JPH022035A - イオン印刷装置の印字アレー - 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】 産業上の利用分野 本発明は、イオン印刷装置の印字ヘッドの改良、より詳
細には、長い寿命を有する改良型変調電極に関するもの
である。

発明が解決しようとする課題 米国特許第４，５８４，５９２号（１９８６年４月２２
日発行）、発明の名称「流体ジェット支援イオン投射式
像形成装置の印字ヘッド」には、米国特許第４，４６３
，３６３号（１９８４年７月３１日発行）、発明の名称
「流体ジェット支援イオン投射式印刷方法」に記載され
ている形式のイオン投射式プリンタの印字ヘッドに使用
する印字アレーが開示されている。上記プリンタにおい
ては、狭い間隔で直線状に配列された微細な空気流を用
いて、像形成電荷を移動中の受容シートたとえば紙の上
に置いている。高電圧コロリ〜放電により印字ヘッドの
コロナ室の中で作られた単一極性（正が好ましい）のイ
オンから成る荷電粒子は、印字ヘッドの出口領域へ運ば
れ、そこを通過するとき、各像画素点において、変調電
極に印加された電圧で電気的に制御される。印字アレー
の変調電極を選択して制御すれば、電荷受容体すなわち
シートの上に、後で現像される電荷が存在する点と電荷
が存在しない点を印字することができる。

ライン・プリンタや複写機などのページ幅印刷装置に使
用される大面積印字ヘッドは、一般に幅が約８．５イン
チある。したがって、２００〜４００ドツト／インチの
印刷が可能な高解像度印字ヘッドは、約１７００〜３４
００個の導電性金属変調電極を有している。０．フイン
チ×８．５インチの寸法を有する印字アレーは、そのほ
かに、金属製アドレス・ライン、金属製データ・ライン
および非晶質シリコン薄膜スイッチング素子から成る多
重アドレッシング手段を有している。これらの要素は、
すべて、１個の安価な基板たとえばガラスの上に作られ
る。

イオン印刷装置が動作しているとき、コロナ・ソースか
らのイオン流のほかに、イオン化室から、適当な被覆層
で保護されていない印字アレー上の変調電極や諸要素に
対し強い腐食性を有するガス状ＯＪ質が流出する。従来
、変調電極は、標準薄膜蒸着技術に適合し、かつ導線や
能動素子の接点として使用することができる安価な導電
性物質で作られた。一般に、これらの物質はアルミニウ
ムであった。イオン化室からの流出ガスは露出した金属
変調電極を非常に迅速に酸化させる傾向があるため、印
字ヘッドの使用寿命は短かかった。アルミニウム変調電
極は、連続して迅速に酸化し、絶縁性酸化アルミニウム
の層が成長し、その上に堆積したイオン電荷を消散させ
ることが次第にでき、。

なくなり、変調制御特性の低下から始って、最終的には
、電極が完全にもろい絶縁性酸化物に変わると、基板か
らはがれ落ちて、破局的な電気的および機械的故障が生
じることが判った。

課題を解決するための手段 本発明の目的は、変調電極が腐食に侵されることなく、
電気的および機械的な完全性を保つように、イオン印字
プロセスの腐食性流出ガスに対して化学的に中性な表面
をもつ変調電極３組み入れることによって寿命の長い印
字アレーを提供することである。

本発明の１つの実施例として、コロナ流出ガスが通過す
るイオン印刷装置の改良型イオン変調構造が得られる。

変調構造は、基板の上に変調電極、データ・バス、アド
レス・バスおよび能動薄膜スイッチを集積して作った印
字アレーから成り、変調電極は薄膜導電性ベース層と、
コロナ流出ガスに対し化学的に中性で、かつ表面に堆積
したイオン電荷を薄膜導電性ベース層へ消散させる十分
な導電性を有する保護層とで構成されている。

本発明のその他の特徴は、添付図面を参照して以下の説
明を読まれれば明らかになるであろう。

実施例 第１図に、流体ジェット支援イオン投射式印刷装この印
字ヘッドを略図で示す。イオン投射式印字ヘッドの典型
的な実施例が米国特許第４，６４４，３７３号（１９８
７年２月１７日発行）、発明の名称「流体ジェット支援
イオン投射式印字ヘッド」に記載されているが、以下の
説明は、第１図に示した形態に基いている。

