JPH044152A - 熱インク・ジェット・プリントヘッド用多重回路付きインク供給構造および熱インク・ジェット・プリントヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［０００１］

【産業上の利用分野】

本発明は、一般に熱インク・ジェット（ＴＩＪ）プリン
トヘッドの接続駆動回路との集積に関しており、特にプ
リントヘッドの薄膜デバイス表面積の使用を最適にする
ためのＴＩＪプリントヘッド用集積化多重ヒーター抵抗
器駆動回路に関している。 ［０００２］

【従来の技術】

プリントヘッドのヒーター抵抗器を駆動するために必要
な回路を備えるためのＴＩＪプリントヘッド回路設計の
分野における初期のアプローチでは、個々のヒーター抵
抗器に対して別々の電気接続を用いた。このアプローチ
は、明らかに、所定のプリントヘッド基板の表面積で達
成可能な、抵抗器および相互接続実装密度に重大な制約
を課している。初期アプローチに関してこの実装密度を
増加させるだめに努力が払われて、ＴＩＪプリントヘッ
ドで電気駆動回路および薄膜ヒーター抵抗器を集積する
ための各種設計が提案された。そのような設計および構
造の１つはＨａｗｋｉｎｓに与えられたＵＳＰ　４．５
３２．５３０に開示され、ＴＩＪプリントヘッドのヒー
ター抵抗器に電気的に接続するために、集積回路上の多
結晶シリコン給電配線を利用することが提示されている
。このアプローチにより、プリントヘッドを製造すると
きに使用するものと同じ手順で、ドライバーおよび論理
回路を共に組み立てることができる。 ［０００３］ 駆動回路をＴＩＪプリントヘッドと集積するための別の
構成は、Ｈａｃｋｌｅｍａｎに与えられ本譲受人に譲渡
されたＵＳＰ　４．６９５．８５３に開示されている。 この後者のアプローチでは、Ｘ−Ｙ多重回路は、多重化
操作中にダイオードと抵抗器を導通がら非導通に選択的
に切り換えるために、共通の集積回路チップ上で垂直構
成ヒーター抵抗器および多重ダイオードと接続される。 ［０００４］ 前記２種類の構成および他のＴＩＪプリントヘッド構成
およびドライバー回路集積方法では、駆動回路は薄膜プ
リントヘッド基板の１つの部分にあり、ヒーター抵抗器
はプリントヘッド基板の別の部分にある。この設計アプ
ローチは、所定プリントヘッドのデバイス表面部分のヒ
ーター抵抗器および付ＶｊＮ駆動回路の達成可能な実装
密度に重大な制約も課している。 ［０００５］

【発明の目的】

本発明の目的は、共通の基板上にある新規の集積回路構
成によりヒーター抵抗器および付随駆動回路の達成可能
な実装密度を最大にすること及びプリントヘッドの高性
能化である。 ［０００６］

