JP2006507149A - 原子番号の小さい元素により形成されたヒーターを備えたサーマルインクジェットプリントヘッド - Google Patents
原子番号の小さい元素により形成されたヒーターを備えたサーマルインクジェットプリントヘッド Download PDFInfo
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Abstract
Description
図1〜4を参照すると、本発明の一実施形態によるプリントヘッドのユニットセル1はノズル3を内部に備えたノズル板2を備え、ノズルはノズルリム4と、ノズル板の中に広がるアパーチャ5とを有する。ノズル板2は、次にエッチングされる犠牲材料の上に、化学気相成長法(CVD)を用いて、堆積された窒化ケイ素構造体からプラズマエッチングされる。
本発明の一実施形態によるプリントヘッドの製造プロセスの関連部分が図6〜29を参照して説明される。
図30を再参照すると、上記のような図示されたユニットセル1は、壁6とノズル板2の一部が切り取られ、チャンバ7の内部が示されている。図示されたヒーター14は切り取られていないので、ヒーター素子10の両方の半分が見える。
以下では、適切な見出しの下に、本発明の実施形態のある種の具体的な特徴とこれらの特徴の効果が検討される。これらの特徴は、コンテキストがある種の図面を特に除外し、特に言及された図面に関係しない限り、本発明に属する図面のすべてに関連して考慮されるべきである。
図1を参照すると、既に記載したように、ヒーター素子10は吊り梁の形であり、インク11(泡形成液体)の少なくとも一部分(11.1で示される)の上に吊される。素子10はこのようにして構成され、Hewlett Packard(ヒューレットパッカード)、Canon(キャノン)、及びLexmarkレックスマークのような様々な製造業者によって作られた既存のプリントヘッドシステムにおける場合のように、基板の一部を形成し、又は基板に埋め込まれるのではない。これは本発明の実施形態と従来のインクジェットテクノロジーとの間の重大な差異となる。
今検討中の特徴は、インク11に泡12を形成し、ノズル3を通してインク液滴16を射出するため十分に素子を加熱するために素子に印加する必要があるエネルギーが500ナノジュール(nJ)未満であるように、ヒーター素子10が構成されることである。好ましい一実施形態において、所要エネルギーは300nJ未満であり、さらなる一実施形態では、エネルギーは120nJ未満である。
本発明のこの特徴によれば、気泡12を形成してインク11の液滴16を射出するためにヒーター素子10に印加されたエネルギーは、射出された液滴自体によって除去されたエネルギーと、インク貯蔵室(図示せず)からプリントヘッドへ取り込まれたインクとの組み合わせによって、プリントヘッドから除去される。この結果として、熱の正味の「移動」はプリントヘッドから外向きであり、自動冷却を提供する。これらの状況下で、プリントヘッドはその他の冷却システムを必要としない。
本発明のこの特徴は、プリントヘッドのノズル3の単位面積当たりの密度に関係する。図1を参照すると、ノズル板2は上側表面50を有し、本発明のこの態様はその表面上のノズル3のパッキング密度に関係する。より詳細には、その表面50上のノズル3の面積密度は、表面積1平方cm当たりのノズル数が10000台以上である。
この特徴によれば、ヒーター14は、泡12がインク11(泡形成液体)内で形成されるときに、泡がヒーター素子10の両側に形成されるように構成される。好ましくは、泡は、ヒーター素子10が吊り梁の形であるならば、ヒーター素子10を取り囲むように形成される。
上記のように、泡12が本発明の一実施形態によるプリントヘッド内に形成された後、泡は崩壊点17へ向かって壊れる。ここで取り扱われる特徴によれば、ヒーター素子10は、泡12を形成し、泡が崩壊するときに向かう崩壊点17はヒーター素子から離れた位置であるように構成される。好ましくは、プリントヘッドは、このような崩壊点17に固体材料が存在しないように構成される。このようにして、従来技術のサーマルインクジェット装置において重大な問題であるキャビテーションは大部分が取り除かれる。
