JP2010524730A - 低電圧インク蒸発ヒータを備えたインクジェットプリントヘッド - Google Patents

低電圧インク蒸発ヒータを備えたインクジェットプリントヘッド Download PDF

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Abstract

【課題】優れたプリントヘッドを得る。
【解決手段】ノズルに対応する１つ又は複数のヒータエレメント（１０）を備えたプリントヘッドを開示する。各ヒータエレメント（１０）は、沸点を超える温度までプリントヘッド内の液（１１）を加熱し、液（１１）中に気泡（１２）を形成させる。気泡（１２）が形成されると、各ノズル内の放出開口（５）を介して、放出可能な液体（インク等）の滴が放出されて印刷が実行される。各ノズル内のヒータエレメント（１０）には、蒸気気泡を形成して滴を放出させるために、電圧が１０ボルト未満で継続期間が１．５マイクロ秒未満の電気パルスが必要である。例えば１２ボルトを超える駆動パルス電圧がプリントヘッド設計の固定的パラメータでないとすると、高電圧動作に対する最初の要求を生んだ状況を否定する効率をもたらす設計に低電圧プリントヘッド動作の利点を組み込める。
【選択図】図４

Description

本発明は、熱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んだプリンタシステム、及びこのようなプリントヘッドを使用して液滴（インク滴など）を放出する方法に関する。
本発明には、気泡形成液中におけるガス即ち蒸気気泡の形成によるインク滴の放出が包含されている。この原理については、概ね、特許文献１に記載されている。
知られている様々なタイプの熱インクジェット（バブルジェット(登録商標))プリントヘッドデバイスが存在している。このタイプのデバイスには、１つはＨｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄが製造しているデバイスと、もう１つはＣａｎｏｎが製造しているデバイスの２つの典型的なデバイスがあり、いずれもインク放出ノズル及びノズルに隣接するインクを貯蔵するためのチャンバを有している。個々のチャンバは、個別に製造されたアイテムであって、チャンバの壁に機械的に固着されたいわゆるノズルプレートによって覆われている。従来技術による特定のデバイスでは、頂部プレートは、ポリイミド膜に対するＤｕｐｏｎｔの商号であるカプトン（Ｋａｐｔｏｎ）（商標）でできており、ノズルを形成するためにレーザ穿孔されている。これらのデバイスは、さらに、ノズルに隣接して配置されるインクと熱接触し、それによりインクを加熱してインク中にガス気泡を形成するためのヒータエレメントを備えている。このガス気泡によってインク中に圧力が生成され、それによりインク滴がノズルを介して放出される。
ヒータエレメントは、プリントヘッド基板の中に埋め込まれており、これらのヒータエレメントがチャンバ内に生成する腐食性環境から保護するために覆われている。高温によって、また、しばしば蒸発インク（典型的には水性の蒸発インク）によってほとんどのヒータ材料が急速に酸化する。また、崩壊する気泡のキャビテーションによって生じる大きな水圧力もヒータエレメントが腐食する大きな原因になっている。ヒータの早期の故障を防止するために、これらのヒータは、五酸化タンタルなどの保護障壁で覆われている。
個々のヒータエレメントに送られる電気エネルギーのパルスは、（１つ又は複数の）保護層を介してインクを加熱し、それによりインクを蒸発させなければならない。印刷速度を最速化するためには、パルス継続期間を可能な限り短くしなければならない。そのためには駆動パルスの電力を比較的大きくしなければならない。残念なことには、高電圧駆動パルスを発生するためには、より大きい駆動トランジスタが必要である。また、高電圧によってアーク発生電位及び他の破壊メカニズムが生成される。たとえば、インク中の材料及びチャンバ内の材料が高電圧によって電解破壊することになるため、ヒータをインクから電気的に絶縁しなければならない。
電圧を低くし、且つ、電流を大きくすることによって同じ電力のパルスを得ることができるが、電流を大きくすることにより、特定の閾値を超えるエレクトロマイグレーション（エレクトロマイグレーションとは、高電流密度のポイントから離れた、最終的には薄くなって結局はヒータエレメントを破砕することになる原子マイグレーションのことである）及びより大きい寄生抵抗（ヒータコンタクト中などの）が誘導され、駆動トランジスタの動作効率が低下し、また、「接地跳ね返り」がより大きくなる。接地跳ね返りとは、ヒータエレメントの共通接地接続のインダクタンスのことである。このインダクタンスは、駆動トランジスタからのドレイン電圧をゼロ即ち接地より高く跳ね返った状態に維持することができる。極端な場合、接地跳ね返りは、駆動論理にドレイン電圧を「０」の代わりに「１」として読み取らせることになる。
大電流駆動パルスに関連する問題に照らして、駆動パルスは、少なくとも１２ボルトの電圧を有しており、それらが必要とする大きい駆動トランジスタが容認されている。
米国特許第３７４７１２０号公報
第１の態様によれば、本発明により、
複数のノズルと、
それぞれ前記ノズルの各々に対応する少なくとも１つのヒータエレメントであって、放出可能な液体の沸点を超える温度まで当該放出可能な液体を加熱し、それにより前記放出可能な液体の滴を、当該ヒータエレメントに対応する前記ノズル経由で放出する蒸気気泡が形成されるように、前記放出可能な液体と熱接触する構成とされた、当該ヒータエレメントと、を備え、
前記ヒータエレメントが、前記滴を放出させる前記蒸気気泡を形成するために、電圧が１０ボルト未満で継続期間が１．５マイクロ秒未満の電気パルスを必要とするインクジェットプリントヘッドが提供される。
本発明は、取扱いが容易な小さい駆動電流が維持されるよう、駆動電圧の低減及び滴放出プロセスの効率の改善に基づいている。高駆動パルス電圧は、必ずしもプリントヘッド設計の固定パラメータではないことを認識すると、高電圧動作に対する最初の要求を創り出した状況を否定する効率をもたらす設計に低電圧プリントヘッド動作の利点を組み込むことができる。ヒータエレメントの低電圧動作は、プリントヘッドに使用される高密度ＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）デバイスとより両立する。個々のノズルのための駆動トランジスタを著しく小さくすることができ、延いてはノズル密度を改善することができる。駆動パルス電圧がより低いため、電解破壊を伴うことなくヒータを直接インクに接触させることができる。ヒータエレメントのための駆動トランジスタと残りのＣＭＯＳデバイスのための駆動トランジスタの両方を比較的低い電圧で動作する駆動回路に有することにより、全体としてのプリントヘッドへの電力供給が単純化される。これは、よりコンパクトなプリントヘッド設計を可能にし、また、製造コストの点で著しい利点を有している。
電気パルスは、任意選択で、８ボルト未満の電圧及び１．５マイクロ秒未満の継続期間を有している。
電気パルスは、任意選択で、５ボルト未満の電圧及び１．５マイクロ秒未満の継続期間を有している。
電気パルスは、任意選択で、３ボルト未満の電圧及び１．５マイクロ秒未満の継続期間を有している。
いくつかの実施形態では、プリントヘッドは、ページの上に印刷するように構成されており、また、ページ幅プリントヘッドになるように構成されている。ヒータエレメントの各々は、ビームの形態であることが好ましい。他の好ましい形態では、ノズルの各々は、ヒータエレメントから５０ミクロン未満の位置に配置された放出開口を画定している。
とりわけ好ましい形態では、プリントヘッドは、放出可能な液体の供給を周囲温度で受け取るように構成されており、ヒータエレメントの各々は、前記部分を加熱し、それにより前記滴を放出させるために上記放出可能な液体に印加される必要なエネルギーが、前記滴の体積に等しい前記放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のに必要なエネルギーより少なくなるように構成されている。これはプリントヘッドを自己冷却にしていることは当業者には理解されよう。ヒータによってチャンバに入力されるエネルギーは、放出される滴によって除去される。したがって過熱は何ら問題ではなく、印刷速度が制限されるのは、ノズルのインク再充填速度によってのみである。
プリントヘッドは、さらに、任意選択で、基板表面を有する基板を備えており、基板表面に対するノズルの面積密度は、１平方ｃｍの基板表面当たり１０，０００個のノズルを超えている。
とりわけ好ましい形態では、ヒータエレメントの各々は、その２つの末端と末端の間に展開している概ね平らなビームであり、これらの末端は、使用中、ビームが放出可能な液体に浸されるように支持されている。ヒータエレメントの各々は、ヒータエレメントの平面がそのヒータエレメントに対応するノズルの平面に対して平行になるように構成された概ね平らな構造であることが好ましい。
いくつかの実施形態では、ヒータエレメントは、化学気相成長（ＣＶＤ）によって形成された概ね平らな構造を有している。また、プリントヘッドは、ノズル及びヒータエレメントを支持しているウェーハ基板を有していることが好ましく、ノズルはノズルプレートの中に形成されており、また、ノズルプレートは、ウェーハ基板に対して平行であり、且つ、ウェーハ基板から１０ミクロン未満の間隔を隔てている。
プリントヘッドは、任意選択で、それぞれ個々のノズルに対応している複数のノズルチャンバを有しており、個々のチャンバ内に複数の前記ヒータエレメントが配置されている。個々のチャンバ内のヒータエレメントは、互いに異なる個々の層の上に形成されている。
ヒータエレメントの各々は、任意選択で固体材料で形成されており、原子比例でそのうちの９０％を超える材料が、原子番号が５０未満の少なくとも１つの周期元素によって構成されている。ヒータエレメントの各々は、固体材料を含有していることが好ましく、且つ、そのヒータエレメントの固体材料の１０ナノグラム未満の質量が前記沸点を超える温度まで加熱され、それにより気泡形成液の前記部分が前記沸点を超える温度まで加熱され、延いては前記滴が放出されるように構成されていることが好ましい。
電気パルスは、２００ナノジュール未満のエネルギーを有していることが好ましい。他の好ましい形態では、電気パルスは、１５０ナノジュール未満のエネルギーを有しており、さらに好ましい形態では、電気パルスは、１００ナノジュール未満のエネルギーを有している。本出願人は、非常に有効で、したがって電気パルスのエネルギーが８０ナノジュール未満であるプリントヘッドの実施形態を開発した（以下で説明する）。
当業者には理解されるように、本明細書において説明されている放出可能な液体の滴は、諸実施形態では、放出可能な液体のボディと同じ液体のボディである気泡形成液の中に蒸気気泡を生成することによって放出される。生成される気泡によって放出可能な液体の圧力が高くなり、そのため、関連するノズルを介して滴が強制される。気泡は、インクと熱接触しているヒータエレメントのジュール加熱によって生成される。ヒータに印加される電気パルスは、継続期間が短い、典型的には２マイクロ秒未満の電気パルスである。気泡は、液体中に蓄積されている熱のため、ヒータパルスがターンオフした後、数マイクロ秒の間、膨張する。蒸気が冷えると、再凝縮して気泡が崩壊する。気泡は、インクの慣性と表面張力の動的相互作用によって決定されるポイントまで崩壊する。本明細書においては、このようなポイントは、気泡の「崩壊点」と呼ばれている。
本発明によるプリントヘッドは、複数のノズル並びにチャンバ及び個々のノズルに対応する１つ又は複数のヒータエレメントを備えている。単一のノズルに付属しているプリントヘッドの個々の部分、そのチャンバ及びその１つ又は複数のエレメントは、本明細書においては「ユニットセル」と呼ばれている。
互いに熱接触している部品が参照されている本明細書においては、これは、それらの部品が、それらの部品のうちの１つが加熱されると、たとえそれらの部品自体が互いに物理的に接触していなくても、その加熱された部品が他の部品を加熱することができるように互いに配置されていることを意味している。
また、「インク」という用語は、放出可能な任意の液体を表すために使用されており、着色された染料を含有した従来のインクに限定されない。非着色インクの例には、固定剤、赤外吸着剤インク、アルミニウム系化学薬品、接着剤、生物学的流体、水及び他の溶媒、等々がある。また、インク又は放出可能な液体は、必ずしも全くの液体である必要はなく、固体粒子の懸濁液を含有することも可能であり、或いは室温で固体であっても、また、放出温度で液体であってもよい。
本明細書においては、「周期元素」という用語は、元素の周期表に示されているタイプの元素を意味している。
