JPH10291317A - インクジェット・プリンタのノズル・プレート - Google Patents

インクジェット・プリンタのノズル・プレート

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JPH10291317A
JPH10291317A JP10123833A JP12383398A JPH10291317A JP H10291317 A JPH10291317 A JP H10291317A JP 10123833 A JP10123833 A JP 10123833A JP 12383398 A JP12383398 A JP 12383398A JP H10291317 A JPH10291317 A JP H10291317A
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ink supply
firing chamber
nozzle
mask
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Ashok Murthy
アショク・マーシー
Steven Robert Komplin
スティーブン・ロバート・コンプリン
Robert Wilson Cornell
ロバート・ウィルソン・コーネル
James Harold Powers
ジェームズ・ハロルド・パワーズ
Micah Abraham Kaufman
ミカ・エイブラハム・コフマン
Bruce David Gibson
ブルース・デイヴィッド・ギブソン
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 インクジェット・プリンタ用の改善されたノ
ズル・プレートの設計と、ノズル・プレートを製作する
装置及び方法とを提供することである。 【解決手段】 本発明に係るノズル・プレートは、ノズ
ル・プレートの対向する縁にほぼ沿って位置合わせされ
た複数のフロー・フィーチャー及びノズル孔を設けるの
に十分な厚さを有する高分子材から製作し、フロー・フ
ィーチャーは、フロー・フィーチャーをノズル孔から分
断する深さでノズル・プレート内で融除され、したがっ
てフロー・フィーチャーとノズル孔とは、ノズル・プレ
ートを最適化して性能を改善するため、別個に設計する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、改良されたフロー
特性を有するインクジェットのノズル・プレートに関す
ると共に、インクジェット・プリンタ用ノズル・プレー
トの製作方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】インクジェット・プリンタの印刷ヘッド
は、各種構成要素が一体的なインク容器と協働して印刷
ヘッド内のインク噴射装置にインクを分配して所望の印
刷品質を達成すべく、精密に製造される。インクジェッ
ト・プリンタの印刷ヘッドの主要構成要素は、インク供
給路（インク供給チャネル）、発射チャンバー、並び
に、インクを印刷ヘッドから放出する口（ポート）を含
むノズル・プレートである。
【０００３】インクジェット・プリンタの登場時から、
インク噴射の効率を高め、その製造費を削減するため、
ノズル・プレートは大幅な設計変更を受けてきた。ノズ
ル・プレートの設計は、印刷の高速化及び印刷イメージ
の高解像度化に対応するため、今後も変更され続ける。
【０００４】ノズル・プレートは、インクを噴射する複
数の噴射口またはノズルと、インクをインク容器から使
用ノズルに関連する発射チャンバーに供給する路とを含
む複雑な構造である。インクの小滴を、ノズルを通って
チャンバーから基板へと排出するため、発射チャンバー
内の圧力を作り出される。圧力は、供給路からもインク
を押し出し、供給領域のインクに影響するか、他の供給
路及び発射チャンバーに供給する供給領域または通路内
のインクに影響することができる。
【０００５】熱インクジェット・プリンタは、発射チャ
ンバー内の複数の抵抗加熱要素を使用してインクの成分
を蒸発させ、次いで蒸気の気泡又はバブルとして膨張
し、チャンバーに関連されたノズルからインクを押し出
す。インクと蒸気の界面が冷却すると、気泡が収縮し始
め、最後にはヒータ表面上に崩壊する。気泡が崩壊する
と、チャンバーは毛管現象によって再充填される。チャ
ンバーが再充填されと、インクは振動動作をするメニス
カスを形成する。メニスカスの振動動作は、少量の空気
を発射チャンバー内に引き込む傾向があり、特定の状況
では空気がチャンバー内に閉じこめられることがある。
閉じこめられた空気は、何回かの発射の後にチャンバー
内に蓄積される。これが生じるとノズルの性能が著しく
低下する。閉じこめられた空気は、蒸気の気泡のポンプ
作用を減少させる衝撃緩衝手段としても働く。発射チャ
ンバー内に閉じこめられた空気が多すぎると、インクを
インク供給路から押し出したり、路の入口を塞いだりす
ることがあり、チャンバーを再充填する能力に影響を及
ぼす。閉じこめられた空気に加えて、インク内の破片又
は残骸も発射チャンバーの再充填に影響を及ぼし、した
がってノズルから噴射されるインクの品質及び効率に影
響を及ぼすことがある。
【０００６】インクジェットの印刷ヘッドの発射チャン
バーに流体を再充填する速度を制御する方法が、Trueba
他の米国特許第４，８８２，５９５号に記載されてい
