JPH02303846A - サーマルインクジェット印字ヘッド - 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】 産業上の利用分野 本発明は、サーマルインクジェット印字ヘッド、より詳
細には、気泡発生用発熱体の性能を向上させたサーマル
インクジェット印字ヘッドに関するものである。

従来の技術 サーマルインクジェット印字方式には、コンティニュア
ス型とドロップオンデマンド型があるが、広く使用され
ているのはドロップオンデマンド型である。ドロップオ
ンデマンド型印字ヘッドは、電流パルスによって発生し
た熱エネルギーを用いてインクチャンネル内に気泡を発
生させ、その圧力でインク滴を噴射する。熱エネルギー
発生器すなわち発熱体く一般に、抵抗器）は、ノズルに
近いインクチャンネル内の所定の位置に配置されている
。各抵抗器は、電流パルスによって個別にアドレスされ
ると、インクを瞬間的に沸騰させて気泡を発生し、その
圧力でインク滴を噴射する。気泡が膨張すると、インク
はノズルから膨れ出るが、インクの表面張力でメニスカ
スとしてノズルの中に入っている。気泡が収縮し始める
と、ノズルと気泡の間のチャンネル内のインクが、収縮
する気泡のほうへ動き始めるので、ノズルの所でインク
の体積収縮が起こり、その結果、膨れ出ているインクが
分離して滴になる。気泡が膨張している間のインクの加
速により、記録媒体、例えば複写用紙に向かう方向の速
度と運動量がインク滴に与えられる。

滴噴射動作中の発熱体は、高温度、滴噴射頻度に関係す
る熱応力、強電場、大きなキャビティージョン応力など
の環境にさらされる。収縮する気泡によって、発熱体を
被覆するパッシベーション層に生じる機械的応力は、パ
ッシベーション層に応力割れを起こしたり、イオン含有
インクとの共同作用でパッシベーション層を浸蝕あるい
は腐蝕させるほど厳しい。パッシベーション層や発熱体
か累加的に損傷したり、材料の欠除が生じると、ホット
スポット（周囲より局部的に温度の高い点）が生じて、
発熱体が機能しなくなる。したがって、キャビテーショ
ンによる損傷を少なくするため、発熱体すなわち抵抗器
とそれらのパッシベーション層の上に、保護層（例えば
、タンタル層）が被覆される。

サイド噴射方式のサーマルインクジェット印字ヘッドの
場合は、ノズルへ向って流れるインクの方向と噴射され
たインク滴の軌道の方向は同じであり、この方向は抵抗
器の表面に平行である６本発明の印字ヘッドもこの方式
であるが、本発明の改良型発熱体は、発熱体の上方に配
列されたノズルから発熱体と直角な方向にインク滴を噴
射するルーフ噴射方式のインクジェット印字ヘッドにお
いても同様に使用できる。

従来の発熱体の場合、幅４５〜５０ミクロンの発熱体の
中央部と縁部とでは、１００°Ｃ程度の温度差がある。

また、温度は縦方向（インクチャンネルの長さ方向）の
両端においても低下する。その理由は、この方向の発熱
体の長さが能動区域よりかなり長いせいである。能動区
域とは、気泡を発生するため使用される抵抗体部分を意
味し、米国特許第４，６３８，３３７号に開示された厚
ＪＩ５！層を使用している場合は（第３図参照）、概略
的に、露出したタンタル保護層すなわちピットの下部分
である。電極境界の非能動部分においても、ある程度の
エネルギーが浪費されるが、このエネルギー浪費は、そ
の方向の発熱体の長さを短縮することで、減らすことが
できる。しかし、発熱体を短縮しても、依然として幅方
向の非一様な温度分布の問題か残る。しきい値エネルギ
ー人力で、発熱体表面の中心部のみが気泡核生成温度に
達する。この状態での気泡の生成は、利用可能なインク
滴を噴射するほど強くなく、また安定していない。した
かって、発熱体表面の大部分が前記核生成温度より高く
なり、印字ヘッドが大きなインク滴を高速度で噴射でき
るように、発熱体に対するエネルギー人力を増してやる
必要がある。この目標を達成するには、エネルギー人力
を、しきい値エネルギー人力より２０％はど増す必要の
あることが経験によりわかった。発熱体に対するより大
きなエネルギー°入力のために、発熱体の制御区域の温
度は前記核生成温度よりかなり高くなる。第５図に示す
ように、適切なサイズの滴を噴射する十分な大きさの気
泡を発生させるには、エネルギー人力を増してやる必要
がある。したがって、発熱体に大きな電流を流して、発
熱体の幅方向の温度プロフィルが一様である場合に要求
される温度よりも高い温度にしなければならない。また
、滴サイズがエネルギーによって変わるのは、おそらく
、発熱体の幅方向の温度が一様でないためである。

