JP2012532037A - 耐溶媒性サーマルインクジェット印刷ヘッド - Google Patents

Abstract

インクジェット印刷システムは、インク貯蔵器と流体連通し、複数のオリフィス及び対応する複数の付属噴射チャンバを有する印刷ヘッドを含む。印刷ヘッドは、基板と、基板に配置されたバリア層とを含む。バリア層は、一部で複数の流体チャネル及び複数の噴射チャンバを画定する。バリア層は、エポキシ系フォトレジスト材料及びメタクリル酸メチル系フォトレジスト材料から選択された材料を含む。オリフィスプレートは基板上に配置される。オリフィスプレートは、噴射チャンバと流体連通する複数のオリフィスを含む。オリフィスプレートは、ポリイミド及びニッケルから選択された材料を含む。

Description

本発明は、概略的には、サーマルインクジェット印刷ヘッドに関する。より詳細には、本発明は、有機溶媒に対して耐性を有するサーマルインクジェット印刷ヘッドに関する。

サーマルインクジェット印刷ヘッド及びその電気構成要素を印刷システムコントローラに相互接続する公知の構造として、テープ自動ボンディング式（tape automated bonded:ＴＡＢ）相互接続回路がある。サーマルインクジェット印刷ヘッドとともに使用されるＴＡＢ相互接続回路が、下記の特許文献１〜３に開示されている。ＴＡＢ回路は、金メッキされた銅などの金属導体を支持するフレキシブルポリイミド基板を使用して作製してもよい。「２層化プロセス」又は「３層化プロセス」などの公知の製造方法を使用して、ＴＡＢ導体回路用のデバイスウィンドウ、導体パッド及びインナーリードを含む構成要素を形成してもよい。さらに、ＴＡＢ回路が固定されたカートリッジハウジングから導体パッド及びトレースを絶縁するために、ＴＡＢ回路の導体側に打抜き絶縁フィルムが貼り付けられる。

印刷ヘッドは、導体パッドと離間した関係を保ってＴＡＢ回路に固定され、トレースは、導体パッドと印刷ヘッドの電気構成要素との間を電気的に接続する。印刷ヘッドを含むＴＡＢ回路がインクジェットカートリッジに固定されると、ＴＡＢ回路の印刷ヘッド部分は、インク供給源と流体連通するカートリッジの１つの側面に固定される。ＴＡＢの導体パッドを有する部分は、通常、カートリッジハウジングのうちの印刷ヘッドが取り付けられる側面に対して垂直に配置されたカートリッジハウジングの隣接する側面に固定される。導体パッドは、カートリッジハウジング上で、印刷システムの電気リードと整列するように配置され、それにより、印刷ヘッドを、印刷コマンドを実行する印刷システムコントローラと電気的に相互接続する。

典型的なサーマルインクジェット印刷ヘッドは、基本的には、抵抗型ヒータアレイ、及びヒータへの出力パルスを切り換える、対応するトランジスタなどの薄膜構造体を有するシリコンチップ／基板である。印刷ヘッドはまた、印刷ヘッド特性の符号化情報を提供する識別回路、及び静電放電要素などの他の構成要素、又はヒータの加熱を多重化する電子ロジックを含んでもよい。チップ上に膜構造体及び回路を形成後、インクバリア層が薄膜構造体上に形成され、エッチング処理又はその他の方法で処理されて、複数のインク流動チャネル及びインクチャンバを形成する。公知のインク流動チャネル及びインクチャンバ構造が、下記の特許文献４及び５に開示されている。さらに、サンドブラストなどの公知のカッティング技術を使用して、印刷ヘッドの中央部分を通るスロットを切り出すことでインクスロットが形成される。このスロットは、インク流動回路網を完成させ、印刷ヘッドをインク供給源と流体連通させる。

複数のオリフィスを有するノズルプレートはインクバリア層に接合され、それにより、各オリフィスは対応するインクチャンバと整列し、各インクチャンバに対しては、付属するヒータ及びトランジスタがある。印刷ヘッドへの印刷コマンドに従って出力パルスが送られると、抵抗型ヒータは、インクチャンバ内のインクを加熱して、チャンバ内に１つ又は複数の圧力気泡を発生させ、この圧力気泡は、それぞれのオリフィスから印刷媒体上に小滴の形態でインクを噴射させる。

抵抗型ヒータ及びノズルプレートの対応するオリフィスは、印刷ヘッドの向きに応じて少なくとも２つの縦列又は横列で配置される。単一横列のヒータ及びノズルは、互いにずれており、各縦列は、垂直方向又は水平方向に互いにずれている。ヒータ及びノズルのこのタイプの配置は、縦列のヒータ間のクロストークを最小限にするために使用され、インク滴の誤発射を引き起こすことがある。多重化駆動回路が設けられて加熱のタイミングを制御するので、縦列内の隣接するヒータが同時に加熱されず、加熱されたヒータ間のクロストークは最小限になる。多重化により、回路内の信号線の本数を削減し、回路を完成するために必要な面積を縮小することもでき、この面積は、フレックス回路上の他の電気構成要素により過密化することから貴重である。

米国特許第４，９８９，３１７号明細書 米国特許第４，９４４，８５０号明細書 米国特許第５，７４８，２０９号明細書 米国特許第４，７９４，４１０号明細書 米国特許第４，８８２，５９５号明細書

