JPH07290706A - 整流材料を用いたサーマルインクヒータアレイ - Google Patents

整流材料を用いたサーマルインクヒータアレイ

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JPH07290706A
JPH07290706A JP5190988A JP19098893A JPH07290706A JP H07290706 A JPH07290706 A JP H07290706A JP 5190988 A JP5190988 A JP 5190988A JP 19098893 A JP19098893 A JP 19098893A JP H07290706 A JPH07290706 A JP H07290706A
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insulating layer
material layer
diode
layer
heater array
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JP5190988A
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David E Hackleman
デイヴィッド・イー・ハックルマン
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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 抵抗及びタ゛イオート゛を組み合わせた加熱要素を
有するインクシ゛ェットフ゜リンタヘット゛用ヒータアレイを提供すること 【構成】 このヒータアレイは、セラミック、可撓性フ゜ラスチック、絶縁
された可撓性金属、多結晶シリコン、あるいは単結晶シリコンの
層とすることが可能な絶縁基板を備える。絶縁基板上に
第1の材料層が蒸着されて並列ストライフ゜でハ゜ターン形成され
る。第1の材料層上に第1の絶縁層が蒸着されて、対応す
る所望加熱位置において前記第1の材料層上の接触窓でハ
゜ターン形成され、これは通常は対称な格子となる。第2の
材料層が前記第1の絶縁層上に蒸着されて、第1の材料層
のストライフ゜に直交する並列ストライフ゜でハ゜ターン形成される。第1
及び第2の材料層は、第1の絶縁層における接触窓を介し
て互いに物理的かつ電気的に接触して、各々の所望加熱
位置において抵抗タ゛イオート゛接合を形成する。その加熱アレイ
の表面全体は、第2の絶縁層で覆われ、第1及び第2の材
料層に接点が設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、広義にはインクジェッ
トプリンタヘッド用のヒータアレイに関し、より狭義に
は抵抗及びダイオードを組み合わせた加熱要素を有する
ヒータアレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】典型的なインクジェットプリンタヘッド
は、インク溜めを有し、このインク溜め中ではインクが
内部のヒータアレイを完全に取り囲んでいる。このヒー
タアレイは、通常は、薄膜または厚膜抵抗、ダイオー
ド、及び／またはトランジスタ等の複数の加熱要素を有
している。この加熱要素は、インクを沸点まで加熱する
ために規則的なパターンに配列されている。ヒータアレ
イ中の各加熱要素は、個々にあるいはその複数が選択さ
れ、他の加熱要素に関連して駆動されて、英数字等の種
々の所望のパターンでインクを加熱することができる。
選択された加熱要素上の沸騰したインクは、そのヒータ
アレイの真上のインクジェットプリンタヘッド中の対応
するアパーチャを通って出射される。そのインクジェッ
ト滴がプリンタ用紙上に出射されて所望パターンでの記
録が行われる。
【０００３】典型的な抵抗型ヒータアレイの概要を図１
に示す。各抵抗が個々にアドレスされ共通接地ノードに
接続される他の形式のヒータアレイを用いていることに
