JP4861684B2 - 液滴イジェクタ及び液滴イジェクタ形成方法 - Google Patents
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Description
本発明は、画素形成素子ゾーンとヒータ素子と温度センサとを備える液滴イジェクタ、及びそのような液滴イジェクタの形成方法に関する。
本発明は、例えば、インクジェット液滴イジェクタ用の薄膜又は厚膜ヒータ及び制御用構造に関する。本発明の有益な用途の一つは、インクジェット液滴イジェクタ（本件技術分野にていう「プリントヘッド」）の中でも特に相変化インク吐出用のものであるため、以下その種の用途を例として説明することとするが、他種類似液状素材吐出用にも本発明を適用実施でき、またそれによってイジェクタ温度安定化に寄与できることを、理解されたい。本発明を適用できるジェット化可能液状素材としては、例えば、インクジェットプリンタ用インク、液体金属、カラーフィルタ素材、フォトレジスト素材、未硬化樹脂、生体試薬、更にはチョコレート（食品）等がある。
背景技術としては各種の液滴イジェクタが知られているため、ここでは明瞭化のためその一例を取り上げて説明する。
相変化インク吐出用液滴イジェクタ上でヒータを使用することは周知である。相変化インクとは、室温では固体だが約１３０〜１４０°Ｃで液状になりジェット化可能になるインクである。即ち相変化インクはその粘度が温度により変わるという性質を有しており、インク滴吐出速度にその影響が現れることがある。通常、ジェット化温度における相変化インクの粘度はおよそ１０〜１５センチポイズであり、温度によるインクジェット速度変化は約２〜３％／°Ｃである。回転ドラム又は対象媒体上へのプロセス方向インク滴射突位置精度にこの温度依存粘性が大きな影響を及ぼし得ることから、既知の何種類かの相変化インク液滴イジェクタに、ヒータ素子及びサーミスタが外付けされている。
相変化インク等用の媒体全幅型液滴イジェクタの一例として、特許文献１に示されているものがある。特許文献１は、「複数オリフィス相変化インクジェットプリントヘッドにて温度が均一になるようインクを加熱する装置及び方法（Apparatus and Method for Heating Ink to Uniform Temperature in a Multiple-orifice Phase-change Ink-jet Print Head）」と題し１９９５年６月１３日付でAlavizadeh et al.に付与された米国特許に係る文献である。ここで、分解斜視図である図１に、特許文献１による開示に従い、媒体全幅型液滴イジェクタ４４に対する液滴イジェクタヒータ５８、フレキシブル回路６２、インクリザーバ５２、インクプリメルトチャンバ５４Ｃ，５４Ｍ，５４Ｙ及び５４Ｋ、並びにカートリッジヒータ５６の位置関係を示す。図１では、媒体全幅型液滴イジェクタ４４の横方向をＸ方向、媒体全幅型液滴イジェクタ４４の縦方向をＹ方向とし、ＸＹ平面の法線方向に分解したものを示している。まず、カートリッジヒータ５６は、インクリザーバ５２及びインクプリメルトチャンバ５４に伝熱できるよう組み込まれる熱分散バー１００の内部に、挿入されている。熱分散バー１００の温度は図中隠れ線のサーミスタ１０２により検知され、このサーミスタ１０２と従来からあるゼロクロス検知型離散周期温度コントローラとの連携動作によって、熱分散バー１００、インクリザーバ５２及びインクプリメルトチャンバ５４の温度が安定化される。これらの部材の合計熱質量は、インクの溶融、貯蔵及び分配を行えればよいことから、温度コントローラによる制御に対する熱応答時間が９０秒程度の比較的長い時間になるよう決められている。
他方、液滴イジェクタ４４における熱応答時間はより短く、約３〜７秒とされている。これは、上述の熱伝達機構が引き起こした温度変化、プリンタモードによる温度差、並びに濃密パターンインク吐出に伴う熱損失に、対応できるようにするためである。液滴イジェクタ４４の温度は、液滴イジェクタ４４の壁部内に挿入されている図中隠れ線のサーミスタ１０４により検知され、液滴イジェクタヒータ５８に電力を供給する温度コントローラによりかくの如く制御される。
液滴イジェクタ４４は、図中破線の方形表面接触領域９２同士が一致するようにリザーバ５２に添着されている。リザーバ５２側の接触領域９２内にはインクポート１０６が４ロー（ｒｏｗ）設けられている。これらのインクポート１０６は、溶融したイエロー、マジェンタ、シアン及びブラックインクを液滴イジェクタ４４に受け取らせるためのものである。また、プリントヘッド４４側の接触領域９２内にはインクポート１０６と対をなすようインクポート（図示せず）が４ロー設けられており、これらのインクポートは４本あるオリフィス４６のローの下側に当該オリフィス４６から分離して設けられている。この接触領域９２を挟んで両側で熱応答時間が相違しているため、液滴イジェクタ４４に係る温度制御ループとリザーバ５２に係る温度制御ループとの間で熱発振が生じることを、防ぐことができる。
液滴イジェクタヒータ５８は、接触領域９２上にぴったり隣り合うように液滴イジェクタ４４の背面に接合される。液滴イジェクタヒータ５８に設けられている切欠部分１０８は、液滴イジェクタ４４側にエリアをとって設けられている図示しない圧電トランスデューサとの干渉を回避しこれを収容するための切欠である。各ローのオリフィス４６を駆動するためのこの圧電トランスデューサは、フレキシブル回路６２を介して駆動回路６０に電気的に接続される。