インクジェット印刷システムの実施形態は、インク貯蔵器と流体連通する印刷ヘッドを含む。印刷ヘッドは、複数のノズル及び付属する複数のインク噴射チャンバを含み、各チャンバは、対応するヒータを制御する複数のトランジスタドライバのそれぞれ１つに付属する。印刷コマンド信号に応答して、ヒータが作動され、チャンバからノズルを通って印刷媒体上に至るインク滴を噴射させる。印刷ヘッドに電気的に接続されたコントローラは、印刷コマンド信号を生成し、この印刷コマンド信号は、作動されるトランジスタドライバ及びヒータと、印刷作業を完全なものにするために、トランジスタドライバ及びヒータを互いに関連付けて作動させるシーケンスとを特定する。

実施形態では、インクジェット印刷システムは、インク貯蔵器と流体連通し、複数のオリフィス及び対応する複数の付属噴射チャンバを有する印刷ヘッドを含む。印刷ヘッドは、基板と、基板に配置されたバリア層とを含む。バリア層は、一部で複数の流体チャネル及び複数の噴射チャンバを画定する。バリア層は、エポキシ系フォトレジスト材料及びメタクリル酸メチル系フォトレジスト材料から選択された材料を含む。オリフィスプレートは基板上に配置される。オリフィスプレートは、噴射チャンバと流体連通する複数のオリフィスを含む。オリフィスプレートは、ポリイミド及びニッケルから選択された材料を含む。

印刷ヘッドは、テープ自動ボンディング式（ＴＡＢ）フレックス回路の端部に固定することができ、このフレックス回路は、印刷ヘッドに対して末端側に電気相互接続部を有する。実施形態では、ＴＡＢフレックス回路は、インクジェット印刷カートリッジの突出部に装着され、電気相互接続部は、印刷ヘッドに対して鋭角に配置される。

添付の図面に示した本発明の特定の実施形態を参照して、上記に簡単に説明した本発明が更に詳細に説明される。当然ながら、これらの図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示し、したがって、本発明の範囲を限定するとみなすべきではなく、添付の図面を使用して、本発明が更に具体的かつ詳細に記載及び説明される。

テープ自動ボンディング（ＴＡＢ）フレックス回路の概略斜視図である。 ＴＡＢフレックス回路が装着された印刷カートリッジの斜視図であり、ＴＡＢフレックス回路の電気相互接続部を示している。 ＴＡＢフレックス回路が装着された印刷カートリッジの斜視図であり、ＴＡＢフレックス回路の印刷ヘッドを示している。 ＴＡＢフレックス回路とともに使用される印刷ヘッドの概略回路レイアウトである。 インクスロット、インク流体チャネル、噴射チャンバ及びノズル付きノズルプレートを有する印刷ヘッドの概略部分立面図である。 図５の６−６線に沿って切り取った印刷ヘッドの断面図である。 印刷ヘッドの部分断面斜視図である。 印刷ヘッドの概略立断面図であり、印刷ヘッドの回路構成要素及び層を示している。 本発明の実施形態の電気相互接続部の断面図である。 本発明の別の実施形態の電気相互接続部の断面図である。 噴射チャンバの実施形態の平面図である。 図１０の噴射チャンバの側面図である。

本発明に従った実施形態について以下に詳細に言及され、その実施形態の例が添付の図面に示されている。可能な限り同じ参照数字が図面全体に使用され、同じ参照数字は、同じ又は同様な部品を指す。本発明が、サーマルインクジェットプリンタに関連して下記に説明されるが、本発明はそれに限定されず、インクを噴射するのに圧電変換器などの他の技術を利用する他のインクジェット印刷システムに組み込んでもよい。本明細書において「ノズル」という用語は、そこを通ってインクが噴射される、印刷ヘッドカバープレートに形成されたオリフィスを意味し、かつ／又はそのようなオリフィス、及びそこからインクが噴射される噴射チャンバなどの印刷ヘッドの他の構成要素も含む。さらに、インクジェット印刷システム用の説明するシステム及び方法は、印刷ヘッドアセンブリが、使い捨てカートリッジであってもそうでなくてもよいカートリッジハウジングに装着される応用例に限定されない。本発明は、印刷システムに永続的に装着される印刷ヘッドで使用してもよく、インク供給源は、印刷するために必要に応じて用意される。したがって、用語、カートリッジには、永続的に装着された印刷ヘッドのみ、及び／又は印刷ヘッドとインク供給源との組み合わせを含んでもよい。

本開示は、溶媒系インクに対する耐性をもたらす材料で構成されたサーマルインクジェット印刷ヘッドに関する。特に、印刷ヘッドの構成要素は、数ヶ月、又は数年にわたって強力な溶媒に曝された場合に、溶解、剥離、収縮、膨張、あるいは変形することがあまりない印刷ヘッドアセンブリを可能にする材料及び表面処理を含む。特に、システムは、印刷システムの完全な機能性を維持しながら、少なくとも６ヶ月、好ましくは少なくとも１２ヶ月の期間にわたり有機溶媒系インクを保存できるのが好ましい。システムはまた、完全な機能性を維持しながら、少なくとも３ヶ月の使用期間にわたり有機溶媒系インクを印刷できることが好ましい。有機溶媒系インクの使用により、システムの印刷性能に実質的に影響を及ぼす、印刷ヘッド材料の溶解、剥離、収縮又は膨張が、特定の期間を通じて起こることがないのが好ましい。印刷システムでの使用を企図される有機溶媒には、ケトン、特に、メチルエチルケトン、アセトン、及びシクロヘキサノン、アルコール、特に、エタノール、エステル、エーテル、極性非プロトン性溶媒、並びにそれらの組み合わせがある。