各ユニットセル1のノズルアパーチャ5はノズル板2を貫通し、ノズル板は、このようにして、化学気相成長法(CVD)により形成された構造体を構成する。様々な好ましい実施形態において、CVDは窒化ケイ素、二酸化ケイ素、又はオキシナイトライドである。
1.チャンバ7の小さいサイズ
2.ノズル3及びチャンバ7の正確な製造
3.低い液滴速度における液滴射出の安定性
4.ノズル3の間の非常に低い流体クロストーク及び熱クロストーク
5.泡面積に対する最適ノズルサイズ
6.薄い(2ミクロンの)ノズル3の中の低い流体抗力
7.入口9を通るインク射出を原因とする低い圧力損失
8.自己冷却動作
が含まれる。
CVDによるノズル板2の形成に関して、その観点で記載された効果と共に説明したように、本発明におけるノズル板は従来技術よりも薄い。より詳細には、ノズル板2は10ミクロンの厚さよりも薄い。好ましい一実施形態において、各ユニットセル1のノズル板2は5ミクロンの厚さよりも薄く、別の好ましい実施形態では、それは2.5ミクロンの厚さよりも薄い。実際上、ノズル板2の好ましい厚さは2ミクロンの厚さである。
この特徴によれば、複数台のヒーター素子10が各ユニットセル1のチャンバ7内に配置される。図6〜31に関して説明したリソグラフィックプロセスによって形成された素子10は、それぞれの層に形成される。
この特徴は、少なくとも重量百分率で90%が50より小さい原子番号を有する1個以上の周期元素により構成される固体材料から形成されたヒーター素子10に関連する。好ましい一実施形態において、原子量は30よりも小さく、別の実施形態では、原子量は23よりも小さい。
E=ΔT×CP×VOL×ρ
によって示され、ΔTは温度差を示し、Cpは比熱容量であり、VOLは体積であり、ρは材料の密度である。密度は原子番号だけでは決まらないが、密度もまた格子定数の関数であるため、密度は当該材料の原子番号による影響を強く受けるので、以下で検討する特徴の主要な様相である。
この特徴は、インク内に泡12を発生させ、インク液滴16を射出させるために、泡形成液体(すなわち、本実施形態ではインク11)の沸点よりも高く加熱される各ヒーター素子の固体材料の質量が10ナノグラム未満になるように構成されたヒーター素子10に関連する。
この特徴は、絶縁保護コーティングによって覆われた各素子10に関連し、このコーティングは同時に素子の全面に塗布されるので、コーティングはシームレスである。コーティング10は、好ましくは、電気的に非伝導性であり、化学的に不活性であり、高い熱伝導率を有する。好ましい一実施形態において、コーティングは窒化アルミニウムからなり、別の実施形態では、コーティングはダイヤモンド・ライク・カーボン(DLC)からなり、さらに別の実施形態では、窒化ホウ素からなる。
上記のコンポーネントは、プリンタシステムで使用されるプリントヘッド組立体の一部を形成する。プリントヘッド組立体は、それ自体が、多数のプリントヘッドモジュール80を含む。これらの態様を以下で説明する。
図70を参照すると、本発明の一実施形態によるプリントヘッドシステム140を説明するブロック図が示されている。
Claims (47)
- 複数台のノズルと、
各ノズルに対応する少なくとも1台のそれぞれのヒーター素子と、
を備え、
各ヒーター素子が固体材料から作られ、原子比率でその固体材料の90%を超える量が、50未満の原子番号を有する少なくとも1つの周期元素により構成され、
各ヒーター素子が泡形成液体と熱接触するように設けられ、
各ヒーター素子が、前記泡形成液体内に気泡を形成し、これにより、当該ヒーター素子に対応する前記ノズルを通して射出可能な液体の液滴を射出させるため、前記泡形成液体の少なくとも一部分をその沸点よりも高い温度まで加熱するように構成され、
