JPH0631918A - サーマルインクジェットプリントヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 インク小滴速度が早く、小滴の方向性が優れ
ている、小滴噴出効率の良いサーマル・インク・ジェッ
ト・プリントヘッドを提供する。 【構成】 サーマル・インク・ジェット・プリントヘッ
ドは、小滴を噴出させるインク気泡によって生じる逆流
方向の力を低減させる流動配向型一方向弁４０を有する
ので、この泡で生じる力の大部分が、インク小滴をプリ
ントヘッド・ノズル２７から噴出させるために使用され
る。この一方向弁４０は、加熱エレメント３４とタンク
２４の間のインクチャンネル２０に沿って所定の位置に
配置されるフラップ４０が形成されるように、耐食性マ
スク３６をパターン化することによって得られ、プリン
トヘッド・ノズル２７と反対方向に向かう泡で生じる力
によって起動される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インク・ジェット・プ
リンタに使用されるサーマル・インク・ジェット・プリ
ントヘッドに関し、さらに詳細には、インク流動配向弁
を有することによって、インク小滴をプリントヘッド・
ノズルから吐出するために使われる蒸発したインク泡に
よって生じる逆流を低減させるサーマル・インク・ジェ
ット・プリントヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】サーマ
ル・インク・ジェット・プロセスに伴う１つの問題は、
泡が左右対照的に成長するために、チャンネルの外へノ
ズルから小滴形状で吐出されるインクと同じ量のインク
が、プリントヘッド中の供給タンク側へ付勢されること
である。泡によって生じる加圧力が優先的にプリントヘ
ッド・ノズルに向けられるならば、噴出される小滴の小
滴速度を増加することができよう。泡の力方向をこのよ
うに制御することによって、必要な力が低減され、小滴
の方向性が向上され、稼働中のプリントヘッドの加熱を
低減するので、したがって、プリントヘッドのエネルギ
ー効率が高められる。

【０００３】本発明の目的は、低減された力で、増大し
た小滴速度にて且つ改善された方向性にて作動するサー
マル・インク・ジェット・プリントヘッドを提供するこ
とにある。

【０００４】さらに本発明の別の目的は、小滴を噴出さ
せる泡の力方向を、前記プリントヘッドのチャンネル中
のインク配向弁で制御することによって、小滴の噴出効
率を向上することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に従え
ば、複数のノズルと、インクタンクと、前記ノズルの各
々を前記タンクと流体連通させるインクチャンネルと、
前記ノズルに対して所定の位置に且つ各チャンネル毎に
内設される、選択的にアドレス指定可能な加熱エレメン
トと、小滴噴出を行う前記ノズルと前記タンクの両方に
向けて同等に配向される加圧力を発生させるインク気泡
の生成のためにデジタル化されたデータを表す電気パル
スで、前記加熱エレメントを選択的にアドレス指定する
手段と、前記タンクに配向される前記泡で生じた加圧力
に応じて、前記加圧力を遮断し且つ前記ノズルへ転向さ
せる、各チャンネル内に配置される一方向弁とを含むサ
ーマル・インク・ジェット・プリントヘッドが提供され
る。

【０００６】本発明では、前記プリントヘッドは、例え
ば、加熱素子とアドレス指定電極とを有するヒータプレ
ートと、ノズルとタンクと連結チャンネルとを有するチ
ャンネルプレートとを含む。前記ヒータプレートと前記
チャンネルプレートは、加熱素子がピットに内設される
ように、通常、パターン化された厚膜層を前記ヒータプ
レートと前記チャンネルプレートの間に挟着させた状態
で、整合し、結合される。フラップの形状の弁であっ
て、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、叉は、ドープ処理され
たケイ素等の材料である前記弁は、チャンネル組立の
間、前記プリントヘッドのチャンネル中に形成される。
一実施例では、ねじりフラップが、加熱素子のピットの
上流側端部上方に位置するか、あるいは、これ以外に、
加熱素子と、インクタンクに隣接するチャンネル端部と
の間の所望の位置に設けられる。別の実施例では、フラ
ップが前記タンクに隣接するチャンネルの各端部の上方
に片持ちされる。前記ピット上に延在する前記フラップ
は、作動中、泡によって、当該フラップの末端部をチャ
ンネル頂部側叉はチャンネル上部側に向けて旋回させる
ので、このフラップは、一方向弁の働きをするととも
に、泡の後方向の力をほぼ遮断して、この泡の後方向の
力を逆向に転換させる。逆方向に転換された泡の力は、
前方向叉は小滴噴出方向の力を補足し、したがって、小
滴噴出力を低減するので、このため、加熱エレメントの
電力が低減される。