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の特定の動作ステージにおける略横断面図である。 インクチャンバ図１の他の動作ステージにおける略横断面図である。 インクチャンバ図１のさらに他の動作ステージにおける略横断面図である。 インクチャンバ図１のさらに他の動作ステージにおける略横断面図である。 蒸気気泡の崩壊を示す、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の横断面線図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続ステージにおける、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略斜視図である。 先行する直ぐ前の図に示されている、プリントヘッドのための製造ステージを実行するための使用に適したマスクの略平面図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続ステージにおける、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略斜視図である。 先行する直ぐ前の図に示されている、プリントヘッドのための製造ステージを実行するための使用に適したマスクの略平面図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続ステージにおける、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ステージにおける、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略斜視図である。 先行する直ぐ前の図に示されている、プリントヘッドのための製造ステージを実行するための使用に適したマスクの略平面図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続ステージにおける、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ステージにおける、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略斜視図である。 先行する直ぐ前の図に示されている、プリントヘッドのための製造ステージを実行するための使用に適したマスクの略平面図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続ステージにおける、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略斜視図である。 先行する直ぐ前の図に示されている、プリントヘッドのための製造ステージを実行するための使用に適したマスクの略平面図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続ステージにおける、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ステージにおける、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略斜視図である。 先行する直ぐ前の図に示されている、プリントヘッドのための製造ステージを実行するための使用に適したマスクの略平面図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続ステージにおける、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略斜視図である。 先行する直ぐ前の図に示されている、プリントヘッドのための製造ステージを実行するための使用に適したマスクの略平面図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続ステージにおける、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ステージにおける、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略斜視図である。 先行する直ぐ前の図に示されている、プリントヘッドのための製造ステージを実行するための使用に適したマスクの略平面図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続ステージにおける、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略斜視図である。 先行する直ぐ前の図に示されている、プリントヘッドのための製造ステージを実行するための使用に適したマスクの略平面図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続ステージにおける、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略斜視図である。 先行する直ぐ前の図に示されている、プリントヘッドのための製造ステージを実行するための使用に適したマスクの略平面図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続ステージにおける、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略斜視図である。 先行する直ぐ前の図に示されている、プリントヘッドのための製造ステージを実行するための使用に適したマスクの略平面図である。 ノズルプレートが省略された図３０のユニットセルの他の略斜視図である。 ヒータエレメントの他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一部切欠き略斜視図である。 図３３のプリントヘッドのための製造ステージを実行するための使用に適した、プリントヘッドのヒータエレメントを形成するためのマスクの略平面図である。 ヒータエレメントの他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一部切欠き略斜視図である。 図３５のプリントヘッドのための製造ステージを実行するための使用に適した、プリントヘッドのヒータエレメントを形成するためのマスクの略平面図である。 ノズルプレートが省略された図３５のユニットセルの他の略斜視図である。 ヒータエレメントの他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一部切欠き略斜視図である。 図３８のプリントヘッドのための製造ステージを実行するための使用に適した、プリントヘッドのヒータエレメントを形成するためのマスクの略平面図である。 ノズルプレートが省略された図３８のユニットセルの他の略斜視図である。 気泡形成液に浸された懸垂ビームヒータエレメントを示す、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の略断面図である。 気泡形成液のボディの頂部に懸垂された懸垂ビームヒータエレメントを示す、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の略断面図である。 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平面線図である。 複数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のユニットセルの平面線図である。 基板の中に埋め込まれたヒータエレメントを示す、本発明によらないノズルチャンバの断面線図である。 懸垂ビームの形態のヒータエレメントを示す本発明の一実施形態によるノズルチャンバの断面線図である。 基板の中に埋め込まれたヒータエレメントを示す従来技術によるプリントヘッドのノズルチャンバの断面線図である。 エレメントの部品と部品の間の間隙を画定しているヒータエレメントを示す本発明の一実施形態によるノズルチャンバの断面線図である。 分厚いノズルプレートを示す、本発明によらないノズルチャンバの断面線図である。 薄いノズルプレートを示す本発明の一実施形態によるノズルチャンバの断面線図である。 ２つのヒータエレメントを示す本発明の一実施形態によるノズルチャンバの断面線図である。 ２つのヒータエレメントを示す従来技術によるプリントヘッドのノズルチャンバの断面線図である。 異なる体積を有する滴が放出された後の２つ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一対の隣接するユニットセルの断面線図である。 従来技術によるプリントヘッドのヒータエレメントの断面線図である。 従来技術によるプリントヘッドのヒータエレメントの断面線図である。 本発明の一実施形態による共形コーティングされたヒータエレメントの断面線図である。 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エレメントの正面線図である。 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略分解斜視図である。 図５８のプリントヘッドモジュールを非分解で示す略斜視図である。 一部断面で示す、図５８のプリントヘッドモジュールの略側面図である。 図５８のプリントヘッドモジュールの略平面図である。 本発明の一実施形態によるプリントヘッドの略分解斜視図である。 図６２のプリントヘッドを非分解で示す他の略斜視図である。 図６２のプリントヘッドの略正面図である。 図６２のプリントヘッドの略背面図である。 図６２のプリントヘッドの略底面図である。 図６２のプリントヘッドの略平面図である。 図６２に示されているプリントヘッドを非分解で示す略斜視図である。 図６２のプリントヘッドの略縦断面図である。 本発明の一実施形態によるプリンタシステムのブロック図である。 プリントヘッドのユニットセルの他の実施形態の一部切欠き略斜視図である。 図７１のユニットセルの一部切欠き略分解斜視図である。 プリントヘッドのユニットセルの他の実施形態の一部切欠き略斜視図である。 図７３のユニットセルの一部切欠き略分解斜視図である。 プリントヘッドのユニットセルの他の実施形態の一部切欠き略斜視図である。 図７５のユニットセルの一部切欠き略分解斜視図である。 プリントヘッドのユニットセルの他の実施形態の一部切欠き略斜視図である。 プリントヘッドのユニットセルの他の実施形態の一部切欠き略斜視図である。 図７８のユニットセルの一部切欠き略分解斜視図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続ステージにおける、図７８及び図７９に示されているユニットセルの略斜視図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続ステージにおける、図７８及び図７９に示されているユニットセルの略斜視図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続ステージにおける、図７８及び図７９に示されているユニットセルの略斜視図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続ステージにおける、図７８及び図７９に示されているユニットセルの略斜視図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続ステージにおける、図７８及び図７９に示されているユニットセルの略斜視図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続ステージにおける、図７８及び図７９に示されているユニットセルの略斜視図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続ステージにおける、図７８及び図７９に示されているユニットセルの略斜視図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続ステージにおける、図７８及び図７９に示されているユニットセルの略斜視図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続ステージにおける、図７８及び図７９に示されているユニットセルの略斜視図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続ステージにおける、図７８及び図７９に示されているユニットセルの略斜視図である。 プリントヘッドの製造プロセスの様々な連続ステージにおける、図７８及び図７９に示されているユニットセルの略斜視図である。 図７８ないし図９０のユニットセルの２つの変形形態を示す一部切欠き略斜視図である。 図７８ないし図９０のユニットセルの２つの変形形態を示す一部切欠き略斜視図である。 プリントヘッドのユニットセルの他の実施形態の一部切欠き略斜視図である。 プリントヘッドのユニットセルの他の実施形態の一部切欠き略斜視図である。
以下、本発明の好ましい実施形態について、単なる例にすぎないが、添付の図面を参照して説明する。これらの図面の説明は以下の通りである。以下の説明では、異なる図に使用されている対応する参照数表示又は参照数表示の対応する接頭部（つまり参照数表示のうちのポイントマークの前に出現する部分）は、対応する部品に関連している。対応する接頭部及び異なる接尾部が参照数表示に存在している場合、これらは、対応する部品の異なる特定の実施形態を表している。
発明の概説及び動作の一般説明
図１ないし図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、中にノズル３を備えたノズルプレート２、ノズルリム４を有するノズル及びノズルプレートを貫通して展開している開口５を備えている。ノズルプレート２は、化学気相成長（ＣＶＤ）によって犠牲材料の上に蒸着された窒化ケイ素構造からプラズマエッチされている。犠牲材料は、引き続いてエッチ除去される。
プリントヘッドは、さらに、個々のノズル３に対して、ノズルプレートを支持している側壁６、側壁及びノズルプレート２によって画定されたチャンバ７、多層基板８及びこの多層基板を貫通して基板の遠い方の側（図示せず）まで展開している入口通路９を備えている。環状に構成された細長いヒータエレメント１０は、チャンバ７の中に懸垂されており、したがってエレメントは懸垂ビームの形態をしている。図に示されているプリントヘッドは、リソグラフィプロセスによって形成される超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）構造である。リソグラフィプロセスについては、以下でより詳細に説明する。
プリントヘッドが使用中である場合、インク１１がリザーバ（図示せず）から入口通路９を介してチャンバ７に流入し、したがって図１に示されているレベルまでチャンバが充填される。その後、１マイクロ秒より若干短い時間の間、ヒータエレメント１０が加熱され、したがってこの加熱は熱パルスの形態である。ヒータエレメント１０はチャンバ７内のインク１１と熱接触しており、したがってエレメントが加熱されると、その加熱によってインク中に蒸気気泡１２が生成されることは理解されよう。したがってインク１１は気泡形成液を構成している。図１は、熱パルスの生成から約１マイクロ秒後における気泡１２の形成、つまり、気泡がヒータエレメント１０の上に核形成した瞬間を示したものである。パルスの形態で熱が印加されるため、その短い時間の間に、気泡１２を生成するために必要なすべてのエネルギーを供給しなければならないことは理解されよう。
手短に図３４を参照すると、以下でより詳細に説明するように、リソグラフィプロセスの間、プリントヘッドのヒータ１４（図３３に示されている）を形成するためのマスク１３が示されている（このヒータは、上で参照したエレメント１０を備えている）。マスク１３は、ヒータ１４を形成するために使用されるため、その部分の様々な形状は、エレメント１０の形状に対応している。したがってマスク１３は、ヒータ１４の様々な部分を識別するための有用な基準を提供している。ヒータ１４は、マスク１３の１５．３４で示されている部分に対応する電極１５及びマスクの１０．３４で示されている部分に対応するヒータエレメント１０を有している。動作中、電極１５の両端間に電圧が印加され、それによりエレメント１０を通って電流が流れる。電極１５はエレメント１０よりはるかに分厚いため、電気抵抗の大部分は、このエレメントが提供している。したがって、動作中に消費される電力のほとんどすべてをヒータ１４がエレメント１０を介して散逸し、上で参照した熱パルスを生成している。
エレメント１０が上で説明したように加熱されると、エレメントの長さに沿って気泡１２が形成される。この気泡は、図１の横断面図では４つの気泡部分として出現しており、この断面図にはエレメント部分毎に１つの気泡が示されている。
気泡１２が生成されると、チャンバ７内の圧力が高くなり、そのためにノズル３を介してインク１１の滴１６が放出されることになる。リム４は、滴が誤った方向に導かれる機会を最少化するべく、滴１６が放出される際のその案内を補助している。