印字ヘッドのハウジング１０の内部は、導電性室１２、
室１２内に同心軸上に延びているコロナ・ワイヤ１４、
コロナ・ワイヤ１４に加える数千ボルト（ＤＣ）程度の
高電圧源１６、室１２の壁に接続された基準電位源１８
（たとえば、地絡）が入っているイオン発生領域である
。コロナ・ワイヤ１４の周囲のコロナ放電により一定の
極性（正が好ましい）のイオン・ソースが生成され、生
じたイオンが接地された室１２の壁へ引き寄せられて、
室１２が空間電荷で満たされる。

管２２で示した適当な供給源から、軸方向に延びた入口
チャンネル２０を通って、加圧された搬送流体（空気が
好ましい）が室１２に送り込まれる。搬送流体は、室１
２から軸方向に延びた出口チャンネル２４を通り、イオ
ン変調領域２６を通過してハウジング１０の外へ出る。

搬送流体は、室１２を通過し、出口チャンネル２４を通
って室１２を出ていくとき、多数のイオンを搬送して、
変調領域２６に送り込み、印字アレー２９上のイオン変
調電極２８を通過させる。

室１２の内部には、コロナ放電で生じたイオンのほかに
、いろいろな窒素酸化物（Ｎ２０．ＮＯ２，Ｎｏ）やそ
れらのガスの励起した状態（非励起状態よりかなり多く
酸化している）が存在することをわかった。さらに、水
分を取得できるような高い湿潤状態においては、窒素の
酸性物も存在している。腐食性の酸化作用は、おそらく
、イオンとガスの相乗効果によって起こると考えられる
。たとえば、最初にガス分子（すなわちオゾンと窒素酸
化物）が電極の表面をおおうが、空気流の中で運動して
いるイオンが電極表面に衝突し、そこから電子を追い出
すと、電極表面はその上を覆っているガスと反応を起こ
しやすくなる、と考えられる。その結果、電極表面は急
速に酸化する。この強肩食性雰囲気の中に、１〜２ミク
ロンの厚さのアルミニウム電極を入れておくと、約１０
０時間で完全に酸化されてしまうことを観察した。その
ように極めて思い時間の間に、絶縁性酸化アルミニウム
が電極の厚さまで成長し、最終的には、その膨張で生じ
た応力のために基板からはがれ落ちてしまう。絶縁性酸
化アルミニウムが成長すると、その絶縁効果により電荷
の有効な移動が妨げられて、グレースケールの制御が低
下する。

出口チャンネル２４を通過してハウジング１０から完全
に外に出たイオンは、コロナ電圧源１６とは反対の極性
の数千ボルト（ＤＣ）程度の高電圧源３２に接続された
加速用背面電極３０の影響を受ける。背面電極３０の上
を移動する電荷受容体３４は、イオンを受は取り、その
表面に潜像電荷パターンが形成される。続いて、潜像電
荷パターンを適当な現像装置（図示せず）によって可視
化することができる。代わりに、転写装置を用いて、電
荷パターンを絶縁性中間部材たとえば導電性ドラムまた
はベルトの誘電体表面へ付着させることができる。その
場合には、潜像電荷パターンをドラムまたはベルトの上
で現像して可視化し、続いて、現像した像を像支持シー
トへ転写することができる。

イオンが搬送流体によって出口チャンネル２４に送り込
まれたならば、イオンを担った流体の流れに情報を付与
する必要がある。これは、変調領域２６において、スイ
ッチすなわち薄膜スイッチング素子３８を用いて変調電
１１ｉｆ！２８を、１０〜２０ボルト（ＤＣ）程度の低
電圧源３６と基準電位３７（接地してもよい）との間で
個別に切り換えることによって実行される。出口チャン
ネルをのすき間をまたぐ変調電極２８と接地された対向
壁４０は、キャパシタを構成しており、スイッチ３８に
より低電圧源３６へ接続されると、そのキャパシタに低
電圧源３６の低電位が印加される。つまり、選択した変
調電極２８と対向壁４０との間に、搬送流体の流れの方
向に垂直な方向に伸びる電界を選択して生じさせること
ができる。

