JP3845424B2 - インクジェットプリントヘッド - Google Patents

Description

［発明の詳細な説明］
本発明はインクジェットプリントヘッドに関し、かつそのようなプリントヘッドを製造する方法に関する。

インクジェットプリンタは、プリントヘッドのノズル板上に設けられたオリフィスのアレイにおける個々のオリフィスから小さなインク滴を噴射することによって作動するようになっている。プリントヘッドは、プリントカートリッジの一部を形成しており、このプリントカートリッジは、紙のシートに対して動かすことが可能であり、プリントヘッドと紙とが相対的に動くときに特定のオリフィスからタイミングを調節して滴を噴射することにより、文字、画像およびその他のグラフィック素材（material）を、その紙の上にプリントするようになっている。

典型的な従来のプリントヘッドは、基板の表面（front surface）上に堆積された薄膜抵抗器および関連する回路を有する、シリコン基板から製造されている。抵抗器は、基板の１つまたはそれよりも多くのインク供給スロットに対してアレイとなるように配置されており、抵抗器のまわりの基板上でバリアー材料が形成され、それぞれの抵抗器を熱噴射チャンバ内に絶縁している。バリアー材料は、熱噴射チャンバを形成するとともに、チャンバとインク供給スロットとの間に液通を提供する形状となっている。このようにして、熱噴射チャンバは、毛管作用によってインク供給スロットからのインクで満たされ、インク供給スロット自体には、プリントヘッドがその一部を形成しているプリントカートリッジ内のインク槽からインクが供給されるようになっている。

上述の複合組立体は、通常、金属のノズル板で覆われている。ノズル板は、各噴射チャンバに対応してその上に配置され、ドリリングによって形成されたオリフィスのアレイを有している。したがって、プリントヘッドは、ノズル板によってシールされ、プリントカートリッジからのインク流の唯一の経路は、ノズル板内のオリフィスを経由するようになっている。

プリントヘッドは、プリンタ制御回路の制御の下で作動するようになっている。プリンタ制御回路は、プリントする所望のパターンに従って個々の抵抗器に、通電するように構成されている。抵抗器は、通電すると急速に熱くなって、熱噴射チャンバ内において隣接する少量のインクを過熱している。この過熱されたインクの容積は、爆発的な気化のために膨張し、これによって、その膨張しながら過熱されたインクの上方にあるインク滴が、チャンバからノズル板の関連するオリフィスを経由して噴射されることになる。

当業者には、この基本構成の多くの変形が既知であろう。例えば、オリフィスとチャンバとのいくつかのアレイは、所与のプリントヘッド上に設けられていてもよく、それぞれのアレイは、異なるカラーのインク槽に通じている。インク供給スロット、プリント回路、バリアー材料およびノズル板の構成は、これらを製造する材料およびこれらの製造方法と同様に、多くの変形例が開発されている。

このような一般的タイプのプリントヘッドは、寸法が非常に小さいので、この構造のインク通路はインク粒子またはその他のコンタミナント（汚染物）によって詰まりやすい、という短所を有している。これを回避する方法のひとつは、主要なインク供給スロットをバイパスしたり、代わりのインク供給経路を設けたりして、代わりのインク供給経路を提供する、というものである。例えば、本願の発明者らによる米国特許第６，３６４，４６６号を参照されたい。その特許の図７は、浅いインクバイパスチャネルを示している。このインクバイパスチャネルは、主要なインク供給スロットから離れて横方向に延在し、たとえ主要なインク供給スロットが詰まっても、インクがインク噴射チャンバに達することが可能となるようにしている。

しかし、そのような解決法は、構造が複雑になることを伴う傾向があり、それによって、さらなる望ましくない処理段階を招いてしまう。また、そのような解決法では、小さな構成部が設けられており、それによって、インク内に閉じ込められた気泡を捕捉してしまう可能性がある。

本発明の目的は、このような短所が回避または緩和される、インクジェットプリントヘッドの新規な構成を提供することである。

本発明は、基板の厚さを貫いて延在し、インク供給源と複数のインク噴射素子との間に液通を提供する少なくとも１つのインク供給スロットを有する基板を備えるインクジェットプリントヘッドであって、インク供給スロットは、フィルターを形成する複数のインク給送穴が開いている選択的に露光され現像されるレジスト材料で、少なくともその深さの一部まで満たされている、インクジェットプリントヘッドを提供するものである。

