JP3819217B2 - インクジェットペン用オリフィスプレートの製造方法とインクジェットプリントヘッド用オリフィスプレート - Google Patents

インクジェットペン用オリフィスプレートの製造方法とインクジェットプリントヘッド用オリフィスプレート Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットプリンタに関し、特にこのようなプリンタに用いられるインクカートリッジのプリントヘッドに組み込まれるオリフィスプレートに関する。
【0002】
【従来技術】
インクジェットプリンタには、インクを収容するインクカートリッジが1またはそれ以上含まれている。設計によっては、カートリッジが1またはそれ以上のカラーのインク貯蔵器を別個に有している。それぞれの貯蔵器は、管路(コンジクト、conduit)を経由して、カートリッジ本体に搭載されたプリントヘッドに接続されている。
【0003】
プリントヘッドは、プリントヘッドから、プリンタを通って前進する紙等のプリント媒体に、微細なインク滴を噴射するように制御されている。こういった滴が紙上に認識可能なイメージを形成するように、滴の噴射が制御される。
【0004】
インク滴は、プリントヘッドの大部分を覆っているオリフィスプレートに形成されたオリフィスを通って吐出される。オリフィスプレートは通常、プリントヘッドのインク障壁層の上に接合されている。このインク障壁層は、インクチャンバを規定する形状になっている。それぞれのチャンバは、そこからインク滴が噴射されるオリフィスと、整列し連続している。
【0005】
インク滴は、薄膜抵抗器等の熱変換器によってインクチャンバから噴射される。抵抗器は、絶縁基板上に担持されている。この絶縁基板は、好ましくは、その上に二酸化ケイ素等の絶縁層を成長させた、従来技術のシリコンウエハである。抵抗器は、当技術分野で公知であり例えばその参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第4,719,477号に記載されているような、適当なパッシベーション層およびその他の層で覆われている。
【0006】
抵抗器は、電流パルスで選択的に駆動される(加熱される)。抵抗器からの熱は、インクチャンバ内に気泡を形成してそれによって滴を関連するオリフィスを通して押し出すのに十分なものである。インク滴が噴射される毎に、その後チャンバには、インク槽の管路と連絡するチャネルを通ってチャンバに流入するインクが補充される。
【0007】
白色媒体上へのカラープリンティングは、少なくともシアン、イエロー、マゼンタの異なる3色のインクを用いて行われる。この3色を組み合わせてブラックのカラーを作ることもできる。しかし効率上の理由により、通常は別個にブラックの供給インクが設けられる。
【0008】
一般的に、とりわけプリントヘッドから噴射される個々のインク滴の体積を精密に制御することができれば、プリント品質が上がる。具体的には、あるカラーのインク滴の体積を別のカラーのインク滴の体積に関して制御することができる場合に、プリント品質が高くなる。例えば、ブルーのドットを作成するには、シアンのインク滴とマゼンタのインク滴とをプリント媒体の同じ場所に噴射する。ブラックのドットは、ブラックのインク滴1つで作成される。このブルーのドット(または成分が2つである他の任意のカラー)が大きくなり過ぎないよう保証するために、シアン、イエロー、およびマゼンタのインクで作成される滴に比べてブラックのインク滴の大きさが約2倍になるように、プリントヘッドのインクチャンバおよび/またはオリフィスを設計することができる。
【0009】
インクジェットプリンタの設計上考慮すべき重要なことには他に、ターンオンエネルギー、またはTOEとして知られているものに関するものがある。TOEとは、インク滴を噴射するための気泡を作り出すのに十分な量だけチャンバ内のインクを加熱するのに、1つの抵抗器に必要なエネルギー量のことである。まず第一に、プリントヘッドの動作温度をできるだけ低くして、インク内での気泡の発生等の動作温度が高いことに関連する諸問題を回避するために、TOEを最小限にすることが望ましい。
【0010】