サーマルインクジェット印刷ヘッドは、テープ自動ボンディング（ＴＡＢ）フレックス回路と統合してもよい。図１を参照すると、フレックス回路１０の一端にある印刷ヘッド１１と、印刷システムと電気接続するための末端電気相互接続部１２とを含むＴＡＢフレックス回路１０が示されている。印刷ヘッド１１及び電気相互接続部１２を含むＴＡＢフレックス回路１０は、図２及び図３に示すように、インクジェットカートリッジ１３に装着されるのが好ましい。カートリッジ１３は、印刷ヘッド１１及び電気相互接続部１２が装着された突出部分１４を含む。図２及び図３に示す実施形態では、突出部１４は、印刷ヘッド１１が固定された第１の面１５と、電気相互接続部１２が固定された第２の面１６とを有してもよく、電気相互接続部１２は、印刷ヘッド１１に対して鋭角に配置されている。ＴＡＢフレックス回路１０は、下記に更に詳細に説明するが、印刷コントローラ（図示せず）への電気接続用の電気導体パッド４２、さらには、導体パッド４２から印刷ヘッド１１までを電気接続するトレース４７及びインナーリード４３を支持するフィルム基板を含む２層システムであるのが好ましい。

図４、図５、図６及び図７に関しては、印刷ヘッド１１の概略レイアウト及び断面図が示されている。印刷ヘッド１１は、抵抗型ヒータ１８のアレイと、抵抗型ヒータ１８への出力パルスを切り換える、対応するＮＭＯＳドライバ１９とを持った薄膜構造体４６がその上に形成されたシリコンチップ基板１４を含む。インクスロット２０は、カートリッジハウジング１３Ａ内に保存された大容量インク源から流体チャネル２２を経由して複数の加熱チャンバ２１にインクを供給するために、印刷ヘッド１１の中心に置かれている。下記に更に詳細に説明するが、インクバリア層３５は、薄膜構造体４６上に形成され、エッチングされて、流体チャネル２２及び加熱チャンバ２１を含む流体回路網を形成する。ノズルプレート２３は、インクバリア層３５に接合され、複数のノズル２４を含み、各ノズル２４は、図示しない印刷システムコントローラからの印刷コマンドに応答して、小滴の形態でインクを噴射するための加熱チャンバ２１に対応付けられている。

図４に関連して、上記のインナーリード４３（図１）は、印刷ヘッド１１の周縁に沿って配置されたボンディングパッド４８に接続される。さらに、印刷ヘッドの特性に関する符号化情報を示す識別回路４９を印刷ヘッド１１に設けてもよい。さらに、印刷動作を開始する前にインクを予熱する基板ヒータ５０を設けてもよい。

印刷ヘッド１１の断面図が図８に示され、ドライバ／トランジスタ１９及び抵抗型ヒータ１８を含む印刷ヘッド１１の薄膜半導体デバイスをより詳細に示している。半導体デバイス及び電子回路は、真空蒸着技術及びフォトリソグラフィを使用して、シリコンチップ基板１４上に形成される。チップ基板１４は、ｎ−タイプシリコンウェハであるのが好ましい。二酸化ケイ素を含むパターン化されたフィールド酸化膜層２５が、ドレイン２８、ソース２９、及びゲート領域２７を含むトランジスタ１９によって占められる領域の外側でチップ１４の表面に加えられる。層２５は、湿式酸化により二酸化ケイ素を熱で成長させるか、又は化学蒸着（ＣＶＤ）によって形成してもよい。さらに、酸化膜層及びポリシリコン導体５１が、トランジスタ１９のゲート領域２７の上に形成される。低圧化学蒸着酸化膜層、化学蒸着酸化膜層、りんけい酸ガラス（phosphosilicate glass）層、及びほうりんけい酸ガラス（brophosphosilicate glass:「ＢＰＳＧ」）層などの多層酸化膜を含む内側層絶縁体２６が、トランジスタ１９のソース２９及びドレイン２８の領域を除いた基板１４のすべての領域に堆積される。

米国特許第５，７７４，１４８号明細書は、ＣＶＤ酸化膜の上にＢＰＳＧを有する内側層絶縁体を開示しているが、ＢＰＳＧは、熱衝撃疲労を受けやすいとして公知である。さらに、処理ツール及び製造プロセスには特別な注意が必要である。本発明の印刷ヘッド１１では、プラズマ促進式又は低圧式の化学蒸気圧プロセスを使用して、ＢＰＳＧの上にさらなる酸化膜層を堆積させる。このさらなる酸化膜層は、ＢＰＳＧと比較して熱応力に対する耐性が高い。同様の構造が、米国特許出願公開第２００６０２３８５７６Ａ１号明細書に開示されている。

