JPH06134991A - インクジェット印字ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱効率を高め、寿命の長いインクジェット印
字ヘッド用の加熱素子。 【構成】 新規の加熱素子の設計は、オーバグレーズパ
ッシベーション層２０、ＰＳＧステップ領域１０、Ｔａ
層１４および誘電体絶縁層１２の一部分、およびキャビ
テーション圧力に弱い接合部または領域を保護するピッ
ト層２２を有する。さらに、ピット層２２の内壁は加熱
器の実際の面積を定義し、ドーパントライン９は加熱器
の実際の面積および実効面積を定義し、内壁２３とドー
パントライン９は加熱器の実際の面積と実効面積を定義
する。さらに、フルピットチャネル形状およびオープン
ピットチャネル形状を有する印字ヘッドに組み込むと、
ピット層の追加保護によって、１）加熱素子のパッシベ
ーション損傷およびキャビテーション損傷、および２）
加熱器の頑強性の劣化、ホットスポットの形成、および
１０⁹ のパルス範囲までの加熱器故障が防止されるの
で、印字ヘッドの動作寿命が延長される。キャリア形ま
たは全幅形のドロップオンデマンド印字システムに組み
込むことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インクジェット印字シ
ステムに関し、さらに詳しくは、加熱素子付き印字ヘッ
ドを有するドロップオンデマンド形インクジェット印字
システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】インクジェット印字システムは、２種類
に分類することができる。第１の種類は連続流インクジ
ェット印字システムであり、第２の種類はドロップオン
デマンド印字システムである。

【０００３】連続流インクジェット印字システムの場
合、インクは圧力下で少なくとも１つのオリフィスまた
はノズルから連続した流れとして放出される。インクの
流れは摂動によって、オリフィスから一定の距離で中断
して小滴になる。中断点で小滴はディジタルデータ信号
に従って帯電された後、静電場を通過し、ここで各小滴
の軌跡が調整され、インク小滴は再循環用の側溝に向か
うか、あるいは記録媒体上の特定の位置へ向かう。

【０００４】ドロップオンデマンド形インクジェット印
字システムの場合、小滴がオリフィスからディジタルデ
ータ信号に従って記録媒体上の位置に直接排出される。
小滴を記録媒体に置く必要が無いときは、小滴は形成あ
るいは排出されない。ドロップオンデマンドインクジェ
ット印字システムは、インクの回収、帯電または偏向の
必要が無いので、連続流インクジェット印字システムよ
りずっと単純である。したがって、インクジェット印字
システムでは、ドロップオンデマンド形インクジェット
印字システムが一般的である。

【０００５】さらに、ドロップオンデマンド形インクジ
ェット印字システムは２種類ある。第１の種類は、圧電
変換器を利用して圧力パルスを生成することによって、
ノズルから小滴を排出する。第２の種類は、熱エネルギ
ーを利用して、インクが充填された流路に蒸気のバブル
を生成することによって、インク小滴を排出する。

【０００６】第１のタイプのドロップオンデマンド形イ
ンクジェット印字システムは、印字ヘッドにインク充填
流路、流路の端部のノズル、および圧力パルスを生成す
るために他端部付近の圧電変換器を備えている。比較的
大型の変換器はノズルの近接間隔配置を妨げ、また変換
器の物理的限界がインク滴下速度を低くしている。イン
ク滴下速度の低さは、滴下速度の変動および方向性の許
容差を狭め、システムの高品質コピーを作成する能力に
影響を及ぼす。さらに、圧電変換器を用いるドロップオ
ンデマンド印字システムは、印字速度が遅いという欠点
もある。

【０００７】圧電変換器を用いる印字ヘッドの上記の欠
点のために、熱エネルギーを利用してインク充填流路に
蒸気のバブルを生成してインク小滴を排出させる印字ヘ
ッドを有するドロップオンデマンド形インクジェット印
字システムが、一般に使用されている。熱エネルギー発
生器または加熱素子は通常は抵抗器であるが、これは各
流路のノズルから所定の距離に配置される。抵抗器は、
電気パルスによって個別にアドレス指定されて熱を発生
し、それが抵抗器からインクに伝達される。

