JP5818848B2 - プリントヘッド - Google Patents

Description

技術分野
本発明はプリントヘッドに関する。

背景
一般に、インクジェットプリンタは、インク供給部からノズル流路までのインク流路を含む。ノズル流路の終端は、インク滴が射出されるノズル開口部である。インク滴の射出は、インク流路内のインクをアクチュエータよって加圧することによって制御し、このアクチュエータは、たとえば圧電偏向器、サーマルバブルジェット（登録商標）発生装置、または静電偏向素子でもよい。一般的なプリントヘッドは多数のインク流路を有し、インク流路ごとにノズル開口部とアクチュエータとが対応付けられているので、各ノズル開口部からのインク滴の射出をそれぞれ独立に制御することができる。ドロップオンデマンド方式のプリントヘッドでは、プリントヘッドとプリント基板とが相互に相対的に移動しているときに、各アクチュエータを駆動することによって、画像の特定の画素位置にインク滴を選択的に射出する。高性能プリントヘッドでは、一般にノズル開口部の直径は５０μｍまたはそれ以下、たとえば約２５μｍであり、配置間隔はインチ当たり１００〜３００ノズルであり、解像度は１００ｄｐｉから３０００ｄｐｉまたはそれ以上であり、インク滴サイズは約１ピコリットル（ｐｌ）から約７０ピコリットルまたはそれ以下である。インク滴の射出頻度は、一般に１０ｋＨｚまたはそれ以上である。

その内容全体を本願明細書に引用したものとするホイジントン（Ｈｏｉｓｉｎｇｔｏｎ）らの米国特許第５，２６５，３１５号には、半導体プリントヘッド本体と圧電アクチュエータとを有するプリントヘッドについて記載されている。このプリントヘッド本体はシリコン製であり、エッチングによってインク室が画定されている。ノズル開口部は、シリコン本体に取り付けられている別個のノズル板によって画定されている。圧電アクチュエータは圧電材料の層を有し、印加電圧に応じてこの層が形状を変える、つまり撓む。この圧電層の撓みによって、インク流路に沿って配置されている吐出チャンバ内のインクが加圧される。

所定の電圧に対して圧電材料が呈する撓みの量は、その材料の厚さに反比例する。この結果、圧電層の厚みが増すと、所要電圧が増加する。所定のインク滴サイズに対する所要電圧を制限するために、圧電材料の偏向壁の面積を大きくしてもよい。圧電壁の面積を大きくすると、それに合った大きな吐出チャンバが必要になるので、高解像度印刷のための小さなオリフィス間隔の維持などの設計局面が複雑になることがある。

印刷精度は、ヘッド内の各ノズルから射出されるインク滴のサイズおよび射出速度の均一性およびプリンタ内の複数ヘッド間の均一性など、いくつかの要因によって影響される。また、インク滴のサイズと射出速度の均一性は、インク流路の寸法の均一性、音響干渉の影響、インク流路内の汚染、各アクチュエータの作動の均一性などの要因によって影響される。

概要
一態様において、本発明は、上面と下面とを有するモノリシック半導体本体を含むプリントヘッドを特徴とする。モノリシック半導体本体は、吐出チャンバと、ノズル流路と、ノズル開口部とを含む流体路を画定する。ノズル開口部はモノリシック半導体本体の下面に画定され、ノズル流路は加速領域を含む。吐出チャンバには圧電アクチュエータが対応付けられる。アクチュエータは、厚さ約５０μｍまたはそれ以下の圧電層を有する。

別の態様において、本発明は、埋込層と、上面と、下面とを有するモノリシック半導体本体を含むプリントヘッドを特徴とする。モノリシック半導体本体は、複数の流体路を画定する。各流体路は、吐出チャンバと、ノズル開口部と、ノズル流路とを含み、ノズル流路は吐出チャンバとノズル開口部との間にある。ノズル流路は加速領域を含む。吐出チャンバはモノリシック半導体本体の上面に画定され、ノズル開口部はモノリシック半導体本体の下面に画定され、加速領域は、ノズル開口部と埋込層との間に画定される。吐出チャンバには圧電アクチュエータが対応付けられる。圧電アクチュエータは、厚さ約２５μｍまたはそれ以下の圧電材料の層を含む。

別の態様において、本発明は、上面と、ほぼ平行な下面とを有し、インク供給路と、吐出チャンバと、ノズル開口部とを含む流体路を画定するモノリシック半導体本体を含むプリントヘッドを特徴とする。吐出チャンバは上面に画定され、ノズル開口部は下面に画定される。

別の態様において、本発明は、流体流路と、ノズル開口部と、複数の流路開口部を有するフィルタ／インピーダンス構成とを画定する半導体本体を含むプリントヘッドを特徴とする。流路開口部の断面はノズル開口部の断面より小さく、流路開口部の面積の合計はノズル開口部の面積より大きい。

別の態様において、本発明は、流路とフィルタ／インピーダンス構成とを画定するモノリシック半導体本体を含むプリントヘッドを特徴とする。複数の実施態様において、複数のノズル開口部を画定するノズル板が半導体本体に取り付けられる。複数の実施態様において、半導体本体は複数のノズル開口部を画定する。

別の態様において、本発明は、複数の流路開口部を有する半導体を含むフィルタ／インピーダンス構成を特徴とする。複数の実施態様において、これらの開口部の断面は約２５μｍまたはそれ以下である。

別の態様において、本発明は、流路と圧電アクチュエータとを有する本体を含むプリントヘッドを特徴とし、圧電アクチュエータは予備焼成された厚さ約５０μｍまたはそれ以下の圧電層を有し、この圧電層は流路に連通している。

別の態様において、本発明は、表面のＲ_ａが約０．０５μｍまたはそれ以下の圧電層を有するプリントヘッドを特徴とする。

別の態様において、本発明は圧電アクチュエータを含むプリントヘッドを特徴とし、この圧電アクチュエータは厚さ約５０μｍまたはそれ以下の圧電層を有し、この圧電層は少なくとも１つの表面に空隙充填材料を含む。

別の態様において、本発明は、複数の流路開口部を有するフィルタ／インピーダンス構成を含むプリントヘッドを設けるステップと、ｔ／（流れの発達時間）が約０．２またはそれ以上になるように流体を射出するステップとを含む印刷方法を特徴とし、ここでｔは発射パルスの幅であり、流れの発達時間は（流体密度）ｒ^２／（流体粘度）であり、ｒは少なくとも１つの流路開口部の断面寸法である。

別の態様において、本発明は、厚さ約５０μｍまたはそれ以下の圧電層を設けるステップと、この圧電層の少なくとも１つの表面に充填材の層を設けるステップと、圧電材料を露出するために充填材の層の厚さを減らすステップと、圧電材料の表面の空隙に充填材を残しておくステップとを含む方法を特徴とする。

別の態様において、本発明は、本体を設けるステップと、圧電層を本体に取り付けるステップと、固着した圧電層の厚さを約５０μｍまたはそれ以下に減らすステップと、プリントヘッド内の流体を加圧するために圧電層を利用するステップとを含むプリントヘッドの形成方法を特徴とする。

別の態様において、本発明は、圧電層を設けるステップと、膜を設けるステップと、陽極接合によって圧電層を膜に固着するステップと、さらに／または陽極接合によって膜を本体に固着するステップと、アクチュエータをプリントヘッドに組み込むステップとを含むプリントヘッドの形成方法を特徴とする。

別の態様において、本発明は、埋込層と、上面と、下面とを有するモノリシック半導体本体を含むノズル板を特徴とする。本体は複数の流体路を画定し、各流体路はノズル流路とノズル開口部とを有する。ノズル流路は加速領域を含む。ノズル開口部は本体の下面に画定され、加速領域は下面と埋込層との間に画定される。

別の態様において、本発明は、ノズル流路と、ノズル開口部と、フィルタ／インピーダンス構成とを有する流体路を複数含むモノリシック半導体本体を備えるノズル板を特徴とする。

他の態様または実施態様は、上記の各態様の特徴の組合せを含んでもよく、さらに／または以下の特徴を１つまたは複数含んでもよい。

圧電層の厚さは、約２５μｍまたはそれ以下である。圧電層の厚さは、約５μｍから約２０μｍである。圧電層の密度は、約７．５ｇ／ｃｍ^３またはそれ以上である。圧電層のｄ_３１係数は、約２００×１０ ^−１２ Ｃ／Ｎまたはそれ以上である。圧電層の表面のＲ_ａは、約０．０５μｍまたはそれ以下である。圧電層は、予備焼成された圧電材料で構成される。圧電層は、圧電材料のほぼ平面体である。充填材は誘電体である。誘電体は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、またはパリレンから選択される。充填材はＩＴＯである。

