JPH01148560A - 改良された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】 簾栗上■枡朋分国 本発明はインクジェット複写に関し、さらに詳細には、
活性装置の改良された不動態化（Ｐａｓｓｉｎａｔｉｏ
ｎ）を有する熱インクジェットプリントヘッドおよびよ
りコスト的に有効な作製方法に関する。

従来技術 現存の熱インクジェット複写法においては、プリントヘ
ッドはアヤク等に付与された米国特許第４．４６３，３
５９号に開示されているような一端で比較的小さいイン
ク供給チャンバーと連結しかつ他端でノズルと称される
開口を有する１個またはそれ以上のインク充填チャンネ
ルを含んでいる。熱エネルギー発生器、通常、レジスタ
ーはチャンネル内のノズル近くに所定の距離で置かれて
いる。各レジスターはインクを瞬間的に蒸発させてイン
ク液滴を発射するバブル（泡）を形成する流速パルスに
個々にアドレスされている。バブルが生長するにつれ、
インクはノズルから膨れ出しインクの表面張力によって
メニスカスとして保持される。

バブルが凝集し始めるとき、ノズルと膨み出し間のチャ
ンネル間にいまだ存在するインクは凝集中のバブルに向
って移動し始め、ノズル位置でインクの容量的収縮を起
し膨み出しインクの液滴としての分離を生ずる。バブル
を生成させなからノズルからインクを加速させて紙のよ
うな記録媒体へ向けての実質的に直線方向に液滴の運動
量および速度を与える。

ハウキンス等に付与された米国特許第４．６０Ｌ７７７
号は各プリントヘッドが配列され一緒に結合させた２つ
の部分を含むインクジェットプリントへソドの幾つかの
作製方法を開示している。１つの部分はその表面上に直
線状配列の加熱要素とアドレス用電極とを含む実質的に
平坦な基体であり、第　　　　　　゛２部分は少なくと
も１個の異方性エツチングした凹部を有する基体であり
これら２つの部分を一緒に結合させたときインク供給マ
ニホールドとして働く。線状配列の平行な溝が第２部分
中に形成されており、溝の一端はマニホールド四部と連
結し他端はインク液滴発出ノズルとして使用するため開
放されている。多くのプリントヘッドは、例えば、シリ
コンウェファ上にアドレス用電極を有する加熱要素アレ
イの複数のセットを形成させることによりまたその上に
アラインメントマークを所定の位置に置くことによって
瞬時に作製できる。

チャンネルと付属マニホールドの相応する複数のセット
が第２のシリコンウェファ内に形成され、１つの実施態
様においては、アラインメント開口がその上に所定の位
置でエツチングされている。

２つのウェファはアラインメント開口とアラインメント
マークとを介して配列され次いで一緒に結合され多くの
個々のプリントヘッドに向けてさいの目に刻まれている
。

トーペイ等の米国特許第４，６３８，３３７号はハーキ
ンス等のプリントヘッドと同様であるがその加熱要素の
各々を凹部内に位置させた改良された熱インクシェツト
プリントヘッドを開示している。加熱要素を含む凹部壁
はバブルのノズルへの横方向の動きを、即ち、ブローア
ウト（ｂｌｏｗｏｕｔ）として知られる大気へのインク
の突発的放出を防止しており、このブローアウトは空気
の吸い込みを生じこれが生ずるとプリントヘッドの操作
を妨害する。

該米国特許においては、リストン（Ｒｉｓｔｏｎ、登録
商標）のような厚膜有機構造体がヒータープレートとチ
ャンネルプレー１・の間に挿入されている。

この層の目的は加熱要素上に形成されたバブルを収容す
る凹部を加熱要素のすぐ上に形成せしめて蒸気ブローア
ウトが生ずることなしに液滴速度の増大を与えることで
ある。

発班虫旦何 本発明の目的は少ない製作工程でもってよりコスト的に
有効なプリントヘッドを作製して改良されたインクジェ
ットプリントヘッドを提供することである。

本発明の別の目的はマニホールドを有する異方性エツチ
ング溝の各セットの一端を開口する製作工程をインク流
路を溝の周りに設けることによって削減することである
。

本発明のさらに別の目的はヒータープレート上の活性回
路機構上にハンダマスクまたはラミネートの厚膜を置く
ことによってアドレス用電極の改良された不動態化を提
供することである。