インクジェットプリンタ業界では、インクジェット印字
ヘッドの有効寿命が、発熱体が不具合になるまで使用で
きるサイクル数、すなわち発生し収縮した気泡の数に直
接関係していることが知られている。以下の特許文献に
さまざまな試案や発熱体の構造が開示されているが、こ
れまで、インク滴の軌道に直角な方向の発熱体の幅方向
の温度分布が一様でない問題を誰も解決していない。

米国特許第４，３３９，７６２号は、瞬間的に発生する
気泡の体積を変えることによって印字情報にグラデーシ
ョンを与えるため、変換器の発熱体が与える熱量が加熱
面の場所によって異なるような構造を有するインクジェ
ット印字ヘッドを開示している。

米国特許第４，５３２，５３０号は、不純物添加多結晶
シリコンから作られた発熱体を有するサーマルインクジ
ェット印字ヘッドを開示している。発熱体の能動区域は
、ガラスメサによってシリコン支持基板および電極接続
点から熱絶縁されている。

発明が解決しようとする課題 本発明の目的は、噴射されたインク滴の軌道に直角な方
向の発熱体の幅方向の温度分布が一様であるサーマルイ
ンクジェット印字ヘッドを提供することである。

課題を解決するための手段 本発明のサーマルインクジェット印字ヘッドは、電気信
号で選択的にアドレスできる複数の発熱体をインクチャ
ンネル内に有し、命令に応じてインクチャンネルの一端
にあるノズルからインク滴を噴射する。各発熱体はパッ
シベーション処理された抵抗層を有しており、この抵抗
層はインクチャンネル内のインクの流れの方向に直角な
方向に、非一様なシート抵抗を有する。非一様なシート
抵抗は抵抗層の幅方向にほぼ一様な温度分布を与えるの
で、インク滴を噴射する必要電力が少なくてすみ、かつ
滴サイズが電気信号エネルギーによって変わることはな
い。

添付図面を参照し、以下の詳細な説明を読まれれば、本
発明をより完全に揮解することができるであろう。図中
、類似する部品は同じ参照番号で表示しである。

実施例 第１図に、本発明の改良型発熱体１８を含むサーマルイ
ンクジェット印字ヘッド１０の一部を斜視図で示す。点
線は、命令に応じて噴射口すなわちノズル１４から噴射
されるインク滴１２の軌道１１を示す。

印字へラド１０は、米国特許第４，６３８，３３７号に
記載されているように、厚膜絶縁層４０を間にはさんで
、永久的に接着されたヒーター板１５とチャンネル板１
３から成っている。チャンネル板１３の材質はシリコン
である。ヒーター板１５は誘電体または半導体であって
もよい。ヒーター板１５に半導体を使用する場合は、後
で述べるように、ヒーター板１５と電極１７の間に、絶
縁層（図示せず）を使用しなければならない。チャンネ
ル板とヒーター板の材料は、再発行米国特許第Ｒｅ、３
２，５７２号に記載のように、低コストで、大量生産が
可能なシリコンが好ましい。

チャンネル板１３の一方の面には、点線で示した凹部２
０がエツチングされている。この凹部２０は、チャンネ
ル板１３をヒーター板１５に接合したとき、インクマニ
ホルドを形成する。チャンネル板１３の同じ面に、点線
で示した三角形断面を有する複数の同−平行溝２２がエ
ツチングされている。溝２２の一方の端はチャンネル板
１３の端面１６を貫通している。この端面１６はノズル
面とも呼ばれる。溝２２の他方の端は凹部すなわちマニ
ホルド２０に開いている。チャンネル板とヒーター板を
接合したとき、端面１６を貫通する溝２２がノズル１４
を形成し、溝２２はマニホルド２０とノズル１４とを結
ぶインクチャンネルの役目を果たす。チャンネル板１３
の開口２５はインク供給源（図示せず〉からマニホルド
２０ヘインクを供給する入口になる。

