JP2006015746A - サーマルインクジェットプリントヘッドのインク射出領域を作製する方法及びサーマルインクジェットプリントヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 サーマルインクジェットプリントヘッドのインク射出領域を作製する方法とサーマルインクジェットプリントヘッドを提供すること。
【解決手段】 サーマルプリントヘッド１００は、チャネルの一端をブロックする薄壁１４０とこのチャネルの反対端に配置されるマニホールド１５０への開口とを有する、チャネル１３０を生成するためにリソグラフィックに形成される壁１２０を含み、アクチュエータ１６０は、マニホールド１５０の入口からチャネル１３０の閉端までのチャネル１３０内に配置され、ポリマー層の上下の二つの基板をダイシングすることによって、薄壁１４０が外部環境へ露出され、チャネル１３０が残渣や他の汚れから保護され、薄壁１４０にレーザーアブレーションによりノズルを形成することによって、ダイシングライン１７０を薄壁１４０に対して接離させる際でも、流体の長さを一定に保つことができる。

【選択図】 図１

Description

本発明は、一般に、改良されたサーマル（感熱）インクジェットプリントヘッドを作製する方法に係り、より詳細には、他の特性の中でもとりわけ、インク液滴の方向性を改良するために、ノズルの形状寸法を正確に調整する方法に関する。

印刷作業中に小型のインク液滴(例えば、約ピコリットル）を分散することが可能なサーマルインクジェットプリントヘッドなどの微小な電子機械的システム(ＭＥＭＳ）の構成は、ますます、マイクロエレクトロニクスの作製技術に類似してきた。

微小インク液滴を扱うインクジェットプリントヘッドは、いくつかの工程を経て、作製される。チャネル群は、基板、一般に、アクチュエータやマイクロエレクトロニクスを上に置いたシリコンウェーハ上で従来の技術において知られているフォトレジスト材料の領域を除去することによって、リソグラフィック（平版印刷方式）に形成される。チャネルは、一般に、フォトレジストの表面に接着される第２の基板によって覆われる。流体チャネルの配列を有する多くのインクジェット装置は、一対の基板間で形成される。装置の列がダイシングされると、ブラインドチャネルの端部は、サンドイッチ状の一対の基板の端部に露出される。ブラインドチャネルは、薄壁の後部のサーマルインクジェットのヒータ等のアクチュエータへ向かって延出するチャネルの前端の近傍にあるフォトポリマーの薄層によって形成される。他のアクチュエータは、静電偏向板や圧電偏向板を含み得る。従来の技術において知られているように、チャネルは、さらに後部のインク供給部まで続く。薄壁は、基板のダイシングされた表面と面一であってもよいし、あるいは、基板のダイシングされたエッジから凹みが形成され得る。チャネルを形成するために使用される同一のフォトリソグラフィックプロセスを用いることによって、チャネルの端部を形成する壁には凹みが形成され得る。チャネルの端部で薄壁内にノズルを形成する更なる処理がない場合、流体は装置を流れない。薄壁は、装置の内部を、ダイシングによる残渣、洗浄剤、又は他のごみで汚されないように保護する。チャネルの前方が閉じている間、流体構造内部を汚すことなく、疎水性コーティングが塗布され得る。最後に、レーザアブレーション処理を用いてブラインドチャネルの薄壁端部にノズルが形成される。ノズルは、流体経路の連続性を提供するのみならず、液滴を射出し基板に向かって推進する、出口開口を提供する。

ロジャーＧ．マーカム（Ｒｏｇｅｒ Ｇ．Ｍａｒｋｈａｍ）らに発行され、レターパテントの本発明の出願人の譲渡人に譲渡された特許文献１は、インクがノズルチャネルに入る前にインク供給部の不純物をフィルタリングするフィルタの作製を含むインクジェットプリントヘッドの作製に関する他の一般的な詳細を開示する。読者は、サーマルインクジェットプリントヘッド作製プロセスについての他の一般的な詳細について、特許文献１を参照して頂きたい。

どのような噴射装置にとっても不規則な又は非対称形のノズルは深刻な問題となり得る。これらの不規則性は、処理の制約により、生じ得る。例えば、ダイシングプロセス後、作製プロセスで使用される界面活性剤や他の残渣は、ノズルによって画定された内部チャネルに付着することが多い。さらに、ダイシングプロセス自体は、ノズルの周辺で、バリ、切り屑、及びダイシングプロセスの他の望ましくない特徴の形状において、偏心をもたらすこともある。これらは、形状寸法に影響を与えるので、作製及びダイシングプロセスの上記残渣によって目標経路を外してインク液滴が射出され、これによって、印刷の品質に影響を与え得る「方向性」の問題が生じる。ノズル内の残渣の問題に対応する従来の技術における方法は、プラズマ処理などの洗浄プロセス中に残渣を十分に取り除こうとする試みである。しかしながら、形状寸法や方向性に影響を与え得る残渣は洗浄後もまだ残っている。また、疎水性コーティングの塗布によって内部の流体経路が汚れてしまい、チャネルの空気混入や「塗布剥離」を生じ得る。

ノズルの開口を形成するために主にダイシングによる従来の技術のインクジェットプリントヘッド形成技術に関連して他の問題があげられる。例えば、ノズル開口とヒータの距離が変化する場合が多いので、多くの場合、ダイシング許容寸法が狭くなる。
米国特許第6,139,674号（マーカム特許）