選択した点の「書込み」は、約Ｏボルトに保たれた基準
電位源３７へ変調電極２８を接続すると、変調電極２８
と対向壁４０の間を通過したイオン・ビームは電界の影
響を受けず、イオン印刷装置を出た搬送流体は、そのイ
オン・ビーム区域で、「書込み」イオンを運んで、像支
持シート上の所望する点に堆積させるので、選択した点
の「書込み」が行われる。逆に、変調電圧が電極２８に
加えられたときは、「書込み」は行われない、これは、
スイッチ３８で変調電極２８を約１０〜２０ボルト（Ｄ
Ｃ）の低電圧源３６へ接続して、変調電極２８にイオン
種と同じ符号の電圧を印加すると、イオン・ビームが反
発されて、接地された導電性対向壁４０に当たり、そこ
で再結合して無電荷すなわち中性の空気分子になるから
である。以上のように、印字アレー２９上の各変調電極
２８を選択して制御し、所望通りに１、イオン・ビーム
をハウジング１０から出したり、または出ていくを妨げ
たりすること（こよって、像パターンが形成される。

印字アレー２９は、大形基板４２（第２図に点線で外形
を示す）、その一方の縁に沿って形成した変調電極（Ｅ
）　２８の配列、少数のアドレス・バス・ライン（＾）
４４とデータ・バス・ライン（Ｄ）４６から成る多重デ
ータ入力回路、および各電極につき１個の薄膜スイッチ
ング素子すなわちスイッチ３８で構成される。この印字
アレー２９を用いれば、各電極を直接アドレスすること
が可能であり、また電極と外部駆動回路５４．５６をイ
ンタフェースするのに、わずかな数のワイヤ・ボンドが
あればよい。

大面積ページ幅印字ヘッドを簡単に、かつ安価に製作す
るため、薄膜技術を用いている。能動素子として選んだ
材料は、非晶質、多結晶質または微品質の薄膜シリコン
である。詳しく述べると、スイッチ３８に非結晶質シリ
コン・トランジスタ（ａ−Ｓｉ：Ｉｔ　ＴＦＴ）を用い
て成功した。図示のように、導電性トレースにより、各
変調電極２８は薄膜トランジスタのドレン電極４８に接
続され、アドレス・バス・ライン（＾）４４はゲート電
極に接続され、データ・バス・ライン（Ｄ）４６はソー
ス電極に接続されている。非晶質シリコンおよびポリシ
リコン製造プロセスの温度が比較的低いことがら、基板
材料は、ガラス、セラミックなどの安価な非晶質材料や
可能性のある一部のプリント回路基板の材料を使用する
ことができ、選択の自由度が大きい。

基板はガラス、導線（アドレス・バスとデータ・バス）
はアルミニウムにすることが好ましい。本実施例で、導
線としてアルミニウムを選んだ理由は、安価であること
、この種のプロセスに適合すること、そしてソース電極
、ドレン電極およびゲーＩ−電極との接触が良いことに
基づく。

従来は、導電性変調電極もアルミニウムで作られた。し
かし、アルミニウム変調電極をイオン印字プロセスに使
用すると、コロナ室１２からの強い酸化作用を有する流
出ガスの作用を受けて、急速に酸化することが判った。

他のアルミニウム構成要素は適当なパッシベーション層
で保護されており、これらの腐食性流出ガスと接触しな
いので、影響を受けない。また、アルミニウム変調電極
が完全に酸化すると、破局的な機械的故障が生じるまで
に至らなくても、酸化の進行につれてグレースケールの
制御が低下することが判った。この現象は、電極」二に
酸化アルミニウムの絶縁層が堆積すると生じる。酸化ア
ルミニウムの層の厚さとその抵抗が増大すると、イオン
電荷は酸化アルミニウムの層を通って、その下の導電性
アルミニウム電極へ移動しなくなるので、その表面に電
荷が蓄積する。この結果、表面電荷によって電極に印加
した電位の正味の効果が低下するので、グレイの多重レ
ベルに必要な正確な制御ができなくなる。