第２図は、第１図の線２−２に沿った印字ヘッドの拡大
断面図で、発熱体１８、端子２１を有する個別アドレッ
シング電極１７、および共通リターン電極１９が示しで
ある。発熱体１８は、前記米国特許第Ｒｅ、３２，５７
２号に記載されているやり方で、ヒーター板１５の表面
２３に各インクチャンネルに１個づつパターニングされ
た抵抗層を有し、その上にアドレッシング電極１７と共
通リターン環［１９が蒸着されている。アドレッシング
電極１７と共通リターン環［！１９は、ノズル１４のあ
るチャンネル板の端面１６（第１図）と同一平面の端面
２４を除いて、ヒーター板１３の縁の近くの対応する端
子２１に接続されている。第１図かられかるように、接
地された共通リターン電極１９は、必然の結果として、
発熱体１８をヒーター板の端面２４（つまり、ノズル１
４）から一定の距離に置く。アドレッシング電極１７と
発熱体１８は共にインクチャンネルの中にあるので、そ
れらとインクが接触する箇所には、無ピンホールパッシ
ベーション層が必要である。厚膜層４０は、パッシベー
ションの完全性を高めるために必要な追加保護手段であ
り、パッシベーション層２８（第３図）のピンホールに
関する懸念を除くものである。アドレッシング電極１７
と共通リターン電極１９を電圧源（図示せず）にワイヤ
ボンディングするため、端子２１が使用される。ディジ
タルデータを表す電流パルスは発熱体１８を選択的にア
ドレスして、発熱体１８の発熱、気泡２６の核生成、膨
張、および収縮によって、印字ヘッドからインク滴を噴
射させ、軌道１１に沿って記録媒体（図示せず）へ飛ば
す。開口２５は、マニホルド２０をインクが充満した状
態に維持する。

米国特許第４　、５３２　、５３０号に記載されている
ように、バブルジェット式印字ヘッドの動作順序は、イ
ンクチャンネル内の抵抗発熱体に電流パルスを通すこと
から始まる。プリンタを正常に機能させるには、発熱体
からインクへ伝わる熱量が十分に大きく、通常の沸点を
はるかに越えてインクを過熱しなければならない。水性
インクの場合、気泡の核生成温度は約２８０’Ｃである
。核が生成すると、気泡すなわち水蒸気は発熱体からイ
ンクを熱的に隔離するので、インクにさらに熱を加える
ことができない。通常の沸点を越えてインクに蓄えられ
たすべて熱が放散するまで、すなわち液体から蒸気への
変換に使用されるまで、気泡は膨張する。この気泡２６
の膨張によって、インク滴１２がノズル１４から押し出
される。過剰な熱が奪われると、気泡は発熱体の上で収
縮する。このとき生じる厳しいキャビテーション応力は
長時間使用するうちに応力割れを引、き起こす。この時
点では、電流パルスがすでに通過しているので、発熱体
はもはや発熱せず、気泡の収縮と同時に、インク滴が記
録媒体に向かって高速度で噴射される。気泡の核生成か
ら収縮までの全順序は約３μ秒の間に起きる。インクが
再充満して、充満時の動的状態がある程度落ち着くまで
の最小限停止時間（１００〜５００μ秒）をおいて、イ
ンクチャンネルを再噴射することができる。

第３図は、第２図の発熱体１８の拡大断面図で、点線は
気泡２６を示す。ヒーター板１５は絶縁体またはシリコ
ンなどの半導体であってもよい。ヒーター板にシリコン
を使用した場合は、発熱体１８を形成する前に、ヒータ
ー板の表面２３に、二酸化シリコンまたは窒化シリコン
などの絶縁性下層２７が形成される０次に、窒化シリコ
ンなどの絶縁層３０が形成され、続いて形成されるアド
レッシング電極１７と共通リターン電極１９と電気接触
させるための開孔がパターニングされる。パッシベーシ
ョン層２８と厚膜層４０は、アドレッシング電極と共通
リターン電極をインク３２（通例は、水性インク）から
隔離し保護する６発熱体をインク３２にさらすため、厚
膜層４０がエツチングされてピット４２が設けられる。

