JPH05220961A - 前面金属溶射によるサーマルインクジェット変換器の指向性 - Google Patents

前面金属溶射によるサーマルインクジェット変換器の指向性

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JPH05220961A
JPH05220961A JP4304090A JP30409092A JPH05220961A JP H05220961 A JPH05220961 A JP H05220961A JP 4304090 A JP4304090 A JP 4304090A JP 30409092 A JP30409092 A JP 30409092A JP H05220961 A JPH05220961 A JP H05220961A
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JP
Japan
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ink
printhead
front face
substrate
nozzle
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JP4304090A
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Igal E Klein
イーガル・イー・クレイン
Cathie J Burke
キャシー・ジェイ・バーク
William G Hawkins
ウイリアム・ジー・ホーキンス
Roberto E Proano
ロベルト・イー・プロアーノ
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Xerox Corp
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    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/16—Production of nozzles
    • B41J2/1606—Coating the nozzle area or the ink chamber

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】噴射インク飛沫の指向性を保証し、低度の漏れ
性を備え且耐食性をなした前面を有するインクジェット
ヘッド。 【構成】シリコン、ＧａＡｓ、ガラス、サファイア、ア
ルミナ、ＡｌＮ又はＢｅＯのような誘電体材料又は半導
体材料によって形成された上部基板１２及び下部基板１
４は接着によって接合される。流路１６はインクマニホ
ルドと連絡するインク流路を画成する。印刷ヘッドの前
面は外側に疎水性金属被覆を有し、この被覆は金、プラ
チナ、パラジウム、銀、ロジウム及びルテニウムを包含
する貴金属のグループから選択される金属によって形成
される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】〔発明の分野〕本発明は、インクジェット
印刷ヘッドに関し、より詳細には、そのノズルに隣接し
てインクを弾く被覆を有し、ノズルにおけるインク溜り
の形成を回避して、そこから噴射するインク飛沫の指向
性を保証するように成した印刷ヘッドに関するものであ
る。
【０００２】〔関連技術の説明〕インクジェット印刷に
おいては、通常、一方の端部においてインク供給室に連
絡する１本又はそれ以上のインク充填流路を有して、ノ
ズルと呼ばれる対向端部における開口部を有するように
成した印刷ヘッドが準備される。これらの印刷ヘッド
は、紙のような記録媒体の表面へインクの飛沫をノズル
から発射し或いは噴射することによって、記録媒体の表
面に画像を形成する。インクは、飛沫の形態において発
射される前に、各々のノズルにおいてメニスカスを形成
する。飛沫が発射された後、追加のインクは、ノズルに
対して押し寄せ、メニスカスを再度形成する。高品質印
刷ヘッドの重要な特性は、正確なジェット指向性であ
る。これは、印刷文書において所望される場所にインク
飛沫が正確に配置されることを保証する。貧弱なジェッ
ト指向性精度は、歪んだ文字の形成及びハーフトーン画
像における視覚的に好ましくない帯状部の形成という結
果になる。
【０００３】インクジェットの不良指向性の主要な原因
は、ノズルの配列を包含する印刷ヘッドの前面の不適当
な濡れに関連する。ジェット指向性精度に悪影響を与え
る１つの要因は、印刷ヘッドの前面に蓄積したインクと
噴射される飛沫との相互作用である。インクは、インク