１つの入口通路９毎に１つのノズル３及び１つのチャンバ７しか存在していない理由は、エレメント１０を加熱することによって形成される気泡１２によってチャンバ内に生成される圧力波が、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及ぼさないようにするためである。
以下、何らかの固体材料の中にヒータエレメント１０を埋め込むのではなく、その代わりにヒータエレメント１０を懸垂させる利点について説明する。
図２及び３は、プリントヘッドのもっと後の２つの連続動作ステージにおけるユニットセル１を示したものである。さらに気泡１２が生成され、したがって成長し、その結果インク１１がノズル３を介して前進していることが分かる。気泡１２が成長する際の、図３に示されているような形状は、インク１１の慣性力学と表面張力の組合せで決まる。表面張力には気泡１２の表面積を最小化する傾向があり、したがって特定の量の液体が蒸発する頃には、気泡は本質的に円板の形状をしている。
チャンバ７内の圧力が高くなると、ノズル３を介してインク１１が押し出されるだけでなく、若干のインクが入口通路９を介して押し戻されることになる。しかしながら、入口通路９は、その長さが約２００ミクロンないし３００ミクロンであり、直径はたったの約１６ミクロンにすぎない。したがって実質的な粘性抵抗が存在している。したがって、チャンバ７内における圧力上昇の優勢な効果は、入口通路９を介してインクを押し戻すことではなく、放出滴１６としてノズル３を介してインクを強制的に押し出すことである。
次に図４を参照すると、さらに他の連続動作ステージにおけるプリントヘッドが示されており、滴が分離する前のその「ネッキングフェーズ」中における、放出されつつあるインク滴１６が示されている。このステージでは、気泡１２は既にその最大サイズに到達しており、図５により詳細に示されているように、崩壊点１７に向かって崩壊を開始している。
崩壊点１７に向かう気泡１２の崩壊により、若干のインク１１がノズル３の内側から引き込まれ（滴の１８の側から）、また、若干のインク１１が入口通路９から崩壊点に向かって引き込まれることになる。この方法で引き込まれるインク１１のほとんどはノズル３から引き込まれ、その分離に先立って、滴１６のベース部分に環状のくびれ１９が形成される。
滴１６が分離するためには、表面張力の力に打ち勝つための特定の量の運動量が滴１６に必要である。インク１１は、気泡１２の崩壊によってノズル３から引き込まれるため、くびれ１９の直径が小さくなり、延いては滴を保持している総表面張力の量が減少し、したがってノズルから放出される際の滴の運動量は、滴の分離を可能にするには十分である。
滴１６が分離すると、気泡１２が崩壊点１７まで崩壊するため、矢印２０で示されているようにキャビテーション力が生じる。崩壊点１７の近傍には、キャビテーションが効果を有し得る固体表面は存在していないことに留意されたい。
製造プロセス
次に、本発明の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について、図６ないし図２９を参照して説明する。
図６を参照すると、Ｍｅｍｊｅｔプリントヘッドの一部であるシリコン基板部分２１の、Ｍｅｍｊｅｔプリントヘッドの製造プロセスの中間ステージにおける斜視図が示されている。この図は、ユニットセル１に対応するプリントヘッドのその部分に関連している。製造プロセスについての以下の説明は、ユニットセル１に関連しているが、このプロセスは、プリントヘッド全体を構成している多数の隣接ユニットセルに適用することができることは理解されよう。
図６は、製造プロセス中における、基板部分２１の領域２２へのＣＭＯＳ駆動トランジスタ（図示せず）の製造並びに標準ＣＭＯＳ相互接続層２３及びパッシベーション層２４の完成を含む標準ＣＭＯＳ製造プロセスが完了した後の次の連続するステップを表している。ダッシュ線２５で示されている配線は、トランジスタ及び他の駆動回路（同じく図示せず）並びにノズルに対応しているヒータエレメントを電気的に相互接続している。
相互接続層２３のメタライゼーションの中にガードリング２６が形成されており、配線２５を含有している領域まで基板部分２１を貫通してユニットセル１のノズルが形成されることになる、２７で示されている領域からのインク１１の拡散を防止し、且つ、２２で示されている領域に配置されているＣＭＯＳ回路の腐食を防止している。
ＣＭＯＳ製造プロセスが完了した後の最初のステージは、パッシベーション凹所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ステップからなっている。
図８は、開口３０を形成するための、相互接続層２３をエッチングした後の製造ステージを示したものである。この開口３０は、もっと後のプロセスで形成されることになるチャンバまでインク入口通路を構成するためのものである。
図１０は、基板部分２１のうちのノズル３が形成されることになる位置に孔３１をエッチングした後の製造ステージを示したものである。もっと後の製造プロセスで、孔３１と継ぎ合わせてチャンバまでの入口通路を完成するために、基板部分２１の他の面（図示せず）から他の孔（ダッシュ線３２で示されている）がエッチングされることになる。したがって孔３２は、基板部分２１の他の面から相互接続層２３のレベルまで、その全体にわたってエッチングする必要はない。
仮に相互接続層２３までその全体にわたって孔３２をエッチングしなければならない場合、孔３２をエッチングすることによって領域２２のトランジスタが破壊されないよう、エッチングの不正確さに対する適切なマージンが残されるように（矢印３４で示されている）その領域からより遠く離れた位置から孔３２をエッチングしなければならない。しかしながら、基板部分２１の頂部からの孔３１のエッチング及びそれによって得られる孔３２の浅さは、残す必要のあるマージン３４がより少ないことを意味しており、また、したがって実質的により高い実装密度のノズルを達成することができることを意味している。
図１１は、厚さ４ミクロンの犠牲レジストの層３５が層２４の上に付着された後の製造ステージを示したものである。この層３５は孔３１を充填しており、この時点ではプリントヘッドの構造の一部を形成している。次にこのレジスト層３５が特定のパターン（図１２に示されているマスクによって示されているようなパターン）を使用して露光され、凹所３６及びスロット３７が形成される。これにより、もっと後の製造プロセスで形成されるヒータエレメントの電極１５のためのコンタクトの形成が提供される。スロット３７は、もっと後のプロセスで、チャンバ７の一部を画定することになるノズル壁６の形成を提供することになる。
図１３は、厚さ０．２５ミクロンのヒータ材料、この実施形態では窒化チタンの層３８が層３５の上に付着された後の製造ステージを示したものである。
図１４は、ヒータ層３８がパターニング及びエッチングされ、ヒータエレメント１０及び電極１５を備えたヒータ１４が形成された後の製造ステージを示したものである。
図１６は、厚さ約１ミクロンのもう１つの犠牲レジスト層３９が加えられた後の製造ステージを示したものである。
図１８は、ヒータ材料の第２の層４０が付着された後の製造ステージを示したものである。好ましい実施形態では、この層４０は、第１のヒータ層３８と同様、厚さ０．２５ミクロンの窒化チタンである。
次に、図１９は、エッチングされ、参照数表示４１で示されているようなパターンが形成された後のヒータ材料のこの第２の層４０を示したものである。この実例では、パターン化されたこの層にはヒータ層エレメント１０は含まれていない。また、その意味においては、ヒータの機能も有していない。しかしながら、ヒータ材料のこの層は、実際、ヒータ１４の電極１５の抵抗の低減を促進しており、したがって動作中に電極によって消費されるエネルギーがより少なく、そのためにヒータエレメント１０によるエネルギーの消費をより多くすることができ、延いてはヒータエレメント１０の有効性をより大きくすることができる。図３８に示されている二重ヒータ実施形態の場合、対応する層４０には、実際、ヒータ１４が含まれている。
図２１は、犠牲レジストの第３の層４２が付着された後の製造ステージを示したものである。この層の一番上のレベルは、もっと後に形成されるノズルプレート２の内部表面を構成することになる。また、このレベルは、ノズルの放出開口５の内側の範囲でもある。この層４２の高さは、プリントヘッドが動作している間、４３で示されている領域における気泡１２の形成を可能にするだけの十分な高さでなければならない。しかしながら、層４２の高さは、小滴を放出するために気泡が移動させなければならないインクの質量を決定している。この点に鑑みて、本発明のプリントヘッド構造は、従来技術によるプリントヘッドの場合と比較すると、ヒータエレメントがはるかに放出開口に近くなるように設計されている。気泡によって移動するインクの質量が小さくなっている。所望の小滴を放出させるだけの十分な気泡を生成するために必要なエネルギーがより少なくなり、したがって効率が改善される。
図２３は、頂部層４４、つまりノズルプレート２を構成することになる層が付着された後の製造ステージを示したものである。ノズルプレート２は、厚さ１００ミクロンのポリイミド膜からの形成に代わって、厚さがちょうど２ミクロンの窒化ケイ素で形成される。
図２４は、層４４を形成している窒化ケイ素の化学気相成長（ＣＶＤ）が、４５で示されている位置で部分的にエッチングされ、それによりノズルリム４の外側の部分が形成された後の製造ステージを示したものである。この外側の部分は、４．１で示されている。
図２６は、窒化ケイ素のＣＶＤのうちの４６の部分が貫通エッチングされ、ノズルリム４の形成が完了し、放出開口５が形成された後の製造ステージ、及び４７で示されている不要な位置におけるＣＶＤ窒化ケイ素が除去された後の製造ステージを示したものである。
図２８は、レジストの保護層４８が加えられた後の製造ステージを示したものである。このステージが終了すると、次に、基板部分の厚さをその通常の厚さである約８００ミクロンから約２００ミクロンの厚さに薄くするために、基板部分２１がその反対側の面（図示せず）から研磨され、引き続いて、上でほのめかしたように、孔３２がエッチングされる。孔３２は、孔３１に出合う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の各々の犠牲レジストが酸素プラズマを使用して除去され、図３０に示されている、壁６及びノズルプレート２を備えた構造が形成される。壁６及びノズルプレート２は、相俟ってチャンバ７を画定している（壁及びノズルプレートの一部は、切り欠いて示されている）。また、これは、孔３１を充填しているレジストを除去する働きをしており、したがってこの孔は、孔３２（図３０には示されていない）と共に、基板部分２１の下面からノズル３まで展開している通路を画定しており、この通路は、一括して９で示されている、チャンバ７へのインク入口通路として機能していることに留意されたい。
図３２は、垂直方向に積み重ねられたヒータエレメント１０及び電極１５の構造を明確に示すためにノズルガード及びチャンバ壁が取り除かれたプリントヘッドを示したものである。
上記製造プロセスは、図３０に示されているプリントヘッドの実施形態を製造するために使用されるが、図３３、図３５及び３７並びに図３８及び４０は、異なるヒータ構造を有する他のプリントヘッド実施形態を示したものである。
インク滴放出の制御
もう一度図３０を参照すると、図に示されている、上で言及したユニットセル１は、壁６及びノズルプレート２の一部が切り欠かれた状態で示されており、チャンバ７の内部が現われている。ヒータ１４は切り欠かれた状態で示されていないため、ヒータエレメント１０の両半分を見ることができる。
動作中、インク１１は、インク入口通路９（図２８参照）を通過してチャンバ７を充填する。次に、電極１５の両端間に電圧が印加され、ヒータエレメント１０を通って流れる電流の流れが確立される。図１に関連して上で説明したように、この電流によってエレメント１０が加熱され、チャンバ７内のインク中に蒸気気泡が形成される。
ヒータ１４のための様々な構造が可能であり、図３３、３５及び３７並びに３８はそのうちのいくつかを示したものであるが、それらには、ヒータエレメント１０の幅に対する長さの比率の点で多くの変形形態が可能である。このような変形形態は、エレメントの電気抵抗に対する大きな効果を有することができ（たとえエレメント１０の表面積が同じであったとしても）、したがってエレメントの特定の電力を達成するための電圧と電流の間の平衡に対する大きな効果を有することができる。
近代の駆動電子工学コンポーネントには、「オン」状態における抵抗がより小さい駆動トランジスタが使用されているため、初期のバージョンより低い駆動電圧を必要とする傾向がある。したがって、このような駆動トランジスタの場合、所与のトランジスタ面積に対して、個々のプロセス生成において、電流能力がますます高くなり、また、電圧許容誤差がますます小さくなる傾向がある。
上で参照した図３６は、図３５に示されているプリントヘッドの実施形態のヒータ構造を形成するためのマスクの形状を平面図で示したものである。したがって、図３６は、その実施形態のヒータエレメント１０の形状を示しているため、以下、そのヒータエレメントの説明にはこの形状を参照する。動作中、電流が電極１５（１５．３６で示されている部分によって表されている）に垂直に流入し、したがって電流が流れる電極の面積は比較的広く、そのために電気抵抗が小さくなっている。一方、１０．３６で示されている部分によって図３６に表されているエレメント１０は長く、且つ、薄く、この実施形態では、エレメントの幅は１ミクロンであり、厚さは０．２５ミクロンである。
図３３に示されているヒータ１４は、図３５に示されているエレメント１０より著しく小さいエレメント１０を有しており、また、正しく単一のループ３６を有していることに留意されたい。したがって図３３のエレメント１０は、図３５のエレメント１０よりはるかに小さい電気抵抗を有することができ、また、図３５のエレメント１０より大きい電流を流すことができる。したがって、所与のエネルギーを所与の時間内にヒータ１４に引き渡すために必要な駆動電圧がより低くなる。
一方、図３８では、図に示されている実施形態は、同じユニットセル１に対応する２つのヒータエレメント１０．１及び１０．２を有するヒータ１４を備えている。これらのエレメントのうちの一方のエレメント１０．２の幅は、もう一方のエレメント１０．１の幅の２倍であり、したがってより広い表面積を備えている。下側のエレメント１０．２の様々な経路の幅は２ミクロンであり、一方、上側のエレメント１０．１の様々な経路の幅は１ミクロンである。したがって、所与の駆動電圧で、所与のパルス継続期間の間に下側のエレメント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、上側のエレメント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、蒸気気泡のサイズの調整、延いてはその気泡によって放出されるインク滴のサイズの調整を可能にしている。
