JP2000238267A - 複数のインク通路ピストンを有するプリントヘッドを具備する画像形成システム及びそのシステムとプリントヘッドの組立方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は廉価な製造コストで、高速度、高印
字品質、高い信頼性、低消費電力と構造及び動作のシン
プルさを有するインクジェットプリンターを提供する。 【解決手段】 複数の微細加工されたインク通路ピスト
ン（２５０）を有するプリントヘッド（１５０）を具備
する画像形成システムとそのシステムの組立方法を提供
する。システムは、インクメニスカス（２４０）がイン
ク体（２２０）から膨張するようにインク体に加圧する
ピストンを有する。更に、インク液滴分離体（２７０）
が設けられ、メニスカスがインク体から膨張するにつれ
てメニスカスの表面張力を低下させる。インク液滴分離
体が表面張力を所定の値へ低下させたときに、膨張した
メニスカスはインク体から切断され、インク液滴を形成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、印字装置及び方法
に関し、より詳細には、複数のインク通路ピストンを有
するプリントヘッドを具備する画像形成システム、及び
前記システムとプリントヘッドの組立方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】インクジェットプリンティングは、非接
触、低ノイズ特性、普通紙とトナー転写及び固定がない
ため、デジタル制御の電子的印刷において、卓越した競
争相手として認識されている。上記理由のため、ＤＯＤ
（ドロップ‐オン‐デマンド、Drop-On-Demand）型のイ
ンクジェットプリンターは、家庭用及びオフィス用とし
て商業的成功を成し遂げている。

【０００３】例えば、１９７０年にKyserらに発行され
た米国特許第３、９４６、３９８号には、ドロップ‐オ
ン‐デマンド型のインクジェットプリンターが開示され
ており、高電圧を圧電結晶へ印加して結晶を変形させ
る。結晶が変性するつれ、圧力がインク貯蔵容器に加わ
り、必要に応じてインク液滴が噴射される。他のタイプ
の圧電タイプのドロップ‐オン‐デマンド型プリンター
は、押しモード、ずりモード、圧迫モードで圧電結晶を
利用する。しかしながら、圧電結晶のパターニングと各
プリンターノズルを駆動させるのに必要な複雑な高電圧
駆動回路は、コスト的に効率のよい製造と性能には不利
である。更に、比較的大きなサイズの圧電変換器によ
り、狭いノズル空間を本技術分野での高解像度のプリン
トヘッド設計への利用を難しくさせる。

【０００４】１９７９年にEndoらへ発行された英国特許
第２、００７、１６２号には、電熱型ドロップ‐オン‐
デマンド型のインクジェットプリンターが開示されてお
り、パワーパルスを電熱ヒータへ印加してノズル内の水
ベースのインクと熱的に接触させる。少量のインクが急
速に蒸発し、バブルの形成して、液滴がヒータ基板の縁
に沿って小さな開口部から噴射される。この技術はサー
マルインクジェットプリンティングとして周知である。

【０００５】より具体的には、通常、このサーマルイン
クジェットプリンティングには約２μｓの期間に約２０
μJのヒータエネルギーが必要であり、インクを２８０
から４００℃の温度まで加熱させて均一なバブル形成を
急速に引き起こす。急速なバブル形成により液滴噴射の
運動量が与えられる。バブルの崩壊により、バブルの内
破に起因する圧力パルスが生じる。この装置に必要な高
温度では、特別のインクの使用を必要とし、ドライバー
のエレクトロニクスを複雑にし、インク燃焼副生成物の
蓄積であるコゲーション（kogation）によりヒータ素子
の劣化を促進させ、有機堆積物によりヒータが覆われ
る。そのような覆った有機堆積物はヒータの熱効率を邪
魔する。加えて、かかる覆った有機堆積物はインクメニ
スカスに移動し、インクメニスカスの粘度及び化学的性
質を改悪させる。更に、各ヒータの１０ワットの作動電
力消費により、低コストで、高速度ページ幅プリントヘ
ッドの製造に支障をきたす。

【０００６】インクジェットプリンティングシステム
は、ノズルニップから膨張する正の圧力にバランスの取
れたメニスカスを有するノズルを具有する液体印字シス
テムを実現する。ノズルニップを囲繞するヒータは熱を
メニスカスの縁部へ印加する。この技術を用いれば、ド
ロップ‐オン‐デマンド印字機構が利用でき、印字され
るべき液滴を選択する手段により、選択された液滴と選
択されない液滴との間に位置の差が生じる。しかしなが
ら、位置の差はインク液滴が表面張力に逆らい、インク
体から分離するのに十分ではない。この点に関して、分
離手段はインク体から選択された液滴を分離させるのに
利用される。しかしながら、表面張力減少を利用する選
択の上記方法には、特別なインクを必要とし、正の圧力
でメニスカスのバランスをとることは、何れかの単一ノ
ズルにおける汚染による好ましくないノズル漏れを引き
起こす。電界の印加又は受像体の接近の調整は、インク
体から選択液滴を分離させるために利用される。しかし
ながら、選択液滴を分離させるのに必要な電界強度は空
気中での絶縁破壊の値以上であり、ノズルと受像体との
間には密接な空間が必要であるが、歪む可能性もある。
更に、近接モードを利用する液滴分離には、オリフィス
から液滴を分離させるために紙受像体はオリフィスにか
なり近い位置にあるが、制御できない環境において通常
発見される比較的大きなちり粒子の存在により、信頼性
を欠く。

