JPH05508815A - 電熱変換原理で動作するインキジェットプリンタのためのプリンタヘッドとそれを製造するための方法 - 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】 発明の名称 電熱変換原理で動作するインキジェットプリンタのためのプリンタヘッドとそれ を製造するための方法 技術分野 本発明は請求の範囲第１項および第１１項記載の電熱変換原理で動作するインキ ジェットプリンタのためのプリンタヘッドとそれを製造するための方法に関する 。

背景技術 電熱変換原理（バブルジェット原理）で動作する公知のプリンタヘッドは、多数 の単一ノズルを有し、これらのノズルから電子制御により大きさの定まった（１ ０から２００ｔ１ｍの直径の）インキ粒子が形成されて、定まったパターンで記 録担体の方向へ噴出される。

印字する記号（例えば文字またはグラフィック文字）はそれぞれ複数のインキ粒 子により形成される。

各記号のためのパターンはいわゆるマトリクスで表される。

好適には、高い印字速度および一様な字面を得るためにこのようなマトリクスの １列全部を同時に印字する。

従って前述の印字方式に適するプリンタヘッドは、インキ粒子を必要時点で噴出 する（オンデマンド原理）複数の（同一の）素子を統合しなければならない。

この技術の特徴は、例えばインキ等の記録液が充填されている毛細管の中でかつ 毛細管の開口の近くに、加熱素子として形成されている電気抵抗が位置すること にある。この加熱素子に必要に応じて短い電流パルスによりある特定の熱エネル ギーが供給されるとインキへの非常に迅速な熱伝達（膜沸Ｉｌ）によりまず初め にインキ蒸気泡が急速に膨張し、次いでインキ蒸気泡はエネルギー供給停止によ るインキの冷却により比較的急速に崩壊してインキ粒子となる。蒸気泡により毛 細管の中に生じる圧力波は制限された量のインキ粒子をノズル噴出口から近くの 記録担体の表面に噴射する。

バブルシェフ）原理の１つの利点は、インキ液が液相−気相一液相と順次に相転 移することを利用することによりインキ噴出に必要な比較的大きく急速な体積変 化が非常に小さい変換素子表面（典型的には０．０１ｍｍ”　）から得られるこ とにある。小さい変換素子表面は、例えば膜技術における高精度写真リソグラフ ィ法等の最近の製造技術の利用により、高い印字点密度と小さい寸法を特徴とす るプリンタヘッドの構造を比較的間車かつ低コストで実現することを可能にする 。

これに関してドイツ特許出願公開第３０１２６９８号公報からいわゆるサイドシ ュータ原理で動作する装置が公知である。このような装置では加熱面およびこの ために必要な導電路および電気接触部は基板上に集積される。チャネル構造およ びこれらの噴出口すなわちノズルへの割当は、基板の上にノズルプレートを正確 なはめ合いで接着することにより形成される。

バブルジェット原理で動作する装置の１つの別の基礎構造がドイツ特許出願公開 第３２２８８８７号公報に開示されている。エツジシュータの名称でも公知のこ の装置においても加熱面、導電路、電気接触部はチップの上に集積されている。

チャネル構造はフォトレジストとして装着されると有利である。噴出口は、被覆 薄片によりチャネル構造を被覆することにより初めて実現される。必要な表面品 質および噴出口におけるエツジ先鋭度を得るために、覆薄片は基板およびチャネ ル構造と一緒に各チップにおいて機械的精密加工にかけられなければならない、 この加工の後に、濡らすことが困難な表面層により噴出口をコーティングするこ とが行われる。加熱素子への電流パルスを変化させることによりインキ粒子の大 きさを変化させることは、制限された範囲内でしか可能でない。

技術的課題 本発明の課題は、プリンタヘッドにできるだけ多数の機能素子、例えば加熱面、 インキチャネル、噴出口、インキ供給、制御電流導体路端子等を設けることを可 能とし、同時にブレーナ技術工程により多数のプリンタヘッドへのこれらの機能 素子の正確な割当を実施することを可能とし、個々のチップの装荷の際にはめ合 いの精度ができるだけ低く機械的後処理ができるだけ少なくてすむことを可能に する、冒頭に記載の手段をインキジェットプリンタのために提供することにある 。