上側のエレメント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、下側のエレメント１０．２によって印加されるエネルギーは約２Ｘであり、２つのエレメントによって同時に印加されるエネルギーは約３Ｘであることは理解されよう。当然、すべてのエレメントが動作していない場合、印加されるエネルギーはゼロである。したがって、事実上、１つのノズル３を使用して２ビットの情報を印刷することができる。
出力されるエネルギーの上記係数は、実際には正確に達成することは不可能であるため、場合によっては、エレメント１０．１及び１０．２の正確なサイズの若干の「微調整」が必要であり、或いはエレメント１０．１及び１０．２に印加される駆動電圧の若干の「微調整」が必要である。
また、上側のエレメント１０．１は、下側のエレメント１０．２に対して、垂直軸の周りに１８０°回転することに留意されたい。これは、それらの電極１５が完全に一致していないため、個別の駆動回路に独立して接続することができるようにするためである。
特定の実施形態の特徴及び利点
以下、本発明の実施形態のある特定の特徴及びこれらの特徴の利点について、適切な見出しを付けて説明する。これらの特徴は、コンテキストが特定の図面を特に除外していない限り、本発明に関係するすべての図面に関連しており、また、とりわけ参照されている図面に関連しているものと見なされたい。
懸垂ビームヒータ
図１を参照すると、上で言及したように、ヒータエレメント１０は、懸垂ビームの形態をしており、インク１１（気泡形成液）の少なくとも一部（１１．１で示されている）の上方に懸垂されている。エレメント１０は、この方法で構成されており、Ｈｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ、Ｃａｎｏｎ及びＬｅｘｍａｒｋなどの様々な製造者が製造している既存のプリントヘッドシステムの場合のように基板の一部を形成し、或いは基板の中に埋め込まれる方法では構成されていない。これは、本発明の実施形態と従来のインクジェット技術との間の大きな相違を成している。
この特徴の主な利点は、従来技術によるデバイスの場合とは異なり、ヒータエレメント１０を取り囲んでいる固体材料（たとえばチャンバ壁６を形成し、且つ、入口通路９を取り囲んでいる固体材料）の不要な加熱を回避することによってより高い効率を達成することができることである。このような固体材料の加熱は、蒸気気泡１２の形成には何ら寄与していないため、このような材料の加熱には、エネルギーの浪費が含まれている。何らかの重要な意味で気泡１２の生成に寄与しているエネルギーのみが、加熱すべき液体、典型的にはインク１１に直接印加される。
好ましい一実施形態では、図１に示されているように、ヒータエレメント１０はインク１１（気泡形成液）中で懸垂されており、したがってこの液体はエレメントを取り囲んでいる。図４１は、これをさらに示したものである。他の可能実施形態では、図４２に示されているように、ヒータエレメント１０ビームは、インク（気泡形成液）１１の表面で懸垂されており、したがってこの液体は、エレメントを取り囲むのではなく、エレメントの下側のみに存在しており、エレメントの上側には空気が存在している。図４１に関連して説明した実施形態は、図４２に関連して説明した、エレメントの下側にしか気泡が形成されない実施形態とは異なり、エレメント１０の周囲全体に気泡１２が形成されるため、好ましい実施形態である。したがって図４１の実施形態の方がより有効な動作を提供するものと思われる。
たとえば図３０及び３１を参照すると分かるように、ヒータエレメント１０ビームが支持されているのは一方の側のみであり、その反対側は自由であるため、このヒータエレメント１０ビームはカンチレバーを構成している。これは、あらゆる直接接触を最小化し、したがってノズルの固体材料への熱伝達を抑制している。
プリントヘッドの効率
本発明のプリントヘッドは、効率を改善するためのノズル構造が構成されるように設計されている。この構成を使用することにより、エレメントを十分に加熱してインク１１中に気泡１２を形成し、それによりノズル３を介してインクの滴１６を放出するためにエレメントに印加しなければならないエネルギーが２００ナノジュール（ｎＪ）未満になる。好ましい一実施形態では、必要なエネルギーは１５０ｎＪ未満であり、他の実施形態では、エネルギーは１００ｎＪ未満である。とりわけ好ましい実施形態では、必要なエネルギーは８０ｎＪ未満である。
従来技術によるデバイスには、エレメントを十分に加熱して蒸気気泡１２を生成し、それによりインク滴１６を放出させるためには、通常、５マイクロジュールを超えるエネルギーが必要であることは当業者には理解されよう。したがって本発明のエネルギー要求事項は、知られている熱インクジェットシステムのエネルギー要求事項より一桁小さい。したがって消費されるエネルギーがより少なくなるため、運転コストをより少なくし、電源をより小さくする、等々が可能であるが、それと同時にプリントヘッドの冷却が劇的に単純化され、それにより、より密度の高いノズル３を得ることができ、また、より高い分解能で印刷することも可能である。
ヒータエレメント１０及びノズルプレート２は、気泡を生成することができ、且つ、変位させなければならないインクの質量が最小化されるように配置されている。したがって、ヒータエレメントと放出開口の間の間隔が比較的狭くなっている。ヒータエレメントと放出開口の間の間隔は５０ミクロン未満であることが好ましい。他の好ましい形態では、この間隔は２５ミクロン未満であり、いくつかの実施形態では、この間隔は１０ミクロン未満である。とりわけ好ましい実施形態では、この間隔は５ミクロン未満である。
本発明のこれらの利点は、以下でさらに説明するように、放出される個々のインク滴１６自体がプリントヘッドの主要な冷却機構を構成する実施形態ではとりわけ重要である。
プリントヘッドの自己冷却
本発明のこの特徴によれば、蒸気気泡１２を形成してインク１１の滴１６を放出するためにヒータエレメント１０に印加されるエネルギーは、放出される滴自体によって除去される熱と、インクリザーバ（図示せず）からプリントヘッドに取り込まれるインクによって除去される熱の組合せによってプリントヘッドから除去される。したがって、プリントヘッドから外側に向かって熱が正味「移動」することになり、それにより自動冷却が提供される。これらの状況により、プリントヘッドには他の一切の冷却システムは不要である。
放出されるインク滴１６及び放出される滴に代わって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、また、本質的に同じ質量の液体であるため、エネルギーの正味移動を一方ではエレメント１０を加熱することによって加えられるエネルギーとして表現し、また、他方では、インク滴１６を放出し、且つ、それに代わる量のインク１１を取り込むことによって生じる熱エネルギーの正味除去として表現することが便利である。置き換えられる量のインク１１の温度は周囲温度であると仮定すると、放出されるインクの量及び置き換えられるインクの量の正味移動によるエネルギーの変化は、放出される滴１６の温度が周囲温度である場合に、滴１６の温度を滴が放出される際の実際の温度まで上昇させるために必要な熱として便利に表現することができる。
上記基準が満たされているかどうかの決定は、何が周囲温度を構成しているかによって決まることは理解されよう。本発明の場合、周囲温度として採用される温度は、流体流連絡でプリントヘッドの入口通路９に接続されているインク貯蔵リザーバ（図示せず）からプリントヘッドへインク１１が流入する温度である。通常、周囲温度は部屋の周囲温度であり、一般的には大よそ２０度Ｃ（摂氏）である。
しかしながら、周囲温度は、たとえば室温がもっと低い場合、或いはプリントヘッドに流入するインク１１が冷却される場合、もっと低くなることがある。
好ましい一実施形態では、プリントヘッドは、完全な自己冷却が達成されるように設計されている（つまり、放出されるインク１１の量及び置き換えられるインク１１の量の正味効果によって出ていく熱エネルギーと、ヒータエレメント１０によって加えられる熱エネルギーが等しくなるように設計されている）。
一例として、インク１１が気泡形成液であると仮定し、且つ、水性の液体、つまり沸点が約１００度Ｃの液体であると仮定すると、周囲温度が４０度Ｃの場合、周囲温度からインク沸騰温度まで最大６０度Ｃの温度が存在し、それはプリントヘッドが耐えることができる最大温度上昇である。
プリントヘッド内のインク温度（インク滴１６が放出される時点以外の温度）は、インク１１の沸点に極めて近い温度にならないようにすることが望ましい。インク１１の温度がこのような温度である場合、プリントヘッドの部品間の温度変化によっていくつかの領域の温度が沸点より高くなり、そのために意図しない、つまり望ましくない蒸気気泡１２が形成されることがある。したがって本発明の好ましい一実施形態は、特定のノズルチャンバ７内のインク１１（気泡形成液）の最大温度がその沸点より１０度Ｃ低い温度になり、加熱エレメント１０が非アクティブになると、上で説明した完全な自己冷却を達成することができるように構成されている。
今説明しているこの特徴及びその様々な実施形態の主な利点は、インク滴１６を放出中のノズルに隣接するノズル３内の望ましくない沸騰を防止するための精巧な冷却方法を必要とすることなく、高いノズル密度を達成することができ、また、高速のプリントヘッド動作を達成することができることである。したがって、上で言及したこのような特徴及び温度基準が存在しない場合と比較すると、百重程度の高いノズル実装密度を達成することができる。
ノズルの面積密度
本発明のこの特徴は、プリントヘッド上のノズル３の面積密度に関係している。図１を参照すると、ノズルプレート２は上部表面５０を有しており、また、本発明のこの態様は、その表面のノズル３の実装密度に関係している。より詳細には、その表面５０のノズル３の面積密度は、１平方ｃｍの表面積当たり１０，０００個のノズルを超えている。
好ましい一実施形態では、ノズル３の面積密度は、表面５０の面積１平方ｃｍ当たり２０，０００個を超えており、他の好ましい実施形態では、ノズルの面積密度は、１平方ｃｍ当たり４０，０００個を超えている。好ましい一実施形態では、ノズルの面積密度は、１平方ｃｍ当たり４８，８２８個である。
面積密度を参照する場合、個々のノズル３には、そのノズルに対応する駆動回路が含まれているものと見なされ、この駆動回路は、通常、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発生回路（この回路は、特に識別されていない）からなっている。
単一のユニットセル１が示されている図４３を参照すると、ユニットセルの寸法は、幅３２ミクロン、長さ６４ミクロンとして示されている。ノズル（図示せず）の連続する次の行のノズル３は、このノズルに対して直接並置されており、したがってプリントヘッドチップの外側の周囲の寸法の結果、１平方ｃｍ当たり４８，８２８個のノズル３が存在している。これは、典型的な熱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、また、圧電プリントヘッドのノズル面積密度のほぼ４００倍である。
高面積密度の主な利点は、デバイスが特定のサイズのシリコンウェーハの上にバッチ製造されるため、製造コストが安価であることである。
一般的には１つのウェーハからなる基板の１平方センチの中に収容することができるノズル３の数が多いほど、より多くのノズルを単一のバッチで製造することができる。本発明のプリントヘッドに使用されるタイプのＣＭＯＳプラスＭＥＭＳウェーハを製造するためのコストは、ある程度までは、その上に形成されるパターンの性質には無関係である。したがってパターンが比較的小さい場合、比較的極めて多数のノズル３を含むことができる。したがって、ノズルの面積密度がより小さい場合のコストと同じコストで、より多くのノズル３及びより多くのプリントヘッドを製造することができる。コストは、ノズル３が占める面積に正比例している。
ヒータエレメントの反対側の気泡形成
この特徴によれば、ヒータ１４は、インク１１（気泡形成液）中に気泡１２が形成される場合に、ヒータエレメント１０の両側に気泡１２が形成されるように構成される。気泡１２は、エレメントが懸垂ビームの形態である場合、ヒータエレメント１０を取り囲むように形成されることが好ましい。
ヒータエレメント１０の一方の側のみへの気泡１２の形成ではなく、その両側への気泡１２の形成については、図４５及び４６を参照することによって理解される。これらの図のうちの第１の図では、ヒータエレメント１０は、一方の側にのみ気泡１２が形成されるように適合されており、また、これらの図のうちの第２の図では、エレメントは、図に示されているように両側に気泡１２が形成されるように適合されている。
図４５に示されているような構成の場合、気泡１２がヒータエレメント１０の一方の側にしか形成されない理由は、エレメントが基板５１の中に埋め込まれており、したがって基板に対応する特定の側には気泡を形成することができないことによるものである。一方、図４６の構成の場合、ここではヒータエレメント１０が懸垂されているため、両側に気泡１２を形成することができる。
ヒータエレメント１０が図１に関連して上で説明したように懸垂ビームの形態である場合、当然、懸垂ビームエレメントを取り囲むように気泡１２を形成することができる。
気泡１２を両側に形成する利点は、より高い効率を達成することができることである。より高い効率を達成することができる理由は、ヒータエレメント１０の近傍の、気泡１２の形成には何ら寄与しない固体材料の加熱に浪費される熱が少なくなることによるものである。図４５はこれを示したものであり、矢印５２は、固体基板５１中への熱の移動を示している。基板５１の中へ失われる熱の量は、水性であってもよいインク１１の熱伝導率に対する基板の固体材料の熱伝導率で決まる。水の熱伝導率は比較的小さいため、半分を超える熱がインク１１によってではなく、基板５１によって吸収されることが期待される。
キャビテーションの防止
上で説明したように、本発明の一実施形態によるプリントヘッド中に気泡１２が形成されると、その気泡は、崩壊点１７に向かって崩壊する。今説明中の特徴によれば、ヒータエレメント１０は、崩壊点１７（気泡はこの崩壊点に向かって崩壊する）がヒータエレメントから間隔を隔てた位置に位置するように気泡１２を形成するように構成されている。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とが好ましい。この方法によれば、従来技術による熱インクジェットデバイスが抱えている主要な問題であるキャビテーションが著しく除去される。
図４８を参照すると、好ましい一実施形態では、ヒータエレメント１０は、間隙（矢印５４で示されている）を画定する部品５３を有するように構成されており、また、崩壊点１７（気泡はこの崩壊点に向かって崩壊する）がこのような間隙部分に位置するように気泡１２を形成するように構成されている。この特徴の利点は、ヒータエレメント１０及び他の固体材料のキャビテーション損傷が実質的に回避されることである。
