JP2000355104A - 低漏出インク経路を有するインクジェット方式印刷ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加熱プレート上に直接形成されるインク経路
構造における隣接経路間の流体漏出を最小限にする、イ
ンクジェット方式印刷ヘッドを提供する。 【解決手段】 この印刷ヘッドは、発熱体３４、駆動回
路３２および各発熱体３４に電気パルスを選択的に印加
するための接点３１を含む接続リード３３のアレイを１
面に具備する加熱プレート２８と、加熱プレート表面、
駆動回路３２および接続リード３３を被覆し、発熱体３
４および接点３１は覆わない不動態化層１６と、不動態
化層１６に堆積され、接点３１を露出し、かつ、両端を
有する多数の平行な経路溝を形成するようにパターン形
成されるパターン形成可能な層２４と、穴２３を有する
カバープレート２２を含む。カバープレート２２は経路
溝によるインク経路および経路開放端によるノズル２７
を形成するようにパターン形成可能な層２４と整列およ
び接合されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェット方
式印刷機、詳細には、漏出(crosstalk)を最小限にする
ための幾何学形状を有するパターン形成可能なインク流
誘導経路構造を備えるサーマルインクジェット方式印刷
ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のサーマルインクジェット方式印刷
ヘッドの一例では、印刷ヘッドは２つの区分、すなわ
ち、加熱プレートおよび経路プレートより構成される。
何らかの幾何学的特長が、両プレートが接合された時
に、インク滴噴射のための所要の構成をなすような態様
で両プレートに形成される。例えば、米国特許出願第
４，７７４，５３０号は、間に薄膜絶縁層を挟み上部お
よび下部シリコン基板が一体に接合されている印刷ヘッ
ドを開示している。上部基板または経路プレートの片面
には多数の平行溝が設けられ、そこにエッチングによる
凹部が備わっている。下部基板または加熱プレートと接
合されると、溝および凹部はそれぞれ印刷ヘッドのイン
ク経路およびインク溜めとなる。溝は一端が開放され、
他方の端が閉鎖されている。経路の開放端は印刷ヘッド
ノズルとして機能する。経路の閉鎖端はインク溜めに密
接しており、薄膜層のパターン形成された凹部により流
通するように配置されている。各経路は、毛管作用によ
りインク溜めからインクが充填され、ノズルの上流に発
熱体が配設されている。各発熱体は、インクに瞬間的な
蒸気泡を発生させ、印刷ヘッドノズルからインク滴を噴
射させ、それらを記録媒体に推進させるためのデータ信
号を表現する電気パルスにより選択的にトリガ可能であ
る。また、薄膜層は、発熱体を露出させ、それにより蒸
気泡をより良好に含み、空気の吸い込みを予防するよう
に発熱体をピットに配置するようにパターン形成され
る。

【０００３】この印刷ヘッドの構成にはいくつかの短所
がある。例えば、シリコン経路プレートは、非直線状の
溝がより高い設計柔軟性を提供し、非三角形状のノズル
がインク滴の方向決定性を助成する場合、真っ直ぐな三
角形状の溝を形成するために異方性または方向依存性エ
ッチングされる。さらに、エッチングされたシリコン経
路プレートは、２枚のプレートの個別の加工および、そ
れらを接合する際の２枚のプレート間の極めて正確な整
列の必要性を意味する。シリコンは不透明であるので、
経路を分離し、内部のインクの漏れを防止するために必
要な表面領域の全部を接着剤が塗布されているかを判断
することが難しい。

【０００４】米国特許出願第５，１３２，７０７号は、
ポリマー材料により完全に取り囲まれている共面ノズル
のアレイをノズル面に備えるサーマルインクジェット方
式印刷ヘッドを開示している。インク経路、ノズルおよ
びインク溜めは、発熱体が第１の層のピットに配設さ
れ、経路およびインク溜め凹部がその上の第２の層に作
成されるように、加熱プレート上にＶａｃｒｅｌ（登録
商標）などのポリマー材料による２層を順次堆積させパ
ターン形成することによって形成される。カバープレー
トは、カバープレートと第３の層の両方を貫通し、イン
ク導入口として機能する穴を備える、同一のポリマー材
料による第３の層を有する。第３の層を備えるカバープ
レートは、カバープレート穴を第２の層のインク溜め凹
部と整列させ、第２の層と整列および接合され、印刷ヘ
ッドをなす。