半導体本体は、フィルタ／インピーダンス構成を画定する。本フィルタ／インピーダンス構成は、複数の流路開口部を流体路内に画定する。本フィルタ／インピーダンス構成は、複数の突起を流路内に有する。少なくとも１つの突起は、部分的に囲われた領域を画定し、たとえば凹面によってこの領域を画定する。各突起は柱である。少なくとも１つの柱は、上流側に向いた凹面を含む。本構成は、柱を複数列含む。上流側の第１列および下流側の最終列において、第１列の柱は上流側に向いた凸面を有し、最終列の柱は下流側に向いた凸面を有する。第１列と第２列との間の各柱は、上流側に向いた凹面を含む。これらの柱は、下流側に向いた凹面を有する柱に隣接して、上流側に向いた凹面を有する。本構成は、壁部材を貫く開口部を複数備える。開口部の断面寸法は、ノズル開口部の断面寸法の約５０％から約７０％である。フィルタ／インピーダンス構成は、吐出チャンバの上流側にある。フィルタ／インピーダンス構成は、吐出チャンバの下流側にある。

流路開口部の断面寸法は、ノズル開口部の断面寸法より小さい。フィルタ／インピーダンス構成は、凹面領域を有する。流路開口部の断面は、ノズル開口部の断面の約６０％またはそれ以下である。流路開口部の面積の合計は、ノズル開口部の断面の約２倍またはそれ以上である。

流れは、発射パルス幅に相当する時間でほぼ発達し、たとえば開口部の中心における流れの発達は、最大の約６５％またはそれ以上に達する。ｔ／（流れの発達時間）は約０．７５またはそれ以上である。発射パルス幅は、約１０マイクロ秒またはそれ以下である。本構成における圧力降下はノズル流路における圧力降下より小さく、たとえば０．５から０．１である。

アクチュエータは、半導体本体に接合されたアクチュエータ基板を含む。アクチュエータ基板は、陽極接合によって半導体本体に取り付けられる。アクチュエータ基板は、ガラス、シリコン、アルミナ、ジルコニア、または石英から選択される。アクチュエータ基板の厚さは約５０μｍまたはそれ以下であり、たとえば２５μｍまたはそれ以下であり、たとえば５μｍから２０μｍである。アクチュエータ基板は、陽極接合によって圧電層に接合される。アクチュエータ基板は、アモルファスシリコン層を介して圧電層に接合される。圧電層は、有機接着剤によってアクチュエータ基板に接合される。アクチュエータ基板は、流体路に沿って圧電層を越えて延在する。流体路に沿って吐出チャンバを越えて延在するアクチュエータ基板の部分は、肉厚が薄い。アクチュエータ基板は透明である。

半導体本体は、ディフェレンシャルエッチング可能な材料を少なくとも２つ含む。半導体本体は少なくとも１つの埋込層を含み、ノズル流路は変化する断面を含み、埋込層は断面領域が異なる領域の間に設けられる。吐出チャンバは、本体の上面に画定される。ノズル流路は、吐出チャンバからの流体を下面方向に導くための降下領域と、降下領域からの流体をノズル開口部に導く加速領域とを含む。埋込層は、降下領域と加速領域との接合部にある。加速領域および／または降下領域および／または加速領域の断面はほぼ一定である。加速領域の断面は、ノズル開口部に向かって狭まる。断面は、曲線領域を有する。ノズル開口部の断面に対する加速領域の長さの比は、約０．５またはそれ以上であり、たとえば約１．０またはそれ以上である。この比は約５．０またはそれ以下である。加速領域の長さは、約１０μｍから約５０μｍである。ノズル開口部の断面は、約５μｍから約５０μｍである。

吐出チャンバは、ほぼ線形のチャンバ側壁間に画定され、ノズル流路は、これらの一方の側壁にほぼ共線的な延長部によって画定される。本体は、複数の流路対を画定し、これらの流路対にノズルが隣接し、吐出チャンバの各側壁はほぼ共線的である。各対のノズル流路は互い違いに配置されている。各対のノズルは、ほぼ直線を画定する。ノズル流路は長断面と短断面とから成る領域を有し、短断面はノズル開口部の並びとほぼ平行している。

圧電層および／または膜の厚さは、研削によって薄くする。圧電層は、本体に取り付ける前に焼成する。圧電層をアクチュエータ基板に取り付け、このアクチュエータ基板を本体に取り付ける。圧電層は、陽極接合によってアクチュエータ基板に取り付ける。圧電層は、有機接着剤によってアクチュエータ基板に取り付ける。圧電層をアクチュエータ基板に取り付ける前に、アクチュエータ基板を本体に取り付ける。アクチュエータ基板を本体に取り付けた後で、アクチュエータ基板の厚さを薄くする。アクチュエータ基板は、陽極接合によって本体に取り付ける。本体は半導体であり、アクチュエータ基板はガラスまたはシリコンである。圧電アクチュエータは、圧電層と、ガラスまたはシリコンの膜とを含み、この膜は陽極接合によって本体に接合される。圧電層はこの膜に陽極接合される。圧電アクチュエータは圧電層の上に金属被膜層を有し、この金属被膜層の上に酸化シリコンまたはシリコンの層を有する。

本方法は、流路を画定する本体を設けるステップと、アクチュエータを本体に陽極接合によって取り付けるステップとを含む。インク供給路、フィルタ／インピーダンス構成、吐出チャンバ、ノズル流路、および／またはノズル開口部などの流路構成は、以下に説明するように、半導体をエッチングすることによって形成する。

圧電材料に関連する態様と特徴とは、非モノリシック本体および／または非半導体本体によって画定された流路を含むプリントヘッドにも使用できる。流路を画定するモノリシック本体に関連する態様と特徴とは、非圧電アクチュエータ、たとえば静電アクチュエータやバブルジェット（登録商標）アクチュエータにも使用できる。フィルタ／インピーダンスに関連する態様と特徴とは、非圧電アクチュエータまたは圧電アクチュエータおよびモノリシック本体または非モノリシック本体にも利用できる。

図１はプリントヘッドの斜視図であり、図１Ａは図１の領域Ａの拡大図であり、図１Ｂおよび図１Ｃはプリントヘッドユニットの組立図である。 図１はプリントヘッドの斜視図であり、図１Ａは図１の領域Ａの拡大図であり、図１Ｂおよび図１Ｃはプリントヘッドユニットの組立図である。 図１はプリントヘッドの斜視図であり、図１Ａは図１の領域Ａの拡大図であり、図１Ｂおよび図１Ｃはプリントヘッドユニットの組立図である。 図２Ａおよび図２Ｂは、プリントヘッドモジュールの斜視図である。 図２Ａおよび図２Ｂは、プリントヘッドモジュールの斜視図である。 図３はプリントヘッドユニットの断面図である。 図４Ａはプリントヘッドモジュール内の流路の組立断面図である。 図４Ｂは図４Ａの線Ｂ−Ｂに沿ったモジュールの組立断面図である。 図５Ａはプリントヘッドモジュール本体の部分上面図である。 図５Ｂは図５Ａの領域Ｂの拡大図である。 図６Ａは流路開口部における流速のプロットである。 図６Ｂは時間の関数として表した駆動信号を示す電圧のプロットである。 図７Ａは圧電層の表面形状のプロットである。 図７Ｂは表面形状の斜視図である。 図７Ｃは図７Ａの線Ｃ−Ｃに沿った表面形状を示す。 図８Ａ〜図８Ｎは、プリントヘッドモジュール本体の製造を示す断面図である。 図８Ａ〜図８Ｎは、プリントヘッドモジュール本体の製造を示す断面図である。 図８Ａ〜図８Ｎは、プリントヘッドモジュール本体の製造を示す断面図である。 図８Ａ〜図８Ｎは、プリントヘッドモジュール本体の製造を示す断面図である。 図９は、圧電アクチュエータの製造およびモジュールの組立を示すフローチャートである。 図１０は、圧電層の研削を示す側断面図である。 図１１は、プリントヘッドモジュールの断面図である。 図１２Ａはプリントヘッドモジュールの断面図であり、図１２Ｂは図１２Ｂの領域Ｂにおけるモジュール前面の部分拡大図である。 図１３Ａはプリントヘッドモジュールの断面図であり、図１３Ｂは図１３Ａの領域Ａの上面拡大図である。 図１４Ａはプリントヘッドモジュールの断面図であり、図１４Ｂは図１４Ａの領域Ａの上面拡大図である。 図１５Ａはプリントヘッドモジュールの断面図であり、図１５Ｂは図１５Ａの領域Ａの上面拡大図である。 図１６Ａはプリントヘッドモジュールの断面図であり、図１６Ｂはモジュールの構成要素の斜視図である。