【０００７】更に、別のインクジェットプリンティング
システムを用いれば、インクジェットプリントヘッドを
具有する画像形成装置が実現でき、単一の変換器がイン
ク体に周期的に振動を与えるために利用され、インク液
滴のバランスを保ち、メニスカスを形成する。更に、こ
の装置はメニスカスの表面張力を低下させる変換器と関
連するインク滴分離体を含み、インク体からメニスカス
を分離させてインク液滴が生じる。この装置は目的を満
足するように作動するが、にもかかわらず、レーベンス
(Lebens)らの装置の利用により、プリントヘッドに属す
るインクに不必要な圧力波の伝播が生じる。インク内に
おけるこれらの不必要な圧力波は液滴噴射に間違いが生
じる。故に、インク空洞及び夫々のノズルへの圧力の効
果を局所化させることが望まれている。

【０００８】したがって、低廉な製造コストで、高速
度、高印字品質、高い信頼性、低消費電力と構造及び動
作のシンプルさのような特徴のあるインクジェットプリ
ンターの必要性は従来から切実に望まれている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述の点に鑑
みてなされたものであり、複数のインク通路ピストンを
有する熱機械的に作動するＤＯＤプリントヘッドを具備
する画像形成システムと、記録媒体に画像を形成する方
法と、前記システム及びプリントヘッドの組立方法を提
供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、所定の表
面張力を有するインクメニスカスがインク体から膨張す
るように一瞬にインク体に加圧するのに適するピストン
と、メニスカスがインク体から膨張している間に前記メ
ニスカスの表面張力を低下させる前記ピストンと関連す
るインク液滴分離体とを具備する画像形成装置により達
成され、よって表面張力が低下している間に、前記イン
ク液滴分離体はインク体からメニスカスを分離させてイ
ンク液滴を形成する。

【００１１】本発明の実施態様によれば、前記システム
は複数のインク通路を画成するプリントヘッドを具備す
る。各通路はその中にインク体を有し、ノズルオリフィ
スで終端している。微細加工されたピストンを各通路に
配設され、インク体に交互に加圧減圧する。インクメニ
スカスはインク体から膨張し、インク体が加圧されてい
る間は、ノズルオリフィスから出る。加えて、インクメ
ニスカスはインク体が減圧される間はノズルオリフィス
へ収縮する。更に、インク液滴分離体は、メニスカスが
オリフィスから膨張するにつれてメニスカスの表面張力
を低下させる。インク液滴分離体は表面張力を低下させ
て所定の値になると、膨張したメニスカスはインク体か
ら切断してインク液滴を形成する。

【００１２】本発明の特徴は、メニスカスに加圧する複
数のノズルの夫々にある複数のインクメニスカスと液体
で連通したピストンの単一に微細加工されたアレイの提
供であり、メニスカスが加圧されるにつれメニスカスは
ノズルから膨張し、メニスカスが減圧されるにつれノズ
ルに収縮する。

【００１３】本発明の別の特徴は、インクメニスカスの
夫々と熱移動で連通した複数のヒータの提供であり、メ
ニスカスがノズルから所定の距離膨張する時にのみ選択
的に作動して、夫々のノズルから選択されたメニスカス
を分離させる。

【００１４】本発明の他の利点は、本発明を利用するこ
とによりプリントヘッドの信頼性が高まることである。

【００１５】本発明の他の利点は、本発明を利用するこ
とにより電力を節約することにある。

【００１６】本発明の更に別の利点は、本発明に属する
ヒータは長寿命であることにある。

【００１７】本発明の更なる利点は、本発明を利用する
ことによりプリントヘッドの体積当たりのノズル数が増
して画像解像度が向上することにある。

【００１８】本発明の付加的利点は、本発明を利用する
ことにより高速印字が可能となることである。本発明の
更に他の利点は、蒸気バブルがヒータで形成されるので
はなく、蒸気バブル形成がコゲーションをもたらすこと
である。

【００１９】本発明の更に別の利点は、本発明を利用す
ることによりプリントヘッドのインクでの不必要な圧力
波の伝播を減少させ、間違った液滴噴射の危険性を減ら
すことである。

【００２０】本発明の上記、他の目的、特徴及び利点
は、添付し、本発明の実施態様を説明する図面ととも
に、以下の詳細な説明を読むことにより、当業者には明
白となる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下の実施態様の詳細な説明は、
特に、本発明に装置の一部を構成する、又は装置とより
直接的に協働する要素に関するものである。特別に示さ
ない又は説明しない要素は、当業者に周知であるさまざ
まな形態をとることができることは理解される。

【００２２】図１を参照するに、記録媒体３０に画像２
０を形成し、参照番号１０で示される画像形成システム
の機能性ブロック図を示す。記録媒体３０は、例えば紙
又は透明体のカットシートである。システム１０はスキ
ャナー（図示せず）又はコンピュータ（これも図示せ
ず）、若しくはＰＤＬ（ページ記述言語、Page Descrip
tion Language）又は他のデジタル画像表現の形でのア
ウトライン画像データからのラスター画像データである
入力画像源４０を含む。画像源４０は画像プロセッサー
５０に接続しており、そのプロセッサーは画像データ
を、連続階調データからなるピクセルーマップページ画
像へ変換する。画像プロセッサー５０はデジタルハーフ
トーンユニット６０に接続しており、そのユニットは画
像プロセッサー５０で発生した連続階調データをハーフ
トーン化させる。このハーフトーンビットマップ画像デ
ータは、ハーフトーンユニット６０に接続した画像メモ
リユニット７０に一時的に保存される。システム１０で
選択した配置に依存して、画像メモリユニット７０はフ
ルページメモリ又はいわゆるバンドメモリである。以下
に詳細に説明する理由により、画像メモリユニット７０
からの出力データはマスター制御回路８０により読取ら
れ、その制御回路はピストンアレイドライバー回路９０
とヒータ制御回路１００の両者を制御する。