【０００５】米国特許出願第５，１９８，８３４号は、
基板とオリフィス板との間に配設された隔壁を使用す
る、インク滴オンデマンドインクジェット方式プリンタ
またはペンの印刷ヘッドまたはペンを開示している。イ
ンクは隔壁に形成された経路で印刷ヘッドに流れる。隔
壁は、硬化した現像レジスト材料による２層に作成され
る。１層はソルダマスク材料であり、他方は光リソグラ
フィレジスト材料である。これら２層が一緒になり、イ
ンクによる化学浸食および、印刷ヘッドからのオリフィ
ス板の分離に抵抗する。

【０００６】１９９６年９月１２日出願の、「インクジ
ェット方式印刷ヘッドの製作方法およびその材料」と題
する、本発明と同一の譲受人に譲渡された係属中の米国
特許出願第０８／７１２，７６１号は、正方形または矩
形断面を有する液体インク用毛管経路を形成可能にする
インクジェット方式印刷ヘッド製作技法を開示してい
る。シリコンチップの主表面上に犠牲層が作られ、この
犠牲層が所定のインク経路によって形成されるボイドの
形でパターン形成される。永久材料より成る永久層が犠
牲層に施用され、犠牲層の表面の一部を露出させる均一
層を形成するように両方の層をポリシングした後、犠牲
層を除去し、開放されたインク経路を形成する。カバー
プレートをパターン形成された永久層に接合し、閉鎖イ
ンク経路を作成し、印刷ヘッドとなす。好ましい犠牲層
材料にはポリイミドが含まれ、好ましい永久層材料には
ポリエチレンエーテルが含まれる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、加熱
プレート上に直接形成されるインク経路構造を備え、前
記経路構造は隣接経路間の流体漏出を最小限にする、イ
ンクジェット方式印刷ヘッドを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の一面では、発熱
体、駆動回路および、各発熱体に電気パルスを選択的に
印加するための接点を含む接続リードのアレイを１面に
具備する加熱プレートであり、選択的に印加された各パ
ルスは印刷ヘッドからインク滴を噴射させるものであ
る、前記加熱プレートと、加熱プレート表面、駆動回路
および接続リードを被覆し、発熱体および接点は覆わな
い不動態化層と、不動態化層に堆積され、接点を露出
し、かつ、両端を有する多数の平行な経路溝を形成する
ようにパターン形成されるパターン形成可能な層であ
り、各経路溝は発熱体を備え、それを露出させており、
経路溝の一方の端は開放され、他方の端は閉鎖されてい
る、前記パターン形成可能な層と、穴を有し、経路溝に
よるインク経路および経路開放端によるノズルを形成す
るように前記パターン形成可能な層と接合されているカ
バープレートであり、前記穴はインク導入口およびイン
ク溜めを付与するように経路溝の閉鎖端と整列されてい
る、前記カバープレートとを具備する、低漏出経路構造
を有するインクジェット方式印刷ヘッドが提供される。

【０００９】本発明の１つの実施の形態では、カバープ
レート穴は、閉鎖端付近の経路溝の間の壁がインク溜め
として機能する空間に延展し、インク滴を噴射するイン
ク経路とインク滴を噴射しない隣のインク経路との間の
漏出を排除する幾何学形状を付与するような態様で、経
路溝の閉鎖端部分を露出させるに十分な大きさを有す
る。

【００１０】別の実施の形態では、開放端の反対側の経
路溝の端が、後に印刷ヘッドインク溜めの一部として機
能する共通凹部に接続される。さらに別の実施の形態で
は、共通凹部に接続される経路溝の端が、異なる距離で
共通凹部に延展する壁を有する。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に、本発明を添付図面を参照
して実施例によって説明する。図面において、同一の参
照番号は同一の要素を示している。