【０００８】伝達された熱はインクを過熱させる。つま
り、インクの通常の沸点よりずっと高い温度に加熱され
る。例えば、水性インクはバブル核(bubble nucleatio
n) 生成の臨界温度である２８０℃に達する。核生成さ
れたバブルつまり蒸気は、インクを加熱素子から熱的に
分離し、抵抗器からインクへ熱がそれ以上伝達されるの
を阻止する。さらに、インクに蓄積された通常の沸点を
越える熱が全部拡散消失するか、あるいは液体を蒸気に
変えるのに使用される（これは、いうまでもなく、気化
熱のために熱を除去する）まで、核生成されたバブルは
膨脹する。蒸気のバブルの膨脹中に、インクはノズルか
ら膨れ出て、インクの表面張力によってメニスカスとし
て保持される。

【０００９】過剰な熱がインクから除去されたとき、熱
発生電流はもう抵抗器に流れていないので、蒸気のバブ
ルは抵抗器のところでしぼむ。バブルがしぼみ始める
と、まだ流路のノズルとバブルの間にあったインクは、
しぼむバブルの方向に移動し、ノズルでのインクの体積
収縮が発生し、結果的に膨れ出し部分のインクがインク
小滴として分離される。バブルが成長するときにノズル
から膨れ出るインクの加速度により、インク小滴を紙な
どの記録媒体に向かって実質的に直線方向に排出する運
動量および速度が得られる。バブルの膨脹と収縮のサイ
クルは全体で約２０マイクロ秒（μｓ）かかる。流路は
１００ないし５００μｓの最小ドウェル時間後に再始動
して、流路にインクを再充填したり、また動的再充填フ
ァクターを幾分緩和することができる。

【００１０】図１は、従来の加熱素子デザインを示すの
拡大断面図である。従来の加熱素子２は、基板４、アン
ダグレーズ層６、抵抗層８、リンけい酸ガラス（ＰＳ
Ｇ）ステップ領域１０、誘電体絶縁層１２、タンタル
（Ｔａ）層１４、アドレス電極１６、共通リターン電極
１８、オーバグレーズパッシベーション層２０、および
ピット層２２から成る。実際の加熱器面積は、抵抗材の
長さＬR によって決まる。しかし、実効加熱器面積は、
オーバグレーズパッシベーション層の傾斜内壁間の距離
ＬE によって決まる。別の従来の加熱素子デザイン（図
示せず）では、オーバグレーズパッシベーションの側壁
がＰＳＧステップ領域の側壁に重複せず、実効加熱器面
積は、ＰＳＧステップ領域の内部側壁間の距離によって
決まる。加熱器の実際の面積と実効面積の間に比較的大
きな差ＬD があるので、使用されない加熱器面積で生成
される熱は損失となる。さらに、オーバグレーズパッシ
ベーション層２０あるいはＰＳＧステップ領域１０だけ
で、腐食性イオンインクがアドレス電極、共通リターン
電極および／または抵抗器の端部に露出するのを防止し
ている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】インクジェット技術で
は一般に、インクジェット印字ヘッドの動作寿命は、加
熱素子が故障する前に耐えられる蒸気バブルの膨脹と収
縮のサイクル回数に正比例すると認識されている。さら
に、長時間使用した後は、加熱器の頑強性（robustnes
s）、つまり印字ヘッドが規定通りのインク小滴を生成
する能力が劣化する。加熱器の故障や加熱器の頑強性の
劣化は、加熱素子が高温、周波数関連性熱応力、大きい
電場、および蒸気バブルの膨脹・収縮時の大きいキャビ
テーション圧力に長時間さらされたためである。加熱素
子のこのような環境条件下では、加熱器の平均寿命は、
１０⁷ 回の高位数字のパルスレンジ、すなわち生成され
るインク小滴回数であり、わずか３×１０⁷ 回の低位数
字のパルスレンジで最初の加熱器の故障が発生する。

【００１２】さらに、全ての加熱器の故障の大部分は、
インクを蒸発させる抵抗器８ではなく、抵抗器８と電極
１６、１８の間の接合部付近で発生する。特に、蒸気バ
ブルの収縮時の最高１０００気圧の大きいキャビテーシ
ョン圧力は、加熱器のＰＳＧステップ領域１０およびオ
ーバグレーズパッシベーション層２０付近の領域に影響
を及ぼす。大キャビテーション圧力の結果、タンタル
（Ｔａ）層１４および誘電体絶縁層１２に摩損が発生
し、ＰＳＧステップ領域１０の上を覆うオーバグレーズ
パッシベーション層２０にも摩損つまり切欠き損傷が発
生する。さらに、腐食性であるイオンインクから電極１
６、１８を保護しているのは、オーバグレーズパッシベ
ーション層２０だけである。結局、Ｔａ層１４、誘電体
絶縁層１２、および／またはパッシベーション層２０に
穴が明くと、腐食性のイオンインクは加熱器の電極１
６、１８に接触して、加熱器の頑強性の劣化やホットス
ポットの形成の原因となり、最終的に加熱器の故障を引
き起こす。

