JPH1034926A - 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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JPH1034926A
JPH1034926A JP9088975A JP8897597A JPH1034926A JP H1034926 A JPH1034926 A JP H1034926A JP 9088975 A JP9088975 A JP 9088975A JP 8897597 A JP8897597 A JP 8897597A JP H1034926 A JPH1034926 A JP H1034926A
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JP
Japan
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heating element
chip
cavity
printhead
ejector
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JP9088975A
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English (en)
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J Burke Kathy
ジェイ．バーク キャシー
Enrique Vitullo R
ヴィテュッロ アール．エンリケ
R Andrews John
アール．アンドリューズ ジョン
V Deshupande Narayan
ブイ．デシュパンデ ナラヤン
D O'brien Shaun
ディー．オブライエン ショーン
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Xerox Corp
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Xerox Corp
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    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
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    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
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    • B41J2/14112—Resistive element
    • B41J2/14129—Layer structure
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    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14016—Structure of bubble jet print heads
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
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    • B41J2202/01—Embodiments of or processes related to ink-jet heads
    • B41J2202/03—Specific materials used

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 サーマルインクジェットプリンタ用のプリン
トヘッドを提供する。 【解決手段】 このプリントヘッドは少なくとも１つの
エジェクタを含み、エジェクタは、液体インクを通す毛
管チャネルを画定する構造体と、主表面を画定するヒー
タチップ１０とを含む。加熱素子１４が主表面の一部分
に配置されており、加熱素子１４は毛管チャネル内で露
出されている。加熱素子１４の一部分とヒータチップ１
０の主表面の領域との間にはキャビティ３０が画定され
ている。このキャビティ３０のために、加熱素子１４に
よって消散した熱がチップ１０のバルクに伝わりにくく
なり、熱伝達によって生じうるプリントヘッドの性能問
題を軽減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、断熱の目的で、囲
いこまれたキャビティ（空洞）の上に各エジェクタの加
熱素子がサスペンドされる（位置される）サーマルイン
クジェットプリンタ用の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リントにおいて、インクの液滴はプ
リントヘッド内の複数の液滴エジェクタから選択的に射