これに加えて、同一の噴出口から噴出されるインキ粒子の大きさを簡単な手段に より変化させることが可能とすることをも課題とする。

上記課題は請求の範囲第１項および第１１項の特徴部分に記載の特徴により解決 される。有利な実施例はその他の項に記載されている。

ノズル、中空室、加熱素子の本発明による配置により、簡単でひいては低コスト の製造工程を特徴とするインキジェットプリンタヘッドが提供される。特に、す べての精密加工工程はプレーナ技術で実施でき１つの要素に統合できる。同一の ノズルからのインキ粒子の大きさは簡単な方法で変化させることが可能であり、 インキ供給は非常に簡単な方法で接続することが可能である。

図面の簡単な説明 第１図および第２図は従来の技術のプリンタヘッドの原理図（第１図はエツジシ ュータ原理、第２図はサイドシュータ原理）、第３図は本発明のプリンタヘッド 構造を略示する斜視図、第４図は第３図の切断ＩＩＩ−Ｉによるこのようなプリ ンタヘッドの断面図、第５図は第４図の拡大部分図である。

発明の最良の実施形態 第１図および第２図には従来の技術によるインキ粒子噴射の原理が略示されてい る。第１図にはいわゆるエツジシュータ、第２図にはサイドシュータが示されて いる。これら２つの原理は、噴射口を基準としてのインキ毛細管の中の加熱素子 の位置において本質的に異なる。第１図および第２図において同一の機能素子は 同一の参照番号により示されている。インキ毛細管１には、矢印記号により示さ れているインキ供給７によりインキ液８が供給される０例えばガラス等から成る 基板３の上でインキ毛細管ｌの中に電気抵抗の形の加熱素子４が配置されている 。

第１図の構成では加熱素子４はインキ毛細管１の中で、インキ蒸気泡５の膨張方 向（図面では上方向）がインキ粒子６の噴出方向（図面では右方向）に対して本 質的に９０’であるように配置されている（エツジシュータ）。インキ毛細管１ の上方は被覆プレート２により閉鎖されている。

第２図のいわゆるサイドシュータの場合には加熱素子４は噴出口の直下に位置し 、従ってインキ蒸気泡５の膨張方向（図面では右方向）はインキ粒子６の噴出方 向（図面では右方向）と一致し幾何学的に見て１つの線を形成する。この場合に インキ毛細管１の中へのインキ供給７の方向は噴出口の位置に対して側方へずれ て位置する。この場合に被覆プレート２は、有利には接着されノズル噴出口が中 に配置されているノズルプレートの機能の役割を果たす。

第３図の斜視図は本発明のインキジェットプリンタヘッドの構造を示す、このプ リンタヘッドはただ２つの互いに接続される部分すなわちチップ１１と貯蔵容器 １２から本質的に成る。加熱素子、導電路、端子のための接触接続個所およびノ ズル噴出口を中に有するチップは、終端としての貯蔵容器に固定され接触接続さ れている。この原理図では示されていない加熱素子、導電路、接触接続個所、出 口１０は単一の例えばシリコンから成るチップ１１の中にプレーナ技術により形 成されることが可能である。

貯蔵容器１２は直方体であり、この直方体の中には、インキが浸潤されている媒 体例えばスポンジ１３が配置されている。しかしインキ貯蔵体としてメラミンホ ルムアルデヒド海綿状樹脂またはこれに類似の気泡性物質等の気泡性物質を使用 することも可能である。

貯蔵容器のチップに面している上面には、フィルタ１４が設けられている２つの 供給チャネル１５の形の出口が設けられている。この貯蔵容器チャネル１５は、 チップ１１が貯蔵容器１２に取付けられた場合に貯蔵容器チャネル１５が後に詳 述する中空室１６を介して出口１０に流体的に接続されるように、貯蔵容器１２ の長手方向で互いに平行に走行する。貯蔵容器１２へのチップ１１の取付は、正 確なはめ合い部分も高コストの調整も必要でなく、貯蔵容器Ｉ２の側面に配置さ れ機械的接続および接触接続個所９を介しての電気接触接続の役割も果たす取付 用挟持部材により簡単な方法で行われる。

