JP2680184B2 - サーマル・インク・ジェット・プリントヘッドの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、サーマル・インク・ジェット・プリントヘ
ッドの製造方法に関し、更に詳しくは、シリコン・ウェ
ーハ・サブユニット（またはチップ）のアレイからペー
ジ幅「ルーフシュータ」プリントヘッドを製造する方法
に関する。

（従来技術） 一般的にいって、要求に応じてインクを滴下するドロ
ップ・オン・デマンド・インク・ジェット・プリント・
システムは２つの種類に分けることができる。すなわち
１つの種類は、圧電変換器を使用してノズルから小滴を
吐出する圧力パルスを発生するものであり、他の種類は
熱エネルギーを使用して小滴を吐出するインクを充満さ
せたチャンネル内で蒸気のバブルを発生するものであ
る。

サーマル・インク・ジェット・システムは、チャンネ
ルの終了端のノズルすなわちオリフィスの近くの細管に
充填されたインクのチャンネル内に位置する抵抗によっ
て選択的に発生された熱エネルギーを使用して、このイ
ンクを瞬間的に蒸発させ必要に応じてバブルを形成す
る。各々の一時的に発生するバブルによってインクの小
滴が吐出され、これが記録媒体に向かって前進される。
このプリント・システムはカートリッジ式のプリンタま
たはページ字幅のタイプのプリンタのいずれかに内蔵す
ることができる。カートリッジ式プリンタは、一般的に
インクのチャンネルとノズルを有する比較的小型のプリ
ント・ヘッドを有している。このプリント・ヘッドは通
常使い捨てのインク供給カートリッジにシールされた状
態で取り付けられ、プリント・ヘッドとカートリッジの
組み合わされたアセンブリが往復して用紙のような静止
状態で保持されている記録媒体上に一時に一区画の情報
を印刷する。その区画が印刷された後、この用紙は印刷
された区画の高さに等しい距離だけ移動され、その結
果、次に印刷された区画がこれに続く。この手順は、全
ページが印刷されるまで繰り返される。カートリッジ式
プリンタの例については、Rezankaに対する米国特許第
4,571,599号を参照のこと。これに対して、ページ幅プ
リンタは用紙の幅に等しいまたはこれ以上の長さを有す
る静止したプリントヘッドを有する。用紙はプリントヘ
ッドの長さに対して直角方向に印刷プロセスの期間中一
定の速度でページ幅プリントヘッドを通過して連続して
移動される。ページ幅の印刷は、アヤタらの米国特許第
4,463,359号、特にその第17図および第20図を参照のこ
と。

上述の米国特許第4,463,359号は、毛管現象によって
補充される１つ以上のインクを充填したチャンネルを有
するプリントヘッドを開示している。各ノズルにはメニ
スカス（meniscus）が形成され、このノズルからインク
が流れ出すのを防止している。抵抗またはヒータはノズ
ルから上流の各チャンネル内に位置している。データ信
号を表す電流パルスが抵抗に加えられ、瞬間的にこれら
の抵抗と接触するインクを蒸発させ、各電流パルスに対
応するバブルを形成する。インクの小滴はバブルの成長
によって各ノズルから吐出され、各ノズルによって一定
量のインクがノズルから膨れ出してこのバブルが崩壊し
始めると１つの小滴になる。これらの電流パルスは、各
小滴が吐出された後、メニスカスが解消して、チャンネ
ル内の非常に遠くに後退するのを防止するように形成さ
れる。サーマル・インク・ジェット・プリント装置の直
線アレイの種々の実施例が示され、これにはページ幅の
プリントヘッドを得る目的のためにヒート・シンク基板
の上部および下部に互い違いに取り付けられた直線アレ
イを有する実施例が含まれる。このような構成は、また
多色印刷を可能にするために異なった色のインクに使用
することもできる。

Drake他に対する米国特許第4,789,425号（これの開示
はここに参照として含まれる）は、必要に応じて小滴を
上部に位置し、その中に内蔵されているバブル発生加熱
素子と一般的に平行なノズルから記録媒体に対して吐出
する種類のサーマル・インク・ジェット・プリントヘッ
ドを開示している。これらの小滴は、プリントヘッドの
ルーフ（roof）に位置するノズルから加熱素子の表面に
対して垂直な軌道に沿って吐出される。このような構成
は、時として「ルーフシュータ」プリントヘッドと称す
る。