さらなる態様、特徴、および利点について以下に説明する。
構造
図１において、インクジェットプリントヘッド１０は、画像を印刷する用紙１４の全幅または一部にわたるように、ケース８６に保持されている複数のプリントヘッドユニット８０を含む。プリントヘッド１０と用紙１４とが相互に相対的に移動しているときに（矢印）、インクをユニット８０から選択的に噴射することによって、画像を印刷することができる。図１Ａの実施形態においては、たとえば約１２インチまたはそれ以上の幅にわたる３セットのプリントヘッドユニット８０が示されている。各セットは、プリントヘッドと用紙との間の相対的な移動方向に沿って複数のプリントヘッドユニットを含み、この例では３つのプリントヘッドユニットを含んでいる。解像度および／または印刷速度を上げるために、ノズル開口部がずれるようにこれらのユニットを配置することができる。あるいは、またはさらに、各セット内の各ユニットにそれぞれ異なる種類または色のインクを供給することができる。この構成を使用すると、プリントヘッドを１回通過させるだけで、用紙全幅にわたるカラー印刷を行うことができる。

また図１Ｂおよび図１Ｃにおいて、各プリントヘッドユニット８０は、面板８２上に配置されたプリントヘッドモジュール１２を含み、インクの射出を制御する駆動信号を送出するためのフレキシブルプリント回路８４がこのプリントヘッドモジュール１２に取り付けられている。特に図１Ｃにおいて、面板８２は、インクをモジュール１２に供給するためのインク供給路を含むマニホールドアッセンブリ８８に取り付けられる。

また図２Ａにおいて、各モジュール１２は、インク滴を射出する多数のノズル開口部２２を画定する前面２０を有する。図２Ｂにおいて、各モジュール１２は、フレキシブルプリント回路を取り付ける一連の駆動接点１７を裏面部１６に有する。各駆動接点は１つのアクチュエータに対応し、各アクチュエータは１つのインク流路に対応付けられているので、各ノズル開口部からのインクの射出を個別に制御することができる。特定の一実施形態においては、モジュール１２の総幅は約１．０ｃｍであり、長さは約５．５ｃｍである。図示の実施形態においては、このモジュールはノズル開口部を１列有する。ただし、このモジュールにノズル開口部を複数列設けることもできる。たとえば、解像度を上げるために、１つの列の開口部を別の列の開口部に対してずらしてもよい。あるいは、またはさらに、それぞれ異なる列のノズルに対応するインク流路に、それぞれ異なる色または種類（たとえばホットメルト、紫外線硬化型、水性基材）のインクを供給してもよい。以下に説明するように、たとえば流路をエッチングする半導体ウエハー内で、モジュールの各寸法を変えることもできる。たとえば、モジュールの幅および長さを１０ｃｍまたはそれ以上にしてもよい。

また図３において、モジュール１２は、モジュール基板２６と圧電アクチュエータ２８，２８’とを含む。モジュール基板２６は、モジュールインク供給路３０，３０’と、フィルタ／インピーダンス構成３２，３２’と、吐出チャンバ３３，３３’と、ノズル流路３４，３４’と、ノズル開口部２２とを画定する。吐出チャンバ３３，３３’の上にアクチュエータ２８，２８’を配置する。隣接ノズルに供給する吐出チャンバ３３，３３’は、モジュール基板の中心線の両側に交互に配置されている。マニホールドアッセンブリ上の面板８２は、モジュール供給路３０，３０’の下部を覆う。インクはマニホールド流路２４から供給され（矢印３１）、モジュール供給路３０に入り、フィルタ／インピーダンス構成３２に導かれる。インクはフィルタ／インピーダンス構成３２を通って吐出チャンバ３３に流れ込み、ここでアクチュエータ２８によって加圧されてノズル流路３４に導かれ、ノズル開口部２２から出る。
モジュール基板
特に図４Ａおよび図４Ｂにおいて、モジュール基板２６は、インク流路構成がエッチングによって形成された、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板などのモノリシック半導体本体である。本ＳＯＩ基板は、ハンドルとして公知の単結晶シリコンの上部層１０２と、活性層として公知の単結晶シリコンの下部層１０４と、ＢＯＸ層として公知の二酸化シリコンの中間層つまり埋込層１０５とを含む。吐出チャンバ３３とノズル開口部２２とは、基板の並行な対向面にそれぞれ形成される。図示のように、吐出チャンバ３３は裏面１０３に形成され、ノズル開口部２２は前面１０６に形成される。モノリシック本体の厚さの均一性は高く、プリントヘッド内の複数モジュールのモノリシック本体間でも高い。たとえば、モノリシック部材の厚さの均一性は、たとえば６インチの研磨ＳＯＩウエハー上に形成されたモノリシック部材の場合、約±１μｍまたはそれ以下にすることができる。結果として、ウエハーにエッチングされた流路構成の寸法の均一性は、本体の厚さのばらつきによって実質的に低下することはない。さらに、ノズル開口部は、別個のノズル板を使わずにモジュール本体に画定される。特定の一実施形態においては、活性層１０４の厚さは約１μｍから約２００μｍであり、たとえば約３０μｍから約５０μｍであり、ハンドル１０２の厚さは約２００μｍから約８００μｍであり、ＢＯＸ層１０５の厚さは約０．１μｍから約５μｍ、たとえば約１μｍから約２μｍである。吐出チャンバの長さは約１ｍｍから約５ｍｍ、たとえば約１ｍｍから約２ｍｍであり、幅は約０．１ｍｍから約１ｍｍ、たとえば約０．１ｍｍから約０．５ｍｍであり、深さは約６０μｍから約１００μｍである。特定の一実施形態においては、吐出チャンバの長さは約１．８ｍｍ、幅は約０．２１ｍｍ、深さは約６５μｍである。他の実施形態においては、モジュール基板を半導体ウエハーなどのエッチング可能な材料とし、ＢＯＸ層をなくしてもよい。

また図５Ａおよび図５Ｂにおいて、モジュール基板２６は、吐出チャンバ３３の上流側に位置するフィルタ／インピーダンス構成３２を画定する。特に図５Ｂにおいて、フィルタ／インピーダンス構成３２は、流路内の一連の突起４０によって画定され、この例ではインク流の方向に沿って３列４１，４２，４３に配置された突起群によって画定されている。これらの突起、この例では並行する柱群、はモジュール基板に一体化されている。フィルタ／インピーダンス構成は、フィルタリングのみを行うように構成することも、音響インピーダンスの制御のみを行うように構成することも、フィルタリングと音響インピーダンス制御の両方を行うように構成することもできる。フィルタリングおよび／または所望の音響インピーダンスが得られるように、突起の位置、サイズ、間隔、および形状を選択する。この構成はフィルタとして、微粒子または繊維などの異物がノズル流路に達してこれを詰まらせないように、異物を捕捉する。この構成は音響インピーダンス素子として、吐出チャンバ３３からインク供給流路３０に向かって伝播する圧力波を吸収することによって、モジュール内のチャンバ間の音響クロストークを減らし、動作頻度を増やす。

特に図５Ｂにおいて、各列の柱群が隣接列の柱群からずれるように柱群をインク流路に沿って配置することによって、構成内に直線流路をなくし、フィルタリング効果を上げている。さらに、柱の形状によってフィルタリング性能を向上させている。この例では、第１列４１の柱群４６は、上流側に略凸状の面４８を含み、下流側に部分的に囲われた窪み領域４７を形成する略凹面５０を含む。列４２の柱群５２は上流側の凹面５４と下流側の凹面５６とを含む。最終列４３の柱群６０は下流側の凸面６２と上流側の凹面６４とを含む。モジュールインク流路３０から構成３２にインクが流れるとき、第１列４１の柱群４６の凸面４８によってこの構成への流路に比較的小さな乱流が誘発される。第１、第２、および第３列の柱群の凹面はフィルタリング機能を強化し、特に繊維などの長細形状の汚染物質をフィルタリングする。繊維がインク流と共に第１列４１を越えて移動すると、第２列または第３列の柱群の下流側凹面５４，６２に引っかかって阻止され、上流側凹面５４，６２と下流側凹面５０，５６との間に捕捉されやすい。第３列４３の下流側凸面６４は、フィルタリング後のインクの低乱流をチャンバに向かわせる。複数の実施形態において、凹面の代わりに他の部分的に囲われた形状、たとえば矩形または三角形の窪み領域を画定する形状を使用することもできる。

柱間の空間は、流路開口部を画定する。流路開口部のサイズと数によって、望ましいインピーダンスおよびフィルタリング性能が得られる。１つの流路開口部のインピーダンスは、その開口部を通過する流体の流れの発達時間に応じて異なる。流れの発達時間は、停止状態の流体が加圧後に定常速度プロファイルで流れるまでの所要時間に関係する。円形ダクトの場合、流れの発達時間は次の値に比例する。

（流体密度）＊ｒ^２／（流体粘度）
ここでｒは開口部の半径である。（開口部が矩形または他の形状の場合、ｒは最小断面寸法の２分の１である。）入射パルスの持続時間に比べて流れの発達時間が比較的長い場合は、流路開口部が誘導子として機能する。しかし、入射圧力パルスの持続時間に比べて流れの発達時間が比較的短い場合は、流路開口部が抵抗子として機能し、入射パルスを事実上減衰させる。