第４図は第３図の切断線Ｉ−Ｉによるチップ１１の断面を示す、平行な壁および 斜めの出口ゾーン１８を有する中空室１６の幾何学的形状がこの図から分かる。

この中空室の形成およびチップ１１の詳細な構造は、第４図の拡大図である第５ 図に基づいて説明される。

基板材料１９として、ドーピングされたシリコンが使用される。中空室１６の構 造は異方性腐食により形成される。基板として有利には（１１０）方位の単結晶 シリコンが使用され、腐食の際のマスキングは、平行な壁を有する中空室１６が （１１１）平面と斜めの出口ゾーン１８から形成されるように、平行な側面エツ ジを有する長く延在する開口を這って行われる。これによりこのような中空室の 配列が可能に成る。この腐食作用で同時に、加熱素子４からインキが充填されて いる中空室工６への熱伝導を保証するために必要な薄膜担体層２０が形成される 。これはシリコン基板１９が腐食の前に、腐食がドーピング領域に到達するとス トップされるように薄層でドーピングされることにより実現される。

インキによる化学作用および蟇発によるキャビテーション損傷からシリコンを保 護するために基板１９にはキャビテーション保護層２１が設けられている。加熱 素子４はＳｉＯ□保護層２２のカプセルに入れられている。キャビテーション層 ２１のために、例えば気相析出により析出される窒化硅素を使用することができ る。

加熱素子４は基板１９の出口側に噴出口１０の隣で中空室１６の上に配置され、 中空室１６自体は裏側の異方性腐食により形成される。中空室１６の深さを制限 するために、中空室１６が出口側に向かって担体層（膜ン２０により閉鎖される ように、いわゆる腐食ストップが使用される。この場合に腐食ストップは、良好 な熱伝導率を有する適切にドーピングされたシリコン層によりまたは適切なシリ コンオンインシュレータ（Ｓｏｌ）構造のインシュレータにより実現される。

誘電性層から成り応力補償および熱拡散に関してシリコンに整合されている構造 も腐食ストップに適する。

さらに１つの噴出ノズル１０に、インキ粒子体積調整の改善のために異なる幾何 学的寸法を有し噴出口１０の異なる側に配！される複数の加熱素子を割当てるこ とも可能である。

噴出口１０の側方に加熱素子４を配置することにより蒸気泡５の膨張方向（図面 では下方向）はインキ噴出方向（図面では上方向）に対して逆になる（バックシ ュート原理）０例えば１つの色のインキのためのノズル噴出口の複数の互いにず れている列、異なる色のインキのためのノズル列等の噴出口１ｏと加熱素子４か ら成る複数のユニットをチップ１１の上に配置することも本発明の範囲内にある 。加熱素子４は本発明の１つの有利な実施例では、その下に配置されているシリ コンラグの上での均等の温度分布を実現する構造になっている。

チップ１１の噴出側は、プリンタヘッドの外側に障害インキの海が形成されるこ とを予防するために、濡らすことが困難な表面層２３が設けられている０層形成 はノズル噴出口１０の貫通腐食により行われ、これにより従来のプリンタヘッド の問題であった中空室構造１６の中への濡れ除去層の侵入が予防される。

高分解能プリンタにおける所要噴出口（ノズル）１０の数は５０〜１００であり 、１つのノズル１０には複数加熱素子４が割当てられる。これにより通常は数百 の導電路が必要である。

電気接触部のためのコストの他に導電路のためのスペースおよび接触接続面も重 要な要素である０例えば５０本のノズルを有する高分解能のプリンタヘッドにお いては導電路のためのスペースおよび接触接続面はチップ１１の全面積の約９６ ％である６本発明の１つの有利な実施例では、基板に集積されているそれ自体は 公知のダイオード（−数回路すなわち同時回路）により、所要の接触接続個所の 数を２Ｘ、／−ｎの値に減少させることができる。ｎはＳＯｔする加熱素子の数 である。これにより導電路のためのスペースを縮小することができる。

２本の給電路および２本または２本の信号路までの電気接触接続個所およびスペ ースのさらに急激な減少は、基板の上に電力増幅器、例えば直列／並列変換器等 の信号処理の素子および／または記号発生器等のを集積することにより実現され る。