【発明の概要】

上記目的はＴＩＪプリントヘッドおよび多重回路により
達成されており、支持基板の所定部分に配置された多数
の抵抗ヒーター素子を含む。対応する多数のインキ流出
ポートは、インク・ジェット印字動作中にインクを供給
するための、対応する抵抗ヒーター素子のまわりの基板
およびインキ送りの吐出通路の中に形成される。 ［０００７］ 抵抗ヒーター素子およびインク供給ポートと同じ基板上
の部分にもＸ−Ｙマトリックス駆動回路がある。該回路
には、各抵抗ヒーター素子の一方に接続された多数のＸ
配線、および各抵抗ヒーター素子の別の側に接続された
多数のＹ配線がある。 ［０００８］ ＸおよびＹ配線は、既知のダブル・レベル・メタル（Ｄ
ＬＭ）および膜蒸着手法を用いてお互いに電気的に絶縁
されており、各ＸおよびＹ配線は多数の抵抗ヒーター素
子を同時に駆動することができる。これらの配線は、ヒ
ーター素子および付随するインク供給ポートのすぐ近く
に接続され、ヒーター素子が形成される薄膜デバイスの
該広範囲にわたる表面部分内に集積される。このように
して、この構成は（１）抵抗ヒーター素子、（２）Ｘ−
Ｙマトリックス駆動多重回路、および（３）付随インク
供給ポートおよび接続通路の組合せ実装密度を最大にし
、そしてＴＩＪプリントヘッドの全体的最適化実密度を
達成している。 ［０００９］ 本発明の別の目的は、優れたインク再充填速度および優
れた周波数応答で作動する前述の種類の新しく改良され
たプリントヘッドをもたらすことである。 ［００１０１ 別の目的は、最小の流体漏話で作動する新しく改良され
たインク・ジェットプリントヘッド多重回路および付随
インク供給構造をもたらすことである。 ［００１１］ 本発明の特徴は、Ｘ−Ｙ多重回路用抵抗ヒーター素子、
バリヤ層および多重レベル・メタライゼーションを定義
するために、最高水準の薄膜蒸着およびパターン形成手
法を用いて製造することのできる、斬新な集積化多重Ｔ
ＩＪプリントヘッドの構造にある。 ［００１２］ 本発明の別の斬新な特徴は、薄膜プリントヘッドの所定
部分の抵抗ヒーター素子および付随するＸ−Ｙ多重回路
の各々のすぐ近くに配置された垂直インク供給ポートの
利用にある。この垂直インク供給ポートは、都合よく、
最高水準のレーザー穿孔プロセスを用いて成形すること
ができる。 ［００１３］

