JPH11245419A - パタ―ニング可能なインクチャネル構造を有するインクジェット・プリントヘッド及びその製造方法 - Google Patents
パタ―ニング可能なインクチャネル構造を有するインクジェット・プリントヘッド及びその製造方法Info
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Abstract
る位置合わせを簡単にし、製造効率を改善する。 【解決手段】 発熱体34の各々に電気パルスを選択的
に印加するためのコンタクト31を含み、選択的に印加
されるパルスの各々がプリントヘッド10からインク小
滴を放出させるリード33を有するヒータープレート2
8と、発熱体34及びコンタクト31を露出させて、ヒ
ータープレート28の表面及びその上の相互配線リード
33を覆う不動態化層16と、不動態化層16の上に被
着されて、コンタクト31を露出させかつリザーバ溝及
び複数の平行なチャンネル溝を内部に形成するようパタ
ーニングされたパターニング可能な層24と、開口23
を有し、パターニング可能な層24に接着されてインク
チャンネル20及びリザーバ39を形成し、チャンネル
溝の開端部からノズル13を形成するカバープレート2
2を具備する。
Description
刷装置に関し、より詳しくは、パターニング可能なイン
ク流指向チャンネル構造を有するサーマル・インクジェ
ット・プリントヘッドに関する。
・プリントヘッドにおいては、プリントヘッドは2つの
部分、すなわちヒータープレートとチャンネルプレート
で構成されている。これらのプレートには両方とも互い
に接着した時インク小滴放出に望ましい形状を生じるよ
うに、何らかの幾何学的特徴が組み込まれている。例え
ば、米国特許第4,774,530号には、上下のシリ
コン基板を合わせ、間に厚膜絶縁層を挟んで互いに接着
したプリントヘッド開示されてる。その上部基板、すな
わちチャンネルプレートの片面には複数の平行溝と凹部
がエッチングにより形成されている。これらの溝及び凹
部は、下部基板すなわちヒータープレートと合わさる
と、それぞれプリントヘッドのインクチャンネル及びイ
ンクリザーバを形成する。溝は一端部が開いており、他
端部は閉じている。インクチャンネルの開端部はプリン
トヘッドノズルの役割を有する。インクチャンネルの閉
端部はインクリザーバに非常に近接し、厚膜層にパター
ニングで形成された凹部によってインクリザーバと流体
連通関係にある。各インクチャンネルは、毛細管作用に
よってリザーバからのインクで満たされ、ノズルの上流
側に配置された発熱体を有する。各発熱体は、インク中
に瞬時性の蒸気泡を生じさせるデータ信号を表す電気パ
ルスによって選択的に駆動されて、プリントヘッドノズ
ルからインク小滴を放出させ、記録媒体に向けて推進す
る。また、厚膜層は、発熱体を露出させることによって
それらの発熱体をピットに入れ、蒸気泡をよりよく封じ
込めて空気の吸い込みを防ぐようパターニングされる。
点がある。例えば、非直線状の溝の方がより大きい設計
上の柔軟性が得られ、また非三角形状のノズルの方がイ
ンク小滴の方向性が良くなる場合に、シリコンのチャン
ネルプレートは異方性をもってあるいは配向依存性下に
エッチングされて、直線状の三角形状溝を形成する。さ
らに、エッチングされたシリコンのチャンネルプレート
を用いるということは、2つのプレートを別々に製作
し、2つの間にそれらのプレートを合わせるときに非常
に正確な位置合わせが必要になるということを意味す
る。シリコンは不透明であるから、接着剤がチャンネル
を隔て、内部のインク漏れを妨ぐのに必要な全ての表面
部分に塗布されているかどうかを確認することは困難で
ある。
ズルフェースに周囲全体を高分子材料によって取り囲ま
れた共面配列ノズルのアレイを有するサーマル・インク
ジェット・プリントヘッドが開示されている。同特許に
おいては、発熱体が第1の層中のピットに設けられ、イ
ンクチャンネルとリザーバの凹部がその上に重なる第2
の層中に設けられるようにして、ヒータープレート上に
例えばヴァクレール(Vacrel(登録商標))のよ
うな高分子材料の層を順次2層被着し、パターニングす
ることによってインクチャンネル、ノズル及びインクリ
ザーバが形成される。カバープレートは同じ高分子材料