各ヒーター素子により形成される気泡が壊れやすく崩壊点を有し、各ヒーター素子が、形成された気泡の前記崩壊点が当該ヒーター素子から間隔をあけられるように構成される、
インクジェットプリントヘッド。 - 前記泡形成液体を前記ヒーター素子のそれぞれと熱接触させたまま保つように構成される、請求項1記載のプリントヘッド。
- ページに印刷し、ページ−幅プリントヘッドであるように構成される、請求項1記載のプリントヘッド。
- 前記原子番号が30よりも小さい、請求項1記載のプリントヘッド。
- 前記原子番号が23よりも小さい、請求項1記載のプリントヘッド。
- 各ヒーター素子が吊り梁の形であり、当該吊り梁が前記泡形成液体の少なくとも一部分と熱接触するように前記泡形成液体の上に吊される、請求項1記載のプリントヘッド。
- 各ヒーター素子が、前記泡形成液体内に前記気泡を形成し、これにより、前記液滴の射出を生じさせるため十分に当該ヒーター素子を加熱するために当該ヒーター素子に加えられるべき作動エネルギーが500ナノジュール(nJ)未満であるように構成される、請求項1記載のプリントヘッド。
- 周囲温度で前記泡形成液体の供給を受けるように構成され、
各ヒーター素子が、前記液滴の射出を生じさせるため前記一部分を加熱するためにそこへ加えることが必要であるエネルギーが前記液滴の体積に等しい前記泡形成液体の体積を前記周囲温度に等しい温度から前記沸点まで加熱するために必要とされるエネルギーよりも小さくなるように構成される、請求項1記載のプリントヘッド。 - 基板表面を有する基板を備え、
各ノズルが前記基板表面に開口するノズルアパーチャを有し、
前記基板表面に対する前記ノズルの面積密度が基板表面の1平方cmにつき10000台のノズルの面積密度を上回る、請求項1記載のプリントヘッド。 - 各ヒーター素子が前記ヒーター素子の対向する面に一対の平面的な表面を有し、前記ヒーター素子が前記平面的な表面のそれぞれが前記泡形成液体と熱接触し前記気泡が前記ヒーター素子の表面の両方で形成されるように吊される、請求項1記載のプリントヘッド。
- 化学気相成長法(CVD)によって形成された構造体を備え、前記ノズルが前記構造体に組み込まれる、請求項1記載のプリントヘッド。
- 厚さが10ミクロン未満である構造体を備え、前記ノズルが前記構造体に組み込まれる、請求項1記載のプリントヘッド。
- 複数台のノズルチャンバを備え、各ノズルチャンバがそれぞれのノズルに対応し、
前記複数台のヒーター素子が各チャンバ内に配置され、各チャンバ内の前記ヒーター素子が互いに異なるそれぞれの層に形成される、請求項1記載のプリントヘッド。 - 各ヒーター素子が固体材料を含み、前記泡形成液体の前記一部分を前記沸点よりも高い温度まで加熱し、前記液滴の射出を生じさせるため前記沸点よりも高い温度まで加熱される当該ヒーター素子の前記固体材料の質量が10ナノグラム未満である、請求項1記載のプリントヘッド。
- 各ヒーター素子が絶縁保護コーティングによって実質的に覆われ、各ヒーター素子の前記コーティングがシームレスであるように実質的に前記ヒーター素子の全面へ同時に塗布されている、請求項1記載のプリントヘッド。
- プリントヘッドを組み込むプリンタシステムであって、
前記プリントヘッドが、
複数台のノズルと、
各ノズルに対応する少なくとも1台のそれぞれのヒーター素子と、
を備え、
各ヒーター素子が固体材料から作られ、原子比率でその固体材料の90%を超える量が、50未満の原子番号を有する少なくとも1つの周期元素により構成され、
各ヒーター素子が泡形成液体と熱接触するように設けられ、
各ヒーター素子が、前記泡形成液体内に気泡を形成し、これにより、そのヒーター素子に対応する前記ノズルを通して前記泡形成液体の液滴を射出させるため、前記泡形成液体の少なくとも一部分をその沸点よりも高い温度まで加熱するように構成され、
各ヒーター素子により形成される気泡が壊れやすく崩壊点を有し、各ヒーター素子が、形成された気泡の前記崩壊点が当該ヒーター素子から間隔をあけられるように構成される、