抵抗型ヒータ１８は、ＮＭＯＳドライバ又はトランジスタ１９の上に作製される。抵抗型ヒータ１８は、ボンディングパッド４８を形成する、熱バリア層３０、抵抗膜３１、導体層３２、保護層３３、キャビテーション保護層３４、及び最上部のＡｕ層３６を含む。バリア層３０は、ＩＬＤ（内側層絶縁体）層２６上に堆積したＴｉＮ膜を含む。抵抗膜３１は、ＴｉＮバリア層３０上に堆積したＴａＡｌ層を含むのが好ましく、導体３２は、ＴａＡｌ抵抗膜３１上に堆積したＡｌＣｕ膜を含むのが好ましい。スパッタ蒸着プロセスを使用して、ＴｉＮバリア層３０、抵抗膜３１、及び導体３２を堆積させ、次いで、印刷ヘッド１１の所定の設計に従って、これらをリソグラフィによりエッチング処理する。次いで、この３つの部分、ＴｉＮバリア層３０、ＴａＡｌ抵抗膜３１、及び導体３２を、ＴｉＮバリア層がＩＬＤ層２６とＴａＡｌ抵抗膜３１との間に配置され、完全にＴａＡｌ抵抗膜３１の下に延びるように、同じマスキングステップで、フォトリソグラフィによりともにパターン化する。さらに、ＴｉＮバリア層は、トランジスタ１９のソース２７及びドレイン２８と直接接触する。

トランジスタ１９のソース２７及びドレイン２８に対するＴａＡｌ抵抗膜３１の配置は、トランジスタ構成要素と直接接触する抵抗膜を開示している米国特許第５，１２２，８１２号明細書に開示された構成とは異なっている。本発明では、ＴｉＮバリア膜３０は、抵抗膜３１がトランジスタ１９の構成要素と接触もしないし、その上に堆積もしないように、ＴａＡｌ抵抗膜のすべての領域の下に延びている。さらに、ＴｉＮバリア層３０は、加熱チャンバ１８用のヒータの役割を果たす抵抗膜３１の下で、熱衝撃バリア層として機能する。ＴｉＮバリア３０は、確実に、ほとんどの電気パルス出力が抵抗膜３１を通るようにするために、抵抗膜３１よりも高い面積電気抵抗を有する。さらに、ＴｉＮバリア膜３０は、ＩＬＤ層２６と比較してより高い熱伝導性を有し、したがって、ＴｉＮバリア３０は、加熱時に、ＴｉＮバリア３０及び抵抗膜３１から発生した熱に対する熱拡散層として機能する。

加熱チャンバ２１が配置されたヒータ領域は、湿式エッチングプロセスを使用して、ＴａＡｌ抵抗膜３１の上のＡｌＣｕ導体３２を局所的に溶解させることで暴露され、図８に示すように、導体３２が、ＴａＡｌ抵抗膜３０の接合部で先細りになるのを可能にする。窒化ケイ素及び炭化ケイ素の層を含む保護層３３を、好ましくはＰＥＣＶＤにより導体３２の上に堆積させる。次いで、タンタル（Ｔａ）層を含むキャビテーション層３４を、好ましくはスパッタ蒸着により保護層３３上に堆積させる。

上記のように、インク流動回路網は、大容量供給源から加熱チャンバ２１にインクを送るインクスロット２０及び流体チャネル２２を含む。インクバリア層３５は、ＮＭＯＳドライバ又はトランジスタ１９、及び抵抗型ヒータ１８上に形成されている。ケトン、特に、メチルエチルケトン、アセトン、及びシクロヘキサノン、アルコール、特に、エタノール、エステル、エーテル、極性非プロトン性溶媒、ならびにそれらの組み合わせなどの、通常高性能産業用インクで使用される強力な有機溶媒とともに使用する場合、エポキシ／ノボラック系、又はメタクリル酸メチル系のネガティブフォトレジストを使用してもよい。エポキシ／ノボラック系フォトレジストの例として、ＭｉｃｒｏＣｈｅｍ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製のＳＵ−８ ３０００ ＢＸがある。エポキシ／ノボラック系フォトレジストの別の例には、ＤｕＰｏｎｔ製のＰｅｒＭＸ ３０００がある。メタクリル酸メチル系のフォトレジストの例として、東京応化工業製のＯｒｄｙｌ ＰＲ１００アクリルドライフィルムがある。インクバリア層３５は、トランジスタ１９、抵抗型ヒータ１８、流体チャネル２２、及びインクスロット２０を含むダイ表面全体に積層される。流体チャネル２２及び加熱チャンバ２１を含むインク流動回路網に対するマスクを形成し、マスクを介してフォトレジストを紫外線源にさらす。照射のレベルは、バリア層３５に使用される材料のタイプに応じて変えてもよい。例えば、ＳＵ−８ ３０００フォトレジストに使用される照射のレベルは、約１５０ｍＪ〜約２５０ｍＪの範囲をとってもよい。ＰｅｒＭＸ ３０００フォトレジストに使用される照射のレベルは、約３００ｍＪ〜約５００ｍＪの範囲をとってもよい。ＰＲ１００フォトレジストに使用される照射のレベルは、約６５ｍＪ〜約２００ｍＪの範囲をとってもよい。照射後、高圧洗浄ステップで、所望の構造を残しながら、露光されなかったポリマーを除去する溶媒を使用して、バリア層３５及び流体用構造部を形成する。

インクバリア層３５の厚さと、加熱チャンバ２１及び流体チャネル２２の寸法とは、印刷需要に応じて変えてもよい。図６及び図７に関しては、典型的な流体チャネル２２と、失効した米国特許第４，７９４，４１０号の明細書に開示されたものと同様の３壁２１Ａ構成の加熱チャンバ２１とが示されている。好ましい実施形態では、抵抗型ヒータ１８の縁部は、加熱チャンバ２１の壁２１Ａから約２５μｍ以下だけ離れている。