【実施例】

図１を参照すると、３色および黒色を使用できるインク
・ジェット・ペン１０が示してあり、隣接バリヤ層１４
に固定されたオリフィスすなわちノズル・プレート１２
がある。バリヤ層１４は、一般にＶＡＣＲＥＬなとの高
分子物質で成形され、本書のＸ−Ｙ多重駆動回路が以後
に述べるように組み込まれている薄膜抵抗器（ＴＦＲ）
基板１６に固定されている。 ［００１４］ ＴＦＲ基板１６は、ＴＦＲ基板１６をインク供給ハウジ
ング２０に固定させるハウジング・アタッチメント層１
８上にある。ハウジング２０には、一般に４つのインク
貯蔵コンパートメント２２．２４．２６および２８があ
り、よく知られた方法でシアン（Ｃ）黄（Ｙ）　　マゼ
ンタ（Ｍ）および黒（Ｋ）色のインキを貯蔵する。この
インク貯蔵はコンパートメント２２．２４．２６、およ
び２８の中のポリウレタン・フオーム素材を用いて行う
ことができ、フオーム貯蔵に用いる手法およびペン本体
ハウジング構造にライては、例えば、Ｊｅｆｆｒｅｙ　
Ｐ、　Ｂａｋｅｒ他に与えられたＵＳＰ　４．７７１．
２９５およびＣ，Ｓ、　Ｃｈａｎ他に与えられたＵＳＰ
　４．８１２．８５９に開示されており、共に本譲受人
に譲渡され、参考のため本書に組み込んである。 ［００１５］ オリフィスすなわちノズル・プレート１２には８つのノ
ズルの４つの斜め列３０．３２．３４、および３６があ
り、これらのノズルは、図２で述べる水平通路およびヒ
ーター抵抗器に隣接する垂直インク供給ポートと流体的
に結合されている。しかし図１は実際の縮尺で描かれて
いないこと、およびノズル列３０．３２．３４および３
６間の垂直間隔が、ペン本体ハウジング２０内部のシア
ン（Ｃ）　　黄（Ｙ）　　マゼンタ（Ｍ）　　および黒
（Ｋ）色コンパートメント２２．２４．２６および２８
を隔てている壁（図示していない）の厚さの結果として
、図よりも大きくなることを理解しなければならない。 ［００１６］ 図２は、ＴＩＪプリントヘッド基板の表面上に構造特徴
的レイアウトで描かれた電気および流体結合の概略図を
示す。 ［００１７］ 電気的接続、接続のための絶縁およびパッシベーション
層、およびこの構造のためのインク供給通路の境界を定
めるバリヤを成形するための特定プロセスについては本
書で詳細に述べていない。というのも、該プロセスの詳
細は、本書で述べる特許請求範囲を支持したり理解する
ために不必要だからである。これらの組み込まれるコン
ポーネントのすべてを成形するために要求される組立フ
ロセスは半導体、薄膜およびプレーナ金属酸化膜半導体
（ＭＯＳ）テクノロジーでよく知られており、下記に詳
細を記述および列前する。 ［００１８］ 再び図２を参照する。１〜３２の番号を振り斜線で陰影
をつけた四角により識別され、それらの行を平行とし一
定間隔でずらし斜めに置いた８個のヒーター抵抗器を含
む、本発明に従うＸ−Ｙ多重回路が示しである。これら
のヒーター抵抗器１〜３２は、一般にシリコン、ガラス
、または背ＬＡＲなどの他の適切な絶縁素材から成る下
側の基板上またはその中に光学的に定義されている。こ
れらのヒーター抵抗器１〜３２は、例えば、タンタル・
アルミニウムで作ることができ、そのＸ　−Ｙ寸法は、
よく知られたインク・ジェット・ヒーター抵抗器組立お
よび関連接続プロセスを用いてフォトリソグラフィで定
義される。 ［００１９］ 該プロセスは、例えば、５ｔｅｐｈｅｎ　Ａｄｅｎ他に
与えられたＵＳＰ　４８０９　）−２８およびＪｏｈｎ
Ｌ、　５ｔｏｆｆｅｌに与えられたＵＳＰ　４．８６２
．１９７に記述されており、共に本譲受人に譲渡され、
参考のため本書に組み込んである。これらのプロセスは
、ヒユーレット・パラカード・ジャーナル３６巻、Ｎｏ
、　　５．１９８５年５月号およびヒユーレット・パラ
カード・ジャーナル、３９巻、Ｎｏ、　　４．１９８８
年８月号にも記載されており、参考のために本書に併記
した。 ［００２０］ これらのヒーター抵抗器１〜３２は、図１に示す、一番
上にあるオリフィス・フレート１２のオリフィス開口部
列３０．３２．３４、および３６に関して、−列になっ
ているか、わずかにずれている。これらのヒーター抵抗
器は、電流駆動パルスにより励起されると、オリフィス
・プレート１２のオリフィス開口部を通り隣接する印字
媒体に、該生成（ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ）によりインク
を送り出すように作動する。これらのヒーター抵抗器に
関するオリフィス・プレートの整列および取付は、技術
的によく知られており、該ヒユーレット・パラカード・
ジャーナルにもその詳細が記述しである。該整列は、本
譲受人に譲渡され参考のために本書に組み込んであるＲ
。 ｓｓ　Ｒ，Ａ１１ｅｎに与えられなｔＪｓＰ　４．７４
６．９３５にも記述されている。 ［００２１］ 図２の上列の抵抗器１〜８は、その上側でリード線１に
より共通電気接続がされており、他の水平リード線２．
