JP2006507153A - 低質量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

Abstract

複数台のノズルと各ノズルに対応する１台以上のヒーター素子（１０）とを備えるインクジェットプリントヘッドが開示される。各ヒーター素子（１０）が、プリントヘッド内で泡形成液体をその沸点よりも高い温度まで加熱し、その内部に気泡を形成するように構成される。気泡の発生は、それぞれの対応したノズル（３）を通る（インクのような）射出可能な液体の液滴の射出を生じさせ、印刷を行う。各ヒーター素子は固体材料を含み、加熱されたときに、その固体材料の１０ナノグラム未満の質量が泡形成液体を加熱するため加熱されるように構成される。

Description

本発明は、サーマルインクジェットプリントヘッド、このようなプリントヘッドを組み込むプリンタシステム、及びかかるプリントヘッドを使用して（インク液滴のような）液滴を射出する方法に関する。

本発明は、泡形成液体内に気泡又は水蒸気泡を形成することによるインク液滴の射出に関連する。この原理は、一般的に下記の特許文献１に記載されている。

様々なタイプのサーマルインクジェットプリントヘッド装置が知られている。一方がＨｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ（ヒューレットパッカード（商標））社製であり、もう一方がＣａｎｏｎ（キャノン（商標））社製であるこのタイプの２つの典型的な装置は、インク射出ノズルと、ノズルに隣接したインク貯蔵チャンバとを有する。各チャンバはいわゆるノズル板によって覆われ、このノズル板は個別に作られた製品であり、チャンバの壁に機械的に固定される。ある種の従来技術の装置では、天板はＤｕｐｏｎｔ（デュポン（商標））社の商標名がＫａｐｔｏｎ（商標）であるポリイミド膜から作られ、ノズルを形成するためレーザー穿孔された。これらの装置はまた、ノズルに隣接して配置されたインクと熱接触するヒーター素子を含み、インクを加熱し、これにより、インク内に気泡を形成する。気泡はインク液滴をノズルから射出させる圧力をインク内に発生させる。

本発明の目的は、従来のものに代わるものであり、以下に説明するような利点を有する有用なプリントヘッド、プリンタシステム、又はインク及びその他の関連した液体の液滴を射出する方法を提供することである。
米国特許公報第３７４７１２０号

本発明の第１の態様によれば、複数台のノズルと、各ノズルに対応し、固体材料を含む少なくとも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、当該ヒーター素子の上記固体材料の１０ナノグラム未満の質量が上記泡形成液体の沸点よりも高い温度まで加熱され、これにより、上記泡形成液体の少なくとも一部分を上記沸点よりも高い温度まで加熱して上記泡形成液体内に気泡を形成し、それによって、当該ヒーター素子に対応する上記ノズルを通して射出可能な液体の液滴を射出させるように構成される、インクジェットプリントヘッドが提供される。

本発明の第２の態様によれば、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、各ノズルに対応し、固体材料を含む少なくとも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、当該ヒーター素子の上記固体材料の１０ナノグラム未満の質量が上記泡形成液体の沸点よりも高い温度まで加熱され、これにより、上記泡形成液体の少なくとも一部分を上記沸点よりも高い温度まで加熱して上記泡形成液体内に気泡を形成し、それによって、当該ヒーター素子に対応する上記ノズルを通して射出可能な液体の液滴を射出させるように構成される、インクジェットプリントヘッドを組み込むプリンタシステムが提供される。

本発明の第３の態様によれば、複数台のノズルと、各ノズルに対応し、固体材料を含む少なくとも１台のそれぞれのヒーター素子とを備えるプリントヘッドから射出可能な液体の液滴を射出する方法であって、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ため、上記ノズルに対応する少なくとも１台のヒーター素子の上記固体材料の１０ナノグラム未満の質量を上記少なくとも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沸点よりも高い温度まで加熱するステップと、上記加熱するステップによって、上記泡形成液体内で気泡を発生させるステップと、上記気泡を発生させるステップによって、上記少なくとも１台の加熱されたヒーター素子に対応する上記ノズルを通して上記射出可能な液体の液滴を射出させるステップと、を含む方法が提供される。

当業者によって理解されるように、本明細書に記載されるような射出可能な液体の液滴の射出は、本実施形態においては、射出可能な液体と同じ液体の本体である泡形成液体内の気泡の発生によって引き起こされる。発生させられた泡は射出可能な液体内の圧力を増加させ、この圧力増加が液滴を関連したノズルの中に通す。泡はインクと熱接触したヒーター素子のジュール熱によって発生される。ヒーターに印加される電気パルスは間隔が短く、典型的に２ミリ秒未満である。液体に蓄積された熱のために、泡はヒーターパルスが止められた後の数ミリ秒に亘って膨張する。蒸気が冷えると、再び凝結し、泡が壊れる。泡はインクの慣性と表面張力の動的な相互作用によって決まるポイントまで壊れる。本明細書では、このようなポイントは泡の「崩壊点」と呼ばれる。

本発明によるプリントヘッドは、複数台のノズルと、そして、各ノズルに対応するチャンバ及び１台以上のヒーター素子とを備える。１台のノズル、そのチャンバ、及びその１台以上の素子に属するプリントヘッドの各部分は、本明細書中、「ユニットセル」と呼ばれる。

本明細書では、互いに熱接触する部品が参照されるが、これは、部品が、それ自体は、互いに物理的に接触していなくても、一方の部品が加熱されるときに、もう一方の部品を加熱することができるように、それらの部品が互いに相対的に位置付けられることを意味する。

また、用語「インク」はあらゆる射出可能な液体を示すため使用され、着色染料を含有する従来型のインクに限定されない。非着色インクの例には、固定剤、赤外線吸収インク、機能化学品、接着剤、生物流体、水、及びその他の溶剤等が含まれる。インク又は射出可能な液体は、また、必ずしも厳密に液体でなくてもよく、固体粒子の懸濁液体を含有してもよく、又は室温で固体であり、射出温度で液体でもよい。

本明細書中、用語「周期元素」は元素の周期律表に反映されたタイプの元素を示す。

以下では、本発明の好ましい実施形態を、一例としてのみ、添付図面を参照して説明する。

以下の説明中、種々の図面で使用される対応する参照番号、又は対応する参照番号のプレフィックス（すなわち、参照番号の小数点の前に現れる部分）は、対応する部分に関係する。基準番号には対応するプレフィックスと異なるサフィックスとが存在し、これらは対応する部分の異なる特定の実施形態を示す。

本発明の概略と一般的な動作の説明
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。

プリントヘッドは、また、各ノズル３に関して、ノズル板が担持される側壁６と、壁及びノズル板２によって画成されるチャンバ７と、多層基板８と、多層基板の中を通り基板の裏側（図示せず）まで延びる入口通路９とを含む。ループ状の細長いヒーター素子１０はチャンバ７内に吊り下げられるので、素子は吊り梁の形である。図示されるようなプリントヘッドは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）構造体であり、以下で詳述されるリソグラフィックプロセスによって形成される。

プリントヘッドが使用されているとき、インク１１は貯蔵庫（図示せず）から入口通路９を介してチャンバ７へ入るので、チャンバは図１に示されたレベルまで充填される。次に、ヒーター素子１０が１マイクロ秒よりも多少短い時間に亘って加熱され、その加熱は熱パルスの形式である。ヒーター素子１０はチャンバ７内のインク１１と熱接触するので、素子が加熱されるとき、インク内に気泡１２を発生させることがわかる。したがって、インク１１は泡形成液体の構成要素である。図１は、熱パルス発生の約１ミリ秒後における、すなわち、ちょうど泡がヒーター素子１０上に凝集されたときの泡１２の形成を示す。熱はパルスの形で加えられるので、泡１２を発生させるために必要な全エネルギーは短時間のうちに供給されるべきであることがわかる。

図３４を簡単に参照すると、以下で詳述されるように、リソグラフィックプロセス中に、プリントヘッドのヒーター１４（このヒーターは上記の素子１０を含む）を形成するマスク１３が示されている。マスク１３はヒーター１４を形成するため使用されるので、その様々な部分の形状は素子１０の形状に対応する。マスク１３は、したがって、ヒーター１４の様々な部分を識別するために役立つ基準を提供する。ヒーター１４は、マスク１３の１５．３４で指定される部分に対応する電極１５と、マスクの１０．３４で指定される部分に対応するヒーター素子１０とを有する。動作中に、電圧が電極１５の両端間に印加され、素子１０に電流を通す。電極１５は素子１０よりも遙かに厚いので、電気抵抗の大部分は素子によって与えられる。したがって、ヒーター１４を動かす際に消費される殆どすべての電力は素子１０によって散逸され、上記の熱パルスを生ずる。

素子１０が上記のように加熱されるとき、泡１２は素子の全長に沿って作られ、この泡は、図１の断面図では、断面図に示された素子部分のそれぞれに１個ずつの４個の泡部分として示されている。

泡１２は、一旦発生させられると、チャンバ７内の圧力を増加させ、この圧力増加は次にノズル３を通してインク１１の液滴１６を射出させる。リム４は、液滴１６が射出されたときに液滴を方向付けるので、液滴の方向の誤りの危険を最小限に抑える。

入口通路９ごとに１台のノズル３と１台のチャンバ７しか存在しない理由は、チャンバ内で発生される圧力波が、素子１０の加熱時及び泡１２の形成時に、隣接するチャンバ及びそれらの対応するノズルに影響を与えないようにするためである。

ヒーター素子１０が固体材料に埋め込まれるのではなく吊されることの利点は後述される。

図２及び３は、後の連続した２段階のプリントヘッドの動作時のユニットセル１を示す。泡１２がさらに発生し、したがって、成長し、その結果として、インク１１がノズル３を通って前進していることがわかる。図３に示されるように、成長したときの泡１２の形状は、インク１１の慣性力学と表面張力の組み合わせによって決まる。帳面張力は泡１２の表面積を最小化する傾向があるので、ある程度の量の液体が気化されるときまで、泡は基本的に円板状である。