以上のことから、本発明の変調電極は、変調電圧が電極
の全長にわたって実質上影響を受けないように十分な導
電性を有し、かつ腐食性コロナ流出ガスに対して実質上
化学的に中性であり、かつイオン電荷が薄膜を容易に通
って下の電極へ流れることができるような抵抗をもつ表
面層を有する材料または複数の材料の組合せで構成すべ
きである。米国特許出願筒０４２，１２８号（１９８７
年４月２４日出Ｓ）に記載されている電極は、従来の純
粋アルミニウム電極に比べて酸化がかなり遅い材料くア
ルミニウムと銅の合金）が選ばれており、本発明とは区
別される。選択した電極材料は、もちろん、薄膜印字ヘ
ッド製造プロセスと適合すべきである。

貴金属、金またはプラチナなどの不活性材料は、コロナ
流出ガスによる酸化やエツチングの作用を受けないので
、実験的には極めて耐食性のある電極が得られるが、高
価なことと、印字ヘッド製造法と適合しないことから、
実際に使用できない。

しかし、実用的なメツキ方法が考案されれば、上記の材
料は魅力のある候補になるであろう。電極に適している
と考えられるその他の材料としては、酸化インジウムま
たは酸化スズなどの導電性酸化物、導電性窒化物、サー
メット（たとえば、Ｃｒと５ｉＯｚまたは＾１と八１２
０．を混合焼結したもの）、または塊状ケイ化物である
。これらの材料は、厳しいコロナ環境において所期の目
的を達成すると予想されるが、実際には、集積印字ヘッ
ド製造プロセスに適合しない。

本発明は、厳しいコロナ環境において望ましい電気的お
よび機械的性質を有し、かつ本貫的に印字ヘッド製造プ
ロセスと両立する２種類の変調電極材料を用いて非常に
うまくいった。これらの材料は、ドーピングした導電性
シリコンを基本としている。本発明では、ｎ＋シリコン
の変調電極を同時に蒸着するため、非晶質シリコン・１
ヘランジスタ（ＴＰＴ）にドーピングしたｎ＋ソースと
ｎ＋ドレインを使用しているので、ＴＰＴは比較的簡単
な構造になり、実質上費用がかからない。もちろん、Ｔ
ＰＴにドーピングしたｐ＋シリコンを使用する場合には
、変調電極もその材料で作ることになろう。

本発明の第１の実施例は、ドーピングした導電性シリコ
ンは、自ら制限した厚さまで固有の酸化物が成長すると
いう事実に基づいている（第３図）。

固有の酸化物の表面は実質上コロナ流出ガスの作用を受
けない。本発明の第２の実施例の場合は、ドーピングし
た導電性シリコンの電極表面に、薄いケイ化物の層を形
成させる（第４図）。いずれの場合も、はとんどの酸に
浸されず、かつ前記自己制限厚さ以上に成長せず、グレ
ースケール「書込み」に影響を及ぼさないように十分な
導電性を有する丈夫な表面層が得られる。

第３図に示した変調電極は基板４２の上に支持された多
数の薄膜層から成っている。第１の層は薄い導電性電極
５８（クロムが好ましい）である。最初に、導電性薄膜
を基板の上に蒸着し、次に導電性薄膜を電極とＴＰＴゲ
ート（図示せず）の形にパターニング（開孔）する。続
いて、印字ヘッド製造プロセスで、ｎ＋シリコン（非晶
質、多結晶質、あるいは微品質のものがよい）の薄膜層
を蒸着したあと、電極５８の上に変調電極６０、ＴＰＴ
接点および抵抗器（図示せず）をパターニングする。露
出したｎ十変調電極表面の上に、薄い絶縁性の固有の二
酸化シリコン層６２が、印字アレーが受ける比較的低い
温度で最大厚さ約１０〜２０オングストロームまで成長
する。シリコンの場合は、アルミニウムとは対照的に、
酸化物の成長は、厚膜を形成するに至らない。ＳｉＯ□
層６２の抵抗率は導電性シリコンの抵抗率よりも大きい
。しかし、５ｉｎ２７１の全抵抗がイオン電荷を保護層
を通して垂直方向にベース層６０へ消散させる能力に悪
い影響を及ぼす点まで、ＳｉＯ□層の厚さが増加するこ
とはない。