る。この米国特許に記載されているように、発射チャン
バー間のクロストークが、印刷速度や印刷の品質に影響
を及ぼすことがある。クロストークを減少させる一つの
方法は、インク供給路に存在する流体の摩擦を使用し
て、クロストークのサージに関連されたエネルギーを散
逸させる抵抗性の分断である。もう一つの方法は、慣性
で分断することで、細長い供給路が路内の流体進入の慣
性側面を最大にすると言われる。しかし、抵抗による分
断も慣性による分断も、ともにノズルの発射間の整定時
間を長くすることが分かっている。この問題に対して提
示されているもう一つの解決策は、供給路の入口に局所
的な狭窄または塊状の抵抗要素を使用することであっ
た。このような提示にもかかわらず、発射チャンバーへ
のインクのフロー特性及び再充填速度を改善するノズル
・プレートの設計に対するニーズが、引き続き存在す
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】したがって、インクジ
ェット印刷ヘッド用の改良型ノズル・プレートを提供す
ることが、本発明の目的である。
【０００８】熱インクジェット印刷ヘッドの発射チャン
バー間の干渉を低下させる方法を提供することが、本発
明の別の目的である。
【０００９】様々な操作状況で、改良されたインクのフ
ロー特性を有するインクジェット・プリンタ用ノズル・
プレートを提供することが、本発明の更なる目的であ
る。
【００１０】インクジェット・プリンタ用ノズル・プレ
ートの製造法を提供することが、本発明の更に別の目的
である。
【００１１】改良されたインクのフロー特性を有するレ
ーザ融除（融蝕）ノズル・プレートの方法を提供するこ
とが、本発明の更なる目的である。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記その他の目的及び利
点に関して、本発明はノズル・プレートの対向する縁に
隣接して配置された複数の発射チャンバー、各発射チャ
ンバーの上のノズル孔、並びにインク供給領域に接続さ
れ発射チャンバーに供給するインク供給路を提供するの
に十分な厚さを有する重合体材料又は高分子材で構成さ
れた熱インクジェット・プリンタの高分子材製のノズル
・プレートを提供する。発射チャンバーはそれぞれ一つ
の発射チャンバーの高さを有し、供給路はそれぞれ一つ
の供給路の高さを有し、供給領域は一つの供給領域の高
さを有し、これらの高さは高分子材の厚さの数分の一で
ある。
【００１３】別の態様では、本発明は、ポリイミド・フ
ィルムにノズル孔及び発射チャンバーを形成するため、
ポリイミドのフィルムを可動テーブル上に取り付け、発
射チャンバー及び発射チャンバーに関連されたインク供
給路を融除又は融蝕しながら、ポリイミド材料に対する
レーザ・ビームの焦点外れを制御する、インクジェット
・プリンタのノズル・プレートの製造法を提供する。
【００１４】更に別の態様では、本発明は高分子材を融
除するために、インク供給領域、インク供給領域に接続
された複数のインク供給路、並びに、各インク供給路に
関連された発射チャンバーを形成するために、半透明領
域を含む不透明から透明まで、様々な不透明度の領域を
有するレーザ・ビーム抵抗ウェブを備えたマスクを提供
する。マスクは、発射チャンバーの形成に使用する半透
明領域にノズル孔を形成するための透明領域も含み、不
透明領域は発射チャンバーとインク供給路とインク供給
領域との境界を規定し、ほぼマスクの周縁部にある。
【００１５】本発明の装置及び方法は、発射チャンバー
へのインクの流れに関連された問題を軽減し、製造段階
を単純化することにより製造費を大幅に削減する、改良
型のインクジェット・ノズル・プレートを提供する。ノ
ズル孔、発射チャンバー、並びに、インク供給路は全て
同じ高分子材で形成されているので、発射チャンバーと
ノズル孔を含む別個の高分子材または厚いフィルム材料
を位置合わせする必要がない。また、様々な不透明度を
有するマスクを使用して同じ高分子材にフロー・フィー
チャーを形成するので、複数のマスクを使用したり、マ
スクごとに別個の位置合わせ段階を実施する必要性が低
くなる。
【００１６】本発明は改良型のノズル・プレートを提供
すると共に、ノズル・プレートを製作する方法及び装置
を提供する。特に、本発明は、ポリイミド重合体、ポリ
エステル重合体、ポリメチルメタクリレート重合体、ポ
リカーボネート重合体及びホモポリマー、共重合体及び
三量体、並びに、更にこれらの２つ以上の混合物から構
成されるグループから選択された高分子材又は重合体材
から製作して、そして好ましくはポリイミド重合体の高
分子材又は重合体材から製作して、発射チャンバー、発
射チャンバーに供給するインク供給路、並びに発射チャ
ンバーに伴うノズル孔を含むのに十分な厚さを有するノ
ズル・プレートを提供する。高分子材は約１０乃至約３
００ミクロンの厚さ、好ましくは約１５乃至約２５０ミ
クロンの厚さ、最も好ましくは約３５乃至約７５ミクロ
ンの厚さを有することが好ましく、本明細書で包含され
るすべての範囲を含む。記述を簡単にするため、発射チ
ャンバー及び供給路を総称してノズル・プレートの「フ
ロー・フィーチャー（ｆｌｏｗ ｆｅａｕｒｅ）」と呼
ぶ。
【００１７】各ノズル・プレートは、複数のインク供給
路、発射チャンバー、並びにノズル孔を含んでこれらが
高分子材内に位置決めされ、ノズル孔がインク推進装置
に関連するように配置されることによって、発射チャン