チャンバ７内の圧力増加は、インク１１をノズル３から押し出すだけでなく、一部のインクを入口通路９から押し戻す。しかし、入口通路９は長さが約２００〜３００ミクロンであり、直径が約１６ミクロンしかない。したがって、かなりの粘性抵抗がある。その結果、チャンバ７内の圧力増加の圧倒的な影響は、インクを射出された液滴としてノズル３を通して押し出すことであり、入口通路９を通して押し戻すことではない。

次に図４を参照すると、さらに別の連続した動作段階におけるプリントヘッドが示され、液滴が離脱する前の「ネッキングフェーズ」中の射出されているインク液滴１６が示されている。この段階では、泡１２は既にその最大サイズに到達し、図５にさらに詳細に示されているように、崩壊点１７へ向かって壊れ始めている。

崩壊点１７へ向かう泡１２の崩壊は、崩壊点へ向かって、一部のインク１１をノズル３内部から（液滴の側面１８から）取り出し、一部を入口通路９から取り出す。このようにして取り出された大半のインク１１はノズル３から取り出され、液滴が離脱する前に液滴１６のベースに環状のネック１９を形成する。

液滴１６は、離脱するためには、表面張力に打ち勝つためのある程度の運動量を必要とする。インク１１が泡１２の崩壊によってノズル３から取り出されるとき、ネック１９の直径は減少するので、液滴を保持する総表面張力の量が減少し、その結果、液滴がノズルから射出されるときの液滴の運動量は液滴を離脱させることが十分に可能である。

液滴１６が離脱するとき、泡１２が崩壊点１７まで崩壊するので、矢印２０によって示されるようなキャビテーション力が生じる。なお、崩壊点１７の近傍には、キャビテーションが影響する可能性のある固体表面が存在しないことに注意する必要がある。

製造プロセス
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６を参照すると、Ｍｅｍｊｅｔプリントヘッドの一部であり、製造プロセスの中間段階におけるシリコン基板部２１を通る断面図が示されている。同図はユニットセル１に対応するプリントヘッドの一部に関係する。以下の製造プロセスの説明はユニットセル１についての説明であるが、このプロセスはプリントヘッド全体を構成する多数の隣接ユニットセルに適用されることが理解される。

図６は、製造プロセス中であって、基板部２１内の領域２２におけるＣＭＯＳ駆動トランジスタ（図示せず）の製作を含む標準的なＣＭＯＳ製作プロセスの終了後であり、かつ、標準的なＣＭＯＳ相互接続層２３及びパッシベーション層２４の完了後における、次の連続的なステップを示す。破線２５で示された配線は、トランジスタとその他の駆動回路（同様に図示せず）とノズルに対応したヒーター素子とを電気的に相互接続する。

保護リング２６は、インク１１が、ユニットセル１のノズルが形成される２７で示された領域から基板部２１を介して配線２５を含む領域まで拡散し、２２で示された領域に配置されたＣＭＯＳ回路を腐食することを防止するため、相互接続層２３のメタライゼーションに形成される。

ＣＭＯＳ製作プロセスの終了後の最初の段階は、パッシベーション凹部２９を形成するためにパッシベーション層２４の一部をエッチングする。

図８は、相互接続層２３のエッチング後に、開口部３０を形成するための製造段階を示す。開口部３０は、プロセスのもっと後で形成されるチャンバへのインク入口通路を構成する。

図１０は、ノズルが形成されるべき場所で基板部２１に孔３１をエッチングした後の製造段階を示す。製造プロセスのもっと後で、さらなる孔（破線３２で示される）が孔３１とつながるように基板部２１の反対側（図示せず）からエッチングされ、チャンバまでの入口通路を完成する。このように、孔３２は、遠く離れた基板部の反対側から相互接続層２３のレベルまでエッチングする必要がない。

逆に、孔３２が遠方から相互接続層２３までエッチングされなければならないならば、孔３２が領域２２内のトランジスタを破壊するまでエッチングされることを回避するため、孔３２は、エッチングの不正確さに対する適切な余白（矢印３４によって示される）を残すため、その領域からより遠い距離でエッチングされるべきである。しかし、基板部２１の上端からの孔３１のエッチングと、これにより短縮された孔３２の奥行きは、残されるべき余白３４をより小さくできること、及びノズルのパッキング密度を実質的に増加させ得ることを意味する。

図１１は４ミクロンの厚さの犠牲レジストの層３５が層２４に堆積した後の製造段階を示す。この層３５は孔３１を埋め、プリントヘッドの構造体の一部を形成する。レジスト層３５は、凹部３６及び溝部３７を形成するため、（図１２に示されたマスクによって表現されるような）ある種のパターンで露光される。これにより、製造プロセスの後の段階で形成されるヒーター素子の電極１５のための接点が作られる。溝部３７は、プロセスの後の段階で、チャンバ７の一部を画成するノズル壁６を作る。

図１３は、本実施形態では窒化チタンで作られた０．２５ミクロンの厚さのヒーター材料の層３８を層３５に堆積させた後の製造段階を示す。

図１４は、ヒーター素子１０及び電極１５を含むヒーター１４を形成するため、ヒーター層３８をパターニングしエッチングした後の製造段階を示す。

図１６は、約１ミクロンの厚さの別の犠牲レジスト層３９が加えられた後の製造段階を示す。

図１８は、第２のヒーター材料の層４０が堆積した後の製造段階を示す。好ましい一実施形態において、この層４０は、第１のヒーター層３８と同様に、０．２５ミクロンの厚さの窒化チタンで作られる。

図１９は、参照番号４１によって示された図のようなパターンを形成するためにエッチングされた後の第２のヒーター材料の層４０を示す。この説明図において、パターン付きの層はヒーター層素子１０を含まず、この意味において、ヒーター機能性をもたない。しかし、このヒーター材料の層は、ヒーター１４の電極１５の抵抗を低下させるために役立つので、動作中に、電極によって消費されるエネルギーが減少し、ヒーター素子１０はより大量のエネルギー消費が可能になり、したがって、ヒーター素子１０の効果を高めることが可能である。図３８に示された二重ヒーターの実施形態において、対応する層４０はヒーター１４を収容する。

図２１は、犠牲レジストからなる第３の層４２が堆積した後の製造段階を示す。この層の最上レベルは後で形成されるべきノズル板２の内側表面、したがって、ノズルアパーチャ５の内側範囲を構成するので、この層４２の高さは、プリントヘッドの動作中に、４３で示された領域内に泡１２を形成することを可能にさせるために十分でなければならない。

図２３は、最上層４４、すなわち、ノズル板２を構成する層が堆積した後の製造段階を示す。１００ミクロンの厚さのポリイミド膜から形成されるのではなく、ノズル板２はわずか２ミクロンの厚さの窒化ケイ素から形成される。

図２４は、ノズルリム４の外側部分を形成するように、層４４を形成する窒化ケイ素の化学気相成長（ＣＶＤ）が４５で示された場所で部分的にエッチングされた後の製造段階を示し、この外側部分は４１で示されている。

図２６は、ノズルリム４の形成を完了し、ノズルアパーチャ５を形成するために窒化ケイ素のＣＶＤが４６を通して幅広くエッチングされ、かつ、ＣＶＤ窒化ケイ素が必要とされない４７で示される場所で除去された後の製造段階を示す。

図２８はレジストの保護層４８が塗布された後の製造段階を示す。この段階の後、基板部２１は、基板部をその公称厚の約８００ミクロンから約２００ミクロンまで縮小し、次に、上記のように孔３２をエッチングするため、その反対側（図示せず）から研磨される。孔３２は、それが孔３１に達するような深さまでエッチングされる。

次に、レジスト層３５、３９、４２及び４８のそれぞれの犠牲レジスタが、一体的にチャンバ７を画成する壁６及びノズル板２を備えた（壁及びノズル板の一部が切り取られて図に示されている）図３０に示されるような構造体を形成するため、酸素プラズマを使用して除去される。なお、これは、孔３１を埋めるレジストを取り除くためにも役立つことに注意する必要があり、この孔は、孔３２（図３０に示されない）と一体となって、基板部２１の下方側からノズル３へ延びる通路を画成し、この通路がチャンバ７へ至る全体的に９で示されたインク入口通路としての役割を果たす。

上記の製造プロセスは図３０に示されたプリントヘッドの実施形態を製造するため使用されるが、様々なヒーター構造体を有するさらなるプリントヘッドの実施形態が図３３、図３５及び３７、並びに図３８及び４０に示されている。

インク液滴射出の制御
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。

動作中に、インク１１はインク入口通路９（図２８を参照）を通り、チャンバ７を満たす。次に、電圧が電極１５の両端間に印加され、ヒーター素子１０を通る電流の流れを定める。これは、図１に関して説明したように素子１０を加熱し、チャンバ７内のインクに気泡を形成する。

ヒーター１４について考えられる様々な構造体は、そのうちの一部が図３３、３５、３７及び３８に示されているが、ヒーター素子１０の長さと幅の比率に多様な変化を与えることが可能である。このような変化は（たとえ、素子１０の表面積が同じであるとしても）、素子の電気抵抗に、したがって、素子のある種の電力を実現するための電圧と電流の間のバランスに重大な影響がある。

最新型の駆動電子コンポーネントは、従来型よりも所要の駆動電力が小さく、「オン」状態の駆動トランジスタの抵抗が小さいという傾向がある。したがって、このような駆動トランジスタにおいて、一定のトランジスタ面積に対して、各プロセス内の電流能力が増加し、電圧許容値が低下する傾向がある。

上記の図３６は、図３５に示されたプリントヘッドの実施形態のヒーター構造体を形成するマスクの形状を平面図で示す。したがって、図３６はその実施形態のヒーター素子１０の形状を表現するので、ヒーター素子を説明する際に参照される。動作中に、電流は電極１５へ垂直に流れるので（１５．３６で示された部分によって示される）、電極の電流フロー面積はかなり広く、その結果として、電気抵抗が小さくなる。これに対して、１０．３６によって示された部分により図３６に表現されている素子１０は、長く、かつ、薄く、本実施形態の素子の幅は１ミクロンであり、厚さは０．２５ミクロンである。