【００１２】図１に、ヒートシンク２６に装着され、印
刷ヘッドの前面２９およびそれに配置されたインク滴噴
射ノズル２７のアレイを見せるように向けられた、本発
明に従ったインクジェット方式印刷ヘッド１０の略等尺
図を示す。図２についても説明すれば、インク経路２０
を通る視線２−２で得られる図１の断面図であり、シリ
コン加熱プレート２８は、発熱体３４、破線により示さ
れた駆動回路３２、および、発熱体と駆動回路とを接続
し、ワイヤボンド２５によってプリント回路板３０と接
続された接点３１を有するリード３３を備える。プリン
ト回路板は、ノズルからインク滴を噴射するために発熱
体に電流パルスを選択的に印加する、プリンタのコント
ローラまたはマイクロプロセッサ（いずれも図示せず）
と接続されている。適格な駆動回路の一例は米国特許出
願第４，９４７，１９２号に記載されている。一般に、
加熱プレート上に下地層１４が形成され、その上に発熱
体、駆動回路およびリードが形成され、さらに、発熱体
および接点を露出させるようにパターン形成された不動
態化層１６が形成される。

【００１３】好ましい実施の形態は感光性ポリマー層を
有するが、インクにより浸食されないいずれのパターン
形成可能材料で十分であり、また、パターン形成可能材
料をパターン形成するには、反応性イオンエッチング
（ＲＩＥ）または光リソグラフィを含む、いずれのウェ
ットエッチングまたはドライエッチングプロセスが使用
できるであろう。感光性ポリマー材料は、感光性ポリマ
ー層２４を形成するために加熱プレート上に堆積され、
ノズルとして機能する開放端２７および閉鎖端２１を有
するインク経路２０を生じ、また、電気リードの接点３
１を露出させるように光リソグラフィによってパターン
形成される。ガラス、石英、ケイ素、ポリマーまたはセ
ラミック材料によるカバープレート２２は、貫通穴２３
を備え、パターン形成された感光性ポリマー層２４の表
面に適切な接着剤（図示せず）により接着される。カバ
ープレートの穴２３は、経路の閉鎖端２１の部分を露出
させ、その経路の閉鎖端部分２１と組合わされた時に印
刷ヘッドに適切なインク供給溜めを作るために適した大
きさを有する。インク溜めから経路２０へのインク流路
は矢印１９で示す。オプションのノズルプレート１２は
破線で示してあり、感光性ポリマー層２４の経路２０の
開放端２７と整列されたノズル１３を有する印刷ヘッド
前面２９と接着されている。

【００１４】米国特許補正第３２，５７２号、米国特許
出願第４，７７４，５３０号および同第４，９４７，１
９２号の開示と同様、本発明の加熱プレートは、シリコ
ンウエーハ（図示せず）でバッチ製造した後、印刷ヘッ
ド１０の部品として個別の加熱プレート２８に分割され
る。上記の特許に開示された通り、発熱体３４、駆動回
路３２および電気リード３３の多数の組が、最初に約１
〜５μｍの厚さである二酸化ケイ素といった下地層１４
で被覆された（１００個の）シリコンウエーハのポリシ
ングされた表面にパターン形成される。発熱体は、ホウ
化ジルコニウムといったいずれかの公知の抵抗性材料と
してよいが、例えば、米国特許出願第４，９４７，１９
３号に開示されたような、化学気相蒸着（ＣＶＤ）によ
って堆積させると同時に、駆動回路がモノリシックに作
成される、ドープされた多結晶性シリコンであることが
好ましい。その後、ウエーハは、駆動回路を含む二酸化
ケイ素層（図示せず）を形成するために洗浄および再酸
化される。さらに、燐添加ガラス層またはホウ素および
燐添加ガラス層（図示せず）が熱成長二酸化ケイ素層に
堆積され、表面を平坦化するために高温でリフローされ
る。周知の通り、発熱体と駆動回路との電気接続のバイ
アスを形成するためにフォトレジストが施用され、パタ
ーン形成され、さらに、電気リードを形成し、プリンタ
コントローラと接続されているプリント回路板とのワイ
ヤボンディング用接点を付与するためにアルミニウムメ
タライジングが施される。ポリイミド、ポリアリレンエ
ーテルケトン、ポリベンゾクサゾールまたはビスベンゾ
シクロブテン（ＢＣＢ）などといったいずれかの電気絶
縁性不動態化層１６が電気リードの上に約０．５〜２０
μｍの厚さで堆積され、発熱体および接点からは除去さ
れる。