留意されたい。ヒータアレイ10は、複数の行選択ライン
A1〜AM及び複数の列選択ラインB1〜BNを有するが、図図
では、選択ラインA1〜A3及び選択ラインB1〜B3が示され
ている。これらの行選択ラインと列選択ラインにわたり
抵抗加熱要素R11〜RM Nが存在するが、同図では、抵抗加
熱要素R11〜R33が示されている。例えば、ある抵抗の一
端に接続された列ラインを接地し、その抵抗の反対側の
端部に接続された適当な行ラインに電圧を印加すること
により、特定の抵抗が選択されて駆動される。
【０００４】ヒータアレイ10の問題点の１つに、“漏洩
パス”に起因する望ましくない電力散逸がある。かかる
漏洩パスは、選択されていない行選択ライン及び列選択
ラインが開路状態であっても、所望のもの以外の抵抗加
熱要素を駆動する。ヒータアレイ10中の漏洩パスは、そ
のアレイ中の電流を分析することにより最も良く明示さ
れる。抵抗R11が選択されると、行選択ラインA1と列選
択ラインB1との間に電流が流れる。しかし、行選択ライ
ンA2及び列選択ラインB2がともに開路状態であっても、
選択されていない抵抗R12,R22,R21を通る並列抵抗パス
が存在する。行選択ラインA1が列選択ラインB1より正で
ある場合、行選択ラインA1を介して抵抗R12へと電流が
流れ、列選択ラインB2、抵抗R22、行選択ラインA2、抵
抗R21を介して最終的に列選択ラインB1へと電流が流れ
る。しかし、これは、あらゆる抵抗を有するヒータアレ
イ10中の多数の漏洩パスの一例にすぎない。このヒータ
アレイ10中の望ましくない漏洩パスとその結果として発
生する選択されていない加熱要素の駆動により、そのア
レイの電力散逸は不必要に大幅に増大する。
【０００５】典型的なダイオード型ヒータアレイの概要
を図２に示す。ヒータアレイ11は、抵抗型ヒータアレイ
10に示すものと同じ複数の行選択ライン及び列選択ライ
ンを有する。これらの行選択ライン及び列選択ラインに
わたってダイオード加熱要素D11〜DMNが存在し、同図で
はダイオード加熱要素D11〜D33が示されている。例え
ば、そのダイオードのカソードに接続された列ラインを
接地し、そのダイオードのアノードに接続された適当な
行ラインに電流を印加することにより、特定のダイオー
ド加熱要素が選択されて付勢される。
【０００６】漏洩パスの問題は、かかるダイオード加熱
要素によって可能になる単一方向の電流によって、ヒー
タアレイ11ではほぼ除去される。例えば、ダイオードD
11が選択された場合、電流は行選択ラインA1を流れ、ダ
イオードD11を介して列選択ラインB1から出力される。
しかし、抵抗ヒータアレイ10において選択されていない
抵抗R12,R22,R21を通って存在した漏洩電流パスはこの
場合は存在しない。ダイオードD11のカソードから流出
する電流は、ダイオードD21のカソードに流れることは
ない。同様に、ダイオードD11のアノードに流れる電流
は、ダイオードD1 2のアノードに流れることはない。こ
れは、ダイオードD12のカソードがダイオードD22のカソ
ードに接続されているからである。
【０００７】漏洩パスの問題はヒータアレイ11ではほぼ
解決されるが、集積回路上でのダイオードの物理的レイ
アウトに関して他の問題が存在する。一般には、別個の
ダイオードが結晶シリコン基板上に製作されてアレイが
形成される。それぞれのダイオードは、インクを沸騰さ
せるのに必要な大きな電流密度を扱うよう物理的に大き
くなければならず、またそれぞれのダイオードは、隣り
合うダイオードから絶縁されていなければならないの
で、結果的に得られるアレイは大きなシリコンダイ面積
を占有することになる。その結果として、集積化された
ヒータアレイのサイズ及びトポロジにより、生成可能な
個別のインクジェットの最大数が制限される。ダイオー
ドアレイ11の別の問題点として、ダイオードが電流制限
されておらず、したがってそのアレイの電力散逸が過剰
になる可能性があることがある。また別の問題点として
は、そのアレイが費用の大きな集積回路工程を用いて製
作されることがある。
【０００８】トランジスタ／抵抗複合アレイ12を図３に