出される。エジェクタはデジタル命令に従って作動さ
れ、プリントヘッドを通過するように移動するプリント
シートの上に所望の画像を生成する。プリントヘッドは
タイプライターのようにシートに対して往復運動しても
よく、又は直線アレイがシートの全幅を横切って延び、
単一パスでシート上に画像を配置するようなサイズでも
よい。
【０００３】エジェクタは、１つ又はそれより多くの共
通インク供給マニホールドに結合した毛管チャネル又は
他のインク通路を通常含む。インクは各チャネル内に保
持され、チャネル内のインクは適切なデジタル信号に応
答してチャネル内の表面に配置される加熱素子によって
急速に加熱される。チャネル付近のインクのこの急速な
蒸気化によってバブルが生じ、これによって一定量の液
体インクがチャネルに結合した開口を介してプリントシ
ートに射出される。バブルを生じる急速な蒸気化のプロ
セスは、一般に「バブル発生（nucleation) 」として既
知である。
【０００４】現在一般的であるインクジェットプリント
ヘッドのデザインでは、加熱素子は抵抗器としてシリコ
ンチップの表面に形成されている。チップの主表面上の
加熱素子のこの配置はプリントヘッドを製造する立場で
は有益であるが、加熱素子を表面上に配置することは、
高速か又は長いプリントランでプリントをするなど、プ
リントヘッドが過度に使用される場合に実際的な障害を
示すことがわかっている。要するに、プリントヘッド内
の加熱素子によって消散される熱は、液体インクをプリ
ントヘッドの外に射出させるために部分的にしか機能し
ない。プリントヘッド内の加熱素子によって生じる全て
の熱のうちの約半分は液体インクに直接拡散せずに半導
体チップ内に吸収され、一般にチップの加熱が生じる。
これはエネルギーの単なる浪費を表し、これは全ページ
幅デザインに使用されるような非常に大きなプリントヘ
ッドにおいて特に重大である。また、プリントヘッドを
常に加熱することによってプリントヘッドの寿命がひど
く短くなる可能性がある。
【０００５】更に、長いプリントランにおいてプリント
ヘッドが徐々に暖かくなると、望ましくないことにプリ
ントヘッドに入るインクを予め加熱してしまう。公知の
ように、プリントヘッドから射出されるインク液滴の正
確なサイズは液体インクの初めの温度に密接に関連して
いる。液体インクがプリントヘッドから射出される前に
予想されるものよりも液体インクが一様に暖かい場合、
得られるインクの液滴は予想されるものよりも大きくな
り、プリントシート上により大きなインクスポットが生
じ、プリント品質に対して明らかに悪影響を及ぼす。液
体インクの初めの温度をモニターし補償する種々のシス
テムが当該技術において公知であるが、プリントヘッド
の長期間の使用において熱が蓄積される傾向がより少な
いシステムを有することが好ましい。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の態様に従
って、少なくとも１つのエジェクタ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。エジェクタ
は、液体インクを通す毛管チャネルを画定する構造体
と、主表面を画定するヒータチップとを含む。加熱素子
が主表面の一部分に配置されており、加熱素子は毛管チ
ャネル内で露出されている。加熱素子の一部分とヒータ
チップの主表面の領域との間にはキャビティが画定され
ている。
【０００７】本発明の第２の態様は、第１の態様におい
て、前記キャビティが前記毛管チャネルに対して囲いこ
まれている（流体的に連通していない）。
【０００８】本発明の第３の態様は、第１の態様におい
て、前記加熱素子がポリシリコンを含み、前記加熱素子
のポリシリコンの表面が前記キャビティに直接露出され
ている。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１は、本発明を組み込むサーマ
ルインクジェットプリントヘッド用のエジェクタの部分
を示す非常に簡略化された斜視図である。１つのエジェ
クタしか示されていないが、実際のサーマルインクジェ
ットプリントヘッドは１００個又はそれより多くのこの
ようなエジェクタを含み、通常は１インチあたり互いに
離間された３００〜６００個のエジェクタを含むことが
理解される。図１に示されているのは「サイドシュータ
ー（side shooter）」プリントヘッドとして知られるプ
リントヘッドの一般的な構造であり、ここでエジェクタ
を形成するチャネルは互いに接合される２つのチップの
間に形成される。このプリントヘッドはヒータチップ１
０を含み、ヒータチップ１０はその主表面において１２
として仮想線で示される「チャネルチップ」に接合され
ている。ヒータチップ１０は通常当該技術において公知
のような半導体チップデザインであり、その主表面上に
１４で示されるようなあらゆる数の加熱素子を画定す
る。通常は、プリントヘッド内の各エジェクタ毎に１つ
の加熱素子１４が設けられている。ヒータチップ１０の
主表面上の各加熱素子１４に隣接しているのはチャネル
