JPH01105748A - 熱インクジェット・ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は熱インクジェット・ヘッドに関し、特にその気
泡発生加熱エレメントに関する。本発明の主目的は寿命
特性を改良した比較的単純な加熱エレメントを提供する
ことである。

〔従来技術およびその問題点〕

熱インクジェット・プリンタは、バブル・ジェット・プ
リンタと呼ばれることもあるが、非常に効率的なもので
ある。というのは、熱インクシエンド・プリンタは高速
のインク小滴を生成し、また用紙あるいは他の記録媒体
上の単位長さ当たり相対的に多数の点すなわちビクセル
の数をプリンとするためにノズル間隔を非常に狭く出来
るからである。単位長さ当たりのビクセル数が増せばそ
れだけプリント分解能が上がり、したがってプリント品
質が高くなる。

インクジェットプリンタは通常２つの基本型に分かれる
。すなわち、連続流（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｓ　ｔｒｅ
ａ＋＊　）型、およびオン・デマンド（ａｎ　ｄｅｍａ
ｎｄ）型の２つである。連続流型インクジェット・プリ
ンタは記録媒体の目標部分にインクが必要かどうかに係
わらずインクを発射する。それに応じて、典型的にはイ
ンク流を導く電極アセンブリ、および樋状のシステム（
ｇｕｔｔｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　）が必要となる。電極ア
センブリは記録媒体を空白のままにしておくべき点でイ
ンクをそこかられきへ偏向し、樋状のシステムはインク
の不要分を回収して再循環させる。

これに対して「オン・デマンド」プリンタは記録媒体の
目標部分にインクが必要な時だけインクを推進する。オ
ン・デマンド・プリンタはインク還流用の梼や偏向電極
を必要とせず、したがって連続流タイプよりずっと単純
になり得る。

熱インクジェット・プリンタはオン・デマンド・プリン
タの一つのクラスを形成している。別の主要なりラスは
圧電変換器を用いて選択的に圧力パルスを生じ、インク
小滴を押し出している。熱インクジェット・プリンタは
通常、抵抗器の瞬時加熱によって供給される熱エネルギ
ーを用いて蒸気泡を生じ、インクを推進している。

熱インクジェットプリンタには典型的にはキャリッジ上
に取り付けられたヘッドがある。このキャリッジはステ
ップ状に移動可能な記録媒体の幅員に沿って左右に動く
。ヘッドは一般には垂直に並び記録媒体に対面するノズ
ルを有している。インクで満たされたチャンネルはイン
ク溜につながっており、ノズルの付近のインクが空にな
るとインク溜から補充される。ノズル付近のチャネル内
の気泡発生抵抗加熱エレメントはデジタル情報やビデオ
信号の電流パルスによって個別にアドレスでき、その結
果記録媒体に発射され推進された各小滴は画素すなわち
ピクセルをプリンとする。

電流パルスは加熱エレメントに印加され、それに接触し
ているインクを瞬間的に薄光させ、各電流パルスに対し
て気泡を形成する。インク小滴は気泡の成長によって各
ノズルから発射される。気泡はある量のインクをノズル
から盛り上げ、気泡崩壊の始まりの時点でそのインクを
ちぎって小滴にする。気泡が崩壊し始めると、ノズルと
気泡の間のチャネル内にまだ残っているインクの一部分
は崩壊中の気泡の方向へ移動し、ノズル近くでネックダ
ウンを起こし、その結果、盛り上がったインクを小滴と
して分離する。

加熱エレメントは伝統的には１個、あるいはそれ以上の
パシベーション層によって被われた抵抗体である。加熱
エレメントは二酸化ケイ素層を持つシリコン基板上に造
ることも可能で、この時二酸化ケイ素層は熱バリアとし
て働く。抵抗体は標準的な薄膜処理技術を用いて基板上
に沈積することができる。抵抗体はタンタルとアルミニ
ウムの合金層（ＴａＡｌ）であり、数百ミクロン（μｍ
）平方にまでなる。

