流側（吐出口２２側）に存在するインクが吐出口２２から吐出されて、飛翔的インク滴が形成される。そこでこのインク滴を、対向位置の紙等の被記録材に付着させ所望の画像記録が行なわれる。なお、その記録時には、記録ヘッド１からのインクの吐出を適正化させ、高品位の画像を形成する目的で、予備吐出処理，予備加熱処理，記録ヘッドの回復処理が行なわれる。これらの処理は、予備吐出処理制御手段１３，予備加熱処理手段１４等によって制御される。
【００２１】
なお前記予備吐出処理や予備加熱処理は、主としてインクの粘度等を調整するものである。また回復処理は、記録ヘッド１をキャップ部材１８と当接させた状態で記録ヘッド１内のインクを加圧もしくは吸引することで吐出口２２の目詰まりなどを回復させるものである。
【００２２】
本発明液体噴射記録ヘッドの製造方法は、上記のような構成の装置に装着される液体噴射記録ヘッドを製造する際のいずれかの段階で、図３の発熱抵抗体３０内のTa−N結合を安定化させる処理過程が組み込まれることを特徴とするものである。
【００２３】
発熱抵抗体内部のTa−N結合を安定させる処理としては、Ta−N結合を熱に対して安定化するのに十分変化させておく方法が挙げられる。具体的には、発熱抵抗体であるTaXNの成膜後から、上記のような構成の液体噴射記録ヘッドを製造する際のいずれかの段階でTa−N結合が熱的に安定するのに十分な熱エネルギーを該発熱抵抗体に与える方法がある。
【００２４】
以下に図面を用いて本発明の実施例を詳細かつ具体的に説明する。
【００２５】
図２に示したような構成のヘッドを製作する過程において、図３おけるCMOSトランジスターの基本構成26と２７、配線２８と２９、発熱抵抗体膜３０および絶縁膜３1が形成された後に真空過熱処理をおこなった。ヘッドの構成および真空加熱処理の条件は以下に示す通りである。
【００２６】
記録ヘッドの構成
基板        Si（SiO2の熱酸化膜付）        １mm
発熱抵抗体  TaSiN（スパッタ膜）         0.1μｍ
電極        Cu                          0.5μｍ
保護層      SiO2                          2μｍ
真空加熱処理の条件
真空度：１×１０−５Pa
加熱保持時間：３０分
加熱温度は100℃〜800℃の間で熱電対に連結した加熱システムにより制御し、異なった加熱温度で処理をした複数の記録ヘッドを作成した。真空加熱処理前後のTa−N結合の変化の様子は、X線回折装置を用いて観察した。記録ヘッドに対するTa−N結合の安定化処理の効果は、液体噴射記録装置に装着する前、かつ記録液を充填した状態で吐出口から記録液を吐出させたときの、ヒーター抵抗率の変化率ΔR／Rを測定することにより評価した。
【００２７】
図４と図５は、真空加熱処理を行う前と、８００℃で真空加熱処理を行った後の、発熱抵抗体のX線回折パターンである。矢印２Aで示したピークはSi基板による信号である。真空加熱処理を行う前は、２θ＝３７°の近傍になだらかな信号が確認できるが、その構造はアモルファス状態であるといってよい。それに対し、真空加熱処理を行った後の図５では、急峻なピークが確認される。これらのピークは、Ta2Nの結晶構造から生ずるものと一致する。図６は、加熱温度を変えて真空過熱処理を行ったときの、X線回折ピークの大きさである。図６から、Ta-Nの結合状態は、処理温度によって変化し、６００℃以上でほぼ安定化することが分かる。
【００２８】
また、X線回折ピークの大きさと、ヒーター抵抗値変化率の関係を調べたところ図７に示した結果が得られた。図７から、X線回折のカウント数が２５０００を超えてTa−N結合が安定化した後は、ヒーター抵抗変化率ΔR／Rが小さく、記録ヘッドを液体噴射記録装置に装着して使用したとき、長時間に渡る記録においても常に良好で安定した液滴吐出状態が得られる。
【００２９】
なお、ΔR／Rは、１０８文字使用後のヒーターの抵抗率Rの変化率の平均である。
【００３０】
更にまた、以上に述べたTa−Nの結合を安定化させる処理は、必ずしも前述の実施例に述べられた成膜後の加熱処理である必要はない。すなわち、該Ta−N結合の安定化処理は、成膜中に行われる処理、たとえば成膜中の基板加熱であってもよい。
【００３１】
更にまた、以上に述べたTa−N結合の状態を評価する方法は、先に述べた、X線回折である必要性は無い。たとえば、赤外線分光法、または電子磁気共鳴法（EMR）核磁気共鳴法（NMR）、またはメスバウワー分光法でもよい。
【００３２】
なお、本発明の液体噴射記録ヘッドの製造方法における上記ヒーターのTa−N結合の安定化処理は、従来の液体噴射記録ヘッドおよびそれを搭載した液体噴射記録装置の製造方法と同じであり、その詳細の説明は省略する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る液体噴射記録装置の構成図である。
【図２】図１の装置に装着される本発明に係る液体噴射記録ヘッドの構成の一例を示す斜視図である。
【図３】図２で示される液体噴射記録ヘッドのヒーターおよび基板の断面図である。
【図４】発熱抵抗体薄膜を成膜直後にX線回折法で測定した結果である。
【図５】Ta―N結合の安定化処理を行った後に、発熱抵抗体薄膜をX線回折法で測定した結果である
【図６】発熱抵抗体薄膜の加熱処理温度と、図５におけるX線回折信号のピーク値の関係を表した特性曲線図である。
【図７】図５におけるX線回折信号のピーク値と、ヘッドにパルスを印加して耐久試験を行ったときの抵抗の変化率ΔR／Rの変化の関係を表す特性曲線図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  記録ヘッド
１Ａ  基板
２  キャリッジ
３  サブタンク
１１  フレキシブルプリント配線基板
１２  吐出信号発生手段
１３  予備吐出処理制御手段
１４  予備加熱処理制御手段
２１  液路
２２  吐出口
２３  ヒーター
２３Ａ，２３Ｂ  電極
２５  Si基板の熱酸化膜
２６，２７  CMOSトランジスター
２８，２９  電極配線
３０  発熱抵抗体薄膜
３１  絶縁膜
３２  保護膜
２A  Si基板によるX線回線の信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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