JP2008520472A - プリントヘッド - Google Patents

Abstract

流体小滴の脱気および吐出に用いられる装置が開示されている。装置は、流体小滴の吐出のために流体が内部で加圧されるポンピング室を備えた流路と、この流路内の流体と接触するように配置された外表面を有する膜とを備えている。この膜は、液体が透過するのを阻止するが、気体が透過するのは許容する。

Description

本発明はプリントヘッドに関し、特にプリントヘッド内の流体を脱気するための膜に関するものである。

インクジェット・プリンタは一般にインク供給源からノズル通路までのインク通路を備えている。上記ノズル通路は、インク小滴がそこから吐出されるノズル孔内で終端している。インク小滴の吐出は、例えば圧電デフレクタ、サーマル・バブルジェット（登録商標）・ジェネレータ、または静電式たわみ素子のようなアクチュエータを用いてインク通路内のインクを加圧することにより制御される。一般的なプリントヘッドは、対応するノズル孔および協働するアクチュエータを伴ったインク通路アレイを備え、各ノズル孔からのインク小滴の吐出が独立的に制御されるように構成されている。ドロップ・オン・デマンド式プリントヘッドにおいては、プリントヘッドと被印刷体とが相対的に移動しながら、各アクチュエータが作動されて画像の特定画素位置においてインク小滴を選択的に吐出するように構成されている。高性能プリントヘッドにおいては、一般に直径５０μｍ以下の、例えば３５μｍ前後の直径を有するノズル孔が４０〜１２０ノズル／ｃｍ（１００〜３００ノズル／インチ）の間隔で配置されており、１００〜３０００dpi 以上の解像度を有し、約１〜７０ピコリットル以下のサイズの小滴を吐出する。小滴吐出反復周波数は１０kHz である。

プリントヘッド、特に高性能プリントヘッドの印刷精度は、プリントヘッド内のノズルによって吐出される小滴のサイズおよび速度の均一性を含む多くの要因によって影響を受ける。小滴のサイズおよび速度の均一性は、インクの流路内における溶解された気体または気泡の存在のような多くの要因によって影響を受ける。

一般的に本発明は、インクジェット・プリンタのような小滴吐出装置のためのプリントヘッド、および流体を脱気するための膜に関する。

一つの態様において、本発明は、貯留領域と吐出ノズルとの間に延びる流路を備えた小滴吐出装置を特徴づけるものである。上記流路は、流体の小滴を吐出するために流体が内部で加圧されるポンピング室を備えている。半透性窒化物を含む膜が上記流路内の流体と接触するように配置されている。

別の態様において、本発明は、貯留領域と吐出ノズルとの間に延びる流路を備えた小滴吐出装置を特徴づけるものである。上記流路は、流体の小滴を吐出するために流体が内部で加圧されるポンピング室を備えている。Ｈｅに対し室温において約１×１０^−１０モル／（ｍ^２Ｐａ・ｓ）から約１×１０^−６モル／（ｍ^２Ｐａ・ｓ）までの透過率を有する膜が流路内の流体と接触するように配置されている。

別の態様において、本発明は、貯留領域と吐出ノズルとの間に延びる流路を備えた小滴吐出装置を特徴づけるものである。上記流路は、流体の小滴を吐出するために流体が内部で加圧されるポンピング室を備えている。約１００ｎｍ以下の断面寸法を有する微小割れ目を備えた膜が上記流路内の流体と接触するように配置されている。

別の態様において、本発明は、流体の小滴を吐出するために流体が内部で加圧されるポンピング室を備えた流路を有する小滴吐出装置を特徴づけるものである。無機材料を含む半透性膜は、プラズマに曝して気体透過性を修正することによって形成され、外表面を備えた膜が上記流路内の流体と接触するように配置されている。上記膜は、液体が透過するのを阻止するが、気体が透過するのは許容する。