例えば、第１図のプリントヘッド10の斜視図に示すよ
うに、矢印11はノズル12から吐出されたインク小滴13の
軌道を示す。プリントヘッド10はエッチングされた開口
部すなわち供給溝20（影で示す）を内蔵するヒータ・プ
レートすなわち基板28に永久的に取り付けられた構造部
材14を有し、この供給溝20は、構造部材14と一対になる
と、インク溜めすなわちマニホールドを形成する。第１
図の線II−IIに沿って切断した第２図のプリントヘッド
10の断面図は、ヒータ・プレート28内の供給溝20からル
ーフ24内のノズル12を通ってインクの流れる経路を示
す。インクはルーフ24とヒータ・プレート28との間のキ
ャビティ・ウォール22とチャンネル・ウォール17によっ
て形成されるチャンネル状の凹部18に流れ込み、ノズル
12を通って外部に出る前にそのアドレス電極33と共通リ
ターン35を有する加熱素子34上を通過する。プリントヘ
ッドの平面図（第３図；第１図の線III−III線に沿って
切断した）は、ノズル12（影で示すが、その理由はこれ
らがルーフ24内にあるためである）と供給溝20との間を
連通する３つのインク・チャンネルを形成する４つのチ
ャンネル・ウォール17を有する凹部18を示す。（線III
−IIIに沿って切断した真の図は１インチ（25mm）当た
り300以上の加熱素子と関連するインクチャンネルの密
度を示すが、ここでは明確にするためこの数を少なくし
て図示していることが理解できる）。

上で論じたように、要求によってインクを滴下するサ
ーマル・インク・ジェット・プリントヘッドは、シリコ
ン・ウェーハと多数の小さなヒータ・プレートとチャン
ネル・プレートを作る処理技術を使用することによって
製造される。この作業は、プリントヘッドが小さい場合
には、非常にうまくいく。しかし、大型のアレイやペー
ジ幅のプリントヘッドの場合、インク・チャンネルまた
はヒータ素子のモノリシック・アレイを１つのウェーハ
で製造することは実用上不可能であるが、その理由は、
市販のウェーハの最大寸法が一般的に６インチであるか
らである。例え10インチのウェーハが市販されていたと
しても、モノリシック・チャンネル・アレイまたはヒー
タ・アレイの実現可能性が非常にあるかどうかは、明確
ではない。これは、2550個のチャンネルまたは加熱素子
の内のただ１つでも欠陥があれば、チャンネルまたはヒ
ータ・プレートの全体が使用不可能になるからである。
この歩留り上の問題は、シリコンのインゴットの直径が
大きくなる程、欠陥無しにこれを作ることが一層困難に
なるという事実によってより深刻なものになる。また、
比較的数の少ない8.5インチのチャンネル・プレートま
たはヒータ・プレート・アレイは10インチのウェーハで
製造することができる。しかし、このウェーハの大部分
は無駄にされ、その結果、非常に高い製造コストにな
る。

この問題を除去するため、ページ幅のアレイを形成す
るために相互に突き合わされたルーフシュータ・サブユ
ニットを形成することによって、このページ幅プリント
ヘッドを作ることが提案されている。しかし、インク・
ジェット・プリンタで高品質の文字を作成するには、ペ
ージ幅アレイ内の各サブユニットが隣接するサブユニッ
トに対して正確に位置決めされるようにプリントヘッド
に高密度の正確に位置合わされたノズルを設けることが
必須である。加熱素子34、電極33および供給溝20の付い
た第３図のヒータ・プレート28のみを概略的に示す第4A
図から分るように、ルーフシュータ・ページ幅プリント
ヘッド上に高い密度構成のノズルを設けるためには、各
ヒータ・プレートをダイシングする最良の位置（ａ−ａ
およびａ′−ａ′で示す）は供給溝20と交差してこのヒ
ータ・プレートを２つの別個の片28A、28B（第4B図で示
すような）にするが、これらの片28A、28Bは相互にまた
はルーフ24と再び位置合わせされてルーフシュータ・プ
リントヘッドを作ることが困難である。この問題に対す
る１つの解決策は、この供給溝を第５図に示すような多
数のより小さな溝F₁,F₂,F₃に分割することである。しか
し、異方性シリコン・エッチングの形状によってこれら
の溝はヒータ素子34のレベルで最小さ29ミルだけ分離さ
れている。この分離の量は受け入れることのできないも
のであるが、その理由は、これらの溝の間のヒータ素子
34′の流体供給抵抗が１つの溝に近接したヒータ素子34
の流体供給抵抗よりも実質的に大きいためにインクがこ
れらの溝の間に位置するヒータ素子34′に流れることを
保証することが困難であるためである。