チャンバ補充時間は、プリンタの全体的なスループットに関する制限要因になりうる。インクチャンバを補充できる頻度が、滴を吐出できる頻度を制限するからである。また、チャンバを補充するインクの流れができるだけ素早く収まって、噴射された滴がチャンバ内のインクのいかなる波動の影響も受けないように、インクチャンバおよびそれに連絡するチャネルが構成されていることも重要である。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
上述の設計上考慮すべき様々なことを満たす方法の1つとして、オリフィス、インクチャンバおよびインクチャネルの形状を変更する、というものがある。これまで、その中にチャンバが形成される障壁層は、プリントヘッドの面積にわたって深さが均一な、単一の層であった。この障壁層に、深さが均一のオリフィスプレートが取り付けられていた。その結果、チャンバ同士の形状を変更しようとする場合、チャンバの長さまたは幅を変えることしかできなかった。同様に、オリフィス同士の大きさは、オリフィスの深さではなく直径を変えることによってしか変更することができなかった。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、インクジェットプリントヘッドの設計者へのオプションを拡張するものである。本発明は、オリフィスとインクチャンバの両方を規定している、インクジェットプリンタのオリフィスプレートの製造方法を対象としている。オリフィスプレートは、同じプリントヘッドにおいて、あるチャンバが別のチャンバよりも深い(必要ならば、同様に、広く、長い)ように構成することができる。この別のチャンバは、第1のチャンバの隣であってもよい。同様に、インクを第1のチャンバに送出するチャネルは、必要に応じて、プリントヘッド上の別のチャネルよりも深くまたは浅く構成してもよい。
【0013】
本発明の利点は、シアン、イエロー、マゼンタ、およびブラックという4組のカラーのインク貯蔵器をもつインクジェットカートリッジの好適な実施形態に関して考察するのが最良である。本発明によって提供されるチャンバ、オリフィス、およびチャネルの形状の変形を、あるカラーについてのチャンバ、チャネル、および/またはオリフィスの組に、別のカラーの組に対して行うことができる。例えば、ブラックのインクに関連するインクチャンバを、シアンのインクに関連するチャンバよりも深くすることができる。
【0014】
本発明を実施する好適な方法は、フォトレジスト材料の層をオリフィスプレートとしても障壁、バリアーとしても用いる。この材料を、電磁放射(紫外線等)で、オリフィスプレートの面積にわたって電磁放射の強さが変化するように露光し、層内で起こるポリマーの架橋の深さが変わるようにする。これによって、露光を制御するマスクを適当に配置して、同じオリフィスプレートに異なる大きさのインクチャンバ等を選択することができる。
【0015】
本発明の他の利点および特徴は、本明細書の以下の部分および図面を検討すれば明らかになろう。
【0016】
【発明の実施の形態】
図1を参照して、本発明の好適な実施形態がインクジェットカートリッジ20上に保持されている。カートリッジ20は、シアン、イエロー、マゼンタ、およびブラックという4つの供給インクを別個に収容する液体インク槽を具備するプラスチックのペン本体22を含む。
【0017】
ペン本体22は、下向きに延びる鼻部(snout)24を有する形状になっている。鼻部24の下側には、プリントヘッド26が取り付けられている。プリントヘッドには、そこからインク滴がプリント媒体上に噴出される微細なオリフィスが形成されている。
【0018】
図2に示すように、これらのオリフィスは、いくつかの個々のオリフィスからなるいくつかの組に配置されている。すなわち、シアンの組30、イエローの組32、マゼンタの組34、およびブラックの組36である。それぞれの組には、その名前と同じカラーのインクが通じている。図2は、プリントヘッドの外面を表し、プリントヘッドの外面は、本発明により形成され以下により十分に説明するオリフィスプレート40(図3)で覆われている。しかしここで、以後「オリフィスプレート」という用語は、オリフィス、インクチャンバ(従って別個の障壁層は除く)、および、少なくとも1実施形態において、プリントヘッドのチャネル、を組み合わせて1層にした一体部材を意味するものとすることに注目すべきである。
【0019】
図3は、プリントヘッド26の、図2の3−3線に沿った部分断面図であり、ブラックオリフィスの組36のうちの1つのオリフィス42とマゼンタのオリフィスの組34のうちの1つのオリフィス44とを示す。