の補充変動の間における流出によって、或いは印刷ヘッ
ドからの飛沫発射プロセスから生じる僅かな随伴飛沫の
飛散によって印刷ヘッド面に蓄積することが可能であ
る。印刷ヘッドの前面における蓄積したインクが流路の
中におけるインク（詳細にはノズル・オリフィスにおけ
るインク・メニスカス）に接触するとき、そのインクの
歪みは、出来する飛沫に作用する力の不均衡を生じ、続
いてジェットの不良指向性を導くことになる。この濡れ
現象は、表面が酸化するか又は乾燥したインク皮膜によ
って覆われるような印刷ヘッドの長期使用の後におい
て、更に厄介となる。結果として、形成される画像品質
の漸進的な劣化が生じる。従って、インクジェットの良
好な指向性を保持するため、印刷ヘッドの前面の濡れは
抑制されることが望ましい。
【０００４】サーマルインクジェット印刷において、通
常はソリッドステート抵抗体である熱エネルギー発生器
は、ノズルの近傍においてそこから所定の間隔を空けて
流路の中に配置される。抵抗体は、電流パルスによって
個別的にアドレスされて、インクを瞬間的に気化させ、
インク飛沫を発射するバブルを形成することになる。バ
ブルが成長するとき、インクは、ノズルから盛り上がっ
て、インクの表面張力によってメニスカスとして収容さ
れる。急速に膨張する蒸気バブルは、流路に充満するイ
ンクの柱をノズルに向かって押し出す。電流パルスの終
了において、加熱器は急速に冷却し、蒸気バブルは崩壊
し始める。しかし、慣性の故に、破裂するバブルからの
衝撃を受けたインクの柱の大部分は、その前方運動を継
続し、ノズルからインクの雫として噴射される。バブル
が崩壊し始めると、ノズルとバブルの間の流路の中にお
いて未だに留まっているインクは、崩壊しつつあるバブ
ルに向かって移動を開始し、ノズルにおけるインクの体
積収縮を引き起こし、盛り上がったインクを飛沫として
分離させることになる。バブルが成長している間におけ
るノズルからのインクの加速は、紙のような記録媒体に
向かって実質的に真っ直な線方向において飛沫の運動量
及び速度を提供する。しかし、サーマルインクジェット
印刷ヘッドの表面におけるノズル・オリフィスと接触状
態にあるインク溜りは、飛沫の偏流を引き起こし、従っ
て不良指向性をも引き起こすことになる。それ故に、印
刷ヘッドの前面の濡れ特性は、印刷を正確にすることに
関して致命的なのである。
【０００５】インクジェット印刷ヘッドは、ノズルの配
列を包含するものであり、配向従属エッチング（ＯＤ
Ｅ）技術を使用してシリコン・ウェーハによって形成さ
れることが可能である。ＯＤＥ技術がノズルのような構
造をウェーハの表面において高精度な様式で形成するこ
とが可能であるので、シリコン・ウェーハの使用は、好
都合である。更に、これらの構造は、低コストで効率的
に製造されることも可能である。結果として生じるノズ
ルは、断面が略三角形である。上述のＯＤＥ技術によっ
て形成されるサーマルインクジェット印刷ヘッドは、典
型的には、流路プレートを含んで成り、この流路プレー
トは、上部表面に複数の抵抗加熱要素を形成して加熱要
素が各々の流路の中に配置されるようにして配列せしめ
た加熱プレートに対して接合されることになる下部表面
に配置されるように成した複数のノズル画成流路を包含
する。加熱プレートの上部表面は、個々の加熱要素を露
出させる凹部を形成するようにしてパターン形成される
絶縁層を包含することも可能である。この絶縁層は、
「ピット層」と呼ばれるものであり、流路プレートと加
熱プレートの間において挾持され、ノズルを含んでいる
前面は、流路プレート、ピット層及び加熱プレートとい
う３層を有することが可能となる。
【０００６】加熱プレート及び流路プレートは、典型的
にはシリコンによって形成され、加熱プレートと流路プ
レートの間に挾持されるピット層は、典型的にはポリイ
ミドであるポリマーによって形成される。印刷ヘッドの
前面がこれらの材料を包含するので、撥水材料のような
被覆材料は、これらの異なった材料に対して等しく良好
に付着することがなく、均一にインクを弾くものではな
い被覆を産み出すことになる。従って、複層から形成さ
れるインクジェット印刷ヘッドに関して均一にインクを
弾くことになる表面被覆を準備することは困難なのであ
る。
【０００７】加えて、これらのプリンタは、典型的に
は、グリコール及び水分を含有しているインクを使用す
る。グリコール及びその他の類似材料は、湿潤剤と呼ば
れて、水分の保持を促進することになる物質である。被
覆材料が如何なる時間の長さに渡っても有効であるべき
ならば、グリコール含有インクを弾くのみならず、それ
に対する耐性をも有するものでなければならない。
【０００８】更に、インクジェットノズルの表面に対し
