JPH0327027B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は熱インク・ジエツト・ヘツドに関し、
特に発熱体の長寿命化を図つた熱インク・ジエツ
ト・ヘツドに関する。

〔従来技術及びその問題点〕

今日のデータ処理の急速な発展により、高速度
で印字出力記録を得る性能に対する要求がきびし
くなつている。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つて
は動作速度が遅く、また扱いづらい。従つて、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つてきている。これらの方
式のいくつかは、記録媒体（通常は紙）上に固体
（粉末）又は液体（インク）からなる可視文字形
成物質を電界又は磁界を用いて制御して付着させ
る。他に電子写真方式（electrophotographic
system）やイオン方式（ionic system）を用い
るものがある。これらは電子またはイオンビーム
を記録媒体上に衝突させ、衝突した点の色を変化
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。最近の最も重要な方式として、インク・ジエ
ツト方式と呼ばれる技術がある。この技術はイン
ク小滴を電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・ジエツト方
式は特別に処理された記録媒体を必要としない非
接触システムであり、記録媒体としては通常の普
通紙が好適である。またインク・ジエツト方式で
は真空装置や大がかりな機構は必要とされない。
本発明はこのインク・ジエツト方式に関する。

インク・ジエツト方式は次のように分類するこ
とができる。(1)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・ジエツト
が制御可能な静電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
滴が要求に基いて機械的又は熱エネルギーによつ
てノズルから噴射されるもの。本発明はこれらの
うちの最後の形式のノズル・ヘツドを備えている
ものに関する。

オン・デマンド型インク・ジエツト方式の代表
的なものとしてアメリカ合衆国特許第3832579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ユーサを密着して設ける構成
が開示されている。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
今度は圧縮され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つて加速され
る。インク圧力波がノズルの小突端のオリフイス
でメニスカスの表面張力を超えた時インク小滴が
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3174042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ユーブを有してお
り、電流がインク自体の中を流れる様になつてい
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ユーブ内で気化し、インク及
び気化したインクがチユーブから排出される。

ジヨン・エル・ボート他により発明の名称「熱
インク・ジエツト・プリンタ」として1982年９月
７日に出願番号第415290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イスを有す
るインク包含毛細管が用いられている。このオリ
フイ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、オリフイス近傍の
インクの小部分が気化され毛細管内で気泡が発生
する。この気泡の発生により今度はオリフイスか
ら近傍の書込み表面、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
リフイ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
はオリフイスから外へ逃げる前にインク加熱素子
上又はその近傍で消失する。

上述した熱インク・ジエツト・プリンタの寿命
は、特に、抵抗体の寿命に依存していることが理
解できるであろう。抵抗の損傷の大部分は気泡の
崩壊の際のキヤビテーシヨン（cavitation）損傷
に起因していることがわかつた。従つて、キヤビ
テーシヨン損傷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日ジヨ
ン・デイ・メーヤーにより「中央冷点を有するプ
リントヘツド抵抗を用いた熱インク・ジエツト・
プリンタ」と題されて出願番号第443711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（“Good”spot）を設けること
が開示されている。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つては、抵抗体の狭
い中央部分に集まるのではなく、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日付でジヨン・デイ・メー
ヤーにより「二次的インク気化を用いた熱イン
ク・ジエツト・プリンタ」と題されて出願番号第
449820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、抵抗体の損傷を減
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うこと
が開示されている。この出願の不活性化層は、炭
化ケイ素、酸化ケイ素、又は酸化アルミニウムの
薄層である。クランク・エル・クラウテイ他によ
り「モノリシツク・インク・ジエツト・オリフイ
ス板／抵抗の組み合わせ」と題して出願番号第
443972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（silicon oxynitride、
SiOxNy）、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単
一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つた
が、他方ある欠点を有していた。それはすなわち
下にある金属化され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
層として良好な特性を有する炭化ケイ層を固く付
着させた熱インク・ジエツト・ヘツドを提供する
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、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；キヤビテーシヨン及び音響的衝撃に対してそ
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
属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・ジエツト・
ヘツドの抵抗及び／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つた。
更に、極めてなめらかな表面を形成する様にデポ
ジツトすることができ、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
後に、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ヤビテーシヨン損傷
を被らない様に保護するための充分な硬度を持つ
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。図面、特に第１図を参照すれば、１
個のオリフイス及びこれに関連する構造を備えた
熱インク・ジエツト・ヘツ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ミクロンであつて良い。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がデポジツトされる。多結晶シリコン層６の
厚みは典型的には約4000〜5000オングストローム
であつて良い。多結晶シリコン層６の表面内又は
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
る。同様にして、多結晶シリコン層６上に導体、
またはストリツプ、１０，１０′を形成する。こ
の導体１０，１０′はアルミニウムあるいはアル
ミニウム−銅合金であつて良い。導体１０，１
０′は夫々抵抗素子８の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１０，１
０′上に配置させる構造は２重になつた不活性化
層１２Ａ，１２Ｂである。この抵抗素子８及び導
体１０，１０′と直接接している不活性化層１２
Ａは窒化ケイ素であり、2000〜3000オングストロ
ームの厚みであつて良い（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１２Ａの上に、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
性化層１２Ｂの厚さは0.5〜2.5ミクロンであつて
良い。ケイ素の窒化物から成る不活性化層１２Ａ
は、抵抗素子８及び関連する導体１０及び１０′
に対して同様に、多結晶シリコン層６にも良好に
付着することがわかつた。

