JP2010173327A - Paddle for jetting liquid and liquid jetting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インクジェットプリンタ等のマイクロメカニカルなまたはマイクロエレクトロメカニカルなデバイスの分野に関する。本明細書において、本発明は、マイクロエレクトロメカニカルなインクジェット技術に関して説明される。しかし、本発明は他のマイクロメカニカルなまたはマイクロエレクトロメカニカルなデバイス、たとえば、マイクロエレクトロメカニカルなポンプやマイクロエレクトロメカニカルなムーバ、へのより広い用途を有している。 The present invention relates to the field of micromechanical or microelectromechanical devices such as inkjet printers. In the present specification, the present invention will be described with reference to microelectromechanical inkjet technology. However, the present invention has broader application to other micromechanical or microelectromechanical devices, such as microelectromechanical pumps and microelectromechanical movers.
マイクロメカニカルな及びマイクロエレクトロメカニカルなデバイスは、ますます普及してきており、通常、半導体製造技術を利用したμm(ミクロン)規模のデバイスの作成を伴う。マイクロメカニカルなデバイスに関する最近の概観として、非特許文1の「The Broad Sweep of Integrated Micro Systems」という論文を参照する。
Micromechanical and microelectromechanical devices are becoming increasingly popular and typically involve the creation of micron scale devices using semiconductor manufacturing techniques. For a recent overview of micromechanical devices, refer to the paper “The Broad Sweep of Integrated Micro Systems” in Non-Patent
一般的に用いられているマイクロエレクトロメカニカルなデバイスの1つの形式は、インク噴出ノズルチャンバからインクが噴出される、インクジェット印字デバイスである。多くの形式のインクジェットデバイスが知られている。
インクジェット印字及び関連するデバイスに関する多くの異なる技術が、発明されている。この分野の概観として、非特許文献2の「Non-Impact Printing: Introduction and Historical Perspective」という論文を参照する。
One type of commonly used microelectromechanical device is an ink jet printing device in which ink is ejected from an ink ejection nozzle chamber. Many types of inkjet devices are known.
Many different techniques for ink jet printing and related devices have been invented. As an overview of this field, reference is made to the paper “Non-Impact Printing: Introduction and Historical Perspective” of Non-Patent Document 2.
最近、本出願人によって、マイクロエレクトロメカニカルなインクジェット(MEMJET)技術と呼ばれる新しい形式のインクジェット印字が開発された。MEMJET技術の1つの形式において、パドルまたはプランジャに接続されたエレクトロメカニカルなアクチュエータを利用するインク噴出ノズルチャンバからインクが噴出される。パドルまたはプランジャは、チャンバの噴出ノズルに向かって動いて、噴出ノズルチャンバからインク滴が噴出される。 Recently, the applicant has developed a new type of inkjet printing called microelectromechanical inkjet (MEMJET) technology. In one form of MEMJET technology, ink is ejected from an ink ejection nozzle chamber that utilizes an electromechanical actuator connected to a paddle or plunger. The paddle or plunger moves toward the ejection nozzle of the chamber, and ink drops are ejected from the ejection nozzle chamber.
本発明は、MEMJET技術その他マイクロメカニカルなまたはマイクロエレクトロメカニカルなデバイスにおいて用いる、機械的な屈曲アクチュエータの改良に関する。 The present invention relates to improvements in mechanical bending actuators for use in MEMJET technology and other micromechanical or microelectromechanical devices.
本発明の第1の態様によれば、マイクロエレクトロメカニカルなデバイス用の熱アクチュエータが提供される。アクチュエータは、支持基板と、作動部と、その第1の端において基板に取り付けられ、第2の端において作動部に取り付けられた第1のアームであって、使用中は伝導によって加熱可能なように配置されている第1のアームと、第1の端において支持基板に取り付けられ、第2の端において作動部に取り付けられた第2のアームであって、第1のアームと間隔を置いて配置され、それによって第1及び第2のアームが両者の間に間隙を規定する、第2のアームとを含む。使用中は、第1のアームは伝導によって加熱されると熱膨張し、それによって作動部に力が加えるように配置されている。 According to a first aspect of the present invention, a thermal actuator for a microelectromechanical device is provided. The actuator is a support substrate, an actuating part, and a first arm attached to the actuating part at a first end thereof and attached to the actuating part at a second end so that it can be heated by conduction during use. And a second arm attached to the support substrate at a first end and attached to the actuating part at a second end, spaced from the first arm. And a second arm that is disposed such that the first and second arms define a gap therebetween. During use, the first arm is arranged to thermally expand when heated by conduction, thereby applying a force to the actuator.
従って、従来技術の熱アクチュエータと比べて、たとえば動作温度等、アクチュエータの動作特性の作動部の材料に対する依存度を、少なくすることができる。従来技術の熱アクチュエータにおいて、作動部は通常部分的に、熱アクチュエータ(三層アクチュエータ)のアームとアームとの間に配置されている。さらに、作動部が部分的にアームとアームとの間に配置されている場合には、使用中に、作動部のその部分において剪断応力が誘発され、それによってアクチュエータの効率が下がってしまう可能性がある。
アクチュエータは、加熱電流を支持基板を通って第1のアームに印加することができるような方法で配置されていてもよい。
Therefore, the dependence of the operating characteristics of the actuator, such as the operating temperature, on the material of the operating portion can be reduced as compared with the conventional thermal actuator. In prior art thermal actuators, the actuating part is usually partly arranged between the arms of the thermal actuator (three-layer actuator). Furthermore, if the actuator is partially located between the arms, during use, shear stress may be induced in that part of the actuator, thereby reducing the efficiency of the actuator. There is.
The actuator may be arranged in such a way that a heating current can be applied to the first arm through the support substrate.