他の態様または実施の形態は、上記および／または下記の一つ以上の態様の組合せを含む。上記膜は微小割れ目を備えている。上記膜は多孔性である。上記膜は、流路内の流体と接触する第１の表面と、減圧領域に接する第２の表面とを備えている。上記膜は液体に対して不透性であるが、気体に対しては透過性である。上記膜は空気に対して透過性である。上記膜は、上記小滴吐出装置内で用いられるインクに対して実質的な不透性である。上記窒化物は例えば窒化珪素である。上記膜はリアクティブ・イオンエッチング剤に曝されたものである。上記膜は、Ｈｅに対し室温において少なくとも約１．６×１０^−８モル／（ｍ^２Ｐａ・ｓ）の、例えば室温において約１×１０^−１０モル／（ｍ^２Ｐａ・ｓ）よりも低い透過率を有する。上記小滴吐出装置は複数の流路を備えていてもよい。上記膜が割れ目を備えている場合、この割れ目は約２５０ｎｍ以下の、例えば１００ｎｍ以下の断面寸法を有する。例えば窒化珪素、窒化チタン、または窒化タングステン等の窒化物に加えて、上記膜は、セラミック、例えば炭化珪素などの炭化物のような他の材料を含んでいてもよい。他の態様においては、本発明は、ここに記載したような、プリントヘッド上に膜を形成する方法を含む。

これらの実施の形態は下記のような利点を有する。上記膜はプリントヘッドの流路内に組み込むことができ、これにより、ＭＥＭＳ型インクジェット・プリントヘッド内のポンピング室に近接した部位でのインクの脱気が可能になる。その結果、インクは効率的に脱気され、プリントヘッド内部の浄化処理が改善されるとともに、高い反復周波数での動作が可能になる。さらに、流路内に膜を組み込むことによってプリントヘッドのサイズを最小にすることができ、かつ別個の脱気装置を省略することができる。

さらに他の態様、特徴及び利点は後述する。例えば、膜の寸法、特性および動作条件を含む特定の態様が後記されている。

図１を参照すると、インクジェット・プリントヘッド１０は、画像が印刷されるシート２４全体または一部分に跨る態様でエンクロージャ２２内に支持された複数のプリントヘッド・ユニット２０を備えている。プリントヘッド１０とシート２４とが相対的に移動する（矢印）のにつれて上記ユニット２０から選択的にインクが吐出されることにより画像が印刷される。図１の実施の形態においては、３組のプリントヘッド・ユニット２０が、例えば３０ｃｍ（１２インチ）以上の幅に亘って示されている。各セットは、プリントヘッド１０とシート２４との間の相対的移動方向に沿って複数の、この場合は３個のプリントヘッド・ユニットを備えている。これらユニットは、解像度および／または印刷速度を高めるために、ノズル開口部をずらして配置されている。その代わりに、あるいはそれに加えて、各セット内の各ユニットには、形式または色彩の異なるインクを供給しても差し支えない。この構成は、プリントヘッドを１回だけシートに通すだけで、シートの幅全体に亘ってカラー印刷を行なうのに用いることができる。

各プリントヘッド・ユニット２０は、フェースプレート３２上に配置されたマニフォルド・アセンブリ３０を備え、インク吐出を制御する駆動信号を供給するために、このマニフォルド・アセンブリ３０内に配置されたフレックスプリント（不図示）がフェースプレート３２に固定されている。各マニフォルド・アセンブリ３０は、インク吐出のためにフェースプレート３２内のノズル開口部にインクを供給するための流路を備えている。