突き合わせ可能なプリントヘッドのサブユニットを設
計することの別の困難は、変換器のアレイと同じ密度で
プリントヘッドに対して電気的接続を行うことが困難で
あるという事実にある。例えば、１インチ当たり600素
子の解像密度でサーマル・インク・ジェット・ヒータと
ノズル・アレイを作ることは可能である。しかし、一般
的に製作されるワイヤ・ボンドの密度は１インチ当たり
約100素子に限定されている。アレイが小さい場合、第1
0図に示すようにより低いボンディング・パッドの密度
を得るためにアドレス電極線を扇型に広げることによっ
て制限された数のヒータを直接アドレスすることが可能
である。しかし、この技術は変換器のアレイが必要とす
るよりもより多くのシリコン領域を消費し、この設計を
突き合わせ可能なプリントヘッドのサブユニットの大型
の連続アレイに使用することは困難である。

（発明の目的と要約） 本発明の目的は、高い密度構成のインク・ジェット・
ノズルをその上に有するページ幅プリントヘッドを製造
する方法を提供することである。

本発明の他の目的は、ボンディング・パッドによって
必要とされるアレイ方向の直線距離をアレイ内の全変換
器によって必要とされる直線距離以下にするために必要
な電気的相互接続パッドの数を少なくすることによって
プリントヘッドのサブユニットの突き合わせを可能にす
る方法を提供することである。

本発明の他の目的は、プリントヘッド内に高密度構成
のノズルを可能にするような方法でヒータ・プレートを
インク・ジェット・プリンタのチャンネル・プレートに
取り付ける方法を提供することである。

本発明の更に他の目的は、高密度の「ルーフシュー
タ」ページ幅プリントヘッドを製造する方法を提供する
ことである。

本発明は、「ルーフシュータ」サーマル・インク・ジ
ェット・プリントヘッドのヒータ・プレートに接着され
る第２基板を利用する。この第２基板はヒータ・プレー
トに構造的に一体化され、これによってヒータ・プレー
トは、２つの別個の片を形成することなく、供給溝を介
してダイシングされることが可能になる。第２基板は多
数の別個の供給孔を有し、これによってインクが供給源
からヒータ・プレートの充填溝に供給されることが可能
になる。

（実施例） 本発明を以下の図面を参照して詳細に説明するが、こ
こで同じ参照番号は同じ要素を示す。

第4A図は「ルーフシュータ」プリントヘッド用の１つ
の種類のヒータ・プレート28を示す。このヒータ・プレ
ート28はDrake他に対する米国特許第4,789,425号に開示
されるプロセスによって作ることができ、この開示はこ
こに参照として含まれている。しかし、ヒータ・プレー
ト28上のヒータ素子34の設計は若干変更されているが、
その理由は、アドレス電極33は、ここで論ずるダイシン
グの動作と干渉しないようにサブユニットの側面に位置
しなければならないからである。ヒータ・プレート28を
形成する好適な基板は、（100）シリコン・ウェーハで
あるが、これ以外の同様の基板を使用することも可能で
ある。ヒータ・プレート28は供給溝20を有し、これを通
ってインクがヒータ・プレート28の下部表面からこのヒ
ータ・プレート28の上部表面に供給される。ヒータ・プ
レート28が（100）シリコン・ウェーハであれば、供給
溝20を形成する好適なプロセスは異方性エッチングであ
るが、ダイシングのような他のプロセスを使用すること
も可能である。異方性エッチングまたはダイシングによ
って、供給溝20を非常に正確に位置決めし、かつこれの
寸法を決めることができる。ヒータ・プレート28の上部
表面は、またヒータ素子のアレイを有し、これらのヒー
タ素子は抵抗性ヒータ素子34を有し、この抵抗性ヒータ
素子34はアドレス電極33に加えられる電気的インパルス
を加えることによって加熱される。ヒータ素子のアレイ
は第１方向に位置合わせされ、供給溝20はこれと直角な
第２方向に位置合わせされる。第２方向の供給溝20の長
さは、第２方向のヒータ素子のアレイの長さよりも大き
い。ヒータ・プレートのサブユニットのアレイから作ら
れたページ幅プリントヘッドを製造するには、高密度で
均一な構成のノズルを得るために各ヒータ・プレートの
サブユニットは線ａ−ａおよびａ′−ａ′を通って第１
方向にダイシングされなければならない。このダイシン
グはノコギリによる切断またはその他の適当な方法によ
って行われることができる。