第1及び第2のアームは、好ましくは、略同じ材料から形成される。アクチュエータは、第1の層を推積及びエッチングして第1のアームを形成する工程と、第2の層を推積及びエッチングして、第1のアームの上方に犠牲層支持構造を形成する工程と、第3の層を推積及びエッチングして第2のアームを形成し、第2の層をエッチングして第1のアームと第2のアームとの間に間隙を形成する工程とによって製造してもよい。 The first and second arms are preferably formed from substantially the same material. The actuator deposits and etches the first layer to form a first arm, and deposits and etches the second layer to form a sacrificial layer support structure above the first arm. And stacking and etching the third layer to form a second arm and etching the second layer to form a gap between the first arm and the second arm. It may be manufactured.
第1のアームは、第2の端において、伝導によって相互接続された2つの細長い柔軟性を有する細長片を含んでもよい。
第2のアームは、2つの細長い柔軟性を有する細長片を含んでもよい。
作動部は、パドル構造を含んでもよい。従ってアクチュエータは、液体噴出チャンバからの液体の噴出に対してパドル構造が可動な状態で、液体噴出チャンバ内で用いてもよい。
第1のアームは窒化チタンから形成してもよく、第2のアームも窒化チタンから形成してもよい。
The first arm may include two elongated flexible strips interconnected by conduction at the second end.
The second arm may include two elongated flexible strips.
The operating part may include a paddle structure. Therefore, the actuator may be used in the liquid ejection chamber with the paddle structure movable relative to the liquid ejection from the liquid ejection chamber.
The first arm may be formed from titanium nitride, and the second arm may be formed from titanium nitride.
本発明の第2の態様によれば、インクジェット印字システムの製造の新規な形式が開示される。 According to a second aspect of the present invention, a novel form of manufacturing an inkjet printing system is disclosed.
本発明の第3の態様によれば、ノズルチャンバ内からノズルチャンバの1つの壁において規定された液体噴出ノズルを通って液体を噴出する、パドルが提供される。パドルは、使用中はノズルに対向しノズルから間隔を置いて配置された略平らなプランジャ表面を提供するように構成された第1の部分と、第1の部分の周辺におけるプランジャ表面上に形成されて第1の部分の構造上の支持を行う第2の部分とを含み、それによって、使用中、プランジャが作動して液体をノズルを通って噴出している間、第2の部分がスペーサとしての役割を果たして、プランジャ表面がノズルに触れるのを防止する。 According to a third aspect of the present invention, a paddle is provided that ejects liquid from within a nozzle chamber through a liquid ejection nozzle defined in one wall of the nozzle chamber. A paddle is formed on the plunger surface at a periphery of the first portion and a first portion configured to provide a generally flat plunger surface opposite the nozzle and spaced from the nozzle during use. And a second portion that provides structural support for the first portion so that, in use, the second portion is a spacer while the plunger is actuated to eject liquid through the nozzle. To prevent the plunger surface from touching the nozzle.
プランジャ表面をノズルから間隔を置いて配置することは、ノズルにおいて液体のメニスカスがプランジャ表面と接触する可能性を減らすのに重要である。接触すると、このような装置の動作特性に影響を与えてしまう可能性がある。当業者であれば、これに応じて、以前に構造上強固にするために必要であると思われていた一定の厚さを有するパドルと比較して、同じ噴出体積において本発明を実施するチャンバの大きさを小さくすることができる、ということが理解されよう。 Positioning the plunger surface spaced from the nozzle is important in reducing the likelihood that a liquid meniscus will contact the plunger surface at the nozzle. Contact can affect the operating characteristics of such devices. A person skilled in the art will accordingly respond to this chamber implementing the present invention in the same ejection volume compared to a paddle having a certain thickness previously thought to be structurally robust. It will be understood that the size of can be reduced.
第2の部分は、プランジャ表面の中央部が使用中にノズルと略整列した状態で、中央部の周りに連続壁構造を規定するように構成してもよい。
中央部は、好ましくはノズルと同じ寸法であってもよい。
第1の部分は外周が円形であってもよく、第2の部分は、パドルの外周の周りの環形を含んでもよい。
パドルは、液体噴出ノズルの周りに略対照的に配置されてもよく、第1の層を推積及びエッチングして第1のパドル部を形成する工程と、第2の層を推積及びエッチングして第1のパドル部の上方に犠牲層支持構造を形成する工程と、第3の層を推積及びエッチングして第3のパドル部を形成する工程とによって形成されてもよい。
The second portion may be configured to define a continuous wall structure around the central portion with the central portion of the plunger surface generally aligned with the nozzle in use.
The central part may preferably have the same dimensions as the nozzle.
The first portion may have a circular outer periphery, and the second portion may include an annulus around the outer periphery of the paddle.
The paddle may be arranged substantially in contrast around the liquid ejection nozzle, depositing and etching the first layer to form the first paddle portion, and depositing and etching the second layer. Then, the sacrificial layer support structure may be formed above the first paddle part and the third paddle part may be formed by depositing and etching the third layer.
本発明の第4の態様によれば、マイクロメカニカルなまたはマイクロエレクトロメカニカルなデバイス用の、機械的アクチュエータが提供される。かかるアクチュエータは、支持基板と、作動部と、その第1の端において基板に取り付けられ、第2の端において作動部に取り付けられた第1のアームであって、使用中は伝導によって加熱可能なように配置されている第1のアームと、第1の端において支持基板に取り付けられ、第2の端において作動部に取り付けられた第2のアームであって、第1のアームと間隔を置いて配置され、それによって第1及び第2のアームが両者の間に間隙を規定する、第2のアームとを含み、少なくとも1つの剛体部材が、第1のアームと第2のアームとをその第1の端と第2の端との間で相互接続し、使用中は、第1のアームが熱膨張し、それによってアクチュエータが作動部に力を加えるように配置されている。 According to a fourth aspect of the invention, a mechanical actuator is provided for a micromechanical or microelectromechanical device. Such an actuator is a support substrate, an actuating part, and a first arm attached to the actuating part at a first end and attached to the actuating part at a second end, which can be heated by conduction during use. And a second arm attached to the support substrate at the first end and attached to the actuating portion at the second end, spaced from the first arm. And a second arm, wherein the first and second arms define a gap therebetween, and the at least one rigid member connects the first arm and the second arm to each other. Interconnected between the first end and the second end, and in use, the first arm is arranged to thermally expand, thereby causing the actuator to exert a force on the actuator.