バーが起動すると、インクの小滴がノズル孔を通って発
射チャンバーから印刷すべき基板へと排出される。１つ
以上の発射チャンバーを素早く連続する状態で順序付け
を為すと、基板上にインクのドットを提供し、それらが
相互に組み合わされて画像を作成する。
【００１８】ノズル・プレートは、連続する長い細片
（ストリップ）またはフィルムとして供給される高分子
材をレーザ加工することにより、連続的又は半連続的な
プロセスで形成することができる。複数の製造段階を通
して高分子材の長い細片を扱い、積極的に移送するのに
役立つよう、細片内にその片側または両側に沿ってスプ
ロケット穴または開口を設ける。
【００１９】ノズル・プレートが形成される細片材は、
従来通りリールの状態で提供される。そうした製造業者
としては、日本のＵＢＥ社、米国Ｄｅｌａｗａｒｅ、Ｗ
ｉｌｍｉｎｇｔｏｎのＥ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎ
ｅｍｏｕｒｓ＆Ｃｏ．社などの幾つかの製造業者が、そ
れぞれＵＰＩＬＥＸ或いはＫＡＰＴＯＮという商標で、
ノズル・プレートの製造に使用するのに適した材料を市
販している。ノズル・プレートの製作に使用するのに好
ましい材料は、一方の表面に接着層を含むポリイミド・
テープである。
【００２０】接着層（図示せず）は、任意のＢステージ
硬化可能な材料であることが好ましい。適切なＢステー
ジ可能材料の例は、フェノール樹脂、レゾルシノール樹
脂、ユリア樹脂、エポキシ樹脂、エチレン・ユリア樹
脂、フラン樹脂、ポリウレタン、並びに、シリコン含有
樹脂などの熱硬化性樹脂である。接着剤として使用でき
る熱可塑性または高温溶融材料は、エチレン酢酸ビニ
ル、エチレン・エチルアクリレート、ポリプロピレン、
ポリスチレン、ポリアミド、ポリエステル、並びにポリ
ウレタンなどである。接着層は通常、厚さが約１乃至１
００ミクロンで、約１乃至約５０ミクロンの厚さが好ま
しく、約５乃至約２０ミクロンの厚さが最も好ましい。
最も好ましい実施例での接着層としては、米国、Ａｒｉ
ｚｏｎａ、ＣｈａｎｄｌｅｒのＲｏｇｅｒｓ社から市販
されているラミネートＲＬＥＸ Ｒ１１００或はＲＦＬ
ＥＸ Ｒ１０００に使用するようなフェノール・ブチラ
ール接着剤である。
【００２１】接着層は、犠牲層で被覆することが好まし
く、これは、ノズル・プレート内のフロー・フィーチャ
ーのレーザ融除がほぼ完了するまで接着層上に残るポリ
ビニルアルコールなどの水溶性高分子が好ましい。犠牲
層として使用できる市販のポリビニルアルコール材料
は、米国、Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ、Ａｌｌｅｎｔｏ
ｗｎのＡｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｉｎｃ．社から市販
されているＡＩＲＶＯＬ１６５、Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅ
ｙ、ＷｈｉｐｐａｎｙのＥｍｕｌｓｉｔｏｎｅＩｎｃ．
社からのＥＭＳ１１４６、並びに、Ｗｉｓｃｏｎｓｉ
ｎ、ＭｉｌｗａｕｋｅｅのＡｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉ
ｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ社からの様々なポリビニルアル
コール樹脂などである。犠牲層は、厚さが少なくとも約
１ミクロンあることが好ましく、高分子フィルム上にあ
る接着層に被覆する。
【００２２】押出し成形、ロール塗布、刷毛塗り、ブレ
ード塗り、溶射、浸漬、並びに、被覆産業で周知の他の
技法で、高分子材に接着及び犠牲層を塗布することがで
きる。高分子材を機械加工してフロー・フィーチャーを
形成した後、水などの溶剤に高分子材を浸漬するか、こ
れを溶射することにより、犠牲層を除去する。
【００２３】
【実施例】ノズル・プレートの設計の様々な態様や、設
計がその操作に及ぼす影響は、図面を参照することによ
り理解される。したがって、図１はインク供給路（イン
ク供給チャネル）１２、発射チャンバー１４、並びにノ
ズル孔１６を通して見た、本発明のノズル・プレート１
０の断面図で、これは一定の縮尺ではない。図２は、高
分子材又は重合体材１８に形成されたインク供給路１
２、発射チャンバー１４、並びにノズル孔１６の平面図
で、一定の縮尺ではない。高分子材１８には、複数の供
給路１２、発射チャンバー１４、並びにノズル孔１６
を、好ましくは以下で更に詳細に述べるレーザ加工技術
により設ける。
【００２４】フロー・フィーチャー及びノズル孔１６を
高分子材１８内に形成したら、ノズル・プレート１０
を、発射チャンバー１４内のインクを加熱する抵抗器な
どのインク推進装置２２を含む半導体基板２０に取り付
ける（図１）。抵抗器タイプの推進装置２２でインクを
加熱すると、インクの成分が急速に蒸発して蒸気の気泡
を生成し、これが発射チャンバー１４内に形成されて、
インクの一部を発射チャンバーからノズル孔１６を通っ
て押し出し、したがってこれが基板に衝突する。蒸気の
気泡は全方向に急速に膨張するので、これはインクを供
給路１２からも押し出す。
【００２５】ノズル・プレートを基板に取り付ける前
に、基板に薄い光硬化性エポキシ樹脂のフィルムを塗布
し、ノズル・プレートと基板との間の接着性を強化し