要約書 バブルジェット原理で動作する膜構造のインキジェットプリンタヘッドにおいて 加熱素子、導電路、電気接触接続個所および噴出口が同一のチップにプレーナ技 術工程により形成される（バラフシエータ原理）。

加熱素子および噴出口は、インキ蒸気泡の膨張方向がインキ噴出方向に対して逆 となるように互いに側方にずれて配置されている。このような配置においてはす べての精密加工工程はプレーナ技術で行われ１つの要素に統合されるので、イン キジェットプリンタヘッドを簡単でひいては小コストで製造することが可能とな る。

国際調査報告 −１１−Ａ−−１ｈａ、ｙπ／Ｄ四１１００３６４

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. １．複数の噴出口（１０）を具備し、それぞれの噴出口（１０）に少なくとも１ つの個別に制御可能な電熱変換素子（４）が割当てられ、この変換素子（４）の 印字動作においてインキが局所的に加熱されこれにより発生するインキ蒸気泡（ ５）が噴射ノズル（１０）から噴出され、インキ（８）を貯蔵する貯蔵容器（１ ２）をさらに具備し、貯蔵容器（１２）は供給導管（１５）を介して噴出口（１ ０）に流体的に接続している、電熱変換原理（バブルジェット原理）で動作する インキジェットプリンタのためのプリンタヘッド（２４）において、加熱素子（ ４）が、インキ蒸気泡（５）の膨張方向がインキ噴出方向に対して逆であるよう に、プリンタヘッド（６）の噴出方向で見て噴出口（１０）に対して側方へずれ て配置されていることを特徴とする電熱変換原理（バブルジェット原理）で動作 するインキジェットプリンタのためのプリンタヘッド。
2. ２．１つの前記噴出口（１０）に割当てられている前記変換素子（４）がインキ 粒子体積調整の改善のために異なる幾何学的寸法を有することを特徴とする請求 の範囲第１項に記載の電熱変換原理（バブルジェット原理）で動作するインキジ ェットプリンタのためのプリンタヘッド。
3. ３．前記変換素子（４）が前記噴出口（１０）の異なる側に配置されていること を特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の電熱変換原理（バブルジェ ット原理）で動作するインキジェットプリンタのためのプリンタヘッド。
4. ４．前記噴出口（１０）と前記変換素子（４）から成る複数のユニットが、チッ プ（１１）の上に、１色のインキカラー噴出口（１０）のための複数の互いにず れている列、および／または異なる色のインキカラーのための列を形成するよう に、配置されている請求の範囲第１項に記載の電熱変換原理（バブルジェット原 理）で動作するインキジェットプリンタのためのプリンタヘッド。
5. ５．前記変換素子（４）のための導電路の中に、所要の電気接触部を減少するた めの一致回路としてのダイオードが配置されていることを特徴とする請求の範囲 第１項に記載の電熱変換原理（バブルジェット原理）で動作するインキジェット プリンタのためのプリンタヘッド。
6. ６．前記チップの上に電力増幅器と例えば直列／並列変換器等の信号処理の素子 、記号発生器および／またはラスター発生器が離散的に集積され、これにより所 要の外方への接触接続の数が減少されることを特徴とする請求の範囲第１項に記 載の電熱変換原理（バブルジェット原理）で動作するインキジェットプリンタの ためのプリンタヘッド。
7. ７．前記変換素子（４）が、前記チップ（１１）のための基質として用いられる 基板（３）の出口側に前記噴出口（１０）の隣かつ中空室（１６）の上に配置さ れていることを特徴とする請求の範囲第１項から第３項のうちのいずれか１つの 項に記載の電熱変換原理（バブルジェット原理）で動作するインキジェットプリ ンタのためのプリンタヘッド。
8. ８．前記変換素子（４）が、その下に位置するシリコン材料の上で均質の温度分 布を実現する構造であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電熱変換原 理（バブルジェット原理）で動作するインキジェットプリンタのためのプリンタ ヘッド。
9. ９．前記変換素子（４）が中空室側でキャビテーション保護層（２１）により被 覆されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電熱変換原理（バブル ジェット原理）で動作するインキジェットプリンタのためのプリンタヘッド。