図１０及び図１１は、別の典型的な流体チャネル２２及び加熱チャンバ２１を示している。バリア層３５の構造により、インクスロット２０から加熱チャンバ２１までの経路を決める形体が画定される。バリア層３５の寸法は、動作周波数などの動作パラメータの最適化、及び特定の範囲の噴射距離での高い印刷品質を可能にするように選択されるべきである。好ましい実施形態では、オリフィスプレート２３は、約５０μｍの厚さＡを有し、インクバリア層３５は、約３５μｍの厚さＢを有し、オリフィス２４は、約３５μｍ〜約４５μｍ、好ましくは３８μｍ〜４２μｍの直径Ｃを有し、抵抗は、６５μｍ〜７５μｍ、好ましくは６８μｍ〜７３μｍの長さＤを有し、流体チャネル２２は、約３０μｍの長さＥ及び約５０μｍの幅Ｆを有し、チャンバ２１は、約５０μｍ×約５０μｍ〜約８０μｍ×約８０μｍであってもよい。

有機溶媒系のインクの特性が水性インクと比較して異なるために、溶媒系インク用には、水性インク用に使用するのとは異なる流体用構造部を使用するべきであると分かった。特に、溶媒系インクは、水性インクよりも小さい気泡を発生させる。気泡径を大きくし、速度を上げるために、水性インクで使用するよりも大きな抵抗１８を使用してもよい。特に、抵抗の長さのオリフィス径に対する比率は、水性インクに使用される比率よりも大きい。抵抗の長さＤのオリフィス径Ｃに対する比率は、１．７〜２．１であるのが好ましい。

基板１４に適用された前述のフォトリソグラフィステップを使用して、一時的なフォトレジスト層にインクスロット２０の所定の寸法の開口を形成し、それにより基板１４を露出させる。インクスロット２０を意図された露出領域は、インクスロット２０を形成するために、サンドブラストステップの前にあらゆる膜を除去される。次いで、Ｘ−Ｙ走査サンドブラスト機械を使用して、基板１４を片側１回でサンドブラスト加工して、インクスロット２０を形成する。このステップは、チップ基板に形成された複数の薄膜層を含み、インクスロットが、グリットブラスト作業時に、欠けを防止するようにインクスロット領域内の複数の薄膜層を貫通して形成される手順を開示している米国特許第６，６４８，７３２号明細書に開示された技術とは異なっている。本発明の実施形態によれば、抵抗型ヒータ１８及びトランジスタ１９を形成する膜は、インクスロット２０を意図された領域から離れており、そのため、チップ基板１４は、直接的にサンドブラスト加工される。

インクスロット２０は、両側サンドブラストプロセスを使用して形成されてもよい。抵抗型ヒータ１８及びトランジスタ１９を上記のように形成及びエッチング処理した後、インクスロット２０がチップ基板１４を貫通して形成される。単一の感光性厚膜又はフォトレジストが、ウェハ又はチップ基板１７の両側に積層される。このプロセスは、二重フォトレジト層を組み込む技術を開示している米国特許第６，７５７，９７３号明細書に開示された技術とは異なっている。

ノズルプレート２３及びノズル２４の配置が、図５、図６、及び図７を参照して説明される。（「オリフィス」又は「ノズルオリフィス」とも呼ばれる）ノズル２４のアレイを有する、上記に説明したポリイミド製ノズルプレート２３は、熱接合ステップを使用して、インクバリア層３５に機械的及び化学的に接合される。ノズルプレートの表面を処理して、非常に平滑で非反応性の表面に物理的及び／又は化学的に改質することができ、それによって、物理的接触性及び化学的接合性が向上する。（苛性エッチング又はアンモニアエッチングなどの）化学処理は、表面層を反応性がより高い官能基に化学修飾することで作用する。高エネルギーの表面処理では、高エネルギーの原子又は分子が表面に照射される。化学エッチング及び高エネルギー表面処理はともに、表面の化学的及び物理的性質を変えることが知られている。

上記の強力な有機溶媒及び上記のバリア層とともに使用する場合、酸素プラズマエッチングされたポリイミド材料を使用してもよい。使用可能なポリイミドの例は、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）、Ｋａｐｔｒｅｘ ａｎｄ Ｕｐｉｌｅｘ（登録商標）という名称で販売されている。ポリイミドフィルムに使用してもよい、酸素プラズマエッチング以外の表面処理には、クロム原子照射、又は苛性エッチングがある。あるいは、金メッキされたニッケルベースのオリフィスプレートを使用してもよい。

各ノズル２４は、それぞれの抵抗型ヒータ１８及び加熱チャンバ２１と一列に並んでいる。加熱チャンバ２１を形成するインクバリア層３５へのノズルプレート２３の接合については、流体チャネルと加熱チャンバとをノズルプレートの一部として統合する米国特許第５，９０７，３３３号明細書、米国特許第６，０４５，２１４号明細書、及び米国特許第６，３７１，６００号明細書に開示された印刷ヘッドとは異なっている。さらに、抵抗型ヒータの導体は、米国特許第５，２９１，２２６号明細書に開示されたようにノズルプレートと一体化されることはない。