加熱エレメントの厚さは数千オングストローム（入）ぐ
らいであり、そのほとんどはパシベーション層、および
金属コーティングによるものである。抵抗物質それ自身
は１０００人、あるいはそれ以下である。厚さは２００
人にまで薄くなる傾向にあるが、これは部分的には抵抗
が増加したこと、またこれにより駆動電流条件が低なっ
たことによるものである。

熱インクジェット・プリンタの動作は使用者から見ると
比較的静かであるため、気泡発生抵抗体のスケールでは
環境が過酷であるようには見えない。気泡発生器は典型
的には電流パルスによって加熱される。抵抗体のスケー
ルでは気泡崩壊時の衝撃は機械的疲労の重大な原因とな
る。小滴を約５０ｋＨｚで推進するバーストモード動作
をするプリンタでは疲労の問題はさらに悪化する。

気泡崩壊による機械的ショックに加えて、この抵抗体は
高周波数でオン、オフする時に熱疲労を起こす、熱疲労
によりひびわれの核の形成プロセスを助長し、抵抗体の
構造上の完全さを蝕んでいると思われる。長時間にわた
るバーストモード動作ではまた熱蓄積が起き、熱疲労に
伴う問題が増大する。最後にインクと蒸気の乱流は完全
に腐食性であり、抵抗器を腐食・浸食にさらし得る。し
かし今日、商業的には抵抗体は障害がおこるまでに４千
万から２億個の小滴を生成できねばならない。

電気的、機械的、熱的、および化学的環境が各々単独で
、かつまた相互に作用しあって気泡発生抵抗体に与える
影響にたいする理解は完璧なものからは程遠いが、従来
の知識によれば裸の抵抗体物質は、空気にさらすことに
よりその上にできる層も含めて、非常に疲労し易く、次
第に高まる市場の信頼性要求を満足できない。したがっ
て、抵抗体物質は１つ、あるいはそれ以上の層によって
保護されている。たとえば、ＴａＡｌ抵抗体は窒化シリ
コン、炭化シリコン、あるいは、より一般的にはピンホ
ールによる問題を最小にするため両方の層でコーティン
グされている。さらに、もうひとつの衝５緩衝体として
、また漏洩電流を吸収するための手段としてタンタルや
他の金属をパシベーションにオーバコートする。この追
加した層により抵抗器上の気泡崩壊による衝撃応力波の
強度が減少し、こうして抵抗体はキャビテーションによ
る損傷から保護される。

層を追加することは短所も多いが、腐食性能および疲労
性能の改善は重要であり、十分応用されるに足る。最も
明らかな短所は製造が複雑になることである。コーティ
ングしない抵抗体構造が２層であるのに対して、典型的
には７つのフィルム層が必要になる。これに対応して、
コーティングしない抵抗体構造ではマスキングが２段階
であるのに対して５段階のマスキングが必要である。製
造が複雑になれば、コストの増加につながり、つ工−フ
ァあたりの歩留りが低下する。

バシベーシゴント層はまた熱の消散をも妨げる。

一方ではこれにより熱の蓄積が助長される。特にバース
ト・モードが繰り返し用いられる多情ハーフトーン・プ
リントの間、蓄積された熱はインクの粘性に著しい影舌
を及ぼす。インクの粘性は小滴の大きさおよび速度を決
定する重要な変数である。粘性を補償するために一層複
雑な構成にしない限り、粘性が変わることでプリントの
精度は減少し、全体としての出力品質は劣化する。さら
に、大きな熱蓄積により様々な層内の応力レベルが増加
し、これにより気泡発生抵抗体の故障率が上昇する。

パシベートされた抵抗体の別の短所はターンオフ　電圧
がパシベーションの厚みによって敏感に変化することで
ある。このため、所与の抵抗体に対して適した駆動電圧
を決定することがより困難になる。抵抗体を駆動する電
圧が低すぎれば気泡の生成が不十分になり、一方電圧が
高すぎれば過剰加熱により抵抗体の寿命が急速に減少す
る。

