JPH0815788B2 - サーマルインクジェット印字ヘッド - Google Patents

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クジェット印字ヘッドに関するも
のである。

従来の技術 サーマルインクジェット印字方式には、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（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ション
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
ション層が浸触し、あるいは腐食する。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っ）の前に堆積
された層は、約1000℃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100n
m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℃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
よる浸触や腐食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を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。ここで、電極は不純
物添加ポリシリコン下降部によって気泡発生抵抗器層に
接続されている。

添加図面を参照し、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てある。

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、点線で示してある。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から成っている。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ッチン
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成する。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がエッチングされており、それらの一方の端は
チャンネル板の端面18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を形成し、溝22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
ッチングによってマニホルド20を形成し、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19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図からわかるように、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
ン電極19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℃
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
スが通電したので、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層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（点線）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かりでなく、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4B
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図からわかるように、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36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31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。
不活性化された電極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電層38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
の距離におく下降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ャビ
テーション層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38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
を送る下降構造すな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の共通リード線（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18
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っ
の隣接する異なる抵抗領域52,54から成っている。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。したがつて、
高温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
良になりが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、12……イン
ク滴、13……チャンネル板、14……ノズル、15……ヒー
ター板、16……端面、17……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、52,54……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。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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においてノズルより上流に配置さ
   れており、前記アドレッシング電極は上流側の縁と下流
   側の縁で発熱体に接続されており、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
   ト印字ヘッドにおいて、 前記発熱体は高温気泡発生収縮部分と低温部分からなる
   構造を有し、前記インク滴を噴出する気泡は前記発熱体
   に印加された電気信号に応答して前記高温部分の上につ
   くり出され、前記低温部分はそれと同時には気泡を作り
   出すことができないものであり、前記高温気泡発生収縮
   部分はノズルにより近い下流側の電極に隣接して配置さ
   れ、且つ、これに接続されており、前記低温部分は前記
   高温部分と前記上流側の電極の中間に存在して、気泡の
   増大及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前記上流側の金属アドレッシン
   グ電極境界領域から前記高温部分を離間させ、上流側の
   電極境界領域に対する損傷を防止して発熱体の使用寿命
   を増加させるものであり、ここで、前記基板はシリコン
   であり、各発熱体は、低温部分として機能する不純物添
   加シリコン下降装置によって前記上流側のアドレッシン
   グ電極境界領域から離間されている前記高温気泡発生収
   縮部分のための抵抗層を備えており、前記不純物添加シ
   リコン下降装置は前記シリコン基板に埋め込まれた導電
   層を有し、電気信号は、前記上流側のアドレッシング電
   極から前記埋め込まれた導電層を通じて前記高温抵抗層
   へ通じ、更に、リターン電極として機能する下流側の電
   極へと通じていることを特徴とする印字ヘッド。