JPH03202353A - 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、収縮する気泡が原因で生じる損傷を防止して発
熱体の寿命を延ばすように改良した気泡発生用発熱体を
有するサーマルインフジエラＩ・印字ヘッドに関するも
のである。

従来の技術 サーマルインフジエラＩ・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インクジェット
印字方式である。ドロップオンデマンド型印字ヘッドで
は、熱エネルギーを用いてインク充満チャンネル内に気
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
ズルの近くのチャンネル内に、ノズルから所定の距離に
配置される。抵抗器が電流パルスによって個別にアドレ
スされると、発生した熱エネルギーでインクが瞬間的に
蒸発して気泡が発生し、その圧力でインク滴が噴出する
。気泡が増大すると、インクはノズルから膨れ出るが、
インクの表面張力によってメニスカスとしてノズル内に
ある。気−泡が収縮し始めると、ノズルと気泡の間のチ
ャンネル内にあるインクが収縮する気泡のほうへ動き始
めるので、ノズルにあるインクの体積が収縮し、その結
果膨れ出ているインクが分離して滴となる。

気泡が増大している間のインクの加速により、記録媒体
例えば紙に向かう方向に、インク滴に運動量と速度が与
えられる。

滴噴射動作をしている発熱体は、高い温度、周波数に関
連する熱応力、強い電場、重大なキャビティージョン応
力などの環境にある。収縮する気泡によって発熱体上の
パッシベーション層に生じる機械的応力によって、パッ
シベーション層に応力割れが生じ、その応力割れの所か
ら、インク含有インクの攻撃にさらされ、パッシベーシ
ョン層が浸蝕し、あるいは腐蝕する。パッシベーション
層および発熱体の累積的損傷や材料の消耗の結果、ホッ
トスポット（周囲より局部的に温度の高い点）が生じ、
発熱体の機能不良が生じる。

詳しく調査したところ、発熱体の機能不良の大半は、イ
ンクを蒸発させる抵抗器に生じるのではなく、抵抗器を
駆動回路に接続するアドレッシング電極と抵抗器間の接
合部に生じることがわかった。インクがノズルへ向かっ
て流れる方向と噴射された滴の軌道が同じで、流れる方
向が抵抗器の表面に平行である側面噴射構造の場合は、
最も攻撃を受けやすい電極と抵抗器の境界は、抵抗器よ
り上流にある。ノズルに近い共通リターン電極と抵抗器
の境界は、キャビテーション応力による攻撃は少ない。

サーマルインクジェット印字ヘッドをシリコン集積回路
製造法で製造するとき、ウェーハの金属化処理（一般に
は、アルミニウムまたはその合金の１つ）の前に堆積さ
れた層は、約１０００°Ｃの高温に耐えることができる
。高温処理の直接の結果として、欠陥密度が非常に低い
高品質の誘電体膜、例えば二酸化シリコンまたは窒化シ
リコンを堆積または成長させることができる。厚さが約
１００ｎｌＩのピンホールの無い誘電体膜を堆積させる
ことは比較的容易である。そのような薄い高品質の誘電
体膜は、優れた電気的完全性を備え、同時に高い熱伝導
率を有しているので、印字ヘッドのパッシベーション層
として理想的である。これに対して、アルミニウム金属
化処理の後に堆積された誘電体膜は、アルミニウムが溶
融しないように４００゛Ｃ以下の温度で堆積されるので
、高温処理による膜に比べて、品質が相当落ちることが
知られている。

インクジェットプリンタ業界では、インクジェット印字
ヘッドの使用寿命が、発熱体が機能不良になるまで使用
することが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。さまざ
まな試案や発熱体の構造が多数の特許文献に開示されて
いるが、キャビテーション応力やイオン含有インクによ
る浸蝕や腐蝕の攻撃などの厳しい環境のため、これまで
、機能不良に対する発熱体の基本的な脆弱性の問題を誰
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、変換器の発熱部が、供給する熱量が
加熱面の場所ごとに異なっている構造をもつインクジェ
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。発熱体の能動部分は
、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、発熱体の気泡発生収縮部分をアドレッ
シング電極境界から距離おいて配置した構造のサーマル
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 本発明は、滴を噴射する気泡の発生と収縮によって生じ
たキャビテーション力を受ける発熱体の部分を、上流に
あるアルミニウム電極と発熱体の接合点から距離をおい
て配置した発熱体構造を採用した改良型サーマルインク
ジェット印字ヘッドを提供する。これは、第１の実施例
において、瞬間的に気泡を発生する抵抗器の部分の幅を
狭くし、かつ気泡発生収縮部分と電極接合点との間に低
温部分を設けることによって達成している。

