JPH051738B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ 産業上の利用分野 この発明は、インク・ジエツト印刷装置用の、
改良されたシリコンまたはガラスのノズルに関す
るもので、特に、耐摩耗特性および化学的安定性
を高め、しかも濡れの非常に低い多層コーテイン
グを施したシリコンまたはガラス・ノズルに関す
るものである。

Ｂ 従来技術 インク・ジエツト印刷は、コンピユータ出力端
末等の応用分野において、高品質の非衝撃印刷を
行う技術としてよく知られている。インク・ジエ
ツト印刷では、連続したインクの小滴が、記録材
料（紙）に当たり、その上に所定の形状を形成す
る。印刷装置によつては、インクの小滴となるイ
ンクの流れを連続的に放出しながら、高速で記録
媒体を通過させる単一インク・ノズルを使用す
る。この種の単一ノズル装置は、ノズルが記録材
料の特定部分に近付いたときにのみ、インクの小
滴が発生する「ドロツプ・オン・デマンド」方式
用として提案されている。他のインク・ジエツト
方式は、連続方式と称するもので、単一ノズルが
常にインクの小滴を発生し、これが特定の記録媒
体の画素に向けられるか、または再使用のため循
環装置に向けられる方式のものも提案されてい
る。

単一インク小滴のほかに、多数の記録用インク
小滴の流れを発生させるために、記録媒体を横切
つて１列の、または複数のインク小滴ノズルを使
用する方法がある。たとえば、各ノズルが、複数
のインク・ジエツトの軌跡に平行な最初の径路に
沿つて、小滴の流れを記録材料に向ける複数の静
止ノズルを配置することができる。小滴の形成に
続いて、小滴発生装置の下流にある小滴帯電・偏
向機構が小滴に作用して軌跡を変化させ、これに
よつて小滴を記録材料上の所定の部分に向ける。
この方式では、インクの小滴が正しい方法で所定
の位置に偏向するように、正しく帯電させなけれ
ばならない。代表的なインク・ジエツト方式は、
ノズルから噴出するインクを励起または振動させ
る装置を有し、帯電させるための電極に対して適
当な小滴を形成させる。

各種のノズル、およびノズル配列が提案されて
おり、これには各種の材質のものが含まれる。一
般に使用される材料は、シリコン、ガラス、金属
等の半導体である。特にシリコンのノズル配列が
最も有利と考えられる。それは、単一シリコン・
ウエーハ中の一連のノズル開口部を均一にエツチ
ングするのに、半導体技術が利用できるためであ
る。この種の技術等に関しては、米国特許第
4047184号明細書に開示されている。また、米国
特許第4007464号明細書には、ノズルの入口およ
び出口オリフイスの好ましい形状が開示されてい
る。

インク・ジエツトを使用する高品質の高速印刷
を与えるには、ノズルの製作およびノズルの特性
が極めて重要である。特に、インクが乾燥してノ
ズル開口部中、または周囲にコーテイングされる
ことのないように、ノズルの濡れを非常に少なく
しなければならないことが知られている。また、
ノズルは水性および非水性のインクによる腐食を
さけるため、耐摩耗性が良好で、化学的に不活性
でなければならないことも知られている。さら
に、ノズルは耐久性を有するように、硬質および
機械的強度の高いものでなければならない。

機械的強度および耐摩耗性を高め、濡れを少く
するために、ノズルのコーテイング材として、各
種の材料が提案されている。これらのコーテイン
グ材料には、SiO₂、テフロン（E.I.DuPont de
Nemoursの商品名）等の重合体、Si₃N₄等が含ま
れる。これらのコーテイング材料については、前
記の米国特許明細書に開示されている。さらに、
米国特許第4389654号明細書には、インクによる
腐食を防止するため、金またはニツケルをコーテ
イングした金属ノズルが開示されている。

Ｃ 発明が解決しようとする問題点 上記のコーテイング材料の例はすべて、利点は
あるにせよ、コーテイングによつて得られる特長
のすべてを満足させるものではない。たとえば
SiO₂等の酸化物は、濡れが大きく、使用中に表
面の多孔性が変化する。テフロン等の重合体は、
インクによる濡れは少いが、耐摩耗性が低い。さ
らに、重合体によつては、吸湿性があり、また化
学的、機械的特性が劣化するものがある。窒化シ
リコン（Si₃N₄）は、主として誘電体として使用
されているが、水性および非水性インクに対し
て、所要の接触角を示さない。このように、接触
角が比較的小さいことは、窒化シリコン被膜が水
性および非水性インクにより、濡れを生ずること
を意味する。さらに、酸性または塩基性を有する
新しいインクや、染料、界面活性剤等、各種の添
加剤を使用するものが開発されるにつれ、ノズル
のコーテイング材に対する必要条件が増し、前述
のコーテイング材には、別の欠点が制限が生じる
可能性がある。

