JPS59224358A - 熱インク・ジエツト・ヘツド - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は熱インク・ジェット命ヘッドに関し、特に発熱
体の長寿命化な図った熱インタージェット・ヘッドに関
する。

〔従来技術及びその間頓点〕

今日のデータ処ｊ里の急漣な発展により、高速度で印字
出力記録を得る性能に対する請求がきびしくなっている
。活字を記録媒体に物理的に接触させる、インパクト方
式印字は多くの応用にとっては動作速度が遅（、また扱
い°づらい。従って、業界ではノン・インパクト方式も
含め、種々の技術を用い他の方式で記録媒体上に所望の
文字を印刷することに動向が変わってきて（・る。これ
らの方式のいくつかは、記録媒体（゛通常を家紙＞、ｈ
に固体（粉末）又は液体（インク）ｈ）らなる可ネ兄文
字形成物質を電界又は磁界を用（・で制御して付着させ
る。他に電子写真方式（ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｇｒ
ａｐｈｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ）ヤ４　ｊＦ　ｌ　方式（１
ｏｎｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ　）を用（するものカｔある。

これらは電子またはイオンビームｔＭ己録媒体上に衝突
させ、衝突した点の色を変イヒさせる方式である。更に
他の方式として、熱転写により所望の形状の色変化を形
成させるものもある。最近σ〕最も重要な方式として、
インク・ジェット方式と呼ばれる技術がある。この技術
はインク／Ｉ′Ｓ滴を霜。

気的に制御して記録媒体上に衝突させその任意の位置に
任意に選択された文字を非常に高速に形式するものであ
る。インク−ジェット方式をま特ＢＩＪに処理された記
録媒体を必要としな（・非接触システムであり、記録媒
体としては通常の普１１ＪＦＩ紙カニ好ｊ商である。ま
たインクージェット方式で（ま真空装置や大がかりな機
構は必要とされた（・。本発明（まこのインク・ジェッ
ト方式に関する。

インク・ジェット方式は次のように分類することができ
る。（１１連続型：インク小滴が一定の圧力かつ一定比
率でノズルから連続的に噴射されるもの。（２）静電型
：静電気を帯びたインク・ジェットが制御可能な静′亀
界により駆動されるもの。（３）インパルス、すなわち
オン・デマンド型：インク小滴か装求に基いて機械的又
は熱エネルギーによってノズルから噴射されるもの。本
発明はこれらのうちの？役後の形式のノズル・ヘッドを
備えているものに関する。

オン拳デマンド型インク・パンエツト方式の代表的なも
のとしてアメリカ合衆国特許第３．８３２，５７９号発
明の名称「パルス化インク小滴噴射システム」がある。

この出願には円筒状ノズルの外表面に円筒状圧電トラン
スジー−ザを密着して設ける構成が開示さｊｌている。

ここにおいて、ノズルの一端とインク溜め間に接続され
ているホースを介してインクがノズルに供給されている
。圧電素子は電気的パルスによりノズルを圧縮する。こ
れにより今度は圧縮さｊｔたノズルが圧力波を発生させ
る結果、インクがノズルの両端に向かって加速されムイ
ンク圧力波がノズルの小突端のオリフィスでメニスカス
の表面張力を超えた時インク小滴カー発生される。

他の種類のオン・デマンド方式がアメリカ合衆国特許第
３，１７４．０４２号、発明の名称「突発蒸気プリンタ
」により知られている。このシステムはインクを含有し
ている何本かのチーーブを有しており、電流がインク自
体の中を流れる様になっている。インクは高抵抗である
ので、インクは加熱されてその一部分がチューブ内で気
化し、インク及び気化したインクがチーーブから排出さ
れる。

ジョン・エル・ボート他により発明の名称「熱インク−
ジェット・プリンタ」として１９８２年９月７日に出願
番号第４１５，２９０号として米国出願され、現在係属
中の出願で開示されているオン・デマンド方式では、イ
ンクを噴射するオリフィスを有するインク包含毛細管が
用いられている。このオリフィスの近傍にはインク加熱
素子が配置されている。この加熱素子として、毛細管内
又は近傍に抵抗体を配置して良い。抵抗は適切な電流が
供給されると急速に発熱する。そして多量の熱エネルギ
ーがインクに伝達される結果、オリフィス近傍のインク
の小部分が気化され毛細管内で気泡が発生ずる。この気
泡の発生により今度はオリフィスから近傍の再込み表面
、すなわち記録媒体上にインク小滴を噴射するための圧
力波が生成される。オリフィスに対してインク加熱素子
の位置を適切に選択し、加熱素子からインクへの熱エネ
ルギーの伝達を注意深く制御することにより、インク気
泡はオリフィスから外へ逃げる前にインク加熱素子ト又
はその近傍で消失する。