【００１５】次に、ポリイミドまたはＢＣＢなどによる
オプションのピット層３６を、図８に図示し、米国特許
出願第４，７７４，５３０号に開示された通り、発熱体
のためのピット３８を作成するために堆積し、パターン
形成することができる。このオプションのピット層３６
は、感光性ポリマー層２４の堆積に先立って堆積され、
パターン形成される。しかし、４００スポット／インチ
（ｓｐｉ）以上の印刷用の間隔がとられたノズルを有す
る高解像度印刷ヘッドの場合、発熱体ピットは不要であ
るとわかっている。その理由は、その大きさのノズルお
よび経路からインク滴を噴射するために生成される蒸気
泡が空気を吸い込まなくなるからである。

【００１６】ヒータウエーハの形態が不均一である場
合、ウエーハは、米国特許出願第５，６６５，２４９号
に開示されたような、当業で公知の技法によってポリシ
ングが施される。その後、経路構造２４が作成される感
光性パターン形成可能なポリマー層が堆積される。前述
の１９９６年９月１２日出願の米国特許出願第０８／７
１２，７６１号に開示されたように、適格な経路材料
は、耐インク性であり、温度安定性を示し、相対的に堅
牢でありかつ容易にダイシング可能でなければならな
い。経路構造用の最も汎用的な材料は、ポリイミドまた
はポリアリレンエーテルケトン（ＰＡＥＫ）である。好
ましい実施の形態では、ポリイミドＯＣＧ７５２０（登
録商標）が使用されているが、ポリイミドは硬化した時
に約３０〜５０％収縮するので、発熱体ウエーハにポリ
イミドの層を堆積する際にはこの点を考慮しなければな
らない。ポリイミドの堆積後、経路の組のパターンおよ
び接点のパターンを有するマスクを用いて露光される。
パターン形成されたポリイミド経路構造層は現像され、
硬化される。１つの実施の形態では、経路構造の厚さは
３０μｍであるので、堆積される元の厚さは約６５μｍ
であり、これが硬化した時に約３３μｍまで収縮し、さ
らに、上述のヒータウエーハの表面をポリシングするた
めに用いた同じ技法により所定の３０μｍまでポリシン
グされる。１６μｍの経路構造厚さである実施の形態の
場合、堆積される元の厚さは約４０μｍでなければなら
ず、これが硬化した時に約２０μｍまで収縮し、所定の
１６μｍまでポリシングされる。パターン形成されたホ
リイミド層２４が硬化しポリシングされた後、ウエーハ
と同じ大きさであり多数の穴２３を備えるカバープレー
ト２２がポリイミド層と接合される。カバープレート２
２は経路２０の閉鎖体として機能し、カバープレート穴
２３は、カバープレートの貫通穴であり、インク溜めへ
のインク導入口としてだけでなくほとんどインク溜めと
して機能する。シリコンウエーハおよびウエーハと同径
のカバープレートならびにそれらに挟まれた経路構造
は、ダイシング操作によって多数の個別の印刷ヘッドに
分割される。ダイシング操作は、印刷ヘッドを分離する
だけでなく、印刷ヘッド前面２９を作成し、ノズル２７
を形成するために経路の一方の端を開放する。