図３３に示されたヒーター１４は図３５に示された素子１０よりも著しく小さい素子１０を有し、単一のループ３６しか持たないことに注意すべきである。したがって、図３３の素子１０は、図３５の素子１０よりも非常に小さい電気抵抗を有し、かつ、より大きい電流の流れを許容する。その結果として、所定のエネルギーを所定の時間内にヒーター１４へ送るために要する駆動電力が小さい。

図３８では、これに対して、図示された実施形態は、同じユニットセル１に対応する２台のヒーター素子１０．１及び１０．２を有するヒーター１４を含む。これらの素子の一方１０．２はもう一方の素子１０．１の２倍の幅があり、それに応じて表面積が広い。下方の素子１０．２の様々なパスは幅が２ミクロンであり、上方の素子１０．１の様々なパスは幅が１ミクロンである。したがって、下方の素子１０．２によってチャンバ７内のインクに印加されるエネルギーは、所定の駆動電力及びパルス間隔で上方の素子１０．１によって印加されるエネルギーの２倍である。これは、気泡のサイズ、したがって、泡によって射出されるインク液滴のサイズの調整を可能にする。

上方の素子１０．１によってインクに印加されるエネルギーがＸであると仮定すると、下方の素子１０．２によって印加されるエネルギーは約２Ｘであり、２台の素子が一体となって印加するエネルギーは約３Ｘであることがわかる。勿論、どちらの素子も動作していないときに印加されるエネルギーはゼロである。したがって、実際上、２ビットの情報が１台のノズル３を用いて印刷される。

上記のエネルギー出力の倍率は実際には正確に達成されないので、素子１０．１及び１０．２の正確なサイジング、又はそれらの素子に印加される駆動電圧のある程度の「微調整」が必要である。

同様に、上方の素子１０．１は下方の素子１０．２に対して垂直軸の周りに１８０°回転させられることに注意すべきである。このため、それらの電極１５は一致せず、別個の駆動回路へ独立に接続することが可能である。

特定の実施形態の特徴及び効果
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。

吊り梁ヒーター
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。

この特徴の主要な効果は、従来技術の装置において行われる、ヒーター素子１０を取り囲む不必要な固体材料（例えば、チャンバ壁６を形成し、入口通路９を取り囲む固体材料）の加熱を回避することによって、より高い効率が達成されることである。このような固体材料の加熱は気泡１２の形成に寄与しないので、このような材料の加熱はエネルギーの浪費を伴う。泡１２の発生に有意に寄与する唯一のエネルギーは、加熱されるべき液体に直接加えられるエネルギーであり、この液体は典型的にインク１１である。

好ましい一実施形態では、図１に示されるように、ヒーター素子１０はインク１１（泡形成液体）内に吊されるので、この液体は素子を取り囲む。これはさらに図４１に示されている。別の可能な実施形態では、図４２に示されるように、ヒーター素子１０のビームはインク（泡形成液体）１１の表面で吊されるので、この液体は、素子を取り囲むのではなく、素子よりも下だけに存在し、素子の上方側には空気が存在する。図４１に関して記載された実施形態は、泡が素子よりも下だけに形成される図４２に関して記載された実施形態とは異なり、泡１２が素子１０の周囲全体に形成されるので好ましい。したがって、図４１の実施形態は、より効率的な動作を提供する可能性が高い。

例えば、図３０及び３１を参照してわかるように、ヒーター素子１０のビームは片側だけで支持され、その反対側では自由にされているので、このビームは片持ち梁を構成する。

プリントヘッドの効率
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。

当業者に認められるように、従来技術の装置は一般に、気泡１２を発生させてインク液滴１６を射出するため十分に素子を加熱するためには５マイクロジュール以上を必要とする。したがって、本発明の所要エネルギーは従来のサーマルインクジェットシステムの所要エネルギーよりもオーダーが１桁少ない。この消費エネルギーの削減は、動作コストの削減、電源の小型化などを可能にするが、また、プリントヘッド冷却を大幅に簡単化し、ノズル３の高密度化を可能にし、より高解像度での印刷を可能にする。

これらの本発明の効果は、以下で詳述されるように、個々の射出されたインク液滴１６がそれ自体でプリントヘッドの主要な冷却機構となる実施形態において特に重要である。

プリントヘッドの自己冷却
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。

射出されたインク液滴１６と、射出された液滴を補充するためプリントヘッドに引き込まれるインク１１の量は、同じタイプの液体によって構成され、基本的に同じ質量からなるので、エネルギーの正味の移動を、一方で、素子１０の加熱によって加えられたエネルギーとして、他方で、インク液滴１６の射出とインク１１の補充量の取り入れとから生じる熱エネルギーの正味の除去として表現すると都合がよい。インク１１の補充量が周囲温度であると仮定すると、射出されたインクとインクの補充量の正味の移動によるエネルギーの変化は、射出される液滴１６の温度を、もしその温度が周囲温度であるならば、液滴が射出されるときの実際の温度まで上昇させるために必要となる熱として表現できるので都合がよい。

上記の規準が満たされるかどうかの判定は、何が周囲温度を構成するかということに依存することがわかる。本例では、周囲温度であると見なされる温度は、インク１１がプリントヘッドの入口通路９に流体連通状態で接続されたインク貯蔵庫（図示せず）からプリントヘッドへ入るときの温度である。典型的に、周囲温度は、通常およそ２０℃（摂氏）である室温である。

しかし、周囲温度は、例えば、室温がより低いならば、又はプリントヘッドへ入るインク１１が冷却されているならば、もっと低くてもよい。

好ましい一実施形態において、プリントヘッドは、完全な自己冷却を実現するように設計される（すなわち、インク１１の射出と補充の正味の影響による放熱エネルギーはヒーター素子１０によって加えられる熱エネルギーに一致する。）。

一例として、インク１１が泡形成液体であり、水性であり、したがって、約１００℃の沸点を有すると仮定し、周囲温度が４０℃であるならば、周囲温度からインク沸点温度までの最大値は６０℃であり、これはプリントヘッドに起こり得る最大温度上昇である。

プリントヘッド内のインク温度が（インク液滴１６の射出以外のときに）インク１１の沸点に非常に近づくことは避ける方が望ましい。インク１１がこのような温度になると、プリントヘッドの部品間の温度変化によって一部の領域が予期せずに沸点よりも高くなり、その結果として、好ましくない気泡１２の形成を生ずることがある。したがって、本発明の好ましい一実施形態は、加熱素子１０が動作していないときに特定のノズルチャンバ７内のインク１１（泡形成液体）の最高温度がその沸点よりも１０℃低くなるとき、上記のような完全な自己冷却が実現されるよう構成される。

現在検討中の特徴及びその様々な実施形態の主要な効果は、インク液滴１６が射出されているノズルに隣接するノズル３の望ましくない沸騰を防止する複雑な冷却方法を必要とすることなく、高いノイズ密度と高速プリントヘッド動作を可能にすることである。これは、このような特徴及び上記の温度規準が存在しない場合よりもノズルパッキング密度を１００倍程度増加させることが可能である。

ノズルの面積密度
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。

好ましい一実施形態において、面積密度は表面５０の面積の１平方ｃｍ当たりのノズル３の数が２００００台以上であり、別の好ましい実施形態では、面積密度は１平方ｃｍ当たりのノズル３の数が４００００台以上である。好ましい実施形態では、面積密度は１平方ｃｍ当たりのノズル３の数が４８８２８台である。

面積密度について言及すると、各ノズル３は、典型的に、駆動トランジスタ、シフトレジスタ、イネーブルゲート、及びクロック再生回路（この回路は具体的に識別されていない）により構成された、ノズルに対応する駆動回路を含むものと考えられる。

単一のユニットセル１が示された図４３を参照すると、ユニットセルの寸法は、幅が３２ミクロン、長さが６４ミクロンとして示されている。次の連続するノズル行（図示せず）のノズル３は、このノズルのすぐ隣りに並列するので、プリントヘッドチップの外周の寸法の結果として、１平方ｃｍ当たりに４８８２８台のノズル３が存在する。これは、典型的なサーマルインクジェットプリントヘッドのノズル面積密度の約８５倍であり、ピエゾプリントヘッドのノズル面積密度のおよそ４００倍である。

高面積密度の主要な効果は、装置が特定のサイズのシリコンウェハー上に一括製作されるので、製造コストが安いことである。

基板の１平方ｃｍ当たりに収容できるノズル３の台数が増加すると、より多数のノズルを、典型的に１枚のウェハーからなる１回のバッチで製作することが可能である。本発明のプリントヘッドにおいて使用されるタイプのＣＭＯＳ−ＭＥＭＳウェハーを製造するコストは、ある程度まで、その上に形成されるパターンの性質に依存しない。したがって、パターンが非常に小さいならば、非常に多数のノズル３を収容することが可能である。このため、ノズルがより低い面積密度を有する場合よりも多数のノズル３及び多数のプリントヘッドを同じコストで製造できる。コストはノズル３が占める面積に正比例する。

ヒーター素子の反対側での泡形成
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。

泡１２をヒーター素子１０の一方側だけでなく、両側に形成することは、図４５及び４６を参照して理解できる。これらのうちの最初の図において、ヒーター素子１０は、泡１２を一方側だけに形成するため適合し、一方、２番目の図において、素子は泡１２を両側に形成するため適合していることが示されている。

図４５のような構成において、泡１２がヒーター素子１０の一方側だけに形成される理由は、素子が基板５１に埋め込まれ、その結果、泡が基板に対応した特定の側面に形成され得ないからである。これに対して、泡１２は、図４６の構造では、ヒーター素子１０が吊されているので、両側に形成される。