て、チップの表面上のあらゆる形態的特徴を埋めること
が好ましい。光硬化性エポキシ樹脂は、基板上に引き延
ばされ、供給路１２、発射チャンバー１４並びにインク
供給領域２４を規定するパターンで光硬化させる。好ま
しい光硬化性エポキシの配合は、約５０乃至約７５重量
％のブチロラクトン、約１０乃至約２０重量％のポリメ
タクリル酸メチル−メタクリル酸共重合体、約１０乃至
約２０重量％の米国、Ｔｅｘａｓ、ＨｏｕｓｔｏｎのＳ
ｈｅｌｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ社から市
販されているＥＰＯＮ １００１Ｆなどの二官能価のエ
ポキシ樹脂、約０．５乃至約３．０重量％のＭｉｃｈｉ
ｇａｎ、ＭｉｄｌａｎｄのＤｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｃｏｍｐａｎｙ社から市販されているＤＥＮ ４３１な
どの多官能価のエポキシ樹脂、約２乃至約６重量％のＤ
ａｎｂｕｒｙのＵｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ Ｃｏｒｐ
ｏｒａｔｉｏｎ社から市販されているＣＹＲＡＣＵＲＥ
ＵＶＩ-６９７４などの光開始剤、及び約０．１乃至約
１重量％のγ-グリシドキシプロピルトリメトキシ・シ
ランを含む。
【００２６】発射チャンバー１４内のインクが冷却する
と、蒸気の気泡が崩壊する。インクは、気泡の崩壊と供
給路１２内の毛管作用との組合せにより、インク供給領
域２４から供給路１２及び発射チャンバー１４へと引き
戻される。発射チャンバー１４が再充填されると、これ
は再びノズル１６からインクを排出する準備ができてい
る。インクが発射チャンバーから排出されてから発射チ
ャンバーが再充填されるまでの時間を、「整定時間」と
呼ぶ。
【００２７】本発明のノズル・プレートは、発射チャン
バー１４と供給路１２とを別個に設計してプリンタの性
能を最適化することができ、供給路１２内の空気及び残
骸の遮断を減少させるとともに発射チャンバーの発射間
の整定時間を減少させるフロー・フィーチャーを含む。
図３は、供給路３０、発射チャンバー３２並びにノズル
孔３４を通じての断面図を示し、ノズル・プレート３６
の構成により、発射チャンバー３２の設計は供給路３０
とは別個に最適化することができる。図３に図示したノ
ズル・プレートで示すように、供給路３０の高さ３８
は、発射チャンバーの高さ４０より著しく小さく、発射
チャンバー３２の高さ４０の約０．２乃至約４．０倍で
あることが好ましい。
【００２８】図４は、残骸が供給路に入ってこれを遮断
することがないよう、供給路の高さを低減した特徴と残
骸を捕捉する手段とを組み合わせた代替ノズル・プレー
トの設計を示す。図４で示すように、２本のインク供給
路５２Ａ及び５２Ｂ、２つの発射チャンバー５４Ａ及び
５４Ｂ、そして２つのノズル孔５６Ａ及び５６Ｂを通っ
て切断した断面図で見えるノズル・プレート５０は、高
分子材１８から半導体基板２０までの距離の一部だけ供
給路５２Ａ及び５２Ｂ内へと延在する、インク供給領域
６２内の突起６０を含む。したがって、残骸または他の
異物が基板２０内のインク・バイヤ（孔）６４から供給
領域６２に入ると、突起６０が、残骸がインク供給路５
２Ａ及び５２Ｂに進入するのを遮断する。したがって、
図４に示す設計は、発射チャンバー５４Ａ及び５４Ｂの
設計をノズル孔５６Ａ及び５６Ｂの設計から分離するば
かりでなく、異物が供給路５２Ａ及び５２Ｂに進入する
前にこれを捕捉し、遮断する働きもする。
【００２９】本発明の別の態様を図５に示す。図５は、
２本の供給路７２Ａ及び７２Ｂ、２つの発射チャンバー
７４Ａ及び７４Ｂ、そして２つのノズル孔７６Ａ及び７
６Ｂを通じてのノズル・プレート７０の断面図である。
図５に示すノズル・プレートの設計では、インク供給領
域８０の高さが発射チャンバー７４Ａ及び７４Ｂのイン
ク供給路７２Ａ及び７２Ｂより高くなるよう、高分子材
１８とインク供給領域８０の半導体基板２０との間の距
離７８が増加している。距離７８がインク供給路７２Ａ
及び７２Ｂの高さより大きいので、インク供給領域８０
内の流体の不活性さが低下し、これによってインク通路
８４からインク供給路７２Ａ，７２Ｂ、そして発射チャ
ンバー７４Ａ及び７４Ｂへのインクの流れが増加する。
したがって、同じ発射チャンバーでの連続的な発射と発
射との間に経過する、整定時間として知られる期間は、
約１５０マイクロ秒未満まで、好ましくは約５０乃至約
１３０マイクロ秒、最も好ましくは約８０乃至約１２５
マイクロ秒まで減少し、本明細書に包含されるすべての
範囲を含む。
【００３０】代替的には、図５のノズル・プレートは、
上述したような図３及び図４に示すノズル・プレートの
特徴の一方或は両方も含むことができる。したがって、
供給路７２Ａ及び７２Ｂの高さを、図３に示したような
発射チャンバー７４Ａ及び７４Ｂの高さより小さくする
ことができ、或は高分子材１８が、高分子材１８から半
導体基板２０までの距離の一部だけ供給路７２Ａ及び７
２Ｂ内へ延在する突起を含むことができ、或はその両方
ができる。
【００３１】様々なノズル孔の設計が図６及び図７に示
されており、これらは上記ノズル・プレートの何れとで
も使用することができる。図６に示されるように、ノズ
ル孔９０は実質的にベル状形態の構成を有することがで
き、孔９０の広い方の部分９２が発射チャンバー９４に
