JPH09239980A - サーマルインクジェットプリントヘッド - Google Patents

サーマルインクジェットプリントヘッド

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JPH09239980A
JPH09239980A JP9040997A JP4099797A JPH09239980A JP H09239980 A JPH09239980 A JP H09239980A JP 9040997 A JP9040997 A JP 9040997A JP 4099797 A JP4099797 A JP 4099797A JP H09239980 A JPH09239980 A JP H09239980A
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ejector
suspended portion
thermal inkjet
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ジョエル・エイ・クビー
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 発熱を抑えたサーマルインクジェットプリン
タのプリントヘッドを提供する。 【解決手段】 少なくとも１個のエジェクタを備えたサ
ーマルインクジェットプリントヘッドであって、前記エ
ジェクタは、それを通る液体インク通路のための毛細管
チャネル３２を規定する構造体と、毛細管チャネル３２
に配設され、第一主表面と第一主表面反対側の第二主表
面とを規定する宙吊り部１８とを備え、第一主表面と第
二主表面はいずれも毛細管チャネル３２内の液体インク
に接近可能であり、宙吊り部１８は内部に加熱素子を含
むことを特徴とする、前記サーマルインクジェットプリ
ントヘッド。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、液体インクを気化
するためにその両側が露出するように各エジェクタの加
熱素子が宙吊り(suspend)されていることを特徴とする
サーマルインクジェットプリンタのプリントヘッドに関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】現時点で一般的なインクジェットプリン
トヘッド設計品において、加熱素子はシリコンチップの
表面に抵抗器として形成される。加熱素子をこのように
チップの主表面に配置することは、プリントヘッドの作
成という観点からは便利であるが、プリントヘッドが高
速または長時間印刷動作による印刷といった苛酷な使用
を受ける場合、加熱素子の表面配置には実用上の困難を
呈することが分かっている。簡単に述べると、プリント
ヘッドからの液体インクの吐出を生じるために機能する
のは、プリントヘッドの加熱素子によって放散される熱
のごく一部でしかない。プリントヘッドの加熱素子によ
って発生する熱全体の約半分は液体インクに直接的に放
散されずに、半導体チップに吸収されてチップ全体の加
熱の原因となる。これは単なるエネルギーの無駄を意味
し、全ページ幅デザインで利用されるような非常に大き
なプリントヘッドでは特に重大事であり、プリントヘッ
ドをたえず加熱することによりプリントヘッドの寿命を
著しく短縮する場合もある。
【０００３】
【課題を解決するための手段】本発明の一態様により、
少なくとも１個のエジェクタを備えたサーマルインクジ
ェットプリントジェットが提供される。該エジェクタ
は、それを通る液体インクの通路のための毛細管チャネ
ルを規定する構造体を含む。宙吊り部分は毛細管チャネ
ルに配設され、第一主表面と第一主表面反対側の第二主
表面とを規定している。第一主表面と第二主表面は何れ
も毛細管チャネル内の液体インクに接近可能である。宙
吊り部分は加熱素子を備えている。
【０００４】
【発明の実施の形態】図１は、半導体チップの主表面に
形成された加熱素子を示す、本発明によるエジェクタの
一部の平面図である。図２は、図１の線２−２における
断面正面図である。図３は、本発明の一実施例による加
熱素子の宙吊り部分の断面正面図である。図４は、本発
明の他の実施例による加熱素子の宙吊り部分を通る断面
正面図である。図５は、本発明の一実施例による完全エ
ジェクタの基本配置を示す断面正面図である。
【０００５】図１は、サーマルインクジェットプリント
ヘッドの一部を形成する半導体チップの一部の平面図で
あり、図２は、図１の線２−２における断面図である。
図１と図２に全般的に図示されているものは、サーマル
インクジェットプリントヘッドに見られるような１個の
エジェクタの各部を示す「加熱器チップ」の一部である
ことを理解されたい。図１に加熱器チップとして使用さ
れる半導体チップの主表面すなわち有効面を示すが、こ
の面では、選択的に作動可能な加熱素子セットを利用し
て、素子セットに隣接する液体インクを核状にすること
ができる。一般的に、サーマルインクジェットプリント
ヘッドでは、１インチ（２５．４ｍｍ）の直線に３００
個から６００個という大量のエジェクタが間隔をおいて