の第3の層を有し、カバープレートと第3の層を両方共
貫通してインク入口として機能する穴が設けられる。第
3の層を有するこのカバープレートは、カバープレート
の穴と第2の層中のリザーバの凹部とを位置合わせして
第2の層と位置合わせされ、接着されてプリントヘッド
が得られる。
板とオリフィスプレートとの間に位置する障壁を利用し
たドロップレット・オン・デマンド型インクジェットプ
リンタあるいはペン用のプリントヘッドあるいはペンヘ
ッドが開示されている。インクはプリントヘッドの障壁
中に区画形成されたインクチャンネルを通って流れる。
障壁は、2層の硬化し、光画像形成されたレジスト材で
形成される。その1層はソルダマスク材層であり、他の
1層はフォトリソグラフィ用レジスト材層である。これ
ら2つの層は、共にインクによる化学的侵食作用に対す
る耐性を持ち、プリントヘッドからのオリフィスプレー
トの離落を防ぐ。
体インク用の毛細管チャンネルを正方形あるいは長方形
断面で形成することが可能なインクジェット製造技術が
開示されている。この特許の発明では、所望のインクチ
ャンネルにより形成される空所の形にパターニングされ
たサクリファイス層がシリコンチップの主面上に被せら
れる。次に、永久材料よりなる永久層がサクリファイス
層上塗布され、これら2つの層を研磨してサクリファイ
ス層の表面のを露出させた一様な層を形成した後、サク
リファイス層を除去して開いたインクチャンネルが形成
される。このようにパターニングされた永久材料にカバ
ープレートを接着すると、閉じたインクチャンネルが形
成され、プリントヘッドが得られる。望ましいサクリフ
ァイス層材料としてはポリイミド樹脂があり、望ましい
永久層材料としてはポリアリーレンエーテルケトン樹脂
が用いられる。
な位置合わせが直線状のインクチャンネルや別途のチャ
ンネルプレートの必要なしにヒータープレート上で行わ
れるようにした、ヒータープレート上に直接形成される
パターニング可能なインクチャンネル構造を有するイン
クジェット・プリントヘッドを提供することにある。
して、パターニング可能なインクチャンネル構造を有す
るインクジェット・プリントヘッドにおいて:片面上に
発熱体のアレイと、駆動回路手段と、該発熱体の各々に
電気パルスを選択的に印加するためのコンタクトを含
み、選択的に印加される該パルスの各々がプリントヘッ
ドからインク小滴を放出させる相互配線リードとを有す
るヒータープレートと;上記発熱体及びコンタクトを露
出させて、上記ヒータープレートの表面及びその上の駆
動回路手段及び相互配線リードを覆う不動態化層と;上
記不動態化層の上に被着されて、上記コンタクトを露出
させかつ両端部を有する複数の平行なチャンネル溝を内
部に形成するようパターニングされたパターニング可能
な層で、該各チャンネル溝がその中に発熱体を露出させ
て収容し、該チャンネル溝の一端部が開かれており、他
端部が各々インクリザーバ凹部に接続されているパター
ニング可能な層と;開口を有し、上記パターニング可能
な層に接着されて上記チャンネル溝からインクチャンネ
ルを形成し、上記リザーバ凹部から共通のインクリザー
バを形成し、上記チャンネル溝の開端部からノズルを形
成するカバープレートで、該カバープレートの該開口が
上記共通のインクリザーバと位置合わせされてプリント
ヘッドのインク入口を形成するカバープレートと;を具
備したものである。以下、本発明を添付図面を参照しつ
つ実施形態に基づきさらに詳細に説明する。
プリントヘッド10の概略斜視図で、プリントヘッド1
0がヒートシンク26に取り付けられていて、プリント
ヘッドとその中の小滴放出ノズル27のアレイの前面2
9が見える方向で描かれている。また、図2には、1本
のインクチャンネル20を通る図1の線2−2で切断し
矢印方向に見た横断面図が示されており、シリコンのヒ
ータープレート28は、発熱体34、破線によって表し
た駆動回路手段32、及び発熱体と駆動回路手段を相互
に接続すると共に、ワイヤボンド25によってプリント
回路基板30に接続されたコンタクト31を持つリード
33を有する。プリント回路基板は、ノズルからインク
小滴を放出させるよう選択的に電流パルスを発熱体に印
加するために、プリンタのコントローラまたはマイクロ
プロセッサ(いずれも図示省略)に接続されている。駆
