JP2846461B2 - 改善された多層保護構造を有する加熱素子用のバブルジェットプリントヘッド - Google Patents

改善された多層保護構造を有する加熱素子用のバブルジェットプリントヘッド

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、熱的ドロップ−オン−デマンド方式のイン
クジェットプリントヘッド（本願では「バブルジェット
（bubble jet）」プリントヘッドと称する）に関するも
のであり、更に詳しく述べると、その抵抗式加熱素子の
保護を改善したプリントヘッド構成に関する。
背景技術 代表的なバブルジェットプリントヘッドには、例えば
金属材料又はセラミック材料で形成された支持基材上に
多数の電気抵抗式加熱素子が形成されており、該素子は
熱調節被覆たとえばSiO2を有する。加熱素子に電圧を選
択的に印加するための金属電極が形成されており、加熱
素子と電極との上には保護被覆が付与されている。プリ
ントヘッドの加熱素子とオリフィスとの間にプリントイ
ンキを供給し、加熱素子にエネルギーを加えて隣接イン
キを急速にスチームに転化する温度にし、その結果生ず
る衝撃波で関連オリフィスからインキを噴出する。
このインキジェットプリント法は益々有用になってき
た。しかしながら、加熱素子が長期間にわたり操作可能
となる、特に高速プリントモードで使用した際に操作可
能となるプリントヘッドの提供には未だ主要な問題があ
った。これは、主として、液滴エジェクターを物理的・
化学的損耗から保護する点に主な技術課題があるからで
ある。
即ち、使用するインキが加熱素子を化学的に攻撃し、
そのアドレス電極と接地電極とを短絡することがあるか
らである。更に詳しく述べると、抵抗器は電気エネルギ
ーを受ける装置であり、インキは電解質である。電解質
に電流を流す装置はどのような装置であっても、正極を
電解により溶出して負極を電解メッキする。従って、抵
抗器は、電解質から遮蔽されていない限り、正端部が溶
出され、他方の陰端部には電解的に材料が沈積される。
上記の理由及びその他の理由により、例えば機械的損傷
に対する保護のため、加熱素子上に（及び通常は電極上
にも）誘電性の保護層（単数又は複数）を付与するので
ある。このような誘電性保護層をヒータ上に付与すると
前記の問題は減るが、更なる困難たとえばヒータからイ
ンキへの効率的熱移動が困難になることや、斯かる層の
ヒータ及び電極への接着信頼性に難を生ずる等の諸困難
を招来する。
米国特許第4,450,457号及び同第4,557,202号は、上記
及びその他の問題を記載しており、例えば加熱損耗及び
インキ損耗に対する良好な抵抗、良好な熱伝導性、イン
キ浸透防止性、酸化防止性及び機械的損傷に対する抵抗
等所望の保護層特性の例を表記している。上記両特許
は、斯かる諸特性を達成するため、加熱素子直上の誘電
性層たとえばSiO2又はSi3N4の層と最上層としての金属
層たとえばTa又は合金の層とからなる二層の複合保護カ
バーを使用することを教示している。米国特許第4,513,
298号は、第１の上置層には窒化ケイ素を、最上部保護
層には炭化ケイ素を用いた別の複合保護層構成物を記載
している。
前記の保護層を用いる解決策は有用であるが、所望の
寿命よりも短い期間で操作上の欠陥を生じると云う問題
がある。
発明の開示 本発明の一目的は、バブルジェットプリントヘッド加
熱素子用の新規な保護構成物、すなわち、例えばプリン
トヘッドの寿命を延ばすこと及び／又は高速プリント操
作を可能にすることにより、その操作性能を改善した保
護構成物を提供することである。本発明のこの新規な解
決策は、先行技術プリントヘッドの破損モードの生起を
減らすのに極めて有用な構成物を提供する。
すなわち、本発明は、一好適実施態様として、複数の
別々にアドレス可能な抵抗式加熱素子を備えた基板を有
する種類のバブルジェットプリントヘッド用の改善され
た保護構成物を形成するものであり、加熱素子は複数対
のアドレス電極と共通電極とから形成され、この電極対
が斯かる素子の間を隔てた端部へ電気エネルギーを流入