対面し、したがって発射チャンバー９４からノズル孔９
０の出口９６まで滑らかな移行となっている。ノズル孔
９０は発射チャンバー９４と孔９０の出口９６との間に
鋭い移行部がないので、ノズル孔から噴射されるインク
は改良されたフロー・パターンを有する。
【００３２】図７では、ノズル・プレート１００がノズ
ル孔１０２及び発射チャンバー１０４を含み、これもノ
ズル孔１０２と発射チャンバー１０４との間に鋭い移行
部がない。この実施例では、ノズル孔１０２及び発射チ
ャンバー１０４は、半導体基板２０とノズル孔１０２の
出口１０８との間の距離１０６全体にわたって円錐台形
を有する。ノズル孔１０２及び発射チャンバー１０４の
円錐形は、発射チャンバー１０４とノズル孔１０２との
間の鋭い境界をなくすことにより、発射チャンバー内で
の空気の捕捉を減少させる。この形状は、発射チャンバ
ー１０４内のデッド・ゾーンをなくすことによりチャン
バー内及びノズル孔１０２を通過するインクの流れを改
善し、これによって発射チャンバー領域に空気が残存す
る可能性を低減している。円錐形は発射チャンバー１０
４内での気泡の形成及び蒸気の気泡の崩壊によって生じ
る振動のメニスカスの減衰を増加させることにより、空
気の吸入も減少させる。
【００３３】本発明のノズル・プレートの形成には、様
々な方法を用いることができる。そした方法としては、
単一のマスク或は複数のマスクの使用や、高分子材に衝
突するレーザ照射エネルギーを制御する方法を含むこと
ができる。図６及び図７に示すノズル孔の形を形成する
ために、焦点外れ技術を使用することが好ましい。図８
に示す特に好ましい焦点外れ技術では、フィルムの形態
で融除される高分子材１１０を、供給リール１１２から
テーブル１１４上に広げる。テーブル１１４はレーザ光
源１２０から放射されるレーザ・ビーム１１８の軸１１
６に沿って垂直方向に移動することができる。高分子材
１１０に形成されるフロー・フィーチャーを含むマスク
１２２を、上記のような特徴的構成を形成するよう、レ
ーザ・ビーム１１８の通路に配置する。高分子材１１０
のフロー・フィーチャーを融除した後、更に処理するた
め、材料を製品リール１２４に再び巻き取る。
【００３４】最初に、レーザ・ビームを、高分子材１１
０の上面から約±５０ミクロン、好ましくは約±３０ミ
クロン、最も好ましくは約±１０ミクロンの点に焦点を
合わせる。材料を融除するにつれ、テーブルは、ビーム
１１８の焦点外れを制御するため、レーザ・ビームの軸
１１８に沿ってレーザ１２０へと垂直方向に移動する。
【００３５】レーザ１２０を照射するのと同時に、テー
ブル１１４をレーザ・ビーム１１８の軸１１６に沿って
垂直に移動させることにより、高分子材に形成されるノ
ズル孔の壁の角度は、レーザ・ビームの軸１１６に対し
て直角の水平面であって小さい方の孔の直径よりもビー
ムの焦点外れの値がより大きくなった大きい方の孔の直
径から測定したより小角度と、より焦点が合ったレーザ
・ビームのレーザ・ビーム軸１１６に対して直角の水平
面から測定したより大角度との間で、徐々に変化する。
レーザ照射とテーブルの動作との関係を変更することに
より、ベル形状、円錐台形、或はそれらのベルや円錐形
の組合せ形状を有するノズル孔を製作することができ
る。
【００３６】上述したマスクを使用してノズル・プレー
トを形成するために、高分子材にフロー・フィーチャー
を生成するのに使用することができるレーザは、Ｆ２、
ＡｒＦ、ＫｒＣｌ、ＫｒＦ、或はＸｅＣｌエキシマー、
または周波数を倍増させたＹＡＧレーザから選択するこ
とができる。高分子材のレーザ融除は、１平方センチメ
ートル当たり約１００ミリジュールから１平方センチメ
ートル当たり約５，０００ミリジュール、好ましくは１
平方センチメートル当たり約１５０乃至約１，５００ミ
リジュール、最も好ましくは１平方センチメートル当た
り約７００乃至約９００ミリジュールのパワーで達成さ
れ、本明細書で包含される全範囲を含む。レーザ融除プ
ロセス中に、約１５０ナノメートル乃至約４００ナノメ
ートル、最も好ましくは約２８０乃至約３３０ナノメー
トルの波長を有するレーザ・ビームを、約１ナノ秒乃至
約２００ナノ秒、最も好ましくは約２０ナノ秒継続する
パルスで照射する。
【００３７】ノズル・プレートの特定のフロー・フィー
チャーは、マスクを通して所定のパルス数のレーザ・ビ
ームを照射することによって形成する。ノズル孔のよう
に、除去する材料の断面深さが大きい高分子材の部分に
は、多くのエネルギー・パルスが必要となることがあ
り、発射チャンバー及びインク供給路のように、材料の
断面深さから材料の一部しか除去する必要がない高分子
材の部分では、必要なエネルギー・パルスが少なくなる
ことがある。
【００３８】本発明の一つの態様では、テーブルを固定
することができ、レーザ・ツールの像形成光学系によっ
て生成されるイメージ面を垂直／Ｚ軸で変化させる。
【００３９】別の態様では、レーザ・ツールの像形成光
学系を固定し、テーブルをモータで垂直軸に移動させ
る。それ故に、テーブルとイメージ面との相対的動作
が、高分子材内で融除される特徴を決定することにな
る。
【００４０】融除プロセスの例証的な例では、イメージ
面は高分子材の上面と同一平面上にあった。レーザを照
射するにつれ、テーブルを上昇させて、光学路に沿った
レーザ源と高分子材との間の距離を短くした。制限はな
いが、一般に、照射回数及びテーブルの移動距離に関し
て、典型的な例は往々にしてレーザを約３００回照射