流れは、発射パルス幅に相当する時間で実質的に発達することが好ましい。図６Ａにおいて、管内での流れの発達が示されている。このグラフは、開口部全域における速度Ｕを最大速度Ｕ_ｍａｘで表しており、ここでｒ^＊＝０は開口部の中心であり、ｒ^＊＝１は開口部の周縁である。流れの発達が複数のｔ^＊についてプロットされており、ここでｔ^＊は、パルス幅ｔを流れの発達時間で割った値である。このグラフは、その内容全体を本願明細書に引用したものとするＦ．Ｍ．ホワイト（Ｗｈｉｔｅ）著「粘性流体流（Ｖｉｓｃｏｕｓ Ｆｌｕｉｄ Ｆｌｏｗ）」マグローヒル社刊１９７４年にさらに記載されている。図６Ａのグラフは１４１頁〜１４３頁に記載されている。

図６Ａに示すように、ｔ^＊＝約０．２またはそれ以上であると、開口部中心における流れの発達は最大値の約６５％に達する。ｔ^＊＝約０．７５では、流れの発達は最大値の約９５％である。所定のｔ^＊およびパルス幅に対して、所定の密度および粘度の流体に対する流路開口部の寸法を選択することができる。たとえばｔ^＊＝０．７５、インクの密度が約１０００ｋｇ／ｍ^３、粘度が約０．０１パスカル秒、パルス幅が７．５マイクロ秒である場合は、ｒ＝１０ｅ−６ｍとし、開口部の直径を約２０μｍまたはそれ以下にする必要がある。

図６Ｂにおいて、パルス幅ｔは、インク滴を射出させるための電圧印加時間である。３つのインク滴射出波形を有する駆動信号列が２つ図示されている。アクチュエータに対する電圧は一般に中立状態に維持され、インク滴の射出が必要になると、射出用の波形が印加される。たとえば台形波形の場合、パルス幅ｔは台形の幅である。より複雑な波形の場合は、パルス幅は１つのインク滴射出サイクルの時間であり、たとえば射出波形の開始から立上り電圧に戻るまでの時間である。

この構成内の流路開口部の数は、高頻度の連続動作に十分なインク流が吐出チャンバに送られるように選択することができる。たとえば、減衰効果を与えるほど小さい寸法の流路開口部を１つだけにすると、インクの供給が制限されることがある。このようなインクの枯渇を防ぐために、複数の開口部を設けることができる。本構成の総流動抵抗がノズルの流動抵抗より小さくなるように、開口部の数を選択することができる。さらに、フィルタリングを行うために、流路開口部の直径または最小断面寸法は、対応するノズル開口部の直径（最小断面）より小さいことが好ましく、たとえばノズル開口部の６０％またはそれ以下にする。好適なインピーダンス／フィルタリング構成においては、開口部の断面はノズル開口部の断面の約６０％またはそれ以下であり、本構成内の全流路開口部の総断面積は全ノズル開口部の総断面積より大きく、たとえばノズル断面積の約２倍または約３倍、あるいはそれ以上であり、たとえば約１０倍またはそれ以上である。流路開口部の直径が変化するフィルタ／インピーダンス構成の場合、流路開口部の断面積は、断面寸法が最小の位置で測定する。インク流の方向に沿って連絡流路があるフィルタ／インピーダンス構成の場合は、断面寸法および面積は断面が最小の領域で測定する。複数の実施形態において、本構成内の流動抵抗は、圧力降下から求めることができる。圧力降下は、噴射流で測定することができる。噴射流は、発射パルス幅当たりのインク滴量である。複数の実施形態において、インピーダンス／フィルタ構成における噴射流の圧力降下は、ノズル流路での圧力降下より小さい。たとえば、本構成における圧力降下は、ノズル流路における圧力降下の約０．５から約０．１である。

インク供給路への音響反射が実質的に減るように、本構成の総インピーダンスを選択することができる。たとえば、本構成のインピーダンスを吐出チャンバのインピーダンスにほぼ一致させてもよい。あるいは、フィルタリング機能を強化するためにインピーダンスをチャンバより大きくすることが望ましいこともあれば、インク流を増やすためにインピーダンスをチャンバより小さくすることが望ましいこともある。後者の場合は、以下に説明するように、流路中のどこか別の場所に弾性膜を使用するか、またはインピーダンス制御構成を追加することによって、クロストークを減らしてもよい。吐出チャンバおよびフィルタ／インピーダンス構成のインピーダンスは、ニューメキシコ州サンタフェのフロー・サイエンス社（Ｆｌｏｗ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｉｎｃ．）から入手可能なＦＬＯＷ−３Ｄなどの流体力学ソフトウェアを用いてモデリングできる。

特定の一実施形態においては、流路に沿った柱間間隔Ｓ_ｌおよび流路を横切る柱間間隔Ｓ_２は約１５μｍであり、ノズル開口部は約２３μｍである（図５Ｂ）。柱の幅は約２５μｍである。図５の実施形態において、フィルタ／インピーダンス構成内の３列の柱群は３つの直列音響抵抗子として機能する。第１列および最終列は６つの流路開口部を有し、中間列は５つの流路開口部を有する。各流路開口部の最小断面は約１５μｍであり、ノズル開口部の断面（２３μｍ）より小さい。各列の開口部の面積の合計は、ノズル開口部の面積より大きい。インピーダンス制御および／またはフィルタリングのために構成を突起によって画定すると、流路に沿った柱および流路を横切る柱の間隔、形状、配置、およびサイズによって、たとえば、フィルタリングに効果的な蛇行流体路と、減衰効果がある流路サイズとを兼備できるという利点がある。他の実施形態においては、以下に説明するように、一連の開口部を有する隔壁（群）によってフィルタ／インピーダンス構成を設けてもよい。

特に図５Ａにおいて、モジュール基板は、ノズル流路３４，３４’にそれぞれ供給する吐出チャンバ３３，３３’をさらに画定する。吐出チャンバ３３，３３’は、ノズル開口部の並びを挟んで相互に対向する位置に配置され、略共線的な側壁３７，３７’を有する。ノズル開口部を狭間隔で一直線に配置するために、ノズル流路は一方の側壁の延長部３９，３９’に沿って吐出チャンバに接合し、ノズル流路を互い違いに配置したパターンを形成する。さらに、吐出チャンバとノズル流路との間の移行部におけるインク量を比較的少量に維持するために、移行部の形状はノズル開口部の並びに沿った軸の方が短い卵形である。以下に説明するように、このような配向によってノズル開口部間の間隔を狭めながら、ノズル流路の容積を相対的に大きくしている。さらに、隣接チャンバ間を隔て、ノズル並びの両側に絶縁切込みを形成するための直線鋸引きをモジュールに直角に行えるので製造が簡略化される。

再び図４Ａおよび図４Ｂにおいて、モジュール基板はノズル流路３４も画定する。この例では、ノズル流路３４はモジュール基板の上面と下面とに対して直角にインク流を導く。ノズル流路３４は、上部の降下領域６６と下部の加速領域６８とを有する。降下領域６６の容積は相対的に大きく、加速領域６８の容積は相対的に小さい。降下領域６６は吐出チャンバ３３からのインクを加速領域６８に導き、ここでインクが加速され、ノズル開口部２２から射出される。モジュール全体の加速領域６８の均一化によって、インク滴のサイズおよび速度の均一性が向上している。加速領域の長さは、モジュール本体の前面１０６とＢＯＸ層１０５との間に画定される。さらに、ＢＯＸ層１０５は、降下領域６６と加速領域６８との界面に存在する。以下に説明するように、ＢＯＸ層１０５は、製造時にエッチング深さとノズルの均一性とを精密に制御するためのエッチング停止層として機能する。

図４Ａに示す加速領域は、オリフィス開口部の直径に相当する一定の直径を有する略円筒状の通路である。ノズル開口部の上流にあるほぼ一定の小口径のこの領域によって、ノズル開口部の軸に対するインク滴軌道の真直性を向上し、印刷精度を向上する。さらに、加速領域は、ノズル開口部からの空気の侵入を阻止することによって、高頻度動作時のインク滴の安定性を向上する。これは、発射前充填（ｆｉｌｌ−ｂｅｆｏｒｅ−ｆｉｒｅ）モード、つまり発射前にインクを吐出チャンバに吸い込むためにアクチュエータが負圧を生成するモード、で動作するプリントヘッドにおいては特に都合がよい。負圧によってノズル内のインクのメニスカスをノズル開口部から内部に引き込むこともできる。加速領域の長さをメニスカスの最大引込み寸法より長くすることによって、空気の侵入を阻止する。加速領域は、可変直径を含むこともできる。たとえば、加速領域の降下領域近くの直径を大きくし、ノズル開口部近くの直径を小さくした漏斗形状または円錐形状にしてもよい。円錐角をたとえば５°から３０°にしてもよい。加速領域は、曲線方形、つまり鐘形に直径が狭まる形状を含むこともできる。加速領域は、ノズル開口部に向かって直径が段階的に小さくなる複数の円筒領域を含むこともできる。ノズル開口部に向かって段階的に直径を小さくすると、加速領域内の圧力降下が減るので、駆動電圧が下がり、インク滴サイズの範囲が広がり、発射速度能力が上がる。直径がそれぞれ異なる各ノズル流路部分の長さは、以下に説明するように、エッチング停止層として機能するＢＯＸ層を使用して精密に画定することができる。