【００２３】再度図１を参照するに、更に、システム１
０は、マスター制御回路８０を制御するマスター制御回
路８０に接続したマイクロ制御器１１０を含む。前述し
たように、制御回路８０はピストンアレイドライバー回
路９０及びヒータ制御回路１００を制御する。更に、制
御器１１０は、調整器１２０を制御するインク圧力調整
器１２０に接続される。調整器１２０の目的は、調整器
１２０に接続されたインク貯蔵容器１３０内の圧力を調
整することであり、インク貯蔵容器１３０は内部に、記
録媒体３０にマークするインクの貯蔵容器を具備する。
インク貯蔵容器１３０は、導管１４０により、ＤＯＤイ
ンクジェットプリントヘッドであるプリントヘッド１５
０と接続している。加えて、輸送制御ユニット１６０は
制御器１１０に接続されており、記録媒体運搬機構１７
０を電子的に制御する。運搬機構１７０は、プリントヘ
ッド１５０に整列し、記録媒体３０と密接に係合するの
に適した複数のモータ駆動のローラ１８０を具備する。
この点に関して、ローラ１８０は回転しながら記録媒体
３０と係合し、プリントヘッド１５０を通過して記録媒
体３０を輸送する。いわゆる「ページ幅」印字の目的に
は、プリントヘッド１５０は固定されており、記録媒体
３０が固定プリントヘッド１５０を通過して移動するこ
とは理解できる。一方、いわゆる「走査型」印字の目的
には、プリントヘッド１５０はある軸（サブ走査方向）
に沿って移動し、記録媒体３０は直交軸（メイン走査方
向）に沿って移動して相対的なラスター移動が得られ
る。

【００２４】次に図２を参照するに、プリントヘッド１
５０はノズル１９０上に位置する微細加工されたインク
通路ピストン２５０のアレイを含み、各ノズル１９０は
インク液滴２００を噴射させることができる。各ノズル
１９０はオリフィスプレート、つまり基板１９５でエッ
チングされ、基板はシリコンであり、ノズル１９０での
通路の形をしたチャンバー２１０を画成する。チャンバ
ー２１０は、前述した導管１４０によりインク貯蔵容器
１３０と連通しており、そのチャンバーは貯蔵容器１３
０からインクを受ける。このようにして、インクは導管
１４０を流れてチャンバー２１０へ入り、インク体２２
０はチャンバー内２１０内にたまる。更に、ノズル１９
０はチャンバー２１０と連通するノズルオリフィス２３
０を形成する。これに限定されないが、例に示すよう
に、オリフィス２３０は約８μｍの半径を有する。ピス
トン２５０は、プレート２５２とプリントヘッド１５０
の頂部を覆う膜２５３も移動により、駆動源２５１の垂
直移動により作動する。インクはピストン２５０のシャ
フト部分を覆うが、プレート２５２及び膜２５３の内部
と接触するわけではないことは理解できる。下に向かっ
て移動することは、プレート２５２とプリントヘッド１
５０の本体と相接続する弾性シール２５４により実現す
る。

【００２５】図３を参照するに、各ピストン２５０は夫
々のノズル１９０上に位置する。もちろん、各ノズル１
９０はノズルからインク液滴（図７参照）が噴射可能で
あり、記録媒体３０に到達する。加えて、ノズル１９０
はチャンバー２１０と連通するノズルオリフィス２３０
を形成する。インク体２２０がチャンバー２１０に配置
されると、インクメニスカス２４０はオリフィス２３０
にできる。