３、および４は、各々、ヒーター抵抗器の隣接する列９
〜１６．１７〜２４、および２５〜３２に対して共通接
続を行っている。これら４列のヒーター抵抗器は、その
下側で、リード線Ａ−Ｈにより示す８本の垂直リード線
により接続されている。これらのリード線Ａ−Ｈは、図
２に示すようにヒーター抵抗器の左側に少しずらしてあ
り、８本の各垂直リード線Ａ−Ｈから斜めに伸びている
分岐接続４０により該抵抗器に接続されている。８本の
垂直リード線Ａ〜Ｈは、本書では詳細を記述しないよく
知られたダブル・レベル・、メタライゼーション（ＤＬ
Ｍ）処理手法により、水平リード線１〜４と交差かつ絶
縁されており、垂直リード線Ａ〜Ｈは、図示のように垂
直縦列のヒーター抵抗器の左側にずらしである。これは
、基板にまで達しリモート・インク供給（図示していな
い）に接続されている多数のインク供給ポートのための
スペースを確保するための配置である。３２個の各抵抗
器１〜３２には、１つのインク供給ポートが連結され流
体的に結合されている。 ［００２２］ 垂直リード線Ａ−Ｅは、水平リード線１〜４と交差し、
二酸化珪素、窒化珪素または炭化珪素またはそれらの複
合組合せなどの適切な絶縁層（図示していない）により
お互いに絶縁され、既知のフォトリングラフィおよび金
属蒸着プロセスにより長さおよび幅が光学的に定義され
る。 ［００２３］ 垂直シリンダーすなわちインク供給ポート　（１′〜３
２′）は、対応するヒーター１〜３２にインクを供給す
るために図示のように配置され、レーザー穿孔サンドブ
ラスト、または化学エツチングなどの技術的によく知ら
れたプロセスを用いて下の基板に形成されている。これ
らのプロセスのうち、レーザー穿孔は最も有効であるこ
とが分かっており、非常に小さなビーム・スポット・サ
イズの強力ＱスイッチＹＡＧレーザーの焦点を、穴を明
ける基板材料に合わせることにより達成することができ
る。これらのレーザー・ドリリング手法については、該
ヒユーレット・パラカード・ジャーナル、３９巻、Ｎｏ
、　　４．１９８８年８月号の２８〜３１頁に詳細に記
述されている。ヒーター抵抗器の各列に付随するインク
供給ポートは、各々、適切なインキ通路を介して、図１
に示すインク供給ハウジングのＣ，Ｙ、Ｍ、およびにコ
ンパートメントに接続することができる。Ｂａｋｅｒ他
に与えられた該ＵＳＰ　４゜７７１、２９５に示すよう
なインク供給構成手法は、この流体結合および絶縁に使
用することができる。 ［００２４］ 各送り穴１“　〜３２′（図２に丸で囲んである）は、
各ヒーター抵抗器に対して別々のインク供給通路を定め
たり、各垂直インク供給穴すなわちポートから個々のヒ
ーター抵抗器にインキの連結をもたらすために、図２お
よび図３に示す形状に作られたバリヤ層の壁により囲ま
れている。各インク供給通路は、図１および図３のバリ
ヤ層１４でフォトリソグラフィにより定められ、その細
部は図３に拡大して示しである。このバリヤ層構造自体
は、技術的もよく知られており、すでに述べたすべての
関連文書に詳細が記述されている。バリヤ層は、一般に
ＶＡＣＲＥＬなとのポリイミド材料であり、上に取り付
けられたオリフィス・プレートを、すでに述べたＴＦＲ
基板１６上のＸ−Ｙ多重メタライゼーション平面と隔て
ている。 ［００２５］ 垂直インキ供給ポートは、約１００　ミクロンの直径の
穴を明けて、各ヒーター抵抗器から約１７５ミクロンだ
けの間隔を置く。ヒーター抵抗器との水平および垂直Ｘ
−Ｙ接続は、一般に５０ミクロンの幅のアルミニウム薄
片として成形することができ、図２の新規多重回路およ
びインク供給の組合せの全体は、薄膜抵抗器基板１６の
表面上の１平方ミリメートルの面積内で組み付けること
ができる。しかし、広い面積にわたりインクを配給する
ために、ヒーター抵抗器の縦および横列が増加され広い
面積にわたり一定間隔で配置し、インク供給ポート１′
　〜３２′の直径を大きくできることは理解される。 ［００２６］ このように、Ｘ−Ｙ電流駆動およびヒーター抵抗器およ
び付随インク供給ポートおよび通路を全利用可能なＴＦ
Ｒ基板の１つの範囲に集積するために本発明を利用する
ことにより、残りの基板部分は、ハウジング組込みデコ
ーダー回路および外部の基板から離れた接続と連結して
いるバス・ラインなどの他の機能に使用することができ
る。 ［００２７］ 実際、８つのヒーター抵抗器の各４列は、各々、シアン
、黄、マゼンタ、および黒（Ｃ，Ｙ、Ｍ、およびＫ）の
主要なインク・カラーを受は取るために流体的に接続す
ることができ、各列の抵抗器は、同じ列の隣接する各抵
抗器から、抵抗器自体の幅寸法と等しい大きさだけ、垂
直にずらしである。斜めの各列の隣接ヒーター抵抗器の
この垂直ずれは、プリントヘッドが印字媒体を横切ると
きの速度を補正するために作られており、各列の抵抗器
が、すでに述べた多重回路から加えられる駆動信号によ
り時々逐次的に点弧されるという事実が考慮しである。 ［００２８］ ヒーター抵抗器の所定の列でヒーター抵抗器を垂直にず