出願人は、第1のアームと第2のアームとの間に剛体部材を設けることによって、第1のアームが膨張するときに両アームが反るのを防止することができる、ということを発見した。 Applicant has discovered that by providing a rigid member between the first arm and the second arm, both arms can be prevented from warping when the first arm expands. did.
第1のアームは、好ましくは、第1のアームの第1の端と第2の端との間に形成された第1の主本体と、第1の主本体に接続された、少なくとも1つのタブ本体とを含み、少なくとも1つの剛体部材のうちの最初のものが、タブを第2のアームと相互接続してもよい。
第2のアームは、好ましくは、第2のアームの第1の端と第2の端との間に形成された第2の主本体と、第2の主本体に接続された、少なくとも1つの対応するタブ本体とを含み、少なくとも1つの剛体部材のうちの最初のものが、第1及び第2のアームの対応する両タブを相互接続してもよい。
The first arm preferably has a first main body formed between a first end and a second end of the first arm, and at least one connected to the first main body. A first of the at least one rigid member may interconnect the tab with the second arm.
The second arm preferably has at least one second main body formed between the first and second ends of the second arm, and at least one connected to the second main body. A first of the at least one rigid member may interconnect both corresponding tabs of the first and second arms.
タブ本体は、第1の薄くしたネック部を通して第1の主本体に接続されていてもよい。
対応するタブ本体は、第2の薄くしたネック部を通して第2の主本体に接続されていてもよい。
The tab body may be connected to the first main body through the first thinned neck.
The corresponding tab body may be connected to the second main body through the second thinned neck.
第1のアームは、それによって第1のアームが伝導によって加熱可能であり、使用中に第1のアームを第2のアームに関して熱膨張させて、それによってアクチュエータが作動部に力を加えるようになっている、伝導層を含んでもよい。
第1及び第2のアームは、好ましくは略平行であり、剛体部材は、第1及び第2のアームと略垂直であってもよい。
アクチュエータは、電流を支持基板を通って伝導層に供給できるような方法で配置されていてもよい。
第1及び第2のアームは、好ましくは略同じ材料から形成される。
The first arm is such that the first arm can be heated by conduction, causing the first arm to thermally expand with respect to the second arm during use, thereby causing the actuator to exert a force on the actuator. A conductive layer may be included.
The first and second arms are preferably substantially parallel, and the rigid member may be substantially perpendicular to the first and second arms.
The actuators may be arranged in such a way that current can be supplied to the conductive layer through the support substrate.
The first and second arms are preferably formed from substantially the same material.
アクチュエータは、第1の層を推積及びエッチングして第1のアームを形成する工程と、第2の層を推積及びエッチングして、第1のアームの上方に犠牲層支持構造を形成する工程と、第3の層を推積及びエッチングして、第2のアームを形成する工程と、犠牲層をエッチングして第1のアームと第2のアームとの間に間隙を形成する工程とによって製造してもよい。 The actuator deposits and etches the first layer to form a first arm, and deposits and etches the second layer to form a sacrificial layer support structure above the first arm. Depositing and etching the third layer to form a second arm, etching the sacrificial layer to form a gap between the first arm and the second arm, and May be manufactured.
第1のアームは、第2の端において、伝導によって相互接続された2つの細長い柔軟性を有する細長片を含んでもよい。第2のアームもまた2つの細長い柔軟性を有する細長片を含んでもよい。
作動部は、パドル構造を含んでもよい。従ってアクチュエータは、液体噴出チャンバからの液体の噴出に対してパドル構造が可動な状態で、液体噴出チャンバ内で用いてもよい。
第1の伝導アームは窒化チタンから形成してもよく、第2のアームは窒化チタンから形成してもよい。
The first arm may include two elongated flexible strips interconnected by conduction at the second end. The second arm may also include two elongated flexible strips.
The operating part may include a paddle structure. Therefore, the actuator may be used in the liquid ejection chamber with the paddle structure movable relative to the liquid ejection from the liquid ejection chamber.
The first conductive arm may be formed from titanium nitride and the second arm may be formed from titanium nitride.
本発明の第5の態様によれば、マイクロメカニカルなまたはマイクロエレクトロメカニカルなデバイス用の熱アクチュエータが提供される。かかるアクチュエータは、支持基板と、アクチュエータ延長部と、その第1の端において基板に取り付けられ、第2の端において延長部に取り付けられた第1のアームであって、使用中は伝導によって加熱可能なようになっている第1のアームと、第1の端において支持基板に取り付けられ、第2の端において延長部に取り付けられた第2のアームであって、第1のアームと間隔を置いて配置された第2のアームとを含み、使用中は、第1のアームが熱膨張し、それによってアクチュエータが延長部に力を加えるように配置されており、第1のアームは、第1のアームの略最高加熱点のところに少なくとも1つのヒートシンク要素を含み、この点は、使用中第1のアームの最高加熱が起こるところである。 According to a fifth aspect of the present invention, a thermal actuator for a micromechanical or microelectromechanical device is provided. Such an actuator is a support substrate, an actuator extension, and a first arm attached to the substrate at its first end and attached to the extension at a second end, which can be heated by conduction during use. And a second arm attached to the support substrate at a first end and attached to an extension at a second end, spaced from the first arm. Arranged in such a way that, in use, the first arm is thermally expanded, whereby the actuator applies a force to the extension, and the first arm is At least one heat sink element is included at approximately the highest heating point of the first arm, which is where maximum heating of the first arm occurs during use.