図４７に概略的に示されている従来技術による標準システムの場合、ヒータエレメント１０は基板５５の中に埋め込まれており、絶縁層５６がエレメントを覆い、また、保護層５７が絶縁層を覆っている。エレメント１０によって気泡１２が形成される場合、その気泡１２はエレメントの頂部に形成される。気泡１２が崩壊すると、矢印５８で示されているように、気泡崩壊のすべてのエネルギーが極めて小さい崩壊点１７の上に最小化される。保護層５７が存在しない場合、崩壊点１７に対するこのエネルギーの最小化によって生じることになるキャビテーションによる機械的な力のため、ヒータエレメント１０が削り取られ、或いは腐食することになる。しかしながら、これは保護層５７によって防止される。
通常、このような保護層５７はタンタルでできており、酸化して極めて硬い五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）の層を形成する。知られている材料の中には、キャビテーションの効果に完全に耐えることができる材料は存在していないが、キャビテーションによって五酸化タンタルが削り取られる場合は、下を覆っているタンタル金属の部分をもう一度酸化させることによって五酸化タンタル層を有効に修理することができる。
五酸化タンタルは、知られている熱インクジェットシステムにおいて、この点に関しては比較的良好に機能しているが、いくつかの特定の欠点を有している。重大な欠点の１つは、必要なエネルギーをインク１１中に伝達してインク１１を加熱し、それにより気泡１２を形成するためには、本質的に、事実上保護層５７（参照数表示５９で示されている厚さを有している）全体を加熱しなければならないことである。タンタルの原子量が極めて重いため、この層５７は大きい熱質量を有しており、そのために熱伝達の効率が悪くなっている。これは、５９で示されているレベルにおいて、６０で示されているレベルにおける温度をインク１１を加熱するだけの十分な温度に上昇させるために必要な熱の量を多くしているだけでなく、矢印６１で示されている方向に実質的な熱損失が生じる原因になっている。ヒータエレメント１０が単に表面で支持されているだけで、保護層５７によって覆われていない場合、この欠点が出現することはない。
今説明している特徴によれば、上で説明した保護層５７の必要性は、気泡１２が図４８に示されているように固体材料が存在していない崩壊点１７に向かって、より詳細にはヒータエレメント１０の部品５３間の間隙５４が存在している崩壊点１７に向かって崩壊するように気泡１２を生成することによって回避される。この位置には単にインク１１自体（気泡生成前のインク１１）が存在しているにすぎず、したがってここにはキャビテーションの効果によって腐食するような材料は存在していない。崩壊点１７の温度は、ソノルミネセンス現象によって立証されているように数千度Ｃに達することがある。したがってこの崩壊点でインク成分が破壊されることになる。しかしながら、崩壊点１７における極端な温度の体積は非常に小さく、したがってこの体積のインク成分の破壊は何ら重要ではない。
固体材料が存在しない崩壊点１７に向かって崩壊する気泡１２の生成は、図３４に示されているマスクの部分１０．３４で示されているヒータエレメントに対応するヒータエレメント１０を使用して達成することができる。図に示されているエレメントは対称をなしており、その中心に参照数表示６３で示されている孔を有している。エレメントが加熱されると、エレメント（ダッシュ線６４で示されている）の周囲に気泡が形成され、次に、ダッシュ線６４及び６５で示されているような環状（ドーナツ）形の形状ではなく、孔６３を含むエレメントまで広がるように成長し、気泡を形成している蒸気で孔を充填する。したがって気泡１２の形状は実質的に円板形である。気泡１２が崩壊する場合、その崩壊は、気泡１２を取り囲んでいる表面張力が最小化されるように導かれる。そのためには、包含されている動力学によって許容される限り、気泡の形状を球面形状に向かって移動させる必要がある。それにより、延いては、ヒータエレメント１０の中心に位置している、固体材料が存在していない孔６３の領域に崩壊点が存在することになる。
図３１に示されているマスクの部分で示されているヒータエレメント１０は、同様の結果が達成されるように構成されており、気泡は、ダッシュ線６６で示されているように生成され、崩壊点（気泡はこの崩壊点に向かって崩壊する）は、エレメントの中心の孔６７の中に存在している。
図３６に示されているマスクの部分１０．３６として示されているヒータエレメント１０も、同様の結果が達成されるように構成されている。孔６８が小さくなるようにエレメント１０．３６が寸法化される場合、ヒータエレメントの製造の不正確性により、孔によって画定される領域にその崩壊点が存在するように気泡を形成することができる範囲が影響されることがある。たとえば、孔は、その直径を数ミクロン程度に小さくすることができる。精度のレベルが高いエレメント１０．３６を達成することができない場合、それは、場合によっては、１２．３６として示されている気泡が若干ではあるが左右のバランスがくずれる結果になり、したがってそれらをこのような微小領域内の崩壊点に向かって導くことができなくなる。このような場合、図３６に示されているヒータエレメントに関しては、エレメントの中央ループ４９を単純に省略し、それにより、気泡の崩壊点が位置する領域のサイズを大きくすることができる。
化学気相成長ノズルプレート及び薄いノズルプレート
個々のユニットセル１のノズル放出開口５は、ノズルプレート２を貫通して展開しており、したがってノズルプレートは、化学気相成長（ＣＶＤ）によって形成される構造を構成している。好ましい様々な実施形態では、ＣＶＤは、窒化ケイ素、二酸化ケイ素又はオキシナイトライドのＣＶＤである。
ＣＶＤによって形成されるノズルプレート２の利点は、ノズルプレートをユニットセル１の壁６などの他のコンポーネントにアセンブルする必要なく、所定の位置にノズルプレート２が形成されることである。これは、さもなければ必要になるノズルプレート２のアセンブリの実施が場合によっては困難であり、また、場合によっては潜在的に複雑な問題を抱えているため、重要な利点である。このような問題には、ノズルプレート２とノズルプレート２がアセンブルされることになる部品との間の熱膨張の潜在的な不整合が含まれており、また、ノズルプレート２を他の部品に結合する接着剤を硬化させるプロセスの間、互いに整列したコンポーネントを首尾良く維持する困難性、それらを平らに維持する困難性、等々が含まれている。
熱膨張の問題は、従来技術では、製造することができるインクジェットのサイズを制限している大きな要因である。これは、たとえばニッケルノズルプレートとノズルプレートが接続される基板との間の熱膨張率の差によるものであり、この基板がシリコンでできている場合、この差は相当大きくなる。したがって、周囲温度から部品を一体に結合するために必要な硬化温度まで加熱される個々の部品間に生じる相対熱膨張は、たとえば１０００個のノズルによって占有される距離が短いほど、ノズル全体の長さより著しく大きい寸法不整合の原因になることがある。これは、このようなデバイスにとっては極めて有害である。
今説明している本発明の特徴によって対処されるもう１つの問題は、少なくともその実施形態においては、従来技術によるデバイスの場合、アセンブルしなければならないノズルプレートが、一般に、比較的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ていることである。これは、場合によってはデバイスの破壊又は望ましくない変形の原因になることがある。本発明による実施形態の場合、ＣＶＤによるノズルプレート２の蒸着によってこの問題を回避している。
本発明のこの特徴の他の利点は、少なくともその実施形態においては、それらが既存の半導体製造プロセスと両立することである。ＣＶＤによるノズルプレート２の蒸着により、一般に半導体製造に使用されるプロセスを使用して、プリントヘッドの中に正規のシリコンウェーハ製造のスケールでノズルプレートを備えることができる。
既存の熱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、気泡生成段階の間、最大１００気圧の過渡的圧力に遭遇する。このようなデバイスのノズルプレート２をＣＶＤによって加える場合、このような過渡的圧力に耐えるためには実質的な厚さのＣＶＤノズルプレートが必要になる。当業者には理解されるように、このような厚さの蒸着ノズルプレートには、以下で説明するような特定の問題がある。
たとえばノズルチャンバ７内の１００気圧の圧力に耐えるだけの十分な窒化物の厚さは、たとえば１０ミクロンである。図４９を参照すると、本発明によらない、このような厚さのノズルプレート２を有するユニットセル１が示されているが、このような厚さは、場合によっては滴放出に関連する問題が生じる原因になることは理解されよう。この場合、ノズルプレート２の厚さのため、ノズル３を介してインク１１が放出される際に、そのノズル３によって加えられる流体抵抗が、デバイスの効率を著しく損失する原因になっている。
このような厚さのノズルプレート２の場合に存在することになるもう１つの問題は、実際のエッチングプロセスに関係している。これは、ノズル３が、たとえば標準のプラズマエッチングを使用して、図に示されているように基板部分のウェーハ８に対して直角にエッチングされることを仮定している。そのためには、通常、１０ミクロンより分厚いレジスト６９を加えなければならない。この厚さのレジスト６９を露出させるためには、レジストを露出させるために使用されるステッパの焦点距離が比較的短いため、必要なレベルの分解能を達成することが困難になる。ｘ線を使用してレジスト６９のこの関連する深さを露出させることは可能であるが、それは比較的コストの高いプロセスになる。
１０ミクロンの厚さの窒化物の層がシリコン基板ウェーハの上にＣＶＤ蒸着された場合に、このような厚さのノズルプレート２を使用することによって存在することになる他の問題は、ＣＶＤ層と基板の間の熱膨張の差並びに蒸着された分厚い層中の固有応力のため、ウェーハがリソグラフィプロセスにおける他のステップの実行が不可能になる程度までたわむことになることである。したがって、１０ミクロンの厚さのノズルプレート２は、可能ではあるが（本発明の場合とは異なり）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熱インク放出デバイスの場合、ＣＶＤ窒化物ノズルプレート層２の厚さはたったの２ミクロンである。したがってノズル３を介した流体抵抗はそれほど大きくなく、したがって損失の主要な原因ではない。
さらに、エッチング時間、このようなノズルプレート２にノズル３をエッチングするために必要なレジストの厚さ及び基板ウェーハ８に対する応力は、何ら過剰なものではない。
本発明のこの比較的薄いノズルプレート２が可能であるのは、チャンバ７内に生成される圧力が約１気圧にすぎず、上で説明した従来技術によるデバイスの場合のように１００気圧ではないことによるものである。
多くの要因が、このシステムにおける滴１６の放出に必要な過渡的圧力の著しい低減に寄与している。これらの要因には、
１．チャンバ７のサイズが小さいこと
２．ノズル３及びチャンバ７の製造が正確であること
３．低滴速度での滴放出が安定している
４．ノズル３間の流体クロストーク及び熱クロストークが極めて小さいこと
５．気泡面積に対するノズルサイズが最適化されていること
６．薄い（２ミクロン）ノズル３を介した流体抵抗が小さいこと
７．入口９を介したインク放出による圧力損失が小さいこと
８．自己冷却動作であること
がある。
図６ないし図３１を参照して説明したプロセスに関連して上で言及したように、厚さ２ミクロンのノズルプレート層２をエッチングするためには、関連する２つのステージが必要である。このようなステージの１つには、ノズルリム４になることになる部分の外側に凹所を形成するために、図２４及び５０に４５で示されている領域をエッチングするステップが含まれている。もう１つのこのようなステージには、実際に放出開口５が形成され、リム４が完成する、図２６及び５０に４６で示されている領域の別のエッチングが含まれている。
ノズルプレートの厚さ
ＣＶＤによるノズルプレート２の形成に関連して上で説明したように、また、その点に関して説明した利点により、本発明のノズルプレートは、従来技術によるノズルプレートより薄い。より詳細には、ノズルプレート２の厚さは１０ミクロン未満である。好ましい一実施形態では、個々のユニットセル１のノズルプレート２の厚さは５ミクロン未満であり、他の好ましい実施形態では、ノズルプレート２の厚さは２．５ミクロン未満である。実際には、ノズルプレート２の好ましい厚さは２ミクロンである。
異なる層に形成されるヒータエレメント
この特徴によれば、複数のヒータエレメント１０が個々のユニットセル１のチャンバ７内に配置される。図６ないし図３１に関連して上で説明したリソグラフィプロセスによって形成されるエレメント１０は、対応する個々の層に形成される。
好ましい実施形態では、図３８、４０及び５１に示されているように、チャンバ７内のヒータエレメント１０．１及び１０．２は、互いに対して別様にサイズ化されている。
また、リソグラフィプロセスについての上記説明を参照すれば理解されるように、個々のヒータエレメント１０．１、１０．２は、これらのリソグラフィプロセスのうちの少なくとも１つのステップによって形成されており、エレメント１０．１の各々に関連するリソグラフィステップと、もう一方のエレメント１０．２に関連するリソグラフィステップとは全く異なっている。
エレメント１０．１、１０．２は、図５１の線図に概略的に示されているように、それらが２進重み付けインク滴体積を達成することができるように、つまり、それらが異なる２進重み付け体積を有するインク滴１６を特定のユニットセル１のノズル３を介して放出させることができるように、互いに対してサイズ化されていることが好ましい。インク滴１６の体積の２進重み付けの達成は、エレメント１０．１及び１０．２の相対サイズによって決定される。図５１では、インク１１と接触している底部ヒータエレメント１０．２の面積は、頂部ヒータエレメント１０．１の面積の２倍である。
知られている従来技術によるデバイスの１つは、Ｃａｎｏｎが特許を取得している、図５２に概略的に示されているデバイスであり、個々のノズル毎に同じく２つのヒータエレメント１０．１及び１０．２を有しており、また、これらの２つのヒータエレメントも同じく２進ベースでサイズ化されている（つまり２進重み付け体積を使用して滴１６を生成するために）。これらのエレメント１０．１、１０．２は、単一の層の中に形成されており、ノズルチャンバ７内で互いに隣接している。小さい方のエレメント１０．１のみによって形成される気泡１２．１は比較的小さく、一方、大きい方のエレメント１０．２のみによって形成される気泡１２．２は比較的大きいことは理解されよう。１２．３は、これらの２つのエレメントが同時に起動された場合に、これらの２つのエレメントの組合せ効果によって生成される気泡を示している。これらの３つの個々の気泡１２．１、１２．２及び１２．３によって、それぞれ別様にサイズ化された３つのインク滴１６を放出させることができる。