プリンタシステム。 - 前記泡形成液体を前記ヒーター素子のそれぞれと熱接触させたまま保つように構成される、請求項16記載のシステム。
- ページに印刷し、ページ−幅プリントヘッドであるように構成される、請求項16記載のシステム。
- 前記原子番号が30よりも小さい、請求項16記載のシステム。
- 前記原子番号が23よりも小さい、請求項16記載のシステム。
- 各ヒーター素子が吊り梁の形であり、当該吊り梁が前記泡形成液体の少なくとも一部分と熱接触するように前記泡形成液体の上に吊される、請求項16記載のシステム。
- 各ヒーター素子が、前記泡形成液体内に前記気泡を形成し、これにより、前記液滴の射出を生じさせるため十分に当該ヒーター素子を加熱するために当該ヒーター素子に加えられるべき作動エネルギーが500ナノジュール(nJ)未満であるように構成される、請求項16記載のシステム。
- 前記プリントヘッドが周囲温度で前記泡形成液体の供給を受けるように構成され、
各ヒーター素子が、前記液滴の射出を生じさせるため前記一部分を加熱するためにそこへ加えることが必要であるエネルギーが前記液滴の体積に等しい前記泡形成液体の体積を前記周囲温度に等しい温度から前記沸点まで加熱するために必要とされるエネルギーよりも小さくなるように構成される、請求項16記載のシステム。 - 基板表面を有する基板を備え、
各ノズルが前記基板表面に開口するノズルアパーチャを有し、
前記基板表面に対する前記ノズルの面積密度が基板表面の1平方cmにつき10000台のノズルの面積密度を上回る、請求項16記載のシステム。 - 各ヒーター素子が前記ヒーター素子の対向する面に一対の平面的な表面を有し、前記ヒーター素子が前記平面的な表面のそれぞれが前記泡形成液体と熱接触し前記気泡が前記ヒーター素子の表面の両方で形成されるように吊される、請求項16記載のシステム。
- 化学気相成長法(CVD)によって形成された構造体を備え、前記ノズルが前記構造体に組み込まれる、請求項16記載のシステム。
- 厚さが10ミクロン未満である構造体を備え、前記ノズルが前記構造体に組み込まれる、請求項16記載のシステム。
- 複数台のノズルチャンバを備え、各ノズルチャンバがそれぞれのノズルに対応し、
前記複数台のヒーター素子が各チャンバ内に配置され、各チャンバ内の前記ヒーター素子が互いに異なるそれぞれの層に形成される、請求項16記載のシステム。 - 各ヒーター素子が固体材料を含み、前記泡形成液体の前記一部分を前記沸点よりも高い温度まで加熱し、前記液滴の射出を生じさせるため前記沸点よりも高い温度まで加熱される当該ヒーター素子の前記固体材料の質量が10ナノグラム未満である、請求項16記載のシステム。
- 各ヒーター素子が絶縁保護コーティングによって実質的に覆われ、各ヒーター素子の前記コーティングがシームレスであるように実質的に前記ヒーター素子の全面へ同時に塗布されている、請求項16記載のシステム。
- 複数台のノズルを備えるプリントヘッドから泡形成液体の液滴を射出する方法であって、
各ノズルに対応する少なくとも1台のそれぞれのヒーター素子を備え、各ヒーター素子が固体材料から作られ、原子比率でその固体材料の90%を超える量が、50未満の原子番号を有する少なくとも1つの周期元素により構成された、前記プリントヘッドを準備するステップと、
少なくとも1台の加熱されたヒーター素子と熱接触する泡形成液体の少なくとも一部分を前記泡形成液体の沸点よりも高い温度まで加熱するため、ノズルに対応する少なくとも1台のヒーター素子を加熱するステップと、
前記加熱するステップによって、前記泡形成液体内に気泡を発生させるステップと、
前記気泡を発生させるステップによって、前記少なくとも1台の加熱されたヒーター素子に対応する前記ノズルを通して前記泡形成液体の液滴を射出させるステップと、
前記加熱されたヒーター素子から間隔をあけられた崩壊点の方に向かって前記気泡を破壊するステップと、
を含む方法。 - 前記加熱するステップの前に、前記ヒーター素子と熱接触する前記泡形成液体を配置するステップを含む、請求項31記載の方法。
