JP2645271B2 - 熱結合処理のための装置及び方法 - Google Patents

熱結合処理のための装置及び方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、インク噴射（ink jet）プリンタのプリン
トヘッドをアセンブリする方法及び装置に関するもので
あり、とりわけ、熱及び加圧流体を利用し、基板とオリ
フィス板の結合及びスペーシングに用いられる感光性ポ
リマを接着する装置及び方法に関するものである。
〔発明の技術的背景及びその問題点〕
プリントの質を良くするためには、熱式インク噴射プ
リンタのプリントヘッドの基板とオリフィス板との相対
スペーシング及び配置方向に対し厳格な許容差を適用す
ることになる。従って、本発明の主たる目的は、こうし
たプリントヘッドの製造に際し、スペーシングと平行度
に対しより精密な制御が行なえるようにすることにあ
る。
熱式インク噴射プリンタは、２つの主要なタイプの要
求時滴下式（drop−on−demand）インク噴射プリンタの
うちの１つを構成するものである。要求時滴下式インク
噴射プリンタは、電極を利用して、紙のような記録媒体
にインクを向けたり、あるいは、それからそらしたりす
る連続ストリーム式インク噴射プリンタとは対照的であ
る。要求時滴下式インク噴射プリンタは、インクの飛翔
経路に制御を加える電極アセンブリ、あるいは、記録媒
体からそれたインクを集め、再循環させる再循環システ
ムを必要としない。主要な別のタイプの要求時滴下式イ
ンク噴射プリンタの場合、制御信号に応答し、機械的に
インクに圧力を加えて、１つ以上のオリフィスから噴射
する形でインクの噴射を行なうようになっている。
バブル噴射プリンタとしても知られている熱式インク
噴射プリンタは、広範な用途に対し高品質なプリントを
提供するものとして登場した。熱式インク噴射プリンタ
の場合、熱を利用して、インクの成分の一部を蒸発さ
せ、蒸気バブルを形成するようになっている。蒸気バブ
ルの体積が膨張すると、隣接する液体インクがオリフィ
スから排出され、記録媒体へ向けて放射される。
一般に、熱式インク噴射プリンタのプリントヘッドに
は、インクを通せるようにチャネルを形成する形に作ら
れた材料によって、スペーシングが施された基板とオリ
フィス板が設けられている。基板は、従来の半導体処理
技術に従って作られており、抵抗と導体が直列に接続さ
れた電流経路を備えている。オリフィス板は基板と平行
に取りつけられており、一般にオリフィスはそれぞれの
抵抗器に対しアライメントがとられている。制御信号に
応答して、基板上の抵抗器の１つを通り電流が流れる
と、十分な熱が発生して近くのインクのある成分を蒸発
させ、それぞれのチャネル内にバブルをつくり出す。オ
リフィスからインクが放出されると、バブルはつぶれ、
プリントヘッドは、すぐに、次のサイクルに備える。
こうしたプリンタのユーザーが感じとる比較的静かな
動作は、プリントヘッドのコンポーネントを尺度とした
激しく複雑な事象の流れに背くものである。各インクチ
ャネルの寸法、従って、基板とオリフィス板とのスペー
シングは、蒸気バブルの急速な発達及びつぶれ、さら
に、流体インク及び蒸気の乱流にもかかわらず、精確で
予測可能な小滴の飛翔経路及び体積が得られるようにす
るためには、厳格な許容差内に納まらねばならない。
プリントヘッドに多数のオリフィスが設けられている
通常の場合には、許容差はさらに重大になる。妥当な速
度で像を形成するため、ほとんどの要求時滴下式インク
噴射プリンタは、少なくとも９つの平行なオリフィスを
利用している。多色インク噴射プリンタの場合には、シ
ングルパス・カラープリントのため、３組または４組の
オリフィスを用いる可能性がある。正確なカラー整合と
高品質のプリントを得るため、各オリフィスに対応する
チャネルは、ごく近接していなければならない。オリフ
ィス板の保持が不十分であれば、基板との平行性が失わ
れ、品質管理によって不満足なプリンタやコンポーネン
トが拒絶されるため、製造コストが増大することにな
る。
こうした許容差に留意して、基板とオリフィス板を取
りつける問題に取り組んだ結果、別途に接着剤を用いる
ほとんどの手順は、少なくとも生産高に関し不満足であ