１６であり、これはチャネルチップ１２の溝によって形
成される。チャネルチップ１２は、当該技術において公
知であるあらゆる数のセラミック材料、プラスチック材
料又は金属材料から製造されることが可能である。チッ
プ１０がチャネルチップ１２に対して当接されると、各
チャネル１６はヒータチップ１０の隣接面と共に完全な
チャネルを形成し、１つの加熱素子１４は図１に示され
るように形成されるチャネルの内側に加熱面を配置す
る。
【００１０】図１は実際のサーマルインクジェットプリ
ントヘッドを非常に簡略化した型を示しており、あらゆ
る数のインク供給マニホールド、中間層、ピット層など
が実際のプリントヘッドに設けられる。しかし、図１に
示されるものは本発明を実施するために必要である不可
欠なエレメントであり、完全に実用的なプリントヘッド
にするためにエレメントを更に追加することは本発明の
請求の範囲から逸脱しない。
【００１１】動作としては、インク供給マニホールド
（図示せず）は液体インクを提供し、チャネル１６から
プリントシートにインクを射出する時間になるまで液体
インクは毛管チャネル１６を充填する。チャネル１６か
らインクの液滴を射出するために、ヒータチップ１０の
加熱素子１４に小さな電圧が印加される。インクジェッ
トプリントヘッドの技術では公知であるように、加熱素
子１４は通常、所定の抵抗率にドープされる半導体チッ
プの一部分である。加熱素子１４は本質的には抵抗器で
あるため、加熱素子１４はその加熱表面（加熱表面は、
チャネル１６内に配置される加熱素子１４の表面として
定義される）を介する熱の形態で電力を消散し、従って
加熱表面のすぐ近くで液体インクを蒸気化させる。この
蒸気化によってチャネル内にインク蒸気のバブルが生
じ、このバブルの拡張によって液体インクはチャネル１
６からプリントシートに射出され、プリントされるべき
所望の画像におけるスポットを形成する。図１において
示されるように、射出されたインクの液滴が図１の斜視
図に従ったページから射出されるように、インク供給マ
ニホールドはプリントヘッドの後ろに配置される。
【００１２】図２及び図３は、特に１４で示される加熱
素子のデザインに関する本発明の１つの特定の実施の形
態の平面図及び断面正面図である。まず、インクジェッ
トエジェクタの個々の加熱素子１４の１つを分離して示
す図２の平面図を参照すると、特定の抵抗率にドープさ
れ熱消散抵抗器として動作するポリシリコンの領域であ
る加熱素子１４はヒータチップ１０の主表面上に配置さ
れ、当該技術において一般的であるように、ヒータチッ
プ１０のバルクはシリコンを含む。加熱素子１４には、
アルミニウムなどの導電性材料からなるリード２０が結
合しており、（液体インクのバブルを発生するなど）加
熱素子１４を駆動するデジタル信号はこのリード２０を
介して送ることができる。通常、プリントヘッド内の各
加熱素子１４は２２で示される共通接地ラインにも結合
しており、これは加熱素子を駆動する回路を完成させ
る。
【００１３】本発明の１つの実施の形態に従って、２つ
のキャビティが加熱素子１４の長さ（加熱素子１４の一
般的な長さは約１００〜２００μｍである）に沿って加
熱素子１４の両側に配置され、これらの各々は３０で示
される。図３の断面正面図において明確に示されるよう
に、これらのキャビティ３０はヒータチップ１０のバル
クの中に延びている。有意なことに、各キャビティ３０
は、加熱素子１４を含むヒータチップの主表面の部分の
下に延びる部分を含む。即ち、加熱素子１４は各キャビ
ティ３０によってある程度「アンダーカット」されてい
る。
【００１４】図３において、加熱素子１４は本質的に、
２つのキャビティ３０によって形成されると共に４０で
示される「ピラー（柱）」の上に配置されていることが
理解できる。加熱素子１４はピラー４０上に配置されて
いるため、加熱素子１４のすぐ近くのチップ１０の物質
の熱量は少なくなり、これによって（図３において「下
方向に」広がる）加熱素子１４からの余剰熱を伝えるこ
とが可能な構造がより少なくなる。このようにして、長
期の性能問題を生じるチップ１０のバルクの中に消散さ
れる余剰熱の量は減少される。
【００１５】図３において、各キャビティ３０は共通し
て「逆さにしたきのこ」形を有することに注意する。即
ち、図３において３０ａで示される各キャビティ３０の
頂部部分に関しては、キャビティは一定の距離でチップ
１０の中に比較的狭い溝を形成しているが、部分３０ｂ
で示されるように、各キャビティは、一定の点を越える
と加熱素子１４の真下のチップの主表面の領域をアンダ
ーカットするようにして広がる。このアンダーカットの
目的は、加熱素子１４を支持する部分の熱量が最小にさ
れるように構造一体性の制約内でピラー４０のサイズを
最小にすることである。
【００１６】各キャビティ３０の２つの別個の部分３０
ａ及び３０ｂは、チップ１０のバルクなどのシリコン構
造にキャビティをエッチングする一般的な個々の技術の
組み合わせによって得られる。一般に、３０ａのような
狭い溝を得るには、Ｃｌ2 などによる異方性反応イオン
エッチングが使用される。初めの溝３０ａが所望の深さ