【００１３】さらに、加熱器の故障は、ＰＳＧステップ
領域１０の上にＴａ層１４の適正被覆（conformal cove
rage) の問題によって悪化する。適正被覆を得る問題
は、特別のテーパ処理段階によって修正され、これによ
り加熱器の寿命は１０⁸ の低位数字のパルス範囲にまで
伸びる。しかし、加熱器の故障はまだＰＳＧステップ領
域１０および／またはオーバグレーズパッシベーション
層２０で発生し、製作費は、適正被覆を得るための特別
な処理によって増大する。

【００１４】キャビテーション圧力にたいする加熱器の
弱さを緩和するために、様々な印字ヘッドのデザイン法
や加熱器の構造が多くの先行特許に開示されているが、
ＰＳＧステップ領域１０やオーバグレーズパッシベーシ
ョン層２０が蒸気バブルの膨脹・収縮のサイクルや腐食
性イオンインクにさらされることがないように、オーバ
グレーズパッシベーション層２０および／またはＰＳＧ
ステップ領域に起こりがちな故障を最終バブル収縮の領
域から除去する加熱器のデザインを開示している特許は
無い。

【００１５】本発明の目的は、加熱器の頑強性、熱効率
および滴下生成を向上するために、新しい加熱素子デザ
インによる印字ヘッドを有するインクジェット印字シス
テムを提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記およびその他の目的
および利点を達成し、上述の欠点を克服するために、新
しい加熱素子デザインは、オーバグレーズパッシベーシ
ョン層、ＰＳＧステップ領域、Ｔａ層および誘電体絶縁
層の一部分、およびキャビテーション圧力に弱い接合部
または領域を保護するピット層を有する。さらに、ピッ
ト層の内壁は加熱器の実効面積を定め、ドーパントライ
ンは加熱器の実際の面積を定義する。別の実施例では、
ドーパントラインは加熱器の実際の面積と実効面積を定
義し、内壁およびドーパントラインは加熱器の実際の面
積および実効面積を定義する。さらに、新しい加熱素子
デザインをフルピットチャネル形状およびオープンピッ
トチャネル形状を有する印字ヘッドに組み込んだ場合、
ピット層による追加保護により、１）加熱素子のパッシ
ベーション損傷およびキャビテーション損傷、および
２）加熱器の頑強性の劣化、ホットスポットの形成、お
よび１０⁹ の中位数字のパルス範囲まで加熱器故障が防
止されるので、印字ヘッドの作動寿命は延長される。新
しい加熱素子デザインを組み込んだ印字ヘッドは、キャ
リッジ形または全幅形のドロップオンデマンド印字シス
テムに組み込むことができる。

【００１７】

【実施例】次に、本発明を、添付の図面を参照しながら
説明する。図中では、同様の要素は同様の符号で示して
いる。図２は、本発明を組み込んだ印字ヘッド３２を有
するキャリッジ形ドロップオンデマンドインクジェット
印字システムの概略斜視図である。直線配列のインク小
滴生成チャネルが、往復キャリッジアセンブリの印字ヘ
ッド３２内に収容されている。インク小滴３４は、印字
ヘッド３２が矢印４２の方向に記録媒体３６全体を一方
向に横切るたびに、ステップモータ３８によって矢印４
０の方向にステップ移動する記録媒体３６まで、予め選
択された距離を推進される。紙などの記録媒体３６は繰
出しロール４４に貯蔵されており、当業界で周知の方法
により、ステップモータ３８によってロール４６にステ
ップ移動して巻き取られる。さらに、当業界で周知の給
紙機構を使用することにより、枚葉紙を使用することも
できる。

【００１８】印字ヘッド３２は、支持台４８に固定的に
取り付けられており、往復キャリッジアセンブリ５０を
構成する。往復キャリッジアセンブリ５０は、２つの平
行ガイドレール５２上で、記録媒体３６がステップ移動
する方向に対して直角に滑動させることによって、記録
媒体３６と平行してこれを横切るように左右に移動する
ことができる。印字ヘッド３２の往復運動は、ケーブル
５４および１対の回転可能なプーリ５６によって達成さ
れる。プーリの一方は可逆モータ５８によって駆動す
る。

【００１９】制御器６２からのコンジット６０は、各イ
ンクチャネルの個々の抵抗器に電流パルスを与える。イ
ンク小滴を生じる電流パルスは、電極６４を介して制御
器６２が受信したディジタルデータ信号に応答して生成
される。インク供給部６８から伸びているホース６６
は、印字システム３０の作動中に、チャネルにインクを
供給する。