本発明のさらに別の目的はハクレル（Ｖａｃｒｅｌ、登
録商標）、リストン（Ｒｉｓｔｏｎ、登録商標）、プロ
ハイマー（Ｐｒｏｂｉｍｅｒ、　登録商標）またはポリ
イミドの厚膜を置き、加熱要素上並びにインクチャンネ
ル溝およびマニホールドの界面領域近くの領域上からこ
の厚膜構造体を除去することによって電極不動態化並び
にマニホールドと個々のインクチャンネルとの間にイン
ク流路を与える手段とを提供することである。

発明の内容 本発明においては、ベクレル、リストン、プロバイマー
またはポリイミドのような厚膜有機構造体がヒータープ
レートとチャンネルプレート間に挿入される。この層は
１０〜５０ミクロンの庫さであるが好ましい厚さ範囲は
２０〜４０ミクロンである。次いで、凹部を厚膜有機構
造体内に形成して各加熱要素を露出させる。この配列は
各加熱要素を凹部の底に置き蒸気プローアウトの起きる
のを防止する。第２の細長いピント即ち溝を所定の位置
に形成し、チャンネルプレートを配列し厚膜構造体と結
合させたとき、インクがマニホールドからインクチャン
ネルに流れ得るようにする。

さらに、この厚■り有機構造体はヒータープレート上の
活性回路機構の不動態化層として使用する。

本発明のより完全な理解は以下の添付図面に沿って行う
詳細な説明によって得られるであろう。

液滴発出ノズル２７の配列を示すプリントヘッド１０の
前面２９の拡大等角投影図が第１図に示されている。ま
た、後述する第２図に関しては、下部電気絶縁性基体即
ち加熱要素プレート２８は加熱要素３４とプレート表面
３０上にパターン化したアドレス用電極３３を有し、−
力士部基体即ちチャンネルプレート３１は一方向に延び
上部基体前面端２９に貫通している平行溝２０を有して
いる。谷溝の他端は傾斜壁２１で終端し、毛細充填イン
クチャンネル２０のインク供給マニホールドとして使用
する内部凹部２４の床４１はインク充填穴としての開口
２５を有している。溝を有するチャンネルプレートの表
面を調整してヒータープレート２８に結合させて、複数
の加熱要素３４の各々１個を谷溝と下部基体即ちヒータ
ープレートとによって形成された各チャンネル内に配置
させる。インクは凹部２４と下部基体２８によって形成
されたマニホールドに入り充填穴２５を通り、毛管作用
により、厚膜絶縁層１８内に形成された細長い凹部３８
を流すことによって各チャンネル２０を満す。各ノズル
でのインクはメニスカスを形成し、その表面張力はイン
クが流れ出すのを防止している。下部基体即ちチャンネ
ルプレート２８上のアドレス用電極３３はターミナル３
２で終端している。上部基体即ちチャンネルプレート３
１は下部基体よりも小さくて電極ターミナル３２を露出
させており、プリントヘッド１０が永久的に取り付けら
れているドーターボード１９上の電極にワイヤー接続で
きるようになっている。

層１８は、後述するように、上部および下部基体間に挿
入させた厚膜不動態化層である。この層はエツチングし
て加熱要素を露出させ、かくして各加熱要素をピット内
に置きさらにエツチングして細長い凹部を形成してマニ
ホールド２４とインクチャンネル２０間でインクの流れ
を可能にする。

さらに、この厚膜絶縁体層をエツチングして各電極ター
ミナルも露出させる。

第１図の断面を１つのチャンネルを通る線２−２に沿っ
て第２図に示すように取りインクがマニホールド２４か
ら溝２０の末端２１の周りに矢印２３のようにいかにし
て流れるかを示す。トーペイ等の米国特許第４．６３８
．３３７号に開示されているように、バブル発生用加熱
要素３２およびそのアドレス用電極３３の複数のセット
は単一面研摩（１００）シリコンウェファの研摩表面上
にパターン付けされている。プリントヘッド電極３３、
加熱要素として働く抵抗材料、および共通折り返し３５
をパターン付けする前に、ウェファの研摩表面は約２μ
ｍの厚さを有する二酸化ケイ素のような下塗層３９でコ
ーティングする。抵抗材料は化学蒸着（ＣＶＤ）によっ
て付着させ得るドーピング多結晶性シリコンまたは任意
のほう化ジルコニウム（ＺｒＢｚ）のような他の周知の
抵抗性材料であり得る。共通折り返しおよびアドレス用
電極は典型的には下塗層および加熱要素の端部上のアル
ミニウムリード線である。共通折り返し末端即ちターミ
ナル３７およびアドレス用電極ターミナル３２は所定の
位置に位置させて、チャンネルプレート３１を結合させ
てプリントヘッドを形成させたのち、ドーターボード１
９の電極（図示せず）にワイヤー接続させるためのクリ
アランス（離間距離）を与える。共通折り返し３５とア
ドレス用電極３３は０．５〜３μｍの厚さに付着させる
が、好ましい厚さは１．５μｍである。