て被覆を適用することもまた困難である。多くの材料
は、シリコン・ウェーハの表面に対して十分に付着する
ことにはならない。ノズルジェットの表面の濡れ特性を
抑制することは望ましいのであるが、被覆材料がノズル
の流路に進入してしまうことを許容することは不都合で
あるかも知れない。流路の壁部がインクを弾く材料によ
って被覆されることになると、流路の適切な補充が妨げ
られるかも知れないのである。各々の流路の補充は、表
面張力に依存するものであり、発射される後続の一連の
雫のために間に合うように完了されなければならない。
次の雫が発射される時間までに補充プロセスが完了して
いなければ、そのメニスカスは、ノズル・オリフィスの
外側縁部と同じ高さにはならないかも知れず、不良指向
性を産み出すことになる。更に、不完全に補充された流
路は、インクの雫の大きさを変化させ、印刷品質の悪化
をも導くのである。
【０００９】温度制御されないインクジェットプリンタ
においては、２つの電極の間におけるインクの流路を介
して電気エネルギーを通すことによって導電性のインク
が直接に加熱される。例えば、コンタ（Conta)らの米国
特許明細書第４，５９５，９３７号は、それぞれが電極
及び対向電極として機能することになる裏面側における
導電プレート及び前面側における導電プレートを備えた
セラミック基板を有するインクジェット印刷ヘッドを開
示している。ノズルは、導電プレートの間におけるセラ
ミック層を貫通して穿孔され、耐食層が印刷ヘッドの外
側表面を被覆している。
【００１０】同様に、クロッティ（Crotti）らの米国特
許明細書第４，７０３，３３２号もまた印刷ヘッドの前
面に配置される電極及び対向電極を利用している。しか
し、これらのインクジェット印刷ヘッドは、外側表面に
おける導電層を通常は包含していないサーマルインクジ
ェット印刷ヘッドとは性質が異なっている。例えば、フ
ジムラ（Fujimura）らの米国特許明細書第４，７５１，
５３２号は、その外側表面において絶縁層を有する静電
式サーマルインクジェット印刷ヘッドを開示している。
メニスカスの形状が印刷品質に大きく影響するので、そ
の絶縁層は、ノズル・オリフィスにおけるメニスカスの
形状を維持することに関して致命的である。その絶縁層
は、低度の表面エネルギー処理を有するシリコーン型の
過フッ化炭化水素型樹脂によって形成される。しかし、
そのような低度の表面エネルギー処理は、フジムラらに
おいて説明されたように非常に複雑なプロセスを必要と
する。
【００１１】このようにして、インク飛沫の指向性を簡
単かつ効率的に保証するために印刷ヘッドの前面の濡れ
特性を変化させる能力が要求されるのである。
【００１２】〔発明の目的の概要〕従って、本発明の目
的の１つは、噴射されるインク飛沫の指向性を保証する
ことになるサーマルインクジェット印刷ヘッドを提供す
ることにある。
【００１３】本発明のもう１つの目的は、低度の濡れ性
を備えた前面を有する印刷ヘッドを提供することにあ
る。
【００１４】本発明の更なる目的は、耐食性であるよう
に成した前面を有する印刷ヘッドを提供することにあ
る。
【００１５】本発明の補足的な目的は、印刷ヘッドの表
面の内部におけるノズルにおいてインクの捕集を防止す
ることにある。
【００１６】本発明のこれらの目的及びその他の目的
は、前面を備えて流路プレートを画成する第１の基板
と、前面を備えてアクチュエータプレートを画成する第
２の基板とを有するサーマルインクジェット印刷ヘッド
を準備することによって達成される。第１と第２の基板
は、それらの間におけるインク流路と前面内におけるノ
ズルとを画成する対面関係において配設される。インク
を弾く外側の金属層が、ノズルに隣接して前面を覆って
被覆され、印刷ヘッドの前面の濡れ特性を変化させるこ
とによってインク溜りの形成を回避することになる。こ
のインクを弾く外側の金属層は、貴金属のグループから
選択される金属によって構成され、インクに関する低度
の濡れ性、空気中又は水中における低レベルの酸化、更
に基板に対する良好な付着性という特性を発揮するもの
である。好ましくは、印刷ヘッドの前面と貴金属層の間
には接着層が被着される。
【００１７】インクジェット印刷ヘッドから噴射される
インク飛沫の指向性を保証するためのプロセスは、内部
における流路と前面を有する第１の基板を、前面を有す
る第２の基板に対して結合し、インクを弾く金属層によ
って基板の前面を被覆することによって、インクジェッ
ト印刷ヘッドを形成することを包含している。この金属
被覆は、電気めっき、湿式の無電解めっき、蒸着、スパ
ッタリング、イオンめっき、化学蒸着又はプラズマ化学