【0020】
プリントヘッド26は、シリコンのベース50を有する基板48を含む。シリコンのベース50は、好ましくは、その上に二酸化ケイ素等の絶縁層を成長させた、従来技術のシリコンウエハーである。米国特許第4,719,477号等の従来技術に記載されているように、基板48は、タンタルアルミニウム等の抵抗材料の層を含む。その各部分52は個別に、導電層によってカートリッジ20の外部に搭載されたフレキシブル回路54(図1)上のトレースに接続されている。こういったトレースは、接点56で終端しており、これらの接点56は、プリンタキャリッジ上の同様の接点(図示せず)に接続され、キャリッジ上の接点は、リボンタイプの複数導体、マルチ導伝体(multi conductor)等によって、プリンタのマイクロプロセッサに接続されている。
【0021】
図3に戻って、抵抗層の各部分52(以後抵抗器52と呼ぶ)は、集合的に基板48の制御層58と呼ぶこともできる。基板48は、例えば米国特許第4,719,477号に記載されているような、パッシベーション層およびその他サブ層を含んでいる。
【0022】
オリフィスプレート40は、制御層に固定された一体部材であり、それぞれのオリフィス毎に、オリフィスに通じ従ってそのオリフィスに液通するインクチャンバを下に含む。図3は、代表的な「カラー」のチャンバ60(マゼンタのインク槽に接続されている)と、代表的な「ブラック」のチャンバ62(ブラックのインク槽に接続されている)とを表す。抵抗器52は、電流パルスで選択的に駆動される(加熱される)。抵抗器からの熱は、チャンバ60、62のうちの選択されたもののインクをいくらか気化することによって、滴を関連するオリフィス44、42を通って押し出すのに十分なものである。
【0023】
滴が噴出される毎に、その後チャンバには、対応するインク槽に接続されたチャネルを通ってチャンバに流入するインクが補充される。カラーのチャンバ60に接続されたこのような「カラー」のチャネルの1つ64を、図3に示す。ブラックのチャンバ62に接続された別の「ブラック」のチャネルの1つ66も示す。図6に関して後述するように、これらのインクチャンバはまた、オリフィスプレート内のチャネルが不要になるすなわち設けられないように、基板50および制御層58を貫いて延びるスロットを経由して充填および補充してもよい。
【0024】
図3に示す2つのチャンバ60、62は、本発明の重要な1態様を例示している。具体的には、上述の設計上考慮すべきことに取り組むために、本発明では、1つ(または複数の)インクチャンバ60が、同じ一体オリフィスプレートの一部である別のチャンバ62より深くてもよいような一体オリフィスプレート40を製造することができる。別の言い方をすれば、1つ(または複数の)オリフィス42は、同じ一体オリフィスプレートの一部である別のオリフィス44より深くてもよい。この点において、深さとは、図3の垂直方向において、オリフィスプレート40の外面68から基板48に向かって測定されるものとみなす。
【0025】
オリフィスの深さを考慮する上で、オリフィスを取り囲み関連するチャンバの上にあるオリフィスプレートの環状部として表すことができる環形の点からその構造を考察するのが有用である。図3の断面図に示すように、カラーオリフィス44を取り囲み下にあるチャンバ60から上向きに伸ばした破線72の間にあるオリフィスプレート材料の体積において、「カラー」の環形70が1つ存在している。同様に、ブラックオリフィス42を取り囲む下にあるチャンバ62から上向きに伸ばした破線76の間にあるオリフィスプレート材料の体積において、「ブラック」の環形74が表される。
【0026】
図3を参照して、1つのチャネル66の深さは、同じオリフィスプレート40内の別のチャネル64の深さと同じであってもそれよりも深くてもよい。チャネルを考察すると、深さ寸法が、垂直に測定するものではあるが、そのチャネルが基板48上に延びる距離を意味するものとする。
【0027】
上述の説明は、形状が略円筒形のオリフィスおよびチャンバに関するものであるが、オリフィスおよびそれに接続されたチャンバは、様々な形状のうちいずれにも構成しうる、と理解される。例えば、たとえオリフィスが円筒形であるとしても、下にあるチャンバが正方形や長方形(角を丸めた)であってもよい。そのようなものであれば、上述の環状すなわち環形の部分は、いくぶんフレーム形であろう。従って、環形という用語は、特定の環状すなわちリング形に限定されるものではない。