し、テーブルを約６０ミクロン移動させる。
【００４１】以上を鑑みて、本発明のノズル・プレート
は、インクジェット・プリンタに使用することができる
任意の基板に使用することができる。
【００４２】更に、ノズル・プレート及び基板により、
基板の側部或は中心から発射チャンバーにインクを分配
できるインクジェット印刷ヘッドができる。
【００４３】複数のマスクをレーザ・ビーム焦点外れ技
術と組み合わせて使用し、様々なノズル・プレートのフ
ロー・フィーチャー設計を作成することができる。代替
的には、透明から不透明までの様々な不透明度を有する
単一のマスクを使用して、ノズル・プレートの製作に必
要な製造段階及び時間を削減することができる。特に好
ましいマスクを、図９及び図１０に示す。図１０では、
（様々な不透明度の）マスク１３０が、高分子材のノズ
ル孔など、２つ以上の特徴を融除するのに使用する透明
領域１３２を含む。透明領域を、ノズル・プレートの発
射チャンバーの作成に使用する半透明領域１３４が囲
む。同様に、供給路（インク供給チャネル）は、半透明
領域１３６によって形成され、インク供給領域は、発射
チャンバー領域１３４と同等またはそれ以上の不透明度
を有する半透明領域１３８によって形成される。フロー
・フィーチャーの周囲にあるマスク１３０の周縁部１４
０はほぼ不透明で、従って発射チャンバー領域１３４、
供給路領域１３６、並びにインク供給領域１３８の外側
では高分子材の融除はほとんど、または全く行われな
い。
【００４４】マスク１３０の半透明及び不透明領域は、
低い不透明度が望ましい領域で不透明な線の数を増加さ
せ、したがってマスクの灰色等級（グレイ・スケール）
の濃淡によって、マスクの濃淡を変化させることにより
作成することができる。当業者に知られている何れかの
方法を用いて、半透明及び不透明領域を有するマスクを
準備することができる。例えば、レーザ照射によって融
除されない金属或は他の材料で作成したマスク材料或は
ウェブに、線を塗布または印刷することができる。
【００４５】マスクは、通常、石英、或は、フッ化カル
シウム、フッ化マグネシウム並びにガラス等の紫外線を
透過できる他の材料で作成する。不透明領域は、必要な
波長で紫外線を吸収したり反射したりできる金属から形
成するか、金属酸化物等の誘電体から形成することがで
きる。
【００４６】高分子材で融除されたフロー・フィーチャ
ーの側部境界はマスクによって規定され、これによって
基本的にレーザ・ビームのフルパワーがマスクの穴また
は透明領域を通過することができ、マスクのそれぞれ不
透明領域及び半透明領域の高分子材に到達するレーザ・
ビームのエネルギーをなくすか、減少させる。
【００４７】レーザ融除プロセス中に、高分子材からの
残骸又は破片が形成され、これは除去しないとノズル・
プレートの性能に影響することがある。しかし、高分子
材の最上層は接着層に塗布した犠牲層を含むので、残骸
は下にある接着層ではなく犠牲層に沈着する。ノズルの
形成後、そうした犠牲層は除去される。
【００４８】犠牲層は、好ましくは水溶性高分子材、好
ましくはポリビニル・アルコールで、ほぼ全部の犠牲層
が接着層から除去されるまで水のジェットを犠牲層に向
けることにより除去することができる。犠牲層は残骸を
含むので、犠牲層を除去すると、それに付着した残骸を
持ち去る。この方法で、高分子材には、構造または動作
的問題を招く残骸がなくなる。
【００４９】以上、本発明及びその好ましい実施例につ
いて述べてきたが、当業者なら、添付の請求の範囲で定
義される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、
本発明に無数の修正、再構成並びに部品の置換が可能で
あることを理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係るノズル・プレートにおけ
るインク供給路、発射チャンバー並びにノズル孔を通し
た、一定の縮尺でない断面図である。
【図２】図２は、本発明に係るノズル・プレートにおけ
るインク供給路、発射チャンバー並びにノズル孔の一定
の縮尺でない平面図である。
【図３】図３は、本発明に係るノズル・プレートにおけ
るインク供給路、発射チャンバー並びにノズル孔の代替
構成の断面図である。
【図４】図４は、本発明に係るノズル・プレートにおけ
るインク供給路、発射チャンバー並びにノズル孔の代替
構成の断面図である。
【図５】図５は、本発明に係るノズル・プレートにおけ
るインク供給路、発射チャンバー並びにノズル孔の代替
構成の断面図である。
【図６】図６は、ノズル孔の代替設計を示す、本発明に
係るノズル・プレートにおけるノズル孔及び発射チャン
バーを通した、一定の縮尺でない断面図である。
【図７】図７は、ノズル孔の代替設計を示す、本発明に
係るノズル・プレートにおけるノズル孔及び発射チャン
バーを通した、一定の縮尺でない断面図である。
【図８】図８は、本発明に従って、高分子材を融除して
ノズル・プレートを形成するレーザ・プロセスの概略図
である。
【図９】図９は、本発明にかかるノズル・プレートの形
成に使用するマスクの一部の平面図である。
【図１０】図１０は、本発明に係るノズル・プレートの
形成に使用するマスクの一部の平面図である。
【符号の説明】