【００２０】図３は、図２に示した印字ヘッド３２の拡
大アイソメトリック図であり、印字ヘッド３２のチャネ
ル７２の正面７１のノズル７０の配列を示す。線Ａ−Ａ
における断面図である図４および図６も併せて参照する
と、下部の電気絶縁基板４は、加熱素子１およびその表
面にパターン印刷された端子８２を有しており、チャネ
ルプレート７２は、一方向に伸長しチャネルプレート７
２の正面７１まで貫通した並列溝７４を有している。溝
７４の他端は傾斜した壁７６で終わる。

【００２１】チャネルプレート７２と溝７４の表面は一
列に整列し、溝７４および基板４によって形成される各
チャネル７５に多数の加熱素子１が配置されるように、
基板４に接着する。印字ヘッド３２は、加熱素子を制御
器６２に接続するために用いられる絶縁電極８０を含む
金属基板７８に取り付ける。金属基板７８は、印字ヘッ
ド３２内で発生した熱を消失させるヒートシンクとして
機能する。基板４上の電極１６、１８は端子８２で終端
する。チャネルプレート７２は基板４より小さくして、
電極端子８２を露出させ、かつ金属基板７８上の電極８
０を介して制御器６２に接続することができるようにす
る。

【００２２】内部凹所は、インクチャネルのインク供給
マニホルド８４として機能する。インク供給マニホルド
８４は、インク充填穴８６として使用される開口底を有
し、インクは充填穴８６からマニホルド８４に入り、毛
管作用によって各チャネル７５に充填される。各ノズル
７０におけるインクは、わずかな負圧でメニスカスを形
成し、インクがそこからこぼれるのを防止する。

【００２３】図４および図８は、本発明の加熱素子デザ
インを組み込んだ、それぞれフルピットチャネル形状お
よびオープンピットチャネル形状を持つインクジェット
印字ヘッドの蒸気バブルを排出する印字小滴の成長を示
す。さらに、図５および図９は、本発明の加熱素子デザ
インを組み込んだ、それぞれフルピットチャネル形状お
よびオープンピットチャネル形状を持つプリンタで蒸気
バブルの収縮を起こすキャビテーション圧力を示す。

【００２４】図６の加熱素子デザインを組み込んだ、図
４および図５に示すフルピットチャネル形状では、厚膜
絶縁層２２つまりピット層をパターン加工し、加熱素子
１をインクに露出させる共通凹所８８およびピット２４
を形成する。チャネル７５は、加熱素子の下流の正面チ
ャネル長（Ｌf ）、加熱素子の上流の後部チャネル長
（Ｌr)、およびチャネル７５の加熱素子１を含む部分を
カバーするピット長（Ｌp ）を備える。蒸気バブル９０
の膨脹中、インクはピットから押し出されるので、イン
クは正面チャネル部から流れ出し、また矢印９２で示す
ように、後部チャネル部の端部のインク溜めの方向にも
流れる。正面チャネル部へのインク流は、インクをノズ
ルから突起３４Ａとして膨れ出させる。

【００２５】蒸気バブル９０が収縮すると、図５に示す
ように、インク小滴３４が排出される。さらに、インク
は、矢印９４で示すように正面および後部チャネル部の
両方から、また矢印９６で示すようにマニホルド８４か
らも、ピット２４内に移動する。Ｌr はＬf より長く、
これらはどちらも同じフロー領域であるので、後部チャ
ネル部から流れ込むインクは、正面チャネル部から流れ
込むインクより流体抵抗が高い。その結果、正面チャネ
ル部からの方がより多くのインクがピット２４に流れ込
み、このようなインク流により、収縮する蒸気バブル９
０は、抵抗器８とアドレス指定電極１６とＰＳＧステッ
プ領域１０（図６および図７）の間の接合部に押し付け
られる。したがって、オーバグレーズパッシベーション
層２０、ＰＳＧステップ領域１０、アドレス指定電極１
６のＰＳＧステップ領域１０付近のＴａおよび誘電体絶
縁層１２、１４の部分が大きいキャビテーション圧力を
受ける。

【００２６】図６および図７は、本発明の新規加熱素子
デザインの拡大断面図である。加熱素子は、基板４のア
ンダグレーズ層６上に形成する。ポリシリコンをアンダ
グレーズ層の頂面に蒸着し、エッチング加工して抵抗器
８を形成する。抵抗器はｎ形の軽量ドーピング領域８Ａ
と、その両端に形成された２つのｎ形重量ドーピング領
域を有する。重量ドーピング領域と軽量ドーピング領域
の間の界面は、ドーパントライン９を形成する。ドーパ
ントライン９は、加熱素子の実際の加熱器面積を定義す
る。