但し、液滴イジェクタヒータ５８がプリントヘッド４４から離れた場所にてフレキシブル回路６２の広い表面上に接しているのであれば、切欠部分１０８はなくしてもよい。その場合、液滴イジェクタヒータ５８からの熱はフレキシブル回路６２を介しまた部分的には圧電トランスデューサを介して、液滴イジェクタ４４へと伝わることとなる。圧電トランスデューサは良好な熱伝導体ではないが、液滴イジェクタ４４を形成しているステンレススチールはそうではない。このようにして形成される熱伝達経路は、各オリフィス４６近辺で熱がインクに直に伝わりやすい熱伝達経路である。
しかしながら、特許文献１に記載されているようにフレキシブル回路によりヒータが外付されている相変化液滴イジェクタには、少なくとも数個の問題点がある。まず、ヒータを形成しているフレキシブル素材が熱絶縁性であり、またアセンブリ内にはこの他にも熱抵抗があるため、液滴イジェクタの基板温度がフレキシブルヒータ温度に対して思うように反応・応答してくれない。これは上述した構成の短所の一つである。この構成には更に製造コストが高いという短所もある。
この種の構成には、更に、フレキシブル回路を用いているため実現可能な画素密度（解像度）に上限がある、という短所もある。これは、基本的には信号線路の本数に限界があるためである。
更に、相変化インク滴イジェクタを組み込んだ装置によって高品質印刷物を作成できるようにすることが望まれているが、そのためには、画素形成素子（pixel）ゾーン全体に亘って十分に均一に加熱できるようにする必要がある。
本発明に係る液滴イジェクタは、複数の画素形成素子を含み、本液滴イジェクタの表面上にある画素形成素子ゾーンと、電気抵抗を有し本液滴イジェクタ表面上の画素形成素子ゾーン内に配置された薄膜又は厚膜のヒータ素子であって、複数の画素形成素子のうち少なくとも１個を取り巻くヒータ素子と、このヒータ素子に係る温度フィードバック制御に使用可能な少なくとも１個の薄膜又は厚膜の温度センサと、を備える。
本発明の一実施形態に係る液滴イジェクタは、ジェットスタックと、このジェットスタックの表面上に形成された画素形成素子行列を含む画素形成素子ゾーンと、ジェットスタック表面上の画素形成素子ゾーン内に配置された薄膜又は厚膜のヒータ素子と、このヒータ素子に係る温度フィードバック制御に使用可能な少なくとも１個の薄膜又は厚膜の温度センサと、を備えるものである。
本発明を実施する際には、例えば、薄膜若しくは厚膜のヒータ素子、薄膜若しくは厚膜の温度センサ、又はその双方を、その電気抵抗の温度係数が正である素材即ちＰＴＣ素材（positive temperature coefficient of resistance material）又は負である素材即ちＮＴＣ素材（negative temperature coefficient of resistance material）から形成する。
本発明を実施する際には、例えば、ジェットスタックをステンレススチール素材により形成する。
本発明を実施する際には、例えば、任意の画素形成素子列を取り囲むようヒータ素子によりループを形成する。本発明の実施形態に係る液滴イジェクタは、例えば、ＰＴＣ素材又はＮＴＣ素材から形成されジェットスタック表面上の画素形成素子ゾーン外に配置された第２のヒータ素子を備える。
本発明を実施する際には、例えば、薄膜又は厚膜のヒータ素子を個別制御可能な構成とする。
本発明を実施する際には、例えば、薄膜又は厚膜のヒータ素子を複数個のヒータセグメントにグループ分けし、それらヒータセグメントを個別制御可能な構成とする。
本発明を実施する際には、例えば、ヒータセグメントが隣同士で重なり合うように配置する。
本発明を実施する際には、例えば、接続先画素形成素子近傍での幅より接続先パッド近傍での幅の方が狭い信号線路によって、各画素形成素子を入出力パッドに接続する。
本発明を実施する際には、例えば、各画素形成素子を入出力パッドに接続する信号線路の幅を、接続先パッド近傍から接続先画素形成素子近傍にかけて順番に広くしていく。
本発明を実施する際には、例えば、各画素形成素子を入出力パッドに接続する信号線路を薄膜又は厚膜のＰＴＣ又はＮＴＣ素材から形成する。
本発明に係る液滴イジェクタ形成方法は、複数の画素形成素子を含む画素形成素子ゾーンが形成される領域がその表面上に定められているジェットスタックを準備するステップと、誘電体層を前記ジェットスタック表面上に少なくとも１層形成するステップと、薄膜又は厚膜の金属層を前記誘電体層上に少なくとも１層形成するステップと、電気的抵抗を有する薄膜又は厚膜のヒータ素子であって、前記複数の画素形成素子のうち少なくとも１個を取り巻くヒータ素子、前記複数の画素形成素子の各電極、及び、前記ヒータ素子に係る温度フィードバック制御に使用可能な少なくとも１個の薄膜又は厚膜の温度センサ素子を前記金属層内にパターニングするステップと、電気的接続が行われる前記金属層上の領域が露呈するよう、前記金属層上に保護層を形成するステップと、を有する。
本発明の一実施形態に係る液滴イジェクタ形成方法は、画素形成素子行列を含む画素形成素子ゾーンがその表面上にあるジェットスタックを準備するステップと、誘電体層をジェットスタック表面上に形成するステップと、金属層を誘電体層上に形成するステップと、薄膜又は厚膜のヒータ素子を金属層内にパターニングするステップと、を有するものである。