ｎ十ベース層６０は、変調電極フィンガーに沿った方向
に十分な導電性を有しているので、変調電流が実際のプ
リンタに必要な時間枠内で電極の全長にわたって実質上
影響を受けずに流れることができる。ｎ子ベースＲ６０
をクロムなどの金属電極５８の上に蒸着することにより
、より大きな導電性と、ｎ＋１が破損した場合の冗長度
が得られる。

ｎ＋１の上に形成された丈夫な固有の酸化物層６２は、
はとんどの酸や印字ヘッド中で遭遇する腐食性の強いコ
ロナ雰囲気に侵されない。長寿命の予想は、約１０００
時間の寿命試験によって予備的に確かめた。試験後、電
極は影響を受けておらず、使用可能であることがわかっ
た。

第４図に示した変調構造は、第３図の実施例の変調構造
と類似している。この変調構造も、基板４２の上に導電
性クロム電極５８′とｎ十変調電極６０′を有している
。両者の差は、その上に蒸着した表面層６４である。こ
の実施例の場合は、腐食性のコロナ流出ガスによる腐食
に対して、第３図の固有の二酸化シリコン表面層よりも
かなり強いことがわかっている遷移金属ケイ化物を使用
している。

ゲイ化物は化学的に不活性であり、エツチング剤に対し
て丈夫であることはよく知られている。これらの性質は
、この厳しい環境で使用するのに望ましい性質であり、
ケイ化物は酸化にもエツチングにも侵されない。クロム
は印字ヘッド製造プロセス（すなわち、印字アレーのほ
がの場所に使用される）と両立するので、クロムケイ化
物の表面層６４を設けた。その他の遷移金属ケイ化物、
たとえばｎ＋シリコンと−モリブデン、ニッケル、プラ
チナまたはパラジウムとの相互作用がら生じたものも使
用できることを理解されたい。

パターニングしたｎ＋１をケイ化する直前に、１１Ｆま
たは他の適当な浴に浸漬して、固有の酸化物を除去する
処理をすべきである。次に、ｎ＋ｉの上に、スパッタリ
ング法、蒸発法、その他の既知の方法で薄いクロム層を
ｎ＋を蒸着し、それらの層の間でソリッドステート反応
を可能にしてケイ化クロム層を形成させる。スパッタリ
ングは、境界面で初期化学反応を促進する十分なエネル
ギーを供給し、それにより即座に薄いケイ化物層を形成
する。この層の厚さはアニーリングによって強化される
。５０オングストロームのケイ化物層を形成するため、
２００°Ｃ（極めて低いケイ化物形成温度）で３０分間
アニーリングを行った。より低いエネルギー蒸発プロセ
スでクロム層を蒸着する場合には、ケイ化物の成長を開
始させ、全うさせるためにアニーリング工程が必要であ
る。所望の成長が達成された後、電極間に原着された部
分を含む表面クロム層の残りは、ケイ化物およびガラス
基板の所で停止する適当なエツチング剤で除去する。

第５図は、Ｉ・ランスコンダクタンス曲線を示す、変調
電極に印加した電圧と印刷装置のイオン出力電流との間
にはベル形の関係があることがわかる。

非常に小さい変調電圧および非常に大きな変調電圧（曲
線の頂部と圧部）では、それぞれ、イオン電流は、曲線
のそれらの領域が比較的平らであるために、変調電圧レ
ベルのより大きな範囲にわたってＯＮおよびＯＦＦであ
る。これにより、２進「書込み」（ＯＮまたはＯＦＦ　
、黒または白）の寛容度はより大きくなる。鋭く湾曲し
た曲線部分では、変調電圧が少し変化しても、イオン出
力電流は大きく変化する。グレイの多重レベルを書き込
むことができるのは、曲線のこれらの部分においてであ
る。変調電極に異なる電位値を加えることにより、印加
した電位に比例させてイオン出力を制御することが可能
である。したがって、グレイスケール（中間階調）印刷
は、それぞれの所望のグレイ値について、各電極に加え
る電圧の正確な制御に依存していることを理解されたい
。