【００２７】抵抗器８の上にリフローリンけい酸塩(ref
low phosphosilicate)ガラス（ＰＳＧ）を形成し、エッ
チング加工して、アドレス指定および共通リターン電極
１６、１８の電極バイアス１７、１９および抵抗器８の
頂面に露出したＰＳＧステップ領域１０を形成する。ま
た、抵抗器をインクから電気的に絶縁するために、抵抗
器８の上に誘電体絶縁層(dielectric isolation layer)
１２を形成する。さらに誘電体絶縁層１２を加熱および
キャビテーション圧力から保護するために、誘電体絶縁
層１２の上にタンタル（Ｔａ）層１４をスパッタ蒸着す
る。誘電体絶縁層１２およびタンタル層１４をエッチン
グ加工し、さらにアルミニウム（Ａｌ）を付着およびエ
ッチング加工して、アドレス指定電極１６および共通リ
ターン電極１８を形成する。オーバグレーズパッシベー
ション層２０として、基板全体の上にリン蒸着ＣＶＤ二
酸化けい素およびＳｉ₃Ｎ₄の厚い複合層を蒸着し、Ｔａ
層１４を露出するようにエッチング加工する。最後に、
基板全体の上に厚い絶縁層を蒸着し、エッチング加工し
てピット層２２を形成し、ピット２４およびピット長Ｌ
P を定義する。

【００２８】図６および図７に示す加熱素子デザインは
両方とも、ピット長Ｌp がピット層２２の内壁２３によ
って定義される。さらに、ピット層２２は内壁の高さＨ
p が、一般の加熱素子デザインの内壁の高さより高い。
好適実施例では、内壁の高さは約３５μｍである。さら
に、新規の加熱素子デザインは、キャビテーション圧力
に弱い接合部や領域の破損を防止するための追加保護策
を提供するために、ピット層２２の内壁を、オーバグレ
ーズパッシベーション層２０、Ｔａ層１４、誘電体絶縁
層１２、およびＰＳＧステップ領域１０の内端部より先
まで伸長させる。さらに、ＰＳＧステップ領域１０およ
びオーバグレーズパッシベーション層２０は、加熱器の
実効面積を定義しなくなった。好適実施例では、ピット
層２２の内壁が加熱器の実効面積を定義し、ドーパント
ライン９が実際の加熱器の面積を定義する。

【００２９】図６では、加熱器の実際の面積と実効面積
の差が、一般の加熱素子デザインに比べて減少してい
る。さらに、図７および図１１に示すように、加熱器の
実効面積および実際の面積は、ドーパントライン９によ
って定義され、したがって使用されない加熱器の面積は
無くなる。このような加熱器の効率的な使用により、加
熱器によって生成された熱の損失量が少なくなり、熱発
生パルス電流が効率的に使用されるので、加熱素子の効
率が高まる。

【００３０】図１０の加熱器デザインを組み込んだ、図
８および図９に示すオープンピットチャネル形状の場
合、後部チャネル部から厚膜絶縁層２２が除去されてい
るので、後部チャネル部のフロー断面積は、正面チャネ
ル部より大きい。図６のフルピット形状の場合と同様
に、矢印９２で示すように、インクは正面チャネル部お
よび後部チャネル部の両方に押し出される。しかし、バ
ブルの収縮時のインクの流れは異なる。オープンピット
チャネル形状の場合、後部チャネル部のインクは、正面
チャネル部のインクより流体抵抗が低い。その結果、よ
り多くのインクが後部チャネル部からピットに流れ込
み、こうしたインクの流れは、収縮する蒸気バブルを、
抵抗器８と共通リターン電極１８との間の接合部及びＰ
ＳＧステップ領域１０付近の領域に押し付ける。したが
って、オーバグレーズパッシベーション層２０とＰＳＧ
ステップ領域１０、および共通リターン電極１８のＰＳ
Ｇステップ領域１０付近のＴａおよび誘電体絶縁層１
２、１４の部分は、大きいキャビテーション圧力を受け
る。