また、本発明は、基板の厚さを貫いて延在し、インク供給源と複数のインク噴射素子との間に液通を提供する少なくとも１つのインク供給スロットを有する基板を設けること、インク供給スロットを、少なくともその深さの一部までレジスト材料で満たすこと、およびレジスト材料を選択的に露光して現像し、フィルターを形成する複数のインク給送穴を貫通して設けることを含む、インクジェットプリントヘッドを製造する方法を提供するものである。

さらに、本発明は、少なくとも１つのインク槽からプリントヘッドにインクを供給する少なくとも１つの開口部を有するカートリッジ本体と、カートリッジ本体上に取付けられた上述のプリントヘッドとを備え、少なくとも１つの開口部はプリントヘッドの少なくとも１つのインク供給スロットに液通している、プリントカートリッジを提供するものである。

本明細書において、レジスト材料とは、選択的に露光して化学現像を行い、露光していない材料（ポジレジストの場合）または露光した材料（ネガレジストの場合）を溶解して取り除くことができる材料を意味している。例えば、レジスト材料は、フォトレジストまたはイオンによって画像形成可能なレジストであってもよい。そのようなレジスト材料は、当然当該技術分野において既知である。

本明細書において、「インクジェット」、「インク供給スロット」および関係する用語は、噴射する液体がインクである装置に本発明を限定するように解釈してはならない。用語は、プリントヘッドからの熱噴射、圧電噴射、またはその他の噴射による表面上への液体のプリント用で、この一般的な技術のための略記であり、主に意図する用途はインクのプリントではあるが、本発明はまた、その他の液体を同様の方法で堆積（デポジット）するプリントヘッドにも適用可能である。

さらに、本明細書において述べる方法の各段階は、述べる順序で実行することが必要であるという暗示がない限り、必ずしも述べる順序で実行する必要はない。したがって、例えば、インク供給スロットを基板に作成した後に、薄膜抵抗器またはその他のインク噴射素子が堆積されてもよいということもまた、同様に可能である。さらなる例として、インク供給スロット内の選択的に露光したレジストは、その上の構造を設置する前に現像することが必要というわけではない。その構造の一部は、最後にフォトレジストの選択的露光によって製造することができ、このフォトレジストは、インク供給スロット内のレジストと同時に現像することができるからである。

図１は、本発明の好ましい実施形態によるインクジェットプリントヘッドにおいて、基板として用いるシリコンウエハーの一部１０を示している。この基板１０は、対向して互いに略平行な表面１４および裏面（裏面１５は、図１においては見えないが、図２において見ることができる）と、表面１４から裏面１５まで基板１０を完全に貫いてカッティングされた３つのインク供給スロット１２とを有している。組み立てが完成したプリントカートリッジにおいて、このようなスロット１２は、それぞれ異なるカラーのインクを収容する槽に通じる通路に連通している。

基板１０の表面１４上で、それぞれのスロット１２の縁１２ａ（図２）の横には、薄膜加熱抵抗器１６のアレイが配置されている。抵抗器１６は、導電トレース１８によって一連の接点２０に接続されている。接点２０を用いて、フレキシブルプリントヘッド担持回路部材（図示せず）上の対応するトレースに、ワイヤ（flex beams）（図示せず）を介してトレース１８が接続されるようになっている。フレキシブルプリントヘッド担持回路部材は、プリントカートリッジ上に取付けられている。フレキシブルプリントヘッド担持回路部材によって、プリンタ内に配置されたプリンタ制御回路が、ソフトウェアの制御下で既知の方法で個々の抵抗器に選択的に通電することが可能となっている。説明したように、抵抗器１６が通電されると、急速に熱くなって、隣接する少量のインクを過熱し、この少量のインクは、爆発的な気化のために膨張することになる。

図１においては、数個のトレース１８のみが示されている。本実施形態において、それぞれの抵抗器１６には、接点２０に通じるトレースが設けられ、通常は、共通のアースへの接続を行うトレースも設けられている、ということが理解されよう。そのような詳細は、従来技術の一部であり、当業者にはよく知られている。

図２は、インク供給スロット１２の近傍における基板１０の断面図を示している（さまざまな構成要素の大きさは縮尺率が正確ではない）。基板１０の表面１４上のインク供給スロット１２の周囲１２ａに隣接して、導電トレース１８に接続された抵抗器１６が設けられている、ということがわかる。ここでもまた、簡単にするために、堆積した薄膜層１６、１８の詳細は省略している。典型的な実施形態において、薄膜層は、抵抗器（例えば、ＴａＡｌから形成することができる）、ならびに、電源から抵抗器に通じているとともに、抵抗器からアースに通じる導電トレース（例えば、Ａｕ、Ａｌ、またはＣｕ）だけではなく、断熱（例えばＳｉＯ₂）、インクおよび熱からの化学的保護（例えばＳｉＣおよびＳｉ₃Ｎ₄）を行い、ならびに機械的強度を有するパッシベーション（例えばＴａ）を行うさまざまな層も含まれている。