し且つそれから電気エネルギーを流出するのである。こ
の改善された構成物は加熱素子保護カバーを含み、該カ
バーは加熱素子上に形成された誘電性材料の第１の層；
第１の層上に形成されて加熱素子の上に配置される金属
の第２の層；及び第１及び第２の層並びに加熱素子の上
に配置される、物理的には硬くて化学的には不活性な外
側表面部分を有する第３の層を包含する。
図面の簡単な説明 以下に付属図面を参照しながら好適な実施態様を説明
する。
図１は、本発明が使用可能な一先行技術インキジェッ
トプリントヘッドの断面図である。
図２は、本発明が使用可能な別種先行技術プリントヘ
ッド装置の部分断面を含む透視図である。
図３は、図１及び図２に示したような先行技術デバイ
スに使用される保護被覆構成物を更に詳細に示す断面図
である。
図４は、図３に類似し、但し本発明の保護被覆構成物
を含むプリントヘッドの部分を示す断面図である。
本発明の実施方式 図１を参照する。先行技術のバブルジェットヘッド10
は、一般に、ケイ素等の熱伝導性材料から形成されるベ
ース基板11を包含し、その上にSiO2又は非熱伝導性材料
たとえばガラス等の熱調節層12が被覆されている。溝を
切った最上板13により、最上端キャップ16により形成さ
れるインキ供給貯器15から伸長する複数のインキ供給チ
ャンネル14が定められる。その基板の特性が許容するな
らば、基板11の下表面上にヒートシンク部17を付与する
ことができる。一般に20で示した選択的にアドレス可能
な複数の電気−熱トランデューサーが、最上板13の溝と
基板11との間に形成されるオリフィスの上流に配置され
る。これらのトランデューサーは、各々、例えばZrBr2
で形成された別個の抵抗式ヒータ部分21と例えばアルミ
ニウムで形成された別個のアドレス電極22とからなる。
アドレス電極の反対側にある各加熱素子の縁に共通接地
電極23を結合することができる。この電極と加熱素子
は、各種の金属沈積技術により層12の表面上に形成する
ことができる。電極と加熱素子との両者の上に、前記背
景技術に記載した種々の要求に合致させる意図で、保護
層（単数又は複数）例えばSiO2を形成する。アドレス電
極22に電圧を加えると、電流が抵抗式加熱素子21を通し
て接地電極23に流れ、加熱素子近くのインキを蒸発させ
てインキ滴をオリフィス19から噴出させる熱が供給され
る。
図２は、図１の実施態様と同様な構成要素を有する別
の先行技術バブルジェットプリントヘッドの実施態様を
示し、この構成要素を対応する「ダッシュ付き」数字で
示す。図２の先行技術プリントヘッドの主な違いは、最
上板が分離した構成要素13′,13″からなり、それらが
一緒になって最上部噴出路19′を形成し且つ通路19′上
にオリフィス板19″が設けられていることである。アド
レス電極22′に電圧を加えると、電流がヒータ21′を通
して接地電極23′に流れ、インキが加熱されて板19″の
関連オリフィスからインキ滴を噴出する。
図３は、図１及び図２に示したものに類似し、但し加
熱素子31及びそのエネルギー入力電極32,33の上部に配
置される保護カバーを有する別種の先行技術の実施態様
のバブルジェットプリントヘッドのインキ滴噴出域の拡
大断面図を示す。図３のデバイスにおいて、保護カバー
は最上層34と中間層35とを有する二層構成であり、中間
層35は加熱素子と電極とに接触している。米国特許第4,
335,389号及び同第4,370,668号は、斯かる二層保護被覆
の形成に使用可能な各種材料を開示している。一般に、
最上層は物理的・化学保護のため形成され、密な粒子構
造、高い引っ張り強度及び良好な疲労特性をもった材料
からなる。金属、合金及び炭化物は、最上層34としてと
りわけ有用である。中間層35は、電流が加熱素子を通し
て流れて層35に流れないように、ヒータ層31の比抵抗よ
りも例えば104倍高い比抵抗を有するよう選択される。
酸化物及び窒化物たとえばSiO2及びSi3N4が中間層35用
にとりわけ有用である。基板37は金属で形成可能であ
り、SiO2等の熱調節層38を有する。最上板39は、インキ