示す。この場合も、行選択ライン及び列選択ラインはア
レイ10,11に示すものと同一である。行選択ライン及び
列選択ラインにわたり、抵抗加熱要素R11〜RMNが存在
し、同図では、抵抗加熱要素R11〜R33が示されている。
この抵抗加熱要素R11〜RMNは、電界効果トランジスタM1
1〜MMNと直列になっており、同図では、電界効果トラン
ジスタM11〜M33が示されている。前述のヒータアレイと
は対照的に、その列選択ラインはトランジスタのゲート
に接続され、選択的に駆動される。列選択ラインには実
際には加熱電流は流れない。行選択ラインは一般には電
源電圧あるいは高インピーダンスに接続される。加熱
は、アレイ10の場合と同様に抵抗において発生し、加熱
電流はすべてグランドに流れ、列ラインから行ラインに
流れることはない。
【０００９】また、アレイ12の構成も、無制限の電力散
逸の問題とともに漏洩パスの問題を解決する。これは、
行選択ラインに印加された電圧と加熱抵抗の値とにより
電力が制限されるからである。しかし、アレイ11の場合
と同様に、使用される従来の集積回路製造技術に起因し
て、アレイの最大サイズが制限され、そのコストが高く
なる。個別の抵抗及びダイオードを用いた集積化ヒータ
アレイにも同様の問題が存在する。
【００１０】従って、インクジェットヒータアレイ用の
低コストで低電力かつ小型の製造技術が必要とされてい
る。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】このため、本発明の目
的は、インクジェットプリンタ用の低コストのヒータア
レイを提供することである。
【００１２】本発明の別の目的は、多数の間隔の詰まっ
たインクドットを印刷することのできる非常に小型のヒ
ータアレイを提供することである。
【００１３】本発明の他の目的は、ヒータアレイ用の電
力制限機能を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、インク
ジェットプリンタヘッド用のヒータアレイは絶縁基板を
備え、この絶縁基板は、セラミック、可撓性プラスチッ
ク、絶縁された可撓性金属、多結晶シリコン、あるいは
単結晶シリコンの層とすることができる。その絶縁基板
上に第１の材料層が蒸着され、並列のストライプ等の所
定の第１のパターンでパターン化される。この第１の材
料層上に第１の絶縁層が蒸着され、対応する所望の加熱
位置において前記第１の材料層上の接触窓でパターン形
成される。このパターンは通常は対称的な格子である。
第２の材料層が前記第１の絶縁層上に蒸着され、その第
１の材料層のストライプに直交する並列のストライプ等
の所定の第２のパターンにパターン形成される。第１及
び第２の材料層は、第１の絶縁層における接触窓を介し
て互いに物理的かつ電気的に接触して、それぞれの所望
の加熱位置において抵抗ダイオード接合を形成する。そ
の加熱アレイの表面全体は、第２の絶縁層で覆われ、第
１及び第２の材料層に接点が設けられる。第１及び第２
の材料層は、大きな逆飽和電流を有する抵抗ダイオード
を形成するように選択される。第１及び第２の材料層
は、金属及び半導体、あるいは逆にドーピングされた２
つの多結晶シリコンまたはシリコンの層とすることがで
きる。更に、これらの材料層は、順方向電流が所定の最
大電流に制限された飽和ダイオードを形成するように構
成することができる。
【００１５】本発明の上述その他の目的、特徴及び利点
は、図面を参照して進める以下の本発明の実施例の詳細
な説明から容易に明かとなろう。
【００１６】
【実施例】本発明のインクジェットプリンタ用のダイオ
ード／抵抗複合ヒータアレイ13の概要を図４に示す。ヒ
ータアレイ13は、複数の行選択ラインA1〜AMを有し、同
図では、前述のアレイ10〜12と同様に、選択ラインA1〜
A3が示されている。また、前記ヒータアレイ13は、複数
の列選択ラインB1〜BNを有し、同図では選択ラインB1〜
B3が示されている。これらの行選択ライン及び列選択ラ
インにわたり、ダイオード／抵抗複合加熱要素D11-R11