ダイシングの後でヒータ・プレートが分割されていな
い片28a、28bに分かれるのを防止するため、本発明は第
６図に示す第２プレート50を利用するが、このプレート
はダイシングの前にヒータ・プレートのベース表面に取
り付けられる。第２プレート50は、一連の供給孔溝51を
有し、これによってインクが供給源からヒータ・プレー
トの供給溝20に供給されることが可能になる。第２基板
の好適な材料は（100）シリコン・ウェーハであるが、
他の同様の材料を使用することもまた可能である。（10
0）シリコン・ウェーハを使用する場合、供給孔溝51は
異方性エッチングによって形成されることが望ましい。

第７図に示すように、ダイシングの前に第２プレート
50がヒータ・プレート28のベース表面に取り付けられる
と、ダイシングの後で一体化されたウェーハ・サブユニ
ット、すなわち組み合わされた基板が供給溝20を介して
得られる。すなわち、第２プレート50は、ヒータ・プレ
ート28の供給溝20と連通する第２プレートの供給孔溝51
と共にヒータ・プレート28に取り付けられる。ヒータ・
プレート28と第２プレート50の組み合わされた基板53
は、次に線ａ−ａ、ａ′−ａ′に沿って供給溝20を介し
てダイシングされる（第4A図）。第２プレート50は、一
体化された支持構造を設けることによってヒータ・プレ
ート28の２つの片28A、28B（第4B図）とのアライメント
を保つ。

第８図に示すように、流体処理機構（例えば、キャビ
ティ・ウォール22、チャンネル・ウォール17、ルーフ2
4、ノズル12等）を次にヒータ・プレート28の上部表面
に形成して「ルーフシュータ」サーマル・インク・ジェ
ット・プリントヘッド・サブユニット55を形成すること
ができる。これらのサブユニット55のアレイを次にこれ
らの相互に付き合わされた側部と共にページ幅バー60に
取り付け、ページ幅プリントヘッドを形成することがで
きる。ページ幅バー60は、矢印70で示すインク流路に沿
ってインク供給源から第２プレート50内の供給孔溝51に
インクを供給するための孔即ち溝61を有している。

１つのプリントヘッド・サブユニットをプリントヘッ
ドとして使用することができるかまたはプリントヘッド
・サブユニットの拡張アレイを相互に付き合わせてより
長いプリントヘッドを形成することができることが理解
できる。サブユニットの拡張アレイは、前に論じたより
長いサブユニットと関連する歩留りの問題のために、１
つの長いサブユニットを覆うことが好ましい。最終的な
プリントヘッドが１つのサブユニットであろうとまたは
サブユニットのアレイであろうと、供給溝20の開口端部
はインクのオーバフローを防止するために塞さがれてい
なければならない。シアノアクリル酸エステル接着剤ま
たはRTVシリコンを使用して供給溝20の開口端部をシー
ルすることができる。

流体処理機構は、Drke他に対する米国特許第4,789,42
5号で開示されている方法のいずれか１つによって作る
ことができる。この流体処理機構はダイシングの前また
はダイシングの後でヒータ・プレート28上に形成するこ
とができるが、材料を節約できるのでダイシングの後で
この機構を形成することが好ましい。また、この流体処
理機構はヒータ・プレート28がページ幅バー60に接着さ
れた後でこのヒータプレート28のアレイ上に形成するこ
とができる。