図２を参照すると、インク吐出に先立って、プリントヘッド内のインク（例えば、インク貯留領域７５内に収容されたインク）は脱気されて、印刷の質に影響を与える気泡および／または溶けた気体を除去する。インクを脱気するために、マニフォルド・アセンブリ３０の本体４２（例えば、半導体またはセラミック体）内に形成されたインク流路４０内に配置された、インクに対しては不浸透性であるが気体に対しては浸透性である膜５０上を通過する。インクはインク流路４０の脱気部４５に入り、ここでインクが膜５０に接触することになる。膜５０は、インク流路４０の脱気部４５内でインクと接触する上面５２と、減圧領域６０に接する下面５４とを備えている。本発明の実施の形態においては、膜５０は、インクなどの液体が透過するのを阻止しながら、気体が膜を透過して減圧領域６０に入るのを許容する。減圧源は減圧領域６０に連通している。膜５０に作用する減圧領域６０は、脱気部４５内にあるインクから空気およびその他の気体を除去する。インクが脱気されると、インクはポンピング室８０に入り、ここで要求に応じてノズル７０に供給される。適当なプリントヘッドは、２００２年７月３日付けで提出された米国特許出願第１０／１８９,９４７号明細書に記載されており、その内容の全てが引例として本明細書に組み入れられる。脱気については、２００４年２月１９日付けで提出された米国特許出願第１０／７８２,３６７号明細書に記載されており、その内容の全てが引例として本明細書に組み入れられる。

図３を参照すると、半透性膜５０は、ベース層１１０（例えばシリコン・ウェーファ）上に堆積された窒化物層１００（例えば窒化珪素層）を備えることができる。本発明の実施の形態においては、窒化物層１００は約１μｍ以下の厚さを有し、かつベース層１１０は約７００μｍ以下の厚さを有する。膜５０は、下記の処理によって半透性に作成される。この処理の後、膜５０は、空気またはヘリウムなどの気体が膜を透過することが可能になるが、インクなどの液体の透過は阻止する。

膜５０は、シリコン・ウェーファの前面上に窒化珪素層を堆積させることによって形成することができる。堆積後、次にシリコン・ウェーファの背面はBosch エッチング・プロセス（Bosch etch process）(例えば、リアクティブ・イオンエッチング・プロセス)を用いて約１０分間エッチングされて、ベース層１１０〈例えばシリコン・ウェーファ）を貫通し窒化珪素層１００に達する穴１２５（例えば幅１００μｍ）が形成される。ボッシュ・エッチ法は、窒化珪素層よりも迅速にシリコンを侵蝕し、したがって、膜５０の窒化珪素層１００に穴を穿つことなしに穴１２５を形成するのに用いることができる。膜５０を気体に対して透過性にするためには、穴１２５に対してPlasma-Therm RIE 〈リアクティブ・イオンエッチング・プロセス〉が施される。適当なエッチングは、スイス国のUnaxis 社から得られる、８．５cc／分のＡｒ，２．５cc／分のＳＦ_６，および２．５cc／分のＣＨＦ_３と、１５mTorr および出力１５０Ｗ、８分間の条件下でのPlasma-Therm RIE装置を用いて達成される。Plasma-Therm RIE 装置のエッチングを施した後、窒化物層１００は、気体（例えばヘリウム、空気）に対しては透過性であるが、液体に対しては不透性となる。複数の実施の形態において、リアクティブ・イオンエッチングにより、窒化物層１００内に割れ目が、例えば、液体、例えばインクの膜内への侵入は阻止しながら、気体に対しては透過性を有する大きさ（例えば２５０ｎｍまたは約１００ｎｍ未満）の小さい断面寸法を有する微小割れ目が生じる。膜５０を作成する適当な方法についてのさらなる論議は、Galambos 外著 “Silicon Nitride Membrenes for Filteration and
Separation” SPIE Micromachining and Microfabrication Conference,カリフォルニア州、サンノゼ、1999年９月、およびニューメキシコ大学、1997年、W.P.Eatonの博士号論文 “Surface Micromachined Pressure Transducers” に記載されており、これら文献のすべての内容が引例として本明細書に組み入れられる。

膜５０は、減圧によって領域６０に生じた圧力差を支えるのに十分な強度を有する。複数の実施の形態において、膜５０は、破れたり、および／または流体〈例えば水またはインク〉を透過したりすることなく、約２０または２５バール〈約２０または２５気圧〉以上の負荷に耐えることができる。