ノズルプレート２３は、未加工のロール状ポリイミドフィルムから作製することができ、未加工のロール状ポリイミドフィルムは、フィルムを貫通するノズルオリフィス２４を切り出す／穿設するマスク導波（mask-guided）レーザカットステーションにフィルムを通すことで連続的に加工される。次いで、ロール状フィルムを接着促進剤槽に通して処理する。他の表面処理をノズルプレート材料に施してもよい。フィルムを清浄し、乾燥させた後、ロールから個々のノズルプレートを打ち抜く。一般的に、ノズルプレート材料は、その材料がロールの形態にあるときか、又は個々のノズルプレートが形成された後に処理してもよい。しかし、処理とノズルプレートの印刷ヘッドへの組み込みとの間の時間は、材料特性の劣化を回避するために最小限にされるのが好ましい。

本発明の実施形態に関して、印刷ヘッド１１の抵抗型ヒータ１８及びノズルプレート２３のノズル２４のアレイは、印刷ヘッド１１上で約１／２インチの距離にわたる２つの横列／縦列を含む。印刷ヘッド１１の向きに応じて、ノズル２４を縦列又は横列のいずれかに配置してもよい。本発明の実施形態を図５を参照して説明するために、ノズル２４を２つの縦列５１、５２に配置する。ノズル２４の各列は、２４０滴／インチ（「２４０ｄｐｉ」）の解像度をもたらす６４個のノズルを含む。各ノズル列５１、５２では、連続するノズル２４が互いに対して水平方向にずれている。さらに、破線３６で示すように、列５１のノズル２４は、他方の列５２のノズル２４に対して垂直方向にずれている。印刷ヘッド１１の中心に置かれた１／２リニアインチ領域に、各列は６４個のノズルを含む。各列のノズルは、１／１２０インチの距離ｄ１だけ垂直方向に互いから離間してもよい。列５１のノズル２４は、２４０ｄｐｉの垂直方向ドット密度を達成するために、第２の列５２のノズル２４に対して距離ｄ２又は１／２４０インチだけ垂直方向にずれている。印刷ヘッド１１は、隣接する印刷されたドットといくらか重なるような体積を有するインク滴を生成してもよい。例えば、体積を選択することにより、印刷媒体上で直径が約１０６μｍ〜約１５０μｍになるインクドットを生成することができ、目標直径は、隣接する滴が１２μｍ重なる約１２５μｍ〜約１３０μｍである。これらの選択された体積の場合、一実施形態では、任意の１つのノズル２０が噴射してもよい最大周波数は約７．２ｋＨｚであるが、更に高い周波数も可能である。

ノズルプレート２３のインクバリア層３５への組み込みは、米国特許第４，９５３，２８７号明細書に開示した熱接合プロセスといくつかの点で似ている。第１のステップで、ノズルプレート２３及びバリア層３５を光学的に整列させ、熱圧着プロセスを使用して、高温下でノズルプレート２３の様々な箇所に圧力をかけることで互いに付着させる。これは、各ノズルプレート２３に対して個別に行ってもよい。次いで、再度、ノズルプレート２３を熱圧着プロセスにかけ、この熱圧着プロセスでは、高温においてノズルプレート２３のすべての領域に所定の時間にわたって一定の圧力が加えられる。このプロセスは、単一のステップで複数のノズルプレート２３に対して行ってもよい。ノズルプレート２３をバリア層３５に固定した後、印刷ヘッド１１全体を約２時間にわたって約２００℃〜２５０℃の範囲の温度で加熱して、バリア層３５を硬化させる。

接着促進剤を使用して、ノズルプレート２３とバリア層３５との間、及び基板１４とバリア層３５との間の接合を改善してもよい。（カップリング剤としても公知の）接着促進剤の使用は、界面接着を改善するための手法である。しかし、特定の用途に有効な接着促進剤を見つけるのが困難なことがある。適切な接着促進剤を選択する際に、基本となるバリア層／オリフィスプレート界面の表面化学が考慮される。接着促進剤は、メタクリル酸シラン、クロムメタクリル酸錯体、ジルコアルミネート、アミノシラン、メルカプトシラン、シアノシラン、イソシアナートシラン、テトラアルキルチタン酸塩、テトラアルコキシチタン酸塩、クロロベンジルシラン、塩素化ポリオレフィン、ジヒドロイミダゾールシラン、無水コハク酸シラン、ビニールシラン、ウレイドシラン及びエポキシシランから選択してもよい。

ＴＡＢ１０の製造について以下に説明する。ＴＡＢ１０は、２又は３層化フレックス回路を形成するように、公知のプロセスを使用して製造してもよい。３層化フレックス回路は、接着層３９により銅層３８に積層された、図９Ｂに示すポリイミドフィルム層３７を含む。ポリイミド層３７は、スプロケット穴４０及び導体パッド穴４１を形成するように、穴をあけられるか、又は打ち抜かれる。次いで、フォトリソグラフィ手順を銅層３８に適用して、印刷システムへの電気接続を確立する導体パッド４２と、印刷ヘッド１１の回路への電気接続を確立するトレース４７及びインナーリード４３とを含むＴＡＢ導体回路を形成する。耐溶媒性のエポキシ／ノボラック、ポリイミド、又はメタクリル酸メチル層４４を銅層３８上にスクリーン印刷して、電気絶縁体を形成し、化学腐食から保護してもよい。あるいは、ＥＡＡフィルムなどの打抜き熱可塑性フィルムを使用して、電気絶縁体及び化学的保護体を形成し、更に、ＴＡＢ回路を突出部に取り付けるための手段を提供してもよい。ＴＡＢ１０のポリイミド層３７側の露出した銅領域は、公知のめっき手順、又は電気めっき手順を使用して金メッキを施される。