特定の実施形態においては、ノズル開口部の直径に対する加速領域の長さの比は一般に約０．５またはそれ以上、たとえば約１から約４であり、好ましくは約１から約２である。降下領域の最大断面は約５０μｍから約３００μｍであり、長さは約４００〜８００μｍである。ノズル開口部および加速領域の直径は、約５μｍから約８０μｍであり、たとえば約１０μｍから約５０μｍである。加速領域の長さは約１μｍから約２００μｍであり、たとえば約２０μｍから約５０μｍである。モジュール本体のノズル間における加速領域の長さの均一性は、たとえば約±３％またはそれ以下、または±２μｍまたはそれ以下にしてもよい。１０ｐｌのインク滴用に構成された流路の場合、降下領域の長さは約５５０μｍである。降下領域は、最小幅が約８５μｍ、最大幅が約１６０μｍの長円の卵型形状である。加速領域は、長さが約３０μｍ、直径が約２３μｍである。
アクチュエータ
図４Ａおよび図４Ｂにおいて、圧電アクチュエータ２８は、アクチュエータ膜７０と、接合層７２と、接地電極層７４と、圧電層７６と、駆動電極層７８とを含む。圧電層７６は圧電材料の薄膜であり、厚さは約５０μｍまたはそれ以下、たとえば約２５μｍから約１μｍ、たとえば約８μｍから約１８μｍである。圧電層は、高密度、低空隙率、高圧電定数などの望ましい特性を持つ圧電材料で構成することができる。このような特性を圧電材料に持たせるには、基板に接合する前の材料を焼成する手法を用いる。たとえば、成形と焼成とを単独で（支持物に乗せずに）行った圧電材料は、材料を（加熱または非加熱）型枠に押し込むときに高圧をかけることができるという利点がある。さらに、フロー剤や結合剤などの添加剤が一般に少なくて済む。焼成処理に使用する温度をより高温、たとえば１２００〜１３００℃にすると、熟成および粒子成長が促進される。セラミックからの（高温による）ＰｂＯ損失を減らす焼成雰囲気（たとえば鉛を富化した雰囲気）を使用することもできる。ＰｂＯ損失または他の劣化が発生した可能性があるモールド部品の外面は、切り取って廃棄することができる。材料をさらに熱間静水圧圧縮成形（ＨＩＰ）で処理すると、セラミックに一般に１０００〜２０００ａｔｍの高圧をかけることもできる。ＨＩＰ処理は一般に圧電材料ブロックの焼成後に行われ、密度の増加、空隙の減少、圧電定数の増加のために用いられる。

予備焼成した圧電材料の薄層は、比較的厚いウエハーの厚さを薄くすることによって形成することができる。水平研削などの精密研削法によって、平滑で低空隙率の表面形態を持つ均一性の高い薄層を製作することができる。水平研削では、被加工物を回転チャックに載せ、被加工物の露出面を水平研削砥石に接触させる。研削によってウエハー全体の平坦度と平行度とをたとえば０．２５μｍまたはそれ以下、たとえば約０．１μｍまたはそれ以下にし、表面仕上げのＲａを５ｎｍまたはそれ以下にすることができる。研削によって対称的な表面仕上げ、および残留応力の均一化も行える。必要であれば、わずかに凹状または凸状の面を形成することができる。以下に説明するように、研削前に圧電ウエハーをモジュール基板などの基板に接合しておくと、薄層が支持されるので、割れおよび反りの可能性が減る。

特に図７Ａ〜７Ｃには、圧電材料の接地面の干渉粗面計データが示されている。特に図７Ａにおいて、表面仕上げは、約３５ｍｍ^２の領域にわたってほぼ平行した一連の隆起を呈している。山と谷の平均差は約２μｍまたはそれ以下であり、ｒｍｓは約０．０７μｍまたはそれ以下であり、Ｒａは約０．５μｍまたはそれ以下である。特に図７Ｂにおいて、表面形状が斜視図で示されている。特に図７Ｃにおいて、図７Ａの線Ｃ−Ｃに沿った表面形状が示されている。

適切な精密研削装置は、アリゾナ州チャンドラーのセイバ・テクノロジー社（Ｃｉｅｂａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）から入手可能な東芝製のモデルＵＨＧ−１３０Ｃである。基板は、粗目砥石で研削してから細目砥石で研削することができる。適切な粗目および細目砥石は、それぞれ１５００グリットと２０００グリットの人造ダイヤモンドレジノイドマトリックスである。適切な研削砥石は、日本のアドマまたは旭ダイヤモンド工業株式会社から入手可能である。部品加工スピンドルの回転速度は５００ｒｐｍにし、研削砥石スピンドルの回転速度は１５００ｒｐｍにする。最初の２００〜２５０μｍは粗目砥石を使用し、Ｘ軸の送り速度を１０μｍ／分にし、最後の５０〜１００μｍは細目砥石を使用し、Ｘ軸の送り速度を１μｍ／分にする。冷却液は１８ｍ_Ωの純水である。表面形態の測定には、コネチカット州ミドルフィールドのザイゴ社（Ｚｙｇｏ Ｃｏｒｐ）から入手可能な、メトロビュー（Ｍｅｔｒｏｖｉｅｗ）ソフトウェア付きニュービュー（Ｎｅｗｖｉｅｗ）５０００干渉計のザイゴ（Ｚｙｇｏ）モデルを使用できる。圧電材料の密度は、約７．５ｇ／ｃｍ^３またはそれ以上、たとえば約８ｇ／ｃｍ^３から１０ｇ／ｃｍ^３が好ましい。ｄ_３１係数は、約２００×１０ ^−１２ Ｃ／Ｎまたはそれ以上が好ましい。ＨＩＰ処理された圧電材料は、日本の住友圧電材料からＨ５ＣおよびＨ５Ｄとして入手可能である。Ｈ５Ｃ材料が呈する見掛け密度は約８．０５ｇ／ｃｍ^３、ｄ_３１は約２１０×１０ ^−１２ Ｃ／Ｎである。Ｈ５Ｄ材料が呈する見掛け密度は約８．１５ｇ／ｃｍ^３、ｄ_３１は約３００×１０ ^−１２ Ｃ／Ｎである。ウエハーの厚さは一般に約１ｃｍであり、約０．２ｍｍの方形にダイシング可能である。ダイシングしたウエハーをモジュール基板に接合してから、所望の厚さに研削することができる。圧電材料の成形手法として、圧縮、ドクターブレード、グリーンシート、ゾルゲル、または溶着技術が挙げられる。圧電材料の製造については、その内容全体を本願明細書に引用したものとするＢ．ジャフィー（Ｊａｆｆｅ）著「圧電セラミックス（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）」アカデミック・プレス社刊１９７１年に記載されている。ホットプレスを含む各種成形方法については、２５８頁〜２５９頁に記載されている。高密度、高圧電定数の材料が好ましいが、低性能の材料でも研削技術によって薄層および平滑で均一な表面形態を得ることができる。ペンシルベニア州フィラデルフィアのＴＲＳセラミックス社（ＴＲＳ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）から入手可能なマグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）などの単結晶圧電材料も使用できる。

再び図４Ａおよび図４Ｂにおいて、アクチュエータは接地電極層７４と上部電極層７８も含む。これらの層は、銅、金、タングステン、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、チタン、または白金などの金属、あるいは金属の組合せでもよい。これらの金属を圧電層に真空蒸着してもよい。電極層の厚さは、たとえば約２μｍまたはそれ以下、たとえば約０．５μｍでもよい。特定の実施形態においては、短絡を減らすためにＩＴＯを使用することができる。ＩＴＯ材料は、圧電材料内の小さな空隙および通路を塞ぐことができ、また短絡を減らすために十分な抵抗がある。この材料は、薄い圧電層を比較的高電圧で駆動する場合に都合がよい。さらに、圧電材料の表面の空隙を埋めるために、電極層を施す前に、圧電材料の表面を誘電体で処理してもよい。空隙を埋めるには、誘電体の層を圧電層の表面に溶着してから、表面の空隙に誘電体が埋まっている状態になるまで誘電体の層を研削して圧電材料を露出させてもよい。誘電体は、絶縁破壊の可能性を減らし、動作の均一性を向上させる。誘電材料は、たとえば、二酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、またはポリマーでもよい。誘電材料は、スパッタリングまたはＰＥＣＶＤなどの真空蒸着法によって蒸着してもよい。