膜５０の透過率は一般に高い。複数の実施の形態において、膜５０のヘリウムに対する透過率は、室温において１×１０^−９モル／（ｍ^２Ｐａ・ｓ）以上、例えば１×１０^−８モル／（ｍ^２Ｐａ・ｓ）以上である。いくつかの実施の形態においては、膜５０の透過率が、一般的な多孔質フルオロポリマーからなる膜の透過率１０倍以上、例えば１００または２００倍以上である。例えば、ヘリウムに対し、フルオロポリマーの透過率（例えばＴＦＥに関しては７．９２×１０^−１１モル／（ｍ^２Ｐａ・ｓ）、ＰＴＦＥに関しては５．２９×１０^−１１モル／（ｍ^２Ｐａ・ｓ）よりも約２００以上高い、室温において１．６×１０^−８モル／（ｍ^２Ｐａ・ｓ）の透過率を有する膜が（Galambos 外によって報告されているように）一般にプリントヘッド内でのインクの脱気に用いられる。室温におけるＨｅに対する膜５０の透過率はまた、高温における一般的なフルオロポリマーのＨｅに対する透過率よりも高い。例えば室温における膜５０のＨｅに対する透過率１．６×１０^−８モル／（ｍ^２Ｐａ・ｓ）は、１２５℃におけるフルオロポリマーの透過率（例えばＴＦＥに関しては９．５８×１０^−１０モル／（ｍ^２Ｐａ・ｓ）、ＰＴＦＥに関しては７．０４×１０^−１０モル／（ｍ^２Ｐａ・ｓ））よりも約１６倍高い。

高い気体透過率の結果、膜５０のサイズ（例えば幾何学的表面積）は脱気効率を低下させることなしに縮小（フルオロポリマー材料から作成された従来の脱気膜に比較して）することができる。一般に、もし膜の透過率が増大すると、脱気効率を低下させることなしに膜の幾何学的表面積を縮小することができる。いくつかの実施の形態においては、透過率の増大と表面積における縮小との関係は一対一である。例えば室温において、２００μｍ^２の表面積を有するＴＦＥ膜と１μｍ^２の大きさの膜５０とに関しては脱気効率がほぼ等しい。いくつかの実施の形態においては、膜５０を形成する材料は、フルオロポリマー材料よりも少なくとも１００倍（例えば、少なくとも７５倍、少なくとも５０倍、少なくとも２５倍）も大きい空気に対する透過率を有する。その結果、いくつかの実施の形態においては、膜５０は従来のＴＦＥ脱気膜の少なくとも百分の一の大きさにすることができる。この大きさの縮小は、流路４０に沿う何処かに組み込まれる膜５０にとって特に望ましいことである。

以上、いくつかの実施の形態について説明したが、その他の実施の形態も可能である。例えば、上述の膜５０は、８分間のPlasma-Therm リアクティブ・イオンエッチングの実施の後に空気に対して透過性にされたが、他のエッチング条件、圧力およびガスを用いることもできる。いくつかの実施の形態においては、Plasma-Therm リアクティブ・イオンエッチング時間が８分間から約１２分間まで（例えば、９分、１０分、１１分、１２分）延長することができる。１２分間のリアクティブ・イオンエッチングが施された膜は、Ｈｅに対し室温において１×１０^−１１モル／（ｍ^２Ｐａ・ｓ）の透過率を有する。いくつかの実施の形態においては、Plasma-Therm リアクティブ・イオンエッチング時間を約４分まで（例えば、７分、６分、５分、４分）短縮することができる。この実施の形態においては、リアクティブ・イオンエッチングの後、１０００Torr の段階的負荷をもって予め圧力をかけると、フィルム内の微小割れ目の幅が広がる。この拡幅の結果、室温におけるＨｅに対する初期透過率７×１０^−１１モル／（ｍ^２Ｐａ・ｓ）から最終的なＨｅに対する透過率６．３×１０^−６モル／（ｍ^２Ｐａ・ｓ）まで増大する。いくつかの実施の形態においては、膜５０が長時間の２２分のBosch エッチングには耐えるが、リアクティブ・イオンエッチングには耐えられない。例えば、２２分間のBosch エッチングに曝された膜は、室温でのＨｅに対する透過率は約２×１０^−１１モル／（ｍ^２Ｐａ・ｓ）であり、３３分間のBosch エッチングに曝された膜は、室温におけるＨｅに対する透過率は約１×１０^−９モル／（ｍ^２Ｐａ・ｓ）である。