動回路手段としては、1つの適切な回路が米国特許第
4,947,192号に記載されている。一般に、発熱
体、駆動回路手段及びリードを形成しようとするヒータ
ープレートの表面には、アンダグレーズ層14が形成さ
れた後、発熱体及びコンタクトを露出させるようにパタ
ーニングされた不動態化層16が形成される。
な材料が被着されてパターニング可能な層24を形成
し、この層24は反応イオンエッチング(RIE)やフ
ォトリソグラフィ法を含め、例えば湿式エッチングまた
はドライエッチングのような適切な手段によってパター
ニングされて、その中にインクリザーバ部39及びイン
クチャンネル20が形成される。インクチャンネルはノ
ズル27として作用する開端部、及びリザーバ部39と
接続される端部21を有する。また、パターニング可能
な層はリードのコンタクト31を露出させるようにパタ
ーニングされる。図示の実施形態においては、パターニ
ング可能な材料はフォトリソグラフィ法によってパター
ニングされる感光性高分子材料であり、以下、本発明は
感光性ポリマー層24を用いるものとして説明する。パ
ターニング後硬化したポリマー層24の表面がでこぼこ
している場合は、その表面を例えば米国特許第5,66
5,249号に開示されているような適切なプロセスに
よって研磨する。このような研磨プロセスを行うことに
よって、カバープレートのために滑らかで平坦な表面が
得られる。カバープレート22の材料は、ガラス、石
英、プラスチック、シリコン、金属、重合体、あるいは
セラミック材料のようなインク侵されない任意の材料と
することができる。カバープレート22は、貫通状の開
口23を有し、適切な接着剤18でパターニングされた
フォトポリマー層24の表面に接着される(図6参
照)。カバープレート開口23は、フォトポリマー層2
4のリザーバ部39と合わせた時、インクチャンネルの
インク補給が妨げられず、かつプリントヘッドにとって
適切なインク供給リザーバが得られるような適切な寸法
を有する。インクリザーバからインクチャンネル20へ
の流路は矢印19で示されている。プリントヘッドの前
部29には、任意構成要素として破線で示すノズルプレ
ート12が接着されており、内部にあるノズル13はフ
ォトポリマー層24中のインクチャンネル20の開端部
27と位置合わせされている。
774,530号、及び第4,947,192号に開示
されているように、本発明のヒータープレートはシリコ
ンウェーハ(図示省略)上にバッチプロセスで作り込ま
れ、後で1つのプリントヘッド10として個々のヒータ
ープレート28に切り離される。これら特許に開示され
ているように、発熱体34、駆動回路手段32及びリー
ド33は、厚さ約1〜5μmの二酸化ケイ素のようなア
ンダグレーズ層14が最初に被覆された(100)シリ
コンウェーハの研磨面上に複数組がパターニングで形成
される。発熱体は、ホウ化ジルコニウムのような周知の
任意の抵抗材料で形成することができるが、好ましくは
米国特許第4,947,193号に開示されているよう
に、ドーピングした多結晶シリコンを例えば化学気相蒸
着(CVD)法によって蒸着して形成し、アドレス指定
回路手段と共に同時にモノリシック状に作り込む。その
後、ウェーハは洗浄され、再酸化されて、アドレス指定
回路手段を含めてウェーハ上に二酸化ケイ素層(図示省
略)が形成される。次に、その熱成長二酸化ケイ素層上
にリンドープ・ガラス層あるいはホウ素・リンドープ・
ガラス層(図示省略)を被着し、高温でリフローして表
面を平坦化する。周知のようにして、フォトレジストを
塗布し、パターニングすることによって発熱体と駆動回
路手段との電気的接続用のバイアが形成され、アルミニ
ウムのメタライゼーション層を塗被してリードが形成さ
れると共に、プリンタコントローラに接続されたプリン
ト回路基板にワイヤボンディングするためのコンタクト
が形成される。また、例えば、ポリイミド、ポリアリー
レンエーテルケトン、ポリベンゾオキサゾール、または
ビスベンゾシクロブテン(BOB)のような適切な任意
の電気絶縁性不動態化層16をリード上に約0.5乃至
20μmの厚さに被着し、発熱体及びコンタクトの部分
からは除去する。
4,774,530号に開示されているように、任意構
成要素として例えばポリイミドまたはBCBのピット層
36を被着し、パターニングして、発熱体用のピット3