溝構造をもった金属、ガラス又はプラスチックとするこ
とができる。
図４は、前記のような先行技術装置の主な欠陥態様を
解析して本発明者が発明した保護被覆の改善された構成
物の断面図を示す。一般に、本発明者は、主たる欠陥態
様が亀裂（crazing）並びにその後の電解溶出であるこ
とを見い出した。更に詳しく述べると、代表的なインキ
流体である水とグリコールの臨界温度は310℃近くであ
り、インキ「爆発」前のインキの沸騰を回避するには、
３μ秒未満で臨界温度に達しなければならない。装置の
加熱素子及びその保護カバーが急速に加熱された後冷却
されると激しく膨張・収縮し、加熱素子とその被覆の双
方に極めて大きな応力を生起する。更に、バブルジェッ
トプリントヘッドのインキ滴エジェクターは、一秒間に
何千回もの加熱・冷却を繰り返すのである。
本発明者は、取り付けた保護層、特に最上部保護層が
亀裂を伴わず急速に加熱・冷却することが特に重要であ
ることを見い出した。炭化ケイ素は、亀裂並びに化学的
攻撃及び引き掻きに対する抵抗が卓越しているので、最
上層として優れた材料である。しかしながら、炭化ケイ
素は高温時に導電性となり、電解的攻撃を受ける。炭化
ケイ素とヒータ電極との間に窒化ケイ素又はその他の誘
電性材料を比較的厚目に（例えば数千オングストローク
以上）付与すると、炭化ケイ素／インキ界面に加わる電
場を減らすことができる。斯かる誘電性中間層は、比較
的薄めの層だと、高温時に電気伝導性を示して電気を漏
洩するに至り、その結果電解的損耗をもたらすようにな
る。保護層の一以上に亀裂が発生すると、同じく漏電が
起こる。しかしながら、斯かる誘電性中間層の厚みが増
すにつれて、ヒータからインキへの熱移動に対する熱バ
リヤー性は増大する。
本発明者は、このヂレンマを解析し、外層の下、但し
ヒータ及び電極から誘電的に分離して金属膜を配置する
と、電解損耗の原因となる電場を効果的に遮蔽すること
を見い出した。このような表面下電気膜（a subsurface
electric film）が付与されていると、（ｉ）炭化ケイ
素層等の外側層は、その所望特性を付与するため使用可
能であり、（ii）窒化ケイ素等の誘電性中間層（単数又
は複数）は、ヒータ−インキ間隙の有効な熱勾配を与え
るような層厚で使用することができる。これに加え、本
発明に従って付与される金属膜は、それ自身が化学的攻
撃に曝されていない位置で、保護被覆の強度及び耐亀裂
性を高める。
図４に示したデバイス40は、本発明の一好適実施態様
として製作したものであり、例えばケイ素、ガラス又は
金属のベース基板41、例えばSiO2の熱調節層42、例えば
TaAl3の抵抗式ヒータ43及び例えばアルミニウム製の接
地電極44及びアドレス電極45からなる。最上部部材46
は、金属又はプラスチックで図１又は図２に示すように
形成することができる。本発明により、ヒータ及び電極
用の保護被覆は、物理的に硬くて耐亀裂性かつ化学的攻
撃に耐性ある外表面をもった外層47、外層の下に金属膜
を含む中間層48及びヒータ及び電極から金属膜層を分離
する高抵抗誘電性層49からなることができる。金属膜と
外層との間に別の誘電性層を設けて最上層47の接着性を
高めると好適である。
一般に、抵抗層43と金属膜層48との間の誘電性層49
は、操作電圧で使用して材料が誘電破壊しないくらい安
全な厚みを有しなければならない。好適実施態様では、
誘電性層49は約2000−6000オングストロームの範囲内の
厚みをもとことができ、金属層48は約1000−6000オング
ストロームの範囲内の厚みをもつことができる。特に好
適な実施態様では、第１オーバーコート層49は厚み約20
00乃至3000オングストロームの窒化ケイ素であり、金属
膜層48は厚み約1000乃至2000オングストロームのタンタ
ルアルミニウムであり、接着層50は厚み約500乃至1000
オングストロームの窒化ケイ素であり、外層は厚み約10
00乃至2000オングストロームの炭化ケイ素である。
産業上の利用可能性 本発明は、熱インクジェットプリントの有効寿命を延
ばし、かつ、高速プリント操作を可能とする産業上の有