本発明に係る液滴イジェクタ形成方法は、金属層を形成する素材が、その電気抵抗の温度係数が正である素材即ちＰＴＣ素材又は負である素材即ちＮＴＣ素材であるものに対して適用することが好適である。
本発明に係る液滴イジェクタ形成方法においては、上記ヒータ素子を、個別に制御可能な複数個のヒータセグメントに分かれるようパターニングすることが好適である。
本発明に係るイジェクタ形成方法においては、隣同士のヒータセグメントが重なり合うようパターニングすることが好適である。
本発明に係るイジェクタ形成方法においては、液滴イジェクタ上で幅方向にセグメント化されている安定化対象加熱ゾーンが、オンデマンド印刷／複写部、オンデマンド媒体幅設定部又は温度均一化部によって適宜駆動されることが好適である。
本発明を実施する際には、例えば、金属層をクロムから形成する。
本発明を実施する際には、例えば、ヒータ素子のパターニングの際に、温度センサ素子、更なるヒータ素子、ビンディングパッド並びに画素形成素子ボンディングパッド間接続用信号線路のうち少なくとも１個を、併せてパターニングする。
本発明を実施する際には、例えば、薄膜又は厚膜素材から形成される温度センサ素子を、構成に応じサーミスタ又は熱電対により実現する。
本発明を実施する際には、例えば、薄膜又は厚膜素材から形成される温度センサ素子を、構成に応じ共通中心型配置（common centroid）の温度センサとして実現する。これにより、プロセス又は温度による抵抗器線幅、抵抗器線幅勾配及び温度勾配の変化に影響されずに、温度を検知可能となる。
本発明を実施する際には、例えば、薄膜又は厚膜素材から形成される温度センサ素子を、熱遮蔽保護特性、電気遮蔽保護特性又はその双方を有するものとする。
以下説明する実施形態は、ジェット化可能素材（相変化インク、液体金属、カラーフィルタ素材、フォトレジスタ素材、未硬化樹脂、生体試薬等）を吐出するためのインクジェット型液滴イジェクタに幾つかの改良を施し、これを温度的に安定化したものである。そのための改良点の一つは、液滴イジェクタを、ヒータ及び温度センサを厚膜又は薄膜により形成して統合・一体化した構成としたことである。このような構成としているため、本実施形態によれば、ヒータシステム（本実施形態では厚膜又は薄膜ヒータシステム）とステンレススチール基板等の基板との間の熱的結合が、より良好になる。使用するプロセスも、好ましいことに、薄膜又は厚膜素材向けの集積回路製造プロセスでよい。このように一体化された薄膜又は厚膜のヒータによれば、ジェットスタックを直に加熱してその温度を適正インクジェット動作に望ましいインク温度まで上げること、しかも従来技術に係るヒータに比べ良好な加熱効率で以て上げることができる。また、一体化された温度センサによって基板温度を直に監視できるため、そのフィードバック制御を好適に行える。更に、ヒータ及び温度センサ機能を薄膜又は厚膜技術により相変化インク液滴イジェクタ上に直接組み込んで一体化してあるため、プリントヘッド暖機時間が短くなる、ヒータ装置の電力ピーク値が下がる、高い画素密度（高解像度）を実現しやすくなる、相互接続線路の集積密度を高めやすくなる等、その性能を向上させることができる他、製造コストを低減することができる。
加えて、本実施形態に係る相変化インク液滴イジェクタを実現するに当たり、複数個のセクションに分けセクション毎に独立して温度安定化制御を行う構成とすることができる。このように温度制御ゾーンをセグメント化しそれらを個別に温度安定化制御することによって、液滴イジェクタの全体に亘りより均一な温度プロファイルを実現することができる。また、このように複数個の温度安定化制御ゾーンに分けることによって、多様な媒体幅乃至紙幅条件に対応することができ、紙幅に応じた温度プロファイルを要求に応じ（即ちオンデマンドで）実現することができる。
更に、本実施形態は、随意、インピーダンス整合機能を備えた構成とすることができる。このインピーダンス整合機能は、例えば、他の画素形成素子によるロー（群）を横切って接続先の画素形成素子に近づいた順にその幅が広がるよう、画素形成素子給電用相互接続線路即ち信号線路を構成することにより、実現できる。このように順序を追って信号線路の幅を広げていくことにより、ボンディングパッド乃至入出力パッドから離れているところにあるローに至る信号線路の抵抗値も、その種のパッドから近いところにあるローに至る信号線路の抵抗値も、信号伝搬上許容できる範囲内に収めることができる。これによって、ローの違いによる信号線路の違いが範囲的に狭くなり、印刷動作を全体に亘り統一のとれたものにすることができる。
図２に示す液滴イジェクタ２００はジェットスタック２０２を備えており、このジェットスタック２０２の上には画素形成素子ゾーン２０４が設けられている。ジェットスタック２０２は、後に図１０〜図２０中の記載から明らかになるように、インクチャネル及びインク吐出用オリフィスが形作られるよう例えば複数層のステンレススチールによって形成されている。ジェットスタック２０２の一方の面はジェット化面即ちインクを吐出する面であり、逆の面はアクチュエータ面即ちアクチュエータ素子が固着されている面である。図２に示されているのはアクチュエータ面である。