記述しＩこ熱インク・ジェット・プリンタの寿命は、特
に、抵抗体の前節に依存していることが理解できるであ
ろう。抵抗の損鴎の大部分は気泡の崩壊の際のキャビテ
ーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　）　４ｆｊ＜　鴎に
起因していることかわかった。従って、キャビテーショ
ン損鴎による抵抗体の疲労を出来るだけ少なくすること
が望ましい。１９８２年１１月２２日ジョン・ディ・メ
ーターにより［中央冷点を有するプリントヘッド抵抗を
用いた熱インク・ジェット・プリンタ」と頓されて出願
番号第４４３．７１１号（特願昭５８−１８８２７６号
）として米国出願され、現在係属中の出願では、気泡の
崩壊による損傷のほとんどのものは抵抗体の中央部また
はその近傍に起こると考え、その対策として中央部分に
導体物質で形成された「冷」点（”　ｃｏｌｄ”　５ｐ
ｏｔ　）を設けることが開示さ」ｔている。この冷点を
設けることにより、ドーナツ状の気泡が形成される。

このドーナツ状の気泡が崩壊するにあたっては、抵抗体
の狭い中央部分に喚まるのではなく、抵抗表面のいたる
所へランダムに分散する。

更に、１９８２年１２月１５日付でジョン・ディ・メー
ターにより「二次的インク気化を用いた熱インク・ジェ
ット・プリンタ」と頃されて出願番号第４４９．８２０
号（特願昭５８−２２５３４６号）として米国出願され
、現在係属中の出願には、抵抗体の損鶴を減少させるた
めの更に別の解決法が開示されている。この出願におい
ては、動作中の化学的及び機械的保護のため、抵抗層を
不活性化層で覆つことが開示されている。この出願の不
活は化ｔ−は、炭化ケイ素、酸化ケイ素、又は酸化アル
ミニウムの薄ｊ―である。クランク・エル会りラウティ
他により「モノリンツク・インク・ジェット・オリフィ
ス板／抵抗の組み会わせ」と題して出願番号第４４３．
９７２号として米国出願された現在係属中の出願には不
活性化層すなわち保護層として使用可能な物質として、
酸窒化ケイ素（５ｉｌｉｃｏｎｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ　
、　Ｓｉ　０ｘＮｙ　）　、　　酸化アルミニウム、酸
化チタンやまた二酸化ケイ素が提案されている。

前述した最後の２つの提案とも、保護層または不活性化
層は菫−物質による単一層で形成されていることが注目
されよう。これらの物質、特に炭化ケイ素、は疲労特性
に関する限りは満足できるものであったが、他方ある欠
点を有していた。それはすなわち下にある金属化さ」ｔ
た部分に対する付着性が良くないという点である。

〔発明の目的〕

本発明は上述の従来技術の欠点を解消し、保護層として
良好な特注を有する炭化ケイ層を固く付着させた熱イン
ク・ジェット・ヘッドを提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明では互いに異なる物質からできた２つの層からな
る不活性化層が与えられ、この物質の一方、には炭化ケ
イ素が用いられる。炭化ケイ素層が２つの層のうちの上
部層となる。炭化ケイ素層がインクと接触しており１、
その上でインク泡が崩壊する。炭化ケイ素層は窒化ケイ
素又は酸窒化ケイ素の下層を被覆している。不活性化構
造全体は次の基準を満足するように設計されている：化
学的に不活性であると共にピンホールのないこと；温度
伝導特性の良いこと；他の物質と両立すること；キャビ
テーション及び音物的衝撃に対してその膜強度が十分耐
えられること；非導電性であること；表面が出きるだけ
平坦なこと；及び下地金搗化部分に対して良好な付着性
を有すること。窒化ケイ素及び酸窒化ケイ素はインク・
ジェット・ヘッドの抵抗及び／又は導電素子を形成する
物質に対して良好な付着性を有することがわかった。更
ζ極めてなめらかな表面を形成する様にデポジットする
ことができ、電気的に非導電性であり、他の物質と両立
するものであり、良好な熱伝導性を有しており、化学的
に不活性でもある。最後Ｋ、炭化ケイ素は、−上述の基
準を満足するとともに、下に置かれた構造がキャビテー
ション損傷を被らない様に保護するための充分な硬度を
持っているとともに、これはまた下地の窒化ケイ素また
は酸窒化ケイ素層に対して良好に付着することが発見さ
れた。