第２の実施例において、電極は不純物添加ポリシリコン
下行部によって気泡発生抵抗器層に接続されている。第
３の実施例は、キャビテーションによる破損を最も受け
やすい上流側の電極境界から発熱体の気泡発生収縮部分
を距離をおいて配置するため、２つの異なるシート抵抗
を有する抵抗層を使用している。

添付図面を参照し、以下の詳細な説明を読まれれば、本
発明をより完全に理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：命
令に応じて噴射口すなわちノズル１４から噴射されたイ
ンク滴１２の軌道１１は、点線で示しである。印字ヘッ
ド１０はヒーター板１５と、ヒーター板１５に永久的に
接着されたチャンネル板１３から戒っている。チャンネ
ル板１３の材質はシリコンである。ヒーター板１５はど
のような誘電体または半導体でもよい。上記の代わりに
、チャンネル板１３は、インクジェットプリンタ業界で
周知の厚膜感光体処理、その他の方法でヒーター板に直
接貼り付けた構造であってもよい。ヒーター板に半導体
材料を使用する場合は、後で述べるように、電−極１７
と１９の間に絶縁層を使用しなければならない。

上記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、３２，５７２号に記載のように、低コスト大
量生産が可能なシリコンが好ましい。

チャンネル板１３は、一方の面に点線で示したエツチン
グされた凹部２０が設けられており、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
ンクリザーバすなわちマニホルドを形戒する。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
複数の同じ平行溝２２がエツチングされており、それら
の一方の端はチャンネル板の端面１６を貫通している。

、溝の他方の端は凹部すなわちマニホルド２０に開いて
いる。チャンネル板をヒーター板に接合したとき、端面
１６を貫通する溝２２の端はノズル１４を形戒し、溝２
２はマニホルド２０とノズル１４とを結ぶインクチャン
ネルの役目をする。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へのインク
供給口になる。上記の代わりに、貫通エツチングによっ
てマニホルド２０を形戒し、その開いた底がインク供給
口になるようにしてもよい。

第２図は、第１図の線２−２に沿った印字ヘッドの拡大
断面図であり、発熱体すなわち抵抗器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を示す。前記米国特許第４，５３２．５３０号
に記載されているように、最初に、ヒーター板１５の面
２３に抵抗器１８がパターニングされ、次に、その上に
アドレッシング電極１７と共通リターン電極１９が蒸着
される。アドレッシング電極１７と共通リターン電極１
９は、ノズル１４を含むチャンネル板の端面１６（第１
図）と同一平面の端面２４を除く、ヒーター板１３の端
面の近くの端子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、必然的
に発熱体１８を端面１６つまりノズル１４から一定の距
離を保たせる。

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、ピンホールの無いパッシベーション層が必要であ
る。アドレッシング電極１７と共通リターン電ｉ１９は
、発熱体１８をディジタルデータを表す電流パルスで選
択的にアドレスできるように、端子２１を用いて電圧源
（図示せず）にワイヤボンディングされている。各電流
パルスは、発熱体１８の加熱、気泡２６の核生成、増大
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にインクが満ちた状態を維
持する。

米国特許第４，５３２，５３０号に記載されているよう
に、上記のバブルジェット方式の動作順序は、インク充
満チャンネル内の発熱体すなわち抵抗器に電流パルスが
流れることによって始まる。プリンタを正常に機能させ
るために、発熱体からインクへ伝わる熱は、通常の沸点
をはるかに越えて、インクを過熱する程度の量でなけれ
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。核が生成されると、気泡がインクを
発熱体から熱的に隔離するので、それ以上の熱をインク
に加えることができない。気泡は、通常の沸点を越えて
インクに蓄積さ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膨張する。気泡
２６の膨張により、インク滴１２がノズル１４から押し
出される。余分の熱が奪われると、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、電流パルスが通過したので、発熱体はもはや発
熱しておらず、気泡の収縮と同時に、インク滴は記録媒
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３μｓｅｃ以内に起きる。チャンネ
ルは、チャンネルにインクが再充填され、動的再充填因
子がある程度落ち着くまで１００〜５００μｓｅｃの最
小限滞留時間をおいて再噴射することができる。