勿論、ヒーター素子１０が図１に関して説明したように吊り梁の形である場合、泡１２は吊り梁素子を取り囲むように形成することが可能である。

泡１２が両側に形成されることの効果は、より高い効率が達成できることである。これは、ヒーター素子１０の付近において加熱固体材料内で浪費され、泡１２の形成に寄与しない熱が減少するためである。これは図４５に示され、矢印５２は熱の固体基板５１への移動を示す。基板５１の方へ損出される熱の量は、水性であるインク１１の熱伝導率に対する基板の固体材料の熱伝導率に依存する。水の熱伝導率はかなり低いので、熱の半分以上がインク１１ではなく基板５１によって吸収されることが予測される。

キャビテーションの防止
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。

図４８を参照すると、好ましい一実施形態において、ヒーター素子１０は、ギャップ（矢印５４によって示される）を画成する部品５３を有し、泡１２を形成し、その泡が壊れる崩壊点１７がそのギャップに位置するように構成される。この特徴の効果は、ヒーター素子１０及びその他の固体材料に対するキャビテーションダメージを実質的に回避することである。

図４７に概略的に示されるような標準的な従来技術のシステムにおいて、ヒーター素子１０は基板５５に埋め込まれ、絶縁層５６がその素子を覆い、保護層５７が絶縁層を覆う。泡１２が素子１０によって形成されるとき、泡は素子の最上部に形成される。泡１２が壊れるとき、矢印５８によって示されるように、泡崩壊のすべてのエネルギーが非常に小さい崩壊点１７に集中する。保護層５７が無い場合、崩壊点１７へのこのエネルギーの集中から生ずるキャビテーションを原因とする機械力がヒーター素子１０を崩すか、若しくは、破壊する。しかし、これは保護層５７によって防止される。

典型的に、このような保護層５７はタンタルから作られ、酸化して非常に硬い５酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）の層を形成する。キャビテーションの効果を完全に阻害する材料は知られていないが、５酸化タンタルがキャビテーションのため崩されるならば、酸化が下にあるタンタル金属で再び起こり、５酸化タンタル層を効果的に修復する。

５酸化タンタルはこの点に関して従来のサーマルインクジェットシステムにおいて非常に巧く機能するが、ある種の欠点を有する。１つの重大な欠点は、実際において、必要なエネルギーをインク１１に移動させ、泡１２を形成するように加熱するため、実質的に（参照番号５９によって示された厚さを有する）保護層５７の全体を加熱しなければならないことである。この層５７は、タンタルの原子量が非常に大きいため高熱質量を有し、これが熱移動の効率を低下させる。これは、インク１１を十分に加熱するため６９で示されたレベルの温度を上昇させるために５９で示されたレベルで要求される熱量を増加させるだけでなく、矢印６１で示された方向に実質的な熱損失を生じさせる。これらの欠点は、ヒーター素子１０が表面に支えられるだけで、保護層５７によって覆われていない場合には現れない。

ここで検討中の特徴によれば、上記の保護層５７の必要性は、図４８に示されるように、固体材料が存在しない場所、より具体的には、ヒーター素子１０の部品５３の間にギャップ５４が存在する場所である崩壊点１７へ向かって崩壊する泡１２を発生させることにより回避される。インク１１自体だけが（泡発生前に）この位置にあるので、キャビテーションの効果によってここで破壊される材料は存在しない。崩壊点１７における温度は、ソノルミネセンスの現象によって実証されるように、数千℃に達することがある。これは、その点におけるインク成分を破壊する。しかし、崩壊点１７における極端な温度の体積は小さいので、この体積内のインク成分の破壊は僅かである。

固体材料が存在しない崩壊点１７へ向かって壊れるような泡１２の発生は、図３４に示されたマスクの部分１０．３４によって示された部分に対応するヒーター素子１０を使用して実現される。表示された素子は対称であり、その中心に参照番号６３によって示された孔を有する。その素子が加熱されるとき、泡は（破線６４によって示されるように）素子の周りに形成され、次に、破線６４及び６５によって示されるような環状（ドーナツ型）形状ではなく、孔６３を有する素子に架かるように成長し、その孔は泡を形成する蒸気で満たされる。泡１２は、したがって、実質的に円板形状である。泡が壊れるとき、この崩壊は泡１２を取り囲む表面張力を最小限に抑えるように向けられる。これは、関連した力学によって許される限り球形状へ向かって動く泡形状に関連する。この結果、崩壊点はヒーター素子１０の中心の孔６３の領域内に収まり、そこに固体材料は存在しない。

図３１に示されたマスクの部分１０．３１によって示されたヒーター素子１０は、同様の結果を得るために構成され、破線６６によって示されるような泡が発生し、泡が壊れる崩壊点はその素子の中心の孔６７の中にある。

図３６に示されたマスクの部分１０．３６として示されたヒーター素子１０もまた同じ結果を得るように構成される。素子１０．３６は孔６８が小さくなるように寸法を決められ、ヒーター素子の製造の不正確さは、泡の崩壊点が孔によって画成される領域内に収まるように泡が形成され得る程度に影響を与える。例えば、孔は数ミクロン径と同じくらいに小さい。素子１０．３６において高い精度レベルが達成できないとき、これは、多少偏りのある１２．３６として示された泡を生ずるので、泡はこのような小領域内の崩壊点の方へ向けられない。このような場合、図３６に示されたヒーター素子に関して、素子の中心ループは省くことが可能であり、これにより、泡の崩壊点が収まる領域のサイズが増加する。

化学気相成長法によるノズル板と薄いノズル板
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。

ＣＶＤによって形成されたノズル板２の効果は、ノズル板がそれをユニットセル１の壁６のような他の部品に組み付けることを必要とせずに定位置に形成されることである。これは重要な効果であり、その理由は、さもなければ必要になるノズル板２の組立は、実施が困難であり、潜在的に複雑な問題を伴う可能性があるからである。このような問題は、ノズル板２とそれが組み付けられる部品との間の熱膨張が一致しない可能性、ノズル板２を他の部品に接着する接着剤の硬化過程中に、部品を互いに位置合わせした状態に保つこと、部品を平面的に保つことに成功することの困難さなどを含む。

熱膨張の問題は、従来技術では、製造可能であるインクジェットのサイズを制限する重要な要因である。なぜならば、例えば、基板がシリコンで作られる場合に、ニッケルのノズル板と、ノズル板が接続される基板との間の熱膨張率の差がかなり大きいからである。その結果として、例えば、１０００台のノズルによって占有されるような短い距離に亘って、周囲温度から部品を一体的に接着するため必要な硬化温度まで加熱されるそれぞれの部品間に生じる相対的な熱膨張は、ノズルの全長よりも遙かに大きい寸法の不一致を引き起こす可能性がある。これはこのような装置では著しく不利である。

少なくとも本発明の実施形態において、今検討している本発明の特徴により取り扱われる別の問題は、従来技術の装置では、組み立てる必要があるノズル板が一般に、相対的に高い応力の条件下でプリントヘッドの残りの部分の上に積層されることである。これは装置の破壊又は望ましくない変形を生じさせる。本発明の実施形態においてＣＶＤによるノズル板２の堆積はこの問題を回避する。

少なくとも本発明の実施形態において、本発明のこの特徴のさらなる効果は、既存の半導体製造プロセスとの互換性である。ＣＶＤによるノズル板２の堆積は、半導体製造のため普通に使用されるプロセスを使用して、ノズル板が通常のシリコンウェハー製造のスケールでプリントヘッドに組み込まれることを可能にする。

既存のサーマルインクジェットシステム又はバブルジェットシステムは、泡発生フェーズの間に最大で１００気圧までの圧力遷移が起こる。このような装置においてノズル板２がＣＶＤによって塗布されたならば、このような圧力遷移に抵抗するためには、かなりの厚さのＣＶＤノズル板が要求される。当業者にとって当然であるように、堆積したノズル板の厚さは以下に説明するようなある種の問題を生じる。

例えば、ノズルチャンバ７内で１００気圧の圧力に抵抗するために十分な窒化物の厚さは、例えば、１０ミクロンである。厚いノズル板２を有する本発明によらないユニットセル１を示す図４９を参照すると、このような厚さは、液滴射出に関係する問題を生じることが認められる。この場合、ノズル板２の厚さが原因となって、インク１１がノズル板を通して射出されるときに、ノズル３によって加えられる流体抗力は、装置の効率に著しい損失を生じさせる。

このような厚いノズル板２の場合に存在する別の問題は、実際のエッチングプロセスに関係する。これは、図示されるように、ノズル３が、例えば、標準的なプラズマエッチングを使用して、基板部のウェハー８に対して垂直にエッチングされることを仮定している。これは、典型的に１０ミクロンを上回るレジスト６９が塗布されることを必要とする。その厚さのレジスト６９を露光するためには、レジストを露光するため使用されるステッパの焦点深度がかなり浅いので、所要の解像度のレベルを達成することが困難になる。当該深さのレジスト６９はｘ線を使用して露光することが可能であるが、これはかなりコストのかかるプロセスである。

１０ミクロンの厚さの窒化物の層がシリコン基板ウェハー上に堆積したＤＶＣである場合にこのような厚いノズル板２に関して存在するさらなる問題は、厚い堆積層内の固有の応力の他に、ＣＶＤ層と基板との間には熱膨張の差があるので、リソグラフィックプロセスのさらなるステップが実行できなくなる程度までウェハーが曲げられることである。したがって、（本発明とは異なる）１０ミクロン程度の厚さのノズル板２の層は、可能ではあるが、不利である。

図５０を参照すると、本発明の一実施形態によるＭｅｍｊｅｔサーマルインク射出装置において、ＣＶＤ窒化物ノズル板層２は僅かに２ミクロンの厚さである。したがって、ノズル３の中の流体抗力は格別大きくないので、損失の主要な原因ではない。

さらに、このようなノズル板２においてノズル３をエッチングするために必要なエッチング時間及びレジスト厚と、基板ウェハー８上の応力は極端な数値にはならない。

本発明におけるかなり薄いノズル板２が可能になる理由は、チャンバ７内に発生される圧力が、上記のように従来技術の装置における１００気圧ではなく、約１気圧に過ぎないからである。