ることが分った。適合する接着剤の範囲は、熱式インク
噴射ヘッドの構造及び動作環境によって制限を受ける。
接着剤は、こうした環境の熱的応力、機械的応力、及
び、化学的応力に耐え得るものでなければならない。特
に、接着剤は、腐食性の可能性があるインクに適合する
ものでなければならない。また、接着剤は、重量が軽
く、プリントヘッドの慣性を最小限にとどめるものでな
ければならない。
こうした環境に十分に適合する接着剤のクラスの１つ
が、紫外線硬化性ポリマーである。あいにく、オリフィ
ス板は、通常、不透明であり、従って、所定位置につけ
てから、この接着剤を硬化させるのは、可能性からいっ
て難しい。一般に、接着剤を塗るに先だって、オリフィ
ス板の位置決めをしなければならない。しかしながら、
スクリーン印刷で基板またはオリフィスに接着剤をつけ
る試みは、あまりうまくいっていない。接着剤の位置決
めは精密な仕事であり、スポイトや、それ以外の精密な
アプリケータを必要とする。
基板とオリフィス板の結合だけでなく、接着剤は、流
体チャネルの完全密封も行なう必要がある。チャネルバ
リヤーに接着剤が不規則に塗布されることによって、チ
ャネルの１つにプラグが形成され、インクの流れが妨げ
られたり、インクが漏れたり、あるいは、カラープリン
タの場合、インクがミックスされたりする可能性があ
る。真空固定を利用して基板とオリフィス板の位置決め
を行なうと、わずかなエアギャップによって、接着剤が
真空源に引き寄せられることになる；この結果、インク
チャネルが完全に、または、部分的にブロックされるこ
とになる。
“熱結合”処理は、ヒューレット・パッカード社で開
発された。熱結合処理の場合、熱と圧力を利用して、あ
る材料を別の材料に融合する。基本的な考えは、インク
チャネルの側壁を形成するスペーサ材料を接着剤として
利用するということである。この手法では、基板上の薄
膜層にわたってDupont Vacrelのような厚膜ポリマーで
パターン形成し、写真平版術による処理を施して、チャ
ネルバリヤ構造及び基板とオリフィス板に対するスペー
サを形成することになる。
熱結合処理に先立ち、５〜10ジュール/cm2の紫外線露
光を利用して、厚膜ポリマーを部分的に硬化させてお
く。次に、基板とオリフィス板のアライメントをとり、
ごく少量の接着剤、あるいは、真空または他の技術を利
用し一時的に結合する。次に、２つの硬性治具の、公称
では平行な表面間で、パターン形成された基板とオリフ
ィス板がクランプされる。基板とオリフィス板を加熱
し、ポリマーのバリヤが“粘着性”を帯びるようにす
る。硬性治具表面により加圧されると、軟化したポリマ
ー・スペーサがオリフィスプレートに結合する。最後
に、高温による硬化サイクルによって、さらに結合が強
化され、重合が完了する。
圧力を加える表面が平行で、プリントヘッドのコンポ
ーネントが一様な厚さであれば、この“熱結合”処理は
効果的に作用する。しかし、平行度と均一な厚さとを得
るために要求される許容差は、容易には達成できない。
こうした許容差要件は、加圧表面の一方と、熱的に結合
されるアセンブリとの間に機械的バッファ層を挿入する
ことによって緩和することができる。
例えば、加圧ツールには、固定ベースと、公称では平
行な向かい合った表面を備える可動上部ツールとを含め
ることができる。可動上部ツールは、スペーサーを粘着
性にするため加熱素子を組み込むことが可能である。機
械的バッファは、アルミニウム箔の２つの層に包囲され
た、パラフィン、または、他の融点の低い物質の層であ
る。このパラフィンのサンドイッチ構造は、コンポーネ
ントにかぶせることが可能である。
次に、可動上部ツールを下げて、パラフィンのサンド
イッチ構造に接触させる。パラフィンが融解してしまう
と、オリフィス板に合致したパラフィンのサンドイッチ
構造を介して、コンポーネントに圧力が加わるとにな
り、従って、加圧は均一に行なわれることになる。この
ため、平行度のわずかな偏差は、パラフィンのサンドイ
ッチ構造によって補正される。
パラフィンのサンドイッチ構造による方法は、うまく
いくように思えるが、多数の欠点がある。パラフィンに
よって許容差が改善されるにもかかわらず、上部ツール
とベース間には、なお高い平行度が要求される。しかし
ながら、加えられる温度及び圧力範囲全般にわたて十分