【００２６】再び図３を参照するに、熱パルスが加えら
れないと、メニスカス２４０は第一の位置２４５ａ（例
えば、破線で示す）と膨張したメニスカスの第二の位置
２４５ｂとの間を振動することができる。メニスカス２
４０が振動するためには、メニスカス２４０はインク体
と一体に形成され、インク体２２０は実質的に圧縮不可
な液体であるので、インク体２２０自身が振動しなけれ
ばならないことは理解できる。各インク体２２０を振動
させるために、チャンバー２１０内でインク体２２０と
連通しているピストン２５０は駆動源２５１により垂直
方向に移動する。駆動源２５１は、例えば２５Ｖ、５０
μｓの正方形波の電気パルスを受容可能である圧電材料
からなる。ただし、必要ならば、三角形又は正弦形のよ
うな他のパルス形も利用できる。いずれにしても、駆動
源２５１は垂直運動を生じさせて、ピストン２５０にス
トレスのない位置２５５ａから下に向かった位置２５５
ｂへと振動を引き起こす。より具体的には、ピストン２
５０が下の位置２５５ｂへ移動する場合には、チャンバ
ー２１０の体積は減少し、メニスカス２４０は、位置２
４５ｂに示したようにオリフィス２３０から外に向かっ
て膨張する。同様に、ピストン２５０がストレスのない
位置２５５ａへ戻る場合には、チャンバー２１０の体積
は初期の状態に戻り、凹形の第一の位置２４５ａへ戻る
メニスカス２４０とともに、インクはノズルに収縮す
る。前述したように、微細加工されたピストン２５０の
アレイの運動は全てのチャンバー２１０に及び、よって
同時に全てのチャンバー２１０を加圧減圧して、駆動源
２５１の移動により発生した圧力パルスの効果を制限す
る。上記の圧力効果は各チャンバー２１０で閉じ込めら
れ、関連するピストン２５０に局所化される。換言すれ
ば、駆動源２５１の移動は、チャンバー２１０と関連す
るピストン２５０の移動にのみ起因し、実質的に特定の
チャンバー２１０内に圧力パルスが発生する。例えば、
他のチャンバー２１０又はプレート２５２の移動と関連
する他のピストン２５０には発生しない。インクはシャ
フト２５０のある部分だけを覆い、プレート２５２の内
部には接触していないということである。更に、図３を
参照するに、ピストン２５０が位置２５５ｂへ下に向か
って移動するにつれて、チャンバー２１０の体積は減少
してメニスカス２４０は、位置２４５ｂで示されるよう
に、オリフィス２３０から膨張することが分かる。ピス
トン２５０の移動の振幅が、例えば約２０％更に増大す
ると、メニスカスのネッキングが起こり、ピストン２５
０が位置２５５ｂへの移動中にインク液滴はノズル１９
０から離れる。ピストン２５０の振動運動の振幅の適切
な調整により、熱パルスなしでの液滴分離せずに、メニ
スカス２４０の繰り返しの拡張及び収縮は可能である。
熱パルスが加わった際に、メニスカス２４０のネッキン
グ不安定性を確実にするために、インクは温度上昇にと
もない表面張力が減少するように配合される。結果とし
て、以下に詳細に後述するように、熱パルスをメニスカ
ス２４０に加えて、ノズル１９０からインク液滴を分離
させる。

【００２７】したがって、図４、図５、及び図６から一
番良く分かるように、環状ヒータ２７０のようなインク
液滴分離体により、オリフィス２３０からメニスカスを
分離させることができ、その結果液滴２００はオリフィ
ス２３０から離れて記録媒体３０へ移動する。より具体
的には、二酸化ケイ素から作られる中間層２６０が基板
１９５を覆う。ヒータ２７０は基板１９５にあり、メニ
スカス２４０と液体で連通していることが好ましく、メ
ニスカス２４０の表面張力を低下させることによりノズ
ル１９０からメニスカス２４０を分離させる。更に具体
的には、環状ヒータ２７０はオリフィス２３０を囲繞
し、適当な電極層２８０と接続しており、その電極層は
電気エネルギーをヒータ２７０へ供給する。その結果ヒ
ータ２７０の温度が上昇する。更に、環状ヒータ２７０
は通常円形リップ、つまりオリフィス２３０を取り囲む
オリフィスリム２８５を形成する。ヒータ２７０は環状
であることが好ましいが、必要ならば、ヒータ２７０は
オリフィス２３０の近位に配設した一つ又はそれ以上の
アーチ形セグメントを含む。分離インク液滴の方向性の
制御を可能にするために、ヒータ２７０はアーチ形のセ
グメントを含むことが好ましい。これに限定されるわけ
ではないが、例に示すように、ヒータ２７０はドープさ
れたポリシリコンが好ましい。更に、これに限定される
わけではないが、例に示すように、ヒータ２７０は約２
０μｓの時間作動する。よって、中間層２６０は、一方
でヒータ２７０と電極層２８０との間の熱的及び電気的
絶縁、他方でヒータ２７０と基板１９５との間の電気的
絶縁を生じさせる。加えて、外部の保護層２９０を用い
ることにより、基板１９５、ヒータ２７０、中間層２６
０及び電極層２８０を腐食並びに付着物に抵抗すること
による損傷から保護することが可能となる。これに限定
されないが、例に示すように、保護層２９０には防食及
び防汚性として、ポリテトラフルオロエチレンを選択で
きる。上記の配置では、プリントヘッド１５０は比較的
簡単であり、製造にコストもかからず、更にＣＭＯＳ工
程へ容易に統合される。

【００２８】図１に簡潔に戻ると、ピストンアレイ２５
０及びヒータ２７０は、夫々前述したピストンアレイド
ライバー回路９０とヒータ制御回路１００により制御さ
れる。更に、ピストンアレイドライバー回路９０及びヒ
ータ制御回路１００はマスター制御回路８０により制御
される。マスター制御回路８０はピストンアレイドライ
バー回路９０を制御し、その結果ピストン２５０は所定
の振動数で振動する、更に、マスター制御回路８０は画
像メモリユニット７０からデータを読取り、時間変化電
気パルスを所定のヒータ２７０に印加して液滴を選択的
に噴射させ、記録媒体３０の予め選択した位置にインク
マークを形成する。プリントヘッド１５０は、画像メモ
リユニット７０に一時的に保存されたデータに応じて、
画像２０形成をこのようにして行う。