【００１７】図３について説明すれば、パターン形成さ
れ、硬化およびポリシングされたポリイミド経路構造２
４を有する１個の加熱プレート２８を含むヒータウエー
ハの一部の略等尺図が示されている。カバープレートが
省略されているが、その穴２３は破線で示されているの
で、穴によって得られるインク導入口およびインク溜め
の経路閉鎖端２１に対する位置は判別できる。経路閉鎖
端部分およびカバープレート穴のこの幾何学形状が、経
路の閉鎖端部分を含みインク溜めを形成する。従って、
インク溜めに延展する経路壁の部分４５は、インクの蒸
気泡を形成するために発熱体に電気パルスが印加された
時に、インク滴の噴射およびインク溜めへの背圧を併発
させるバッフルとして作用する。この背圧は、インクを
隣の経路から上方へ流出させ、その経路のバッフル壁に
よりインク溜めへのインクの流れを生じさせる。相対的
に大きなカバープレート穴を備えるインク溜め部分は隣
の経路の閉鎖端部分を含む部分よりもはるかに低い流れ
抵抗となるので、基本的な還流路はそのインク溜めの穴
の部分になり、隣の経路にはならない。インクの還流を
防ぐ経路壁がなければ、隣の給電またはトリガされてい
ない経路のインクが著しく隆起し、流出し、ノズル２７
の周辺領域の印刷ヘッド１０の前面２９を濡らすであろ
う。このように、インク滴を噴射するノズルの隣または
真近のノズルが前面にインクを溢出させる傾向があり、
インク滴を噴射する２個のノズルの間に挟まれたトリガ
されていないまたは噴射しないノズルもインク滴の噴射
を生じる可能性がある。トリガされた経路による隣また
は真近のトリガされていないノズルに対するこの作用
を、「漏出」と称する。

【００１８】図４は図２と同様であるが、各種経路部分
が識別されている。６００ｓｐｉの印刷ヘッドの好まし
い実施の形態では、カバープレートの厚さは約２５〜５
００μｍであり、穴は、全部の経路に及ぶに十分な長さ
である細長い穴であり、その幅Ｗは１００〜１０００μ
ｍである。経路構造２４の厚さＴは約１６〜３０μｍで
あり、１つの実施の形態において経路断面が約３０μｍ
×３０μｍとなるように、経路幅は約３０μｍである。
周波数応答は、約５０μｍである背部経路長Ｒによって
制御される。経路の後端部Ｏつまり、インク溜めに延展
しその一部となる閉鎖端部の部分は、それが過度に小さ
い場合、経路の再充填に影響するが、十分に大きい穴の
場合、そのパラメータはインク滴の噴射または再充填に
何ら影響を及ぼさない。後端部Ｏの十分な寸法は、約２
５μｍ以上である。所要の再充填パラメータおよび漏出
の管理は、寸法Ｒ，ＯおよびＴを調整することによって
得られる。発熱体は、長さ（Ｈ）が約５０〜１００μ
ｍ、幅が約２５μｍである。発熱体は、ノズルまたは前
面から上流方向に約４０〜９０μｍ、好ましくは５０μ
ｍである寸法Ｆの間隔がとられている。破線で示したオ
プションのノズルプレート１２は、厚さ約５０μｍであ
り、印刷ヘッド前面の各ノズル２７について円錐ノズル
１３を備える。円錐ノズルは整列され、経路の軸４０と
一致する各自の軸４２を有する。ノズル１３の外部口は
直径約１７μｍであり、ノズル２７に隣接する内部口の
直径は約２６μｍである。

【００１９】図５は図２と同様の図であるが、カバープ
レートの代替的な実施の形態を示している。この実施の
形態では、カバープレート２２’にシリコン基板が使用
され、方向依存性エッチング（ＯＤＥ）によって形成さ
れる穴２３’を有する。このエッチングは、経路構造２
４に接合されるシリコンカバープレート表面から行わ
れ、それによりインク溜めに異なる断面形状を作ること
ができる。

【００２０】図６について説明すれば、図３と同様の図
で経路構造２４の別の実施の形態が示されている。この
実施の形態では、経路端２１’が接続され、共通凹部４
１に開いている。経路２０の壁４５が、カバープレート
穴２３、共通凹部４２および、少なくとも２５μｍの距
離Ｏの経路端２１’の端部の組合せによって形成される
インク溜めに延展しているので、漏出は防止される。

【００２１】図７は、図６の経路構造２４の代替的な実
施の形態である。この印刷ヘッドの実施の形態では、経
路構造２４の部分平面図は、経路端２１’の経路壁４５
が、ＯおよびＯ’により示したカバープレート穴２３に
より形成されるインク溜め部分に延展する距離が異なっ
ていることを図示している。ここで、Ｏは少なくとも２
５μｍであり、Ｏ’はＯより大きい。インク溜めへの延
展部が異なる経路壁の組合せは、ある１群の経路の外部
経路の壁（図示せず）が介在する経路の壁よりもさらに
インク溜めに延展できるような場合に使用することがで
きる。