米国特許第４，６３８，３３７号に記載されているよう
に、ピッ、ト４２は、発熱体を凹部内に置き、気泡の噴
出しゃ、その結果生じる空気の吸入を起こさずに、高い
滴速度を可能にするものである。メニスカス３３とイン
クの小さい負圧がノズルからインクが流れ出るのを防い
でいる。発熱体は、任意の抵抗物質から作ることができ
るが、不純物添加ボリシリコンは好ましい発熱体材料で
ある。発熱体に不純物添加ポリシリコンを使用する場合
は、一般に、絶縁層３０でキャビテーション保護層２９
（例えば、タンタル層）から絶縁される。点線で示した
気泡２６は、抵抗層３１に電気パルスを選択的に加える
と発生し、前に述べたように、インク滴を噴射する。

第４図は、第３図の抵抗層３１の平面図で、想像線はア
ドレッシング電極１７と共通リターン電極１９を示す、
インク流の方向および滴の軌道（第１図参照）は、矢印
３４で示すように、抵抗層の長さしに沿っている。抵抗
層に非一様抵抗率を導入することによって、抵抗層の幅
−を横切る方向のパワー配分を変えることができる。ポ
リシリコンはドーピング制御またはイオン注入によって
そのシート抵抗を修正することができるので、すべての
区域の組合せ効果で一様な温度が生じるように、発熱体
すなわち抵抗層を物理的にまたはイオン注入によってよ
り小さい細区分に分けることができる。

好ましい実施例においては、抵抗層を異なるパワー配分
の３つのストリップに分割するだけで、発熱体表面の幅
−にわたって一様な温度が得られた０点線で示した２つ
の同一縁ストリップ３５は、より広幅の中央ストリップ
３６よりもがなり大きなパワー密度を負担しなければな
らない。これは、中央ストリップ３６のシート抵抗を、
外側の縁ストラツプ３５のシート抵抗より大きくしなけ
ればならないことを意味子る。長さくＬ）１７５μｍ、
幅（ＩＩＩ）４５μｍの抵抗層の場合は、縁ストリップ
３５の幅（−１）が５μ鏡で、中央ストリップ３５の幅
（１１１２）が３５μ輪である。厚さ０．５〜１．５　
μｍの上記形状の抵抗層の場合、外側の縁ストリップ３
５が中央ストリップ３６よりも５０％多いパワー密度を
負担するように、中央ストリップ３６のシート抵抗を縁
ストリップ３５のシート抵抗の１．５倍にする必要があ
る０発熱体に電気パルスを加えたとき、この非一様シー
ト抵抗によって、タンタル層２９とインク３２の境界で
、発熱体の幅方向にほぼ一様な温度が得られた。

第５図は、発熱体に一様なパワー配分を与えた、場合（
すなわち、抵抗層が一様なシート抵抗を有する場合）の
、タンタル層とインクの境界面における典型的な従来の
発熱体の幅方向の温度分布をプロットしたものである。

インクと接する発熱体表面の幅方向（電流の流れに直角
な方向）のしきい値温度プロットすなわちプロフィルは
、必要核生成温度２８０’Ｃであるのは狭い区域である
を示している。より広い区域を２８０°Ｃの核生成温度
にするには、発熱体の表面をしきい値温度より２０％高
い値まで加熱しなければならない。しきい値より２０％
高い中央部の最大温度は、約３５８°Ｃになる。しかし
゛、発熱体のエネルギー効率をより良くするには、温度
をできるだけ低くしなければならない、より低い温度は
、発熱体の寿命がより長いことを意味する。第６図は、
第４図の区域分割に従って、発熱体に非一様パワー配分
を与えた場合の、タンタル層とインクの境界面における
本発明の発熱体の幅方向の温度分布をプロットしたもの
である。