したがつて、この発明の主目的は、機械特性に
すぐれ、化学的に不活性で、水性インクにも非水
性インクにも濡れの少い、ガラスおよびシリコン
のインク・ジエツト・ノズルのための、改良され
たコーテイング材を提供することにある。

この発明の他の目的は、耐摩耗性の強化され
た、安定な、周知の技術を用いて容易に製造する
ことのできる、改良されたシリコンおよびガラス
のインク・ジエツト・ノズルを提供することにあ
る。

この発明の他の目的は、均一な厚みの層として
容易に製作することができ、ガラスまたはシリコ
ンに対する接着が良好で、水性インクにも非水性
インクにも濡れの少い、シリコンおよびガラス・
インク・ジエツト・ノズルのための、改良された
コーテイング材を提供することにある。

この発明の他の目的は、耐摩耗性が良好で、化
学的に不活性であり、あらゆる種類のインクに対
して、良好な耐食性を有する、シリコンおよびガ
ラスのノズルのための、改良されたコーテイング
材を提供することにある。

この発明の他の目的は、電気的、機械的特性が
良好で、化学的に安定な、インクに対して濡れの
少い多層コーテイングを使用した、改良されたガ
ラスおよびシリコンのインク・ジエツト・ノズル
を提供することにある。

Ｄ 問題点を解決するための手段 この発明を実施することにより、上記の利点を
すべて具備する多層コーテイングを有する、改良
されたガラスまたはシリコンのインク・ジエツ
ト・ノズルが提供される。この多層コーテイング
は、シリコンまたはガラスのノズル上に付着させ
た窒化シリコンの第１の層と、窒化アルミニウム
（AlN）の最上層と、窒化シリコン層および窒化
アルミニウム層の間に位置し、成分が漸次変化す
る混合窒化物の層である中間層とを有する。この
中間層は、中間層と窒化シリコン層との境界面付
近では、シリコン濃度が高く、中間層と上の窒化
アルミニウム層との境界面付近では、アルミニウ
ム濃度が高い。したがつて、中間層は、最初に付
着させたところは主として窒化シリコンであり、
上記表面は窒化アルミニウムである。

下層の窒化シリコン層は、ガラスまたはシリコ
ンのノズルとの接着が極めて良好で、誘電率に関
して、良好な電気特性を示す。中間層は、上層の
窒化アルミニウムと、シリコンまたはガラスのノ
ズルとの間の接着が極めて良好で、組成が漸次変
化しているため、AlN層と、シリコンまたはガ
ラスのノズルとの熱膨張の差がなくなる。

AlN層は硬度が極めて高く、インクによる濡
れが少い。この点では、AlNはSi₃N₄よりすぐれ
ており、長期のインク浸漬試験後も、濡れ特性は
変化しない。また、AlNは化学的に不活性で、
良好な安定性を有し、すべての種類のインクに対
して耐食性を有する。硬度が高く、機械的強度に
すぐれており、複数の周知の技術を用いて、容易
に均一な厚い層を形成させることができる。

この発明を実施することにより、良好なノズル
操作に必要な、接着性、ならびに機械的、化学
的、および電気的特性をすべて確保するには、多
層コーテイングを使用しなければならないことが
判明した。

Ｅ 実施例 第１図に、単一のインク・ジエツト・ノズル１
０を示す。これは、このようなノズルの列の中の
１つであつてもよいことは、容易に理解されるで
あろう。このノズル１０は、３層コーテイング１
４を有するシリコンまたはガラス１２からなつて
いる。ノズル１０の入口および出口開口部とし
て、開口部１６および１８が使用され、周知のご
とく、これらの開口部を通るインクの流れの方向
は、逆にすることができる。

コーテイング１４は、第１の層２０、中間層２
２、および上層２４からなる。層２０は窒化シリ
コンSi₃N₄からなり、通常ガラスまたはシリコン
層１２の上に形成させた、非晶質の窒化物であ
る。これらのノズルを製作する場合、窒化シリコ
ン層２０の形成前に、層１２上に薄い酸化シリコ
ンの層が存在してもよい。この酸化物の存在によ
り、接着が阻害されたり、コーテイング１４が影
撃を受けたりすることはない。中間層２２は、シ
リコンとアルミニウムの混合窒化物であり、最外
層２４はAlNである。