画素形成素子ゾーン２０４は、ジェットスタック２０２の表面に行列配置された複数個の画素形成素子２０６を有するゾーンであり、図示の通り、ジェットスタック２０２の略中央部に位置している。なお、理解されるべきことに、画素形成素子２０６は様々な態様で配置することができる。例えば、設ける画素形成素子２０６をただの１個にすることもできるし、複数個の画素形成素子２０６を設ける場合でも、不規則な形態で或いは複数個のアレイのクラスタ群として配置することができる。また、製造の際には、金属化処理によりアクチュエータ素子を好適に形成できるよう、ジェットスタック２０２の表面上に随意、突出したメサを形成する。金属化により形成されたアクチュエータ素子については、ここでは図示されていないが、後に例えば図１０〜図２０により示されることとなろう。更に、理解されるべきことに、画素形成素子２０６はドライバチップによりおよそ−５０〜＋５０Ｖのレンジ内で駆動される。各画素形成素子２０６は、後述する入出力パッド乃至ボンディングパッドとの電気的接続を通じ、図示しないそれらのドライバチップに通電している。ドライバチップは回路層を有するＰＣＢ即ちリジッドな印刷回路基板上にあり、このＰＣＢは液滴イジェクタ２００に取り付けられ、取付先である液滴イジェクタ２００にはインク吐出力を発生させるアクチュエータ素子が組み込まれている。より詳細には、後に図３〜図７及び図１０〜図２０から明らかになるように、一方ではアクチュエータ素子が接地短絡用導電ストラップ即ちジェットスタック２０２の本体から隔てられ銅によって最上層に形成されたストラップに固着されており、他方でアクチュエータ素子に対する駆動信号がジェットスタック２０２の表面即ちヒータ素子面と同じ面を通って給電される。これら、駆動信号用やヒータ素子用の入出力パッドは、ボンディングされるワイヤを介し、ドライバチップが実装されているリジッドな印刷回路基板に接続される。
この構成は、従来システムに対して改良点を有する構成である。従来システムにおいては、アクチュエータ素子が固着されているフレキシブル回路をリジッドなドライバチップ実装ＰＣＢの縁にヒートシール固定し、このフレキシブル回路をインタポーザ（相互接続手段）として用いて当該リジッドＰＣＢからアクチュエータ素子へと駆動信号を運ぶ一方、ステンレススチールから形成されたジェットスタック本体を共通接地電極として用いていたことに、留意されたい。
また、画素形成素子ゾーン２０４内で画素形成素子２０６が形成しているカラムに対応して、薄膜又は厚膜のヒータ素子２０８が形成されている。後により詳細に図示説明するように、画素形成素子ゾーン２０４内にあるヒータ素子２０８は、画素形成素子ゾーン２０４内にある画素形成素子２０６のカラムを取り巻くようループを描いている。液滴イジェクタ２００には、更に、温度センサ（例えばサーミスタ）２１０及び２１２と、また別のヒータ素子２１４及び２１６とが設けられており、これらは画素形成素子ゾーン２０４の外に配置されている。温度センサ２１０及び２１２には入出力用に例えば２個又は４個の端子を設ける。また、熱分布が改善されるように液滴イジェクタ２００上に更にヒータ素子を追加形成してもよい。例えば、インク供給ポート２２２やボンディングパッド２１８の近傍に形成する。更に、先に言及したように、ジェットスタック２０２上にはボンディングパッド２１８や相互接続線路２２０も形成されている。注記すべきことに、回路接続の容易化のため、これらボンディングパッド２１８はジェットスタック２０２の同一縁に沿って並べられている。これも注記すべきことに、相互接続線路２２０は図示の如くボンディングパッド２１８側から扇状に広がった配置で形成されている。これは、液滴イジェクタ２００上におけるインク供給用マニホルドポート２２２の配置場所を確保するためである。相互接続線路２２０をこのように扇状に配置することによって、放熱がより良好になる。
更に注記すべきことに、相互接続線路２２０にはヒータ線路及び信号線路という二種類の線路がある。そのうちヒータ線路は、ボンディングパッド２１８から延び画素形成素子２０６によるカラムを取り巻くループを描いている。また、信号線路は、図２には明示されていないが、制御に用いられる線路であり、適当なボンディングパッド２１８から延ばされ対応する画素形成素子２０６に達している。理解できる通り、何れの種類の線路も図２中の相互接続線路扇状配置部位では扇状に広がって配置されている。また理解されるべきことに、本実施形態を実現する際には、液滴イジェクタ２００の表面上にこれら電気的相互接続線路２２０を形成するのに、電気抵抗値の温度係数が正であるＰＴＣ素材又は負であるＮＴＣ素材を用いることができる。相互接続線路２２０と液滴イジェクタ２００のジェットスタック２０２との間の電気絶縁体を介し、これら相互接続線路２２０によって、イジェクタを共通接地電位に接続することができる。
図３に画素形成素子ゾーン２０４の一部を示す。この図に示すヒータ素子２０８は、ボンディングパッド２１８から延び画素形成素子のカラムを取り巻くヒータ線路２２４を有している。ヒータ線路２２４によるこのループ即ちヒータループの幅は所望の熱分布に応じて決定すればよい。後に更に詳細に説明するように、これらのヒータ素子２０８を個別に制御することも、また何個かのセグメントにグループ分けして各セグメントを個別に制御することも、可能である。図示の如く横並びのヒータループ同士を接続することによって、ヒータループ毎の計測及び監視を至便に行うことができる。この薄膜又は厚膜ヒータループを短めにすれば、ヒータ駆動電圧を十分低いレベルまで下げること、即ち誘電体の絶縁破壊電圧より十分に低い許容レベルまで下げることができる。典型的には、そのような構成における薄膜ヒータ電圧は約６０Ｖを下回る電圧となろう。これは、特許文献１にて用いられているフレキシブルヒータ（長いヒータ電極を蛇のように引き回してループを描いたヒータ）の駆動電圧が約１２０Ｖに至っていたことと、対照的である。