【０００７】

【実施例】図１では、チャンネル中にインク流動配向弁
（図２参照）を有するサーマル・インク・ジェット・プ
リントヘッド１０の拡大等角概念図が、部分的に図示さ
れている。このプリントヘッドはヒータプレート２８を
含む。ヒータプレート２８は、加熱素子（図１では図示
せず）と、ヒータプレート２８の表面３０に形成された
接点パッド３２を有するアドレス指定電極３３とを有す
る。例えば、ポリイミドの厚膜層１８は、加熱素子及び
電極上に堆積叉は積層され且つ、加熱素子を露出させて
ピット内に加熱素子を設けようにパターン化されるとと
もに、インク・バイパス・トレンチを形成するようにパ
ターン化される。この様子は図２でさらに明瞭に示され
る。チャンネルプレート３１は、いずれも破線で図示さ
れる並列チャンネル２０とタンク２４を形成するよう
に、フォトリソグラフィック技術によりパターン化され
て且つ異方的にエッチング処理されたシリコン基板であ
る。このタンクは、チャンネルプレートからエッチング
され、当該タンクの開口底部は、インク吸入口２５とし
て働く。チャンネルの一端は、プリントヘッド・ノズル
２７を形成するために開口するとともに、他端は、タン
クから所定の距離でこのタンクに隣接している。米国特
許第４，７７４，５３０号に開示されるように、チャン
ネルプレート３１は、厚膜層と整合され且つ結合される
ので、各々の加熱素子は、ノズルから上流側の所定の距
離に、一のチャンネル中に設けられるとともに、厚膜層
中のトレンチは、タンクからチャンネルまでのインク流
動経路になる。前記米国特許の全文を援用して本文の記
載の一部とする。

【０００８】図１の断面図が、１つのチャンネルを通っ
て図線２−２に沿って切断されて、図２となる。図２
は、インクが、矢印２３に示されるようにタンク２４か
ら溝２０の端部２１を回って流動配向弁４０に流れる様
子を図示する。弁４０は、タンク２４と傾斜したチャン
ネル端部壁２１との間のチャンネルプレート表面２２か
ら、一般に、厚膜層１８中のトレンチ３８の端部を超え
る位置まで、所定の距離で延設される片持フィンガ叉は
フラップを含む。このフィンガの末端部は、チャンネル
の三角形の断面領域と整合するように三角形の形状を成
す。泡を生成する複数の加熱エレメント３４組とそれら
のアドレス指定電極３３は、米国特許第４，７７４，５
３０号に開示されるように、両面研磨した（１００）シ
リコンウェーハ（図示せず）の片面にパターン化されて
いる。複数の組のプリントヘッド電極３３と、加熱素子
の働きをする抵抗材料とをパターン化する前に、これら
の電極３３と抵抗材料を含むこのウェーハの表面は、二
酸化ケイ素等の、約２マイクロメートルの厚さを有する
半透明の層３９でコートされる。この抵抗材料は、化学
気相法（ＣＶＤ）によって堆積させることができる、ド
ープ処理された多結晶質ケイ素、あるいは、それ以外
に、ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ₂ ）等の周知の抵抗材
料である。通常、アドレス指定電極は、上記半透明層上
で且つ加熱素子の端部上方に付着されるアルミニウムの
リード線である。チャンネルプレート３１が付着されて
プリントヘッドが製作された後に、アドレス指定電極の
ターミナル叉は接点パッド３２は、ドータボード１９の
電極（図示せず）へのワイヤボンディング用の間隔を保
つように所定の位置に配設される。アドレス指定電極３
３は、０．５μｍから３μｍまでの厚さに付着され、好
ましくは１．５μｍである。

【０００９】好適な実施例では、ポリシリコン加熱素子
が使用され、高温蒸気中で二酸化ケイ素層１７がポリシ
リコンから成長する。プリントヘッドの作動中に、収縮
するインク気泡によって生じるキャビテーションの力か
ら保護するために、タンタル層（図示せず）を、電極パ
ッシベーションの前に、約１μｍの厚さに付着させるこ
とが望ましい。リンでドープ処理されたＣＶＤ二酸化ケ
イ素膜１６が、複数の加熱素子集合とアドレス指定電極
集合を含むウェーハ表面全体に、約２μｍの厚さで堆積
される。このパッシベーション膜は、既に二酸化ケイ素
層１７によって絶縁されている加熱素子と電極接点パッ
ドとからエッチングされてドータボードの電極への後の
ワイヤボンディングを可能にする。