異なるサイズを有する滴１６を放出させるために、或いは有用な組合せの滴を放出させるために、エレメント１０．１及び１０．２自体のサイズを２進重み付けする必要はないことは理解されよう。実際、２進重み付けは、エレメント１０．１及び１０．２自体の面積によっては、十分な根拠を持って正確に表すことはできない。２進重み付けされた滴体積が達成されるようにエレメント１０．１、１０．２をサイズ化する場合、気泡１２の生成を取り巻いている流体特性、滴力学特性、滴１６が分離した後にノズル３からチャンバ７内へ引き戻される液体の量、等々を考慮しなければならない。したがって、所望の２進重み付け滴体積を達成するためには、実際には、エレメント１０．１、１０．２の表面積の実際の比率、つまり２つのヒータの性能を調整しなければならない。
ヒータエレメント１０．１、１０．２のサイズが一定であり、したがってそれらの表面積の比率が一定である場合、これらの２つのエレメントに供給される電圧を調整することによって放出される滴１６の相対サイズを調整することができる。また、放出される滴１６の相対サイズの調整は、エレメント１０．１、１０．２の動作パルスの継続期間、つまりそれらのパルス幅を調整することによっても達成することができる。しかしながら、気泡１２がエレメント１０．１、１０．２の表面に一度核形成すると、どのような継続期間のパルス幅であっても、ある特定の時間量が経過するとその効果がほとんどなくなるか或いは全くなくなるため、パルス幅は、その特定の時間量を超えることはできない。
一方、ヒータエレメント１０．１、１０．２の熱質量が小さい場合、気泡１２が形成され、且つ、滴１６が放出される温度に極めて速やかに到達するよう、ヒータエレメント１０．１、１０．２を加熱することができる。最大有効パルス幅は、通常、気泡核形成の開始によって約０．５マイクロ秒に制限されているが、最小パルス幅は、ヒータエレメント１０．１、１０．２によって許容され得る利用可能な電流駆動及び電流密度によってのみ制限される。
図５１に示されているように、２つのヒータエレメント１０．１、１０．２は、それぞれ対応する駆動回路７０に接続されている。これらの回路７０は互いに全く同じ回路であってもよいが、これらの回路によって他の調整を実施することも可能であり、たとえば大電流エレメントである下側のエレメント１０．２に接続されている駆動トランジスタ（図示せず）のサイズを上側のエレメント１０．１に接続されている駆動トランジスタ（図示せず）のサイズより大きくすることによって他の調整を実施することができる。たとえば、個々のエレメント１０．１、１０．２に提供される相対電流の比率が２：１である場合、下側のエレメント１０．２に接続されている回路７０の駆動トランジスタの幅は、通常、もう一方のエレメント１０．１に接続されている回路７０の駆動トランジスタ（同じく図示せず）の幅の２倍である。
図５２に関連して説明した従来技術の場合、同じ層の中に存在しているヒータエレメント１０．１、１０．２は、リソグラフィ製造プロセスの同じステップで同時に製造される。図５１に示されている本発明の実施形態では、２つのヒータエレメント１０．１、１０．２は、上で説明したように互いに前後して形成されている。実際、図６ないし図３１を参照して説明したプロセスで記述したように、エレメント１０．２を形成するための材料が付着され、引き続いてリソグラフィプロセスでエッチングされた後、そのエレメントの頂部に犠牲層３９が付着され、次にもう一方のエレメント１０．１のための材料が付着され、したがって２つのヒータエレメント層の間に犠牲層が存在している。第２のリソグラフィステップによって第２のエレメント１０．１の層がエッチングされ、また、犠牲層３９が除去される。
ヒータエレメント１０．１及び１０．２の異なるサイズをもう一度参照すると、上で言及したように、これは、１つのノズル３から複数の２進重み付け滴体積が達成されるようにこれらのエレメントをサイズ化することができる利点を有している。
複数の滴体積を達成することができる場合、また、とりわけそれらが２進重み付けされる場合、より少ない印刷ドットを使用して、より低い印刷分解能で写真品質を得ることができることは理解されよう。
さらに、同じ状況の下でより高速の印刷を達成することができる。つまり、単に１つの滴１４を放出し、次にノズル３が再充填されるのを待機する代わりに、対応する１つ、２つ又は３つの滴を放出することができる。ノズル３の利用可能な再充填速度が制限要因ではないと仮定すると、最大３倍の速さのインク放出延いては印刷を達成することができる。しかしながら、実際には、ノズル再充填時間は、一般的には制限要因である。その場合、３倍の体積（最小サイズの滴に対して）の滴１６が放出された場合、ノズル３は、単に最小体積の滴が放出された場合より若干長い時間を再充填に要することになる。しかしながら、実際には、３倍もの長い時間を再充填に要することはない。それは、インク１１の慣性力学及び表面張力によるものである。
図５３を参照すると、一対の隣接するユニットセル１．１及び１．２が概略的に示されている。左側のセル１．１は、体積がより大きい滴１６が放出された後のノズル３を示しており、また、右側のセル１．２は、体積がより小さい滴が放出された後のノズル３を示している。より大きい滴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空気気泡７１の曲率は、体積がより小さい滴がもう一方のユニットセル１．２のノズル３．２から放出された後に形成された空気気泡７２の場合より大きい。
ユニットセル１．１内の空気気泡７１の曲率が大きいほど、矢印７３で示されているように、再充填通路９からノズル３に向かってインク１１を引き出し、チャンバ７．１に引き込む傾向を示す表面張力の力が強くなる。したがってより短い再充填時間が得られる。チャンバ７．１が再充填されるにつれて、７４で示されている段階に到達し、隣接するユニットセル１．２の状態と同様の状態になる。この状態ではユニットセル１．１のチャンバ７．１が部分的に再充填され、したがって表面張力の力が弱くなる。そのため、この段階では、そのユニットセル１．１の中がこの状態に到達すると再充填速度が遅くなるが、関連する運動量でチャンバ７．１に流入する液体の流れが確立されている。これの総合効果は、チャンバ７．１及びノズル３．１を完全に充填するために要する、空気気泡７１が存在している時点からの時間は、状態７４が存在している時点からの時間よりも長くなるが、たとえ再充填しなければならない体積が３倍に増加したとしても、チャンバ７．１及びノズル３．１を再充填するために要する時間は３倍にはならないことである。
原子番号が小さい元素によって構成された材料から形成されたヒータエレメント
この特徴には、その材料のうちの少なくとも９０重量％が、原子番号が５０未満の１つ又は複数の周期元素によって構成される固体材料で形成されるヒータエレメント１０が含まれている。好ましい一実施形態では原子量が３０未満であり、他の実施形態では原子量は２３未満である。
小さい原子番号の利点は、その材料の原子がより小さい質量を有しており、したがってヒータエレメント１０の温度を上昇させるために必要なエネルギーがより少ないことである。これは、当業者には理解されるように、物品の温度は、本質的に、原子核の運動の状態に関していることによるものである。したがって、より軽い核を備えた原子を有する材料より、より重い核を有する原子を備えた材料の方が、その温度を上昇させるためにより多くのエネルギーが必要であり、それによりこのような核運動が誘導されることになる。
熱インクジェットシステムのヒータエレメントのために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（たとえばＨｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄによって使用されている）及びホウ化ハフニウム（たとえばＣａｎｏｎによって使用されている）がある。タンタル及びハフニウムは、それぞれ原子番号７３及び７２を有しており、一方、本発明のＭｅｍｊｅｔヒータエレメント１０に使用されている材料は窒化チタンである。チタンは２２の原子番号を有しており、また、窒素は７の原子番号を有しており、したがってこれらの材料は、関連する従来技術のデバイス材料の原子番号より著しく軽くなっている。
それぞれホウ化ハフニウム及びタンタルアルミニウムの一部を形成しているホウ素及びアルミニウムは、窒素のように比較的軽い材料である。しかしながら、窒化タンタルの密度は１６．３ｇ／ｃｍ３であり、一方、窒化チタン（タンタルの代わりにチタンを含有している）の密度は５．２２ｇ／ｃｍ３である。したがって窒化タンタルは、窒化チタンの密度の約３倍の密度を有しているため、加熱するために必要なエネルギーは、窒化チタンの方が窒化タンタルより約３倍少ない。当業者には理解されるように、２つの異なる温度における材料中のエネルギーの差は、次の式によって表される。
Ｅ＝ΔＴ×Ｃｐ×ＶＯＬ×ρ
上式でΔＴは温度差を表しており、Ｃｐは比熱容量、ＶＯＬは体積であり、また、ρは材料の密度である。密度は原子番号のみによっては決定されないが、格子定数の関数でもあるため、密度は、含まれている材料の原子番号によって大きく影響され、したがって今説明中の特徴の重要な一面である。
小さいヒータ質量
この特徴には、気泡形成液（つまりこの実施形態ではインク１１）を加熱してインクに中に気泡１２を生成し、それによりインク滴１６を放出させるためにインクの沸点を超える温度まで加熱される個々のヒータエレメント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るヒータエレメント１０が含まれている。
好ましい一実施形態では、質量は２ナノグラム未満であり、他の実施形態では、質量は５００ピコグラム未満であり、さらに他の実施形態では、質量は２５０ピコグラム未満である。
上記の特徴は、ヒータエレメント１０の固体材料の加熱によって失われるエネルギーが低減され、それにより効率が改善されるため、従来技術によるインクジェットシステムに優る重要な利点を構成している。この特徴が可能であるのは、密度が小さいヒータエレメント材料が使用されていること、エレメント１０のサイズが比較的小さいこと、また、たとえば図１に示されているようにヒータエレメントが他の材料の中に埋め込まれない懸垂ビームの形態であることによるものである。
図３４は、図３３に示されているプリントヘッドの実施形態のヒータ構造を形成するためのマスクの形状を平面図で示したものである。したがって図３４は、その実施形態のヒータエレメント１０の形状を示しているため、以下、そのヒータエレメントの説明にはこの形状を参照する。図３４に参照数表示１０．３４で示されているヒータエレメントは、幅２ミクロン、厚さ０．２５ミクロンの単一ループ４９のみを有している。このループ４９は、６ミクロンの外部半径及び４ミクロンの内部半径を有している。ヒータの総質量は８２ピコグラムである。同様に図３９に参照数表示１０．３９で示されている対応するエレメント１０．２は、２２９．６ピコグラムの質量を有しており、また、図３６に参照数表示１０．３６で示されているヒータエレメントは、２２５．５ピコグラムの質量を有している。
図３８及び図３９に示されているエレメント１０．１、１０．２がたとえば実際に使用される場合、インク１１（この実施形態では気泡形成液である）と熱接触する、インクの沸点温度より高い温度まで加熱される個々のこのようなエレメントの材料の総質量は、これらのエレメントが化学的に不活性な電気絶縁熱伝導性材料でコーティングされることになるため、上で説明した質量より若干多くなる。このコーティングにより、より高い温度まで加熱される材料の総質量がある程度増加する。
共形コーティングされたヒータエレメント
この特徴には、共形保護コーティングによって覆われている個々のエレメント１０が含まれており、このコーティングは、コーティングに継ぎ目がないよう、エレメントのすべての面に同時に加えられている。コーティングは、電気的に非導電性であり、化学的に不活性で、且つ、熱伝導率が大きいことが好ましい。好ましい一実施形態では、コーティングは窒化アルミニウムのコーティングであり、他の実施形態では、コーティングはダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ）のコーティングであり、さらに他の実施形態では、コーティングは窒化ホウ素のコーティングである。
図５４及び図５５を参照すると、従来技術によるヒータエレメント１０の略図が示されている。このヒータエレメント１０は、上で説明したような共形コーティングは施されていないが、基板７８の上に付着され、次に、７６で示されているように一方の面に典型的な方法でＣＶＤ材料が共形コーティングされている。それに対して、この例の中で上で参照した、図５６に７７でその概要が示されているコーティングの場合、エレメントのすべての面に同時に共形コーティングが施されている。しかしながら、このようなコーティングを施す場合、すべての面に対してこの共形コーティング７７を達成することができるのは、エレメントのすべての面にアクセスすることができるよう、エレメント１０が他の構造から分離された構造である場合のみ、つまりエレメント１０の形態が懸垂ビームの形態である場合のみである。
エレメント１０のすべての面に対する共形コーティングを参照する場合、それには、図５７に図式的に示されているように電極１５に結合されているエレメント（懸垂ビーム）の末端は除外されることを理解されたい。言い換えると、エレメント１０のすべての面が共形コーティングされている、ということは、本質的に、エレメントがエレメントの長さに沿った共形コーティングによって完全に取り囲まれていることを意味している。
ヒータエレメント１０に共形コーティングを施す主な利点は、もう一度図５４及び図５５を参照すると理解することができる。図から分かるように、共形コーティング７６が施される場合、その上にヒータエレメント１０が付着している（つまりヒータエレメント１０が形成されている）基板７８は、事実上、そのエレメントの面のうちの共形コーティングが施される面とは反対側の面のためのコーティングを構成している。ヒータエレメント１０（このヒータエレメント１０は、延いては基板７８の上に支持されている）の上に共形コーティング７６を付着させることにより、継ぎ目７９が形成されることになる。この継ぎ目７９は、場合によっては弱点を構成することになり、この継ぎ目部分に酸化物及び他の望ましくない生成物が形成され、或いは層間剥離が生じることになる。実際、ヒータエレメント及びそのコーティング７６をその下側の基板７８から分離し、それによりエレメントを懸垂ビームの形態にするためのエッチングが実施される図５４及び図５５のヒータエレメント１０の場合、たとえこのような材料がコーティング７６或いは基板７８の実際の材料に浸入することができないとしても、場合によっては液体又はヒドロキシイオンが進入することになる。