第６図から、タンタル層表面のがなり広い区域が一様な
温度であることがわがる。この結果、非常に広い区域が
必要核生成温度２８０’Ｃであるので、よ゛り大きな滴
サイズとより大きな滴速度が得られるであろう。第５図
と第６図を比較すると、非一様パワー配分の場合は、し
きい値エネルギーが５％より若干大きいが、従来の発熱
体の場合のように、２０％上乗゛せする必要がないので
、結果的に、エネルギー消費は５〜１５％節減される。

第７図に、従来の発熱体と本発明の発熱体に気泡発生電
流パルスを加えたときに生じた温度プロフィルを示す。

上記の利点のほか、前に述べた他のすべての利点も実現
されるであろう。したがって、より大きな発熱体で現在
得られるサイズのインク滴を、より小さい発熱体で噴射
することができる。。

以上の説明から、他のパワー配分を用いて同様に発熱！
（タンタル層）の表面の幅方向に一様な温度分布を生じ
させることを含め、多くの修正や変更を容易に思い浮が
べることかできる。これら修正物や変更は、すべて本発
明の範囲に包含されるものとする。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の改良型発熱体を含む印字ヘッドの部
分斜視図、 第２図は、第１図の線２−２に沿った印字ヘッドの断面
図、 第３図は、第２図と同じ向きの改良型発熱体の拡大断面
図、 第４図は、改良型発熱体の抵抗層の拡大平面図（想像線
は接続電極１７．１９を示す）、第５図は、従来の発熱
体の幅方向の温度プロット、 第６図は、本発明の発熱体の幅方向の温度プロット、お
よび 第７図は、従来の発熱体と本発明の発熱体の幅方向の温
度の比較プロットである。 符号の説明 １０・・・インクジェット印字ヘッド、１１・・・イン
ク滴の軌道、１２・・・インク滴、１３・・・チャンネ
ル板、１４・・・ノズル、１５・・・ヒーター板、１６
・・・端面、１７山アドレツシング電極、１８・・・発
熱体、１９・・・共通リターン電極、２０・・・凹部、
２１・・・端子、２２・・・溝、２３・・・ヒーター板
の表面、２４・・・端面、２５・・・開口、２６・・・
気泡、２７・・・絶縁下層、２８・・・パッシベーショ
ン層、２９・・・キャビテーション保護層、３０・・・
絶縁層、３１・・・抵抗層、３２・・・インク、３３・
・・メニスカス、３４・・・矢印、３５・・・縁ストリ
ップ、３６・・・中央ストリップ、４０・・・厚膜層、
４２・・・ビット。 ＦＩＧ、　３ ＦＩＧ、　４　　　　　　　　　’９ 温度（°Ｃ） 温度（°Ｃ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の滴噴射ノズル、発熱体、発熱体に接続され
   たアドレッシング電極、およびインクマニホルドとノズ
   ルに通じたインクチャンネルを有し、各発熱体はインク
   と接した能動区域を有しており、アドレッシング電極に
   電気信号が選択的に加えられると、発熱して気泡を発生
   し、その圧力でノズルからインク滴を噴射し、記録媒体
   へ向けて飛ばすように構成されたサーマルインクジェッ
   ト印字ヘッドであつて、 前記発熱体は、電気信号によって生じた電流の流れと直
   角な方向に非一様なシート抵抗をもつ抵抗層を有してお
   り、前記非一様なシート抵抗は、前記発熱体の能動区域
   の中央部に近い所で、電流の流れと直角な方向に沿って
   ほぼ一様な温度プロフィルが得られるように、所定の場
   所で所定の値を有しており、その結果、インク滴を噴射
   するために必要なエネルギーの消費が節減され、かつ発
   熱体の温度振幅が最小になり、発熱体の寿命が長いこと
   を特徴とするサーマルインクジェット印字ヘッド。
2. （２）前記各発熱体の非一様なシート抵抗は、中央スト
   リップに沿うより高いシート抵抗と、その両側の縁スト
   リップに沿うより低いシート抵抗から成ることを特徴と
   する請求項１に記載のサーマルインクジェット印字ヘッ
   ド。