蒸着によって施されることが可能である。基板前面と金
属層の間には接着層を包含する中間層が被着されること
も可能である。
【００１８】〔図面の簡単な説明〕本発明は、同様の参
照番号が同様な要素を示している後続の図面を参照して
詳細に説明されることになる。
【００１９】図１は、本発明に拠る印刷ヘッドの正面図
である。
【００２０】図２は、２−２線に沿って得られた図１の
印刷ヘッドの断面図である。
【００２１】図３は、３−３線に沿って得られた図１の
印刷ヘッドの断面図である。
【００２２】〔好適な実施態様の説明〕本文において使
用されている、上部、下部、側面及び前面のような用語
は、説明のためであるものに過ぎず、限定的な効果を有
するものとしては意図されていない。
【００２３】図面を参照すると、図１は、本発明に拠る
印刷ヘッド１０を示している。印刷ヘッド１０は、第１
の基板即ち上部基板１２及び第２の基板即ち下部基板１
４を包含する。これらの基板は、シリコン、ＧａＡｓ
（ガリウム砒素）、ガラス、サファイア、アルミナ、Ａ
ｌＮ（窒化アルミ）又はＢｅＯ（酸化ベリリウム）のよ
うな誘電体材料又は半導体材料によって形成される。半
導体物質は、ドーピングされることも可能である。
【００２４】上部基板１２は、例えばＯＤＥ技術によっ
てその底部表面に伸長したＶ字型の流路１６を形成せし
めた流路プレートである。下部基板１４は、その上部表
面に複数の抵抗加熱要素（示されていない）を形成せし
めたアクチュエータプレートである。アクチュエータプ
レート１４の加熱要素は、個数及び位置において、流路
プレート１２における流路１６に対応するものである。
【００２５】流路プレート１２及びアクチュエータプレ
ート１４は、抵抗加熱要素が流路１６に対面するように
して、例えば接着によって結合される。流路１６は、イ
ンクマニホルド（示されていない）と連絡するインク流
路を画成する。一旦、流路プレートとアクチュエータプ
レートが結合されると、印刷ヘッド１０の前面に沿った
共平面性を達成してノズル１８を製造するようにしてダ
イシング作業が実施される。
【００２６】ノズル１８に隣接した印刷ヘッドの前面に
おけるインク溜りを回避するため、インクを弾く疎水性
の金属層２０が、図２及び図３において示されるように
印刷ヘッドに対して付加される。このインクを弾く外側
の層２０は、印刷ヘッドの前面の濡れ特性を変化させ
て、インクがノズルの近傍に捕集して噴射インク飛沫に
干渉することを防ぐことになる。
【００２７】金属被覆２０は、金、プラチナ、パラジウ
ム、銀、ロジウム及びルテニウム、その他の貴金属との
貴金属の合金又は固溶体、更に／或いはニッケル及び／
又はコバルトとの貴金属の合金又は固溶体を包含するよ
うに成した貴金属のグループから選択されることが望ま
しく、２％以下の微量成分によってドーピングされ得る
ことになる。この金属被覆は、インクに関する低度の濡
れ性を示して、空気中又は水中における低レベルの酸化
（１年に付き１ミクロン以下の酸化速度）を有し、実施
例では誘電体又は半導体の基板であることになる基板に
対する良好な付着性を発揮するものでなければならな
い。図２及び図３において示されたような被覆は、説明
のために厚さが誇張されて示されているが、実用におい
ては、凡そ０．５から１２マイクロメータであって、好
ましくは凡そ３から６マイクロメータという範囲におけ
る厚さを有することになる。
【００２８】接着層２２は、好ましくは、図２及び図３
において示されたようにして、基板１２及び１４の前面
を覆って外側の金属被覆２０の下において被着される。
接着層２２は、クロム、ニッケル、チタン、タンタル、
アルミ、タングステン、それらの合金及び／又はそれら
の酸化物更に／或いはそれらの窒化物によって形成され
ることが可能である。しかし、外側の金属層と基礎を為
す誘電体又は半導体の基板の間における接着に適するそ
の他の材料もまた適合することになる。
【００２９】更なる付着性、耐食性、或いは安定性が要
求されるならば、接着層２２と金属層２０の間において
１つ又はそれ以上の中間層２４が被着されることも可能
である。これらの中間層は、チタニウム・タングステ
ン、ニッケル、パラジウム又はチタンによって形成され
ることが可能である。外側の金属被覆２０が電気めっき
によって被着されるならば、ニッケル、銅又は金のよう
な更なる導電層が付加されることもまた可能である。
【００３０】外側の金属被覆２０は、電気めっき、湿式
の無電解めっき、蒸着、スパッタリング、イオンめっ
き、ＣＶＤ（化学蒸着）、プラズマＣＶＤ、或いはバイ
アス・スパッタリング及び／又はマグネトロン・スパッ
タリングのようなそれらの変形によって施されることが
可能である。選択されるプロセスは、高い均一電着性を