第３図は典型的な従来の発熱体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もよい。ヒーター板がシリコンの
場合は、発熱体１８の抵抗体４０、アドレッシング電極
１７およびリターン電極１９を形成する前に、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層
２７が形成される。パッシベーション層２８は、インク
（通例は、水性インク）からアドレッシング電極とリタ
ーン電極を保護するものである。どのような抵抗体を使
用してもよいが、不純物添加ポリシリコンが好ましい材
料である。もし不純物添加ポリシリコンを抵抗体として
使用する場合は、一般に、熱成長二酸化シリコンｌ１１
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。図示のように、気泡２６（点！り
は、抵抗体と電極の接合部に隣接しているので、収縮の
際、高速のインクが抵抗体４０の表面とその保護層に衝
突するばがっでなく、接合部の所で抵抗体４０からアド
レッシング電極１７を剥離する。インク滴の噴出が、抵
抗体と共通リターン電極１９との下流側接合部に対する
流体力学的衝撃を緩和するので、抵抗体とアドレッシン
グ電極の上流側接合部が、収縮する気泡によって生じる
キャビテーション応力による攻撃を最も受けやすい 第４Ａ図に、第２図の発熱体の拡大断面図を示す。第４
Ｂ図は、第４Ａ図に示した抵抗体３１の平面図である。

第４Ａ図および第４Ｂ図かられかるように、電極と抵抗
体の上流側境界３６は、発熱体１８の気泡発生収縮部分
３５との間に低抵抗率の低温部分３４を挿置することに
より発熱体１８の気泡発生収縮領域３５を上流側境界３
６から一定の距離におく発熱体構造によって保護される
。これは、点線で示した気泡２６が生じる高温部分３３
を作るため、抵抗体３１の幅を狭くすることで達成され
る。抵抗体３１の部分３４がより低温なのは、その広い
幅のせいばかりでなく、その長さが下流部分３２より長
いためである。抵抗体３Ｉの部分３４の長さのせいで、
電極と抵抗体の上流側境界３６は、抵抗体３１の狭幅部
分３３によって生じた高温気泡発生収縮領域３５から一
定の距離に保たれる。また、自由に選択できるが、不純
物添加ポリシリコンなどの抵抗体３１の狭幅部分３３の
みが気泡の核を生成する十分な高温になるように、二酸
化シリコンまたはケイ酸燐ガラスのメサ３９を、絶縁層
２７の上、気泡発生収縮領域３５の下に形成することが
できる。不活性化された電ｆ！１７と１９間のすべての
構造は、熱酸化層３０とその上のタンタル保護層２９で
被覆されている。

第５図は、第４Ａ図に類似する、発熱体１８の第２の実
施例の拡大断面図である。二酸化シリコンまたは窒化シ
リコンなどの絶縁層２７には、シリコンヒーター板１５
の表面２３の不純物添加シリコン埋込み導ｔ１１３８に
接近できるように開孔４１がパターニングされている。

この開孔４１を通じてアルミニウムアドレッシング電極
１７が埋込み導電層３８の一端に接触し、そして別の開
孔４１を通じて抵抗体３１が埋込み導電層３８の他端に
接触している。この結果、点線で示した気泡２６つまり
高温気泡発生収縮領域３５を、アドレッシング電極１７
と抵抗体３１の上流側接合部から一定の距離におく下行
構造すなわち交差領域３７が、発熱体１８の上流側に形
成される。

共通リターン電極１９は、抵抗体３１の下流側の端に接
続されている。アドレッシング電極と共通リターン電極
は、絶縁層２８で保護され、抵抗体３１は米国特許第４
，５３２，５３０号に開示されているように、不純物添
加ポリシリコンの場合は、熱成長二酸化シリコン層３０
で保護される。自由に選択できるが、抵抗体３１の熱成
長二酸化シリコン層３０を、タンタル層などの耐キヤビ
テーシヨン層２９で被覆することができる。第５図の発
熱体構造は、不純物添加シリコンの中間埋込み導電層３
８を通じてアドレッシング電極１７から抵抗体３１へ電
気パルスを送る下行構造すなすわち交差構造を採用して
いるので、熱効率がよい。この埋込み導電層３８は、オ
プションとして、第２の共通リードＩ！（図示せず）を
形成する領域として使用することができよう。第５図の
発熱体構造の一形態では、埋込み導電層３８は単位面積
当たり５〜１０Ωのシート抵抗を有し、他方の不純物添
加ポリシリコンの抵抗体は単位面積当たり約３５Ωのシ
ート抵抗を有する。