金属被膜した圧電層をアクチュエータ膜７０に取り付ける。アクチュエータ膜７０は、接地電極層７４と圧電層７６とをチャンバ３３内のインクから隔離する。アクチュエータ膜７０は一般に不活性材料であり、弾性があるので、圧電層の作動によってアクチュエータ膜の層が撓み、吐出チャンバ内のインクを加圧する。アクチュエータ膜の厚さが均一であることによって、モジュール全体にわたって正確で均一な作動が行われる。アクチュエータ膜の材料を（たとえば厚さ約１ｍｍまたはそれ以上の）厚板で用意し、水平研削によって所望の厚さに研削することができる。たとえば、アクチュエータ膜を厚さ約２５μｍまたはそれ以下、たとえば約２０μｍに研削してもよい。複数の実施形態において、アクチュエータ膜７０の弾性率は約６０ギガパスカルまたはそれ以上である。材料の例として、ガラスまたはシリコンが挙げられる。具体的な例は、ドイツのショット・ガラス社（Ｓｃｈｏｔｔ Ｇｌａｓｓ）からボロフロット（Ｂｏｒｏｆｌｏｔ）ＥＶ５２０として入手可能なほうけい酸ガラスである。あるいは、たとえば２μｍから６μｍの厚さの酸化アルミニウム層を金属被膜された圧電層に蒸着することによって、アクチュエータ膜を設けてもよい。あるいは、アクチュエータ膜はジルコニウムまたは石英でもよい。

圧電層７６は、接合層７２によってアクチュエータ膜７０に取り付けることができる。接合層７２は、接地電極層７４に蒸着したアモルファスシリコンの層でもよく、これをアクチュエータ膜７０に陽極接合する。陽極接合においては、負電圧が印加されているガラスに接触させた状態のシリコン基板を加熱する。陰極に向かってイオンが流れると、空乏領域がガラスのシリコン界面に形成され、ガラスとシリコンとの間に静電接合が形成される。接合層は金属でもよく、この場合は半田付けするか、または共晶接合を形成する。あるいは、接合層を有機接着剤の層にすることもできる。圧電材料は予備焼成されているので、接着剤層は組立時に高温にさらされない。融解温度が比較的低い有機接着剤を使用することもできる。有機接着剤の一例は、ミシガン州ミッドランドのダウ・ケミカル社（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ）から入手できるＢＣＢ樹脂である。この接着剤は、スピンオンプロセスによって、たとえば約０．３μｍから約３μｍの厚さに施すことができる。アクチュエータ膜は、圧電層をアクチュエータ膜に接合する前または後に、モジュール基板に接合することができる。

アクチュエータ膜７０は、接着剤または陽極接合によってモジュール基板２６に接合してもよい。陽極接合が好ましいが、その理由は流路に隣接するモジュール基板構成に接着剤が接触しないので、汚染の可能性が減ると共に、厚さの均一性とアライメントとが向上しうるからである。モジュール基板への取り付け後に、アクチュエータ基板を所望の厚さに研削してもよい。他の実施形態においては、アクチュエータは圧電層と吐出チャンバとの間に膜を含まない。圧電層をインク室に直接露出してもよい。この場合、駆動電極と接地電極とは、圧電層の反対側、つまりインク室に露出されない裏面側に配置することができる。

再び図２Ｂ、図４Ａ、および図４Ｂにおいて、モジュールの中心線の各側のアクチュエータは、アクチュエータ膜７０に達する深さの切込み線１８，１８’によって隔てられている。アクチュエータ膜７０がガラスなどの透明材料でできている場合は、切込み線からノズル流路が見えるので、たとえばストロボ写真を使用してインク流の分析を行うことができる。隣接するアクチュエータ同士は、絶縁切込み１９によって隔てられている。絶縁切込みは、シリコン本体基板に（たとえば深さ１μｍ、幅約１０μｍ）くい込んでいる（図４Ｂ）。クロストークを減らすために、絶縁切込み１９によって隣接チャンバ間を機械的に絶縁する。必要であれば、シリコンへの切込みを深くし、たとえば吐出チャンバに達する深さにすることもできる。アクチュエータの裏面部１６には地気接点１３もあり、地気接点１３とアクチュエータとを隔てる分離切込み１４は圧電層にくい込むが、接地電極層７２には達していない（図４Ａ）。最上面を金属被膜する前に行うヘリ切り２７によって、接地電極層７２がモジュールの縁に露出するので、最上面の金属被膜によって地気接点が接地層７２に接続される。
製造
図８Ａ〜図８Ｎには、モジュール基板の製造が示されている。複数のモジュール基板を１つのウエハー上に同時に形成することができる。明確にするために、図８Ａ〜図８Ｎは単一の流路を示す。モジュール基板内の流路構成は、エッチング処理によって形成することができる。特定の処理は、ディープ反応性イオンエッチングによる等方性ドライエッチングであり、プラズマを用いてシリコンまたは二酸化シリコンを選択的にエッチングし、側壁がほぼ垂直な構成を形成する。ボッシュプロセスとして公知の反応性イオンエッチング法については、その内容全体を本願明細書に引用したものとするレナー（Ｌａｅｎｎｏｒ）らの米国特許第５，５０１，８９３号に記載されている。ディープシリコン反応性イオンエッチング装置は、カリフォルニア州レッドウッド市のＳＴＳ社、テキサス州プラノのアルカテル社（Ａｌｃａｔｅｌ）、またはスイスのユナクシス社（Ｕｎａｘｉｓ）から入手可能である。結晶方位＜１００＞のＳＯＩウエハーはカリフォルニア州サンタバーバラのＩＭＴ社を含むエッチングベンダーから入手可能であり、これらのベンダーは、反応性イオンエッチングも行うことができる。

図８Ａにおいて、ＳＩＯウエハー２００は、シリコンのハンドル２０２と、酸化シリコンのＢＯＸ層２０５と、シリコンの活性層２０６とを含む。ウエハーは、裏面に酸化物層２０３を有し、前面に酸化物層２０４を有する。酸化物層２０３，２０４は熱酸化によって形成しても、蒸気蒸着によって蒸着してもよい。これらの酸化物層の厚さは一般に約０．１μｍから約１．０μｍである。

図８Ｂにおいて、ウエハーの前面側に、ノズル開口部領域２１０とインク供給領域２１１とを画定するフォトレジストパターンを施す。

図８Ｃにおいて、ノズル開口部域２１２と供給域２１３とを画定するパターンを酸化物層に転写するために、ウエハーの前面側をエッチングする。その後、レジストを除去する。

図８Ｄにおいて、吐出チャンバ領域２１７と、フィルタ領域２１９と、インク供給路領域２２１とを画定するフォトレジストパターン２１５をウエハーの裏面側に施す。

図８Ｅにおいて、吐出チャンバ域２２３と、フィルタ域２２５と、インク供給路域２２７とを含むパターンを酸化物層２０３に転写するために、裏面側をエッチングする。

図８Ｆにおいて、降下領域２３１を画定するレジストパターン２２９をウエハーの裏面側に施す。

図８Ｇにおいて、降下領域２３２をハンドル２０２にエッチングする。このエッチングには、二酸化シリコンを実質的にエッチングせずに、シリコンを選択的にエッチングするために、反応性イオンエッチングを用いてもよい。エッチングは、ＢＯＸ層２０５に向かって進行する。このエッチングはＢＯＸ層の少し上で終わるので、ＢＯＸ層までの残りのシリコンは以降のエッチングステップ（図８Ｈ）で取り除く。その後、レジストをウエハーの裏面側から取り除く。

図８Ｈにおいて、吐出チャンバ域２３３と、フィルタ域２３５と、供給域２３７とをウエハーの裏面側にエッチングする。ディープシリコン反応性イオンエッチングは、二酸化シリコンを実質的にエッチングせずに、シリコンを選択的にエッチングする。

図８Ｉにおいて、供給領域２４１を画定するフォトレジストパターン２３９をウエハーの前面側に施す。このフォトレジストは、ノズル域２１３を塞いで保護する。

図８Ｊにおいて、供給域２４１を反応性イオンエッチングによってエッチングする。このエッチングはＢＯＸ層２０５まで進行する。

図８Ｋにおいて、埋込層を供給領域からエッチングする。ＢＯＸ層のエッチングは、シリコンまたはフォトレジストを実質的にエッチングせずにＢＯＸ層の二酸化シリコンを選択的にエッチングする酸によるウエットエッチングで行ってもよい。

図８Ｌにおいて、反応性イオンエッチングによって供給域をさらにエッチングすることによって、ウエハーの前面部への貫通路を作成する。次にレジスト２３９をウエハーの前面側から取り除く。図８Ｌに示すエッチングを行う前に、保護金属層、たとえばクロムをＰＶＤによってウエハーの裏面側に施すこともできる。供給域のエッチング後、この保護金属層を酸エッチングによって取り除く。