出願人は、ヒートシンク要素を設けることによって、第1のアームにおける最高温度を低くすることができるという点において、及び第1のアームの全体にわたってより均一な温度プロフィルを達成することができるという点において、熱によって曲がるアクチュエータの動作特性を改良することができる、ということを発見した。これによって、第1のアームにおいて誘発される熱膨張を最大にすることができる。 Applicants are able to lower the maximum temperature in the first arm by providing a heat sink element and in that a more uniform temperature profile can be achieved throughout the first arm. It was discovered that the operating characteristics of an actuator that bends by heat can be improved. This can maximize the thermal expansion induced in the first arm.
ヒートシンク要素は、第1のアームの略中央に配置されていてもよい。
ヒートシンク要素は、第1のアームと第2のアームとを相互接続するように配置されていてもよい。
ヒートシンク要素は、第1のアームの主本体に接続された、少なくとも1つのタブ本体を含んでもよい。
タブ本体は、第1の薄くしたネック部を通して主本体に接続されていてもよい。
第1のアームは、それによって第1のアームが伝導によって加熱可能な、伝導層を含んでもよい。
The heat sink element may be disposed substantially in the center of the first arm.
The heat sink element may be arranged to interconnect the first arm and the second arm.
The heat sink element may include at least one tab body connected to the main body of the first arm.
The tab body may be connected to the main body through the first thinned neck.
The first arm may include a conductive layer by which the first arm can be heated by conduction.
アクチュエータは、電流を支持基板を通って伝導層に供給できるような方法で配置されていてもよい。
第1及び第2のアームは、好ましくは略同じ材料から形成される。
延長部は、パドル構造を含んでもよい。従ってアクチュエータは、液体噴出チャンバからの液体の噴出に対してパドル構造が可動な状態で、液体噴出チャンバ内で用いてもよい。
第1の伝導アームは窒化チタンから形成してもよく、第2のアームは窒化チタンから形成してもよい。
The actuators may be arranged in such a way that current can be supplied to the conductive layer through the support substrate.
The first and second arms are preferably formed from substantially the same material.
The extension may include a paddle structure. Therefore, the actuator may be used in the liquid ejection chamber with the paddle structure movable relative to the liquid ejection from the liquid ejection chamber.
The first conductive arm may be formed from titanium nitride and the second arm may be formed from titanium nitride.
本発明の第6の態様によれば、液体を噴出するための、その1つの壁における第1の開口部と、そこを通ってアクチュエータのアームが延びる、その壁における第2の開口部とを有するノズルチャンバを含む、液体噴出デバイスが提供される。アクチュエータのアームは、ノズルチャンバの外側に配置された基板に取り付けられ、ノズルチャンバの内側のパドルに接続されており、パドルは、アクチュエータのアームによって、液体を第1の開口部を通って噴出するように動作可能である。システムはさらに、第2の開口部の周りに形成された、第1の隆起したリムを含む。第1の隆起したリムは、アクチュエータのアームの動作中に、第1の隆起したリムとアクチュエータのアームとの間で液体の外面に沿って液体のメニスカスが形成されるような方法で、配置されている。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a first opening in the one wall for ejecting liquid and a second opening in the wall through which the arm of the actuator extends. A liquid ejection device is provided that includes a nozzle chamber having. The actuator arm is attached to a substrate disposed outside the nozzle chamber and connected to a paddle inside the nozzle chamber, the paddle ejecting liquid through the first opening by the actuator arm. Is operable. The system further includes a first raised rim formed around the second opening. The first raised rim is positioned in such a way that during operation of the actuator arm, a liquid meniscus is formed along the outer surface of the liquid between the first raised rim and the actuator arm. ing.
従って、液体が第2の開口部を通ってノズルチャンバの外側に広がることは防止されるかもしれない。
アクチュエータは、好ましくは、第1の隆起したリムに隣接し、基板と略平行で基板から間隔を置いて配置された、平らな部分を含んでもよい。
第1の隆起したリムは、好ましくは、平らな部分と略平行な縁部を含んでもよい。
第1の隆起したリムは、隆起したリップを含んでもよい。
Thus, liquid may be prevented from spreading outside the nozzle chamber through the second opening.
The actuator may preferably include a flat portion adjacent to the first raised rim and generally parallel to and spaced from the substrate.
The first raised rim may preferably include an edge generally parallel to the flat portion.
The first raised rim may include a raised lip.
デバイスはさらに、アクチュエータのアーム上に、第2の開口部の周りに形成された第1の隆起したリムに隣接して形成された、第2の隆起したリムを含んでもよい。この実施形態において、第2の隆起したリムは、液体が第2の開口部を通ってノズルチャンバの外側に広がることを防止する助けとなってもよい。
第1の隆起したリムは、アクチュエータのアームの一部もまた形成する層のデポジションから形成してもよい。
第1及び第2の隆起したリムのうちの少なくとも1つは、窒化チタンから形成してもよい。
第1の隆起したリムに隣接して、好ましくは、ウィッキングを低減する助けになるピットが形成される。
The device may further include a second raised rim formed on the arm of the actuator adjacent to the first raised rim formed around the second opening. In this embodiment, the second raised rim may help prevent liquid from spreading outside the nozzle chamber through the second opening.
The first raised rim may be formed from a deposition of a layer that also forms part of the arm of the actuator.
At least one of the first and second raised rims may be formed from titanium nitride.
Adjacent to the first raised rim is preferably formed a pit that helps reduce wicking.