多数の要因が本システムにおいて液滴１６を射出するために必要な圧力遷移の著しい低下に寄与する。それらの要因には、
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。

図６〜３１の点から記載されたプロセスに関して既に説明したように、２ミクロンの厚さのノズル板層２のエッチングは、２つの関連した段階を含む。このような段階の一方は、図２４及び５０において４５によって示された領域のエッチングを含み、外側がノズルリム４になる凹部を形成する。このような段階のもう一方は、図２６及び５０において４６によって示された領域におけるさらなるエッチングを含み、実際にノズルアパーチャ５を形成し、リム４を仕上げる。

ノズル板厚
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。

種々の層に形成されたヒーター素子
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。

好ましい実施形態によれば、図３８、４０及び５１に示されるように、チャンバ７内のヒーター素子１０．１及び１０．２は互いにサイズが異なる。

また、上記のリソグラフィックプロセスの説明を参照してわかるように、各ヒーター素子１０．１、１０．２はそのプロセスの少なくとも１ステップによって形成され、素子１０．１の１つずつに関係するリソグラフィックプロセスは他の素子１０．２に関係するリソグラフィックプロセスと区別される。

素子１０．１、１０．２は、好ましくは、バイナリ重み付きインク液滴体積を実現できるように、すなわち、異なるバイナリ重み付き体積を有するインク液滴１６が特定のユニットセル１のノズル３を通して射出させられるように、図５１の図に概略的に反映されるように、相対的にサイジングされる。インク液滴１６の体積に付けられるバイナリ重みは、素子１０．１と１０．２の相対的なサイズによって決まる。図５１において、インク１１に接触する底側ヒーター素子１０．２の面積は上側ヒーター素子１０．１の面積の２倍である。

Ｃａｎｏｎ（キャノン）が特許を取得し、図５２に概略的に示された１つの既知の従来技術の装置は同様にノズルごとに２台のヒーター素子１０．１及び１０．２を有し、これらは同様にバイナリに基づいて（すなわち、バイナリ重み付き体積で液滴１６を生成するため）サイジングされる。これらの素子１０．１、１０．２は、ノズルチャンバ７内で互いに隣接した単一の層に形成される。小さい素子１０．１によって形成された泡１２．１だけがかなり小さく、一方、大きい素子１０．２によって形成された泡１２．２だけがかなり大きいということがわかる。２台の素子の組み合わせ効果によって発生した泡は、同時に動かされるとき、１２．３によって示される。３通りの異なるサイズのインク液滴１６は、３個のそれぞれの泡１２．１、１２．２及び１２．３によって射出させられる。

素子１０．１及び１０．２自体のサイズは、異なるサイズを有する液滴１６を射出させるため、又は有効な液滴の組み合わせを射出させるためにバイナリ重み付けされる必要のないことわかる。実際に、バイナリ重み付けは素子１０．１、１０．２自体の面積によって正確に表現されない。バイナリ重み付き液滴体積を実現するために素子１０．１、１０．２をサイジングする際に、泡１２の発生を取り囲む流体特性、液滴動特性、液滴１６が途切れたときにノズル３からチャンバ７へ引き戻される液体の量などが考慮されるべきである。したがって、素子１０．１、１０．２の表面積の実際の比率、又は２台のヒーターの性能は、望ましいバイナリ重み付き液滴体積を得るため実際には調整されるべきである。

ヒーター素子１０．１、１０．２のサイズが固定され、それらの表面積の比率がしたがって固定されるとき、射出液滴１６の相対的なサイズは２台の素子への電源電圧を調整することにより調整される。これは、素子１０．１、１０．２の動作パルスの間隔、すなわち、それらのパルス幅を調整することにより達成される。しかし、パルス幅はある一定の時間を超えることができず、その理由は、一旦、泡１２が素子１０．１、１０．２の表面に凝集すると、その時間経過後のパルス幅は全く影響しないか、又は殆ど影響しないからである。

これに対して、ヒーター素子１０．１、１０．２が低熱質量であるならば、ヒーター素子を、泡１２が形成され液滴１６が射出される温度へ非常に高速に達するように加熱することが可能である。最大実効パルス幅は、泡凝集の開始によって、典型的に約０．５ミリ秒に制限されるが、最小パルス幅は、ヒーター素子１０．１、１０．２によって許容される利用可能な電流ドライブ及び電流密度だけによって制限される。

図５１に示されるように、２台のヒーター素子１０．１、１０．２は２台のそれぞれの駆動回路７０に接続される。これらの回路７０は互いに同一でもよいが、これらの回路を用いて、例えば、上側素子１０．１に接続された駆動トランジスタよりも大きく、高電流素子である下側素子１０．２に接続された駆動トランジスタ（図示せず）をサイジングすることにより、さらなる調整を行うことができる。例えば、それぞれの素子１０．１、１０．２に供給される相対的な電流が２：１の比率であるならば、下側素子１０．２に接続された回路７０の駆動トランジスタは、典型的に、もう一方の素子１０．１に接続された回路７０の駆動トランジスタ（図示せず）の幅の２倍になる。

図５２に関連して説明される従来技術において、同じ層にあるヒーター素子１０．１、１０．２は、リソグラフィック製造プロセスの同じステップにおいて同時に製作される。図５１に示された本発明の実施形態では、上記の２台のヒーター素子１０．１、１０．２は次々に形成される。実際には、図６〜３１を参照して例示されたプロセスにおいて説明されるように、素子１０．２を形成する材料が堆積され、次に、リソグラフィックプロセスにおいてエッチングされ、その後、犠牲層３９がその素子の最上部に堆積され、次に、もう一方の素子１０．１の材料が堆積され、その結果、犠牲層が２層のヒーター素子層に挿まれる。第２の素子１０．１の層は第２のリソグラフィックステップによってエッチングされ、犠牲層３９が取り除かれる。

上記のように異なるサイズのヒーター素子１０．１及び１０．２をもう一度参照すると、これは１台のノズル３から多数のバイナリ重み付き液滴体積が得られるように素子をサイジングすることができるという効果がある。

多数の液滴体積が得られ、特に、それらがバイナリ重み付けされているならば、より少ない印刷ドット数を使用して、より低い印刷解像度で、写真のような質が得られることがわかる。

さらに、同じ状況下で、より高速な印刷が達成される。すなわち、１個だけの液滴１４を射出し、次に、ノズル３が再び満たされるのを待つのではなく、１個、２個、又は３個の液滴に相当するものが射出される。ノズル３の利用可能な補充速度が制限因子ではないとするならば、最大で３倍まで高速のインク射出、したがって、印刷が達成される。しかし、実際には、ノズル補充時間は、典型的に、制限因子である。この場合、ノズル３は、（最小サイズの液滴に対して）３倍の体積の液滴１６が射出されたとき、最小体積の液滴だけが射出されたときよりも僅かに長い補充時間を要する。しかし、実際には、補充するためには３倍までの時間を要しない。その原因はインク１１の慣性力学及び表面張力である。

図５３を参照すると、一対の隣接したユニットセル１．１及び１．２が概略的に示され、左側のセル１．１はより大きい体積の液滴１６が射出された後のノズル３を示し、右側のセル１．２はより小さい体積の液滴が射出された後のノズルを示す。大きい方の液滴１６の場合、部分的に空になったノズル３．１の内側に形成された気泡７１の曲率は、より小さい体積の液滴がもう一方のユニットセル１．２のノズル３．２から射出された後に形成された気泡７２の曲率よりも大きい。

ユニットセル１．１内の気泡７１の曲率が大きくなると、矢印７３によって示されるように、補充通路９からノズル３へ向かってチャンバ７．１内にインク１１を引き込む傾向のある表面張力が大きくなる。これにより補充時間が短縮される。チャンバ７．１が補充されるとき、チャンバは、７４で示される段階に到達し、その状態は隣接したユニットセル１．２内の状況と類似する。この状態において、ユニットセル１．１のチャンバ７．１は部分的に補充され、表面張力は減少している。このため、この段階において、この条件がユニットセル１．１内で達成されるときに、関連した運動量を有する液体のチャンバ７．１への流れが確立されているとしても、補充速度は低下させられる。これによる全体的な影響は、気泡７１が存在するときからチャンバ７．１及びノズル３．１を完全に再充填するまでに要する時間は、状態７４が存在するときからの時間よりも長くなるが、たとえ、補充されるべき体積が３倍大きい場合であっても、チャンバ７．１及びノズル３．１を補充するために要する時間は３倍も長くならないということである。

原子番号の小さい元素により構成された材料から形成されたヒーター素子
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。

低原子番号の効果は、その材料の原子の質量がより小さく、したがって、ヒーター素子１０の温度を上昇させるために要するエネルギーが少ないことである。その理由は、当業者によって理解されるように、物の温度は基本的に原子核の運動の状態に関連付けられているからである。したがって、軽い原子核を有する内量内よりも重い原子核を有する材料内で温度を上昇させるためには、すなわち、このような核運動を誘起するためには、より大きなエネルギーが必要である。

サーマルインクジェットシステムのヒーター素子のため現在使用されている材料には、タンタル・アルミニウム合金（例えば、Ｈｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ（ヒューレットパッカード）によって使用される）、及びホウ化ハフニウム（例えば、Ｃａｎｏｎ（キャノン）によって使用される）が含まれる。タンタル及びハフニウムの原子番号はそれぞれ７３及び７２であり、一方、本発明のＭｅｍｊｅｔヒーター素子１０において使用される材料は窒化チタンである。チタンの原子番号は２２であり、窒素の原子番号は７であるので、これらの材料は関連した従来技術の装置材料の原子番号よりも著しく小さい。