まで得られると、ＳＦ6 及びＯ2 の組み合わせなどを使
用して異方性エッチングによるエッチングプロセスを続
けることにより、アンダーカット３０ｂが得られる。キ
ャビティ３０ａ及び３０ｂなどの構造をシリコンにおい
て再び形成することが可能な方法の詳細は、例えばジャ
ン（Zhang)及びマクドナルド（McDonald）の "A RIE Pr
ocess for Submicron Silicon Electromechanical Stru
ctures"、Journal of Micromechanical Microengineeri
ng 、vol. 2、p. 31 (1992)においてみられる。
【００１７】各個々のエッチングの構造の他の詳細は、
図３において明白である。１つの製造技術に従って、キ
ャビティ３０のエッチングの前に、チップ１０の主表面
上に４２で示されるようなＳｉＯ2 の層が提供されてお
り、これをエッチストップ層として使用してキャビティ
３０のエッチング領域を制御することができる。エッチ
ストップ層４２は、キャビティ３０の溝３０ａが各加熱
素子１４の領域付近に配置されることが望ましいチップ
の領域においては明確ではない。
【００１８】前述のように、各加熱素子１４はＳｉＯ2
層４２の上に配置されるポリシリコン層において形成さ
れている。各加熱素子１４を形成するこのポリシリコン
層は、所望の抵抗率にドープされている。更に、本発明
の好適な実施の形態によると表面処理層４４が配置され
ており、これは液体インクの腐食の影響からポリシリコ
ンを守るように機能する。この表面処理層はタンタル層
を通常含み、これは窒化ケイ素によって加熱素子１４の
ポリシリコンから電気的に絶縁されている。
【００１９】更に、好適な実施の形態によると、各加熱
素子１４の周りにポリイミドの層を設けることができ
る。厚いポリイミドの層（図示せず）は、キャビティ３
０を充填するために使用されることが可能である。ポリ
イミドは望ましい絶縁特性を有するため、この層は、ピ
ラー４０によって提供される熱量の減少に加えてある程
度の断熱及び物理的支持を加えることができる。更に、
仮想線で４６で示されるような追加のポリイミド層は、
加熱素子１４の頂部表面の周り（即ち、表面処理層４４
の周り）に望ましいピット構造を生じるために使用する
ことができる。各加熱素子１４にわたってピットを生じ
ることにより液体インクのバブル発生を向上させること
は公知である。
【００２０】図４は、本発明の別の実施の形態に従った
加熱素子１４の断面正面図である。この実施の形態で
は、ポリシリコンによって形成される加熱素子１４の下
にキャビティ５０が配置されており、ポリシリコン１４
のバルクがヒータチップ１０の主表面から分離されるよ
うにキャビティ５０はポリシリコン１４よりも寸法がひ
とまわりだけわずかに小さい。本発明の好適な実施の形
態によると、図４に示されるような加熱素子１４の水平
方向の寸法が５０〜２００μｍである場合、図４におい
て１４ａ及び１４ｂで示されると共に加熱素子１４の構
造の一部を形成する支持部は幅が約５μｍであり、これ
によって殆ど全ての加熱素子１４がチップ１０の主表面
の上にサスペンドされる。キャビティ５０には空気を充
填してもよいし又は真空にしてもよい。いずれの場合で
も、加熱素子１４から消散した熱とチップ１０のバルク
との間にはかなりの程度の断熱が存在する。
【００２１】この実施の形態における加熱素子１４の実
用性に貢献する他の構造も、図４に示されている。ヒー
タチップ１０のバルクはシリコンであり、これにはＳｉ
Ｏ2の上層５２が設けられており、これは窒化ケイ素か
らなる結合層５４を更に含む。加熱素子１４の両側に沿
って示されているのは燐ケイ酸塩ガラスからなる絶縁部
分５６であり、これらの絶縁部分は電気リード（図示せ
ず）と組み合わせて使用され、加熱素子はこの電気リー
ドを介して駆動される。最後に、表面処理層５８が構造
全体の上に配置されており、これは前述の実施の形態の
ようにタンタルを通常含み、窒化ケイ素によって加熱素
子１４の表面に結合されている。この表面処理層は、種
々の液体インクの腐食の影響から加熱素子１４のポリシ
リコンを保護している。これらの追加の層の全体的な目
的は、毛管チャネル１６に対してキャビティ５０を囲い
こむことであり、即ち液体インクがキャビティ５０に決
して入らないように意図されている。
【００２２】図４に示される種々の層の他に、例えばチ
ップ１０の頂部表面を平らにして、更に／あるいは加熱
素子の周縁の周りに所望の「ピット」を生じるようにあ
らゆる数の更なる層を設けることも可能である。また、
キャビティ５０を真空のままにしたり又は単に空気で充
填したりせずに、ポリイミドなどの絶縁物質でキャビテ
ィ５０を充填することが望ましい。
【００２３】本発明の好適な実施の形態によると、図４
に示される加熱素子１４はエジェクタの毛管チャネル内
で液体インクのバブルを生じる加熱素子としてのみ示さ
れていることに注意すべきである。特定のタイプのイン
クジェットエジェクタにおいて使用される圧電ポンプの
例が従来技術において存在し、ここでキャビティの上に