図１に示す基板は、大きなウエハー結晶から切り出されている。抵抗器が露出した状態で切り出した後を示しているが、実際には、後述するように、ウエハーレベルで、プリントヘッドを完成するのに必要なさらなる各段階が行われ、個々のプリントヘッドは、プリントヘッドが略完成した後にウエハーから切り出されることになる。

したがって、図３は大きな円形のウエハー結晶２２を示している。このウエハー２２には、少数のインク供給スロット１２（縮尺率は正確ではない）が示されている。実際には、ウエハー表面は、上述のインク供給スロットのアレイおよび薄膜回路で覆われることになる。インク供給スロット１２は、レーザー・アブレーション、サンドブラスト、またはその他のウエハー切出し技術を用いてウエハーに作成されている。スロットは、（好ましくは）薄膜回路を画定する前にカッティングしても、または薄膜回路を画定した後にカッティングしてもよい。

図４に示す本発明の好ましい実施形態による次の処理段階において、ウエハー２２は、表面１４を上向きにした状態で、加熱したチャック２４上に配置される。次いで、加圧ローラ２６が、ウエハーの端から端まで密着（conformal）シート材料２８を貼ることにより、当該表面を覆う。密着シート材料２８は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）テープであってもよい。このテープは、上に位置する抵抗器１６および導電トレース１８を含むウエハーの表面１４の輪郭に良好に密着し、加熱されると表面に穏やかに付着する、半硬質のテープである。

図５Ａは、密着テープ２８をウエハーに貼った後で、図２における基板の部分を示している。簡単にするために、図５Ａおよびそれに続く各図においては、導電トレース１８が省略されている。テープ２８は、全体としてウエハーの表面１４に密着し、インク供給スロット１２の開口部を横切って延びており、それによってテープ境界面２９は、スロット１２が作成される前に基板の当初の表面を再作成している、ということがわかる。

次に図５Ｂにおいて、ウエハーが反転し、その裏面１５が一番上となるようにする。次に、インク供給スロット１２のそれぞれは、流動可能なレジスト材料３２で部分的に満たされる。レジスト材料３２は、密着テープ２８に当たった状態で流動する。レジスト材料３２は、好ましくは、マサチューセッツ州ニュートン市のマイクロケム社から入手可能なネガ型のＳＵ−８というフォトレジストである。フォトレジスト３２は、Ａｓｙｍｔｅｋ Ｌｉｑｕｉｄ Ｄｉｓｐｅｎｓｅｒ Ｍｉｌｌｅｎｎｉｕｍ Ｓｅｒｉｅｓ Ｍ−２０１０等の工作機械、または、液体を小型のオリフィス内に満たすのに好適ないかなる他の工作機械を用いて施してもよい。

フォトレジスト３２は、スロット１２内に施した後、ソフトベーキングされる。既知のとおり、ソフトベーキングはフォトレジストを硬化させるが、以下に説明するように、選択的に露光し現像することができるというフォトレジストの能力は維持されている。

フォトレジストが固まると、図５Ｃのように密着テープを取り除いてウエハーを再び反転し、基板１０の表面１４と略同一平面上にあるフォトレジスト３２の表面３３を残す。

次に、図５Ｄで示すように、ソフトベーキングしたフォトレジスト３２は、マスク３４を介して選択的に紫外線に露光される。マスク３４は、紫外光を通さない領域３６と、これと相補的な（complementary）紫外光を通す領域３８とを有し、フォトレジスト３２の全深さを貫いて延在する互いに別個の領域４０のマトリクスにおいてフォトレジスト３２を露光するようになっている。図５Ｄにおいて、露光領域４０はハッチングなしで示されているが、これは、このような領域をこの段階において露光したということを単に示し、取り除いた（現像した）ということを示すのではない。フォトレジスト３２の選択露光は、超紫外ステッパマスク配列および露光方式（Ｕｌｔｒａｔｅｃｈ ＵＶ Ｓｔｅｐｐｅｒ Ｍａｓｋ Ａｌｉｇｎｅｒ ａｎｄ Ｅｘｐｏｓｅ ｓｙｓｔｅｍ）（またはその他のＩライン（I-line）ＵＶ露光工作機械）において行ってもよい。