図８Ｍにおいて、二酸化シリコンを実質的にエッチングせずにシリコンを選択的にエッチングするために、ウエハーの前面側からの反応性イオンエッチングによってノズルの加速領域２４２を形成する。このエッチングは、酸化物層２０４に画定されたノズル域２１３内を進行し、ＢＯＸ層２０５の深さに達する。結果として、加速領域の長さがウエハーの前面と埋込酸化物層との間に画定される。ＢＯＸ層２０５に到達した後も反応性イオンエッチング処理をしばらく継続すると、降下領域と加速領域との間の移行部２４０を形成することができる。特に、シリコンがＢＯＸ層までエッチングされた後にイオンエッチングエネルギーを印加し続けると、ＢＯＸ層２０５に隣接する加速領域の直径が広がる傾向があるので、曲線形状の直径移行部２４０が加速領域に作成される。一般に、この成形を行うには、約２０％のオーバーエッチングを行う。つまり、ＢＯＸ層への到達時間の約２０％に相当する時間だけエッチングを継続する。直径の変化は、エッチング深さに応じてエッチングパラメータ、たとえばエッチング速度を変えることによっても実現できる。

図８Ｎにおいて、降下領域と加速領域との界面にあるＢＯＸ層２０５の部分をウエハーの裏面側からのウェットエッチングによって取り除くことによって、降下領域と加速領域との間に貫通路を作成する。さらに、ウエハー裏面上の酸化物層２０３をウェットエッチングによって取り除いてもよい。必要であれば、一般に酸化シリコンより濡れ性および耐久性が高い単結晶シリコンを露出するために、ウエハー前面上の酸化物層２０４を同様に取り除くこともできる。

図９において、アクチュエータの製造およびモジュールの組立を概説するフローチャートを示す。ステップ３００では、図８Ｎに示すような流路付きのモジュールを複数含むシリコンウエハーを用意する。ステップ３０２では、硼酸塩ガラスなどのアクチュエータ基板材料の素材を用意する。ステップ３０４では、圧電材料の素材を用意する。ステップ３０６では、たとえば超音波洗浄器を用いて１％のマイクロ９０（Ｍｉｃｒｏ−９０）洗浄剤で、アクチュエータ基板材料を洗浄する。ガラス素材をすすぎ、窒素ガスで乾燥させ、プラズマエッチングする。ステップ３０８では、洗浄済みのアクチュエータ基板素材を、ステップ３００で用意したエッチング済みシリコンウエハーに陽極接合する。ステップ３１０では、アクチュエータ基板素材の露出面を水平研削などの精密研削法によって所望の厚さと表面形態に研削する。ウエハーの前面をＵＶテープで保護してもよい。一般に、アクチュエータ基板素材は比較的厚い層、たとえば約０．３ｍｍまたはそれ以上の厚さで用意する。この基板素材をたとえば約２０μｍの厚さに正確に研削することができる。研削前にアクチュエータ基板をモジュール基板に接合することによって、薄膜の反りなどの損傷が減り、寸法の均一性が向上する。

ステップ３１２では、このアクチュエータ基板を洗浄する。上記のように、アクチュエータ基板を超音波浴で洗浄し、プラズマエッチングしてもよい。ステップ３１４では、圧電素材の両面を精密研削して平滑な表面形態にする。ステップ３１６では、圧電素材の一方の側を金属被膜する。ステップ３１８では、圧電素材の金属被膜した側をアクチュエータ基板に接合する。圧電素材の接合にスピンオン接着剤を用いてもよい。あるいは、アモルファスシリコンの層を素材の金属被膜面に蒸着してから、この素材をアクチュエータ基板に陽極接合してもよい。

ステップ３２０では、精密研削法によって圧電素材を所望の厚さに研削する。また図１０において、この研削には水平研削盤３５０を使用する。この工程では、基準面が高平坦度公差に機械加工されているチャック３５２にウエハーを取り付ける。圧電素材の露出面を回転研削砥石３５４に高公差のアライメントで接触させる。圧電素材の実質的な厚さは、ステップ３１４の初期表面研削で扱える厚さでよく、たとえば約０．２ｍｍまたはそれ以上でもよい。ただし、アクチュエータの所望の厚さ、たとえば５０μｍまたはそれ以下では、圧電層が損傷しやすい。損傷を防ぎ、取り扱いを容易にするために、アクチュエータ基板に接合してから、圧電素材を所望の厚さに研削する。研削中、インク流路を研削用冷却液にさらさないために、ノズル開口部を覆ってインク流路を封止してもよい。ノズル開口部をテープで覆ってもよい。ダミー基板をチャックにあてがって所望の平坦度に研削することもできる。次にウエハーをこのダミー基板に取り付け、ダミー基板の平行度まで研削する。

ステップ３２２では、接地電極接点のヘリ切りを切り取り、接地電極層７４を露出する。ステップ３２４では、ウエハーを洗浄する。ステップ３２６では、ウエハーの裏面を金属被膜することによって、接地層への金属接点を設けると共に、圧電層のアクチュエータ部分の裏面に金属層を施す。ステップ２２８では、分離切込みおよび絶縁切込みを鋸引きする。ステップ３３０では、ウエハーを再度洗浄する。

ステップ３３４では、ダイシングによってモジュールをウエハーから切り離す。ステップ３３６では、モジュールをマニホールドフレームに取り付ける。ステップ３３８では、電極を取り付ける。最後にステップ３４０で、この構成をケースに取り付ける。

インクの濡れを促進または防止する被膜および／または保護被膜をモジュールの前面に施してもよい。この被膜は、たとえばテフロン（登録商標）などのポリマー、あるいは金またはロジウムなどの金属でもよい。モジュール本体をウエハーから切り離すには、ダイシングソーを使用できる。あるいは、またはさらに、切溝をエッチングによって形成し、ダイシングソーを使用して分離切込みをこれらの切溝に作ることができる。切溝に沿って折ることによってモジュールを手作業で切り離すこともできる。

他の実施形態
図１１において、弾性膜４５０を吐出チャンバの上流側に、たとえばフィルタ／インピーダンス構成および／またはインク供給流路を覆うように設ける。弾性膜は、音響エネルギーを吸収することによって、クロストークを減らす。弾性膜は、アクチュエータ基板の連続部分によって設けてもよい。この部分を研削、鋸引き、またはレーザ加工によって吐出チャンバ上の部分より薄く（たとえば約２μｍに）することによって弾性を高めてもよい。弾性膜に圧電材料層を含めてもよく、または圧電材料のサイズをこの膜を覆わない大きさにしてもよい。この膜は、二酸化シリコン膜または窒化シリコン膜、あるいはポリマー膜などの別個の要素にしてモジュール基板に接合してもよい。モジュール前面に沿ってインク供給流路に隣接する弾性膜を膜４５０と併用しても、膜４５０の代わりに使用してもよい。弾性膜については、その内容全体を本願明細書に引用したものとするホイジントン（Ｈｏｉｓｉｎｇｔｏｎ）の米国特許第４，８９１，０５４号に記載されている。

図１２Ａおよび図１２Ｂにおいて、フィルタ／インピーダンス制御構成５００は、壁部材、この場合はモジュール基板内のノズル／加速領域を画定する層、に形成された一連の開口部として設けられている。この例では、モジュール基板の底面５１４に通じるフレーム流路５１２によってインクが供給される。底面５１４には、フィルタリング機能を果たし、かつ音響エネルギーを吸収するサイズの一連の開口部５１６がある。

図１３Ａおよび図１３Ｂにおいて、プリントヘッドモジュール６００には、たとえばカーボンまたは金属で形成された基板本体６１０と、半導体で形成され、インピーダンス／フィルタ構成６１４を有するノズル板６１２とが設けられている。吐出チャンバ６１６とアクチュエータ６１８とは、本体６１０に連通している。基板本体６１２はノズル流路６２０を画定するが、ノズル流路６２０は研削、鋸引き、ドリル加工、または他の非化学的な機械加工によって、さらに／または事前に機械加工された複数の層の集合体として、形成してもよい。ノズル板の構成６１４は、加速領域６１６とノズル開口部６１７とに通じる流路中の複数列の柱６１５で形成されている。流路の加速部分の均一性を高めるために、ＢＯＸ層６１９を含むＳＯＩウエハーをエッチングすることによってノズル板６１２を形成してもよい。ノズル板６１２は本体６１０に、たとえば接着剤によって、接合してもよい。

図１４Ａおよび図１４Ｂにおいて、プリントヘッドモジュール７００には、たとえばカーボン製または金属製の基板本体７１０と、インピーダンス／フィルタ構成７１４を有するシリコン製のノズル板７１２とが設けられている。吐出チャンバ７１６とアクチュエータ７１８とは、本体７１０に連通している。カーボン製の基板本体７１２は、ノズル流路７２０を画定する。構成７１４は、ノズル板の裏面に形成され、複数の開口部７２１を含む。流路の加速部分の均一性を高めるために、ＢＯＸ層７１９を含むＳＯＩウエハーをエッチングすることによってノズル板７１２を形成してもよい。ノズル板７１２は本体７１０に、たとえば接着剤によって、接合してもよい。