サスペンドされるダイヤフラムが隣接する液体インクを
物理的にポンピングするために使用される。本発明はポ
ンプとして機能することを意図しているのではなく、む
しろ熱消散のみによって液体インクのバブルを生じてい
る。
【００２４】本発明に従った好適な技術によると、「犠
牲」層の使用によって加熱素子１４の下のキャビティ５
０を生じることができる。犠牲層はヒータチップ１０の
製造のある点においてチップ１０の主表面の上に配置さ
れるが、完成したチップが形成される前に取り除かれ
る。要するに、最終的な製品においてキャビティ５０の
意図される場所に対応するチップ１０の主表面の領域に
燐ケイ酸塩ガラスなどの化学的に除去可能な物質からな
る犠牲層を公知の技術で付着することにより、このよう
な犠牲層を形成することができる。次に続く層、特に各
加熱素子１４を形成するポリシリコンの層を犠牲層の上
に配置し、次に犠牲層が除去されると所望のキャビティ
が残る。
【００２５】最後に、図４を参照すると、本発明の典型
的な実施の形態において、層５４の頂部から加熱素子１
４の底部までのキャビティ５０の典型的な厚さは約０．
５μｍである。加熱素子１４のサスペンドされた部分の
主な厚さは約０．４μｍであり、表面処理層５８は通常
０．５〜０．６μｍの厚さである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明での使用に好適なサーマルインクジェッ
トプリントヘッドの単一エジェクタにおけるヒータチッ
プ及びチャネルチップの基本エレメントを示す概略斜視
図である。
【図２】本発明の１つの実施の形態による単一エジェク
タ構造体の平面図である。
【図３】図２の単一エジェクタの図２におけるライン３
−３を介した断面正面図である。
【図４】本発明の別の実施の形態によるエジェクタ内の
単一加熱素子を介した断面正面図である。
【符号の説明】
１０ ヒータチップ １２ チャネルチップ １４ 加熱素子 １６ チャネル ３０、５０ キャビティ
フロントページの続き (72)発明者 アール．エンリケ ヴィテュッロ アメリカ合衆国 14618 ニューヨーク州 ロチェスター コハセット ドライブ 30 (72)発明者 ジョン アール．アンドリューズ アメリカ合衆国 14550 ニューヨーク州 フェアポート ビタースウィート ロー ド 28 (72)発明者 ナラヤン ブイ．デシュパンデ アメリカ合衆国 14526 ニューヨーク州 ペンフィールド ハイレッジ ドライブ 101 (72)発明者 ショーン ディー．オブライエン アメリカ合衆国 14564 ニューヨーク州 ビクター ターク ヒル ロード 2455

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも１つのエジェクタを含むサー
    マルインクジェットプリントヘッドであって、前記エジ
    ェクタが、 液体インクを通す毛管チャネルを画定する構造体を含
    み、 主表面を画定するヒータチップ及び前記主表面の一部分
    に配置される加熱素子を含み、前記加熱素子の表面は前
    記毛管チャネル内で露出されており、 前記加熱素子の一部分と前記ヒータチップの前記主表面
    の領域との間に画定されるキャビティを含む、 サーマルインクジェットプリントヘッド。
  2. 【請求項２】 前記キャビティが前記毛管チャネルに対
    して囲いこまれている、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】 前記加熱素子がポリシリコンを含み、前
    記加熱素子のポリシリコンの表面が前記キャビティに直
    接露出されている、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。
JP9088975A 1996-04-16 1997-04-08 サーマルインクジェットプリントヘッド Pending JPH1034926A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/632,983 US5751315A (en) 1996-04-16 1996-04-16 Thermal ink-jet printhead with a thermally isolated heating element in each ejector
US632983 1996-04-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH1034926A true JPH1034926A (ja) 1998-02-10

Family

ID=24537810

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP9088975A Pending JPH1034926A (ja) 1996-04-16 1997-04-08 サーマルインクジェットプリントヘッド

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