有して、優れた付着性を産み出すべきものである。上述
したように、外側の被覆２０が電気めっきによって付加
されるならば、前述のプロセスの中の１つを使用する導
電層の被着が先行して行われるべきである。接着層２２
は、蒸着、スパッタリング、イオンめっき、ＣＶＤ又は
プラズマＣＶＤによって金属被覆２０の下において被着
されることが望ましい。
【００３１】この被覆プロセスは、一般的には、基板１
２及び１４が結合されてダイシングされた後において実
施される。しかし、組立又は成形レベルではなくて、ウ
ェーハ・レベルにおいて被覆プロセスを実施することも
実行可能であり、更に経済的に有益であることになる。
バイアス・スパッタリングのようなプロセスは、組立ら
れてダイシングされる前にウェーハ即ちプレートに対し
て被覆が施されることを可能にする。
【００３２】一旦、印刷ヘッド前面が外側の疎水性金属
層２０によって被覆されると、インクは、外側表面の低
度の濡れ性の故に、ノズルに捕集しないことになる。こ
のようにして、外側の被覆は、印刷ヘッド１０からの噴
射飛沫の不良指向性の主要な原因を取り除き、飛沫が正
確に方向付けされて紙のような印刷媒体の表面に配置さ
れることを保証するのである。
【００３３】本発明は特定の実施例を参照して説明され
てきたが、本発明は、以上の特殊な具体例に限定される
ものではない。例えば、接着層、中間層及び導電層は、
適当な材料によって適当なプロセスを利用して形成され
ることも可能である。更に、印刷ヘッドは、内部にノズ
ルを形成する流路プレート及びアクチュエータプレート
を有する形式に限定されることもない。本発明は、飛沫
の形成が圧電変換器のように抵抗体以外の様々な手段に
よって制御されることになる如何なる種類のインクジェ
ット印刷ヘッドにおいても使用されることが可能であ
る。添付の請求項において規定されるような本発明の精
神及び範囲から離れることなく、その他の実施例及び修
正が作製されることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に拠る印刷ヘッドの正面図である。
【図２】 ２−２線に沿って得られた図１の印刷ヘッド
の断面図である。
【図３】 ３−３線に沿って得られた図１の印刷ヘッド
の断面図である。
【符号の説明】
１０ 印刷ヘッド、１２ 上部基板、１４ 下部基板、
１６ 流路、１８ ノズル、２０ 金属被覆、２２ 接
着層、２４ 中間層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 キャシー・ジェイ・バーク アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14625 ロチェスター スーペリアーロード 135 (72)発明者 ウイリアム・ジー・ホーキンス アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14580 ウエブスター ドラムロード 575 (72)発明者 ロベルト・イー・プロアーノ アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14607 ロチェスター ブライトンストリート 63

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 次のものを含むサーマルインクジェット
    印刷ヘッド：前面を有する誘電体流路プレートを画成す
    る第１の基板と；前面を有するアクチュエータプレート
    を画成する第２の基板であって、前記第１基板及び前記
    第２基板が、それらの間におけるインク流路と前記前面
    内におけるノズルとを画成する対面関係において配設さ
    れるように成した、前記第２基板と；前記ノズルに隣接
    して前記前面を覆って被覆されるように成したインクを
    弾く外側の金属層。
JP4304090A 1991-11-21 1992-11-13 前面金属溶射によるサーマルインクジェット変換器の指向性 Withdrawn JPH05220961A (ja)

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US07/795,596 US5208606A (en) 1991-11-21 1991-11-21 Directionality of thermal ink jet transducers by front face metalization
US795596 1997-02-14

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