らすこの手法は、技術的に知られており、ヒーター抵抗
器列の逐次点弧は、プリントヘッドの移動速度よび抵抗
器のずれの結果として、印字頁の上にシアン、黄、マゼ
ンタ、および黒色の４本の水平線を作成する。 ［００２９］ リード線１〜４は、共通バイアス・レベルすなわち基準
電位の共通ポイントに接続することができ、リード線Ａ
−Ｈは、各列のヒーター抵抗器の逐次または同時点弧を
もたらすために、外部パルス駆動信号と接続することが
できる。各ヒーター抵抗器は、所望する場合には、使用
する抵抗性材料により異なるがＰＮ接合を組み込むこと
ができ、またはそうでなければ、望ましくない漏れ電流
が多重回路内で起こることを防止するために、ＰＮ接合
ダイオード（図示していない）を結合することができる
。該ダイオードの構造、目的および接続については、例
えば、Ｄａｖｉｄ　Ｈａｃｋｌｅｍａｎ他に与えられた
前述のＵＳＰ　４．６９５．８５３に記述されている。 これらのヒーター抵抗器をシリコン基板の上またはその
中に成形する場合には、選択拡散またはイオン注入によ
り、これらの絶縁ダイオードを直接基板材料およびヒー
ター抵抗器のすぐ近くに成形することが望ましい。 ［００３０］ 絶縁バリヤ層４２には、図２および図３に示すような多
数の矩形バルブ状インク供給通路４４があり、垂直イン
ク供給穴すなわちポート４８から個々のヒーター抵抗器
５２への、閉じ込められた横方向のインク流れをもたら
している。これらの通路の１つは、図３において一般に
４４で示され、インク供給ポート４８を囲む環状ヘッド
部４６を含み、さらにそこから伸びている首部５０も含
んでいる。首部５０は、ＸおよびＹリード線５４および
５６の接続されているヒーター抵抗器５２を囲んでいる
。これらの送り通路４４は、隣接ヒーター抵抗器とそこ
への隣接流体継手との間の優れた流体漏話絶縁げ１ｕｉ
ｄｉｃ　ｃｒｏｓｓｔａｌｋ　１ｓｏｌａｔｉｏｎ）を
もならしている。さらに、各ヒーター抵抗器５２のすぐ
隣に配置された１つのインク供給ポート４８の使用は、
抵抗器の点弧後に適切なインク再充填速度を確実に与え
、プリントヘッドのための優れた周波数応答特性をもた
らしている。また、図３から分かるように、ＶＡＣＲＥ
Ｌバリヤ層は、ヒーター抵抗器と直接に接触する端部ま
たは端子は除き、Ｘ＆Ｙ多重リード線のすべての部分に
対して、優れた絶縁被覆および腐食防止をもたらしてい
る。 ［００３１］ ＶＡＣＲＥＬ層による腐食防止の他に、メタライゼーシ
ョンおよびヒーター抵抗器のための付加的保護手段をも
たらすために、ＶＡＣＲＥＬバリヤ層とＸ−Ｙメタライ
ゼーションと下側のＴａＡ１抵抗層の間に直接置れた複
合Ｓｉ○／Ｓｉ　Ｎ層などの別の絶縁層（図示していな
い）がたいてい置かれる。これらのリード線の下に直接
置かれる基板材料がタンタル・アルミニウム抵抗層であ
る場合には、図３の金属リード不連続部がＴＩＪヒータ
ー抵抗器の１つの寸法を定める。 ［００３２］ これまでに述べた実施例では、本発明の範囲から逸脱す
ることなく、様々な変更をすることができる。例えば、
ＸおよびＹリード線は、多結晶シリコンなどの金属以外
の素材で作ることがある。ポリシリコン・リード線を使
用するときには必要なＰＮ接合とか漏れ電流のための接
合絶縁をもたらすために、ヒーター抵抗器に隣接する部
分を不純物で適切にドープ処理することができる。 ［００３３］ さらに、発明に従うＸ−Ｙ多重回路は、当業者には理解
されるが、ヒーター抵抗器の代りに圧電変換器と共に使
用することができる。また、本書に述べるＸ−Ｙ回路を
、円形基本構成または他の非線形ノズル構成として配置
されたノズル形状に合わせるために、環状または円形の
形状に再配置することができる。 ［００３４］ 本発明は、すでに述べた典型的な光学的に定義される薄
膜蒸着プロセスに限定されない。様々な種類のＴＦＲ基
板構成手法、例えば、Ｂｈａｓｋａｒ他に与えられ本譲
受人に譲渡され参考のために本書に組み込まれたＵＳＰ
　４．８４７．６３０に開示された手法などを用いるこ
とができる。本特許では、ヒーター抵抗器、リード線お
よびインク供給ポート間の正確な整列をすることのでき
る制御された自動整列プロセスにおいて、抵抗ヒーター
素子および引込接続を、共通基板開始材料上に組み込ん
だり作り出すのである。別の適切なオリフィス・プレー
ト対抵抗器ヒーターおよび電気的リード線整列フロセス
については、Ａｌｆｒｅｄ　ＰａｎのＵＳ出願第３５７
，９１５　号に開示され、本書に参考のため組み込んで
ある。 ［００３５］ 本発明は、発泡貯蔵形ペンの代りに、他のタイプのイン
ク貯蔵ハウジングと共にも使用することができる。毛管
送りシステムを用いる１つの該代替ハウジングについて
は、Ｇａｒｙ　Ｅ、　Ｈａｎｓｏｎ他に与えられ本譲受
人に譲渡され参考のために本書に組み込まれたＵＳＰ　
４．７９１．４３８に明示されている。 ［００３，６］