な平行度を維持するには、極めて複雑な固定具が必要に
なる。この複雑さは、また、製造工程でのコスト及びそ
の信頼性にも強い影響を与えることになる。高価で、標
準外で、消耗性のパラフィンのサンドイッチ構造を利用
することにより、製造コストはさらに悪化する。また、
この方法の場合、パラフィンが漏れると、プリントヘッ
ドを汚染の危険にさらすことになる。
さらに、パラフィンのサンドイッチ構造による方法
は、フレキシビリティに欠ける。時間、温度、圧力とい
った処理パラメータは、コンポーネントの接合面積に対
し敏感である。このため、所定のアセンブリ位置でアセ
ンブルされるプリントヘッドのタイプを変更するのは困
難になる。まして、バッチプロセス、すなわち、多数の
アセンブリのそれぞれのコンポーネントを一度に接合す
るのは、実行不能なことである。
従って、本発明以前は、プリントヘッドのコンポーネ
ントを接合する装置及び方法に改良を加える必要があっ
た。特に、生産量は大きく、シンプルで、経済的であ
り、用途についてフレキシビリティを備え、機械的に耐
性を有するような装置及び方法が必要とされた。
〔発明の目的〕
本発明はプリントヘッドの製造に際し、基板とオリフ
ィス板との相対的なスペーシング及び平行度を、より精
密に制御することのできる装置を提供することを目的と
する。
〔発明の概要〕
本発明によれば、熱結合処理に必要な圧力は、コンポ
ーネントとは反対の側が、ガスあるいは液体といった加
圧流体にさらされる、流体に対し不浸透性でたわみ性の
シートによって、接合すべきコンポーネントに加えられ
ることになる。加圧によって、たわみ性のシートは、そ
れが接触するコンポーネントの表面にぴったりと添うよ
うになる。たわみ性シートに加えられる流体圧は、下に
あるオリフィス板に対し均等に分散するため、厚さの均
一性に対する要件が緩和されることになる。たわみ性シ
ートは、さらに、加圧流体からアセンブリ内部を密閉
し、熱結合処理に必要なアセンブリ内部と外部との圧力
差を維持する。
熱結合処理に必要な熱は、たわみ性シート内の加熱素
子によって加えることができるようにするのが望まし
い。例えば、たわみ性シートとして、加熱素子を埋め込
んだケブラー（Kevlar）シートを用いることも可能であ
る。代わりに、結合されるアセンブリが配置され、加圧
流体下のたわみシートによって加えられる圧力に対抗す
る、ベースまたは真空チャックの一部を加熱素子とする
ことも可能である。
従って、本発明によれば、ベースと、熱源と、ベース
上のアセンブリの上に配置されたたわみシートに対し、
加圧流体を作用させるための手段とから成る装置が得ら
れることになる。この装置にたわみ性シートを含めるこ
ともできるし、たわみ性シートは別個の素子とすること
も可能である。熱源は、ベースまたはたわみ性シートと
一体化することも可能である。
本発明の方法は、接合すべきコンポーネント、例え
ば、プリントヘッドの基板やオリフィス板を形成すると
ころから始まる。スペーサは、基板上に形成するのが望
ましいが、オリフィス板上に形成することもできるし、
あるいは、基板とオリフィス板との両方に対し接合され
る別個の素子という形をとることも可能である。次に、
これらコンポーネントを所望のアセンブリにおける最終
位置に配置する。
次に、コンポーネントはアセンブリの少くとも片側を
たわみ性シートでカバーされる。該たわみ性シートはア
センブリの隣接表面にぴったり添って、たわみ性シート
の外側に作用する加圧流体がアセンブリ内部に侵入する
のを防ぐことができる。スペーサ材料が軟化し、オリフ
ィス板と基板の一方または両方に接合するまで、アセン
ブリが加熱され、たわみ性シートに作用する加圧流体に
よって圧縮される。スペーサ材料によっては、後続の硬
化ステップを利用することもできる。
たわみ性シートが隣接するアセンブリ表面にぴったり
添うため、この処理は、アセンブリの厚さの変動に対し
比較的許容力がある。さらに、本発明では、先行する熱
結合装置が直面した問題、例えば、ベースと上部ツール
との平行度といった問題が解消される。
DuPontのケブラーで再使用可能なたわみ性シートをつ
くることができるが、この場合には、標準外の消耗品に
関する要求は回避される。代わりに、安価で消耗性のた