１０,３６，５０，７０，１００ ノズル・プレート １２，５２Ａ，５２Ｂ インク供給路 １４，７４Ａ，７４Ｂ，９４，１０４ 発射チャンバー １６，３４，５６Ａ，５６Ｂ ノズル孔 １８，１１０ 高分子材 ２０ 半導体基板 ２２ 推進装置 ２４，６２，８０，１３８ インク供給領域 ３２，５４Ａ，５４Ｂ 発射チャンバー ６０ 突起 １２２，１３０ マスク
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スティーブン・ロバート・コンプリン アメリカ合衆国 40515 ケンタッキー、 レキシントン、エスコンディダ・ウェイ 2201 (72)発明者 ロバート・ウィルソン・コーネル アメリカ合衆国 40513 ケンタッキー、 レキシントン、パルメット・ドライブ 4173 (72)発明者 ジェームズ・ハロルド・パワーズ アメリカ合衆国 40514 ケンタッキー、 レキシントン、リーマ・ウェイ 4772 (72)発明者 ミカ・エイブラハム・コフマン アメリカ合衆国 40515 ケンタッキー、 レキシントン、ファームヴュー・ドライブ 1704 (72)発明者 ブルース・デイヴィッド・ギブソン アメリカ合衆国 40514 ケンタッキー、 レキシントン、シニックヴュー・ロード 4729

Claims (32)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 熱インクジェット・プリンタ用の高分子
    から成るノズル・プレートであって、複数の発射チャン
    バー、各発射チャンバー上のノズル孔、並びにインク供
    給領域に接続されて前記発射チャンバーに供給するイン
    ク供給路を設けるのに十分な厚さを有する高分子材を備
    え、前記発射チャンバーの各々が発射チャンバー高さを
    有し、前記供給路の各々が供給路高さを有し、前記供給
    領域が供給領域高さを有して、これら発射チャンバー、
    供給路並びに供給領域の各高さが高分子材の厚さの数分
    の一であることから成るノズル・プレート。
  2. 【請求項２】 前記ノズル孔がほぼベル形の形状を有す
    る、請求項１に記載のノズル・プレート。
  3. 【請求項３】 前記発射チャンバー及び前記ノズル孔が
    それぞれ円錐台形を有する、請求項１に記載のノズル・
    プレート。
  4. 【請求項４】 前記供給路に進入するインクを濾過する
    のに十分なように、前記インク供給領域に配置された複
    数の突起を更に備える、請求項１に記載のノズル・プレ
    ート。
  5. 【請求項５】 前記インク供給領域の高さが前記インク
    供給路の高さより大きい、請求項１に記載のノズル・プ
    レート。
  6. 【請求項６】 前記供給路に進入するインクを濾過する
    のに十分なように、前記インク供給領域に配置された複
    数の突起を更に備える、請求項５に記載のノズル・プレ
    ート。
  7. 【請求項７】 前記供給路の高さが、前記発射チャンバ
    ーの高さの約０．２乃至約４．０倍である、請求項１に
    記載のノズル・プレート。
  8. 【請求項８】 熱インクジェット・プリンタ用のポリイ
    ミド製のノズル・プレートであって、ポリイミド材を備
    え、前記ポリイミド材の厚さが、前記ノズル・プレート
    の対向する両縁にそれぞれ隣接して配置された複数の発
    射チャンバーをそれ自体に関連されたノズル孔を伴なっ
    て提供すると共に、該ポリイミド材料内に形成された対
    向するインク供給路であり、それらに隣接して配置され
    たインク供給領域に接続されて前記発射チャンバーに供
    給を為すインク供給路を提供するに十分な厚さであり、
    前記ノズル孔の各々が発射チャンバーに隣接する入口側
    と入口側とは反対側にある出口側とを有し、前記発射チ
    ャンバーの各々が発射チャンバー高さを有し、前記供給
    路の各々が供給路高さを有し、前記供給領域が供給領域
    高さを有して、前記供給領域の高さが前記供給路及び前
    記発射チャンバーの高さより大きいことから成るノズル
    ・プレート。
  9. 【請求項９】 前記ノズル孔がほぼベル形の形状を有す
    る、請求項８に記載のノズル・プレート。
  10. 【請求項１０】 前記発射チャンバー及び前記ノズル孔
    の各々が円錐台形を有する、請求項８に記載のノズル・
    プレート。
  11. 【請求項１１】 前記インク供給路に進入するインクを
    濾過するのに十分なように、該インク供給領域内に配置
    された複数の突起を更に備える、請求項８に記載のノズ
    ル・プレート。
  12. 【請求項１２】 前記供給路の高さが、前記発射チャン
    バーの高さの約０．２乃至約４．０倍である、請求項８
    に記載のノズル・プレート。
  13. 【請求項１３】 インクジェット・プリンタ用のノズル
    ・プレートを製作する方法であって、可動テーブル上に
    ポリイミド・フィルムを取付ける段階と、前記ポリイミ
    ド材にレーザビームを用いて発射チャンバー及び該発射
    チャンバーに関連されたインク供給路を融除する一方
    で、前記ポリイミド材に対する前記レーザビームの焦点
    外れを制御して、該ポリイミド材内にノズル孔及び発射
    チャンバーを形成する段階と、の諸段階を含む方法。
  14. 【請求項１４】 前記融除段階中にポリイミド材料への
    レーザ・ビームの焦点外れを制御するために、前記ノズ