次に、図５Ｅで示すように、選択的に露光したフォトレジスト３２は、従来の現像段階を用いて化学的に現像し、露光したフォトレジスト４０を優先的に溶解して取り除き、フォトレジスト層３２の全深さを完全に貫いて延在するインク給送穴４２のマトリクスを作成する。穴４２の形成後、フォトレジスト３２はハードベーキングされて、最終の形状にセットされる。次に、ウエハー２２の上面１４の全体に、密着ドライフォトレジストテープ４４が従来の方法で貼られ、フォトレジスト３２および抵抗器１６を覆ってから、フォトレジスト４４が選択的に露光し現像して、領域４６においてその一部を取り除き、インクスロット１２および抵抗器１６を露出する。そして、残りのフォトレジスト４４がハードベーキングされる。密着フォトレジストテープ４４は、デュポンのＶａｃｒｅｌ（登録商標）またはその他のドライフィルムフォトレジスト方式であってもよい。

最後に図５Ｆで示すように、前もって形成した金属のノズル板４８がフォトレジストテープ４４の上面に従来の方法で貼られる。最終構造は、図５Ｆにおいてわかるように、複数のインク噴射チャンバ５０を備えている。インク噴射チャンバ５０はそれぞれ、個々の抵抗器１６と、インク供給スロット１２から抵抗器１６までのインク供給経路５２と、それぞれ個々のインク噴射チャンバ５０からノズル板４８の露出した外面まで通じている複数のインク噴射オリフィス５４とを有している。

基板表面１４の上方の構造、すなわち、インク噴射チャンバ５０を含む構造の製造において、上述のインク供給経路５２およびインク噴射オリフィス５４は、全く従来のものであり当業者に既知である、ということが理解されよう。しかし、この構造を製造する他の方法も可能である。例えば、ドライフォトレジストテープ４４を用いる代わりに、ＳＵ−８等の液体フォトレジストを用いてもよい。その場合、領域４０は、図５Ｄに示すように露光されるが、その段階では現像しない。その代わりにウエハーはＳＵ−８でコーティングされてソフトベーキングすることになる。次に領域４６は露光され、露光領域４０，４６を単一段階で現像している。

使用するとき、図５Ｇで示すように、プリントヘッドは、少なくとも１つのインク槽（図示せず）からプリントヘッドにインクを供給する開口部５８を有するプリントカートリッジ本体５６に取付けられる。この目的のために、プリントヘッドは、プリントヘッドのインク供給スロット１２に液通した状態で、開口部５８を有するカートリッジ本体５６に取付けられる。

図６においてわかるように、インク給送穴４２は、大きすぎるインク粒子およびその他の固体コンタミナントがインク噴射チャンバ５０に達することを防止する、フィルターを形成している。インク流の速度は、スロット１２内のフォトレジスト３２の厚さ（深さ）、穴４２の断面積、および単位面積当たりの穴４２の数、の関数である。このようなパラメータは、必要に応じて調整して、所望のインク流特性を提供することが可能となる。好ましくは、穴４２の断面は、充填密度（packing density）が高いので六角形であるが、断面がその他の多角形である穴４２を用いてもよく、望む場合には円形の穴を用いてもよい。

図示のように、インク給送穴４２は、全長を通して断面が一定であり、これは、図５Ｄに示す段階において平行紫外線を用いることによって製造される。しかし、発散紫外線または収束紫外線を用いることによって、先細りの穴４２、すなわち、インク供給経路５２から遠ざかる向きに（すなわち、図５Ｆにおいて下向きに）断面積が大きくなるかまたは小さくなる穴、を製造することができる。インク供給経路５２から遠ざかるにつれてインク給送穴４２の断面積が大きくなると、特に有利である。これにより、捕捉した気泡が、プリントヘッドではなく、プリントカートリッジ本体５６内の直立管へと移動するのが促進されるからである。

本発明は、本明細書において説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲から逸脱することなく変更または変形してもよい。

その上に堆積した抵抗器および関連する回路を有する、本発明の好ましい実施形態によるもので、プリントヘッドにおいて用いるシリコン基板の平面図である。 図１の基板のＩＩ−ＩＩ線部分拡大断面図である。 本発明の好ましい実施形態によるもので、多数のプリントヘッドの同時製造において用いるウエハー全体の斜視図である。 ウエハーに貼ってある密着テープを示す、図３と同様の斜視図である。 図２と同様で、本発明の好ましい実施形態によるさらなる処理段階を経ている基板の、同じ断面を示す断面図である。 図２と同様で、本発明の好ましい実施形態によるさらなる処理段階を経ている基板の、同じ断面を示す断面図である。 図２と同様で、本発明の好ましい実施形態によるさらなる処理段階を経ている基板の、同じ断面を示す断面図である。 図２と同様で、本発明の好ましい実施形態によるさらなる処理段階を経ている基板の、同じ断面を示す断面図である。 図２と同様で、本発明の好ましい実施形態によるさらなる処理段階を経ている基板の、同じ断面を示す断面図である。 図２と同様で、本発明の好ましい実施形態によるさらなる処理段階を経ている基板の、同じ断面を示す断面図である。 図２と同様で、本発明の好ましい実施形態によるさらなる処理段階を経ている基板の、同じ断面を示す断面図である。 図５Ａ〜図５Ｇの方法によって製造されるプリントヘッドの切欠き斜視図である。