8を形成することもできる。この任意構成要素のピット
層36は、フォトポリマー層24の被着前に被着され、
パターニングされる。しかしながら、400スポット/
インチ(spi)以上で印刷するための間隔でノズルが
配置された高解像度プリントヘッドの場合、このサイズ
のノズル及びチャンネルからインク小滴を放出させるた
めに発生する蒸気泡は空気を吸い込まない性質があるの
で、発熱体ピットは必要ではないことが明らかになって
いる。
場合は、ウェーハは米国特許第5,665,249号に
開示されているような当業界で周知の技術によって研磨
される。次に、チャンネル構造24を設けるためのフォ
トパターニング可能なポリマー層が被着される。米国特
許第5,738,799号に開示されているように、こ
れに適するチャンネル構造材料は、インク耐性があり、
温度安定性を持ち、比較的堅剛で、しかも容易にダイシ
ング可能なものでなければならない。チャンネル構造用
として最も汎用性がある材料はポリイミド樹脂あるいは
ポリアリーレンエーテルケトン(PAEK)樹脂であ
る。この実施形態においては、COG7520TMポリ
イミド樹脂が用いられ、ポリイミド樹脂は硬化時に約3
0乃至50%収縮するので、発熱体ウェーハ上にポリイ
ミド樹脂層を被着する際にはこのことを考慮に入れなく
てはならない。ポリイミド樹脂の被着後、チャンネルパ
ターン、チャンネル端部21とつながるリザーバ部3
9、及びコンタクトパターンを有するマスクを使って樹
脂層が露光される。次に、パターニングされたポリイミ
ド樹脂のチャンネル構造層24は現像され、硬化され
る。一実施形態の場合、チャンネル構造の厚さは30μ
mなので、最初の被着厚さは約65μmで、これが硬化
時に約33μmに収縮し、研磨されて所期の厚さ30μ
mになる。チャンネル構造の厚さが16μmの実施形態
の場合、最初の被着厚さは約40mμでなければなら
ず、これが硬化時に約20mμに収縮し、次いで16μ
mの厚さに研磨される。パターニングされたポリイミド
樹脂層24を硬化、研磨した後、ウェーハと同じ寸法で
内部に複数の開口23を持つカバープレート22がその
ポリイミド樹脂層に接着される。各開口はリザーバ部3
9で位置合わせされ、この実施形態では、各開口23の
一方の長辺41がチャンネル端部21と位置合わせされ
る。チャンネル構造層24が間に挟まれたシリコンウェ
ーハとウェーハサイズのカバープレートはダイシング工
程によって個々の複数のプリントヘッドに分けられる。
このダイシング工程は、プリントヘッドを切り離すだけ
ではなく、プリントヘッド前面29を生じさせると共
に、チャンネルの一端部を開いてノズル27を形成す
る。
斜視図において、図示ヒーターウェーハは、パターニン
グ、硬化及び研磨加工されたポリイミド樹脂のチャンネ
ル構造層24を有する1枚のヒータープレート28より
なる。カバープレートは図示省略されているが、カバー
プレート中の開口23については、リザーバ部39及び
チャンネル端部21に対する開口の相対位置が明確に分
かるように破線で示されている。このリザーバ部39及
びカバープレート開口23のジョメトリによってインク
リザーバが画定される。
るように示した図2と同様の横断面図である。600の
spiのプリントヘッドの実施形態の場合、カバープレ
ートは約125μmの厚さを有し、開口は補給時にイン
クの流れを妨げないだけのインクを供給するのに十分な
長さと幅を有する長大状スロットである。このため、こ
の実施形態の開口23は全てのチャンネルにまたがって
横方向に延び、400乃至500μmの幅「W」を有す
る。プリントヘッド10の形状及び印刷解像度によっ
て、カバープレート22は厚さを5μm乃至2mmとす
ることができ、他方、開口23の幅は15μm乃至5m
mの間で種々選択可能であり、この場合カバープレート
の開口は一般にチャンネルのアレイ全体の幅とほぼ同じ
長さになる。任意構成要素としてのノズルプレート12
を用いる場合、この実施形態のチャンネル構造24の厚
さは約30μmであり、チャンネルの幅は約30μmで
あり、その結果、典型的なチャンネル断面寸法は約30
μm×30μmになる。ノズルプレート12なしで60
0のspiのプリントヘッドを使用する場合は、が使わ
れる時広く、典型的なチャンネル断面は約高さ16μm