第9A図ないし第9D図は、本発明の第２実施例にしたが
って作られたルーフシュータ・プリントヘッドの断面図
を示す。第9A図は、上部表面に形成されたヒータ素子3
4、アドレス電極33および共通リターン35を有するヒー
タ28を示す。ヒータ・プレート28の上部表面に回路を形
成した後、ダイス・カット80（第9B図参照）がヒータ・
プレート28の下部表面に作られる。ダイス・カット80
は、ヒータ・プレート28の厚さ方向に向かって部分的に
のみ延びると共にこのヒータ・プレート28の幅全体に渡
って延びて端部が開口しているトラフを形成する。次
に、第9C図に示すように、流体処理機構17、22がヒータ
・プレート28の上部表面に形成され、供給孔51を有する
第２プレート50がヒータ・プレート28の下部表面に接着
され、その結果、これらの供給孔51はトラフ80と位置合
わせされる。第9D図に示すように、第２ダイス・カット
82がヒータ・プレート28の上部表面に形成される。この
ダイス・カット82はダイス・カット80と十分交差するよ
うにヒータ・プレート28の厚さ方向に向かって延び、ダ
イス・カット80と共にヒータ・プレート28の厚さ方向と
幅方向の全体に渡って供給溝を形成する。ノズル12をそ
の中に有するルーフ24が、次に流体処理機構17、22の上
に形成されてプリントヘッドを完成する。端部が開口し
ている供給溝80、82を有する多数のプリントヘッド・サ
ブユニットを相互に付き合わせてプリントヘッドのペー
ジ幅アレイを形成することができるかまたは単体のプリ
ントヘッド・サブユニットのみを使用することができ
る。いずれの場合でも、完成したプリントヘッドの供給
溝80、82の開口端部は、シアノアクリル酸エステル接着
剤またはRTVシリコンを使用してシールされる。ヒータ
・プレート28を介して供給溝80、82を形成するためにダ
イス・カットを使用する利点は、これによってヒータ・
プレートの回路に悪影響を及ぼす可能性のあるエッチン
グ剤の使用を避けることができることである。

前の説明では、突き合わせ可能なサーマル・インク・
ジェット・サブユニット・プリントヘッドを製造する際
の困難の１つを解決する方法を説明したが、第10図は別
の困難を示す。第10図は、変換器のアレイの許容できる
直線密度が直接アドレスされる（受動的）アレイ用の相
互接続ボンディング・パッド・アレイの密度よりはるか
に高いというミスマッチを示す。すなわち、アドレス電
極33用のボンディング・パッド33Bを横切る必要なボン
ディング・パッドの直線距離Ｘは供給溝20と加熱素子34
のアレイを横切る必要な変換器の距離Ｙよりも遥かに長
い。市販の相互接続装置は相互接続ボンディング・パッ
ド33Bの間隔を直線１インチ当たり約100素子の最大密度
に制限しているが、ノズル及びヒータの変換器の密度は
直線１インチ当たり約600素子にすることができる。こ
のミスマッチは、第10図に示すようにボンディング・パ
ッドに対するリードを扇型に形成することによって保証
することができる。しかし、この解決策は変換器のアレ
イが連続的に突き合わせ可能となることを妨げるが、そ
の理由は、ボンディング・パッドが端部変換器を超えて
横方向のチップの大きさに延びるからである。