わみ性シートとして、アルミニウム箔を利用することも
可能である。いずれの方法にしても、パラフィンのサン
ドイッチ構造におけるコスト及びリスクは回避されるこ
とになる。
本発明による方法は、厚さの変動に対する許容度がい
っそう大きく、装置の精密な平行度を必要としないの
で、異なるアセンブリに対して容易に調整をとることが
可能であり、いくつかのアセンブリの同時接合も可能に
なる。特に、スペーサ・パターンを備えた基板とオリフ
ィス板の両方とも、ウェーハの形態をとっている間に、
基板をそれぞれのオリフィス板に結合することができ
る。ウェーハのカッティングは精密な作業であり、他の
ステップが全てうまくいったことが明らかになるまで、
延期することができる。
従って、本発明の装置及び方法によって、熱式インク
噴射プリントヘッドの基板、スペーサ材料、及び、オリ
フィス板といったコンポーネントのシンプルかつ経済的
な接合が可能になる。プリントヘッドのタイプを変更す
る際、処理パラメータが精密な再調整を必要としないた
め、また、多数のプリントヘッドについて同時接合が容
易に行なえるため、フレキシビリティがより大きくな
る。アセンブリの厚さの不均等に対する該方法に固有の
許容差により、生産量をより増すことが可能になる。生
産量が増し、手順が簡素化され、高価な消耗品がなく、
フレキシビリティが備わった方法であるため、コストは
低下する。
〔発明の実施例〕
熱式結合装置110には、第１図に示すように、フレー
ム112、ベース114、及び、ラム（ram）116が備わってい
る。ラム116は、交互に、第１図に示す引きもどされた
位置についたり、第２図に示す熱結合のための係合位置
についたりすることができる。ラム116には、チャンバ1
18と、第３図に最もよく示された、気体材料をチャンバ
118に注入したり、チャンバ118から真空排気するための
エアポート320が設けられている。
真空チャック122を支持するベース114が示されている
が、この真空チャックが、さらに、プリントヘッドアセ
ンブリ124を支え、保持している。プリントヘッドアセ
ンブリ124には、第４図に示すように、厚膜スペーサ428
が形成されている基板426と、スペーサ428上に配置され
るオリフィスプレート430が含まれる。第１図に示すよ
うに、ベースの上方へ伸びる部分134とそれに対しボル
トで固定されたキャップ136との間に、たわみ性シート1
32が固定される。図示のたわみ性シート132はケブラー
製であり、加熱素子338が埋め込まれている。
ラム116には、第３図に示すように、方形グルーブ（g
roove）に納まったＯリング形シール342を備えたフラン
ジ140が設けられており、アセンブリ124におおよそ適合
するようになっている。第２図に示すように、エアシリ
ンダ144の作動により、ラム116が駆動され、その係合位
置につくと、Ｏリング342によってたわみ性シート132が
真空チャック122に押しつけられ、Ｏリング形シール342
がたわみ性シート132と共にチャンバ118を密封すること
になる。シールは、アセンブリの円周方向に伸びる。こ
の時点で、真空チャック122とたわみ性シート132の組み
合わせによって、アセンブリ124がほぼ密閉されること
になる。
アセンブリが同時に圧縮、加熱されて、熱結合が行な
われる。熱は、たわみ性シート132に埋め込まれた加熱
素子338によって供給することができる。以下に示すよ
うに、代替実施例では、異なる方法で熱を加えることが
できる。圧縮は、エアポート320からチャンバ118へ加圧
空気または窒素を送り込むことによって行なわれる。チ
ャンバ118内の加圧気体材料によってたわみシート132が
押しつけられ、オリフィス板430にぴったり添うことに
なり、さらに、オリフィス板がスペーサ428に押しつけ
られることになる。
プリントヘッドアセンブリ124は、下記に従って熱結
合に備えることが可能になる。プリントヘッドの基板42
6には第４図に示すように導体446や抵抗器448といった
各種回路素子が組み込まれるが、その形成は、従来の薄
膜技術を利用してシリコンウェーハに行なうことができ
る。DupontのVacrelのような厚膜感光性ポリマが基板42
6上に貼り付けられ、スペーサ428を形成する。オリフィ