本発明の第7の態様によれば、液体噴出デバイスが提供される。液体噴出デバイスは、ノズルチャンバと、ノズルチャンバ内に配置されて、第1の状態から噴出状態に動かされると、液体をノズルチャンバからノズルチャンバの1つの壁における開口部を通って噴出する、噴出パドルと、パドルが第1の状態にある時にはパドルによって略閉じているような方法で配置された、液体供給ポートとを含む。かかるノズルチャンバは、パドルが第1の状態にある時にはパドルのリムにぴったりと隣接して整列している、その壁構造上の内部突出部を含む。噴出状態において、パドルのリムのうちの少なくとも一部は、突出部から間隔を置いて配置されており、それによって、壁構造とパドルのリムのその一部との間に規定された液体再充填チャネルを形成する。 According to a seventh aspect of the present invention, a liquid ejection device is provided. A liquid ejection device is disposed within the nozzle chamber and, when moved from the first state to the ejection state, ejects liquid from the nozzle chamber through an opening in one wall of the nozzle chamber. A paddle and a liquid supply port arranged in such a manner that it is substantially closed by the paddle when the paddle is in the first state. Such a nozzle chamber includes an internal protrusion on its wall structure that is aligned closely adjacent to the rim of the paddle when the paddle is in the first state. In the erupted state, at least a portion of the paddle rim is spaced from the protrusion, thereby defining a liquid refill defined between the wall structure and that portion of the paddle rim. Form a channel.
内部突出部は、横断面が階段状であってもよい。
パドル及び内部突出部は、好ましくは1つのデポジション工程において形成される。
内部突出部は、ノズルチャンバの壁構造を形成する高アスペクト比のデポジション工程と比較してアスペクト比の低いデポジション工程を用いて形成してもよい。
パドルは、略平らであってもよい。
The internal protrusion may have a stepped cross section.
The paddle and internal protrusion are preferably formed in one deposition process.
The internal protrusion may be formed using a deposition process having a low aspect ratio compared to a high aspect ratio deposition process that forms the wall structure of the nozzle chamber.
The paddle may be substantially flat.
本発明の範囲に入るかもしれないいかなる他の形式にもかかわらず、添付図面を参照して、実例のみとして、本発明の好ましい形式を説明する。 The preferred form of the invention will now be described, by way of example only, with reference to the accompanying drawings, in spite of any other form that may fall within the scope of the invention.
好ましい実施形態において、熱によって曲がるアクチュエータを利用してノズルチャンバからインクを噴出する、コンパクトな形式の液体噴出デバイスが提供される。 In a preferred embodiment, a compact type of liquid ejection device is provided that ejects ink from a nozzle chamber utilizing an actuator that bends by heat.
まず図1ないし3を参照して、好ましい実施形態の動作原理を説明する。図1に示すように、インク噴出装置1が提供される。インク噴出装置1は、通常インクで満たされて、隆起したリムを有するインク噴出ノズル4の周りにメニスカス3を形成するようになっている、ノズルチャンバ2を含む。ノズルチャンバ2内のインクは、インク供給チャネル5によって補給される。
First, the operating principle of the preferred embodiment will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, an
ノズルのパドル8にしっかりと相互接続された熱アクチュエータ7によって、インクはノズルチャンバ2から噴出される。熱アクチュエータ7は、2つのアーム10、11を含み、下のアーム11は電流源に相互接続されていて、下のアーム11の伝導加熱を行うようになっている。ノズルチャンバ2から滴を噴出することが所望される場合、下のアーム11が加熱されて、このアーム11が上のアーム10に関して急速に膨張するようにする。この急速な膨張によって今度は、パドル8がノズルチャンバ2内で急速に上向きに動く。図2に、この最初の動きを示す。アーム8が上向きに動いて、ノズルチャンバ2内の圧力が本質的に上昇するようになっており、この圧力上昇によって今度は、インクがノズル4から流出し、メニスカス3が膨れ上がる。次にヒータ11への電流をオフにして、図3に示すように、パドル8がその元の位置への復帰を開始するようにする。この結果、ノズルチャンバ2内の圧力が本質的に低下する。ノズルのリム4の外側のインクは前方に勢いがついているので、その結果メニスカスがくびれて分かれ、図3に示すように、メニスカス3と気泡13とを形成するようになる。気泡13は前方に、インク印字媒体上へと進み続ける。
Ink is ejected from the nozzle chamber 2 by a thermal actuator 7 which is securely interconnected to the nozzle paddle 8. The thermal actuator 7 includes two
重要なことであるが、ノズルチャンバは縦断面の縁15を含み、図2に示すように、これによって、パドル8が上に動くときに、チャネルの空間16が大きく増大する。このようにチャネルの空間16が大きくなることによって、インクのメニスカス3の表面張力効果によって、チャネル16を通ってインクが引き込まれ、実体量のインクが急速にノズルチャンバ2に流入することができる。ノズルチャンバのプロファイルによって、ノズルチャンバを急速に再充填することができ、この装置は結局、前に図1に示したように、静止位置に復帰する。
Significantly, the nozzle chamber includes a longitudinal edge 15 which, as shown in FIG. 2, greatly increases the
装置1はまた、多数のその他の重要な特徴も含む。こういったものには、図1に示すような円形のリム18が含まれる。円形のリム18は、パドル8の外周の周りに形成され、パドル8の構造上の支持を行いながら、図3に示すメニスカス3と、パドル表面8との間の距離を実質的に最大にしている。この距離を最大にすることによって、メニスカス3がパドル表面8と接触しそれによって動作特性に影響を与える可能性が、低くなる。さらに、製造工程の一部として、表面、たとえば20、に沿ってインクがウィッキングし、それによって装置1の動作特性に影響を与える可能性を低減するための、インク流出防止リップ19が設けられる。
The