〔発明の実施例〕

以下、添付図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明す
るう図面、特に第１図を参照すれば、１１層のオリフィ
ス及びこれに関連する構造を備えた熱インタージェット
−ヘッドの部分図が示されている。基本的な基部構造と
しては、上面に二酸化シリコンの熱絶縁層４が形成され
た単結晶シリコン基板２が設けられている。熱°絶縁層
４の厚さは典型的には３．５ミクロンであって良い。そ
して二酸化シリコンの熱絶縁層４の上に多結晶シリコン
層６がデポジットされる。多結晶シリコン層６の厚みは
典型的には約４．０００−５，０００オンゲストロー、
ムであって良い。多結晶シリコン層６０表面内又は表面
上に燐を拡散させ抵抗素子８を形成させている。この抵
抗素子８の形成については後で詳述すや。同様にして、
多結晶シリコン層６上に導体、またはストリップ、１０
　、１０’　　を形成する。この導体１Ｏ９ｌＯ′はア
ルミニウムあるいはアルミニウムー鋼合金であって良い
。導体１０．１０’は夫々抵抗素子８０両端と接続して
いる。次に、抵抗素子８及びこれと関連する導体１０．
１０’　ヒに配置させる構造は２重になった不活性化層
１２Ａ、１２Ｂである。この抵抗索子８及び導体１０．
１０’と直接接している不活性化層１２Ａは窒化ケイ素
であり、２，０００−３，０００オングストロームの厚
みであって良い（本明細書に於て、「ケイ素の窒化物」
とは窒化ケイ素及び酸窒化ケイ素の両者を含むものとす
る）。ケイ素の窒化物からなる不活性化層１２＆の上に
１．炭化ケイ素から成る不活性化層１２Ｂが設けられて
いる。この不活性化１ｍ　１２　Ｂの厚さはイ）、５〜
２．５ミクロンであって良い。ケイ結晶シリコン層６に
も良好に付着することがわかった。

炭化ケイ素から成る不活性化層１２Ｂの表面には、障壁
１４．１６が形成される。障壁１４．１６はｆ（１ｓ’
ｌ’ＯＮ又はＶ４Ｃ’）ｔ１３Ｌ等の有機プラスチック
物質で作って良い。これらの障壁は種々の構成とするこ
とができる。第１図にはこれらを下層の抵抗素子８０両
側に設けた構成を示した。また第２図に示される様Ｋ、
これらの障壁構成は各抵抗素子を３方向から囲んでも良
い。これらの障壁１４．１６の機能は、インクの再充填
や気泡の消滅を制御し、隣接するオリフィスからインク
が飛散するのを防ぐとともに、隣接する抵抗素子間のク
ロストークを減少させることである。前述した物質）ｔ
ｌｓＴＵＮ及びＶＡＣＩＬｌはア゛メリヵ合衆国プラウ
エア州りイルミントン所在のイー・アイ・デュポン社で
製造・販売されている。これらのｐｍｐｔは、オリフィ
ス板１８を熱インク・ジェット・ヘッド・アセンブリの
表面上の位置に保持する付着特性が優れていることがわ
かった。更に、両方の物質とも３００℃の高温にも耐え
ることができる。オリフィス板１８はニッケルで作るこ
とができる。図示見たように、オリフィス２０自体は関
連する抵抗素子のすぐ上でかつ線−ヒに配置されている
。図には１つのオリフィスしか示されていないが、容易
に理解できる様に、完成−された熱インク・ジェット・
ヘッド全体としては複数のオリフィスから成る列を備え
ていても良い。この場合、各オリフィスは、任意のオリ
スイスを選んでそこからインク小滴を噴射できるように
、それぞれその下に抵抗素子及び導電体を備えている。

実際、１つのアレイに２５６（［１１のオリフィスを設
けても良い。特に第２図を参照するとわかる様に、障壁
１４及び１６はオリフィス板１８を不活性化層１２Ｂ上
に間隔をあけて配置することにより、インクがこの間隔
内の障壁間を流通し、各オリスイス内及び各対応する抵
抗素子８，８′及び８“上にインクが行渡ることができ
るようになっている。

抵抗素子８に電力を印加すると、そこで発生した熱エネ
ルギが不活性化層１２Ａ及び１２Ｂを介して伝わりオリ
フィス２０内の抵抗素子８の真上にあるインク２２を気
化する。インク２２の気化により結局インク小滴２２′
が弾き出され、これが隣接する記録媒体（図示せず）に
衝突する。インクの加熱及び気化によって発生した気泡
は抵抗素子８の真上の領域に向かって崩壊する。しかし
抵抗素子８は、今や接置した不活性化層１２Ａ、１２８
により気泡の崩壊時の有害な影響から保護されている。