【0028】
2つのオリフィス、チャンバ、またはチャネルの間で、長さ(図3において水平に測定)や幅(図3の平面に垂直な方向に測定)を変えてもよいことが理解されよう。しかし本発明は、上述のように、単一のオリフィスプレートを横切る深さ寸法における変化に関連するものである。このように深さが可変であるということは、それ単独であっても、可変の長さおよび幅寸法と組み合わせても、プリントヘッドの設計を任された人が利用できるオプションの数を大幅に拡大するものである。例えば、チャンバの深さと、そのチャンバと関連するオリフィスとを合わせた深さとの比は、噴出する滴の体積、その滴の尾部の長さ、チャンバ補充時間、および滴の噴出後チャンバを補充するのに必要な時間に関係する。以下では、様々な深さのオリフィス、チャンバ、およびチャネルを有する一体オリフィスプレートを製造する好適な1方法を説明する。
【0029】
まず図4を参照して、図3の部分に略同じであるが処理が完了する前のものである、プリントヘッドの部分を示す。好適な実施形態において、オリフィスプレート40の製造は、上述のように製造された基板48上にフォトレジスト材料80のベース層を塗布することで始まる(あるいは、オリフィスプレートをマンドレル上に製造し、取り外して、前もって製造しておいた基板に接合してもよい)。
【0030】
好適な実施形態において、フォトレジスト材料80(図4)は、市場で一般的にSU−8として知られている光重合可能なエポキシ樹脂を含む。1つの例として、米国マサチューセッツ州ニュートン市のマイクロケム社(MicroChem Corp.)から入手可能でSU8−10の名称で販売されているものがある。しかし、オリフィスプレートは、200−500ナノメートルの範囲の紫外線等の電磁放射に露光した後に現像液に不溶性となる多数のネガ型フォトレジスト材料のうちのいずれを含んでもよいことが理解される。
【0031】
フォトレジスト層80は、基板状に約20μmの深さ「D」までスピンコートされる(spun)。いったん塗布されると、フォトレジスト層80は、フォトレジスト層80が少なくとも3つの異なるタイプの領域に分けられるようにパターニングされたマスク82を通して紫外線に露光される。1つの領域は、マスク82上の放射遮断パターン84、86により放射を受けない。これらのパターンは、例えばクロムの薄い層を含んでもよい。一方の遮断パターン84は、平面図で(すなわち、図4の平面に平行な方向から見て)比較的直径が小さいカラーオリフィス44の直径に合う形状になっている。他方の遮断パターン86は、平面図で、ブラックオリフィス42の直径に合っている。
【0032】
マスク82上には、一方の遮断パターン84を取り囲む減衰パターン88もあり、光源からの放射の強さを減衰する。このパターンは、例えば、妨害フィルタ材料でできた薄い層、すなわち銀やインコネルとして知られているニッケル・クロム・鉄合金等でできた薄い吸収膜であってもよい。その結果、比較的弱い環形の放射が層80の表面68に達する。この弱い放射を、図4において矢印90で表す。
【0033】
遮断パターン84、86および減衰パターン88から離れた領域においては、最高の、比較的強い光源からの放射が層80の表面68に達する。この強い放射を、図4において矢印92で表す。
【0034】
フォトレジスト層80では、放射にさらされた領域においてポリマー架橋が起こる。この架橋を、図4においてダブルハッチングした(double hatched)領域として表す。より詳細には、強い放射にさらされた領域は深さD2まで架橋が起こり、D2は、比較的弱い放射にさらされた領域において起こる架橋の深さ「D1」よりも深い。
【0035】
弱い放射の大きさは、弱い領域の架橋が侵入する深さ「D1」がカラーオリフィス44を取り囲む環形70の設計深さに合うように、選択される。同様に、強い放射の大きさは、強い領域の架橋が侵入する深さ「D2」がブラックオリフィス42を取り囲む環形74の設計深さに合うように、選択される。
【0036】
図5を参照して、フォトレジスト層80は次に、強い放射にさらされる。この放射は、層80の表面68の上にあって層80のうちのオリフィス44、42および環形70、74に対応する部分を覆う遮断パターン98、100を有するようにパターニングされたマスク96を通して、層80に向けられる。別の言い方をすれば、遮断パターン98、100は、平面図において、インクチャンバ60、62の形状に対応している。