好ましい実施態様においては、ポリシリコン加熱要素を
用い、二酸化ケイ素熱酸化物層１７を高温流中のポリシ
リコンから生長させる。この熱酸化物層は典型的には厚
さ０．５〜１μｍに生長させて加熱要素を伝導性インク
から保護し絶縁する。

熱酸化物はポリシリコン加熱要素の末端でアドレス用電
極と共通折り返しとの取り付けのために除去し、そこで
、これらの電極と折り返しをパターン付けし付着させる
。もしほう化ジルコニウムのような抵抗性材料を加熱要
素に用いるならば、そのときは他の適当な周知の絶縁材
料をその保護層として用いる。電極不動態化前に、タン
タル（Ｔａ）の層（図示せず）を加熱要素保護層１７上
にプリントヘッド操作中インク気泡（バブル）の凝集に
よって発生するキャビティション力に対する追加の保護
用として約１μｍの厚さに必要に応じて付着させてもよ
い。タンタル層は加熱要素のすぐ上の保護層１７以外の
すべてを例えばＣＦ、、１０□プラズマエツチングによ
りエツチング除去する。電極不動態化のためには、２μ
ｍ厚リンす−ピングＣＶＤ二酸化ケイ素膜１６を加熱要
素とアドレス用電極の複数のセットを含むウェファ表面
全体に付着させる。不動態化膜１６は露出電極をインク
から保護するイオンバリヤーを与える。他のイオンバリ
ヤー例えば、ポリイミド、プラズマ窒化物、上述のリン
ドーピング二酸化ケイ素またはこれらの任意の組合せも
使用できる。効果的なイオンバリヤー層はその厚さが１
０００オングストローム〜１０μｍであるときに得られ
、好ましい厚さは１μｍである。不動態化膜即ち層１６
は後でドーターボード電極とワイヤー接続するために共
通折り返しとアドレス用電極の末端でエツチング除去す
る。この二酸化ケイ素膜のエツチングはウェットまたは
ドライエツチング法のいずれかで行い得る。また、電極
不動態化はプラズマ蒸着窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）によ
って実施できる。

次に、例えば、リストン、バクレル、プロバイマーまた
はポリイミドのような厚膜タイプの絶縁層１８を不動態
化層１６上に厚さ１０〜１００μｍ好ましくは２５〜５
０μｍの範囲で形成させる。

絶縁層１８は写真平版的に処理して各加熱要素上（凹部
２６を形成する）、マニホールド２４からインクチャン
ネル２０へのインク通路を与える細長い凹部３８上およ
び各電極ターミナル３２．３７上の層１８部分をエツチ
ングし除去する。細長い凹部３８は厚膜層１８の上記部
分を除去することによって形成する。即ち、不動態化層
１６のみが電極３３を上記細長凹部３８中のインクへの
暴露から保護する。

第３図においては、加熱要素プレート２８の細長の一部
断面等角投影図が示されている。電極不動態化層１６と
その上の比較的厚い絶縁層１８（好ましくは、リストン
、ハクレル、ポリイミドまたは等個物）の一部は加熱要
素プレート構造の理解をし易くするために１つのアドレ
ス用電極の１部から除去されている。各層１８は写真平
版的にパターン付けしエツチングして加熱要素３４およ
びその保護層１７から所定の距離除去されてマニホール
ドからチャンネルへのインク流を与えており、また電極
ターミナル３２．３７からも除去されて凹部即ちピント
が各加熱要素を露出させる壁４２および細長い凹部を形
成してマニホールドへのインクチャンネルを開放する壁
１５を有するように形成される。各凹部壁４２は凹部２
６の底部にあるパルス化加熱要素により発生した各バブ
ルの横方向の動きを抑制しており、かくして正常方向へ
のバブル生長を促進している。従って、米国特許第４　
、６３８　、３３７号に開始されているように、蒸発イ
ンクの激発を伴うブローアウト現象は回避される。