【００１０】次に、例えば、「Ｒｉｓｔｏｎ」（登録商
標）、「Ｖａｃｒｅｌ」（登録商標）、「Ｐｒｏｂｉｍ
ｅｒ ５２」（登録商標）、叉は、ポリイミド等の厚膜
型の絶縁層１８が、１０マイクロメートルから１００マ
イクロメートルまでの厚さを有するようにパッシベーシ
ョン層１６上に形成される。この絶縁層１８は、フォト
リソグラフィー技術により処理され、（ピット２６を構
成する）各々の加熱素子上の層１８の部分と、タンク２
４からインクチャンネル２０までのインク経路になるよ
うに伸長された凹部叉はトレンチ３８の部分と、電極接
点パッド３２上の部分とをエッチングされ、除去される
得る。

【００１１】チャンネルプレートは、米国特許第４，７
７４，５３０号に開示されるように、（１００）シリコ
ンウェーハ（図示せず）で形成されて、プリントヘッド
用の複数のチャンネルプレート３１を作成する。このウ
ェーハが化学的に洗浄された後、窒化ケイ素叉は二酸化
ケイ素の層（図示せず）が両面に堆積される。このウェ
ーハの片面は、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて
パターン化され、開口底部２５を有する比較的大型の複
数の矩形凹部２４と、伸長された平行なチャンネル凹部
集合とが形成され、これらの凹部２４とチャンネル凹部
は、それぞれ、最終的にプリントヘッドのインクタンク
とチャンネルになる。タンクとチャンネル凹部を含むウ
ェーハの表面２２は、元のウェーハ表面の一部分であり
（従来の技術によるプリントヘッドでは除去されるのが
一般的であるが、本発明では、二酸化ケイ素叉は窒化ケ
イ素の層によって被覆される）、この部分上に接着剤が
後から塗布されて、複数の加熱素子集合を含む基板に結
合される。インク流動配向弁４０は、後述のように、二
酸化ケイ素叉は窒化ケイ素のマスキング層３６から形成
され、これと同時に、その中の通路が、異方性腐食のた
めにウェーハを作成すべく、これらのマスキング層中に
形成される。端面２９を作成する最終ダイスカットによ
って、伸長された溝２０の一端が開口されて、ノズル２
７ができる。このチャンネル溝２０の他端は、端部２１
によって密閉されたままである。但し、チャンネルプレ
ートをヒータプレートに整合して結合することによっ
て、チャンネル２０の端部２１は、絶縁性厚膜層１８中
に伸長された凹部３８の上に直接配設されて、矢印２３
に描かれるようにインクをタンクからチャンネル中に流
動させることができる。

【００１２】チャンネルウェーハは、米国特許第４，８
６５，５６０号に開示されるように、単一面２段階エッ
チングプロセスを用いて製作されることが望ましく、該
特許を援用して明細書の記載の一部とする。この単一面
２段階プロセスでは、エッチング・マスクが、エッチン
グ開始前に、交互に積重されて形成されるとともに、最
も粗いマスクが最後に形成されて最初に使用される。こ
うして、このマスク（図示せず）は、タンクをエッチン
グするために使用される。これは、タンクは、ウェーハ
が当該マスクを通じて確実にエッチングされることが必
要であり、例えば、ＫＯＨのエッチング液槽に２時間か
ら３時間の比較的長いエッチング時間を必要とするから
である。一旦、粗い配向依存性のエッチングが完了する
と、この粗マスクが剥離されるとともに、比較的微細な
配向依存性のエッチングが行われる。これを適用する
際、例えば、ＥＤＰで約２０分から４５分まで必要であ
り、こうして一層微細にエッチングされた凹部であるチ
ャンネルが得られる。単一面２段階プロセスが行使され
ると、最初に付着される一層微細なマスク３６は、二酸
化ケイ素のパターン化された層であり、最後に付着され
る比較的粗いマスクは、窒化ケイ素のパターン化された
層である。