図９Ａに示す２層化ＴＡＢ１０の場合、化学蒸着又は電気めっきなどの公知の技術を使用して、クロム結合層をポリイミド層３７に堆積させる。次いで、銅層をクロム上に電気めっきし、次いで、銅層をエッチング処理でパターン化して導体回路３８を形成する。次いで、フォトリソグラフィマスク技術を使用して、接点穴４１及びインナーリード４３用の窓の配置を確立した後、ポリイミド層３７をエッチング処理する。絶縁／保護層４４及び金メッキを上記のように施して、プロセスを完了する。２層ＴＡＢ１０の利点は、２層ＴＡＢ１０が接着層を使用しないことであり、その理由は、接着層が有機溶媒によって溶解されやすいからである。

図１を参照すると、ＴＡＢフレックス回路１０は、電気導体パッド４２及びインナーリード４３を含む。さらに、導体回路は、周縁部の銅めっきされたバスバー４５、及び導体パッド４２からバスバー４５に配線される電極（図示せず）も含む。印刷ヘッド１１に隣接する領域で、インナーリード４３は、バスバー４５から印刷ヘッド１１上のボンディングパッド４８に配線される。実施形態では、ＴＡＢ１０には、７０ミリメートルの幅があるので、ＴＡＢ１０上には、ＴＡＢフレックス回路の製造で通常行われるように電極を周縁バスバー４５に配線するのに十分な空きがある。この導体レイアウトは、米国特許第４，９４４，８５０号明細書、米国特許第４，９８９，３１７号明細書、及び米国特許第５，７４８，２０９号明細書に開示したような、導体レイアウトが密集しているためにブリッジ技術を取り入れたレイアウトとは異なっている。

ＴＡＢフレックス回路１０を印刷ヘッドに接続する金属リードを保護するために、封入剤を使用してもよい。封入剤を使用して、ＴＡＢ回路フレックス回路１０の他の領域を保護してもよい。封入剤は、膨張することなく、又は炭化ケイ素、金、銅、及びポリイミドへの接着性を損なうことなく、有機溶媒への暴露に耐えなければならない。一般的に、封入剤材料としては、強い耐化学性と、工業用プラスチック及びシリコン薄膜への接着性とが得られるように設計された速硬化エポキシ系接着システムが好ましい。Ｅｍｅｒｓｏｎ ＆ Ｃｕｍｉｎｇ ＬＡ３０３２−７８は、有機溶媒インクに暴露された場合にほとんど膨張せず、ポリイミドへの良好な接着性を有することから、好ましい封入剤である。Ｅｍｅｒｓｏｎ ＆ Ｃｕｍｉｎｇ Ａ３１６−４８又はＧＭＴ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｂ−１０２６Ｅを使用してもよい。

ＴＡＢフレックス回路１０は、３Ｍ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製の接着フィルム（３Ｍ ｂｏｎｄｉｎｇ ｆｉｌｍ ＃４０６）などのホットメルト接着フィルムで突出部分１４に取り付けてもよい。一実施形態では、接着フィルムを使用して、ＴＡＢフレックス回路１０上のポリイミド及び金属を突出部分１４のＰＰＳ材料に接着する。接着フィルムは、単一層のエチレンアクリル酸コポリマー（ＥＡＡ）であってもよく、電気的及び化学的に保護するように機能してもよい。直接熱かしめと接着との組み合わせを使用して、ＴＡＢフレックス回路を突出部分１４に取り付けてもよい。

印刷ヘッド１１は、接着剤を使用してカートリッジハウジング１３Ａに取り付けてもよい。接着剤は、有機溶媒への暴露に耐えることができなければならず、前述の封入剤材料と同様に、強い耐化学性と、工業用プラスチック及びシリコン薄膜への接着性とが得られるように設計された速硬化エポキシ系接着システムであってもよい。Ｅｍｅｒｓｏｎ ＆ Ｃｕｍｉｎｇ Ｅ−３０３２が適切な接着剤である。他の適切な接着剤には、Ｌｏｃｔｉｔｅ １９０７９４、 Ｌｏｃｔｉｔｅ １９０６６５、及びＭａｓｔｅｒ Ｂｏｎｄ １０ＨＴがある。

本発明の好ましい実施形態が本明細書に示され、説明されたが、そうした実施形態は単なる例として提示され、限定するものではないことは明らかである。当業者ならば、本発明の教示から逸脱することなく、様々な変形、変更、及び代替を思いつくであろう。したがって、本発明は、添付の請求項の全趣旨及び全範囲内で解釈されるものとする。

Claims (22)