ないしDMN-RMNが存在し、同図では、ダイオード／抵抗
複合加熱要素D11-R11ないしD33-R33が示されている。加
熱要素の整流部分及び抵抗部分は、個別のダイオード及
び抵抗の記号で示されているが、これら２つの部分は実
際には以下に詳細に説明するプロセスによって単一のデ
バイスに組み合わせられる。例えば、その加熱要素のア
ノード側の一端に接続された列ラインを接地し、その加
熱要素のカソード側に接続された適当な行ラインに電圧
あるいは電流を印加することにより、特定のダイオード
／抵抗加熱要素が選択されて駆動される。
【００１７】このヒータアレイの製造方法のプロセス段
階を図５ないし図１１に断面図で示し、図１２ないし図
１５に平面図で示す。図５において、インクジェットプ
リンタヘッド用のヒータアレイ13は基板14を有する。こ
の基板14は、セラミック、可撓性プラスチック、ステン
レス鋼または銅等の絶縁された可撓性金属、多結晶シリ
コン、単結晶シリコン、ガラス繊維、あるいはガラスや
サファイヤ等の酸化物の層とすることができるものであ
る。その材料の選択は、インクジェットプリンタヘッド
が用いられる用途によって決まる。一般には、基板の材
料は、熱的安定性、製造の容易さ、費用及び耐久性等を
考慮して選択される。プラスチックやガラス繊維といっ
たポリマー・ベースの基板は熱的に不安定であることに
留意すべきである。従って、プラスチック基板を用いる
場合には、後続のプロセス段階の温度に耐え得る種類の
プラスティックを用いることが望ましい。また、シリコ
ンあるいは多結晶シリコン・ベースの基板は比較的高価
で脆弱であり、あらゆる用途に適するものではないこと
に留意すべきである。基板は、約1.27mm（0.05インチ）
から約0.025mm（0.001インチ）の実施可能な最小厚さま
での範囲を有する。ポリマー及び金属といった材料は、
約0.025mm（0.001インチ）の厚さで実際に製造可能であ
る。シリコンウェハの厚さは一般に0.254mm（0.01イン
チ）から約0.635mm（0.025インチ）の間となる。
【００１８】導電性あるいは半導電性の基板を用いる場
合、図６に示すように、基板14の上部に絶縁層16を蒸着
して絶縁基板を形成することが望ましい。絶縁層の厚さ
範囲は、典型的には0.25〜2.0ミクロンの間であるが、
一般には１ミクロンの厚さで十分である。絶縁層の正確
な厚さは、選択された材料の種類、製造プロセス、及び
プリンタヘッドの動作に用いられる動作電圧によって決
まる。
【００１９】ここで図７及び図８を参照する。第１の材
料層18は、絶縁基板上に蒸着され、パターン化されて、
並列のストライプ18A〜18Dが形成される。第１の材料層
は、厚さが約0.01〜1.0ミクロンで公称厚さが0.5ミクロ
ンの導電材料か、厚さが約0.1〜10ミクロンで公称厚さ
が約2.0ミクロンのドーピングされた半導体材料とする
ことができる。しかし、正確な厚さは、やはり、選択さ
れた材料の種類、製造プロセス、及び用いられる動作電
圧によって決まる。並列ストライプ18A〜18Dはまた図１
２の平面図にも示されている。ここでは並列ストライプ
を示したが、プリントアレイの出射ノズルの位置により
必要とされる他の種類の設計パターンを用いることもで
きる。並列ストライプ18A〜18Dのピッチは、そのストラ
イプの中心間距離が１ミクロンになるように近接したも
のとすることができる。標準的なプリント技術用途、即
ち約1200インクジェットドット／インチについて、その
ピッチは一般に20.0〜80.0ミクロンになる。
【００２０】ここで図９を参照する。絶縁層20は、パタ
ーン化された第１の材料層18上に蒸着される。次にその
絶縁層20は、対応する所望の加熱位置で第１の材料層18
上の接触窓22A〜22Dによりパターン形成され、このパタ
ーンは通常は対称的な格子となる。加熱位置の対称的な
格子は、図１３の平面図に明示されている。接触窓の大
きさは、抵抗ダイオード加熱要素を流れる電流の量とそ
の加熱要素中の材料の特定の抵抗率によって決まる。従