×幅30である。この場合も、プリントヘッドの形状及
び印刷解像度によって、チャンネル構造24の厚さは5
乃至70μmの範囲で種々選択可能であり、その中のチ
ャンネルの幅は5乃至350μmの範囲で選択すること
ができる。周波数応答は、後部チャンネル長さ「R」に
よって制御され、この実施形態の場合その長さは約50
μmである。リザーバ部39は、幅「O」が少なくとも
25μm以上で、カバープレートの開口23と共にプリ
ントヘッドリザーバを形成する。この幅は、非常に小さ
い場合は、チャンネルのインク補給に影響するが、
「O」が十分に大きい場合は、このパラメータは小滴放
出あるいはインク補給に全く影響しない。この実施形態
の場合、「O」の十分な寸法は、上に述べたように、約
25μm以上である。発熱体は約50〜100μmの長
さ(「H」)と約25μmの幅を有する。発熱体はノズ
ルまたは前面から上流側に約40〜90μm、好ましく
は50μmだけ離間されている。破線で示す任意構成要
素としてのノズルプレート12は厚さが約5対50μ
m、好ましくは50μmであり、プリントヘッド前面の
各ノズル27毎に円錐形ノズル13を有する。円錐形ノ
ズルは、チャンネルと位置合わせされ、その軸42はほ
ぼチャンネルの軸40と一致する。円錐形ノズル13の
外側開口部は直径が約17μmで、ノズル27に接する
内側開口部は直径が約26μmである。
ャンネル断面の変化に対して強く、発熱体のセットバッ
ク寸法Fがインク小滴の体積あるいはインク小滴の速度
に影響を及ぼすことはない。インク小滴の体積は、基本
的にノズル開口部27によって、あるいは、ノズルプレ
ートを使用する場合は、ノズル13の外側開口部によっ
て制御される。ブラックインクで必要なインク小滴の体
積はブラック以外のカラーインクの場合とは異なるの
で、プリントヘッドのジョメトリの他の部分は変えず
に、ノズルプレート中のノズルサイズを変えることによ
って、異なるカラーインクに対する望ましいインク小滴
体積を得ることができる。
実施態様の部分平面図であり、チャンネル構造24を非
直線状チャンネル20′が形成されるようにパターニン
グすることが可能なことを示すために、カバープレート
は図示省略されている。たとえば、ノズル27′は、プ
リントヘッド前面部内で、チャンネルの他の部分の断面
と異なる形状を持つように作って、ノズルプレートの効
果をそっくり具現させることができる。あるいは、リザ
ーバ部39と接続されるチャンネル端部21も、破線2
1′で示すように、テーパを付けてチャンネル入口の径
を大きくし、あるいは小さくすることが可能である。
平面図であり、カバープレート22が透明である状態が
示されている。透明なカバープレートを使用することの
利点は、カバープレートをチャンネル構造24に接着
し、チャンネルを相互に封止するために使用される接着
剤18に途切れがないことを目視で容易に確認すること
ができるということである。例えば、接着剤中の空隙3
7が透明なカバープレートを通してはっきり見える。透
明なカバープレートを使用することのもう一つの利点
は、プリントヘッドのリザーバに溜まることがある気泡
(図示省略)を、さっと見るだけで容易に見つけられる
ので、プリンタの印刷品質に悪影響が生じる前に、プリ
ントヘッドを手作業でプライミングして気泡を取り除く
ことができるということである。この実施形態のカバー
プレート22は透明または半透明であるが、不透明なカ
バープレートもほほ同等に機能すると思われる。
施形態を示す図2と同様の横断面図であるが、この実施
形態では米国特許第4,774,530号に開示された
ピット層36が具備されている。このピット層36は、
解像度が400spiより低いプリントヘッドの場合に
効果的である考えられるが、高解像度プリントヘッドの
場合も使用することができる。ピット層以外は、プリン
トヘッド及びその製造方法は、図1及び2のプリントヘ
ッドと同じである。
わせを全てヒータープレートあるいはヒーターウェーハ
上で直接直接行うことが可能になり、インク入口は内部
に開口23が形成されたカバープレートをパターニング
可能なインクチャンネル及びリザーバ層24に接着する
ことによって設けられる。カバープレート開口の位置合
わせ、決定的に重要な位置合わせではないということは
きわめて明白である。