【００１３】図４は、図２の図線４−４に沿って透視さ
れたときのシリコン・チャンネルプレート３１の拡大等
角概念図である。このチャンネルプレートの表面２２
は、パターン化された二酸化ケイ素層３６によって被覆
されており、この表面２２の１つの隅は、むき出しのシ
リコン表面２２を図示するために削除されている。エッ
チングされたタンク２４は、チャンネル２０の束を横切
って延びる。流動配向弁４０は、当該チャンネルの各々
の閉じた端部から片持ちされた二酸化ケイ素層の延設部
分叉はフラップである。チャンネルプレートの表面２２
は、（１００）結晶性平面配向を有するので、各チャン
ネル壁とタンクは、｛１１１｝結晶面に沿って形成され
る。これらの比較的狭いチャンネルは、各々の壁が表面
２２に対して約５４．７度で｛１１１｝平面に追従する
とともに１つの頂点で交差する、前記壁を備えた三角形
の断面を有する。チャンネルプレート表面２２における
チャンネル幅は、直線で毎インチ３００のチャンネル間
隔の場合、約６０μｍである。流動配向弁は、二酸化ケ
イ素層で形成されるとともに、チャンネルから長手方向
に沿って間隙「ａ」、即ち、５μｍから１０μｍまでの
距離で分離されているので、この弁の幅「ｂ」は、チャ
ンネル内を中心にして約５０μｍから４０μｍまでであ
る。この弁の長さ「ｃ」は、トレンチ３８の端部から突
出する程長いので、好適な実施例では、弁の長さ「ｃ」
は約８０μｍの長さである。この弁の末端部は、三角形
のチャンネル断面と一致するように三角形の形状を成し
ており、したがって、弁４０は、チャンネル壁を衝打せ
ずにチャンネル頂部の方向に屈曲することができる。ま
た、図２によると、小滴を吐出させる泡（図示せず）の
生成によって、この泡で生じる圧力が、流動配向弁を通
過するのを防止されるので、この圧力の大部分はノズル
２７に配向される。チャンネルが毛管作用によって補給
される間、インクの一部が、弁４０の周辺を各々の側面
の間隙を通って移動するが、但し、弁が柔軟であるとと
もに、その形削りされた端部がチャンネル頂部に向かっ
て回動するように弁が容易に屈曲するので、この補給の
大部分は、チャンネル補給時間をそれほど妨げることな
く行われる。

【００１４】図３と図５は、それぞれ、図２と図４に類
似するとともに、前記流動配向弁の別の実施例を図示し
ている。図３では、弁４０Ａは、図４の弁４０のように
サイズ及び形状が類似するが、但し、この弁４０Ａは、
図５に示されるように、約６μｍから１２μｍまでの幅
「ｄ」を有する二酸化ケイ素層の狭小セグメント４２か
ら延設されているのが異なる。このマスクは、チャンネ
ルの異方性エッチング中、アンダエッチされるので、マ
スク・セグメント４２下のチャンネルはアンダーカット
されてそしてエッチングされて閉じた端部２１からノル
ズ２７まで貫通するチャンネルをもたらす。この弁４０
Ａは、チャンネルに沿って任意の位置に設けることがで
きるが、当該弁の末端部をピット２６上に延出させて配
置するのが望ましい。こうして、小滴生成泡（図示せ
ず）によって、弁４０Ａは、セグメント４２を中心にね
じれ回転し、この弁の形削りされた末端部がチャンネル
頂部に向かって回る。したがって、タンクに配向された
泡の力の大部分は、反射してノズルに戻る。泡が収縮し
始めると、この弁は、直ちにチャンネル床を形成する厚
膜層に傾倒するで、実質的に、チャンネル補給流動の妨
げになることもなく、チャンネル補給時間に影響するこ
ともない。

【００１５】図６は、二酸化ケイ素層からの流動配向弁
４０Ｂのパターン化を図示する、チャンネル・ウェーハ
の一部分の平面図である。この二酸化ケイ素層は、破線
で図示されるチャンネル２０とタンク２４をエッチング
するために使用される窒化ケイ素のマスク層が付着され
る前に形成される。弁４０Ｂと間隙「ａ」の寸法は、図
４に図示されたものと同一であるが、但し、チャンネル
列とタンクの間のウェーハ表面２２に付着される「ｅ」
部分は、プリントヘッドの寿命中に弁が垂れないことを
保証する程十分な長さが必要である。少なくとも２０μ
ｍの距離、叉は、チャンネルとタンクの間の全距離が用
いられる必要がある。