【００２９】図３、図４、図５、及び図７を参照する
に、メニスカス２４０はオリフィス２３０から外側に向
かって膨張し、熱パルスがない場合には、変換器２５０
の逆運動によりメニスカス２４０に収縮が生じないうち
に最大の距離“Ｌ”に達する。図４及び図５は、メニス
カス２４０が外側に向かって膨張している間に、ヒータ
２７０を経由して熱パルスが加えられる場合を具体的に
示している。熱パルスのタイミングはヒータ制御回路１
００により制御される。ヒータ２７０による熱の印加に
よりネック領域３２０でのインクに温度上昇が生じる。
この点に関して、ネック領域３２０の温度は１００℃以
上であることが好ましくが、インクに蒸気バブルが発生
する温度以下であることが好ましい。表面張力の減少に
より、図５に示す膨張するメニスカス２４０のネッキン
グの増大した不安定性を引き起こす。これによりネッキ
ングの不安定性は増大し、ピストンアレイ２５０の逆移
動によりネック領域３２０が破壊（つまり切断）する。
このことが起こると、液滴分離後新しいメニスカス２４
０が形成され、オリフィス３２０へ収縮する。液滴２０
０の運動量は十分であり、液滴の速度は７ｍ/ｓｅｃで
あり、印字のために記録媒体３０へ移動する。ピストン
２５０が第一の位置２５５ａへ戻るにつれて、残存する
新たに形成されたインクメニスカス２４０は収縮してノ
ズル１９０へ戻る。それから、この新たに形成されたメ
ニスカス２４０は、駆動源２５１の次のサイクルとピス
トンアレイの下に向かう垂直移動の間に膨張する。これ
に限定されないが、例に示すように、全体の液滴噴射サ
イクルは約１４４μｓである。このようにして、ピスト
ンアレイの運動及び熱パルスのタイミングは、夫々ピス
トンアレイドライバー回路９０とヒータ制御回路１００
により電気的に制御される。よって、ヒータ２７０は熱
エネルギーをメニスカスに供給し、ピストンアレイ２５
０は機械エネルギーをメニスカス２４０に供給して液滴
２００を発生させるので、システム１０は熱‐機械的に
作動するプリントヘッド１５０を得ることができること
が、前記説明から理解される。本発明のシステムとプリ
ントヘッドの組立方法は、図８から図１０を参照して、
以下に詳細に説明する。

【００３０】よって、図８（Ａ）を参照するに、シリコ
ンウエハーであることが好ましい基板１９５は、二酸化
ケイ素であることが好ましい犠牲層３２５と、ニッケル
であることが好ましい基板の底部に配されたノズルプレ
ート層３３０とを有する。更に、基板１９５の頂部面の
トップマスク３３５と、ノズルプレート層３３０の底部
面のボトムマスク３４０は、集積回路製造の技術分野で
は周知の従来からのリソグラフィー工程とバックサイド
アライメント技術を利用して設けられる。トップマスク
３３５は複合マスクであり、半導体加工の技術分野では
周知であり、本発明では、二酸化ケイ素であることが好
ましく、開口部３３６ａを有する第一の材料のマスク３
３６と、窒化ケイ素であることが好ましい第二の材料か
らなり、開口部３３７ａを有する第二の層のマスク３３
７と、マスク３３７及び３３６の上にある開口部３３８
ａを有する任意のパターン化されたフォトレジストマス
ク３３８とを含む。マスク３３６及び３３７は、まず窒
化ケイ素の層を付着させ、フォトレジストを利用して従
来のフォトリソグラフィーにより前記層をパターン化さ
せ、前記層をエっチングさせて開口部を形成し、フォト
レジストを剥離し、更に二酸化ケイ素の層を付着させ、
この二酸化ケイ素の層をエッチングによりパターン化さ
せて開口部３３８ａを形成し、夫々の場合でのパターン
化工程は、従来のフォトリソグラフィーと、半導体加工
の技術分野では周知である反応性イオンエッチングのよ
うな選択的プラズマエッチングにより行われる。開口部
３４０ａを有するボトムマスク３４０は、フォトレジス
トで任意にパターン化される。

【００３１】図８（Ｂ）を参照するに、スペーサ溝３４
５は、高密度反応性イオンエッチングにより、シリコン
であることが好ましい基板１９５へ異方性的にエッチン
グされる。次の工程において、例えば酸素プラズマに晒
すことにより、マスク３３８は除去される（図８
（Ｃ））。

【００３２】図９、図１０を参照するに、異方性シリコ
ンエッチングはピストン接続領域３５０が形成されるま
で、好ましくは先にスペーサ溝３４５を形成するのに利
用されたエッチング工程を再び利用して継続される。更
に、この工程ではピストン公差領域３５０ａが形成さ
れ、これはスペーサ溝３４５の延長として同時にエッチ
ングされる。ピストンを形成する溝３５５は犠牲層３２
５の面まで膨張するが、これはこの段階の加工では必要
ではない。よって、シャフト３６０とポスト３６５と接
続するピストン２５０が形成され、ピストンを形成する
溝３５５は犠牲層３２５の面に膨張する。

【００３３】次の工程では、マスク３３６は、好ましく
はマスク３６５材料が二酸化ケイ素である場合には湿式
エッチングにより剥がされる。異方性エッチングは、好
ましくはスペーサ溝３４５を形成するのに利用された方
法を利用して継続される。異方性エッチングの継続によ
り領域３７０が画成され（図９（Ｂ））、後述するよう
に、この領域は犠牲層３２５に接触するほど深くはない
が、上記エッチングにより深く作られたインクピストン
接続領域３５０と接触する。ポスト３６５は短く作ら
れ、トップ面３６５ｂを有する支持ポスト３６５ａにな
る。それから、図９（Ｃ）に示すように、縁領域２５２
ａと膜領域２５３とを有するプレート２５２が、例えば
シリコンラテックスゴムのような可撓性材料のビーズと
して図９（Ｃ）に示すように、可撓性弾性シール２５４
により、領域３７０の選択された頂部面３６５ｂへ組立
てられ、プレート２５２はその形を変形させることな
く、垂直に移動できるようになる。図１０（Ａ）に示す
ように、膜２５３は、プレート２５２の組立直前に、エ
ポキシのような結合剤で膜を塗布することにより、ピス
トンの頂部面３７５に取り付けられる。この段階で、例
えば構造体の底部から反応性イオンエッチングにより、
底のノズルプレート３３０は異方性にエッチングされ、
ノズルプレート３３０に穴開口部３８０が形成される。