表面層の抵抗がその成長のために増大すれば、変調領域
２６を通過するイオンは表面層の上に蓄積する傾向があ
ることに留意されたい。そのような蓄積したイオンは迅
速に消散しないので、所望の「書込み」イオンの正確な
制御に悪い影響を及ぼす。変調領域２６を通過するイオ
ンによって現れた実際の電荷は、加えた電荷（所望電荷
）と蓄積した電荷（残留電荷）の和になる。第５図のト
ランスコンダクタンス曲線を参照すると、決められた電
極でグレイレベル八を書き込みたい場合には、もしその
電極が既に黒またはより暗いレベルのグレイを書き込ん
でおり、その間に変調領域をより多くのイオンが流れた
ならば、通常は、その変調電極にある程度のイオンが蓄
積しているために、グレイレベルΔ′が書き込まれるで
あろう。本発明の変調電極は（コロナ流出ガスに対し実
質上化学的に不活性である変調電極とは対照的に）、保
護表面層が必要であり、その上に蓄積したすべてのイオ
ン電荷が表面層を通って下の導電性電極材料へ流れるこ
とができるような実質上変化しない厚さと抵抗率をもつ
表面層を有する。

発明の効果 １１ｑ食性の強い酸化性雰囲気において変調電極の有効
寿命が長くなるように改良したイオン印刷装置の印字ヘ
ッドの変調構造が得られた。その上、新規な変調電極の
電気的応答特性は安定しているのて、電極に印加する電
位を正確に制御すれば、グレイスケールの制御を向上さ
せることが可能である。

以上の説明は、実例として行ったに過ぎず、特許請求の
範囲に記載した発明の精神および発明の範囲の中で、い
ろいろな変更が可能であることは理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、流体ジェット支援イオン投射式印刷装置の印
字ｌ＼ラッド示す部分断面正面図、第２図は、第１図の
印刷装置に使用した印字アレーの略図、 第３図は、本発明の変調電極の第１の実施例の部分断面
図、 第４図は、本発明の変調電極の第２の実施例の部分断面
図、 第５図は、変調電極のトランスコンダクタンス曲線であ
る。 符号の説明 １０・・・印字ヘッドのハウジング、 １２・・・導電性コロナ室、　１４・・・コロナ・ワイ
ヤ、１６・・・高電圧源、　　　　１８・・・基準電位
源、２０・・・入口チャンネル、　２２・・・管、２４
・・・出口チャンネル、　２６・・・変調領域、２８・
・・イオン変調電極、　２９・・・印字アレー３０・・
・加速用背面電極、　３２・・・高電圧源、３４・・・
電荷受容体、　　　３６・・・低電圧源、３７・・・基
準電位源、　　　３８・・・スイッチ、４０・・・壁、
　　　　　　　４２・・・基板、４４・・・アドレス・
バス・ライン、 ４６・・・データ・バス・ライン、 ４８・・・ドレーン電極、 ５２・・・ソース電極、 ５８・・・薄膜導電性電極、 ６０・・・変調電極、 ６２・・・ＳｉＯ□層、 ５０・・・ゲート電極、 ５４．５６・・・外部駆動回路、 ５８′・・・導電性クロム電極、 ６０’・・・ｎ＋変調電極、 ６４・・・ケイ化クロム表面層。 ＦＩＧ、　１ ＦＩＧ、　３ ＦＩＧ、　４ ＦＩＧ、　５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 能動半導体素子、変調電極、および入力信号を前記能動
   半導体素子を介して前記変調電極へ送るための導線が上
   面に集積して形成された絶縁性基板から成り、腐食性の
   コロナ流出ガスが通過するイオン印刷装置に使用される
   印字アレーであって、 前記各変調電極は保護表面層で被覆された薄膜導電性ベ
   ース層から成っており、前記保護表面層は前記コロナ流
   出ガスに対し化学的に中性で、かつ露出した表面に堆積
   したイオン電荷をその厚さを通して前記薄膜導電性ベー
   ス層へ消散させるため十分な導電性を有していることを
   特徴とする印字アレー。