〔発明の目的〕

本発明の目的は上述した２つの抵抗体の夫々の長所を合
わせ待つ抵抗体を提供することである。

すなわち、単純で経済的でありながら、バシベートされ
た抵抗体層みの疲労耐性を持ち、バシベートされない抵
抗体層みの改善された電気的特性および熱特性を持つ抵
抗体を与えることを目的とする。

〔発明の概要〕

前述の目的および他の目的はバシベートされていない比
較的厚い抵抗体構造の加熱エレメントを用いた熱インク
ジェット・ヘッドで実現される。

熱インクジェット・ヘッドはインク源、インク・チャネ
ルおよび記録媒体に向けてインク小滴が通るオリフィス
を含む。電気回路は加熱エレメントが熱を発生するのに
必要な電流を供給し、熱によりチャネルからオリフィス
を通してインクが発射される。

バシベートされていない抵抗体を持つ加熱エレメントの
寿命特性を改善するため、抵抗体の厚みは少なくとも約
１０００人ある。少なくとも２０００人の厚みにすれば
、既存のパシベートされた抵抗体と同等の寿命特性にな
る一方、既存のデバイスの複雑性や熱および電気的短所
を回避できる。

３０００から５０００人の範囲の厚みが好ましく、この
厚みで優れた寿命特性が得られる。

抵抗体を厚くすることでパシベーション層は不要になる
。従って、１つあるいはそれ以上のパシベーション層や
緩衝層によって、抵抗体を流体たとえばインクあるいは
熱気泡内の蒸気から分離するのでなく、抵抗体をそれら
と接触するように配置できる。抵抗体層は単一物質、−
ｉ的にはＴａＡ　１のような金属合金が抵抗体形成に用
いられるという点で均質である。たとえば合金の酸化物
のような化学的に別個の層が自然に生成するが、これは
ここで定義した「均質」であることを排除するとは考え
ない。しかしながら、この「均質である」という限定は
、２つの別々に沈積され物質的に別個のサブレイヤを有
する「層」という用語の使用を除外するものとされる。

従来は気泡発生抵抗体の疲労特性改善の主な要素はパシ
ベーション層の化学的および物理的特性であると信じら
れていた０本発明に関連して実施されたテストでは、性
能を向上させる要因はその大部分がパシベーション層に
よって抵抗体に厚みが加わることであるという予想外の
結論が得られた。この意外な発見の結果が示しているこ
とは、パシベーション層の長所がただ単にもっと厚い抵
抗体を使用することで達成でき、したがってパシベーシ
ョン層による複雑性、熱的および電気的性能の制限を回
避できるということである。以下で図面を参照しながら
詳細に説明するように、これらのまたそれ以外の長所が
本発明によって与えられる。

〔発明の実施例〕

第１図に示すように、熱インクジェットプリンタ用のプ
リント・ヘッド１０はインク供給源１２、インクが移動
するチャネル１４、オリフィス１８のあるオリフィス・
プレート１６を含み、小滴２０はオリフィス１８を通っ
て図示のようにチャネル１４から発射され、既知の技術
で記・録媒体に向けて推進される。加熱エレメント抵抗
体２２はその各々が発熱する時に、チャネル１４内のイ
ンクがそれぞれのオリフィス１８を通って発射されるよ
うに配置される。加熱エレメント抵抗体２２は一対の導
体２４のそれぞれと直列に接続される。

これらの導体２４は電流を供給し、その電気エネルギー
が加熱エレメント抵抗体２２で熱エネルギーに変換され
てインクを加熱する。

いくつかの同種の加熱エレメント抵抗体２２のうちの一
つを第２図に示すが。ここでは加熱エレメント抵抗体２
２はシリコン基板２８および約１５０００人のＳｉｎ、
の熱バリア層３０を含む半導体構造体２６上に作られて
いる。抵抗物質３２は熱バリア層３０上に沈積され、導
電層３４は抵抗物質３２上に沈積される。好適な抵抗物
質はＴａＡｌであり、導電層３４は金で造ることができ
る。