10. １０．前記キャビテーション保護層（２１）が、低圧気相析出により析出される 窒化シリコンから成ることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の電熱変換原理 （バブルジェット原理）で動作するインキジェットプリンタのためのプリンタヘ ッド。
11. １１．それぞれ少なくとも１つの個別に制御可能な電熱変換素子（４）が割当て られた複数の噴出口（１０）と、供給導管（１５）を介して噴出口（１０）に流 体的に接続している、インキ（８）を貯蔵する貯蔵容器（１２）を具備し、電熱 変換原理で動作するインキジェットプリンタヘッド（２４）を製造するための方 法において、電熱変換素子（４）、前記変換素子（４）のための導電路およびそ の接触接続部（９）および噴出口（１０）が、同一の前記チップ（１１）の中に 、前記基板（３）の上にプレーナ技術により形成されることを特徴とする電熱変 換原理で動作するインキジェットプリンタヘッドを製造するための方法。
12. １２．前記変換素子（４）が、前記基板（３）の前記噴出口（１０）に面してい る出口側に、噴出口（１０）の隣の側方で前記中空室（１６）の上に、形成され ることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の電熱変換原理で動作するインキ ジェットプリンタヘッドを製造するための方法。
13. １３．前記中空室（１６）が異方性腐食により形成されることを特徴とする請求 の範囲第１２項に記載の電熱変換原理で動作するインキジェットプリンタヘッド を製造するための方法。
14. １４．前記基板（３）として（１１０）の方位の単結晶シリコンが使用され、マ スキングが、（１１１）平面および斜めの出口ゾーン（１８）から形成され平行 な壁を有する中空室が生じるように平行な側方エッジを有する長く延在する開口 を通って行われることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の電熱変換原理で 動作するインキジェットプリンタヘッドを製造するための方法。
15. １５．前記中空室（１６）の深さを制限するために前記中空室（１６）が出口側 に向かって膜（２０）により閉鎖されるように腐食ストップが使用されることを 特徴とする請求の範囲第１３項または第１４項に記載の電熱変換原理で動作する インキジェットプリンタヘッドを製造するための方法。
16. １６．前記腐食ストップが、適切にドーピングされ良好な熱伝導率を有するシリ コン層により形成されることを特徴とする請求の範囲第１５項に記載の電熱変換 原理で動作するインキジェットプリンタヘッドを製造するための方法。
17. １７．前記腐食ストップとして適切なシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）構 造の絶縁体が使用されることを特徴とする請求の範囲第１５項に記載の電熱変換 原理で動作するインキジェットプリンタヘッドを製造するための方法。
18. １８．前記腐食ストップとして応力補償および熱拡散に関してシリコンに整合さ れた誘電体層から成る構造が使用されることを特徴とする請求の範囲第１５項に 記載の電熱変換原理で動作するインキジェットプリンタヘッドを製造するための 方法。
19. １９．前記電熱変換素子（４）の、前記腐食ストップにより境界を定められる担 体層（膜）（２０）が中空室（１６）の側でキャビテーション保護層（２１）に より被覆されていることを特徴とする請求の範囲第１５項から第１９項のうちの いずれか１つの項に記載の電熱変換原理で動作するインキジェットプリンタヘッ ドを製造するための方法。
20. ２０．前記キャビテーション層として、低圧気相析出により析出される窒化シリ コンが使用されることを特徴とする請求の範囲第１９項に記載の電熱変換原理で 動作するインキジェットプリンタヘッドを製造するための方法。
21. ２１．前記噴出口（１０）が前記チップ（１１）の出口側から出発して腐食され ることを特徴とする請求の範囲第１１項から第１３項のうちのいずれか１つの項 に記載の電熱変換原理で動作するインキジェットプリンタヘッドを製造するため の方法。
22. ２２．前記基板（３）の出口側のコーティングまたは表面処理が、濡らすことが 困難な表面層（２３）により前記噴出口（１０）の腐食の前に行われることを特 徴とする請求の範囲第１４項に記載の電熱変換原理で動作するインキジェットプ リンタヘッドを製造するための方法。