この問題の解決策は、変換器のチップに切り替え回路
を内蔵して必要なアドレス・パッドの数を少なくするこ
とである。適当な回路、マトリックス・アドレスの１つ
のタイプが1989年４月７日に出願された米国特許出願第
07/336,624号または米国特許第4,651,164号で説明さ
れ、これらの開示はここに参照として含まれている。第
11図は、それぞれがゲートＧとソースＳの付いた駆動ト
ランジスタT1,T2・・・T16を有する16個のヒータH1,H2
・・・H16のマトリックス・アドレス・アレイの動作を
示す。このマトリックスの一方の側は駆動トランジスタ
のゲートのアドレスグループによって形成され、一方こ
のマトリックスの他方の側は駆動トランジスタのソース
のアドレスグループによって形成される。例えば、パッ
ドP2は駆動トランジスタのゲートG1、G2,G3,G4を切り替
え、パッドP1は駆動トランジスタのソースS1,S5,S9,S13
を切り替える。１つのグループのゲートと１つのグルー
プのソースを動作させることによって独特の方法で１つ
のヒータの変換器を選択することができることが第11図
から分かる。この特定の場合、16個のヒータの変換器は
僅か８個のアドレス・パッドを使用してアドレスされ
る。一般的に、必要なアドレス・パッドの数はアレイ内
の変換器の数の平方根の２倍であり、その結果、マトリ
ックス・アドレスの設計の効率はアレイが大きくなるほ
ど良くなる。変換器素子に対するアドレス・ボンディン
グ・パッドの数の比率を引き下げるための切り替え可能
なアドレス回路には他の形態も存在し、これらも本発明
の範囲に包含することを意図していることに留意しなれ
ばならない。

２つの特定の例を開示したが、本発明は選好したダイ
シング線によってサブユニットの好ましくない分離の発
生するプリントヘッドの全ての製造方法に適応すること
ができる。したがって、ここに示した本発明の好適な実
施例は、図示を意図するものであって、限定を意図する
ものではない。上記の特許請求の範囲で規定する本発明
の精神と範囲から逸脱することなく種々の変更が可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ルーフシュータ・プリントヘッドの拡大斜視
図である。 第２図は、第１図の線II−IIに沿って切断したプリント
ヘッドの拡大断面図である。 第３図は、第１図の線III−IIIに沿って切断したプリン
トヘッドの概略平面図である。 第4A図は、第３図のヒータ・プレートの平面図である。 第4B図は、第4A図の線ａ−ａ、ａ′−ａ′に沿ってダイ
シングした場合の第4A図のヒータ・プレートの断面図で
ある。 第５図は、変更したヒータ・プレートの平面図である。 第６図は、第２プレートの平面図である。 第７図は、第4A図のヒータ・プレートに取り付けた第６
図の第２プレートの組み合わせ構造の平面図である。 第８図は、第２図と同様の断面図であるが、第２プレー
トとヒータ・プレートとの組み合わせ構造を示し、この
組み合わせ構造はページ幅バーに取り付けられている。 第9A図ないし第9D図は、本発明の第２実施例にしたがっ
て製造されたプリントヘッドの断面図である。 第10図は、必要なボンディング・パッドの直線距離対必
要な変換器の距離を示すヒータ・プレートの概略図であ
る。 第11図は、ボンディング・パッドの数と必要なボンディ
ング・パッドの直線距離を引き下げるための切り替え回
路を示す概略回路図である。 12……ノズル 17、22……流体処理機構 20……供給溝 22……キャビティ・ウォール 24……ルーフ 28……ヒータ・プレート 33……アドレス電極 34……加熱素子 50……第２プレート 51……供給孔溝 53……基板 55……サーマル・インク・ジェット・プリントヘッド・
サブユニット 60……ページ幅バー 61……溝

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】サーマル・インク・ジェット印刷装置に用
   いられ、プリントヘッド・サブユニットの端部と端部と
   が互いに結合されて突き合わされたアレイ用のプリント
   ヘッド・サブユニットの製造方法において、 所定の方向に並べられた複数の加熱素子のアレイ及びこ
   れらの加熱素子の並べられた方向に沿う長手方向に配置
   されたインク供給溝を含む構造を有するヒータ基板を設
   けるステップと、 間隔のあいた一連の供給口を有する第２基板を設けるス
   テップと、 ヒータ基板を第２基板に接着して、インク供給溝が加熱
   素子のアレイと一連の供給口とを接続する通路を形成し
   且つ一連の供給口がインク供給溝と連通する組み合わさ
   れた基板を形成するステップと、 インク供給溝の長手方向を横切ってインク供給溝を介し
   て上記組み合わされた基板をダイシングして上記サブユ
   ニットを形成するステップと、 を有することを特徴とする方法。