利性を提供する。

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ヒータ部分の間を隔てた端部に電気エネル
    ギーを流入し且つそれから流出させる複数対のアドレス
    電極及び共通電極から形成される別々にアドレス可能な
    複数の抵抗式ヒータ部分を備えた基板を有する種類のバ
    ブルジェットプリントヘッド装置であって、ヒータ部分
    の保護カバー構成物が、 （ａ）前記ヒータ部分上に形成される誘電性材料からな
    る第１の層； （ｂ）前記第１の層上に形成されて前記電極対及び前記
    ヒータ部分の上に配置される金属からなる第２の層を含
    む、更に上部に配置した層を前記電極対の局在電場から
    遮蔽するための遮蔽手段；及び （ｃ）前記の第１及び第２の層並びに前記ヒータ部分の
    上に配置される、物理的に硬くて引き掻きに耐性があ
    り、かつ、化学的に不活性な外表面部分を有する第３の
    層； からなることを特徴とするバブルジェットプリントヘッ
    ド装置。
  2. 【請求項２】前記第３の層の前記外表面部分が炭化物で
    ある請求の範囲第１項のバブルジェットプリントヘッド
    装置。
  3. 【請求項３】前記第３の層が炭化ケイ素の外表面部分と
    前記外表面部分及び前記金属層に付着した窒化ケイ素部
    分とからなる請求の範囲第２項のバブルジェットプリン
    トヘッド装置。
  4. 【請求項４】前記の第１の層が窒化ケイ素からなる請求
    の範囲第３項のバブルジェットプリントヘッド装置。
  5. 【請求項５】前記の金属層がタンタルアルミナイドであ
    る請求の範囲第４項のバブルジェットプリントヘッド装
    置。
  6. 【請求項６】前記第１の層の厚みが約2000乃至6000オン
    グストロームであり、かつ、前記第２の層の厚みが約10
    00乃至6000オングストロームである請求の範囲第１項の
    バブルジェットプリントヘッド装置。
  7. 【請求項７】前記第３の層の厚みが約1500乃至3000オン
    グストロームである請求の範囲第６項のバブルジェット
    プリントヘッド装置。
  8. 【請求項８】前記の第３の層が、厚み約1000−2000オン
    グストロームの炭化ケイ素の外側部分と厚み約500乃至1
    000オングストロームの窒化ケイ素の内側部分とからな
    る請求の範囲第７項のバブルジェットプリントヘッド装
    置。
  9. 【請求項９】ヒータ部分の間を隔てた端部に電気エネル
    ギーを流入し且つそれから流出させる複数対のアドレス
    電極及び共通電極から形成される別々にアドレス可能な
    複数の抵抗式ヒータ部分を備えた基板を有する種類のバ
    ブルジェットプリントヘッド装置であって、ヒータ部分
    の保護カバー構成物が、 （ａ）前記ヒータ部分上に形成される約2000乃至6000オ
    ングストロームの厚みを有する窒化ケイ素の第１の層； （ｂ）前記第１の層上に形成されて前記ヒータ部分の上
    に配置される約1000乃至6000オングストロームの厚みを
    有するTaAl3の第２の層；及び （ｃ）前記の第１及び第２の層並びに前記ヒータ部分の
    上に配置される、物理的に硬くて引き掻きに耐性があ
    り、かつ、化学的に不活性な外表面部分を有する第３の
    層； からなることを特徴とするバブルジェットプリントヘッ
    ド装置。
  10. 【請求項１０】前記第３の層の前記外表面部分が炭化物
    である請求の範囲第９項のバブルジェットプリントヘッ
    ド装置。
  11. 【請求項１１】前記の第３の層が炭化ケイ素の外表面部
    分と前記外表面部分及び前記金属層に付着した窒化ケイ
    素部分とからなる請求の範囲第10項のバブルジェットプ
    リントヘッド装置。
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