不動態化電極はその長さの多くに沿ってインクに暴露さ
れており、通常の電極不動態化層１６中に存在し得るピ
ンホールが電極を電気分解にさらし、この電気分解はそ
れによってアドレスされた加熱要素の操作上の欠損を突
発的にもたらす。従って、アドレス用電極の追加の保護
を厚膜層Ｉ８によって得ている、即ち、各電極は２つの
被覆層、不動化層Ｉ６と厚膜層１８とによって不動態化
されているからである。

第５図はヒータープレート中に浅い異方性エツチング溝
４０を有する第２図と同様の図であり、従って、ヒータ
ープレートは下塗り３９の形成並びに加熱要素３４、電
極３３および共通折り返し３５のパターン付は前にはシ
リコンであるべきである。上記の凹部４０は厚膜絶縁層
１８のみの使用を可能にし通常の電極不動態化層１６の
必要性を排除する。厚膜層１８は水に対して不透過性で
あり比較的厚い（２０〜４０μｍ）ので、回路機構にも
たらされる汚染が従来技術で周知の比較的薄い不動態化
層１６のみによるよりもはるかに少ないであろう。重要
なことはヒータープレートが集積回路にとってかなり有
害な環境である点を理解することである。市販のインク
は一般に純度に対して注意不足である。その結果、ヒー
タープレートの活性部分は明らかに易動性イオンに冨む
汚染水性インク液に近い昇温下にあるであろう。しかも
、ヒータープレートは３０〜５０ボルトの電圧で操作す
ることが望ましく、その結果、実質的な電界が存在する
であろう。かくして、厚膜絶縁層１８は活性装置に改良
された保護を与え、ヒータープレートの長期の操作寿命
をもたらす改良された保護を与える。

米国特許筒４，６０１，７７７号および第４，６３８，
３３７号に開示されているように、チャンネルプレート
は２面研摩の（１００）シリコンウェファ−から作製し
てプリン１−ヘッド用の複数の上部基体３１を形成する
。ウェファを化学的にクリーニングしたのち、熱分解Ｃ
ＶＤ窒化ケイ素層（図示せず）を両面に付着させる。通
常の写真平版技術を用いて、複数のチャンネルプレート
３１の各々用の充填穴２５用の通路および所定位置での
アラインメン１〜開口（図示せず）用の少なくとも２つ
の通路を１つのウェファ面上にプリントする。窒化ケイ
素は充填穴とアラインメント開口とを示すパターン付は
通路からプラズマエツチング除去する。水酸化カリウム
（ＫＯＨ）異方性エツチングを用いても充填穴およびア
ラインメント開口をエツチングできる。この場合、（１
００）ウェファの（１１１１面はウェファ表面と５４．
７°の角度をなす。充填穴は一面当り約２０ミル（０，
５ｍ）の小正方形表面パターンであり、アラインメント
開口は約６０〜８０ミル（１，５〜２１ｍ）四方である
。即ち、アラインメント開口は２０ミル（０，５ｍ）厚
さのウェファ−全体を通してエツチングされるが充填穴
はウェファおよび半分から３／４の先端深さにエツチン
グされる。比較的小さい正方形充填穴は連続エツチング
によってさらに大きさが増大するようなことはなく、ア
ラインメント開口と充填穴のエツチングは著しい時間的
拘束は受けない。次に、つ、エファの反対面を前述のエ
ツチングアラインメント穴を参照として用いて写真平版
的にパターン付けして比較的大きい矩形凹部２４並びに
プリントヘッドのインクマニホールドとチャンネルとな
る細長い平行なチャンネル凹部のセットを形成する。マ
ニホールドおよびチャンネル凹部を含むウェファの表面
２２は元のウェファ表面部分（窒化ケイ素層で被覆され
た）でなり、その上には後で複数の加熱要素のセットを
含む表面に結合させるための接着剤が施されるであろう
。終端面２９を与える最終のさいの目カットは細長溝２
０の一端を開放してノズル２７を形成する。チャンネル
溝２０の他端は末端２１により閉鎖したまま残る。

しかしながら、チャンネルプレートのヒータープレート
への調整および結合はチャンネル２０の末端２１を第２
図で示すような厚膜絶縁層１８中の細長凹部３８のすぐ
上あるいは第５図で示すような凹部４０のすぐ上に位置
させて矢印２３で示すようなインクのマニホールドから
チャンネルへの流れを可能にする。第４図は線４−４に
沿って見たときの第２図で示すプリントヘッドの部分断
面図であり、厚膜層１８内の細長凹部３８がチャンネル
２０すべでの幅全体にまたそれに水平方向に延びている
ことを示している。