ス板のアライメントをとる前に、感光性ポリマを約５〜
10ジュール/cm2だけ紫外線にさらして、硬化させる必要
がある。図示実施例では、スペーサ428にはパターンが
作られていて、インクチャネル450を形成している。従
って、従来の蒸着、マスキング、露光、エッチングから
成るシーケンスによって、所望のスペーサを形成するこ
とができる。インクポート452が基板426に形成されてい
る。単一のウェーハにいくつかの基板を形成する場合に
は、この時点で、ウェーハの分割を行なうことができ
る。
真空チャック122の凹部454に、基板426が取りつけら
れる。アルミニウムで作ることができる真空チャック12
2は、この凹部454が基板426の長さ及び幅と一致し、熱
結合装置110がその係合位置についた時、プリントヘッ
ドアセンブリ124のエッジにたわみ部材132の応力が加わ
ることがないように形成されることが望ましい。真空チ
ャック122には、基板マニホルド456とオリフィス板マニ
ホルド458という２つのマニホルドが備わっているが、
両方とも真空排気口から空気を抜くことができる。基板
マニホルド456の真空排気は、基板426を真空チャック12
2に対し固定するために利用される。
オリフィス板マニホルド458の上に、インクポート452
が位置決めされる。アライメントを適正にとると、オリ
フィス板430がこのインクポート452の上に広がることに
なる。オリフィス板マニホルド458を介して十分な真空
状態になると、基板426に対するオリフィス板430の位置
が固定される。オリフィス板430には小さなオリフィス4
62が設けられており、また、スペーサ428とオリフィス
板430の間にはギャップがあるため、マニホルド456及び
458の真空排気に用いられる真空源は、こうした開口部
によって充填されるよりも、さらに迅速にアセンブリ12
4の内部を真空排気しなければならない。
第１図に示すように、真空チャック122は、ベース114
の上方に伸びる部分134に押しつけるように配置されて
いる。普通、たわみ性シート132は、この部分134を取り
つけキャップ136との間にあらかじめ固定されている。
この場合、真空チャック122は、スライドして、たわみ
性シート132の下の所定位置につく。
プリントヘッドアセンブリ124が所定位置につくと、
エアシリンダ144が作動し、ベース114へ向けてラム116
を駆動できるようになる。Ｏリング形シール342によっ
て、たわみ性シート132が真空チャック122のフラットな
上部表面に対し押しつけられる。たわみ性シート132と
真空チャック122との接触領域は、円形フランジ140によ
って決まる。フランジのＯリング342がたわみ性シート1
32を密封し、ラム116のエアチャンバ118を気密性にす
る。
熱とガス圧は同時に加えられる。加熱は、加熱素子33
8に電流を通すことによって行なわれる。圧力は、第３
図に最もよく示されているエアポート320から加圧した
空気または窒素を送り込むことによって加えられる。こ
の方法の場合、スペーサ428が熱結合に適した温度、こ
の場合、約168℃に達するのに割り当てられた時間は、
約１分である。
いったん熱結合に適した温度、例えば、150℃に達す
ると、感光性ポリマ材料からなる軟化したスペーサ428
が、オリフィス板430の金属に接着するのに十分な間、
例えば、平方インチ当り190ポンド（190psi）の圧力が
加えられる。約２分後、加熱素子338をオフにし、エア
ポート320から圧力を解放することができる。次に、約1
60℃のオーブンにアセンブリ24を約60分にわたって挿入
し、感光性ポリマのスペーサ材料を完全に硬化させる。
第６図に示す、本発明によって提供される代替熱結合
装置610の場合、加熱素子を埋め込んでいないアルミニ
ウム箔のたわみ性シート632が用いられる。その代わり
に、熱結合装置610には、真空チャックの有無は別にし
て、接合すべきアセンブリを取りつけることができる加
熱ブロック638が設けられている。
この熱結合装置610には、フレーム612とベース614が
含まれている。断熱ブロック637が加熱ブロック638を支
持し、ベース614から熱的に絶縁している。フレーム612
は、上述の熱結合装置110におけるラム112とほぼ同様の