導電層３４は約５０００人の厚さとしてよい。抵抗体層
の厚みは１０００Å以上として、パシベートされていな
い抵抗体がもっと薄い場合に比べて性能を改善すること
ができる。この厚みは少なくとも２倍にして、パシベー
トした抵抗体構造に匹敵する性能を得ることができる。

図示の実施例においては、抵抗体層の厚みは３０００人
から４０００人の間にあり、より優れた寿命特性を得て
いる。

半導体処理技術においてよく知られたマスキング・ステ
ップを用いて所望の導電体「指形」パターンを導電層３
４上にエツチングする。第２のマスキング・ステップで
所望の抵抗物質パターンを形成する。第２のマスキング
・ステップの後、抵抗物質３２は導体２４の各対の下に
一般に拡がって第１マスキング・ステップで出来た中間
ギャップに架橋し、接触面３６を形成する。

抵抗物質３２の接触面３６は、各チャネル１４内で、イ
ンクあるいは熱で誘起された気泡内の蒸気のような流体
に接触するように配置される。換言すれば、ＴａＡｌは
、その表面である接触面３６は環境によって酸化され得
るが、インクおよび気泡蒸気に直接接触する。

よって、パシベーション層が接触面３６への熱の送りだ
しゃ接触面３６からの熱の消散を妨げるようなことはな
い、こうして一方ではより効果的な小滴形成が可能にな
り、他方では熱の蓄積が避けられる。後者に関して、イ
ンク粘性、したがってプリント性能が安定になる。また
裸の抵抗物質３２を用いることで、ターンオン電圧が低
くその予測もし易いので、インクに伝わる熱をより正確
に制御できる。

導体２４に沿った電流はギャップの所で抵抗物質を横切
らねばならない。抵抗体２２が消散する熱は上述のよう
に気泡を発生し、各オリフィス１８を通してインクを発
射する。

抵抗体の厚みとバシベートしないＴａＡ１抵抗体が最初
の障害との関係を第３図のグラフに示す。パシベートし
た抵抗体を持つインクジェット・ヘッドでは、障害が起
こるまでに典型的には４千万から１億１千万個の範囲の
小滴を発生する。パシベートした抵抗の平均的な性能は
バシベートしていない約２０００人の抵抗体と同等であ
る。第３図のグラフは第２図の抵抗体が２億６千万個の
小滴で最初の破損を起こすことを示している。

当業者には明白なように、本発明は上述の実施例に代わ
る多くの代替実施例を与える。抵抗体の厚みは１０００
Å以上の広い範囲で規定される。

各種の抵抗物質を用いることもできる。抵抗物質が沈積
される基板はガラスのような裸の絶縁基板であってもよ
いし、あるいは導電性の基板を使用して抵抗物質と基板
との間に別のつまり追加層を設けてもよい。インクジェ
ット・ヘッド、インク源、インク・チャネル、オリフィ
スおよび回路は本発明によって多くの異なった配置が提
供されるが、その範囲は特許請求の範囲によってのみ制
限される。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば構造が簡単である
とともに寿命が長くまた熱蓄積による問題を解消した熱
インクジェット・ヘッドが提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の概略を示す図、第２図は第
１図中の加熱エレメント抵抗体の構造を示す図、第３図
は抵抗体の厚さと寿命との関係を示す図である。 １０ニブリント・ヘッド インク １２：≠連環供給源 １４：チャネル １６：オリフィス・プレート １８ニオリフイス ２０：小滴 ２２：加熱エレメント抵抗体 ２４：導体 ２６：半導体構造体 ２８：シリコン基板 ３０：熱バリア層 ３２：抵抗物質 ３４：導電層 ３６：接触面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基板上に設けられ電流が印加されることにより発熱して
   インク小滴を射出するための抵抗層がインクに接触する
   ことを特徴とする熱インクジェット・ヘッド。