炭化ケイ素から成る不活性化層１２Ｂはインクと直接接
しているので、その極めて硬くまたキャビテーションに
よく耐えるという性質にょζ不活性化層１２Ｂよりも下
にある層を保護する。

本発明による熱インク・ジェット・ヘッドな作成する場
合は、公知の膜のデポジット及び形成技術を用いてどの
素子や層の特“定の形状寸法も作成できることがわかる
であろう。これらの技術は、フォトレジストをかけてエ
ツチングするｉとにより層や構造部分の所望の領域を露
出させた後、そこに特定の素子形成用物質をデポジット
するという技術に関するものである。本発明にかかる熱
インク・ジェット・ヘッドの種々の層及び素子を形成す
る個々の技術説明は、本ヘッドの製作にあたり、て用い
られる順番で以下に与えられている。デポジット・プロ
セスは約２　ｔｏｒｒ又はそれ以下の圧力範囲の下で行
なわれる。

二酸化ケイ素の熱絶縁層４は次の２つの技術のいずれを
用いても作成できる。すなわちこの熱絶縁層４は二酸化
ケイ素をデポジットさせた膜でも良いし、あるいは成長
させた層であっても良い。

二酸化ケイ素の成長による形成は、半導体シリコン処理
技術で知られる技術を用いて、酸化雰囲気中で単結晶シ
リコン基板２自体を加熱することにより達成される。二
酸化ケイ素なデ″ポジットにより形成するには、単結晶
シリコン基板２をシラン、酸素及びアルゴンの混合雰囲
気中で３００・−４００℃に加熱し、二酸化ケイ素が所
望の厚さにデポジットされるまで処理すれば良い。

多結晶シリコン層６は、プラズマ・エンハンスＣＶ　ｌ
）　（ｐｌａｓｍａ　ｅ曲ａｎｃｅｄ　ｃｈｅｍｉｃａ
ｌ　ｖａｐｏｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　）によるクリ
コンのデポジットを用い、たとえばアルゴンで希釈され
た７ラン等のケイ素化合物を分解することにより形成で
きる。この分解及びデポジットを行なう代表的な温度は
たとえば５００〜６００℃であり、代表的なデポジット
速度は約１ミクロン／分である。

抵抗素子８は、半導体ドーピング技術で知られる酸化物
マスク及び拡散技術を用い、燐を多結晶シリコン層６中
に拡散することにより形成することができる。

導体１０．１０’はアルミニウム又はアルミニウムと銅
から形成して良い。これらの物質は多結晶シリコン層６
０表面にスパッタリンダしても良いしあるいは下地の抵
抗素子８０層のヘリから外側の部分上にのみデポジット
される様にマスキングして気相沈積法によって形成し゛
ても良い。また他の方法として、先ず気相沈積によりア
ルミニウムを一面に形成させてから、前述したフォトレ
ジスト及びエツチング技術を用い抵抗素子８上からデポ
ジットされたアルミニウムの一部を除去し、図示したよ
うな構成を残す様にすることもできる。

窒化ケイ減から成る不活性化層１２Ａは、約２　ｔｏｒ
ｒの圧力及び３００〜４００℃の温度の環境下でプラズ
マ・エンハンスＣＶＤ’ｒ用いてアンモニアと混合した
シシンを分解し窒化ケイ素をデポジットすることにより
形成する。酸窒化ケイ素は７ラン、酸化窒素及び酸素の
混合物を約１，１ｔｏｒｒの圧力かつ温度が３００−４
００℃の下で用いることにより形成することができる。

炭化ケイ素から成る不活性化層１２Ｂは、３００〜４０
０℃の７ラン及びメタンを用いてデポジットする。

〔発明の効果〕

上述した様に、本発明にかかる熱インク・ジェット・ヘ
ッドにおいては、気泡の崩壊及び又はキャビテーション
に対して優れた耐久性を有するとともに、保護されるべ
き下層の構造に充分に付着する改良された不活性化層が
与えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる熱イ：ンソ・ジェット・ヘッド
の構造を示す部分断面図、第２図は第１図に示す熱イン
ク・ジェット−ヘッドのＡ−Ａ断面図である。 ２：単結晶シリコン基板、　　４：熱絶縁層１．６：多
結晶シリコン層、８．８’、８“：抵抗層、１０．１０
’：導体、　１２４．１２８：不活性化層、１４．１４
’、１６１１６’　：障壁、１８ニオリスイス板、　　
２０ニオリフイス、２２：インク、　　２２′：インク
小滴。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 少な（とも１つの層を介在して気泡発生用抵抗体を覆う
   炭化ケイ素層を設けたことを特徴とする熱インク拳シェ
   ツト・ヘッド。