本実施形態に係る薄膜又は厚膜ヒータ及びその制御用構造を上述の通り実現することによって、液滴イジェクタにヒータシステムを統合・一体化したシステムが得られる。このシステムによれば、液滴イジェクタのジェットスタックを所望のインク温度まで加熱することができ、且つこの加熱を従来技術に係るヒータよりも良好な熱効率で行うことができる。その結果、エネルギーが推定で３０％以上も節約される。本実施形態によれば、更に、ジェットスタック暖機時間を短縮できる。また、液滴イジェクタ用にヒータ及びサーミスタ機能を設けるためのコストは、製造に要するコストとしてみてもまた駆動電圧及び電力の安定化に要するコストとしてみても、大きく低減される。
加えて、印刷回路基板上の回路を形成するのに薄膜又は厚膜技術を用いているため、その回路を随意に変形、利用することができる。例えば、相互接続線路の一体形成に関わる制約はフォトリソグラフィパターニング技術による制約だけであるため、より高解像度（画素高密度）の液滴イジェクタが得られるように回路を構成することも可能であろう。
図４にヒータ素子２０８の回路構成４００を示す。この図に示す回路構成４００は第１ヒータセグメント４０２及び第２ヒータセグメント４０４を有している。この図には、ヒータループ４０３等の個々のヒータループも描かれている。この例では、ヒータセグメント４０２及び４０４を領域４０６にて重ね合わせてあるため、プリントヘッド４００をより均一に加熱できる他、加熱ゾーン境界における温度急変を回避することができる。この図には、更に、液滴イジェクタ上に設けられた別のヒータ、即ち複数個のエリアヒータ４０８も示されている。このように、本回路構成４００においては、２個の別々のヒータセグメントを一部領域で重ね合わせている。
図５に示すように、液滴イジェクタを３個以上のヒータセグメントにセグメント化することもできる。図示した例に係る液滴イジェクタ５００は、画素形成素子ゾーン５０２と、その上に配置されたＮ個のヒータセグメント５０４とを有している。図示の如く、制御線路５０６はこれらのヒータセグメント５０４を個別制御できるよう設けられている。更に認められるべきことに、各ヒータセグメント５０４は、図２及び図３中に示したヒータ素子２０８のように画素形成素子によるカラム１個を取り巻くヒータループ１個によって構成することも、或いはそうしたヒータループ複数個のグループによって構成することもできる。
このように、薄膜又は厚膜によるヒータループを、ステンレススチールによる基板の上に個別制御可能に且つ相互接続用パターンと共に設けることによって、加熱対象を複数個の加熱ゾーンに分け、それら加熱ゾーンを個々に熱的に安定化することができる。この安定化は、例えば、温度を検知可能な薄膜又は厚膜温度センサを用いて、或いは加熱される基板上の薄膜又は厚膜ヒータに供給される電力、電流その他の電気的パラメータを検知することを通じて、実現することができる。複数個に分けた加熱ゾーンに対する加熱は、直流（ＤＣ）でも交流（ＡＣ）でも行うことができ、また変調をかけて行ってもかけずに行ってもよい。更に、直流（ＤＣ）であれ交流（ＡＣ）であれ、ヒータ電圧にパルス幅変調（ＰＷＭ）を施すという手法によって、供給電力の安定化を図ることができる。
こういった特徴的構成を採用しているため、様々な用途に適合するようプリントヘッド上の加熱ゾーンに係る設定やその変更を行うことができる。例えば、複数個に分かれている加熱ゾーンを用い様々な媒体（例えば紙）条件に対応することができるため、媒体（紙）幅条件に応じたオンデマンドプリントヘッド加熱を行うことができる。更に、セグメント化されている安定化対象加熱ゾーンを、印刷／複写部からの要求や温度均一化部からの要求に応じて駆動することができる。これらの要求は、互いに衝突しない限り、双方とも充足実現することが可能である。このように、使用する加熱ゾーンの合計幅をオンデマンドでプログラムすることができる制御手法を採用することによって、「エネルギースター」（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔａｒ）等の省エネルギ基準を充足し、プリンタ／複写機による壁面ソケット電力の総消費量低減という点でこれまでにない際だった効果を得ることができる。また、これらの加熱ゾーンを制御するにはそれに適する回路及びソフトウェアを実装すればよく、そういった回路及びソフトウェアは用途毎に異なるものになろうが、例えばプリンタ等の装置にて実施する場合であれば、その装置内にあるコントローラを利用してそれら加熱ゾーンの制御を実行することができる。即ち、そのコントローラに、本願にて述べた目的が達せられるよう処理を実行させ、液滴イジェクタに適切な信号を送らせればよい。無論、液滴イジェクタ自体にコントローラを設けてもよい。
更に理解されるべきことに、ここで述べた液滴イジェクタ等の液滴イジェクタの動作は、典型的には、加熱ゾーンの制御に限らずその全体に亘り、本件技術分野における習熟者（いわゆる当業者）に周知の技術を用いて実現することができる。その際、本願記載の特徴的手段を組み込んだ形へと当該周知手法を変形することは無論のことである。