熱アクチュエータ7の動作原理を、まず図4から10を参照して説明する。まず図4を参照して、基板22に取り付けられた、熱によって曲がるアクチュエータを示す。熱によって曲がるアクチュエータは、アクチュエータのアーム23を含み、その両側には作動アーム24、25がある。2つのアーム24、25は、好ましくは同じ材料から形成され、互いに熱的な釣り合いがとれるようになっている。さらに、アクチュエータのアーム23の表面には、圧力Pが働くとする。圧力の上昇が所望の場合には、図5に示すように、下のアーム25が加熱され、上のアーム24と下のアーム25との間の引っ張り応力が小さくなるようにする。この結果、アクチュエータのアーム23に働く合力が出力され、その結果、アクチュエータのアーム23が全体として上向きに動く。
The operating principle of the thermal actuator 7 will be described first with reference to FIGS. First, referring to FIG. 4, an actuator that is attached to a
不都合なことに、実際には、アーム24、25が長すぎる場合、アーム25を加熱すると、図6に示すような反り状態に入ってしまう危険があるということがわかっている。この反り状態は、アクチュエータのアーム23の動作有効性を低減する。図6に示すような反り状態の可能性は、より小さな、熱によって曲がるアーム24、25を利用することによって、本質的に低くすることができる。このように変形した装置を、図7に示す。図8に示すように下の熱アーム25を加熱すると、アクチュエータのアーム23が上向きに曲がり、システムが図6の反り状態に入る可能性が本質的に低くなる、ということがわかっている。
Unfortunately, in practice it has been found that if the
図8の装置において、アクチュエータのアーム23のうちの、作動部24と25との間の部分26は、剪断応力状態になり、その結果、この実施形態においては動作効率が失われてしまうかもしれない。さらに、材料26が存在することの結果として、アーム部25からアーム部24へと急速に熱が伝導する可能性がある。
さらに、熱アーム25は、アーム23を動作するのに好適な温度で動作させなければならない。従って動作特性は、部分26の特性、たとえば融点、によって制限される。
In the apparatus of FIG. 8, the
Furthermore, the
図9において、熱によって曲がるアクチュエータの他の形式を示す。かかるアクチュエータは、2つのアーム24、25及びアクチュエータのアーム23を含むが、アームとアームとの間には、空間すなわち間隙28が設けられている。アームの一方を加熱すると、図10に示すように、アーム25が以前と同様に上向きに曲がる。図10の装置は、アーム24、25の動作特性、たとえば温度、がアーム23において利用されている材料によって必ずしも制限されなくてもよい、という利点を有する。さらに、図10の装置は、アーム23内に剪断力を誘発することがなく、動作中に層間剥離が起こってしまう可能性も低い。こういった原理が、図1ないし図3の装置の熱によって曲がるアクチュエータにおいて利用されて、よりエネルギー効率のよい動作形式が提供されるようになっている。
FIG. 9 shows another type of actuator that is bent by heat. Such an actuator includes two
さらに、より効率のよい動作形式の熱アクチュエータを提供するために、多数の更なる工夫が図られる。熱アクチュエータは伝導加熱に依存しており、好ましい実施形態において利用される装置は、図11において示すように、材料30に概略的に単純化することができる。材料30は、第1の端31のところで基板に、第2の端32のところで負荷に、相互接続されている。アーム30は、伝導によって加熱され、膨張して負荷32に力を及ぼすようになっている。伝導によって加熱すると、温度プロフィルはおよそ図12に示すようなものになる。2つの端31、32は、その伝導加熱についての「ヒートシンク」としての役割を果たし、従って、温度プロフィルはそれぞれの端においてより低く、中央において最も高い。中央36における温度が融点35を超えるとアームは作動しないかもしれない、という点において、アーム30の動作特性は、融点35によって決まる。図12のグラフは、図11におけるアーム30がその長さに沿って均一に加熱されているわけではないという点において、最適ではない結果を表している。
In addition, a number of further efforts are made to provide a more efficient type of thermal actuator. Thermal actuators rely on conductive heating, and the device utilized in the preferred embodiment can be simplified to a material 30 as shown in FIG. The
図13に示すように、ヒートシンク38、39をアーム30の中央部に含むようにアーム30を変形することによって、図14に示すような、より好適な熱プロフィルを達成することができる。図14のプロフィルは、アーム30の長さにわたってより均一に加熱されており、それによって全体の動作がより効率的になる。
As shown in FIG. 13, by deforming the
次に図15を参照して、一連の支柱を設けて2つのアクチュエータ作動アーム24、25を結合することによって、更なる効率及び反りの可能性の低減を達成することができる。このような装置を、図15において概略的に示す。図15において、一連の支柱、たとえば40、41が設けられて2つのアーム24、25を結合し、その反りを防止するようになっている。従って、下のアーム25は、加熱すると上向きに曲がる可能性がより高くなり、それによってアクチュエータのアーム23もまた上向きに曲がる。
Referring now to FIG. 15, further efficiency and reduced potential for warping can be achieved by providing a series of struts to couple the two
インクジェット印字MEMSデバイスの詳細な構成の1形式を、次に説明する。図面のいくつかにおいて、図17において示すような1ミクロンの格子を、準拠枠として利用する。 One form of detailed configuration of the inkjet printing MEMS device will now be described. In some of the drawings, a 1 micron grid as shown in FIG. 17 is utilized as a compliance frame.
工程1及び2.出発物質を、図16ないし図18において示すように好適に処理及び不活性化した(窒化シリコンを用いて)CMOSウエハー100とする。
工程3.図19ないし図21において示すように、1ミクロンのスピンオン感光性ポリイミド102を推積し、図20のマスク104を通して紫外光を用いて露光する。次にポリイミド102を現像する。
ポリイミド102は犠牲的であるので、幅広い範囲の他の材料を用いることができる。感光性ポリイミドであれば、デポジション、エッチング、及びレジストストリッピングの各工程が省かれるので、処理が簡単になる。
Step 3. As shown in FIGS. 19 to 21, a 1 micron spin-on
Since
工程4.図22ないし図24に示すように、0.2ミクロンのマグネトロンをスパッタリングした窒化チタン106を300℃で推積し、図23のマスク108を用いてエッチングする。これによって、アクチュエータ層105及びパドル107を含む層を形成する。
Step 4. As shown in FIGS. 22 to 24,
工程5.図25ないし図27において示すように、1.5ミクロンの感光性ポリイミド110をスピンオンし、図26のマスク112を通して紫外光を用いて露光する。次にポリイミド110を現像する。この厚さが結局、アクチュエータと補償窒化チタン層との間の間隙101を決定するので、アクチュエータが曲がる量に影響を与える。
工程3に関して、感光性ポリイミドを用いることによって、デポジション、エッチング、及びレジストストリッピングの各工程が省かれるので、処理が簡単になる。
Step 5. As shown in FIGS. 25 to 27, a 1.5 micron
Regarding the process 3, by using photosensitive polyimide, the processes of deposition, etching, and resist stripping can be omitted, so that the process becomes simple.