【００３４】図１０（Ｂ）に示す最終段階では、等方性
湿式エッチングがピストン２５０の下にある空洞領域３
５６の犠牲層３２５を除去するのに利用され、ピストン
底面が形成される。図１０（Ｂ）に示すように、このエ
ッチングではポスト３６５の下にある犠牲層３２５を実
質的に除去する必要はない。なぜならポスト３６５は穴
開口部３８０から離間しているからである。最後に、図
１０（Ｃ）では、ノズルプレート面の穴領域を囲繞する
ヒータリング２７０が組立てられる。ヒータリングの組
立はマイクロエレクトロメカニカル構造（Micro Electr
o Mechanical Structure,ＭＥＭＳ）の技術分野では周
知である。ヒータリング２７０は、好ましくはポリシリ
コンである抵抗性層の付着と、前記層をパターン化して
開口部３８０を囲繞するように環状にする工程により製
造されることが好ましい。あるいは、ヒータリングは穴
開口部３８０をエッチングする前に設けられる。

【００３５】ドロップオンデマンドプリンターとして、
ピストンアレイを作動させるに、ピストン接続領域３５
０、ピストン公差領域３５０ａ、空洞領域３５６、穴開
口部８０及びインク領域３７０の部分は、例えば色素を
含む水溶性ベースのインクのようなインク８０により充
満される。充満は、インクがピストンシャフト３６０の
部分を覆うが、膜２５３の底部に接触しない程度になさ
れる。よって、インクメニスカス２５６は膜２５３以下
に形成される（図２）。インクはメニスカス上に空気の
圧を加えることにより加圧され、ピストン２５０の運動
がないときでもインク液滴が穴開口部３８０から突出さ
せるが、これは装置の作動に必要ではない。

【００３６】ピストンアレイの使用は本発明に利用され
ることが好ましく、対応するピストン２５０と関連した
効果のみに、膜２５３の移動により発生する空洞領域３
５６での圧力パルスの効果を制限する。換言すれば、膜
２５３の移動により特定の空洞領域３５６に、その空洞
と関連するピストン２５０の移動にのみ実質的に起因し
た圧力パルスが発生し、例えば他の空洞と関連する他の
ピストン２５０の移動、並びに膜２５３の直接移動では
発生しない。この点に関して、装置の作動の好ましい方
法は、膜２５３の移動により複数の空洞領域３５６に局
所化された圧力パルスのみが発生するが、例えばインク
全体又は基板１９５部分全体に実質的エネルギーで移動
圧力波は発生しない。この好ましい方法は、空洞領域は
液滴の噴射には重要な変化を及ぼさないという点で、何
れかの空洞領域の近くの圧力パルスがピストン移動以外
のソースから発生することを保証する。全ての空洞内で
の圧力パルスは実質的に同じであり、各ピストンの同じ
移動を実現させる。これにより、ピストンシャフトは垂
直方向に移動し、よってその移動とインクとは弱く結合
しているので、本発明で行うことができる。装置の作動
の好ましい方法は、音響カップリングの技術分野では周
知であるように、かかるパルスは全ての空洞領域に広が
るので、膜２５３の移動はインクに直接接触してインク
に圧力パルスを発生させない。

【００３７】図１１を参照するに、第二の実施態様のプ
リントヘッド１５０を図示する。この第二の実施態様の
プリントヘッドは、駆動源２５１が電磁界４００に応答
する金属材料から製造されている以外は、第一の実施態
様のプリントヘッドと実質的に同じである。電磁界４０
０は、第一の電磁石４１０ａと第一の電磁石４１０ａか
ら離間した第二の電磁石４１０ｂの夫々から（図示して
あるように）発生する。電磁石４１０ａ/ｂは、ここに
開示する理由から、位相を異にして作動する。第二の電
磁石４１０ｂが作動すると、第一の電磁石４１０ａは作
動しない。このようにして、第二の電磁石から生じた電
磁界４００はピストン２５０をチャンバー２１０内で下
に向かって移動させ、メニスカス２４０はオリフィス２
３０から膨張する。同様に、第一の電磁石４１０ａが作
動しているときは、第二の電磁石４１０ｂは作動しな
い。このようにして、第一の電磁石４１０ａから生じた
電磁界４００はピストン２５０をチャンバー２１０内で
上に向かって移動させてメニスカス２４０をオリフィス
２３０へ収縮させる。

【００３８】図１２を参照するに、第三の実施態様のプ
リントヘッド１５０は、駆動源２５１が電界に応答する
圧電材料から作られ、駆動源２５１は電界を受けると一
方にそれる以外は、第一の実施態様のプリントヘッドと
実質的に同じである。この点に関して、駆動源２５１が
電界を受けると、ピストン２５０はチャンバー２１０内
で下に向かってそれる。逆に、電界が遮断されると、前
述したようにピストン２５０はシール２５４に助けられ
て、チャンバー２１０内で上に向かって移動する。