【００３１】図１０および図１１は、オープンピットチ
ャネル形状用の本発明の新規加熱素子デザインの拡大断
面図である。図から分かるように、これらのデザイン
は、アドレス指定電極１６の上のピット層２２が除去さ
れている以外は、図６および図７とほとんど同じであ
る。先に述べたように、ピット層の内壁２３は、キャビ
テーション圧力に弱い接合部および領域の破損を防止す
るための追加保護を提供する。さらに、図１０では、加
熱器の実効面積がピット層の内壁２３およびアドレス指
定電極１６のドーパントライン９によって定義されるの
で、使用されない加熱器の面積が比較的小さくなる。図
１１では、加熱器の実効面積および実際の面積が、図９
と同様に、ドーパントライン９によって定義される。

【００３２】図６、図７、図１０、および図１１の新規
の加熱器デザインでは、ドーパントライン９およびピッ
ト層２２の内壁２３を利用することによって、加熱素子
１のデザインの柔軟性が向上する。例えば、ドーパント
ライン９は、ｎ形の重量ドーピング領域を形成するため
に、マスクの大きさによって横方向に移動することがで
きる。さらに、ピット層２２の内壁２３も横方向に移動
できる。ドーパントライン９および内壁２３を横方向に
移動することにより、様々な印字ヘッド用に、異なる加
熱器面積が必要な様々な加熱素子を、素早く簡単にデザ
インすることができる。

【００３３】次に、図６、図７、図１０、および図１１
に示したデザインの加熱素子を形成するために用いる様
々な方法および材料について説明する。図６、図７、図
１０、および図１１の加熱素子のデザインは、ピット層
以外は実質的に同一である。この加熱素子のデザインで
は、基板４はシリコンである。シリコンを使用すること
が望ましい理由は、それが電気を絶縁すると共に、加熱
素子によって発生する熱を除去するために優れた熱伝導
性を持つからである。基板は（１００）両面研磨Ｐ形シ
リコンであり、厚さは５２５マイクロメータ（μｍ）で
ある。さらに、基板４は、例えば１０オーム・ｃｍの抵
抗に軽くドーピングするか、電流帰路ができるように
０．０１ないし０．００１オーム・ｃｍの範囲の抵抗に
縮退ドーピングするか、あるいは能動電解効果トランジ
スタまたはバイポーラトランジスタが形成できるよう
に、２ないし２５μｍのエピタキシャル軽量ドーピング
表面層に縮退ドーピングすることができる。

【００３４】アンダグレーズ層６は、二酸化けい素（Ｓ
ｉＯ₂ ）から形成することが望ましい。これはシリコン
基板の熱酸化によって成長する。しかし、他の適切な熱
酸化物層をアンダグレーズ層６に使用することもでき
る。アンダグレーズ層６は１ないし２μｍの厚さを持
ち、好適実施例は１．５μｍの厚さである。

【００３５】抵抗材は、アンダグレーズ層の上に、１０
００から６０００オングストローム（Å）の厚さのポリ
シリコンの化学蒸着（ＣＶＤ）によって蒸着し、抵抗器
８を形成する。好適実施例では、抵抗器８の厚さは４０
００Åから５０００Åの間であり、できれば４５００Å
の厚さとする。ポリシリコンは、最初にイオン注入また
は拡散のどちらかを用いて軽くドーピングする。次に、
マスクを用いて、イオン注入または拡散により、抵抗器
８の両端部にさらに重量ドーピングする。さらに乾式ま
たは湿式エッチングにより、余分のポリシリコンを除去
して、適切な長さの抵抗器８にする。さらに、ポリシリ
コンを同時に使用して、電解効果トランジスタのゲート
やその他の第１層メタライズなど、関連能動回路機構の
素子を形成することができる。

【００３６】ＰＳＧステップ領域１０は、７．５ｗｔ％
のＰＳＧから形成する。ＰＳＧを形成するためには、Ｓ
ｉＯ₂ をＣＶＤによって蒸着するか、熱酸化によって成
長させた後、ＳｉＯ₂ に７．５ｗｔ％のリンをドーピン
グする。ＰＳＧを加熱してＰＳＧをリフローさせてプレ
ーナ面を作成し、アドレス電極１６および共通リターン
電極１８のためのアルミニウムのメタライズ用の平滑な
表面を提供する。さらに、ＰＳＧ層をエッチング加工し
て、アドレス電極１６および共通リターン電極用１８の
バイアス１７、１９を形成すると共に、誘電体絶縁層１
２およびＴａ層１４用の表面を提供する。