ントヘッド製造における位置合わせが簡単になり、製造
効率が改善される。
ズルが見える方向に置いた概略斜視図である。
断面図である。
ヘッドの概略斜視図である。
図2同様の横断面図である。
を示す平面図で非直線状のインクチャンネルが示されて
いる。
レートによってチャンネル構造の表面とカバープレート
の表面間における接着剤が十分で途切れがないことが見
える状態が示されている。
断面図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 インクリザーバ及びパターニング可能な
インクチャンネル構造を有するインクジェット・プリン
トヘッドにおいて:片面上に発熱体のアレイと、該発熱
体の各々に電気パルスを選択的に印加するためのコンタ
クトを含み、選択的に印加される該パルスの各々がプリ
ントヘッドからインク小滴を放出させる相互配線リード
とを有するヒータープレートと;上記発熱体及びコンタ
クトを露出させて、上記ヒータープレートの表面及びそ
の上の相互配線リードを覆う不動態化層と;上記不動態
化層の上に被着されて、上記コンタクトを露出させかつ
リザーバ溝及び複数の平行なチャンネル溝を内部に形成
するようパターニングされたパターニング可能な層で、
該各チャンネル溝が両端部を有すると共にその中に発熱
体を露出させて収容し、該チャンネル溝の一端部が開か
れており、他端部がリザーバ溝に接続されているパター
ニング可能な層と;開口を有し、上記パターニング可能
な層に接着されて上記チャンネル溝からインクチャンネ
ルを形成し、上記リザーバ溝からリザーバを形成し、上
記チャンネル溝の開端部からノズルを形成するカバープ
レートで、該カバープレートの該開口が上記リザーバと
位置合わせされてインク入口及びインクリザーバの他の
部分を形成するカバープレートと;を具備したインクジ
ェット・プリントヘッド。 - 【請求項2】 インクジェット・プリントヘッドの製造
方法において: (a)片面上に発熱体のアレイと、該発熱体の各々に電
気パルスを選択的に印加するためのコンタクトを含み、
選択的に印加される該パルスの各々がプリントヘッドか
らインク小滴を放出させる相互配線リードとを有するヒ
ータープレートを設けるステップと; (b)上記ヒータープレート上に、上記発熱体及びコン
タクトを露出させて、上記ヒータープレートの表面及び
その上の相互配線リードを覆う不動態化層を被着するス
テップと; (c)上記不動態化層上にパターニング可能な層を被着
するステップと; (d)上記パターニング可能な層中に、上記コンタクト
を露出させかつリザーバ溝及び複数の平行なチャンネル
溝を、該各チャンネル溝が両端部を有すると共にその中
に発熱体を露出させて設けるように、かつ該チャンネル
溝の一端部が開かれ、他端部がリザーバ溝に接続されよ
うに形成するよう上記パターニング可能な層をパターニ
ングするステップと; (e)内部に開口を有するカバープレートを該開口と上
記リザーバ溝を位置合わせして上記パターニング可能な
層上に載置し、接着するステップと;を具備したインク
ジェット・プリントヘッドの製造方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/004,765 US6183069B1 (en) | 1998-01-08 | 1998-01-08 | Ink jet printhead having a patternable ink channel structure |
| US004765 | 1998-01-08 |
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|---|---|
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Family
ID=21712424
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6183069B1 (ja) |
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| JP (1) | JPH11245419A (ja) |
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