【００１６】図７は、整合直前の、図６のヒータプレー
ト・ウェーハとチャンネルプレート・ウェーハの断面図
である。ダイス線４４と４５と４６は、整合されたウェ
ーハが、プリントヘッド１０を形成するようにカットさ
れる箇所を示す。図６の流動配向弁を二酸化ケイ素から
パターン化する代わりに、類似の弁４０Ｂを、ホウ素で
１μｍ毎２×１０¹⁶の濃度に打込み叉は拡散させること
によって、当該弁４０Ｂをシリコンウェーハの表面部分
中に形成させることができる。このようにドープ処理さ
れるシリコン層は、図６に示されるように所要のパター
ンで生成させることができるし、あるいは、均一な打込
みによって後で区画させることができる。図８は、図７
と類似する別の実施例であるが、但し、流動配向弁４０
Ｃは、上述のようにホウ素打込みによって生じる、パタ
ーン化されたエッチング止めによって製作される点で異
なる。チャンネル中に存在する端部が、窒化ケイ素叉は
二酸化ケイ素の耐食性マスク層中のチャンネル通路を介
して異方性エッチング液に露出される場合でも、このド
ープ処理された領域は腐食しない。引き続いて、このマ
スク層が除去されて、むき出しのシリコン表面２２と打
込みされた弁４０Ｃとが残る。

【００１７】

【発明の効果】要約すると、流動配向逆止弁は、サーマ
ル・インク・ジェット・プリントヘッドによって小滴噴
出泡が生成される間のインクの逆流を低減するために設
けられる。この弁は、プリントヘッド組立プロセスをほ
とんど叉は全く変更せずに製作され、また、当該弁は、
泡で生じる後向きの力をノズルに転向する一方向弁の作
用によって、泡で生じる前方力を大幅に増大させる。し
たがって、小滴速度が増すので、小滴の方向性もまた改
善される。同時に、この弁は、チャンネル補給時間叉は
小滴生成周期にほとんど叉は全く影響を与えない。

【図面の簡単な説明】

【図１】小滴射出ノズルを図示する、ドータボードに載
設されたプリントヘッドの拡大略等角図である。

【図２】図１の線２−２に沿って透視されたときの図１
の拡大断面図であり、タンクに近設されたインク流動配
向弁と電極パッシベーションと、厚膜層と、タンクとイ
ンクチャンネルの間のインク流動経路とを図示する。

【図３】図２と同一の拡大断面図であるが、但し、イン
ク流動配向弁は、加熱素子のピットの上流側端部から突
設されているのが異なる。

【図４】図２の図線４−４に沿って透視されたときのチ
ャンネルプレートの拡大等角図である。

【図５】図４と同様の拡大等角図であるが、但し、チャ
ンネルプレートは、図３の図線５−５に沿って図示され
ているのが異なる。

【図６】図４に示されるインク流動配向弁の別の実施例
を部分的に図示する平面図である。

【図７】チャンネルプレートが加熱プレートに整合され
る直前の、図６に示される種類のインク流動配向弁を図
示する、プリントヘッドの断面図である。

【図８】図７と同様のプリントヘッドの断面図である
が、但し、前記インク流動配向弁の別の実施例が図示さ
れている点で異なる。

【符号の説明】

１０ サーマル・インク・ジェット・プリントヘッド ２０ インクチャンネル ２４ インクタンク ２７ ノズル ３３ アドレス指定電極 ３４ 加熱素子 ４０ 一方向弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェイムズ エフ．オニール アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14526 ペンフィールド パイン ブルック サ ークル 60 (72)発明者 ジョセフ ジェイ．ダニエル アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14534 ピッツフォード ソーネル ロード 321

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数のノズルと、 インクタンクと、 前記ノズルの各々を前記タンクと流体連通させるインク
   チャンネルと、 前記ノズルに対して所定の位置に且つ各チャンネル毎に
   内設される、選択的にアドレス指定可能な加熱エレメン
   トと、 小滴噴出を行う前記ノズルと前記タンクの両方に向けて
   同等に配向される加圧力を発生させるインク気泡の生成
   のためにデジタル化されたデータを表す電気パルスで、
   前記加熱エレメントを選択的にアドレス指定する手段
   と、 前記タンクに配向される前記泡で生じた加圧力に応じ
   て、前記加圧力を遮断し且つ前記ノズルへ転向させる、
   各チャンネル内に配置される一方向弁と、 を含むサーマル・インク・ジェット・プリントヘッド。