【発明の効果】

前述の説明から明らかなように、本発明の実施により、
プリントヘッドのヒーター抵抗器、駆動回路の実装密度
が高くできる。 また、インクの再充填速度の向上、漏話の減少をも本発
明の実施により実現す（Ｊ開＋４−４１ごＺ（１【） ることかできる。 従って実用に供して有益である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が実施できるＴＩＪペンの等角図である
。

【図２】本発明の一実施例のＸ−Ｙ多重回路に用いるハ
イブリツび付随するインク供給を説明する図である。

【図３】図２の１つのヒーター抵抗と１つの垂直インク
供給ポーを説明するための部分拡大等角図である。

【符号の説明】

１０：インク　ジェット・ペン １２：ノズル・プレート １４：バリヤ層 １６　：　ＴＦＲ基板 １８：ハウジング・アタッチメント層 ２０：ハウジング ２２．２４．２６．２８：コンパートメント３０．３２
．３４．３６：ノズル列 ４２：バリヤ層 ４８：インク供給ポート ５４：Ｘリード線 ５６：Ｙリード線 ド電気配線及 トの結合状態

【書類色】

【図１】 図面

【図２】

【図３】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】後記（イ）乃至（ハ）より成るインク・ジ
   ェット・プリントヘッドの駆動及びインク供給機構。 （イ）支持基板上の与えられた面積に配列された複数の
   変換器（１〜３２）。 （ロ）前記変換器に間隔をおいて隣接した左吐出口を有
   し、インク・ジェット印字中に該吐出口にインクを供給
   するための、前記支持基板内に伸長するインク供給ポー
   ト（１’〜３２′）。 （ハ）前記支持基板の前記与えられた面積に接続され、
   前記変換器のそれぞれの一方の面に接続された複数のＸ
   リード線（１〜４）と前記変換器のそれぞれの他方の面
   に接続された複数のＹリード線（Ａ−Ｈ）を含むＸ−Ｙ
   マトリクス駆動回路。前記Ｘリード線と前記Ｙリード線
   は電気的に相互に絶縁されており、前記Ｘリード線と前
   記Ｙリード線のそれぞれは、前記複数の変換器の駆動を
   おこなうことができる。