って、接触窓の大きさは広範に変動し得るものであり、
最小サイズは片側で0.25ミクロン、最大サイズは片側で
100ミクロン、典型的なサイズは片側で約2.0ミクロンで
ある。
【００２１】ここで図１０を参照する。第２の材料層24
が、絶縁層20上に蒸着され、第１の材料層18のストライ
プに直交する並列ストライプにパターン化される。第１
の材料層18に用いられるパターンに関連して他の設計パ
ターンを用いることもできる。直交するストライプ18A
〜18D及び24A〜24Dを、絶縁層16を除いた状態で図１４
の平面図に示す。加熱アレイ13の表面全体は、第２の絶
縁層（図示せず）で覆われており、第１及び第２の材料
層のストライプに接点が設けられている。第１の材料層
18への接点26A〜26Dと第２の材料層24への接点28A〜28D
が図１５の平面図に示されている。同図もまた、説明の
簡略化のために絶縁層16が除かれている。第２の材料層
24の厚さは、第１の材料層18用に準備された指針に従っ
て選択される。上部絶縁層の厚さ及び接点26A〜26D及び
28A〜28Dの寸法は重要ではないが、寄生抵抗を不必要に
増大させたり、それ以外の場合でもアレイの性能に悪影
響を与えたりしないように注意する必要がある。
【００２２】ここで図１１の断面図を再び参照する。第
１及び第２の材料層18,24は、接触窓22A〜22Dを介して
互いに物理的且つ電気的に接触して、所望の加熱位置に
おいて垂直方向の抵抗ダイオード接合21A〜21Dを形成し
ている。ダイオード接合21A〜21Dは、第１及び第２の材
料層の境界にあり、また抵抗部分は各材料層中へ垂直に
延びる空間電荷領域によって垂直に形成される。従っ
て、第１及び第２の材料層18,24は、一対として選択さ
れて、抵抗整流接合が形成される。ひとまとめにしたモ
デルを図４に抵抗及びダイオードの直列の組み合わせと
して示す。結果的に得られるダイオードは、選択されな
い加熱要素を流れる電流（逆飽和電流）が能動順方向加
熱電流より遥かに小さい限りにおいては、比較的大きな
逆飽和電流を有する。第１及び第２の材料層18,24は、
金属と半導体、あるいは、逆にドーピングされた２つの
多結晶シリコンまたはシリコンの層、あるいは、逆にド
ーピングされた他の半導体層とすることができる。抵抗
ダイオード接合を形成することになる第１及び第２の材
料層18,24には、さまざまな材料を用いることができ
る。その中には、ドーピングされた多結晶シリコン、シ
リコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、方鉛鉱（PbS）
その他のドーピングされた半導体材料、及び、鉄／酸化
鉄、銅／酸化銅その他の、金属がプラチナ、金、銀、あ
るいはアルミニウムからなる金属／半導体接合等がある
が、これらに限定されるものではない。
【００２３】更に、順方向電流が所定の最大電流に制限
される飽和ダイオードを形成するように半導体材料層を
ドーピングして構成することができる。かかる装置のい
くつかは文献に説明されており、当業者であれば様々な
方法で製造することができるものである。電流制限ダイ
オードについては、S. M. Szeの「Physics of Semicond
uctor Devices」（1969年,John Wiley and Sons出版）
の357〜361頁に詳細に説明されている。なお、本引用を
もってその開示内容を本明細書に包含させたものとし、
その詳細な説明は省略する。結果的に得られる飽和ダイ
オードの順方向電流の制限特性を図１６のグラフに示
す。飽和ダイオードを用いない場合であっても、定電圧
電源を用いてプリンタヘッドアレイに電力が提供される
場合には、接合抵抗自体により電流の上限が提供され
る。
【００２４】以上、本発明の原理を実施例を用いて説明
し、図示してきたが、当業者には自明であるように、本
発明の原理から逸脱することなくその構成や細部に変更
を加えることが可能である。例えば、第１及び第２の材
料層18,24の正確なパターンを様々な方法で変更して、
対応する加熱位置に抵抗接合の格子を形成することがで