- 前記プリントヘッドを準備するステップにおいて、前記原子番号が30よりも小さい、請求項31記載の方法。
- 前記プリントヘッドを準備するステップにおいて、前記原子番号が23よりも小さい、請求項31記載の方法。
- 各ヒーター素子が吊り梁の形であり、
前記少なくとも1台のヒーター素子を加熱するステップの前に、前記ヒーター素子が前記泡形成液体の少なくとも一部分の上に位置付けられ、熱接触するように、前記泡形成液体を配置するステップをさらに含む、
請求項31記載の方法。 - 前記少なくとも1台のヒーター素子を加熱するステップが、500nJ未満の作動エネルギーを当該ヒーター素子のそれぞれに加えることにより実行される、請求項31記載の方法。
- 前記少なくとも1台のヒーター素子を加熱するステップの前に、前記プリントヘッドへの、周囲温度での、前記泡形成液体の供給を受けるステップを含み、
前記加熱するステップが、当該ヒーター素子のそれぞれに熱エネルギーを加えることにより実行され、
前記加えられる熱エネルギーが前記液滴の体積に等しい前記泡形成液体の体積を前記周囲温度に等しい温度から前記沸点まで加熱するために必要とされるエネルギーよりも小さい、請求項31記載の方法。 - 前記プリントヘッドを準備するステップにおいて、前記プリントヘッドが前記ノズルが配置される基板を含み、前記基板が基板表面を有し、前記基板表面に対する前記ノズルの面積密度が基板表面の1平方cmにつき10000台のノズルの面積密度を上回る、請求項31記載の方法。
- 各ヒーター素子が前記ヒーター素子の対向する面に一対の平面的な表面を有し、
前記気泡を発生させるステップにおいて、前記気泡が加熱された各ヒーター素子の前記平面的な表面の両方で発生させられる、請求項31記載の方法。 - 前記プリントヘッドを準備するステップが、化学気相成長法(CVD)によって構造体を形成する工程を含み、前記構造体がそこに前記ノズルを組み込む、請求項31記載の方法。
- 前記プリントヘッドを準備するステップにおいて、前記プリントヘッドが、厚さが10ミクロン未満で前記ノズルが組み込まれる構造体を有する、請求項31記載の方法。
- 前記プリントヘッドが複数台のノズルチャンバを備え、各ノズルチャンバがそれぞれのノズルに対応し、
前記プリントヘッドを準備するステップが、各チャンバ内の前記ヒーター素子が互いに異なるそれぞれの層に形成されるように、各チャンバに複数台の前記ヒーター素子を形成する工程をさらに含む、請求項31記載の方法。 - 各ヒーター素子が固体材料を含み、10ナノグラム未満の質量を有し、
前記少なくとも1台のヒーター素子を加熱するステップが、このようなヒーター素子のそれぞれの前記固体材料を前記沸点よりも高い温度まで加熱する工程を含む、請求項31記載の方法。 - 前記プリントヘッドを設けるステップが、コーティングがシームレスであるように、各ヒーター素子へ、実質的に各ヒーター素子の全面へ同時に、絶縁保護コーティングを塗布する工程を含む、請求項31記載の方法。
- 各ノズルがノズルアパーチャを有し、前記ノズルアパーチャを通って延びる軸を画成し、崩壊点が前記軸に配置され、
前記ヒーター素子が、当該ヒーター素子が前記軸から間隔をあけられるように構成され、請求項1記載のプリントヘッド。 - 各ノズルがノズルアパーチャを有し、前記ノズルアパーチャを通って延びる軸を画成し、前記ノズルが前記軸の周りに配置され、
崩壊点が前記軸に配置され、
前記ヒーター素子が、当該ヒーター素子が前記軸から間隔をあけられるように構成される、請求項16記載のシステム。 - 各ノズルがノズルアパーチャを有し、前記ノズルアパーチャを通って延びる軸を画成し、前記ノズルが前記軸の周りに配置され、
前記ヒーター素子が前記軸から間隔をあけられ、
前記気泡が前記軸に配置された崩壊点へ向かって壊れる、請求項31記載の方法。
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