    ル孔を製作するレーザ融除段階中に、前記テーブル及び
    取り付けたポリイミド・フィルムを、前記レーザ・ビー
    ムの軸に沿って移動させる、請求項１３に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記レーザ・ビームの焦点外れを制御
    してベル形のノズル孔を形成する、請求項１３に記載の
    方法。
  16. 【請求項１６】 前記レーザ・ビームの焦点外れを制御
    して、ノズル孔及びそのノズル孔に関連された発射チャ
    ンバーを形成し、各ノズル孔及びそれらに関連された発
    射チャンバーが円錐台形を有する、請求項１３に記載の
    方法。
  17. 【請求項１７】 対向するインク供給路の間に、前記イ
    ンク供給路の高さに関して、該供給路の高さより高い高
    さを有するインク供給領域を融除する段階を更に含む、
    請求項１３に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記インク供給領域に配置されて、前
    記インク供給路に進入するインクを濾過する複数の突起
    を融除する段階を更に含む、請求項１７に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 前記インク供給路が、前記発射チャン
    バーの高さの約０．２倍乃至約４．０倍の高さで融除さ
    れる、請求項１３に記載の方法。
  20. 【請求項２０】 レーザと、２つ以上の構成を形成する
    のに十分な様々な不透明度の部分を有するマスクとで、
    高分子材を融除する段階を含む、インクジェット印刷ヘ
    ッドのノズル・プレートを製作する方法。
  21. 【請求項２１】 ２つ以上の構成が、基本的に、単一の
    マスクを使用して同時に形成される、請求項２０に記載
    の方法。
  22. 【請求項２２】 前記マスクが、ベル形のノズル孔を形
    成するのに十分な様々な不透明度を有する、請求項２０
    に記載の方法。
  23. 【請求項２３】 前記マスクが、ノズル孔及び該ノズル
    孔に関連された発射チャンバーを製作するのに十分な様
    々な不透明度を有し、各ノズル孔及びそれに関連された
    発射チャンバーが円錐台形を有する、請求項２０に記載
    の方法。
  24. 【請求項２４】 前記マスクが、対向するインク供給路
    の間に、そのインク供給路より高いインク供給領域を形
    成するのに十分な様々な不透明度を有する、請求項２０
    に記載の方法。
  25. 【請求項２５】 前記マスクが、前記インク供給領域に
    配置されて、前記インク供給路に進入するインクを濾過
    する複数の突起を形成するのに十分な様々な不透明度を
    有する、請求項２０に記載の方法。
  26. 【請求項２６】 前記マスクが、前記発射チャンバーの
    高さの約０．２倍乃至約４．０倍の高さを有する前記イ
    ンク供給路を形成するのに十分な様々な不透明度を有す
    る、請求項２０に記載の方法。
  27. 【請求項２７】 高分子材を融除するためのマスクであ
    って、不透明から透明までの様々な不透明度の領域を有
    するレーザ・ビーム抵抗ウェブを備え、インク供給領
    域、該インク供給領域に接続された複数のインク供給
    路、並びに各インク供給路に関連された発射チャンバー
    を形成するための半透明領域と、前記発射チャンバーを
    形成すべく使用される前記半透明領域の略中心にノズル
    孔を形成するための透明領域とを含み、前記不透明領域
    が、マスクの略周縁部にある、発射チャンバー、インク
    供給路、並びに、インク供給領域の各境界を規定してい
    ることから成るマスク。
  28. 【請求項２８】 前記発射チャンバー及び前記ノズル孔
    の形成に使用される領域の前記マスクの不透明度が、ベ
    ル形のノズル孔を形成するために半透明から透明へと徐
    々に変化している、請求項２７に記載のマスク。
  29. 【請求項２９】 前記発射チャンバー及び前記ノズル孔
    の形成に使用される領域の前記マスクの不透明度が、前
    記円錐台形の発射チャンバー及びそれに関連されたノズ
    ル孔を形成するために半透明から透明へと徐々に変化し
    ている、請求項２７に記載のマスク。
  30. 【請求項３０】 前記インク供給路の各々が、それに関
    連された発射チャンバーの高さより小さい高さを有する
    ように、前記マスクの不透明度が前記発射チャンバー領
    域と前記インク供給路との間で変化している、請求項２
    ７に記載のマスク。
  31. 【請求項３１】 前記インク供給領域に配置されて、前
    記供給路に進入するインクを濾過するのに十分な複数の
    突起を形成するのに十分な不透明領域を前記インク供給
    領域に更に備える、請求項２７に記載のマスク。
  32. 【請求項３２】 前記インク供給領域の各々が前記イン
    ク供給路より高くして形成されるよう、前記マスクの不
    透明度が前記インク供給路と前記インク供給領域との間
    で変化している、請求項２７に記載のマスク。
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