加熱ゾーンを複数個に分けて動作させる構成の望ましい用途例としては、ある種の印刷／複写用途、即ち様々な幅の印刷物を作成する用途がある。この種の用途においては、例えば、葉書サイズ媒体への印刷物／複写物を複数枚作成する能力が求められる。葉書サイズ媒体への印刷の際には、その葉書サイズ媒体の幅にある程度の媒体（紙）経路幅マージンを加えた幅をカバーするように、ジェットスタックのうち特定の部分を動作温度まで加熱すればよく、ジェットスタックの残りの部分は待機温度にしておくことができる。このようにすることは、相変化インクを使用するジェットスタックにおいて望ましいことである。待機温度では相変化インクは液状のままであり、安定化対象ゾーンのうち使用しないゾーン内のヒータ即ち相変化インクの予備加熱に用いないヒータは、また別機会の印刷／複写に備えてオフしておくことができる。また、温度均一化部からの要求を満たせるよう加熱対象ゾーンをセグメント化する際には、温度均一性を局所的に達成できるよう、セグメント化により形成される安定化対象加熱ゾーン内に取り込む画素形成素子のカラムの個数を少なくし、密なセグメント化をするとよい。隣り合う加熱ゾーン間でヒータループ同士を重ね合わせてもよい。
また、相変化インク液滴イジェクタ上の加熱ゾーンをセグメント化し個別制御することを通じ、温度プロファイルを任意に変化させる制御を実行可能となる。加熱ゾーンを３個以上設けてあれば、温度均一性は更に良好になる。更に、個別制御可能なヒータループをプリントヘッド上に分散配置しているため、安定化対象加熱ゾーン及びゾーン境界における重なり具合を固着先印刷配線基板上で定めることができ、それをカスタマイズして様々な温度安定化対象加熱ゾーンを定めることができる。即ち、媒体加熱ゾーンの実効幅をオンデマンドで設定できることとなる。これにより、勿論、消費電力が低減される。
図６に、画素形成ゾーン６００のうち画素形成素子が形成されている部分を示す。図示した画素形成素子ゾーン６００内の画素形成素子例えば６０２は信号線路６０４と接続されており、信号線路６０４は図示しない対応するボンディングパッドへと延びている。更に、この図に示されているヒータ線路６０４は、図２及び図３に示したように、画素形成素子によるカラムを好適に取り巻くようループを描く線路である。
但し、先に注記したように、本実施形態を実現するに当たり、信号線路のサイズを順を追って変えてその抵抗値を低くしていき、それによって液滴イジェクタ上における信号伝達上の均一性をより良好なものとすることができる。図７に、そのような構成とした画素形成素子ゾーン７００の一部分を示す。画素形成素子ゾーン７００のうちこの図に示す部分内の画素形成素子例えば７０２は、図示しない対応するボンディングパッドに接続される信号線路７０４を有しており、この信号線路７０４は拡幅部７０６を有している。同様に、図示の如く、画素形成素子７０８の信号線路７１０も拡幅部７１２を有しており、画素形成素子７１４の信号線路７１６も拡幅部７１８を有している。これらの画素形成素子及びその信号線路はその性質上例示的なものであるが、看取できるように、それら信号線路の幅は、対応する画素形成素子の近傍にある部分の方が、対応するボンディングパッド寄りの部分に比べて広くなっている。注記すべきことに、例示してある拡幅部をその幅が広い順に並べると、７０６、７１２、７１８という順番になる。図７には、更にヒータ線路例えば７２０も示されている。
図８にグラフ８００を示す。このグラフ８００に示してあるのは、画素形成素子によるローの番号に対する信号線路抵抗値の関係である。注記すべきことに、線８０２は、図６に示した構成について、接続先画素形成素子の所属先ローの違いによる信号線路抵抗値の違いを示す線であり、明らかな通り、ボンディングパッドからローまでの距離が長くなるにつれ抵抗値は増大している。これに対して、線８０４は図７に示した構成から得られたデータを示す線であり、このデータにおいては、画素形成素子がどのローに属しているかによらず信号線路抵抗値が比較的一定になっている。従って、図７に示した構成においては、信号線路抵抗値の違いによる遅延の差異が短縮されその結果プリントヘッド全体での均一性がより良好になる。
図９〜図２０に本実施形態に係る液滴イジェクタ形成方法９００を示す。初めに行うのは適当なジェットスタック１０００を準備することである（ステップ９０２；図１０参照）。理解されるべきことに、ジェットスタック１０００は、通常はステンレススチール素材から形成できる。例えば、液滴イジェクタから媒体（紙）へとインクを吐出するためのインクチャンバ１００２及びオリフィス１００４が適宜形成されるよう、ステンレススチール素材を複数層用いてジェットスタック１０００を作成する。本実施形態に係るこれ以後の処理は、例えば、ジェットスタック１００の側面のうち、媒体（紙）上に向けインクを吐出するジェット化部を有する面（ジェット側の面）１００８とは逆側の面（アクチュエータ側の面）１００６上で、実施する。加えて、ジェットスタック１０００には、ステンレススチール基板に薄膜又は厚膜の構成部分を位置精度よく設けるため、初期位置決め用の配置基準マーク／構造を当該スタック１０００へのエッチング等により設けておくとよい。