ホウ素及びアルミニウムは、それぞれ、窒素のようにホウ化ハフニウム及びタンタル・アルミニウムのそれぞれの一部を形成し、比較的軽量の材料である。しかし、窒化タンタルの密度は１６．３ｇ／ｃｍ³であり、一方、（タンタルの代わりにチタンを含有する）窒化タンタルの密度は５．２２ｇ／ｃｍ³である。このように、窒化タンタルの密度は窒化チタンの密度の約３倍であるので、窒化チタンを加熱するために要するエネルギーは窒化タンタルのおよそ３分の１である。当業者によって理解されるように、２つの異なる温度における材料のエネルギーの差は、以下の式、
Ｅ＝ΔＴ×Ｃ_Ｐ×Ｖ_ＯＬ×ρ
によって示され、ΔＴは温度差を示し、Ｃ_pは比熱容量であり、Ｖ_OL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。

低ヒーター質量
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。

好ましい一実施形態において、質量は２ナノグラム未満であり、別の実施形態では、質量は５００ピコグラム未満であり、さらに別の実施形態では、質量は２５０ピコグラム未満である。

上記の特徴は、ヒーター素子１０の固体材料を加熱する際にエネルギー損失が減少する結果として効率を高めるので、従来技術のインクジェットシステムを上回る重要な効果を構成する。この特徴が有効になる原因は、低密度を有するヒーター素子材料の使用、素子１０の比較的小さいサイズ、及び例えば、図１に示されるように、ヒーター素子が他の材料に埋め込まれない吊り梁の形をしていることである。

図３４は図３３に示されたプリントヘッドの一実施形態のヒーター構造体を形成するマスクの形状を平面図で示す。したがって、図３４はその実施形態のヒーター素子１０の形状を表現するので、以下でヒーター素子を検討する際に参照される。図３４に参照番号１０．３４によって示されるようなヒーター素子は、幅が２ミクロン、かつ、厚さが０．２５ミクロンである単一ループ４９だけを有する。このループは、６ミクロンの外形と４ミクロンの内径を有する。ヒーター総質量は８２ピコグラムである。図３９において参照番号１０．３９によって同じように示された対応する素子１０．２は質量が２２９．６ピコグラムであり、図３６に参照番号１０．３６によって示された素子１０は２２５．５ピコグラムの質量を有する。

例えば、図３４、３９及び３６に示された素子１０、１０２が使用されるとき、実際には、インクの沸点よりも高い温度まで加熱される（本実施形態では泡形成液体である）インク１１と熱接触する各素子の材料の総質量は、素子が電気的絶縁性、化学的不活性、熱伝導性である材料で覆われた場合の質量よりも僅かに重い。このコーティングは、より高い温度まで上昇させられる材料の総質量をある程度まで増加させる。

絶縁保護コーティングされたヒーター素子
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。

図５４及び５５を参照すると、上記のように絶縁保護コーティングされていないが、基板７８の上に堆積され、典型的な形では、一方側が７６によって示されたＣＶＤ材料によって絶縁保護コーティングされた従来技術のヒーター素子１０が概略的に示される。これに対して、図５６に概略的に示されるように、本例における上記のコーティングは、７７によって示され、同時に全面で素子を絶縁保護コーティングする。しかし、この全面における絶縁保護コーティング７７は、素子１０が、コーティングされているときに、他の構造体から分離された構造体である場合、すなわち、吊り梁の形であり、素子のすべての面にアクセスできるときに限り実現可能である。

全面で素子１０を絶縁保護コーティングするというとき、図５７に概略的に示されるように、電極１５に接続された素子（吊り梁）の端を含まれないことが理解されるべきである。すなわち、全面で素子１０を絶縁保護コーティングするとは、基本的に、素子がその素子の全長に沿って絶縁保護コーティングによって十分に取り囲まれていることを意味する。

ヒーター素子１０を絶縁保護コーティングすることの主要な効果は、もう一度図５４及び５５を参照して理解される。同図からわかるように、絶縁保護コーティング７６が塗布されるとき、上にヒーター素子１０が堆積される（すなわち、形成される）基板７８は、絶縁保護コーティングされた面の反対側で事実上素子のコーティングを構成する。基板７８に支えられている方のヒーター素子１０上に絶縁保護コーティング７６を堆積させると、シーム７９が形成される。このシーム７９は、酸化物及びその他の望ましくない生成物が形成されるか、又は剥離が発生する弱いポイントを構成する。実際には、図５４及び５５のヒーター素子１０の場合、吊り梁の形の素子を提供するため、ヒーター素子１０及びそのコーティング７６を下にある基板７８から分離するためエッチングが行われ、液体又はヒドロキシルイオンのような物質がコーティング７６又は基板７８の実際の材料には浸透し得ないとしても、液体又はヒドロキシルイオンの出入口が生じる。

上記の材料（すなわち、窒化アルミニウム又はダイヤモンド・ライク・カーボン（ＤＬＣ））は、それらの望ましい高熱伝導率と、高レベルの化学的不活性と、それらが電気的に非導電性であるという事実とに起因して、図５６に示されるような本発明の絶縁保護コーティング７６での使用に適している。これらの目的のための別の適当な材料は、同様に上述の窒化ホウ素である。コーティング７７のため使用される材料の選択は望ましい性能特性の実現に関して重要であるが、適当な特性を有する上記材料以外の材料を代わりに使用してもよい。

プリントヘッドが使用されるプリンタ実施例
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４４を参照すると、図示されたノズル３のアレイは、プリントヘッドチップ（図示せず）に配置され、駆動トランジスタ、駆動シフトレジスタなど（図示せず）が同じチップ上に含まれ、チップ上で必要とされる接続の数を削減する。

図５８及び５９を参照すると、それぞれ、分解図及び分解されていない図に、ＭＥＭＳプリントヘッドチップ組立体８１（以下ではチップと呼ばれることがある）を含むプリントヘッドモジュール組立体８０が示されている。図示されるような典型的なチップ組立体８１には、７６８０台のノズルが存在し、それらは１インチあたり１６００ドットの解像度で印刷できるように間隔をあけられている。チップ８１はまた６種類の色又はタイプのインク１１を射出するように構成される。

フレキシブル印刷回路基板（ＰＣＢ）８２がチップ８１に電気接続され、電力及びデータの両方をチップに供給する。チップ８１はステンレス鋼の上側層シート８３に接合され、このシートにエッチングされた孔８４のアレイの上に載る。チップ８１自体は、シリコンの多層スタックであり、シリコンの最下層８５にインクチャネル（図示せず）を有し、これらのチャネルが孔８４と揃えられる。

チップ８１はおよそ１ｍｍの幅と２１ｍｍの長さを有する。この長さは、チップ８１を製作するため使用されるステッパのフィールドの幅によって決まる。シート８３は、図５８に示されるようなシートの裏面にエッチングされたチャネル８６を有する（その一部だけが隠れたディテールとして示されている）。図示されたチャネル８６は、その端が中間層８８の孔８７と揃うように延びる。異なる溝部８６は異なる孔８７と位置が合う。孔８７は、次に、下側層９０のチャネル８９と揃う。各チャネル８９は、９１で示された最後のチャネルを除いて、インクの別個の色を扱う。この最後のチャネル９１は、空気溝であり、中間層８８のさらなる孔９２と揃う、さらなる孔９２は上側層シート８３内のさらなる孔９３と揃う。これらの孔９３は、最上部チャネル層９６内の溝部９５の内側部分９４と位置が合うので、これらの内側部分は、破線９７で示されるような空気溝９１と揃い、したがって、流体連通する。

下側層９０はチャネル８９及びチャネル９１へ通じる孔９８を有する。空気源（図示せず）からの圧縮濾過空気は、対応する孔９８を通ってチャネル９１に入り、次に、中間層８８の孔９２、シート８３の孔９３、及び最上部チャネル層９６の溝部９５を通過し、その後、チップ組立体８１の側面９９に吹き込まれ、その側面から空気は、ノズルを覆うノズルガード１０１を介して１００で外に押し出され、ノズルをペーパーダストの無い状態に保つ。異なる色のインク１１（図示せず）が下側層９０の孔９８を通ってチャネル８９に入り、次に、それぞれの孔８７を通り、上側層シート８３の裏面内のそれぞれのチャネル８６を伝い、そのシートのそれぞれの孔８４を通り、次に溝部９５を通り、チップ８１に移る。下側層９０にはちょうど７個（インクの各色について１個ずつと圧縮空気のための１個）の孔９８があり、その孔を介して、インクと空気がチップ８１へ移動し、インクはチップ上の７６８０台のノズルへ向けられることに注意すべきである。

次に、図５８及び５９のプリントヘッドモジュール組立体８０の側面図が概略的に示された図６０を参照する。チップ組立体の中央層１０２は、７６８０台のノズルとそれに関連した駆動回路が配置された層である。チップ組立体の最上層は、ノズルガード１０４を構成し、（破線で概略的に示された）ノズルガード孔１０４からペーパーダストが取り除かれた状態を保つことができるように濾過圧縮空気が向けられることを可能にする。

下側層１０５はシリコンからなり、そこにはインクチャネルがエッチングされている。これらのインクチャネルはステンレス鋼の上側層シート８３内の孔８４と揃えられる。シート８３は、上記のように、下側層９０からインク及び圧縮空気を受け、次に、インク及び空気をチップ８１の方へ向ける。下側層９０によって受け取られた場所から、中間層８８及び上側層８３を経由して、チップ組立体８１までインク及び空気を送り込むことが必要である理由は、そうしなければ、多数（７６８０台）の非常に小さいノズル３を、下側層９０内のより大きく、精度の低い孔９８と位置合わせすることが非現実的になるからである。

フレックスＰＣＢ８２は、チップ組立体８１の層１０２に置かれたシフトレジスタ及びその他の回路（図示せず）に接続される。チップ組立体８１はワイヤー１０６によってフレックスＰＣＢにボンディングされ、これらのワイヤーが次にエポキシ１０７内にカプセル化される。このカプセル化を実行するため、ダム１０８が設けられる。このダムは、ダム１０８とチップ組立体１０８との間の空間を埋めるためエポキシ１０７が塗布され、これにより、ワイヤー１０６がエポキシに埋め込まれることを可能にする。エポキシ１０７が硬化すると、エポキシ１０７は紙とほこりによる汚染、及び機械的接触からワイヤーボンディング構造体を保護する。