Claims (14)

1. 対向する第１および第２の表面を有し、該表面間を基板の厚さを貫いて延在し、インク供給源と前記第１の表面に形成された複数のインク噴射素子との間に液通を提供する少なくとも１つのインク供給スロットを有する基板を備えるインクジェットプリントヘッドであって、前記インク供給スロットは、選択的に露光され現像されることによって、複数のインク給送穴が開けられたフィルターとして形成されるフォトレジスト材料で、少なくとも前記厚さの一部まで満たされており、前記フィルターを形成しているフォトレジスト材料は、前記インク供給スロット内に位置している、インクジェットプリントヘッド。
2. 前記インク給送穴の断面は略正多角形である、請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
3. 前記インク給送穴の断面は略正六角形である、請求項２に記載のインクジェットプリントヘッド。
4. 前記フォトレジスト材料は前記第１の表面と略同一平面を構成している、請求項１〜３のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッド。
5. 前記フォトレジスト材料は、前記インク供給スロットの前記厚さの一部のみを満たすものである、請求項１〜４のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッド。
6. 前記インク給送穴の断面はテーパ状である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッド。
7. 前記インク給送穴の断面積は、前記インク噴射素子から遠ざかるにつれて大きくなっている、請求項６に記載のインクジェットプリントヘッド。
8. 前記複数のインク噴射素子は、前記基板の第１の表面上で、前記インク供給スロットの横に配列され、前記プリントヘッドはさらに、前記基板の前記第１の表面および前記インク噴射素子を覆う構造を有し、該構造は、前記複数のインク噴射素子の各々に対応した複数のインク噴射チャンバと、前記インク供給スロットから前記インク噴射素子までのインク供給経路と、前記個々のインク噴射チャンバから前記構造の外面まで通じている複数のインク噴射オリフィスとを画定している、請求項１〜７のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッド。
9. 対向する第１および第２の表面を有し、該表面間を基板の厚さを貫いて延在し、インク供給源と前記第１の表面に形成された複数のインク噴射素子との間に液通を提供する少なくとも１つのインク供給スロットを有する基板を設けること、前記インク供給スロットを、少なくとも前記厚さの一部までフォトレジスト材料で満たすこと、および前記フォトレジスト材料を選択的に露光して現像し、複数のインク給送穴が形成されたフィルターを前記インク供給スロット内に形成することを含む、インクジェットプリントヘッドを製造する方法。
10. 前記インク供給スロットを、少なくともその厚さの一部までフォトレジスト材料で満たす前記段階は、前記基板の１つの表面に密着シート材料を貼ること、前記インク供給スロットを前記基板の反対側の表面を最上方にしつつ液体フォトレジスト材料で少なくとも部分的に満たすこと、選択的に露光し現像することができるという前記フォトレジスト材料の能力をなくすことなく、前記フォトレジスト材料を硬化するよう処理すること、および前記密着シート材料を取り除くことを含む、請求項９に記載のインクジェットプリントヘッドを製造する方法。
11. 前記複数のインク噴射素子の各々に対応した複数のインク噴射チャンバを形成するために、前記第１の表面上にフォトレジスト層を設けること、および該フォトレジスト層を選択的に露光して現像することをさらに含む、請求項９または１０に記載のインクジェットプリントヘッドを製造する方法。
12. 前記フォトレジスト層は液体として施される、請求項１１に記載のインクジェットプリントヘッドを製造する方法。
13. 前記フォトレジスト層はドライシート材料として施される、請求項１１に記載のインクジェットプリントヘッドを製造する方法。
14. 少なくとも１つのインク槽からプリントヘッドにインクを供給する少なくとも１つの開口部を有するカートリッジ本体と、該カートリッジ本体上に取付けられた請求項１〜５のいずれか一項に記載のプリントヘッドとを備え、前記少なくとも１つの開口部は前記プリントヘッドの前記少なくとも１つのインク供給スロットに液通している、プリントカートリッジ。

Images