配置されている。当該技術分野で知られているように、
図１と図２に記載の加熱器チップは、一般に、しばしば
「チャネルプレート」（図示せず）として知られる他の
チップと組み合わせられる。チャネルプレートは、加熱
器プレート上のエジェクタを覆い、加熱器チップ内のエ
ジェクタ構造体に隣接する液体インクを保有するための
相補形チャネルを形成する。チャネルプレートに結合さ
れた加熱器チップの利用に関する一般原則は、上に引用
された特許に開示されており、「サイドシュータ式」イ
ンクジェットプリントヘッド設計品では普及している。
【０００６】図１と図２を参照すると、加熱器チップ１
０は、図２の１２で示されるようなシリコンの主基板を
有する半導体チップである。シリコン基板１２の上のチ
ップ１０の主表面に配置されているのは、本明細書で全
般的に「機能層(functionallayer)」１４と呼ばれてい
るものであり、以下に詳しく述べられるように、その緻
密構造はチップの特定目的に応じて異なる。しかしなが
ら、一般的には、機能層１４は二酸化シリコン、（ドー
ピングによって半導体装置を形成しうる）ポリシリコ
ン、タンタルまたはポリイミドのような保護層から成る
種々の層を備えている。
【０００７】図１と図２から明らかに分かるのは、チッ
プ１０の基板１２に空洞１６が形成されていることであ
る。周知の通り、シリコンは、ＫＯＨ（水酸化カリウム
液）、ＸｅＦ2（二ふっ化キセノンガス）、ＥＤＰ（エ
チレンジアミンパイロカテコール）ＴＭＡＨ（テトラメ
チル水酸化アンモニウム）などの溶剤を適用するといっ
た化学手段によって容易に「エッチング可能」である
が、酸化物およびアルミニウムの両方または一方のよう
な機能層１４を形成する材料が、基板１２を形成するシ
リコンをエッチングすることはありえない。シリコンの
結晶構造は、化学エッチング液がそこに適用されたとき
のようであり、異なる結晶軸に沿った相対的エッチング
速度は、図１に記載の「ルーフ」チャネルまたは交互に
凹みのある角錐状の空洞のような比較的整然とした多面
体空洞が形成されるようなものである。
【０００８】１８で示され、チップ１０の主表面と同一
表面上の「宙吊り」部は、図１と図２でも見ることがで
きる。宙吊り部１８が機能層１４の一部を表すことは明
白である。宙吊り部１８は、機能層１４に形成された任
意数の「脚」１９によって空洞１６の上一面に支持され
うる。宙吊り部１８内には、２０または２２のような任
意数の特別ドーピング領域が配設されているが、それら
は機能層１４内の少なくとも一つのポリシリコン層に形
成されることが好ましい。当該技術分野で周知のよう
に、抵抗器のような種々の半導体装置は、ポリシリコン
層の特定領域を特定の固有抵抗にドーピングすることに
よって得られる。脚１９の上一面に配置された、２４の
ような一般的にアルミニウムで作られた導体を、任意数
の２０および２２のようなドーピング領域に連結するこ
とも示されている。機能層１４のポリシリコン層内の２
０および２２のような特別ドーピング領域は、プリント
ヘッド全体の機能に応じて、例えば、熱放散特性によっ
てインクジェットエジェクタ内の液体インクを核状にす
るための加熱素子として使用されうる抵抗器として利用
可能であり、あるいは、エジェクタ内の瞬間液体インク
温度を測定するためのようなサーミスタとして利用可能
である。
【０００９】図３は、他と分離して示された、インクジ
ェットエジェクタの（事実上、機能層１４の一部であ
る）宙吊り部１８を通る断面図の例である。宙吊り部１
８の中央層は０．４μｍのポリシリコン層であり、その
特定領域は希望に応じてドーピングして抵抗器を作成す
るといった特定電気特性を得られることが分かる。ポリ
シリコン層の両側には、一般的に約０．１５μｍの層か
ら成るＳｉ3Ｎ4の絶縁層がある。最終的に、宙吊り部１
８の両側には、一般的に厚さ０．５μｍの保護タンタル
層がある。当該技術分野では、タンタルは液体インクに
よる半導体構造の腐食を防止するのに有用な保護物質で
あることが知られている。図３に示される宙吊り部１８
の主表面の両側がタンタルで被覆されているので、この
保護層は、チップ１０の他の部分に面しない方向と面す
る方向の両方向、あるいは、基板１２に面する方向と面
しない方向の両方向にあることに注意されたい。
【００１０】図３に記載の宙吊り部１８の特定実施例
は、加熱素子を形成する抵抗器のような半導体構造を作
成しうる僅か一つのポリ層を備えている。（図１の２
０、２２のような）それぞれの個別半導体構造は、この
単一ポリシリコン層内に形成されうるが、本発明の更に
高度な実施例によれば、半導体装置が作成されうる複数
の別個層を単一宙吊り部１８内に設けることが可能であ
る。図４は、二つの別個の有効層が存在する宙吊り部１
８（繰り返すが究極的に機能層１４の一部）を他と離し
て示す断面図である。酸化物の中央層の周囲では、主表
面の両側に第一ポリシリコン層（ｐｏｌｙ １）と第二
ポリシリコン層（ｐｏｌｙ ２）が配置されている。こ
れら別個のポリシリコン層は、次いで、Ｓｉ3Ｎ4のよう
な絶縁層で覆われ、最終的にタンタルのような保護層で
覆われる。当業者に明らかである通り、この構造体内に