【００３７】誘電体絶縁層１２は、窒化シリコン（Ｓｉ
₃Ｎ₄）の熱分解化学蒸着およびＳｉ ₃Ｎ₄のエッチングに
よって形成する。露出したポリシリコン抵抗器の上に直
接蒸着したＳｉ₃Ｎ₄層は、５００ないし２５００Åの厚
さを持ち、好ましくは約１５００Åの厚さを持つ。熱分
解窒化シリコンは非常に優れた熱伝導性を持ち、抵抗器
に直接接触して蒸着した場合、抵抗器とインクの間で熱
を効果的に伝達する。

【００３８】あるいはまた、誘電体絶縁層１２は、ポリ
シリコン抵抗器の熱酸化によってＳｉＯ₂ を形成するこ
とによって、形成することもできる。ＳｉＯ₂ の誘電体
層は、５００Åないし１μｍの厚さまで成長することが
でき、好適実施例では、１０００ないし２０００Åの厚
さを持つ。

【００３９】Ｔａ層１４は、誘電体絶縁層１２の上に、
化学蒸着法によってスパッタ蒸着し、厚さは０．１ない
し１．０μｍの間である。Ｔａ層１４はマスクを掛け、
エッチング処理によって余分なタンタルを除去する。次
に、アドレス電極１６および共通リターン電極１８をメ
タライズする前に、誘電体絶縁層１２もエッチング加工
する。

【００４０】アドレス電極１６および共通リターン電極
１８は、電極バイアス１７、１９にアルミニウムを化学
蒸着し、余分なアルミニウムをエッチング処理すること
によって形成する。アドレス電極および共通リターン電
極の端子８２は、チャネルプレート７２を基板４に取り
付けた後で制御回路に電気接続するための隙間ができる
ように、所定の位置に配置する。アドレス電極１６およ
び共通リターン電極１８は、０．５ないし３μｍの厚さ
に蒸着し、好適な厚さは１．５μｍである。

【００４１】オーバグレーズパッシベーション層２０
は、ＰＳＧと窒化シリコンＳｉ_x Ｎ_yの複合層から形成
する。オーバグレーズパッシベーション層の累積厚さ
は、０．１から１０μｍの範囲とすることができ、好適
な厚さは１．５μｍである。できれば４ｗｔ％のリンを
含むＰＳＧを、低温化学蒸着法（ＬＯＴＯＸ）によっ
て、５０００Åの厚さに蒸着する。次に、窒化シリコン
をプラズマ化学蒸着法によって、厚さ１．０μｍに蒸着
する。パッシベーションマスクを用いて、窒化シリコン
のプラズマエッチングおよびＰＳＧの湿式エッチングを
行って加熱素子から除去し、制御器６２に電気接続する
ために、Ｔａ層２２およびアドレス電極１６と共通リタ
ーン電極１８の端子８２を露出させる。代替実施例とし
て、オーバグレーズパッシベーション層２４は、完全に
ＰＳＧだけで形成することもできる。さらに、オーバグ
レーズパッシベーション層２４は、上記の方法のどちら
かで形成した後、ＰＳＧまたは窒化シリコンの層の上
に、厚さ１ないし１０μｍのポリイミドの複合層を追加
することもできる。

【００４２】次に、例えばＲＩＳＴＯＮ（登録商標）、
ＶＡＣＲＥＬ（登録商標）、ＰＲＯＢＩＭＥＲ５２（登
録商標）、またはポリイミドなどの厚膜絶縁層を、基板
の表面全体の上に形成する。厚膜絶縁層２２は、各加熱
素子１の上の厚膜絶縁層の部分をエッチングして除去で
きるようにフォトリソグラフィによって処理し、各加熱
素子１のピット層２２を形成する。図６および図７の加
熱素子デザインでは、厚膜絶縁層２２を除去して、ピッ
ト２４および共通凹所８８を形成する。図１０および図
１１の加熱素子のデザインでは、厚膜絶縁層２２を除去
して、ピット２４の一部とチャネル７５を形成する。さ
らに、ピット層２２の内壁２３は、加熱器によって発生
した蒸気バブルが横方向に移動するのを防止し、したが
って暴噴現象を防止する。先に述べたように、ピット層
２２の内壁２３は、ＰＳＧステップ領域１０およびオー
バグレーズパッシベーション層２０の側壁より先まで伸
長して、キャビテーション圧力に対する追加保護を提供
する。