さらなる例として、いくつかの実施の形態においては、プリントヘッドが複数の流路を備えている。いくつかの実施の形態においては、複数の流路のそれぞれに独立した脱気部が備えられている。別の実施の形態においては、複数の流路の脱気のために単一の脱気部が備えられている。

さらに他の実施の形態を下記に記載する。例えば、インクがプリントヘッド・ユニット内で脱気されかつプリントヘッド・ユニットから吐出される間に、プリントヘッド・ユニットはインク以外の流体を吐出するのに用いることができる。例えば、堆積される小滴は、小滴として供給することができる、ＵＶその他の輻射線で硬化可能な材料またはその他の材料、例えば化学的または生物学的流体である。例えば、上述のプリントヘッド・ユニット２０は、精密分注装置の一部とすることができる。

ここに開示された特徴のすべては、いかなる組合せにも組み合わせることができる。

本願明細書内で引用された全ての文献、装置および特許明細書は、あたかも各個々の文献または特許明細書のすべてが明確かつ個別的に引例として組み入れられることが指示されているのと同程度に本明細書に組み入れられる。

さらに他の実施の形態は請求項に記載されている。

プリントヘッドの斜視図 プリントヘッドの一部分の断面図 図２のプリントヘッドに用いられる膜の一部分の断面図

符号の説明

１０ インクジェット・プリントヘッド
２０ プリントヘッド・ユニット
２４ シート
３０ マニフォルド・アセンブリ
４０ インク流路
４５ 脱気部
５０ 半透性膜
６０ 減圧領域
７０ ノズル
７５ インク貯留領域
８０ ポンピング室
１００ 窒化物層
１１０ ベース層

Claims (38)