図１５Ａおよび図１５Ｂにおいて、プリントヘッドモジュール８００は、たとえばカーボン製または金属製の基板本体８１０と、たとえば金属製またはシリコン製のノズル板８１２と、シリコン製の層８３０に画定されたインピーダンス／フィルタ構成８１４とを備えている。吐出チャンバ８１６とアクチュエータ８１８とは、本体８１０に連通している。本体８１２は、ノズル流路８２０を画定する。構成８１４は、複数の開口部８２１を有する。ＢＯＸを含むＳＯＩウエハーをエッチングすることによって、ノズル板８１２と層８３０とを形成してもよい。要素８３０は、本体８１０とノズル板８１２との間に配置されている。要素８３０を本体８１０に接合し、ノズル板８１２を要素８３０に接合することができるが、接合にはたとえば接着剤を使用する。

図１６Ａおよび図１６Ｂにおいて、半導体フィルタ／インピーダンス制御素子９００は別個の要素としてモジュール９１０に設けられている。その内容を上で引用したホイジントンの米国特許第４，８９１，６５４号に記載されているように、圧力チャンバ９１２を画定するモジュール本体は、複数の層の集合体として構成することができる。素子９００は、チャンバ９１２の上流側にあるインク流入口９１８の近くに配置されている。この実施形態においては、フィルタ／インピーダンス制御素子は、インク流の方向に沿って迷路のような流路を設けるために角度を付けて配置された一連の矩形状の肉薄突起９２０として形成されている。これらの突起は、半導体基板をエッチングすることによって形成することができる。

他の実施形態においては、エッチングされた上記モジュール本体またはノズル板は、圧電アクチュエータ以外のアクチュエータ機構に利用することができる。たとえば、サーマルバブルジェット（登録商標）または静電アクチュエータを使用することができる。静電アクチュエータの一例は、その内容全体を本願明細書に引用したものとする米国特許第４，３８６，３５８号に見られる。モジュール基板、ノズル板、およびインピーダンス／フィルタ構成に他のエッチング可能材料を使用することもでき、たとえばゲルマニウム、ドープシリコン、および他の半導体などを使用できる。吐出チャンバの深さ、均一性、形状など、さまざまな構成の厚さを画定するために、停止層を使用することができる。複数の構成の深さを制御するために、複数の停止層を使用することができる。

上記の圧電アクチュエータは、他のモジュール基板および基板システムでも使用できる。予備焼成されていない圧電材料でできた圧電層を使用することもできる。たとえば、薄い圧電フィルムをゾルゲル成膜法やグリーンシート法などの手法によってガラス基板またはシリコン基板上に形成してから、焼成することができる。表面特性および／または厚さは精密研削によって変更することができる。このようなアクチュエータ基板材料の耐熱性は、セラミック前躯体の焼成温度に耐えることができる。３層のＳＯＩ基板が好ましいが、シリコン上に酸化シリコン層を重ねるなど、ディフェレンシャルエッチングが可能な半導体材料を２層有する半導体基板を使用してモジュール本体基板またはノズル板を形成し、ディフェレンシャルエッチングによって構成の深さを制御することもできる。たとえば、シリコンに酸化シリコンを重ねたモノリシック本体を使用できる。加速領域は、基板のシリコン面上のノズル開口部と、シリコン層と酸化シリコン層間の界面との間に画定することができる。
用途
本プリントヘッドモジュールは、どのような印刷用途にも使用できるが、特に高速の高性能印刷に使用できる。本モジュールは特に幅広書式の印刷に有用であり、アレイ状に配列された複数のモジュールおよび／または長尺モジュールによって幅広の基板を印刷する。

再び図１〜図１Ｃにおいて、プリンタ内のモジュール間のアライメントを維持するために、面板８２とケース８６とにそれぞれアライメント構成８５，８９が設けられている。モジュールを面板８２に取り付けた後で、ＹＡＧレーザまたはダイシングソーを使用してアライメント構成８５を切り揃える。光学的ポジショナを使用してアライメント構成を切り揃え、構成８５をノズル開口部に位置合わせする。ケース８６上の相手方アライメント構成８９もレーザトリミングまたはダイシングおよび光学的アライメントによって相互に位置合わせする。本構成のアライメント精度は、±１μｍまたはより高精度である。面板は、たとえば液晶ポリマーで形成することができる。適切なダイシングソーとして、ウエハーダイシングソー、たとえば、カリフォルニア州ベンチュラのマニュファクチャリング・テクノロジー社（Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）のモデル２５０ダイシングソー・ＣＣＤ光学的アライメント統合システム（Ｍｏｄｅｌ ２５０ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｄｉｃｉｎｇ Ｓａｗ ａｎｄ ＣＣＤ
Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）が挙げられる。

本モジュールをプリンタに使用すると、オフセット印刷の代用として使用できる。本モジュールを使用すると、印刷物またはプリント基板に施す光沢のある透明塗料を選択的に付着させることができる。本プリントヘッドとモジュールとを使用して、非画像形成流体を含む各種流体を施すことも、付着させることもできる。たとえば、３次元モデル用のペーストを選択的に付着させて模型を作ることができる。生体試料を分析アレイに付着させてもよい。

さらなる実施形態は、以下の請求項に含まれている。

Claims (15)

1. プリントヘッドであって、前記プリントヘッドは、上面と、ほぼ平行な下面とを有するモノリシック半導体本体を含み、前記本体は、インク供給路と、吐出チャンバと、ノズル開口部とを含む流体路を画定し、前記吐出チャンバが前記上面に画定され、前記ノズル開口部が前記下面に画定され、
   前記モノリシック半導体本体は、前記ノズル開口部が形成される単結晶シリコン層と、ノズル流路が形成される単結晶シリコン層との間に配置された埋込酸化シリコン層を含み、前記下面の表面上の酸化シリコンが実質的に取り除かれており、
   前記ノズル開口部は、別個のノズル板なしで前記モノリシック半導体本体に画定されている、プリントヘッド。
2. 請求項１に記載のプリントヘッドであって、前記吐出チャンバと前記ノズル開口部との間にノズル流路を含むプリントヘッド。
3. 請求項２に記載のプリントヘッドであって、前記吐出チャンバがほぼ線形のチャンバ側壁の間に画定され、前記ノズル流路が前記側壁の一方のほぼ共線的な延長部に沿って画定される、プリントヘッド。
4. 請求項３に記載のプリントヘッドであって、前記本体が複数の流路対を画定し、前記複数の流路対の各対の各流路は、吐出チャンバおよびノズル開口部を含み、前記流路対が、隣接するノズル開口部を有し、前記吐出チャンバの各々の吐出チャンバ側壁が、他の吐出チャンバの各々の吐出チャンバ側壁とほぼ共線的である、プリントヘッド。
5. 請求項４に記載のプリントヘッドであって、前記隣接するノズルのノズル流路が互い違いに配置される、プリントヘッド。
6. 請求項５に記載のプリントヘッドであって、前記複数の流路対の前記隣接するノズルがほぼ直線を画定する、プリントヘッド。
7. 請求項６に記載のプリントヘッドであって、前記ノズル流路が長断面と短断面とを有する領域を有し、前記短断面が前記ノズル開口部の並びにほぼ並行する、プリントヘッド。
8. 請求項１に記載のプリントヘッドであって、前記モノリシック半導体本体が前記流体路の中にインピーダンス構成を画定し、前記インピーダンス構成は、少なくとも１つの行に配置されている一連の複数の柱によって定義され、前記複数の柱は、前記モノリシック半導体本体と一体化され、前記流体路の中に突起し、少なくとも１つの行の複数の柱のそれぞれは、凹状である下流側の面を有し、前記下流側の面は、前記流体路の中の流れに接触するように前記流体路内に存在する、プリントヘッド。
9. 請求項８に記載のプリントヘッドであって、前記インピーダンス構成が前記流体路に複数の流路開口部を画定する、プリントヘッド。
10. 請求項１に記載のプリントヘッドであって、前記モノリシック半導体本体の前記上面に接合されたアクチュエータ膜をさらに含むプリントヘッド。
11. 請求項１に記載のプリントヘッドであって、前記モノリシック半導体本体内に画定された降下領域をさらに含み、前記降下領域は、前記吐出チャンバを前記ノズル開口部に接続する、プリントヘッド。
12. 請求項１１に記載のプリントヘッドであって、前記降下領域は、前記上面および前記下面の両方に対して垂直である、プリントヘッド。
13. 請求項１に記載のプリントヘッドであって、圧電アクチュエータをさらに含み、前記圧電アクチュエータは、前記上面および前記下面の両方に対して平行である、プリントヘッド。
14. 請求項１１に記載のプリントヘッドであって、前記吐出チャンバの長さは、前記降下領域に対して横方向に延在する、プリントヘッド。
15. 請求項１に記載のプリントヘッドであって、前記モノリシック半導体本体は、前記上面の縁と前記下面の縁とを接続させる表面を含み、前記上面の面積は、前記表面の面積よりも大きい、プリントヘッド。

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