更に、ジェットスタック１０００の表面を下処理した上でその面の上にメサ１０１０を形成する（ステップ９０４）。但しこのステップは必須なものではない。メサ１０１０を形成するには、例えば、誘電体素材の層１０１２を形成し（図１０参照）これをパターニングすればよい（図１１参照）。このようにすることで、ジェットスタック１０００に対する位置合わせ公差及び食い付きを、ジェットスタック１０００にアクチュエータ層を固着させる際に必要とされる条件を満たせるよう良好なものとすることができる。また、メサ１０１０を設けることによってアクチュエータの性能も改善される。即ち、メサ１０１０の機能の一つは、メサ１０１０上にあるクロムの画素形成素子電極を基台としてアクチュエータ下部電極を固着させて電気接続を形成するに当たり、その固着を堅固なものとする、という機能である。ダイアフラム下方にある基板本体の中空部及びアクチュエータの縁に対するメサ１０１０の二次元寸法を適宜設定することによって、アクチュエータの諸性能を改善できまたその改善度合いを決定できる。
次に、ジェットスタック１０００の表面を誘電体素材の層１０１４により被覆する（ステップ９０６；図１３参照）。この誘電体素材は絶縁体として機能し、この絶縁体により、導電性のあるステンレススチールによって形成されているジェットスタック１０００との不要な電気接続が妨げられる。この誘電体層１０１４の厚みは、その寄生容量によって画素形成素子駆動信号線路で発生するＲＣ遅延時間が十分許容できるものとなるよう、十分な厚みとすべきである。この誘電体層１０１４はまた、ヒータループの駆動電圧を保持するのにも役立つ。なお、ヒータ駆動電圧は、誘電体層１０１４の絶縁破壊耐力から見て許容できるよう、十分低く設定すべきである。
その上で、ある程度の電気抵抗を有する金属層１０１６をこの誘電体被覆上に形成する（ステップ９０８；図１４参照）。この金属層１０１６はその電気抵抗値の温度係数が様々に異なる各種のＰＴＣ素材から形成できる。ＰＴＣ素材とはその電気抵抗値が正の温度係数を有する素材であり、金属層１０１６としては、クロム、ニクロム（登録商標）、ニッケル、ベリリウム等を含め、その電気抵抗値の温度係数が高いＰＴＣ素材を使用するとよい。勿論、同様にその電気抵抗値の温度係数が高い他種の素材も使用できる。また、その電気抵抗値が負の温度係数を有するＮＴＣ素材や、その電気抵抗値の温度係数が０の素材も、使用できる（電気的相互接続に使用する場合）。金属層１０１６は有機物質からも無機物質からも形成できる。
更にこの金属層１０１６をパターニングする（ステップ９１０；図１５参照）。パターニングは各種の既知手法、例えばフォトリソグラフィの手法を用いて実施することができる。パターンは、本件技術分野において周知の通り、金属層１０１６を部分的にマスキングし引き続いてマスキングされていない部分をエッチングすることにより形成してもよいし、反転リフトオフプロセスによって形成してもよい。また、不要部分をレーザ切削することによってパターニングを行ってもよい。理解されるべきことに、どのような手法でパターニングを行うにせよ、本実施形態にて用いるヒータ素子、サーミスタ、相互接続線路及びボンディングパッドを全てそれによって形成することができる。こうした構成要素を全て薄膜（又は厚膜）による構造物として形成することにより、先に述べた動作が可能になりまた先に述べた利点が実現される。
次に保護層１０１８を形成する（ステップ９１２；図１６参照）。この保護層１０１８は、対スクラッチ性を向上させるための防壁及び湿気に対する防壁として機能し、金属層１０１６に欠陥乃至障害が発生することを妨げる。次いで、所要個所１０２０に対する電気的接続が可能になるよう、この保護層１０１８のうち所要個所１０２０を選択して除去する（ステップ９１４；図１７参照）。例えば、ボンディングパッドや画素形成素子は、固着されるアクチュエータ層と電気的に接続できるようにする必要があろう。
以上の製造プロセス手順に関する記載は、形成する金属層を一層に抑えたプロセスによる実施形態を詳細に説明したものである。このプロセスは、金属層をパターニングすることによって、画素形成素子の電極パッド、相互接続用の信号線路、ヒータ素子、温度センサ（サーミスタ）、ボンディングパッド等を画定するプロセスである。この単一金属層実施形態には、プロセスを構成する手順の個数が少ないためプロセスにおける歩留まりがよく製造所要時間が短い、という利点及び簡便性がある。但し、金属や誘電体による層を複数層用いる製造方法によって本発明を実施することもできる。
更に、アクチュエータ層１０２２を固着層１０２２ａによって固着させる（ステップ９１６；図１８及び図１９参照）。そのための手順としてはいわゆる当業者にとり既知の手順を使用することができる。また、この手順においては、例えば、画素形成素子に対するアクチュエータの位置決めも実行する。そして、ジェットスタック１０００上のボンディングパッドへのワイヤボンディングによって、アクチュエータ素子を駆動するための回路を接続する（ステップ９１８；図２０参照）。その際、ボンディングワイヤ１０２４として例えばアルミニウムのワイヤを用いる。加えて、ボンディングワイヤ１０２４と金属層１０１６との間に界面障壁緩衝素材を挟み、これによってワイヤ１０２４によるボンディングをより良好なものとし信頼性よく接続を形成するとよい。更に、ボンディングパッド近傍に配置基準マーク／構造を設けるようにすれば、光学認識により正確に位置決めしてボンディングを行うことができる。そして、ワイヤボンディングした個所を含めて外装することによって、この装置の信頼性をより良好にすることができる。