実際上、３層２０，２２および２４の厚みは重
要ではなく、これらの厚みは、絶縁耐力、連続し
たピンホールのない被膜の形成、および応力をさ
けるための熱的整合等、設計上の必要条件によつ
て選定される。代表的な実施例として、層２０、
２２および２４を化学蒸着法（CVD）により形
成させた場合、層２０，２２および２４の厚み
は、それぞれ約1000オングストローム、1000〜
5000オングストローム、および1000オングストロ
ームである。CVDを使用した場合の中間層２２
の厚さは、約2000オングストロームが好ましい。

前述のごとく、中間層２２は、下層のシリコン
またはガラスのノズルと、上層のAlN層との間
の熱的整合を良好にする。層２２は、窒化シリコ
ンと窒化アルミニウムの混合物からなり、境界面
２６ではシリコン濃度が高く、境界面２８ではア
ルミニウム濃度が高い。したがつて、層２２の厚
みが増すにつれてシリコンの量を減少させ、同時
にアルミニウムの量を増加させることにより、層
２２の窒化シリコン組成２０と窒化アルミニウム
組成２４が混合される。

第２図は３層コーテイング１４の断面図で、窒
化シリコン層２０からAlN層２４までの厚みに
よる中間層２２の組成の変化を示す。層２０およ
び２２の境界面２６ではSiが100％でAlは存在し
ない。しかし、Siの量は、層２２および２４の境
界面２８では０％に減少し、一方同じ距離で、
Alの百分率は０％から増大して、境界面２８で
は100％となる。その後、層２４は実質的に純粋
なAlNとなる。

混合組成を有する層２２は、窒化シリコンと窒
化アルミニウムの固溶体で、各種の周知の方法で
製造することができる。これらの方法には、スパ
ツタリング、CVD、蒸発等が含まれる。窒化シ
リコン層２０および窒化アルミニウム層２４に
は、単一の原料が使用されるが、中間層２２の形
成には複数の原料を使用することができる。

一例として、コーテイング１４の３層の形成に
CVDを使用することができる。Si₃N₄層２０を形
成するには、シラン（SiH₄）とアンモニア
（NH₃）の混合物を、不活性キヤリア・ガスとと
もに、シリコンまたはガラスの層１２からなる加
熱した基板上に流す。この方法により、窒化シリ
コンを付着させる反応パラメータは周知のもので
あり、本明細書には詳述しない。所定の厚みの窒
化シリコンが形成された後、このガスを、他のガ
スに変える。たとえば、中間層２２で、シリコン
の量を減少させるために、シランの量を減少さ
せ、一方、層２２中のAl量を増大させるために、
Alのための原料ガスを導入し、増加させること
ができる。このために適したガスは、トリメチ
ル・アルミニウムAl（CH₃）₃、またはAlBr₃、
AlCl₃等のアルミニウムと臭素、もしくはアルミ
ニウムと塩素の化合物と、NH₃との混合気体で
ある。通常、基板温度は700〜800℃とする。この
後、シラン・ガス源を完全に断つと、AlNのみ
が付着して層２４を形成する。

層２２の厚みは、熱による応力を最少にするよ
うに、層２０と層２４の間で、組成が漸次変化す
るようにする。シリコンとアルミニウムの混合組
成により、これが達成される。この種の混合は、
デユアル・ビーム・スパツタリング等の方法で、
容易に行うことができる。この方法は、層１２お
よび２０を有する基板上に、シリコン原料および
アルミニウム原料を別にスパツタリングするもの
である。デユアル・ビーム・スパツタリングを使
用する場合、必要な整合および組成変化を得るた
めには、厚みが500オングストローム以下の層２
２が適当である。デユアル・イオン・ビーム枝術
の参考文献として、「J.M.E.Harperら、Appl.
Phys.Lett.43、(6)p.547、1983年９月15日」があ
る。特にこの文献には、デユアル・イオン・ビー
ム付着によるAlNの形成について記載されてい
る。

一例として、Si₃N₄は、シリコンまたは石英ガ
ラスのノズル上に、シリコンのターゲツトを使用
し、アルゴンと窒素の混合気体中で付着させるこ
とができる。このアルゴンの分圧は24ミリトル、
窒素の分圧は６ミリトルとする。陰極には、約
400〜500V（1000Vピーク）の負のバイアスをか
け、陽極には約一50VDCを印加する。ターゲツ
トと基板との距離は、約3.25インチとする。窒化
シリコンは、毎分約300オングストロームの速度
で、シリコンまたはガラス基板上に付着する。こ
れを水冷して室温まで冷却する。