【００３９】本発明の重要な面は、新規で、非自明性で
ある技術により、噴射させるインク液滴を選択するのに
必要とされるエネルギーを顕著に減少させることにある
ことは、本願で教示した内容から理解される。これによ
り、選択液滴をインク体から離すことを確実にする手段
から、インク液滴を選択する手段を分離することにより
達成される。液滴分離機構のみが、各ノズルに供給され
た個々の信号により駆動されなければならない。加え
て、液滴選択機構は全てのノズルへ同時に働く。

【００４０】本発明の利点は、チャンバー２１０及びイ
ンク体２２０に作用する重要である静的な戻り圧力がな
いことにあることは、本願で教示した内容から理解され
る。さもなければ、かかる静的な戻り圧力はオリフィス
２３０からインクが偶発的に漏れることになるであろ
う。したがって、画像形成システム１０は、インクの偶
発的な漏れを回避することにより、信頼性は向上する。

【００４１】本発明の他の利点は、本発明は先行技術で
のサーマルバブルジェットプリントヘッドよりも低エネ
ルギーで作動することである。これにより、ヒータ２７
０は蒸気バブルを形成させるために必要とされる蒸発潜
熱よりも、低エネルギーでメニスカスの小さな領域（つ
まりネック領域３２０）の表面張力を低下させるのに利
用されることになる。このことはノズルの高密度パッキ
ングによって重要であり、基板の加熱は起こらない。し
たがって、画像形成システム１００は、一つのノズルに
対して先行技術での装置よりも低エネルギーを利用す
る。

【００４２】本発明の更に別の利点は、利用される低電
力レベルにより蒸気バブルの崩壊に起因するキャビテー
ション損傷、及びヒータ表面に燃えたインクが付着する
ことによるコゲーション損傷を防止することができるの
で、ヒータ２７０は長寿命であることにある。

【００４３】本発明の更なる利点は、画像解像度は先行
技術の装置と比較して改善されている点にある。変換器
２５０は、それ自身液滴を噴射させず、むしろピストン
のみがメニスカスを振動させて、メニスカス２４０が加
圧され噴射の準備の位置２４５ａに移動するので、上記
のことが可能である。ヒータ２７０により表面張力が低
下して、最終的に液滴２００を噴射させる。液滴２００
を噴射させるためよりもむしろ、メニスカス２４０を振
動させるためだけにピストン２５０を使用することは、
液滴噴射中でのチャンバー２１０間でのいわゆる「クロ
ストーク」を排除する。なぜなら、作動させるために選
択されたあるノズルでのメニスカスに加える熱は、隣接
ノズルのメニスカスに影響を及ぼさないからである。換
言すれば、隣接ノズル間では重要な熱移動はないことを
意味している。チャンバー２１０間のクロストークを排
除することにより、プリントヘッド１５０の体積当たり
のチャンバー２１０の数は増すことになる。プリントヘ
ッド１５０の体積当たりのチャンバー２１０の数が増え
ることは、結果としてプリントヘッド１５０内でのチャ
ンバー２１０の密度のあるパッキングが可能となり、よ
って高解像度が実現される。

【００４４】本発明の付加的な利点は、約７ｍ/ｓｅｃ
という液滴速度は、低エネルギーで動作する先行技術で
の印字システムと比較して、記録媒体３０へ液滴を移動
させるための追加の手段を必要としない速度であること
にある。

【００４５】本発明はその発明の特定な好ましい実施態
様を参照して詳細に説明したが、変更態様を実施できる
ことは理解できるであろう。例えば、インク体２２０は
室温で液体状態である必要はない。つまり、固体の「ホ
ットメルト」型インクも利用可能であり、必要ならばプ
リントヘッド１５０及びインク貯蔵容器１３０を、かか
る固体「ホットメルト」型インクの融点以上に加熱して
利用することもできる。別の例としては、システム１０
は変換器と、必要ならば同じ装置で表面張力を減少させ
る薬剤注入機構と組合わせたヒータとを含むこともでき
る。この薬剤は表面張力の減少を促進し、液滴分離を向
上させる。

【００４６】したがって、提供するものは、記録媒体に
画像形成する画像形成システムとその方法であり、シス
テムは複数の微細加工されたインク通路ピストンを有す
るプリントヘッドを具備し、そのシステムとプリントヘ
ッドの組立方法を提供する。

【００４７】明細書は本発明の客体を特に指摘し、明白
に主張する特許請求の範囲にまとめられるが、本発明は
添付図面を参照して、上記の詳細な説明から理解され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施態様のプリントヘッドを具
備する画像形成システムの機能性ブロック図を示す。

【図２】プリントヘッドに形成された複数のインク通路
を具備するプリントヘッドの垂直断面図を示し、各通路
にはインク通路を加圧減圧する微細加工されたインク通
路ピストンを具有する。

【図３】各通路と関連するプリントヘッドの垂直断面図
を示し、ノズルはその中にインク体を有しており、イン
クメニスカスはインク体に連続している。

【図４】ノズルから外に向かって膨張するインクメニス
カスを示すプリントヘッドノズルの垂直断面図を示し、
更に、ノズルを囲繞し、膨張したインクメニスカスと熱
移動で連通するヒータを示し、膨張したインクメニスカ
スの表面張力を低下させて、ノズルから膨張したインク
メニスカスを分離させる。