【００２２】図８は、図２と同様の断面図であるが、米
国特許出願第４，７７４，５３０号の教示によるピット
層３６を備えている。ピット層３６は、４００ｓｐｉ未
満の解像度である印刷ヘッドに有効であるが、高印刷解
像度の印刷ヘッドにも使用可能である。ピット層以外、
印刷ヘッドおよび製作方法は図１および図２の印刷ヘッ
ドと同様である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 インク滴噴射ノズルが見えるように向けた、
本発明に従った印刷ヘッドの略等尺図である。

【図２】 図１の視線２−２で得られる断面図である。

【図３】 カバープレートを外した図１の印刷ヘッドの
略等尺図である。

【図４】 インク経路の各部分間の寸法間隔を示す図２
と同様の図である。

【図５】 印刷ヘッドカバープレートの代替的な実施の
形態を示す図２と同様の図である。

【図６】 経路溝が共通凹部に開き、経路溝の壁が印刷
ヘッドインク溜めに延展している代替的な実施の形態を
示す図３と同様の図である。

【図７】 カバープレートを外して経路溝の壁が異なる
距離でインク溜めに延展している点を示す代替的な実施
の形態の印刷ヘッドの部分平面図である。

【図８】 本発明の別の実施の形態を示す図２と同様の
図である。

【符号の説明】

１０ インクジェット方式印刷ヘッド １２ ノズルプレート １３ ノズル １４ 下地層 １６ 不動態化層 ２０ インク経路 ２１ 閉鎖端 ２２ カバープレート ２３ 貫通穴 ２４ 感光性ポリマー層 ２５ ワイヤボンド ２６ ヒートシンク ２７ インク滴噴射ノズル ２８ シリコン加熱プレート ２９ 印刷ヘッドの前面 ３０ プリント回路板 ３１ 接点 ３２ 駆動回路 ３３ リード ３４ 発熱体 ３６ ピット層 ４１ 共通凹部 ４５ 壁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン・アール・アンドリュース アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14550 フェアポート ビタースイートロード 28 (72)発明者 デイル・アール・イムス アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14580 ウエブスター リトルポンドウエイ 926 Ｆターム(参考） 2C057 AF65 AF69 AF93 AG46 AG85 AP02 AP11 AP47 AP51 AQ02 BA05 BA13

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 漏出を最小限にするパターン形成可能な
   インク経路構造を有するインクジェット方式印刷ヘッド
   であって、 発熱体、駆動回路および、各発熱体に電気パルスを選択
   的に印加するための接点を含む接続リードのアレイを１
   面に具備する加熱プレートであり、選択的に印加された
   電気パルスの各々は印刷ヘッドからインク滴を噴射させ
   るものである、前記加熱プレートと、 加熱プレート表面、駆動回路および接続リードを被覆
   し、発熱体および接点は覆わない不動態化層と、 不動態化層に堆積され、接点を露出し、かつ、両端を有
   する多数の平行な経路溝を形成するようにパターン形成
   されるパターン形成可能な層であり、各経路溝は発熱体
   を備え、それを露出させており、経路溝の一方の端は開
   放され、他方の端は閉鎖されている、前記パターン形成
   可能な層と、 穴を有するカバープレートであり、前記カバープレート
   は経路溝によるインク経路および経路開放端によるノズ
   ルを形成するように前記パターン形成可能な層と整列お
   よび接合されており、前記穴は経路溝の閉鎖端と整列さ
   れ、それにより前記穴および経路閉鎖端が印刷ヘッドの
   インク溜めを形成し、前記穴が前記インク溜めへのイン
   ク導入口となる、前記カバープレートとを含むインクジ
   ェット方式印刷ヘッド。
2. 【請求項２】 、前記カバープレート穴が、経路溝の間
   の壁が前記穴の下の空間に延展するような態様で前記経
   路溝の閉鎖端部分を露出させるに十分な大きさであり、
   また、前記インク溜めの一部としての前記閉鎖端部分は
   印刷ヘッドが印刷する際に経路間の漏出を防止するため
   にインク溜め内のバッフルとして機能する経路壁を有す
   る請求項１記載の印刷ヘッド。