きる。加熱位置の数は任意である。第１及び第２の材料
層を蒸着してパターン化した後に別の金属層を加えて、
抵抗接合に直接関連しない金属層の水平抵抗を低減させ
ることができる。第１及び第２の材料層に接触するため
の正確な方法も変更することができる。必要であれば、
電流制限構造を用いて、加熱アレイにより消費される最
大電力を制限することができる。従って、特許請求の範
囲の欄における請求項の思想及び範囲内に包まれるあら
ゆる修正及び変更をも請求することとする。
【００２５】
【発明の効果】本発明は上述のように構成したので、抵
抗及びダイオードを組み合わせた加熱要素を有するイン
クジェットプリンタヘッド用ヒータアレイを提供するこ
とができ、これにより、多数の間隔の詰まったインクド
ットを印刷可能な非常に小型のヒータアレイを提供する
ことが可能となり、またヒータアレイ用の電力制限機能
を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のインクジェットプリンタのヒータアレイ
の概要を示す回路図である（第１従来例）。
【図２】従来のインクジェットプリンタのヒータアレイ
の概要を示す回路図である（第２従来例）。
【図３】従来のインクジェットプリンタのヒータアレイ
の概要を示す回路図である（第３従来例）。
【図４】本発明によるダイオード／抵抗複合ヒータアレ
イの概要を示す回路図である。
【図５】本発明によるヒータアレイをその製造プロセス
における所定段階で示す断面図である（１／７）。
【図６】本発明によるヒータアレイをその製造プロセス
における所定段階で示す断面図である（２／７）。
【図７】本発明によるヒータアレイをその製造プロセス
における所定段階で示す断面図である（３／７）。
【図８】本発明によるヒータアレイをその製造プロセス
における所定段階で示す断面図である（４／７）。
【図９】本発明によるヒータアレイをその製造プロセス
における所定段階で示す断面図である（５／７）。
【図１０】本発明によるヒータアレイをその製造プロセ
スにおける所定段階で示す断面図である（６／７）。
【図１１】本発明によるヒータアレイをその製造プロセ
スにおける所定段階で示す断面図である（６／７）。
【図１２】図８にほぼ対応するヒータアレイの平面図で
ある。
【図１３】図１０にほぼ対応するヒータアレイの平面図
である。
【図１４】本発明によるヒータアレイをその最終的な２
つの製造プロセス段階において示す平面図である（１／
２）。
【図１５】本発明によるヒータアレイをその最終的な２
つの製造プロセス段階において示す平面図である（２／
２）。
【図１６】制限された順方向電流を示すダイオードの電
流曲線のグラフである。
【符号の説明】
13 ダイオード／抵抗複合ヒータアレイ 14 基板 18 第１の材料層 18A〜18D,24A〜24D ストライプ 20 絶縁層 22A〜22D 接触窓 24 第２の材料層 26A〜26D,28A〜28D 接点

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】絶縁基板と、 所定の第１のパターンを有し、前記絶縁基板上に設けら
    れた第１の材料層と、 対応する所望の加熱位置において前記第１の材料層のパ
    ターン上に複数の接触窓を有し、前記第１の材料層上に
    設けられた第１の絶縁層と、 所定の第２のパターンを有し、前記第１の絶縁層上に設
    けられた第２の材料層であって、前記第１及び第２の材
    料層が前記第１の絶縁層における接触窓を介して互いに
    物理的に接触している、前記第２の材料層と、 前記第１の材料層に接触するための手段と、 前記第２の材料層に接触するための手段とからなり、 前記第１及び第２の材料層の間の各々の物理的な接触領
    域が、各々の加熱位置において抵抗ダイオード接合を形
    成していることを特徴とする、インクジェットプリンタ
    ヘッド用のヒータアレイ。
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