図６２を参照すると、コンポーネントの中でも上記のプリントヘッドモジュール組立体８０を含むプリントヘッド組立体１９が分解図で概略的に示されている。プリントヘッド組立体１９は、Ａ４又は米国のレターサイズの用紙に適したページ−幅プリンタのため構成される。

プリントヘッド組立体１９は、湾曲した金属板の形で基板チャネル１１０に接着された１１台のプリントヘッドモジュール組立体８０を含む。参照番号１１１で示された７個の孔のグループの系列は、６種類の色のインク及び圧縮空気をチップ組立体８１へ供給するため設けられる。押出フレキシブルインクホース１１２はチャネル１１０の所定の位置に接着される。ホース１１２は内部に孔１１３を含むことに注意すべきである。これらの孔１１３は、ホース１１２が最初にチャネル１１０に連結されるときには存在しないが、その後で、熱いワイヤー構造体（図示せず）を孔１１１の中に押し込むことによって、溶融を用いて形成され、これらの孔は、孔１１３が溶融される位置を固定するためにガイドとしての役目を果たす。これらの孔１１３は、プリントヘッド組立体１９が組み立てられるとき、（チャネル１１０にグループ１１１を構築する）孔１１４を介して、各プリントヘッドモジュール組立体８０の下側層９０内の孔９８と流体連通状態である。

ホース１１２は、ホースの全長に伸びる並列チャネル１１５を画成する。一端１１６において、孔１１２はインク容器（図示せず）と連結され、反対端１１７には、チャネル押出キャップ１１８が設けられ、ホースの反対端を塞ぐため、したがって、閉じるために役立つ。

金属製最上部支持板１１９は、チャネル１１０及びホース１１２を支え、位置付けし、それらの裏板としての役目を果たす。チャネル１１０及びホース１１２は、次に、フレキシブル印刷回路を含む組立体１２０に圧力を加える。板１１９は、チャネル１１０の下向きに広がる壁１２３内の切り欠き部１２２の中へ延びる突起部１２１を有し、チャネルと板を相対的に位置付ける。

押出部１２４が銅製バスバー１２５を位置付けるため設けられる。本発明によるプリントヘッドを動作させるために必要なエネルギーは従来のサーマルインクジェットプリンタのプリントヘッドを動作させるために必要なエネルギーよりも１桁少ないが、全部で約８８０００台のノズル３がプリントヘッドアレイ内に存在し、この台数は、一般的に典型的なプリントヘッドに存在するノズルの台数の約１６０倍である。本発明におけるノズル３は、動作中に途切れることなく動作する（すなわち、発射する）ので、総電力消費は、従来知られているようなプリントヘッドにおける総電力消費よりも１桁多いので、１ノズルあたりの電力消費が従来知られているプリントヘッドにおける電力消費よりも１桁少ないとしても、電流所要量は大きい。バスバー１２５はこのような電力所要量を供給するのに適しており、電力リード線１２６がバスバーに半田付けされる。

圧縮性の導電性ストリップ１２７が、図示されるように、プリントヘッドモジュール組立体８０のフレキシブルＰＣＢ８２の下側部分の表側にある接点１２８と接触するように設けられる。ＰＣＢ８２は、チップ組立体８１から、チャネル１１０、支持板１１９、押出部１２４及びバスバー１２６の周囲に、ストリップ１２７よりも下の位置まで延び、接点１２８が低いところに、ストリップ１２７と接触した状態で配置される。

各ＰＣＢ８２は、両面及びめっきスルーである。データ接続１２９（破線で概略的に示されている）は、ＰＣＢ８２の外側表面に位置付けられ、フレキシブルＰＣＢ１３１上の（一部だけが概略的に示された）接点スポット１３０と接触し、このフレキシブルＰＣＢ１３１は、フレキシブルＰＣＢ自体の一部として形成されたデータバス及びエッジコネクタ１３２を含む。データはエッジコネクタ１３２を介してＰＣＢ１３１に供給される。

金属板１３３は、チャネル１１０と一体となって、プリントヘッド組立体１９のコンポーネントのすべてを１つに維持するように設けられる。この点に関して、チャネル１１０は、組立体１９が組み立てられたときに板１３３内の溝部１３５の中を通って延び、次に、溝部を通して引き出されることを防止するため約４５度だけ曲げられたツイスト突起部１３４を含む。

要約として、図６８を参照すると、プリントヘッド組立体１９は組み立てられた状態で示されている。インク及び圧縮空気は、１３６の場所でホース１１２を介して供給され、電力はリード線１２６を介して供給され、データはエッジコネクタ１３２を介してプリントヘッドチップ組立体８１に供給される。プリントヘッドチップ組立体８１は、ＰＣＢ８２を含む１１台のプリントヘッドモジュール組立体８０に配置される。

取り付け穴１３７は、プリントヘッド組立体１９をプリンタ（図示せず）内の所定の位置に取り付けるため設けられる。プリントヘッド組立体１９の実効的な長さは、距離１３８によって示され、ちょうどＡ４ページの幅程度である（すなわち、約８．５インチである）。

図６９を参照すると、組み立てられたプリントヘッド１９を通る断面が概略的に示されている。この図から、チップ組立体８１を形成するシリコンスタックの位置は明白にわかり、インク及び空気供給ホース１１２を通る縦断面もわかる。同様に明白にわかるのは、上方でバスバー１２５と接触し、下方でチップ組立体８１から延びるフレックスＰＣＢ８２の下側部分と接触する圧縮性ストリップ１２７のアバットメントである。金属板１３３内の溝部１３５の中を通るツイスト突起部１３４がそれらの曲がった構造を含めて明らかであり、破線１３９で示されている。

プリンタシステム
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。

ブロック図には、プリントヘッド（矢印によって示されている）１４１と、プリントヘッドへの電源１４２と、インク供給部１４３と、プリントヘッドが１４５でインクを、例えば、用紙１４６の形式の印刷媒体に射出するときにプリントヘッドへ供給される印刷データ１４４と、が示されている。

媒体搬送ローラー１４７は、プリントヘッド１４１の傍を通る用紙１４６を搬送するため設けられる。媒体ピックアップメカニズム１４８は媒体トレイ１４９から１枚の用紙１４６を引き出すように構成される。

電源１４２はプリントヘッド装置において標準的なタイプであるＤＣ電圧を供給する。

インク供給部１４３はインクカートリッジ（図示せず）から提供され、典型的に、インク残量のようなインク供給に関する様々なタイプの情報が１５０に供給される。この情報はユーザインタフェース１５２に接続されたシステムコントローラ１５１を介して提供される。インタフェース１５２は、典型的に、「印刷」ボタン、「ページ進み」ボタンなどのような多数のボタン（図示せず）により構成される。システムコントローラ１５１はまた、媒体ピックアップメカニズム１４８を駆動するため設けられたモーター１５３と、媒体搬送ローラー１４７を駆動するモーター１５４とを制御する。

システムコントローラ１５１は、印刷が正しい時間に実行できるように、１枚の用紙１４６がプリントヘッド１４１の傍を通過するときを識別することが必要である。この時間は、媒体ピックアップメカニズム１４８が１枚の用紙１４６を取り出した後に経過した特定の時間に関連付けることができる。しかし、好ましくは、用紙センサ（図示せず）が設けられ、システムコントローラ１５１に接続され、１枚の用紙１４６がプリントヘッド１４１に対してある一定の位置に到達したとき、システムコントローラは印刷を実行可能である。印刷は、印刷データ１４４をプリントヘッド１４１へ供給する印刷データフォーマッタ１５５をトリガーすることにより実行される。したがって、システムコントローラ１５１は印刷データフォーマッタ１５５と相互作用することも必要であることがわかる。

印刷データ１４４は、１５６で接続された外部コンピュータ（図示せず）から発生し、ＵＳＢ接続、ＥＴＨＥＲＮＥＴ（イーサネット（商標））接続、ファイアワイヤーとしても知られているＩＥＥＥ１３９４接続、又は並列接続のような多数の様々な接続手段のいずれかを介して送信される。データ通信モジュール１５７はこのデータを印刷データフォーマッタ１５５へ供給し、制御情報をシステムコントローラ１５１へ供給する。

本発明は特定の実施形態に関して説明されているが、当業者によって理解されるように、本発明は多数の他の形式でも具現化される。例えば、上記の実施形態は電気的に作動されるヒーター素子について説明しているが、同様に、適切な場合、非電気的に作動される素子を実施形態において使用してもよい。