第６図は、第４Ａ図および第５図に類似する、発熱体１
８の第３の実施例の拡大断面図である。この実施例では
、発熱体構造の抵抗体は、不純物添加ポリシリコンの２
つの隣接する異なる抵抗領域５２．５４から或っている
。不純物添加ポリシリコンの一方の領域５２は単位面積
当たり約１５Ωの低いシート抵抗を有し、不純物添加ポ
リシリコンの他方の領域５４は単位面積当たり約３５Ω
の高いシート抵抗を有する。高いシート抵抗領域５４は
低いシート抵抗領域５２より下流にあって、ノズル１４
の近くの共通リターン電極１９に接続されている。アド
レッシング電極１７は低いシート抵抗領域５２の上流端
と接続しているので、抵抗領域５２は気泡発生収縮領域
を、キャビテーション応力による損傷を最も受けやすい
アドレッシング電極１７から一定の距離に保つ役目をす
る。この訳は、ノズルが、爆発的な気泡の発生および収
縮で生じるベクトル力に出口を提供するのに対し、アル
ミニウムアドレッシング電極１７と二酸化シリコンパッ
シベーション層２８から成る積層と抵抗体の境界は、同
じ向きおよび反対向きのベクトル力の矢面に立たなけれ
ばならないからである。したがって、高熱気泡発生収縮
領域を、抵抗体と上流側電極の境界から一定の距離に保
つ発熱体構造にすれば、最初に機能不良になり勝ちな発
熱体部分が保護されると共に、発熱体したがって印字ヘ
ッドの使用寿命が延びる。

以上の説明から誰でも思い浮かべる多くの修正や変更は
、すべて本発明の範囲に包含されると考える。

【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典型的な印字ヘ
ッドの部分斜視図、 第２図は、第１図の線２−２に沿った断面図、第３図は
、従来の発熱体の拡大断面図、第４Ａ図は、第２図に示
した改良型発熱体の第１の実施例の拡大断面図、 第４Ｂ図は、第４Ａ図の発熱体の抵抗層の平面図、 第５図は、第２図に示した改良型発熱体の第２の実施例
の拡大断面図、および 第６図は、第２図に示した改良型発熱体の第３の実施例
の拡大断面図である。 符号の説明 １０・・・印字ヘッド、１１・・・インク滴の軌道、１
２・・・インク滴、１３・・・チャンネル板、１４・・
・ノズル、１５・・・ヒーター板、１６・・・端面、１
７・・・アドレッシング電極、１８・・・改良型発熱体
、１９・・・共通リターン電極、２０・・・マニホルド
、２１・・・端子、２２・・・溝、２３・・・ヒーター
板の面、２４・・・端面、２５・・・開口、２６・・・
気泡、２７・・・絶縁層、２８・・・パッシベーション
層、２９・・・キャビテーション保護層、３０・・・熱
成長二酸化シリコン層、３１・・・抵抗体、３２・・・
下流部分、３３・・・高温部分、３４・・・低抵抗低温
部分、３５・・・気泡発生収縮領域、３６・・・電極と
抵抗体の境界、３７・・・交差区域、３８・・・埋込み
導電層、３９・・二酸化シリコンまたはケイ酸燐ガラス
のメサ、４０・・・抵抗体、４１・・・開孔、５２．５
４・・・異なるシート抵抗を有する不純物添加ポリシリ
コン領域。 ＦＩＧ、　３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 基板の一方の面にパターニングされた複数の発熱体と金
   属アドレッシング電極を有し、前記基板は一方の端に滴
   噴射ノズルが設けられたインクチャンネルを有する構造
   体に重ね合わされ、各発熱体はそれぞれの前記インクチ
   ャンネル内にノズルより上流に配置され、前記アドレッ
   シング電極は発熱体に上流側の縁と下流側の縁で接続さ
   れており、前記発熱体に電気信号が選択的に印加される
   と、ノズルから記録媒体へインク滴が噴射されて印字が
   行われるサーマルインクジェット印字ヘッドであって、 前記発熱体は高温の気泡発生収縮部分と低温の部分から
   成る構造を有し、前記気泡発生収縮部分を、気泡の増大
   および収縮によって生じるキャビテーション応力による
   損傷を最も受けやすい金属製アドレッシング電極境界領
   域から距離をおいて配置することにより、上流の前記電
   極境界領域の損傷を防止し発熱体の使用寿命を延ばすよ
   うにしたことを特徴とする印字ヘッド。