中間層２２は、同一の付着装置を使用して、
Alターゲツトによるスパツタリングにより形成
させることができる。ほぼ同一のガス圧の、同種
のガス雰囲気が使用される。しかし、陰極電極お
よび陽極電圧の一方または両方は、アルミニウ
ム・ターゲツトからのスパツタリングを増大し、
シリコン・ターゲツトからのスパツタリングを減
少させるために変化させる。これにより、中間層
２２中のシリコンとアルミニウムの組成が漸次変
化する。

純粋なAlN層２４も、このデユアル・ビー
ム・スパツタリング装置を使用して形成させるこ
とができる。これは、アルゴンの分圧および窒素
の分圧を約20ミリトルとした雰囲気中で行う。陰
極電圧は約130VDC（350Vピーク）とし、陽極電
圧は−50VDCに保つ。基板温度を約200℃とする
と、中間層２２上の付着速度は毎分約25オングス
トロームとなる。

AlN層２４の耐食性を評価するために、浸漬
試験を行つた。この試験では、各種インクを層２
４に接触させ、液体と層２４との接触角を測定し
た。この測定は一定間隔で行い、液滴が拡がるか
どうかを観察した。１種類の試験では、１滴のイ
ンクをAlN試験表面上に滴下し、接触角を測定
した。次にインクを乾燥させた後、脱イオン水を
表面に流して洗滌した。次に、インク滴と接触し
ていた部分の表面が選択的に水によつて濡れる傾
向があるかどうかを試験した。

他の試験では、AlNの表面を室温または高温
（65℃）で長時間インクに浸漬した。浸漬の後、
表面を完全に洗滌し、約65℃で真空乾燥し、接触
角を測定した。これを各浸漬処理繰返し、表面を
走査型電子顕微鏡で観察して、腐食を調べた。こ
れらの試験で、AlN層は浸漬処理の前後で測定
した接触角に何ら変化を示さず、これらの表面が
各種のインクに対して、すぐれた化学安定性を有
することが認められた。さらに、走査型電子顕微
鏡写真でも、試験前後で表面に顕著な差は見られ
ず、これらの被覆は耐食性が極めて高いことが認
められた。

この発明を、特定の実施例について説明を行つ
たが、この発明の原理および範囲を遮脱すること
なく、変形を行うことができることが理解される
であろう。たとえば、中間層２２の正確な成分、
および各層の厚みは、ノズルの設計必要条件によ
り変えることができる。さらに、各層の特性をあ
る程度変化させるために、不純物を導入すること
ができることも、理解されるであろう。

Ｆ 発明の効果 この発明によれば、コーテイング層と、シリコ
ンまたはガラスのノズルとの間に、高い接着力が
得られる。シリコンと比較して、熱膨張係数の差
が大きい有機材料と異なり、この発明による窒化
物の熱膨張は、シリコンの熱膨張に近い。このこ
とは、組成が漸次変化する層２２とともに、接着
力を高め、付着した層中の応力を低下させる。ま
た、窒化シリコン層２０は、周知のノズル列に、
誘電層として、導体と導体の間に使用することが
できる。

この発明を実施することにより、使用するイン
クの種類にかかわらず、すぐれた機械的、化学的
特性を有する、シリコンまたはガラスのインク・
ジエツト・ノズルのための３層コーテイングが得
られる。さらに、このコーテイングの安定性およ
び耐久性は、既知のコーテイングよりすぐれてい
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の３層コーテイングを有す
る単一のノズル開口部を示す図である。このノズ
ル開口部は、たとえば、類似のこのようなノズル
の列の一部であつてもよい。第２図は、コーテイ
ングの３層の成分を示す略図で、特に、中間部の
漸次変化する成分を示したものである。 １０……ノズル、１２……シリコンまたはガラ
ス層、１４……３層コーテイング、１６，１８…
…開口部、２０……第１層、２２……中間層、２
４……上層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ノズル用の開口を内部に有するシリコンまた
   はガラスの層と、 前記シリコンまたはガラス層上の窒化シリコン
   からなる第１層、窒化シリコンおよび窒化アルミ
   ニウムの混合物からなる中間層、ならびに窒化ア
   ルミニウムからなる第３層を、前記ノズルにコー
   テイングした多層コーテイングと を具備する、インク・ジエツト印刷のためのイン
   ク・ジエツト・ノズル。 ２ 前記中間層が、前記第１層との界面近くでは
   シリコン濃度が高く、前記第３層との界面近くで
   はアルミニウム濃度が高い組成であることを特徴
   とする、特許請求の範囲第１項記載のインク・ジ
   エツト・ノズル。