【図５】表面張力が低下するにつれてノズルから外に向
かって膨張するメニスカスを更に有するノズルの垂直断
面図を示す。

【図６】ノズルの断面図を示し、メニスカスはノズルか
らの切断作用を受けていることを示し、通常長楕円形の
液滴が得られる。

【図７】ノズルの断面図を示し、メニスカスはノズルか
ら切断され、記録媒体に向かって移動する通常球形のイ
ンク液滴が形成される。

【図８】プリントヘッドの組立中のプリントヘッドの垂
直断面図を示す。

【図９】プリントヘッドの組立中のプリントヘッドの垂
直断面図を示す。

【図１０】プリントヘッドの組立中のプリントヘッドの
垂直断面図を示す。

【図１１】本発明に係る第二の実施態様のプリントヘッ
ドの垂直断面図を示す。

【図１２】本発明に係る第三の実施態様のプリントヘッ
ドの垂直断面図を示す。

【符号の説明】

１９０ ノズル １９５ 基板 ２００ インク液面 ２１０ チャンバー ２２０ インク体 ２３０ オリフィス ２４０ インクメニスカス ２５０ ピストン ２５１ 駆動源 ２５２ プレート ２５３ 膜 ２５４ 弾性シール ２５６ メニスカス

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ） 所定の表面張力を有するインク
   メニスカス（２４０、２５６）がインク体（２２０）か
   ら膨張するようにインク体に瞬間的に加圧するピストン
   （２５０）と、 （ｂ） 前記インクメニスカスがインク体から膨張して
   いる間に、メニスカスの表面張力を低下させる前記ピス
   トンと関連するインク液滴分離体（２７０）とからな
   り、よって表面張力が低下している間に、前記液滴分離
   体がインク体からメニスカスを分離させてインク液滴を
   形成させる画像形成システム。
2. 【請求項２】 （ａ） チャンバー（２１０）と連通
   し、インク体と接続した所定の表面張力のインクメニス
   カスを受容するノズルオリフィス（２３０）を有し、イ
   ンク体を保持するチャンバーを画成するノズル（１９
   ０）と、 （ｂ） インク体を交互に加圧減圧にするようにインク
   体と液体で連通し、インク体は交互に加圧減圧されると
   きにインク体は振動し、インク体が夫々加圧減圧される
   ときにメニスカスは膨張及び収縮する可振ピストン（２
   ５０）と、 （ｃ） メニスカスがオリフィスから膨張する間にメニ
   スカスの表面張力を低下させ、前記ピストンと関連した
   液滴分離体とからなり、 よってメニスカスがオリフィスから膨張するにつれて、
   前記分離体はメニスカスの表面張力を低下させ、前記表
   面張力が所定の値に低下したときにメニスカスが選択さ
   れたオリフィスから分離されるインクジェット画像形成
   システム。
3. 【請求項３】 （ａ）夫々のノズルと関連したインク体
   を受容する複数の液滴噴射ノズルと、 （ｂ） 前記インク体のインクを常圧以上の圧力に脈動
   させて、断続的に膨張メニスカスを生じさせるピストン
   と、 （ｃ） インクを非選択ノズルに保持させながら、メニ
   スカスが膨張してインク体からインクを液滴として、選
   択されたノズルから離れるときに、所定のノズルのメニ
   スカスに選択的に動作する液滴分離体とからなるドロッ
   プオンデマンド型プリントヘッド。
4. 【請求項４】 画像形成システムの組立方法であって、 （ａ） 所定の表面張力を有するインクメニスカスがイ
   ンク体から膨張するようにインク体に瞬間的に加圧する
   ピストンを設け、 （ｂ） メニスカスがインク体から膨張する間に、メニ
   スカスの表面張力を低下させるピストンと関連するイン
   ク液滴分離体を設ける段階からなり、 よって表面張力が低下している間に、前記液滴分離体が
   インク体からメニスカスを分離させてインク液滴を形成
   させる方法。
5. 【請求項５】 インクジェット画像形成システムの組立
   方法であって、 （ａ） チャンバーと連通し、インク体と接続した所定
   の表面張力のインクメニスカスを受容するノズルオリフ
   ィスを有し、インク体を保持するチャンバーを画成する
   ノズルを設け、 （ｂ） インク体を交互に加圧減圧にするようにインク
   体と液体で連通し、インク体は交互に加圧減圧されると
   きにインク体は振動し、インク体が夫々加圧減圧される
   ときにメニスカスは膨張及び収縮する可振ピストンを設
   け、 （ｃ） メニスカスがオリフィスから膨張する間にメニ
   スカスの表面張力を低下させ、前記ピストンと関連した
   液滴分離体を設ける段階からなり、 よってメニスカスがオリフィスから膨張するにつれて、
   前記分離体はメニスカスの表面張力を低下させ、前記表
   面張力が所定の値に低下したときにメニスカスが選択さ
   れたオリフィスから分離される方法。
6. 【請求項６】 ドロップオンデマンド型プリントヘッド
   の組立方法であって、 （ａ） 夫々のノズルと関連したインク体を受容する複
   数の液滴噴射ノズルを設け、 （ｂ） 前記インク体のインクを常圧以上の圧力に脈動
   させて、断続的に膨張メニスカスを生じさせるピストン
   を設け、 （ｃ） インクを非選択ノズルに保持させながら、メニ
   スカスが膨張してインク体からインクを液滴として、選
   択されたノズルから離れるときに、所定のノズルのメニ
   スカスに選択的に動作する液滴分離体を設ける段階から
   なる方法。