【００４３】図６、図７、図１０、および図１１の加熱
素子デザインにより、１０⁹ パルス範囲におけるインク
小滴特性および安定性は、初期のインク小滴特性および
安定性と基本的に変わらなかった。図６に示す特定の形
状で試験した結果、１．６×１０⁹ パルスの後の小滴特
性は、１）速度１０ｍ／ｓ、２）滴下量１３０ピコリッ
トル、３）速度ジッタ４％未満、４）印字ヘッド全体の
走行時間の変動５％未満、および５）スレショルド値の
わずかな増加によるクリスプスレショルド応答約９％で
あった。さらに、新しい加熱素子デザインは、１０⁹ の
中位数値のパルス範囲までキャビテーション圧力によっ
て発生する加熱器の故障の徴候は見られなかった。さら
に、新しい加熱素子デザインは、従来の加熱素子と同一
量の熱発生パルス電流が印加されたときに、より大きい
インク小滴を１０−１５％高速で生成する。

【００４４】上記の実施例は、説明のためのものであっ
て、発明を制限するものではない。例えば、本発明は、
全幅印字ヘッドを使用する印字システムにも適用するこ
とができる。したがって、請求の範囲に規定する本発明
の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変化例
を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の加熱素子デザインの拡大断面図である。

【図２】本発明を組み込んだ印字ヘッドを有するキャリ
ッジ形ドロップオンデマンドインクジェット印字システ
ムの略斜視図である。

【図３】図２に示す印字ヘッドの拡大概略アイソメトリ
ック図である。

【図４】図３の線Ａ−Ａにおける断面図であり、本発明
の新規加熱素子デザインによるフルピットチャネル形状
の印字ヘッドにおける蒸気バブルの膨脹を示す。

【図５】図３の線Ａ−Ａにおける断面図であり、本発明
の新規加熱素子デザインによるフルピットチャネル形状
の印字ヘッドにおける蒸気バブルの収縮を示す。

【図６】フルピットチャネル形状の印字ヘッド用の本発
明の新規加熱素子デザインの拡大断面図である。

【図７】フルピットチャネル形状の印字ヘッド用の本発
明の新規加熱素子デザインの拡大断面図である。

【図８】図３の線Ａ−Ａにおける断面図であり、本発明
の新規加熱素子デザインを組み込んだオープンピットチ
ャネル形状の印字ヘッドにおける蒸気バブルの膨脹を示
す。

【図９】図３の線Ａ−Ａにおける断面図であり、本発明
の新規加熱素子デザインを組み込んだオープンピットチ
ャネル形状の印字ヘッドにおける蒸気バブルの収縮を示
す。

【図１０】オープンピットチャネル形状の印字ヘッド用
の本発明の新規加熱素子デザインの拡大断面図である。

【図１１】オープンピットチャネル形状の印字ヘッド用
の本発明の新規加熱素子デザインの拡大断面図である。

【符号の説明】

３０ キャリッジ形ドロップオンデマンドインクジェ
ット印字システム ３２ 印字ヘッド ３４ インク小滴 ３８ ステッパモータ ３６ 記録媒体 ５０ キャリッジアセンブリ ５２ ガイドレール ５８ 可逆モータ ６２ 制御器 ７２ チャネルプレート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ナラヤン ブイ．デシュパンド アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14526 ペンフィールド ハイリッジ ドライブ 101 (72)発明者 ウィリアム ジー．ホーキンズ アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14580 ウェブスター ドラム ロード 575 (72)発明者 デイル アール．エムズ アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14580 ウェブスター リトル ポンド ウェイ 926 (72)発明者 マイケル ピー．オ’ホロ アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14450 フェアポート イーグルスフィールド ウェイ 11 (72)発明者 ゲーリー エイ．ニーゼル アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14580 ウェブスター ウッダード ロード 1819 (72)発明者 トーマス エイ．テリア アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14589 ウィリアムソン グリーンビュー レー ン ３ (72)発明者 アイヴァン レザンカ アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14534 ピッツフォード スクワイア レーン ６

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蒸気バブルの膨脹と収縮によってイン
   クを記録媒体に排出する印字システムの印字ヘッド用の
   加熱素子において、該加熱素子が基板と、 前記基板の頂面に形成された抵抗層と、 前記抵抗層に結合された接触手段と、 前記抵抗層とインクの接触を防止するために、前記抵抗
   層の頂面に形成された絶縁手段と、 前記接触手段、前記絶縁手段の一部分、および前記抵抗
   層を被覆し、少なくとも１つの内壁と、インクに露出さ
   れる頂面とを有する絶縁膜であって、前記抵抗層で生成
   されたエネルギーをインクに伝達し、かつ蒸気バブルの
   収縮時に発生するキャビテーション圧力によって生じる
   加熱器故障を防止するために、前記少なくとも１つの内
   壁は前記絶縁手段の頂面を露出するようにした絶縁膜
   と、を有するインクジェット印字ヘッド。