特定の動作段階における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のインクチャンバを通る概略断面図である。 別の動作段階における図１のインクチャンバを通る概略断面図である。 さらに別の動作段階における図１のインクチャンバを通る概略断面図である。 さらにもう１つの動作段階における図１のインクチャンバを通る概略断面図である。 気泡の崩壊を示す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を通る概略断面図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続的な段階における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の概略斜視図である。 図６に示されたプリントヘッドの製造段階を実行する際の使用に適したマスクの概略平面図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続的な段階における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の概略斜視図である。 図８に示されたプリントヘッドの製造段階を実行する際の使用に適したマスクの概略平面図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続的な段階における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の概略斜視図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続的な段階における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の概略斜視図である。 図１１に示されたプリントヘッドの製造段階を実行する際の使用に適したマスクの概略平面図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続的な段階における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の概略斜視図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続的な段階における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の概略斜視図である。 図１４に示されたプリントヘッドの製造段階を実行する際の使用に適したマスクの概略平面図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続的な段階における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の概略斜視図である。 図１６に示されたプリントヘッドの製造段階を実行する際の使用に適したマスクの概略平面図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続的な段階における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の概略斜視図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続的な段階における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の概略斜視図である。 図１９に示されたプリントヘッドの製造段階を実行する際の使用に適したマスクの概略平面図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続的な段階における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の概略斜視図である。 図２１に示されたプリントヘッドの製造段階を実行する際の使用に適したマスクの概略平面図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続的な段階における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の概略斜視図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続的な段階における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の概略斜視図である。 図６に示されたプリントヘッドの製造段階を実行する際の使用に適したマスクの概略平面図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続的な段階における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の概略斜視図である。 図２６に示されたプリントヘッドの製造段階を実行する際の使用に適したマスクの概略平面図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続的な段階における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の概略斜視図である。 図２８に示されたプリントヘッドの製造段階を実行する際の使用に適したマスクの概略平面図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続的な段階における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の部分的に切り取られた概略斜視図である。 図３０に示されたプリントヘッドの製造段階を実行する際の使用に適したマスクの概略平面図である。 ノズル板が省かれた図３０のユニットセルのさらなる概略斜視図である。 ヒーター素子の別の特定の実施形態を有する本発明によるプリントヘッドのユニットセルの部分的に切り取られた概略斜視図である。 プリントヘッドのヒーター素子を形成する図３３のプリントヘッドの製造段階を実行する際の使用に適したマスクの概略平面図である。 ヒーター素子のさらなる特定の実施形態を有する本発明によるプリントヘッドのユニットセルの部分的に切り取られた概略斜視図である。 プリントヘッドのヒーター素子を形成する図３５のプリントヘッドの製造段階を実行する際の使用に適したマスクの概略平面図である。 ノズル板が省かれた図３５のユニットセルのさらなる概略斜視図である。 ヒーター素子のさらなる特定の実施形態を有する本発明によるプリントヘッドのユニットセルの部分的に切り取られた概略斜視図である。 プリントヘッドのヒーター素子を形成する図３８のプリントヘッドの製造段階を実行する際の使用に適したマスクの概略平面図である。 ノズル板が省かれた図３８のユニットセルのさらなる概略斜視図である。 泡形成液体内に浸された吊り梁ヒーターを示す本発明の一実施形態によるプリントヘッドのノズルチャンバを通る概略断面図である。 泡形成液体の本体の上部に吊された吊り梁ヒーターを示す本発明の一実施形態によるプリントヘッドのノズルチャンバを通る概略断面図である。 ノズルを示す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の概略図である。 複数台のノズルを示す本発明の一実施形態によるプリントヘッドの複数台のユニットセルの概略平面図である。 基板に埋め込まれたヒーター素子を示す本発明によらないノズルチャンバを通る概略断面図である。 吊りヒーターの形のヒーター素子を示す本発明の一実施形態によるノズルチャンバを通る概略断面図である。 基板に埋め込まれたヒーター素子を示す従来技術のプリントヘッドのノズルチャンバを通る概略断面図である。 素子の部品の間にギャップを画成するヒーター素子を示す本発明の一実施形態によるノズルチャンバを通る概略断面図である。 厚いノズル板を示す本発明によらないノズルチャンバを通る概略断面図である。 薄いノズル板を示す本発明の一実施形態によるノズルチャンバを通る概略断面図である。 ２台のヒーター素子を示す本発明の一実施形態によるノズルチャンバを通る概略断面図である。 ２台のヒーター素子を示す従来技術のプリントヘッドのノズルチャンバを通る概略断面図である。 異なる体積を有する液滴が射出された後の２台の異なるノズルを示す本発明の一実施形態によるプリントヘッドの隣接したユニットセルのペアを通る概略断面図である。 従来技術のプリントヘッドのヒーター素子を通る概略断面図である。 従来技術のプリントヘッドのヒーター素子を通る概略断面図である。 本発明の一実施形態による絶縁保護コーティングされたヒーター素子を通る概略断面図である。 本発明の一実施形態によるプリントヘッドの、電極に接続された、ヒーター素子の概略正面図である。 本発明の一実施形態によるプリントヘッドのプリントヘッドモジュールの概略分解斜視図である。 分解されていない図５８のプリントヘッドモジュールの概略斜視図である。 図５８のプリントヘッドモジュールの部分的に切断された概略側面図である。 図５８のプリントヘッドモジュールの概略平面図である。 本発明の一実施形態によるプリントヘッドの概略分解斜視図である。 分解されていない図６２のプリントヘッドのさらなる概略斜視図である。 図６２のプリントヘッドの概略正面図である。 図６２のプリントヘッドの概略背面図である。 図６２のプリントヘッドの概略底面図である。 図６２のプリントヘッドの概略平面図である。 分解されていない、図６２に示されるようなプリントヘッドの概略斜視図である。 図６２のプリントヘッドを通る概略縦断面図である。 本発明の一実施形態によるプリントシステムのブロック図である。

Claims (51)

1. 複数台のノズルと、
   各ノズルに対応し、固体材料を含む少なくとも１台のそれぞれのヒーター素子と、
   を備え、
   各ヒーター素子が泡形成液体と熱接触し、
   各ヒーター素子が前記固体材料の１０ナノグラム未満の質量を有し、前記泡形成液体の沸点よりも高い温度まで加熱され、これにより、前記泡形成液体の少なくとも一部分を前記沸点よりも高い温度まで加熱して前記泡形成液体内に気泡を形成し、それによって、当該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、
   インクジェットプリントヘッド。
2. 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ち、前記泡形成液体を各ノズルに隣接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。
3. 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。
4. 前記質量が２ナノグラム未満である、請求項１記載のプリントヘッド。
5. 前記質量が５００ピコグラム未満である、請求項１記載のプリントヘッド。
6. 前記質量が２５０ピコグラム未満である、請求項１記載のプリントヘッド。
7. 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。
8. 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。
9. 周囲温度で射出可能な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射出可能な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。
10. 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。
11. 各ヒーター素子が２つの対向する面を有し、各ヒーター素子によって形成される前記気泡が当該ヒーター素子の前記面の両方で形成されるように構成される、請求項１記載のプリントヘッド。
12. 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、請求項１記載のプリントヘッド。
13. 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。
14. 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。
15. 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。
16. 各ヒーター素子が固体材料から作られ、原子比率で当該固体材料の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る、請求項１記載のプリントヘッド。
17. 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。
18. 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、
    各ノズルに対応し、固体材料を含む少なくとも１台のそれぞれのヒーター素子と、
    を備え、
    各ヒーター素子が泡形成液体と熱接触し、
    各ヒーター素子が前記固体材料の１０ナノグラム未満の質量を有し、前記泡形成液体の沸点よりも高い温度まで加熱され、これにより、前記泡形成液体の少なくとも一部分を前記沸点よりも高い温度まで加熱して前記泡形成液体内に気泡を形成し、それによって、当該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、
    プリンタシステム。
19. 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ち、前記泡形成液体を各ノズルに隣接させたまま保つように構成される、請求項１８記載のシステム。
20. 前記泡形成液体と射出可能な液体が共通の液体から成る、請求項１８記載のシステム。
21. 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１８記載のシステム。
22. 前記質量が２ナノグラム未満である、請求項１８記載のシステム。
23. 前記質量が５００ピコグラム未満である、請求項１８記載のシステム。
24. 前記質量が２５０ピコグラム未満である、請求項１８記載のシステム。
25. 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１８記載のシステム。
26. 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１８記載のシステム。
27. 前記プリントヘッドが、
    周囲温度で射出可能な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射出可能な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１８記載のシステム。
28. 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１８記載のシステム。
29. 各ヒーター素子が２つの対向する面を有し、各ヒーター素子によって形成される前記気泡が当該ヒーター素子の前記面の両方で形成されるように構成される、請求項１８記載のシステム。
30. 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、請求項１８記載のシステム。
31. 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１８記載のシステム。
32. 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１８記載のシステム。
33. 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１８記載のシステム。
34. 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る、請求項１８記載のシステム。
35. 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１８記載のシステム。
36. 複数台のノズルと、各ノズルに対応し、固体材料を含む少なくとも１台のそれぞれのヒーター素子とを備えるプリントヘッドから射出可能な液体の液滴を射出する方法であって、
    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ため、前記複数台のノズルのうちの１台に対応し、１０ナノグラム未満の質量を有する少なくとも１台のヒーター素子を、前記少なくとも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沸点よりも高い温度まで加熱するステップと、
    前記加熱するステップによって、前記泡形成液体内で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、
    を含む方法。
37. 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３６記載の方法。
38. ある質量を加熱するステップが、前記固体材料の２ナノグラム未満の質量を有する加熱素子を加熱する工程を含む、請求項３６記載の方法。
39. ある質量を加熱するステップが、前記固体材料の５００ピコグラム未満の質量を有する加熱素子を加熱する工程を含む、請求項３６記載の方法。
40. ある質量を加熱するステップが、前記固体材料の２５０ピコグラム未満の質量を有する加熱素子を加熱する工程を含む、請求項３６記載の方法。
41. 各ヒーター素子が吊り梁の形であり、
    １０ナノグラム未満の質量を有する加熱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３６記載の方法。
42. １０ナノグラム未満の前記質量を加熱するステップが、５００ｎＪ未満の作動エネルギーを前記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３６記載の方法。
43. 前記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、前記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射出可能な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３６記載の方法。
44. 前記プリントヘッドを準備するステップを備え、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３６記載の方法。
45. 各ヒーター素子が２つの対向する面を有し、
    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面の両方で発生させられる、請求項３６記載の方法。
46. 前記気泡を発生させるステップにおいて、前記発生させられた気泡が、壊れやすく崩壊点を有し、前記崩壊点が前記少なくとも１台の加熱されたヒーター素子から間隔をあけられるように発生させられる、請求項３６記載の方法。
47. 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、前記構造体に前記ノズルが組み込まれる、前記プリントヘッドを準備するステップを含む、請求項３６記載の方法。
48. 前記プリントヘッドを準備するステップを含み、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３６記載の方法。
49. 前記プリントヘッドが複数台のノズルチャンバを有し、各ノズルチャンバがそれぞれのノズルに対応し、
    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含む、前記プリントヘッドを準備するステップをさらに含む、請求項３６記載の方法。
50. 前記プリントヘッドを準備するステップを含み、各ヒーター素子が固体材料から作られ、原子比率で当該固体材料の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る、請求項３６記載の方法。
51. 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、前記プリントヘッドを準備するステップを含む、請求項３６記載の方法。

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