ラム616を支持している。ラム616には、エアシリンダ64
4、エアチャンバ618、エアポート620、フランジ640、及
びＯリング642が設けられているが、全て、第１図の熱
結合装置110における対応するコンポーネントと同じ機
能を果たすものである。第２の熱結合装置に関する変更
としては、加熱素子を真空チャックと一体化させること
が考えられる。
先行実施例と共用の特徴の１つは、熱結合時にアセン
ブリに加えられる圧力は、主とてガス圧の働きによるも
のであり、本質的にアセンブリのサイズとは関係がない
ということである。機械的圧縮を利用する方法の場合に
は、加える力を調整して、力の加えられる面積の変動を
補償しなければならない。さらに、機械的圧縮を利用す
る場合、関連する表面に対し確実に均等な力が加わるよ
うにするのは、いっそう困難である。
本発明の場合、さまざまなサイズのアセンブリに対す
る調整が容易であり、かつ、均等な加圧についてほとん
ど問題がないので、単一の装置で、さまざまなプリント
ヘッドアセンブリの形状及びサイズに適応することが可
能である。さらに、比較的簡単に、ウェーハ規模の熱結
合に尺度を合わせることができる。
本発明の先行実施例は、熱式インク噴射プリンタのプ
リントヘッドの製造に関連して説明を加えてきたが、本
発明は、最終目的のアセンブリについて過敏ではなく、
従って、同様の要件を備えた他のアセンブリの熱結合に
も適用することが可能である。本発明によって、オリフ
ィス板と基板の位置決めを行ない、スペーサ材料に加熱
し、気体材料を利用して圧力を加え、結合させる多数の
代替方法が可能になる。該装置は、加圧ガスを供給する
ためのさまざまな手段を用いて形成することができる。
実際、一定の体積のガスを圧縮することによって、加圧
することが可能である。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明を用いることにより、プ
リントヘッドなどの基板とオリフィス板との相対的なス
ペーシング及び平行度を、より精密に制御することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第１図及び第２図は本発明による熱結合装置の断面図、
第３図は該装置の部分詳細断面図、第４図は真空チャッ
ク及びプリントヘッドアセンブリの分解図、第５図は該
プリントヘッドアセンブリの側断面図、第６図は本発明
による別の熱結合装置の断面図である。 114:ベース、116:ラム 118:チャンバ、122:真空チャック 124:プリントヘッドアセンブリ 132:たわみ性シート 320:エアポート、338:加熱素子 342:Oリング形シール
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−63169（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−158446（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】加熱素子を有する基板と、オリフィス板
    と、該オリフィス板と前記基板との間に配置された感光
    性ポリマのスペーサ手段とを備えたプリントヘッドアセ
    ンブリを用意するステップと、 前記プリントヘッドアセンブリをチャック手段上に配置
    し、空気を排出することによって該プリントヘッドアセ
    ンブリを前記チャック手段に対して固定するステップ
    と、 前記プリントヘッドアセンブリ上にたわみ性シート手段
    を被せるステップと、 前記たわみ性シート手段に流体圧を加えることにより前
    記スペーサ手段に圧力を加えると共に該スペーサ手段に
    熱を加え、前記オリフィス板と前記基板とを前記スペー
    サ手段によって固着するステップと、 を備えて成るインク噴射プリントヘッドの製造方法。
  2. 【請求項２】前記熱が前記たわみ性シート手段によって
    加えられることを特徴とする請求項（１）記載の方法。
  3. 【請求項３】前記熱が前記チャック手段によって加えら
    れることを特徴とする請求項（１）記載の方法。
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