【0037】
図5において示すように、この段階において用いる強い放射は、インクチャンバ60とインクチャンバ62との間の領域等、この放射にさらされる領域において、全深さ「D」にわたって確実に架橋が起こるように、選択される。いったんこの露光が完了すると、層80が焼成され(例えば95℃で30分間)、従来技術の方法で現像されて、102および104で示すような、層80の残っている露光されていない部分が取り除かれる。この露光されていない部分102、104はそれぞれ、連続したカラーオリフィス44とチャンバ60、および連続したブラックオリフィス42とチャンバ62に対応している。この現像によって、同じ部材中に様々な形状のオリフィスおよびインクチャンバを含む、本発明の一体オリフィスプレート40が作られる。
【0038】
図3の64で示すようなチャネルが必要な場合には、チャネル64の上方のマスク96の対応する部分が減衰フィルタでパターニングされ、中間レベルの強さの放射が層80(図5)を通って、プリントヘッドの設計者が選択する「D」に近いが「D」よりも浅い深さまで架橋が起こるようにする。残っている露光されていない部分は、上述の露光されていない部分102、104と同時に取り除かれる。このようにして、様々な深さのチャネルを単一のオリフィスプレート内に作成することができる。
【0039】
図6は、代替のプリントヘッド設計を表す。図6において、上述のチャネルの機能を、制御層258を貫通して形成される供給スロット264、266が代わりに行っている(層258は、その他の点においては上述の層58と同様である)。供給スロット264、266は、現像されていない領域202、204が取り除かれた後にできるチャンバ、およびシリコン基板250内にエッチングされる関連する管路265、267と液通する。こういった管路265、267は、カートリッジ内のそれぞれのカラーのおよびブラックのインク槽に接続されている。従って、この実施形態では、チャネルをフォトレジスト層280内に形成する必要がない、ということが理解されよう。層280は、その他の点においては、図4および図5に関して上述した方法で処理される。
【0040】
本発明を、好適な実施形態に関して説明したが、当業者であれば、本発明の精神および範囲はこういった実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に規定する様々な変形および均等物に及ぶものであることは当業者にとって自明のことである。
【0041】
以上、本発明の実施例について詳述したが、以下、本発明の各実施態様の例を示す。
(実施態様1)インクジェットペン(20)用のオリフィスプレート(40)の製造方法において、外側表面(68)および深さを有するフォトレジスト材料の層(80)を基板(48)上に設け、前記フォトレジスト層を露光して、前記外側表面から前記層の深さへと延びる少なくとも2つの環状部(72、76)を、一方の環状部の深さが他方の環状部の深さよりも深いようにこれら環状部を画定し、前記層の、前記環状部に取り囲まれる部分を取り除いて、それによってオリフィス(44、42)を画定し、前記層の、前記環状部と前記基板との間の部分(102、104)を取り除いて、それによって、それぞれの環状部について、その環状部のオリフィスに続くチャンバ(60、62)を画定することからなるインクジェットペン(20)用のオリフィスプレート(40)の製造方法。
(実施態様2)前記露光する段階は、電磁放射(92)を、一方の環状部に向けられる前記放射の強さが他方の環状部に向けられる放射の強さと異なるように、前記層に向ける段階を含む、前項(1)に記載の方法。
(実施態様3)前記層に向けられる前記放射のうちの少なくともいくらかの強さレベルを低くするマスク(82)を設ける段階を含む、前項(2)に記載の方法。
(実施態様4)前記取り除く段階は、前記環状部間の領域において前記フォトレジスト層(80)の全深さを露光する段階を含む、前項(1)に記載の方法。
(実施態様5)前記取り除く段階はまた、前記層(80)を現像して前記層のうちの露光されていない部分(102、104)を取り除く段階も含む、前項(4)4に記載の方法。