先に注記したように、本発明の実施形態における温度センサは様々な形態とすることができる。本発明の実施形態にて温度センサとして好適に使用できるのは、温度を精度よく検知できる温度センサである。温度を精度よく検知できるようにするには、例えば、同一の液滴イジェクタ上に（例えばジェットスタックの幅方向又は長手方向に並んで）配置する複数個の温度センサを、その端間位置精度が最大限良好になるように、設計すればよい。或いは、図２２〜図２４に示す共通中心型配置を用いてもよい。加えて、隣のヒータ素子又は隣の金属電極及び被覆を熱遮蔽保護部材として機能させることにより、温度的な安定性を得ることができる。
本発明の実施形態における温度センサは、図２１に示すようなサーミスタ１０５０とすることができる。注記すべきことに、この図に示すサーミスタ１０５０は所定素材により平行線蛇腹状に形成され、ボンディングパッド、端子等の好適な接続部材につながっている温度センサである。このサーミスタ１０５０は、温度に対しておおよそ直線的にその抵抗値が変化するという機能・性質を有している。
また、熱電対（図示せず）によって温度センサを形成してもよい。その熱電対の接点は、例えば異種薄膜又は厚膜金属同士の接触により、或いは薄膜又は厚膜金属とジェットスタックとの接触により、形成することができる。
図２２〜図２４に示されている温度センサは、共通中心型配置として知られる配置を有するサーミスタ１０６０である。この種の構成のサーミスタにおいては、温度検知結果を計算により正確に導出できるよう、電極線路の幅及び電気的面抵抗が設定される。また、共通中心型配置は、その向きが多少ずれても温度検知結果に影響が出ない配置である。例えば、図示した共通中心型配置サーミスタ１０６０は、図２２に示す抵抗のうちＲ1A及びＲ1Bを構成する線の幅を１としたとき抵抗Ｒ2を構成する線の幅が１／２になるよう、構成されている。抵抗Ｒ1A、Ｒ1B及びＲ2を構成する線の長さは等しく、また抵抗Ｒ1A及びＲ1Bは直列接続されていてその合成抵抗値はＲ1＝Ｒ1A＋Ｒ1Bである。抵抗Ｒ1A及びＲ1Bは、抵抗Ｒ1の重心と抵抗Ｒ2の重心とが一致するよう、抵抗Ｒ2を取り巻いて配置されている。これによって、プロセス勾配及び温度勾配の影響が抑えられている。計測は、パッド１０６２とパッド１０６４との間に既知の電流Ｉを流し検知ポイント間の電圧（ＶS1、ＶS2、ＶSC）を計測する、というやり方で行う。このように電力を加えるポイントと検知のためのポイントとを分けることによって、ボンディングリード、パッド等の寄生抵抗の影響をなくすことができる。また、この差動式の検知によって、拾うノイズも少なくなる。式ＲT＝１／｛１／Ｒ1−１／（２＊Ｒ2）｝による計算により得られる抵抗ＲTの値は、局所的に見てプロセスが概ね均一に行われているなら、抵抗線幅にプロセス上の原因による差があっても同じ値になるであろう。もしプロセスによる幅の差が０であるならＲT／２＝Ｒ1＝Ｒ2になる。
２００，５００ 液滴イジェクタ、２０２ ジェットスタック、２０４，５０２，６００，７００ 画素形成素子ゾーン、２０６，６０２，７０２，７０８，７１４ 画素形成素子、２０８ ヒータ素子、２１０，２１２ 温度センサ、４０２，４０４，５０４ ヒータセグメント、９００ 液滴イジェクタ形成方法、９０２ ジェットスタック準備工程、９０６ 誘電体被覆工程、９０８ 金属層形成工程、９１０ パターニング工程、１０００ ジェットスタック、１００６ アクチュエータ側の面、１０１４ 誘電体層、１０１６ 金属層、１０５０ サーミスタ、１０６０ 共通中心型配置サーミスタ、Ｎ ヒータセグメントの個数。
Claims (4)
- 複数の画素形成素子を含み、本液滴イジェクタの表面上にある画素形成素子ゾーンと、
電気抵抗を有し本液滴イジェクタ表面上の前記画素形成素子ゾーン内に配置された薄膜又は厚膜のヒータ素子であって、前記複数の画素形成素子のうち少なくとも１個を取り巻くヒータ素子と、
前記ヒータ素子に係る温度フィードバック制御に使用可能な少なくとも１個の薄膜又は厚膜の温度センサと、
を備える液滴イジェクタ。 - 請求項１記載の液滴イジェクタにおいて、前記温度センサが、その電気抵抗の温度係数が正である素材即ちＰＴＣ素材又は負である素材即ちＮＴＣ素材から形成された液滴イジェクタ。
- 複数の画素形成素子を含む画素形成素子ゾーンが形成される領域がその表面上に定められているジェットスタックを準備するステップと、
誘電体層を前記ジェットスタック表面上に少なくとも１層形成するステップと、
薄膜又は厚膜の金属層を前記誘電体層上に少なくとも１層形成するステップと、
電気的抵抗を有する薄膜又は厚膜のヒータ素子であって、前記複数の画素形成素子のうち少なくとも１個を取り巻くヒータ素子、前記複数の画素形成素子の各電極、及び、前記ヒータ素子に係る温度フィードバック制御に使用可能な少なくとも１個の薄膜又は厚膜の温度センサ素子を前記金属層内にパターニングするステップと、
電気的接続が行われる前記金属層上の領域が露呈するよう、前記金属層上に保護層を形成するステップと、
を有する液滴イジェクタ形成方法。 - 請求項３記載の方法において、前記金属層を形成する素材が、その電気抵抗の温度係数が正である素材即ちＰＴＣ素材又は負である素材即ちＮＴＣ素材である方法。
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