工程6.図28ないし図30において示すように、0.05ミクロンの共形PECVD窒化シリコン(SixNyHz)(様々な各層の相対的寸法のために、図示せず)を300℃で推積する。次に、0.2ミクロンのマグネトロンをスパッタリングした窒化チタン116を、これもまた300℃で推積する。このTiN116を、図29のマスク119を用いてエッチングする。次にこのTiN116をマスクとして用いて、PECVD窒化物をエッチングする。
Step 6. 28 to 30, a 0.05 micron conformal PECVD silicon nitride (Si x N y H z ) (not shown due to relative dimensions of various layers) is deposited at 300 ° C. To do. Next,
TiN116の段差被覆が良好であるということは、重要ではない。TiN116の最上層は電気的に接続されておらず、純粋に機械的な構成要素として用いられる。
The good step coverage of
工程7.図31ないし図33において示すように、6ミクロンの感光性ポリイミド118をスピンオンし、図32のマスク120を通して紫外光を用いて露光する。次にポリイミド118を現像する。この厚さが、ノズルチャンバルーフまでの高さを決定する。この高さがある距離(滴分裂特性によって決まる)を越えれば、実際の高さはほとんど重要ではない。しかしこの高さは、応力を小さくしリソグラフィーの精度を上げるように、制限されるべきである。6ミクロンのポリイミド118の一番上と一番下との間に1ミクロンのテーパーを設けることは、容易に行える。
Step 7. As shown in FIGS. 31 to 33, 6-micron
工程8.図34ないし図36において示すように、2ミクロン(ポリイミド118を越える厚さ)のPECVD窒化シリコン122が300℃で推積される。これによって、ノズルチャンバを形成している前述のPSポリイミド層118において形成されたチャネルが満たされる。マスクは用いない(図35)。
Step 8. As shown in FIGS. 34 to 36, 2 micron (thickness exceeding polyimide 118) of
工程9.図37ないし図39において示すように、図38のマスク124を用いて、1ミクロンの公称(nominal)深さまでPECVD窒化シリコン122をエッチングする。このエッチング深さは決定的に重要なものではなく±50%までばらついてもよいので、これは単純な時限エッチングである。
このエッチングは、ノズルのリム126及びアクチュエータのポートのリム128を形成する。こういったリムを用いて、インクのメニスカスをある位置に固定し、インクが広がるのを防止する。
Step 9. As shown in FIGS. 37-39, the
This etch forms the
工程10.図40ないし図42に示すように、図41のマスク130を用いて、PECVD窒化シリコン122を、1ミクロンの公称深さまでエッチングして、ポリイミド118上で止める。前述の2つの工程におけるばらつきは、100%のオーバーエッチングで対応することができ、製造公差を緩やかにすることができる。
このエッチングは、ノズルチャンバのルーフ132を形成する。
Step 10. As shown in FIGS. 40-42,
This etching forms the
工程11.図43ないし図45において示すように、公称3ミクロンのポリイミド134を、バックエッチング用の保護層としてスピンオンする(マスクなし−図44)。
工程12.図46ないし図48において示すように、ウエハー100を300ミクロンまで薄くし(バックエッチングの時間を短くするために)、ウエハー100の裏側136上の3ミクロンのレジスト(図示せず)を、図47のマスク138を通して露光する。ウエハー100の表側上の金属部103に位置を合わせる。この位置合わせは、ウエハーアライナへの赤外顕微鏡アタッチメントを用いて行うことができる。
Step 12. As shown in FIGS. 46-48, the
次に、ウエハー100を、ディープ・シリコン・エッチング「ボッシュ・プロセス」を用いて、330ミクロンの深さまで(10%のオーバーエッチングを許容)エッチングする(裏側36から)。このプロセスは、アルカテル、プラズマ・サーム、及びサーフィス・テクノロジー・システムズからのプラズマエッチャー上で利用できる。チップはまた、このエッチングによってダイシングされるが、ウエハーは11ミクロンの様々なポリイミドの層によって、まだ一緒に保持されている。
The
工程13.図49ないし図51を参照して説明するように、ウエハー100をひっくり返し、トレイ内に配置し、犠牲ポリイミド層102、110、118、134のすべてを、マスクを用いないで酸素プラズマ内でエッチングする(図60)。
工程14.図52ないし図54を参照して説明するように、標準パッケージに0.5mmのホールドをドリリングしパッケージにインクホース(図示せず)を接着することによって、パッケージが作成される。このインクホースは、0.5ミクロンのアブソリュートフィルターを含んで、インク121からのノズルの汚染を防止するべきである。
Step 14. As described with reference to FIGS. 52 to 54, a package is created by drilling a 0.5 mm hold on a standard package and bonding an ink hose (not shown) to the package. The ink hose should include a 0.5 micron absolute filter to prevent nozzle contamination from the
図55ないし図62は、好ましい実施形態の様々な図を示し、そのうちのいくつかは、動作中の実施形態を示す。
明らかに、プリントヘッド202の大きなアレイ200は、様々なプリントヘッドのアレイの図を示す図63ないし図56において示すように、同時に構成することができる。
FIGS. 55-62 show various views of the preferred embodiment, some of which show an operating embodiment.
