JPH03506006A - 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

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】 され式、−二・告を　　る口紮素　　のバブルジェットブリーン」＝）エムｙ− 技卦晟ど肚 本発明は、熱的ドロップ−オン−デマンド方式のインフジエラ１〜プリンｌ−’ ＼ツド（本願では「バブルジェット（ｂｕｂｂｌｅ　ｊｅｔ　）　Ｊ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 の保護を改善しプ、ニブリント八、ラド構成に関する。

芦」μ灯札 代表的なバブルジェットプリン１〜／＼ツドには、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５ｉ０２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、加熱素子と電極ど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、その桔巣生ずる衝撃波で関連オリフィスがらインキを噴出する。

このインキジェットプリン１〜法は益々有用になってきた。しがしながら、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５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、そのアト１／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！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５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がら 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５ｉ０２又はＳｉ３Ｎ４　　の層と最 上層としての金属層たとえばｒａ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。

児呵Ｏ匣丞 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■・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、−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を極ど共 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。

２匡の直臭望悦盟 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ｌ＼ツドの断面 図である。

区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。

区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。

本二盟Ｏ大旌友式 図１を参照する。先行技術のバブルジェットヘッド１ｏ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Ｊ１を包含し、その上に５ｉ０２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１−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ど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ｔｉの反対側にある各加熱素子の縁に共３ｍ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。！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５ｉ０２を形成する。アト１／ス電極ｎに電圧を加えると、を流が抵 抗式加熱素子２１を通して接地ｔ！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が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、そ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１，７こ 構成要素１３’、１Ｂ”からなり、それらか−・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。

γドレス電極２２′に電圧を加えるど、電流がヒータ２１°を通して接地電極２ ３′に流れ、インキが加熱されて板１つ”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 ギー人力電極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エツ１−プリンＩ・ヘッドのインキ滴噴出域の拡大断面図 を示す。

口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は加熱素子と電極どに接触Ｉ７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１７て流れて層３５に流れないように、ヒータ １３１の比抵抗よりも例えば１０’倍高い比抵抗を有するよう選択される。酸化 物及び窒化物たどえば５ｉ０２及び５ｉＳＮ４が中間層３５用にどりわけ有用で ある。基板３′７は金属で形成可能であり、５ｉ０２等の熱調節層３８を有する 。最上板３つは、インキ渭構造をもった金属、ガラス又はプラスチックとするこ とができる。

口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＋、＜膨張・収縮し、加熱素子どその被覆 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、−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・ 冷却できることが特に重要であることを見い出１、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１，５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ム以上）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 果電解的損粍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ど、同じ く漏電が起こる。１．かじながら、斯かる誘電性中量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、電解損耗の原因ど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　５ｕｂｓｕｒｆａｃｅ　ｅｌ ｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｌｍ）が付与されていると、（１）炭化ケイ素層等の外側層 は、その所望特性を付与するｔ：め使用可能であり、（１１）窒化ケイ素等の誘 電性中間層（単数又は複数）は、ヒーター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に膜は、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５ｉ０２の熱調節 層４２、例えばＴａＡ１３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。ＰＬ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、物理的に硬くて直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！ 極から金Ｋｍ層を分離する高抵抗誘電性層４９からなることができる一０金属膜 と外層ど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と金属膜層化との間の誘電性層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 ６とことができ、金属層４８は約ＩＣ１００−６０００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のオーバーツー１ 一層４９は厚み約２０００乃至３０１Ｘｌオングストロームの窒化ケイ素であり 、金属膜層化は厚み約１０００乃至２０００オンゲスＩ〜ロームのタンタルアル ミニウムであり、接着層５ｏ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１０ｏＯ乃至２０００オングストロームの炭化ケ イ素である。

１嵐二〇机巴工皿恒 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、がっ、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。

（快十状碕） ＦＩ６．４ 国際調査報告

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 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. 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. 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. 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. 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. 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１０００乃至６０００オングストロームである請求 の範囲第１項のバブルジエットプリントヘッド装置。
7. 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フリントヘッド装置。
8. 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１０００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. 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エットプリントヘッド装置。
10. 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. 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。