要するに、本発明は熱インクジェットプリントヘッドの
作製方法の簡素化に関する。ハンダマスク材料、または
リス１〜ン、パクレル、プロハイマー５２またはポリイ
ミド等の厚膜をヒータープレートとチャンネルプレート
の間に挿入する。従来技術においては、この層は加熱要
素上のビットの形成を与えており、これらのピットは液
滴速度が藤気ブローアウトおよび結果としての空気の過
剰なしで増大させ得るような一時的なバブルを含むであ
ろう。加熱要素ピッ１〜の背後に第２の細長凹部を加え
ることによって、貯槽からのインクは各チャンネルと接
続でき、それによってチャンネル溝とマニホールド凹部
との間のシリコンを除去する必要をなしにしている。こ
の細長凹部即ち溝はインクのバイパスを与える。厚膜絶
縁層をフォトレジスト法を用いてパターン付することは
さらにエツチングまたはミリングしてチャンネル溝およ
びマニホールド凹部間のンリコンを除去するよりもはる
かに簡易で容易に制御できる。第２の実施態様において
は、ヒータープレートは加熱要素アレイおよび付属のア
ドレス用電極を形成する前にプレート内にエツチングし
た浅い細長凹部を有する。このヒータープレート内の凹
部は不動態化層として厚膜絶縁層単独の使用を可能にし
、高度の一体化およびインクからの電極のピンホールな
しの保護を維持しながら作製方法を一層簡単化する。

多くの修正および変形が上記の本発明の説明から明らか
であり、そのような修正および変形はすべて本発明の範
囲に属するものとする。例えば、そのような２部分形状
は他の任意の用途およびガスか液体である他のタイプの
流体にとっても有用であり、それによって−船釣な流路
を相互連結配向依存エツチング（ＯＤＥ）シリコン構造
体間に設けることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は液滴発出ノズルを示すドーターボード上に取り
付けられたプリントヘッドの拡大等角投影図である。 第２図は線２−２に沿って見た第１図の拡大断面であり
電極受動性およびマニホールドとインクチャンネルの間
のインク流路を示す。 第３図は凹部加熱要素とマニホールドからインクチャン
ネルへのインクの流れを与える第２凹部とを示す部分断
面加熱要素プレートの拡大部分等角投影図である。 第４図は線４−４に沿った第２図の拡大断面図である。 第５図は線２−２に沿った第１図のプリントヘッドの別
の実施態様の拡大断面図である。 １０−プリンｌ−ヘッド、　１６−不動態化層、１７−
二酸化ケイ素層、　１８−厚膜絶縁層、１９−　ドータ
ーボード、　　２０−チャンネル、２４−マニホールド
、　　２８−下部基体（ヒータープレート）、 ３１−上部基体（チャンネルプレート）、３３−加熱要
素、　　　　　３１−アドレス用電極、３５−共通折り
返し、　　３８−細長凹部、３９−下塗り層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 一表面を異方性エッチングして後でインクチャンネルと
   して使用するための平行な溝のセットおよび後でマニホ
   ールドとして使用するための異方性エッチングした凹部
   との両方を形成させたシリコン上部基体を有し、さらに
   一表面がその上に形成させた加熱要素とアドレス用電極
   の配列を有する下部基体を有するタイプのインクジェッ
   トプリントヘッドであって、上記上部基体と下部基体を
   調整し、嵌み合せ、一緒に結合して両基体間に挿入させ
   た厚膜絶縁層を有する上記プリントヘッドを形成し、上
   記厚膜絶縁層は下部基体の表面上でかつ上記加熱要素と
   アドレス用電極上に付着させ、さらに、上記両基体を嵌
   み合せおよび結合させる前に、パターン化されて上記加
   熱要素と上記アドレス用電極の末端とを露出するための
   凹部が形成されている上記のプリントヘッドにおいて、
   上記エッチング溝が、各々、一端で開口し他端で閉鎖し
   ており、この開口末端はインク液滴発出ノズルとして働
   き、上記エッチング凹部は上記溝閉鎖端に接近している
   が分離しており；そして細長の開口が上記加熱要素と電
   極凹部を有する上記厚膜絶縁体中に上記溝閉鎖端と直面
   する位置に形成されており、上記細長開口は上記チャン
   ネル閉鎖端を除去する必要なしに上記マニホールドとチ
   ャンネル間にインク流通路を形成するに十分な大きさを
   有し、それによって上記プリントヘッドの作製方法をコ
   スト的に有効に簡単化していることを特徴とする改良さ
   れた上記インクジェットプリントヘッド。