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１４，１
６はRISTON又はVACREL等の有機プラスチツ
ク物質で作つて良い。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８の両側に設けた構成を示した。また第
２図に示される様に、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１
４，１６の機能は、インクの再充填や気泡の消滅
を制御し、隣接するオリフイ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RISTON及びVACRELはアメリカ合衆国デラ
ウエア州ウイルミントン所在のイー・アイ・デユ
ポン社で製造・販売されている。これらの物質
は、オリフイス板１８を熱インク・ジエツト・ヘ
ツド・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つた。更に、両方の
物質とも300℃の高温にも耐えることができる。
オリフイス板１８はニツケルで作ることができ
る。図示したように、オリフイス２０自体は関連
する抵抗素子のすぐ上でかつ線上に配置されてい
る。図には１つのオリフイ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・ジエツト・ヘツド全体としては複数のオリフ
イスから成る列を備えていても良い。この場合、
各オリフイスは、任意のオリフイスを選んでそこ
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個のオリフイスを設けても良
い。特に第２図を参照するとわかる様に、障壁１
４及び１６はオリフイス板１８を不活性化層１２
Ｂ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、各オリフイス内
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つている。

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
して伝わりオリフイス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つて発生した気泡は抵抗
素子８の真上の領域に向かつて崩壊する。しかし
抵抗素子８は、今や複合した不活性化層１２Ａ，
１２Ｂ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１２
Ｂはインクと直接接しているので、その極めて硬
くまたキヤビテーシヨンによく耐えるという性質
により、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・ジエツト・ヘツドを作
成する場合は、公知の膜のデポジツト及び形成技
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、
フオトレジストをかけてエツチングすることによ
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ツトするとい
う技術に関するものである。本発明にかかる熱イ
ンク・ジエツト・ヘツドの種々の層及び素子を形
成する個々の技術説明は、本ヘツドの製作にあた
つて用いられる順番で以下に与えられている。デ
ポジツト・プロセスは約2torr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ツトさせた膜でも
良いし、あるいは成長させた層であつても良い。
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。二酸化ケイ素をデポジツトによ
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
ツ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
CVD（plasma enhanced chemical vapor
deposition）によるシリコンのデポジツトを用
い、たとえばアルゴンで希釈されたシラン等のケ
イ素化合物を分解することにより形成できる。こ
の分解及びデポジツトを行なう代表的な温度はた
とえば500〜600℃であり、代表的なデポジツト速
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の表面にスパツタリングしても良
いし、あるいは下地の抵抗素子８の層のヘリから
外側の部分上にのみデポジツトされる様にマスキ
ングして気相沈積法によつて形成しても良い。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、前述したフオトレ
ジスト及びエツチング技術を用い抵抗素子８上か
らデポジツ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。

窒化ケイ素から成る不活性化層１２Ａは、約
2torr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を用いてアンモニアと
混合したシランを分解し窒化ケイ素をデポジツト
することにより形成する。酸窒化ケイ素はシラ
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300〜400℃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、300〜400℃のシラン及びメタン
を用いてデポジツトする。

〔発明の効果〕

上述した様に、本発明にかかる熱インク・ジエ
ツト・ヘツドにおいては、気泡の崩壊及び又はキ
ヤビテーシヨ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ク・ジエツト・
ヘツ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・ジエツト・ヘツドのＡ−Ａ断面
図である。 ２：単結晶シリコン基板、４：熱絶縁層、６：
多結晶シリコン層、８，８′，８″：抵抗層、１
０，１０′：導体、１２Ａ，１２Ｂ：不活性化層、
１４，１４′，１６，１６′：障壁、１８：オリフ
イス板、２０：オリフイス、２２：インク、２
２′：インク小滴。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 抵抗素子及び前記抵抗素子を活性化させる導
   体素子の層上に窒化ケイ素または酸窒化ケイ素の
   層と炭化ケイ素の層からなる不活性化層を設けた
   ことを特徴とする熱インク・ジエツト・ヘツド。