アルミニウム製のような伝導トレースを設けることによ
って宙吊り部１８に形成された回路素子にアクセスする
こともできる。
【００１１】図４から分かる通り、ｐｏｌｙ １とｐｏ
ｌｙ ２の特定領域には、それぞれ、（例えば図１の領
域２０に対応する）２０ａまたは２０ｂのような特定ド
ーピング領域が設けられている。これらの領域２０ａ、
２０ｂが抵抗器として利用されるのであれば、これらの
抵抗器を宙吊り領域１８の両側の加熱素子として利用で
きることは明白であろう。即ち、図４から見て、抵抗器
２０ａは熱を上方向に放散するが、２０ｂの抵抗器は熱
を主として下向きに放散する。あるいは、加熱素子とし
て機能するように２０ａに抵抗器を形成する一方、２０
ｂが加熱素子２０ａの挙動を監視するサーミスタとして
機能することも可能である。
【００１２】多くの実用上の利益は、半導体構造が形成
されうる複数の別個ポリシリコン層を有する宙吊り部１
８を利用することによって実現される。例えば、２種類
の異なるサイズの小滴を放出できるインクジェットエジ
ェクタが所望の場合、サーミスタ２０ａ、２０ｂの両方
が作動することにより比較的大きなバブルの核生成を生
じる可能性があるが（核生成は宙吊り部１８の両側に生
じているので）、２０ａまたは２０ｂのような一方だけ
の加熱素子の作動する場合は両方を作動した場合より小
さなバブルが核生成されることになり、エジェクタから
噴射される液体インクも少なくなる。あるいは、二加熱
素子システムでは、２０ｂのような一方の加熱素子が、
２０ａの加熱素子が故障した場合の予備品として機能す
るので、このように、或る特定エジェクタの一方の特定
加熱素子が故障しても、プリントヘッドの完全故障には
至らない。
【００１３】図５は、相補形チャネルプレート３０と組
み合わせられて、それと一緒に空洞すなわち毛細管チャ
ネル３２を単一サーマルインクジェットエジェクタに形
成する宙吊り部１８を備えた半導体チップ１０の断面図
である。それにより、宙吊り部１８の両側が、各エジェ
クタのチップ１０とチャネルプレート３０の間の毛細管
チャネルに形成された液体インクに当たることに注意さ
れたい。宙吊り部１８内に加熱素子が「宙吊りしている
こと」により、多くの実用上の利益が提供される。宙吊
り部１８は、主として、その両側から熱を放散できるの
で、全体としての加熱素子の総合伝熱効率は、１０のよ
うな加熱器チップの主表面に加熱素子が単純に配設され
ている一般的設計品と比較して、事実上、ほぼ２倍であ
る。また、加熱素子の２つの主表面が液体インクに接近
できるので、加熱器チップの空洞１６によって規定され
るエリアを含むエジェクタの全体サイズは、加熱素子の
一方の表面に単に配設されているだけの同等な加熱素子
よりも小さくでき、これにより同量の加熱素子総表面積
を提供しつつ、更に小型で流体工学的に効率的なチップ
デザインが促進される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 半導体チップの主表面に形成された加熱素子
を示す、本発明によるエジェクタの一部の平面図であ
る。
【図２】 図１の線２−２における断面正面図である。
【図３】 本発明の一実施例による加熱素子の宙吊り部
分の断面正面図である。
【図４】 本発明の他の実施例による加熱素子の宙吊り
部分を通る断面正面図である。
【図５】 本発明の一実施例による完全エジェクタの基
本配置を示す断面正面図である。
【符号の説明】
１０ 加熱器チップ、１２ シリコン基板、１４ 機能
層、１６ 空洞、１８宙吊り部、１９ 脚、２０ ドー
ピング領域、２０ａ，２０ｂ 抵抗器、２２ドーピング
領域、２４ 導体、３０ 相補形チャネルプレート、３
２ 毛細管チャネル

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも１個のエジェクタを備えたサ
    ーマルインクジェットプリントヘッドであって、前記エ
    ジェクタは、 それを通る液体インク通路のための毛細管チャネルを規
    定する構造体と、 毛細管チャネルに配設され、第一主表面と第一主表面反
    対側の第二主表面とを規定する宙吊り部とを備え、 第一主表面と第二主表面はいずれも毛細管チャネル内の
    液体インクに接近可能であり、宙吊り部は内部に加熱素
    子を含むことを特徴とする、前記サーマルインクジェッ
    トプリントヘッド。
  2. 【請求項２】 宙吊り部は、更に第二加熱素子を備えて
    いる、請求項１に記載のサーマルインクジェットプリン
    トヘッド。
  3. 【請求項３】 宙吊り部は半導体チップの機能層の一部
    に配設され、半導体チップは宙吊り部を規定する機能層
    部の下に空洞を規定する、請求項１に記載のサーマルイ
    ンクジェットプリントヘッド。
JP9040997A 1996-03-04 1997-02-25 サーマルインクジェットプリントヘッド Withdrawn JPH09239980A (ja)

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