(実施態様6)外側表面(68)と内部に形成された第1および第2のチャンバ(62、60)とを有するベース(80)を含み、前記ベースはそれぞれが前記外側表面から測定した深さを有する第1および第2の環状部(72、76)を規定するような形状になっており、該第1の環状部が前記第1のチャンバに連続しており、前記第2の環状部が前記第2のチャンバに連続しており、前記第1の環状部の深さが前記第2の環状部の深さよりも深いことを特徴とするインクジェットプリントヘッド(26)用のオリフィスプレート(40)。
(実施態様7)第1および第2のチャネル(64、66)を更に含み、該第1のチャネルが前記第1のチャンバ(60)に接続されており、前記第2のチャネルが前記第2のチャンバ(62)に接続されており、前記第1のチャネルの深さが前記第2のチャネルの深さと異なる、前項(6)に記載のオリフィスプレート。
(実施態様8)前記ベース(80)は一体部材である、請求項6に記載のオリフィスプレート。
(実施態様9)前記ベース(80)は、フォトレジスト材料の、露光、焼成、かつ現像される層を含む、前項(6)に記載のオリフィスプレート。
(実施態様10)少なくとも2つの熱変換器(52)を担持する基板(48)に取り付けられた、前項(6)に記載のオリフィスプレート。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好適な実施例であるオリフィスプレートを有するプリントヘッドが設けられたインクジェットカートリッジの斜視図。
【図2】カートリッジ内に備え付けられる4つのカラーインクと関連する4つのオリフィスの組の配置を表す、プリントヘッドの拡大平面図。
【図3】プリントヘッドの、図2の3−3線に沿った拡大断面図であり、本発明の好適な実施形態により製造されたオリフィスプレートを示す図。
【図4】本発明によるオリフィスプレートの製造において行われる好適な段階を説明するための図。
【図5】本発明によるオリフィスプレートの製造において行われる好適な段階を説明するための図。
【図6】本発明により製造されたプリントヘッドおよびオリフィスプレートの別の好適な実施形態を示す断面図。
【符号の説明】
20:ペン
26:プリントヘッド
40:オリフィスプレート
42、44:オリフィス
48:基板
52:熱変換器
60、62:チャンバ
64、66:チャネル
72、76:環状部
80:ベース
82:マスク
92:電磁放射
102、104:露光されていない部分

Claims (3)

  1. インクジェットペン用のオリフィスプレートの製造方法において、外側表面および深さを有するフォトレジスト材料の層を基板上に設けるステップであって、少なくとも2つの加熱素子を備える前記基板にフォトレジスト層を塗布するステップと
    前記フォトレジスト層を露光するステップであって前記層に電磁放射を照射し、前記層に、少なくとも2つの環状部を、前記加熱素子と同心軸状に整列するように設け、前記一方の環状部の深度が他方の環状部の深度よりも大きくなるようにこれら環状部を画定し、一方の前記環状部に向けられる前記放射の強度が他方の環状部に向けられる放射の強度と異なるものであり、前記環状部間の領域においては前記フォトレジスト層の全深さを露光するステップと、
    前記層のうち露光されていない部分を除去し、現像するステップであって、前記層の、前記環状部に取り囲まれる部分を除去することによってオリフィスを画定し、前記層の、前記環状部と前記基板との間の部分を除去することによって、それぞれの環状部について、その環状部の固有の径を有するオリフィスに連通するチャンバを画定するステップとからなるインクジェットペン用オリフィスプレートの製造方法。
  2. 前記層への前記放射のうちの少なくともいくらかの強度レベルを低くするマスクを設けることを特徴とする請求項記載のインクジェットペン用オリフィスプレートの製造方法。
  3. さらに、前記フォトレジスト層に第1および第2のチャネルを設けるステップであって、フォトレジスト層の全深さよりも浅い深さまで露光するステップを含み、前記第1のチャネルはインク発射方向と垂直な方向で前記チャンバの一方へ連通し、前記第2のチャネルはインク発射方向と垂直な方向で前記チャンバのもう一方に連通するものであり、前記第1ののチャネルの深さが前記第2のチャネルの深さと異なることを特徴とする請求項1記載のインクジェットペン用オリフィスプレートの製造方法
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