1. インク貯蔵器と流体連通し、複数のオリフィス及び対応する複数の付属噴射チャンバを有する印刷ヘッドを含むインクジェット印刷システムであって、前記印刷ヘッドは、
   基板と、
   前記基板に配置され、一部で複数の流体チャネル及び複数の噴射チャンバを画定するバリア層であって、エポキシ系フォトレジスト材料及びメタクリル酸メチル系フォトレジスト材料から選択された材料を含むバリア層と、
   前記基板上に配置されたオリフィスプレートであって、前記噴射チャンバと流体連通する複数のオリフィスを含み、ポリイミド及びニッケルから選択された材料を含むオリフィスプレートと、
   を含む、インクジェット印刷システムにおいて、
   少なくとも６ヶ月の期間にわたって有機溶媒系インクを保存でき、少なくとも６ヶ月の期間中に、印刷ヘッド材料の溶解、剥離、収縮、又は膨張のいずれもが、システムの印刷性能に実質的に影響を及ぼさない、インクジェット印刷システム。
2. 前記有機溶媒は、ＭＥＫ、エタノール、アセトン、及びシクロヘキサノンから選択される、請求項１に記載のインクジェット印刷システム。
3. 前記オリフィスプレートの表面は、Ｏ₂プラズマ処理、クロム原子照射、及び苛性エッチングから選択された方法で処理される、請求項１に記載のインクジェット印刷システム。
4. 前記バリア層はＳＵ−８エポキシを含む、請求項１に記載のインクジェット印刷システム。
5. 前記バリア層はＰｅｒＭＸエポキシを含む、請求項１に記載のインクジェット印刷システム。
6. 前記バリア層はＯｒｄｙｌアクリルフォトレジスト材料を含む、請求項１に記載のインクジェット印刷システム。
7. 前記バリア層と前記オリフィスプレートとの間に配置された接着促進剤を更に含む、請求項１に記載のインクジェット印刷システム。
8. 前記接着促進剤は、メタクリル酸シラン、クロムメタクリル酸錯体、ジルコアルミネート、アミノシラン、メルカプトシラン、シアノシラン、イソシアナートシラン、テトラアルキルチタン酸塩、テトラアルコキシチタン酸塩、クロロベンジルシラン、塩素化ポリオレフィン、ジヒドロイミダゾールシラン、無水コハク酸シラン、ビニールシラン、ウレイドシラン、及びエポキシシランから選択された材料を含む、請求項７に記載のインクジェット印刷システム。
9. 前記バリア層と前記基板との間に配置された接着促進剤を更に含む、請求項１に記載のインクジェット印刷システム。
10. 前記印刷ヘッドは、エポキシ系接着剤を使用してカートリッジの一部に装着される、請求項１に記載のインクジェット印刷システム。
11. 前記エポキシ系接着剤は、Ｅｍｅｒｓｏｎ ＆ Ｃｕｍｉｎｇ Ｅ３０３２である、請求項１０に記載のインクジェット印刷システム。
12. 前記印刷ヘッドはカートリッジに配置され、前記カートリッジに配置されたテープ自動ボンディングフレックス回路を更に含む、請求項１に記載のインクジェット印刷システム。
13. 前記テープ自動ボンディングフレックス回路は、ポリイミド系材料を含む、請求項１２に記載のインクジェット印刷システム。
14. 前記タブ自動ボンディングフレックス回路は、熱可塑性ホットメルト接着剤を使用して前記カートリッジに熱かしめされる、請求項１２に記載のインクジェット印刷システム。
15. 前記接着剤は、ＥＡＡフィルム及びＰＰＳフィルムから選択される、請求項１４に記載のインクジェット印刷システム。
16. 前記テープ自動ボンディングフレックス回路の少なくとも一部は、電子部品用エポキシ封入剤で覆われる、請求項１２に記載のインクジェット印刷システム。
17. インク貯蔵器と流体連通し、複数のオリフィス及び対応する複数の付属噴射チャンバを有する印刷ヘッドを含む印刷ヘッドシステムを作製する方法であって、
    基板を用意することと、
    前記基板にフォトレジスト材料を配置し、前記フォトレジスト材料は、エポキシ系フォトレジスト材料及びメタクリル酸メチル系フォトレジスト材料から選択されることと、
    紫外線源を用意することと、
    前記紫外線源と前記フォトレジスト材料との間にマスクを設けることと、
    前記フォトレジスト材料を重合するために前記フォトレジスト材料を前記紫外線源に暴露して、基板上にバリア層を形成し、前記バリア層は、一部で複数の流体チャネル及び複数の噴射チャンバを画定することと、
    前記噴射チャンバと流体連通する複数のオリフィスを含むオリフィスプレートを前記基板上に取り付け、前記オリフィスプレートは、ポリイミド及びニッケルから選択された材料を含むことと、
    を含む方法。
18. 前記オリフィスプレートを取り付ける前に、前記バリア層と前記オリフィスプレートとの間に接着促進剤を供給することを更に含む、請求項１７に記載の方法。
19. エポキシ系接着剤を使用して、前記印刷ヘッドをカートリッジの一部に装着することを更に含む、請求項１７に記載の方法。
20. 熱可塑性ホットメルト接着剤を使用して、テープ自動ボンディングフレックス回路を前記カートリッジに熱かしめすることを更に含む、請求項１７に記載の方法。
21. インク貯蔵器と流体連通し、複数のオリフィス及び対応する複数の付属噴射チャンバを有する印刷ヘッドを含むインクジェット印刷システムであって、前記印刷ヘッドは、
    基板と、
    前記基板に配置されたバリア層であって、一部で複数の流体チャネル及び複数の噴射チャンバを画定するバリア層と、
    前記基板上に配置されたオリフィスプレートであって、前記噴射チャンバと流体連通する複数のオリフィスを含み、前記オリフィスは直径を有する、オリフィスプレートと、
    前記噴射チャンバ内に配置され、長さを有する抵抗型ヒータと、
    を含み、
    前記抵抗型ヒータの前記長さの、前記オリフィスの前記直径に対する比率は、１．７〜２．１である、インクジェット印刷システム。
22. 前記抵抗型ヒータの前記長さは６５μｍ〜７５μｍであり、前記オリフィスの前記直径は３５μｍ〜４５μｍである、請求項１９に記載のインクジェット印刷システム。

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