1. 貯留領域と吐出ノズルとの間に延び、流体の小滴を吐出するために該流体が内部で加圧されるポンピング室を備えた流路と、
   前記流路内の流体と接触するように配置された、半透性窒化物を含む膜と、
   を備えていることを特徴とする小滴吐出装置。
2. 前記膜が微小割れ目を備えていることを特徴とする請求項１記載の小滴吐出装置。
3. 前記膜が多孔性であることを特徴とする請求項１記載の小滴吐出装置。
4. 前記膜が、前記流路内の流体と接触する第１の表面と、減圧領域に接する第２の表面とを備えていることを特徴とする請求項１記載の小滴吐出装置。
5. 前記膜が、液体に対しては不透性であるが気体に対して透過性であることを特徴とする請求項１記載の小滴吐出装置。
6. 前記膜が、空気に対して透過性であることを特徴とする請求項５記載の小滴吐出装置。
7. 前記膜が、前記小滴吐出装置内で用いられるインクに対して実質的に不透性であることを特徴とする請求項５記載の小滴吐出装置。
8. 前記窒化物が窒化珪素を含むことを特徴とする請求項１記載の小滴吐出装置。
9. 前記膜が、リアクティブ・イオンエッチング剤に曝されたものであることを特徴とする請求項１記載の小滴吐出装置。
10. 前記膜が、Ｈｅに対し室温において少なくとも約１．６×１０^−８モル／（ｍ^２Ｐａ・ｓ）の透過率を有することを特徴とする請求項１記載の小滴吐出装置。
11. 前記膜が、Ｈｅに対し室温において約１×１０^−１０モル／（ｍ^２Ｐａ・ｓ）の透過率を有することを特徴とする請求項１０記載の小滴吐出装置。
12. 複数の流路をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の小滴吐出装置。
13. 貯留領域と吐出ノズルとの間に延び、流体の小滴を吐出するために該流体が内部で加圧されるポンピング室を備えた流路と、
    Ｈｅに対し室温において約１×１０^−１０モル／（ｍ^２Ｐａ・ｓ）から約１×１０^−６モル／（ｍ^２Ｐａ・ｓ）までの透過率を有し、前記流路内の流体と接触するように配置された膜と、
    を備えていることを特徴とする小滴吐出装置。
14. 前記膜が微小割れ目を備えていることを特徴とする請求項１３記載の小滴吐出装置。
15. 前記膜が、前記流路内の流体と接触する第１の表面と、減圧領域に接する第２の表面とを備えていることを特徴とする請求項１３記載の小滴吐出装置。
16. 前記膜が、空気に対しても透過性であることを特徴とする請求項１３記載の小滴吐出装置。
17. 前記膜が、液体に対して実質的に不透性であることを特徴とする請求項１３記載の小滴吐出装置。
18. 前記膜が、前記小滴吐出装置内で用いられるインクに対して実質的に不透性であることを特徴とする請求項１７記載の小滴吐出装置。
19. 前記膜が窒化珪素膜を含むことを特徴とする請求項１３記載の小滴吐出装置。
20. 前記膜が、リアクティブ・イオンエッチング剤に曝されたものであることを特徴とする請求項１３記載の小滴吐出装置。
21. 前記膜がＨｅに対し室温において約１．６×１０^−８モル／（ｍ^２Ｐａ・ｓ）よりも低い透過率を有することを特徴とする請求項１３記載の小滴吐出装置。
22. 複数の流路をさらに備えていることを特徴とする請求項１３記載の小滴吐出装置。
23. 貯留領域と吐出ノズルとの間に延び、流体の小滴を吐出するために該流体が内部で加圧されるポンピング室を備えた流路と、
    約１００ｎｍ以下の断面寸法を有する微小割れ目を備え、前記流路内の流体と接触するように配置された膜と、
    を備えていることを特徴とする小滴吐出装置。
24. 前記膜が、前記流路内の流体と接触する第１の表面と、減圧領域に接する第２の表面とを備えていることを特徴とする請求項２３記載の小滴吐出装置。
25. 前記膜が、液体に対しては不透性であるが気体に対して透過性であることを特徴とする請求項２３記載の小滴吐出装置。
26. 前記膜が、空気に対して透過性であることを特徴とする請求項２５記載の小滴吐出装置。
27. 前記膜が、前記小滴吐出装置内で用いられるインクに対して実質的に不透性であることを特徴とする請求項２６記載の小滴吐出装置。
28. 前記膜が窒化珪素を含むことを特徴とする請求項２３記載の小滴吐出装置。
29. 前記膜が、リアクティブ・イオンエッチング剤に曝されたものであることを特徴とする請求項２３記載の小滴吐出装置。
30. 前記膜がＨｅに対し室温において少なくとも約１．６×１０^−８モル／（ｍ^２Ｐａ・ｓ）の透過率を有することを特徴とする請求項２３記載の小滴吐出装置。
31. 前記膜がＨｅに対し室温において約１×１０^−１０モル／（ｍ^２Ｐａ・ｓ）よりも低い透過率を有することを特徴とする請求項３０記載の小滴吐出装置。
32. 複数の流路をさらに備えていることを特徴とする請求項２３記載の小滴吐出装置。
33. 貯留領域と吐出ノズルとの間に延び、流体の小滴を吐出するために該流体が内部で加圧されるポンピング室を備えた流路と、
    プラズマに曝されて気体に対する透過率を修正された無機材料を含み、前記流路内の流体と接触するように配置された半透性膜とを含み、
    該膜は、液体が透過するのを阻止するが、気体が透過するのを許容するものであることを特徴とする小滴吐出装置。
34. 前記膜が割れ目を備えていることを特徴とする請求項３３記載の小滴吐出装置。
35. 前記割れ目が約２５０ｎｍ以下の断面寸法を有することを特徴とする請求項３４記載の小滴吐出装置。
36. 前記断面寸法が１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３５記載の小滴吐出装置。
37. 前記無機材料が窒化物を含むことを特徴とする請求項３３記載の小滴吐出装置。
38. 前記窒化物が窒化珪素を含むことを特徴とする請求項３７記載の小滴吐出装置。

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