上で言及した材料（つまり窒化アルミニウム又はダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ））は、望ましいことにはそれらの熱伝導率が大きく、それらの化学的不活性性のレベルが高く、また、それらが電気的に非導電性であるため、図５６に示されている本発明の共形コーティング７７に使用するために適している。これらの目的に適した他の材料は、同じく上で参照されている窒化ホウ素である。コーティング７７のために使用される材料の選択は、望ましい性能特性を達成することに関しては重要であるが、上で言及した材料の代わりに、適切な特性を有する他の材料を使用することも可能である。
プリントヘッドが使用される実例プリンタ
上で説明したコンポーネントは、図６２ないし図６９に示されているプリントヘッドアセンブリの一部を形成している。プリントヘッドアセンブリ１９は、図７０に示されているプリンタシステム１４０に使用されている。プリントヘッドアセンブリ１９は、図５８ないし図６１に詳細に示されている多数のプリントヘッドモジュール８０を備えている。以下、これらの態様について説明する。
手短に図４４を参照すると、図に示されている複数のノズル３のアレイは、プリントヘッドチップ（図示せず）の上に配置されている。駆動トランジスタは、同じチップの上に含まれているシフトレジスタ、等々（図示せず）を駆動しており、チップ上に必要な接続の数を少なくしている。
図５８及び図５９は、ＭＥＭＳプリントヘッドチップアセンブリ８１（以下、同じくチップで参照されている）を備えたプリントヘッドモジュールアセンブリ８０の分解図及び非分解図をそれぞれ示したものである。図に示されているような典型的なチップアセンブリ８１の上には、１インチ当たり１６００ドットの分解能で印刷することができるように間隔を隔てた７６８０個のノズルが存在している。また、チップ８１は、異なる色又はタイプのインク１１を放出するように構成されている。
フレキシブル印刷回路基板（ＰＣＢ）８２は、チップ８１に電気接続されており、電力及びデータの両方をチップに供給している。チップ８１は、ステンレス鋼上部層シート８３の上に結合されており、したがってこのシートにエッチングされた複数の孔８４のアレイを覆っている。チップ８１自体は、シリコンの多層スタックであり、孔８４と整列しているインク通路（図示せず）を底部シリコン層８５の中に有している。
チップ８１は、幅約１ｍｍ、長さ約２１ｍｍである。この長さは、チップ８１を製造するために使用されるステッパのフィールドの幅によって決定されている。シート８３は、図５８に示されているように、シートの下面にエッチングされた通路８６（細部が隠れているため、図にはこれらのうちの一部しか示されていない）を有している。これらの通路８６は、図に示されているように展開しており、したがってそれらの末端は中間層８８の中の孔８７と整列している。これらの通路８６は、それぞれ対応する孔８７と整列している。その孔８７は、下部層９０の中の対応する通路８９と整列している。個々の通路８９は、９１で示されている最後の通路を除き、それぞれ異なる色のインクを運んでいる。この最後の通路９１は空気通路であり、中間層８８の中の別の孔９２と整列しており、孔９２は、上部層シート８３の中の別の孔９３と整列している。これらの孔９３は、頂部通路層９６の中のスロット９５の内側の部分９４と整列しており、したがってこれらの内側の部分は空気通路９１と整列しており、したがってダッシュ線９７で示されているように空気通路９１と流体流連絡している。
下部層９０は、通路８９及び通路９１の中に向かって開いている孔９８を有している。濾過された圧縮空気が関連する孔９８を介して空気源（図示せず）から通路９１に流入し、次に、それぞれ中間層８８、シート８３及び頂部通路層９６の中の孔９２、９３及びスロット９５を通過した後、チップアセンブリ８１の面９９に吹き込まれ、この面９９から、１００で、紙埃からノズルを清浄に維持するためにノズルを覆っているノズルガード１０１を介して強制排出される。別様に着色されたインク１１（図示せず）が下部層９０の孔９８を通って通路８９に流入し、次に、対応する孔８７を通過し、次に、上部層シート８３の下面の対応する通路８６に沿って、そのシートの対応する孔８４を通過した後、スロット９５からチップ８１へ流入する。下部層９０にはちょうど７個の孔９８が存在しており（個々のインクの色毎に１つ及び圧縮空気用に１つ）、これらの孔９８を介してインク及び空気がチップ８１に引き渡され、チップ上の７６８０個のノズルに向かってインクが導かれることに留意されたい。
次に、図５８及び図５９のプリントヘッドモジュールアセンブリ８０の側面図が概略的に示されている図６０を参照する。チップアセンブリの中央の層１０２は、７６８０個のノズル及びそれらに関連する駆動回路が配置されている層である。ノズルガード１０１を構成しているチップアセンブリの頂部層は、濾過された圧縮空気の導入を可能にしており、それにより紙埃からノズルガード孔１０４（ダッシュ線によって概略的に示されている）を清浄に維持することができる。
下部層１０５はシリコンの層であり、その中にインク通路がエッチングされている。これらのインク通路は、ステンレス鋼上部層シート８３の中の孔８４と整列している。シート８３は、上で説明したように下部層９０からインク及び圧縮空気を受け取り、次に、受け取ったインク及び空気をチップ８１に向けて導いている。下部層９０によってインク及び空気を受け取ったところからそれらを中間層８８及び上部層８３を介してチップアセンブリ８１に送り込む必要性は、さもなければ極めて多数の（７６８０個）の極めて小さいノズル３を下部層９０の中のより大きい正確性に劣る孔９８に整列させることが実際的ではなくなることによるものである。
フレキシブルＰＣＢ８２は、チップアセンブリ８１の層１０２の上に配置されているシフトレジスタ及び他の回路（図示せず）に接続されている。チップアセンブリ８１は、ワイヤ１０６によってフレキシブルＰＣＢの上に結合されており、これらのワイヤはエポキシ１０７の中にカプセル封じされている。このカプセル封じを実施するために、ダム１０８が提供されている。このダム１０８により、ダム１０８とチップアセンブリ８１の間の空間にエポキシ１０７を加えて充填し、それによりワイヤ１０６をエポキシの中に埋め込むことができる。エポキシ１０７が硬化すると、エポキシ１０７は、紙及び埃による汚染からワイヤボンディング構造を保護し、また、機械的な接触からワイヤボンディング構造を保護する。
図６２を参照すると、他のコンポーネントと共に、上で説明したプリントヘッドモジュールアセンブリ８０を備えたプリントヘッドアセンブリ１９が分解図で概略的に示されている。プリントヘッドアセンブリ１９は、Ａ４又は米国文字タイプの用紙に適したページ幅プリンタ用に構成されている。
プリントヘッドアセンブリ１９は、湾曲した金属板の形態の基板チャネル１１０の上ににかわ付けされた１１個のプリントヘッドモジュールアセンブリ８０を備えている。６色の異なる色のインク及び圧縮空気をチップアセンブリ８１に供給するために、それぞれ参照数表示１１１で示されている７個の孔の一連のグループが提供されている。突き出たフレキシブルインクホース１１２は、チャネル１１０内の所定の位置ににかわ付けされている。ホース１１２は、その中に孔１１３を備えていることに留意されたい。ホース１１２が最初にチャネル１１０に接続される場合、これらの孔１１３は提供されず、これらは、チャネル１１０に接続された後に、孔１１１を介して熱線構造（図示せず）を強制することにより、融解によって形成され、孔１１１は、次に、孔１１３が融解する位置を固定するためのガイドとして機能する。プリントヘッドアセンブリ１９がアセンブルされると、孔１１３が孔１１４（チャネル１１０内のグループ１１１を構築している）を介して個々のプリントヘッドモジュールアセンブリ８０の下部層９０の中の孔９８と流体流連絡する。
ホース１１２は、ホースの長さにわたって展開している並列チャネル１１５を画定している。ホース１１２は、その一方の末端１１６がインクコンテナ（図示せず）に接続されており、また、もう一方の末端１１７には、プラグとして機能し、したがってホースのその末端を密閉するチャネル突出しキャップ１１８が提供されている。
金属頂部支持板１１９は、チャネル１１０及びホース１１２を支持し、且つ、配置しており、また、ホースのための裏当て板として機能している。チャネル１１０及びホース１１２は、フレキシブル印刷回路を備えているアセンブリ１２０の上に圧力を加えている。金属頂部支持板１１９は、チャネル１１０の下に向かって展開している壁１２３の中のノッチ１２２を貫通して展開している、チャネル及び金属頂部支持板を互いに対して配置するためのタブ１２１を有している。
突出し１２４は、銅母線１２５を配置するために提供されている。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、知られている熱インクジェットプリンタを動作させるために必要なエネルギーより一桁少ないが、プリントヘッドアレイ内には合計約８８，０００個のノズルが存在しており、これは、典型的なプリントヘッドに一般的に見い出されるノズルの数の約１６０倍である。本発明によるノズルは、動作中、連続ベースで動作させることができる（つまり噴射させることができる）ため、たとえノズル１個当たりの電力消費が知られているプリントヘッドの電力消費より一桁小さいとしても、総電力消費は、このような知られているプリントヘッドの総電力消費より一桁多くなり、したがって電流要求事項も大きくなる。母線１２５は、このような電力要求事項を提供するのに適しており、それらにはんだ付けされた電力リード線１２６を有している。
図に示されているように、プリントヘッドモジュールアセンブリ８０のフレキシブルＰＣＢ８２の下側の部分の上面に、コンタクト１２８に隣接して圧縮可能な導電性条片１２７が提供されている。ＰＣＢ８２は、チップアセンブリ８１から、チャネル１１０、支持板１１９、突出し１２４及び母線１２６を取り巻いて、条片１２７の下方の位置まで展開しており、したがってコンタクト１２８は、条片１２７の下方に配置され、条片１２７と接触している。
個々のＰＣＢ８２は、両面ＰＣＢであり、貫通めっきが施されている。フレキシブルＰＣＢ１３１の上のコンタクトスポット１３０（これらのうちの一部のみが概略的に示されている）と隣接するＰＣＢ８２の外部表面には、データ接続１２９（ダッシュ線で概略的に示されている）が配置されている。フレキシブルＰＣＢ１３１は、データバス及びフレキシブルＰＣＢ１３１自体の一部として形成されているエッジコネクタ１３２を備えている。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、該金属板１３３とチャネル１１０が相俟ってプリントヘッドアセンブリ１９のすべてのコンポーネントを一体に維持することができるように提供されている。この点に関して、チャネル１１０は、プリントヘッドアセンブリ１９が一体になると金属板１３３の中のスロット１３５を貫通して展開し、次に、それらがスロットを通って後退するのを防止するために約４５度ねじるツイストタブ１３４を備えている。
まとめとして図６８を参照すると、アセンブルされた状態のプリントヘッドアセンブリ１９が示されている。１３６の孔１１２を介してインク及び圧縮空気が供給され、リード線１２６を介して電力が供給され、また、エッジコネクタ１３２を介してデータがプリントヘッドチップアセンブリ８１に提供される。プリントヘッドチップアセンブリ８１は、ＰＣＢ８２を備えた１１個のプリントヘッドモジュールアセンブリ８０の上に配置されている。
プリントヘッドアセンブリ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の取付け孔１３７が提供されている。距離１３８によって示されているプリントヘッドアセンブリ１９の実効長は、Ａ４ページの幅よりほんの少しだけ長くなっている（つまり約８．５インチ）。
図６９を参照すると、アセンブルされたプリントヘッド１９の断面図が概略的に示されている。この図から、インク及び空気供給ホース１１２の縦断面図の場合と同様、チップアセンブリ８１を形成しているシリコンスタックの位置を明確に見て取ることができる。また、その上方で母線１２５と接触し、また、その下方でチップアセンブリ８１から展開しているフレキシブルＰＣＢ８２の下側の部分と接触している圧縮可能条片１２７の接合点を同じく明確に見て取ることができる。さらに、金属板１３３の中のスロット１３５を貫通して展開しているツイストタブ１３４を見て取ることができ、また、ダッシュ線１３９で示されているそれらのねじり構成を見て取ることができる。
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を示すブロック図が示されている。
このブロック図には、プリントヘッド１４１、プリントヘッドへの電源１４２、インクサプライ１４３、及びプリントヘッドが１４５でたとえば用紙１４６の形態の印刷媒体の上にインクを放出する際にプリントヘッドに供給される印刷データ１４４（矢印で示されている）が示されている。
用紙１４６をプリントヘッド１４１の後方へ輸送するための媒体輸送ローラ１４７が提供されている。媒体ピックアップ機構１４８は、媒体トレイ１４９から用紙１４６のシートを取り出すように構成されている。
電源１４２は、直流電圧を提供するためのものであり、印刷デバイスでは標準タイプの電源である。
インクサプライ１４３はインクカートリッジ（図示せず）からのものであり、通常、１５０で、残りのインク量などのインクサプライに関する様々なタイプの情報が提供される。この情報は、ユーザインタフェース１５２に接続されているシステムコントローラ１５１を介して提供される。ユーザインタフェース１５２は、通常、「印刷」ボタン、「ページ送り」ボタン、等々などの多数のボタン（図示せず）からなっている。また、システムコントローラ１５１は、媒体ピックアップ機構１４８を駆動するために提供されている電動機１５３及び媒体輸送ローラ１４７を駆動するための電動機１５４を制御している。
システムコントローラ１５１は、適切な時間に印刷を実行することができるよう、用紙１４６のシートがプリントヘッド１４１の後方へ移動したことを識別しなければならない。この時間は、媒体ピックアップ機構１４８が用紙１４６のシートをピックアップした時点から経過した特定の時間に関連させることができる。しかしながら、用紙１４６のシートがプリントヘッド１４１に対して特定の位置に到達すると、システムコントローラが印刷を実行することができるよう、システムコントローラ１５１に接続された用紙センサ（図示せず）が提供されていることが好ましい。印刷は、プリントヘッド１４１に印刷データ１４４を提供する印刷データフォーマッタ１５５をトリガすることによって実行される。したがって、システムコントローラ１５１は、さらに、印刷データフォーマッタ１５５と相互作用しなければならないことは理解されよう。
印刷データ１４４は、１５６の部分で接続された外部コンピュータ（図示せず）から出力され、ＵＳＢ接続、ＥＴＨＥＲＮＥＴ接続、さもなければファイアワイヤとして知られているＩＥＥＥ１３９４接続又は並列接続などの任意の多数の異なる接続手段を介して転送することができる。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に提供し、また、制御情報をシステムコントローラ１５１に提供している。