Clearly, the
現在開示しているインクジェット印字技術は、潜在的に幅広い範囲の印字システムに好適である。こういった印字システムは、カラー及びモノクロのオフィスプリンタ、ショートランデジタルプリンタ、高速デジタルプリンタ、オフセット印刷機を補足するプリンタ、低コストスキャンプリンタ、高速ページ幅プリンタ、ページ幅プリンタを内蔵したノート型コンピュータ、ポータブルのカラー及びモノクロのプリンタ、カラー及びモノクロの複写機、カラー及びモノクロのファクシミリ、プリンタとファクシミリと複写機とを組み合わせたもの、ラベルプリンタ、フォーマットの大きなプロッタ、写真複写機、デジタル写真「ミニラボ」用プリンタ、ビデオプリンタ、フォトCDプリンタ、PDA用ポータブルプリンタ、壁紙プリンタ、屋内サインプリンタ、屋外広告板プリンタ、ファブリックプリンタ、カメラプリンタ、及び故障許容の市販のプリンタのアレイを含む。 The ink jet printing technology currently disclosed is suitable for a potentially wide range of printing systems. These printing systems include color and monochrome office printers, short-run digital printers, high-speed digital printers, printers that supplement offset printers, low-cost scan printers, high-speed page width printers, notebook computers with built-in page width printers. , Portable color and monochrome printers, color and monochrome copiers, color and monochrome facsimiles, a combination of printers, facsimiles and copiers, label printers, large format plotters, photocopiers, digital photography “minilabs” Printer, video printer, photo CD printer, PDA portable printer, wallpaper printer, indoor sign printer, outdoor billboard printer, fabric printer, camera printer, and fault tolerance Including an array of commercially available printers.
さらに、略述したMEMS原理は、MEMSデバイスの構成において一般的な適用可能性を有する。 Furthermore, the MEMS principle outlined has general applicability in the construction of MEMS devices.
当業者であれば、広く説明した本発明の精神または範囲から逸脱することなく、好ましい実施形態において示す本発明に、非常に多くの変更及び/または変形を行ってもよい、ということが理解されよう。従って好ましい実施形態は、すべての点において例示的であり限定的ではないものとしてみなされなければならない。 Those skilled in the art will appreciate that numerous modifications and / or variations may be made to the invention shown in the preferred embodiments without departing from the spirit or scope of the invention as broadly described. Like. The preferred embodiments should therefore be considered in all respects as illustrative and not restrictive.
Claims (19)
使用中は前記ノズルに対向し該ノズルから間隔を置いて配置された略平らなプランジャ表面を提供するように構成された第1の部分と、
該第1の部分の周辺における前記プランジャ表面上に形成されて前記第1の部分の構造上の支持を行う第2の部分と
を含み、それによって、使用中、前記プランジャが作動して液体を前記ノズルを通って噴出している間、前記第2の部分がスペーサとしての役割を果たして、前記プランジャ表面が前記ノズルに触れるのを防止するパドル。 A paddle for ejecting liquid from within a nozzle chamber through a liquid ejection nozzle defined in one wall of the nozzle chamber,
A first portion configured to provide a generally flat plunger surface opposite the nozzle and spaced from the nozzle during use;
A second portion formed on the plunger surface in the periphery of the first portion to provide structural support for the first portion, whereby the plunger is actuated to draw liquid during use. A paddle that prevents the plunger surface from touching the nozzle while the second portion acts as a spacer while jetting through the nozzle.
前記第2の開口部の周りに形成された、第1の隆起したリムであって、前記アクチュエータのアームの動作中に、前記第1の隆起したリムと前記アクチュエータのアームとの間で前記液体の外面に沿って液体のメニスカスが形成されるような方法で配置されている、第1の隆起したリムと
を含む液体噴出デバイス。 A nozzle chamber having a first opening in its one wall for ejecting liquid and a second opening in its wall through which an arm of the actuator extends, said actuator arm Is attached to a substrate disposed outside the nozzle chamber and connected to a paddle inside the nozzle chamber. The paddle passes the liquid through the first opening by an arm of the actuator. A nozzle chamber operable to erupt,
A first raised rim formed around the second opening, wherein the liquid between the first raised rim and the actuator arm during operation of the actuator arm; A first raised rim disposed in such a manner that a liquid meniscus is formed along the outer surface of the liquid ejection device.
該ノズルチャンバ内に配置されて、第1の状態から噴出状態に動かされると、液体を前記ノズルチャンバから該ノズルチャンバの1つの壁における開口部を通って噴出する、噴出パドルと、
該パドルが前記第1の状態にある時には、前記パドルによって略閉じているような方法で配置された、液体供給ポートと
を含み、
前記ノズルチャンバは、前記パドルが前記第1の状態にある時には、前記パドルのリムにぴったりと隣接して整列している、その壁構造上の内部突出部を含み、
前記噴出状態において、前記パドルの前記リムのうちの少なくとも一部は、前記突出部から間隔を置いて配置されており、それによって、前記壁構造と前記パドルの前記リムの前記一部との間に規定された液体再充填チャネルを形成する液体噴出デバイス。 A nozzle chamber;
An ejection paddle disposed within the nozzle chamber and ejecting liquid from the nozzle chamber through an opening in one wall of the nozzle chamber when moved from a first state to an ejection state;
A liquid supply port disposed in a manner that is substantially closed by the paddle when the paddle is in the first state;
The nozzle chamber includes an internal protrusion on its wall structure that is aligned closely adjacent to the rim of the paddle when the paddle is in the first state;
In the ejected state, at least a portion of the rim of the paddle is spaced from the protrusion, thereby providing a gap between the wall structure and the portion of the rim of the paddle. A liquid ejection device that forms a liquid refill channel as defined in
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