他の実施形態の特徴及び利点
図７１ないし図９４は、熱インクジェットプリントヘッドのためのユニットセル１の他の実施形態を示したもので、これらの実施形態は、それぞれ、機能上の特定の利点を有している。以下、これらの利点について、個々の実施形態を参照して詳細に説明する。しかしながら、個々の実施形態の基本構造が最も良好に示されているのは、図７２、図７４、図７６及び図７９である。製造プロセスは、図６ないし図３１に関連して上で説明した製造プロセスと実質的に同じであり、一貫性を維持するために、対応するコンポーネントを示すために図７１ないし図９４には同じ参照数表示が使用されている。簡潔性を重んじて、製造ステージは、図７８のユニットセルに対してのみ示されている（図８０ないし図９０参照）。他のユニットセルも、異なるマスクを用いた同じ製造ステージを使用することができることは理解されよう。この場合も、図８０ないし図９０に示されている連続する層の付着については、それらのリソグラフィプロセスが図６ないし図３１に示されているリソグラフィプロセスに概ね対応している場合、以下で詳細に説明する不要はない。
図７１及び図７２を参照すると、図に示されているユニットセル１は、チャンバ７、インク供給通路３２及びユニットセル１の長さに沿った中央に配置されたノズルリム４を有している。図７２に最も良好に示されているように、駆動回路は、その一部がチャンバ７の一方の側に配置されており、残りの部分はチャンバの反対側に配置されている。駆動回路２２は、相互接続２３の集積回路メタライゼーション層中のビアを介してヒータ１４の動作を制御している。相互接続２３は、その頂部表面に隆起金属層を有している。パッシベーション層２４は、相互接続２３の頂部に形成されているが、露出した隆起金属層の領域は残されている。ヒータ１４の電極１５は、露出した金属領域と接触しており、エレメント１０に電力を供給している。
別法としては、１つのユニットセルのための駆動回路２２は、該駆動回路２２が制御するヒータエレメントの反対側に配置されない。１つのユニットセルのヒータ１４のためのすべての駆動回路２２は、そのヒータからオフセットした単一の非分割領域に配置される。つまり、駆動回路２２の一部が、該駆動回路２２が制御しているヒータ１４の複数の電極１５の１つと重畳し、且つ、駆動回路２２の一部が、隣接するユニットセルからの複数のヒータ電極１５のうちの１つ又は複数と重畳する。この状況においては、駆動回路２２の中心は、関連するノズル開口５の中心から２００ミクロン未満の位置に存在している。このタイプのほとんどのＭｅｍｊｅｔプリントヘッドの場合、オフセットは１００ミクロン未満であり、多くの場合、５０ミクロン未満であり、３０ミクロン未満であることが好ましい。
電極と駆動回路の間に大きな重畳が存在するようにノズルコンポーネントを構成することにより、ノズル密度（ノズルプレート２の単位面積当たりのノズル）が高いコンパクトな設計が提供される。また、このように構成することにより、回路から電極までの導体の長さが短縮されるため、プリントヘッドの効率が改善される。導体の長さが短くなればなるほど抵抗が小さくなり、したがって散逸するエネルギーが少なくなる。
また、電極１５と駆動回路２２の間の重畳の度合を大きくすることにより、ヒータ材料と相互接続２３のＣＭＯＳメタライゼーション層との間のビアをより多くすることができる。図７９及び図８０に最も良好に示されているように、パッシベーション層２４は、ヒータ１４との電気接続を確立するための複数のビアのアレイを有している。ビアが多ければ多いほど、ヒータ電極１５と相互接続層２３の間の抵抗が小さくなり、電力損失が低減される。
図７３及び図７４のユニットセル１は、ヒータエレメント１０を除き、図７１及び図７２のユニットセル１と同じである。ヒータエレメント１０は、ヒータエレメントの残りの部分より断面が小さい気泡核形成セクション１５８を有している。気泡核形成セクション１５８は、より大きい抵抗を有しており、また、ヒータエレメント１０の残りの部分の前段のインクの温度を沸点より高い温度に加熱している。ガス気泡は、この領域で核形成し、引き続いて成長して、ヒータエレメント１０の残りの部分を取り囲む。気泡の核形成及び成長を制御することにより、放出される滴の軌道がより予測可能になる。
ヒータエレメント１０は、特定の方法で熱膨張に適応するように構成されている。ヒータエレメントは、膨張すると変形してひずみを解放する。図７１及び図７２に示されているようなエレメントは、その厚さが最も薄い断面寸法であり、したがって最小の曲げ抵抗を有しているため、積層平面がたわむことになる。エレメントが繰返し湾曲し、そのためにとりわけ鋭角の角でひび割れが形成される原因になり、最終的には故障の原因になることがある。図７３及び図７４に示されているヒータエレメント１０は、積層平面がたわむ前に、気泡核形成セクション１５８を回転させ、且つ、電極１５につながっているセクションを若干広くすることによって熱膨張が解放されるように構成されている。エレメントの幾何構造は、積層平面内の取るに足らない湾曲が熱膨張のひずみ解放するだけの十分な湾曲であり、このような湾曲がたわみに先立って生じるようになっている。したがって、酸化しやすく、また、ひび割れが生じやすい湾曲領域を最小化することにより、より長い寿命及びより高い信頼性がヒータエレメントに付与される。
図７５及び図７６を参照すると、このユニットセル１に使用されているヒータエレメント１０は、ヘビ状つまり「二重オメガ」の形を有している。この構成によれば、ノズルの軸上にガス気泡の中心が位置した状態が維持される。単一のオメガは単純な幾何学形状であり、製造上の観点からすると有利な形状である。しかしながら、ヒータエレメントの末端と末端の間の間隙１５９は、チャンバ内のインクの加熱が若干非対称であることを意味している。したがってガス気泡が間隙１５９の反対側の面に対して若干ゆがむことになる。そのために、場合によっては放出される滴の軌道が影響されることになる。二重オメガ形状によれば、チャンバ内における気泡の対称性及び位置がより良好に制御され、且つ、放出される滴の軌道の信頼性がより高くなるよう、間隙１５９を補償するための間隙１６０がヒータエレメントに提供される。
図７７は、単一のオメガ形状を備えたヒータエレメント１０を示したものである。上で説明したように、この形状の単純性は、リソグラフィ製造の間、重要な利点を有している。ヒータエレメント１０は、比較的幅が広く、したがってヒータ材料を付着させる際のあらゆる固有の不正確性による影響が小さい単一電流経路であってもよい。ヒータ材料を付着させるために使用される設備の固有の不正確性は、エレメントの寸法が変化する原因になっている。しかしながらこれらの誤差は固定値であり、したがって、結果として生じる比較的幅が広いコンポーネントの寸法変化は、コンポーネントがより薄い場合の変化より、その幅の広さに応じて小さくなる。コンポーネントの寸法変化の相応じた大きさは、それらの意図する機能により大きい影響を及ぼすことになることは理解されよう。したがって比較的幅が広いヒータエレメントの性能特性の信頼性は、幅がより薄いヒータエレメントの性能特性より高い。
オメガ形状は、電流の流れをノズル開口５の軸の周りに導く。したがって、滴をより良好に放出するための良好な気泡と開口の整列が得られ、且つ、気泡崩壊点がヒータエレメント１０の上に存在しないことが保証される。したがって、上で説明したように、キャビテーションに起因する問題が回避される。
図７８ないし図９１を参照すると、ユニットセル１のもう１つの実施形態がエッチング及び付着製造プロセスのいくつかのステージと共に示されている。この実施形態では、ヒータエレメント１０は、チャンバの反対側から懸垂されている。したがって、ノズル開口５の軸に沿って交差する２つの平面の周りに対称にすることができる。この構成によれば、ノズル開口５の軸に沿った滴軌道が提供され、且つ、上で説明したキャビテーションの問題が回避される。図９２及び図９３は、このタイプのヒータエレメント１０の他の変形形態を示したものである。
図９３は、ノズル開口５及びノズルチャンバ７の中心からオフセットしたヒータエレメント１０を有するユニットセル１を示したものである。したがってノズルチャンバ７は、上で既に説明したこれまでの実施形態より大きくなっている。ヒータ１４は、２つの異なる電極１５を有しており、右側の電極１５は、ヒータエレメント１０の一方の面を支持するためにノズルチャンバ７の中へ適切に展開している。したがって電極と接触しているビアの面積が小さくなっており、そのために場合によっては電極抵抗が大きくなり、延いては電力損失が大きくなることがある。しかしながら、ヒータエレメントがインク入口３１から横方向にオフセットしているため、インク入口３１及びインク供給通路３２を通って戻る妨害流の流体抵抗が大きくなっている。一方、ノズル開口５を介した流体抵抗ははるかに小さく、したがって、ヒータエレメント１０の上にガス気泡が形成される際の入口を介したインクの逆流に対してはほとんどエネルギーは失われない。
図９４に示されているユニットセル１も比較的大きいチャンバ７を有しており、したがってこの場合も、相互接続層２３につながっているビアと接触している電極の表面積が小さくなっている。しかしながら、チャンバ７がより大きくなっているため、複数のヒータエレメント１０をノズル開口５からオフセットさせることができる。図に示されている構造には、チャンバ７の両側に１つずつ合計２つのヒータエレメント１０が使用されている。他の設計には３つ以上のエレメントがチャンバ内に使用されている。ノズル開口の反対側からガス気泡が核形成し、収斂して単一の気泡が形成される。形成される気泡は、ノズルの軸に沿って展開している少なくとも１つの平面の周りに対称である。したがってチャンバ７内における気泡の対称性及び位置の制御が改善され、延いては放出される滴の軌道の信頼性がより高くなっている。
以上、本発明について、特定の実施形態を参照して説明したが、本発明は他の多くの形態で具体化することができることは当業者には理解されよう。たとえば上記実施形態には、電気的に起動されるヒータエレメントが参照されているが、適切である場合、非電気起動エレメントをこれらの実施形態に使用することも可能である。

Claims (20)

  1. 複数のノズルと、
    それぞれ前記ノズルの各々に対応する少なくとも１つのヒータエレメントであって、放出可能な液体の沸点を超える温度まで当該放出可能な液体を加熱し、それにより前記放出可能な液体の滴を、当該ヒータエレメントに対応する前記ノズル経由で放出する蒸気気泡が形成されるように、前記放出可能な液体と熱接触する構成とされた、当該ヒータエレメントと、
    を備え、
    前記ヒータエレメントが、前記滴を放出させる前記蒸気気泡を形成するために、電圧が１０ボルト未満で継続期間が１．５マイクロ秒未満の電気パルスを必要とする
    インクジェットプリントヘッド。
  2. 前記電気パルスが、８ボルト未満の電圧及び１．５マイクロ秒未満の継続期間を有する、請求項１に記載のプリントヘッド。
  3. 前記電気パルスが、５ボルト未満の電圧及び１．５マイクロ秒未満の継続期間を有する、請求項１に記載のプリントヘッド。
  4. 前記電気パルスが、３ボルト未満の電圧及び１．５マイクロ秒未満の継続期間を有する、請求項１に記載のプリントヘッド。
  5. ページの上に印刷するように構成され、且つ、ページ幅プリントヘッドになるように構成された、請求項１に記載のプリントヘッド。
  6. 個々のヒータエレメントがビームの形態である、請求項１に記載のプリントヘッド。
  7. 前記ノズルの各々が、前記ヒータエレメントから５０ミクロン未満の位置に配置された放出開口を画定している、請求項１に記載のプリントヘッド。
  8. 前記プリントヘッドは、前記放出可能な液体の供給を周囲温度で受け取るように構成され、
    個々のヒータエレメントは、
    該ヒータエレメントが前記放出可能な液体を加熱し前記滴を放出させるために当該ヒータエレメントに印加されるべき必要なエネルギーが、前記滴の体積に等しい体積の前記放出可能な液体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のに必要なエネルギーよりも少なくなるよう構成されている、請求項１に記載のプリントヘッド。
  9. 前記プリントヘッドは、基板表面を有する基板をさらに備え、
    前記基板表面に対する前記ノズルの面積密度が１平方ｃｍの基板表面当たり１０，０００個のノズルを超える、請求項１に記載のプリントヘッド。
  10. 個々のヒータエレメントは、その両端の間に展開している平らなビームであり、
    当該ビームは、プリントヘッド使用中に前記放出可能な液体に浸されるように支持されている、請求項１に記載のプリントヘッド。
  11. 個々のヒータエレメントは、
    当該ヒータエレメントの平面が、当該ヒータエレメントに対応する前記ノズルの平面に対して平行になるように構成された平らな構造とされている、請求項１に記載のプリントヘッド。
  12. 前記ヒータエレメントが、化学気相成長（ＣＶＤ）によって形成された平らな構造を有する、請求項１に記載のプリントヘッド。
  13. 前記プリントヘッドは、前記ノズル及び前記ヒータエレメントを支持しているウェーハ基板、をさらに備え、
    前記ノズルが、ノズルプレートの中に形成され、
    前記ノズルプレートが、前記ウェーハ基板に対して平行で、且つ、前記ウェーハ基板から１０ミクロン未満の間隔を隔てて設けられている、請求項１に記載のプリントヘッド。
  14. 前記プリントヘッドは、それぞれ前記ノズルの各々に対応している複数のノズルチャンバ、をさらに備え、
    個々のチャンバ内に複数の前記ヒータエレメントが配置され、
    個々のチャンバ内の複数の前記ヒータエレメントは、互いに異なる層の上に形成されている、請求項１に記載のプリントヘッド。
  15. 個々のヒータエレメントが固体材料で形成され、原子比例でそのうちの９０％を超える材料が、原子番号が５０未満の少なくとも１つの周期元素によって構成された、請求項１に記載のプリントヘッド。
  16. 個々のヒータエレメントが固体材料を含有し、且つ、前記ヒータエレメントの前記固体材料の１０ナノグラム未満の質量が前記沸点を超える温度まで加熱され、それにより気泡形成液の前記部分が前記沸点を超える温度まで加熱され、延いては前記滴が放出されるように構成された、請求項１に記載のプリントヘッド。
  17. 前記電気パルスが２００ナノジュール未満のエネルギーを有する、請求項１に記載のプリントヘッド。
  18. 前記電気パルスが１５０ナノジュール未満のエネルギーを有する、請求項１に記載のプリントヘッド。
  19. 前記電気パルスが１００ナノジュール未満のエネルギーを有する、請求項１に記載のプリントヘッド。
  20. 前記電気パルスが８０ナノジュール未満のエネルギーを有する、請求項１に記載のプリントヘッド。
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