従来の技術の上記に確認された問題や制限に鑑み、本発明は、インクジェットプリントヘッドを作製する方法であって、チャネルの端部は、フォトポリマーの薄層によって閉成され、リソグラフィックに作製されたチャネルの配列が、フォトポリマーからなる側壁を形成するステップと、ブラインドチャネルの端部を形成する薄層は、薄壁の近傍でチャネル領域の外側にある二つの基板をダイシングすることによって、チャネル領域の外側では該薄壁が損なわれることなく露出されるステップと、ノズルが、印刷中のプリント液滴の射出が容易になるように、レーザーアブレーションによって各チャネルの端部に各チャネルの端部の薄壁を貫いて形成されるステップを含む。

本発明は、インクジェットプリントヘッドを提供する。該インクジェットプリントヘッドは、フォトリソグラフィック（写真平版印刷方式）に形成されたチャネルの端部をブロックする薄肉フォトポリマー内にレーザーアブレーションによって形成された複数のノズルと、アクチュエータがチャネル内の流体へ動きを付与するようにフォトポリマー内の流体ストラクチャをサンドウィッチするアクチュエータを含む基板とキャッピング基板と、アクチュエータがインク液滴をノズルから駆動可能であるように薄壁内に形成される該ノズルとを含み、ダイシングによってチャネルブロック壁が損なわれることがないように二つの基板とフォトポリマーが配置され、薄壁が、レーザー除去されるとともに良好に画定された穴を、チャネル毎に含み、これにより、起動中の液滴の形成が容易となる。

本発明の第１の態様は、サーマルインクジェットプリントヘッドのインク射出領域を作製する方法であり、ａ）壁をリソグラフィックに作製して、チャネルと、流体マニホールド領域からチャネルまでの入口と、該チャネルの一端の近くに更なる薄壁と、を形成するステップと、ｂ）二つの基板がポリマー壁に略垂直に略並列の壁を形成するステップと、ｃ）ポリマー薄壁がチャネルからの出口を覆うステップと、ｄ）チャネルと該チャネルを閉じる薄壁を損なうことなく、チャネル軸に垂直な二つの基板をダイシングするステップと、ｅ）レーザーアブレーションによって薄膜ポリマー端部からチャネルにかけてチャネルのいくつか又は全てに対してノズルが形成されるステップと、を含む。

本発明の第２の態様は、サーマルインクジェットプリントヘッドであり、流体マニホールドの入口とフォトポリマーの薄壁によってブロックされる出口とを含み、フォトポリマー中にフォトリソグラフィックに形成されるチャネルと、内部にノズルを形成した薄壁を越えて基板層が延出するように、ポリマー壁に略垂直な第２のセットの並列壁を形成する略並列に配置された基板と、チャネル内の流体アクチュエータと、チャネルとチャネルをブロックする薄壁とを損なうことなく、チャネル方向に垂直にダイシングされる基板層と、レーザーアブレーションによってチャネルをブロックする薄壁内に形成されるノズルと、を含む。

本発明の第３の態様は、第２の態様によるプリントヘッドであり、疎水性コーティングがノズルを形成する前にポリマー薄壁に塗布される。

本発明の特徴は、以下の図面を参照することにより、また、以下の説明によって、当業者により明確に理解されよう。

インクジェットプリントヘッドの作製とその一般的な動作の詳細については、本明細書中に参照することによって組み込まれる、特許文献１（マーカム特許）を参照されたい。特許文献１においては、プリントヘッドフィルタを構成するためにレーザーアブレーションが使用される点が注目されるが、本発明も、同様に、レーザーアブレーションを使用するが、ノズル射出穴を形成するために、レーザーアブレーションを使用するという点で、特許文献１とは使用目的が全く異なる。

図１は、好ましい実施の形態による、一部が形成されたサーマルプリントヘッド１００を示す平面図である。他のプリントヘッドタイプに対応可能であるが、本発明のプリントヘッド１００は「サイドシューティグ（片側射出）」タイプである。図において、以下のような工程が既に生じている。参照番号１２０が付された壁は、チャネルの一端をブロックする薄壁１４０と該チャネルの反対端でマニホールド１５０へ通じる開口とを有する、チャネル１３０を生成するためにリソグラフィックに形成されたものである。アクチュエータ１６０は、マニホールド１５０の入口とチャネル１３０の閉端にわたるチャネル１３０内に配置される。

図１は、図示されるポリマー層の上下の二つの基板がダイシングされ、薄壁１４０が外部環境へ露出される、ダイシングライン１７０を示す。本発明の好ましい実施の形態では、種々の壁はＳＵ−８又はポリイミドなどのフォトレジストから形成されるが、本発明に関わる当業者によって、他のフォトレジスト材料も使用可能であることが理解されよう。薄壁１４０は、残渣や他の汚れからチャネル１３０を守るだけでなく、ノズルをレーザーアブレーションによって形成する材料をも提供する。壁１４０内にノズルを形成することによって、薄壁１４０に対してダイシングライン１７０を接離させる時でも流体の長さを一定に保つことができる。

図２は、完成したインクジェットプリントヘッド２００を示す平面図であり、該プリントヘッドの端部は、基板１８０にエッジを形成するようにダイシングされ、次に、チャネル薄壁端部１４０に良好に画定された穴１５４が形成される。穴１５４は、レーザーによってチャネル薄壁端部１４０の部分のアブレーション（除去）によって形成される。レーザーアブレーションによって、チャネルの平均断面よりも小さな正確な穴の形状が利用可能となり、これらの穴は、一般的にダイシングによって穴を形成することによって達成されるよりも偏心率が減少した状態で左右対称となるので、射出されるインク液滴の方向性が改良される。

図３は、完成されたインクジェットプリントヘッド３００の正面図を示す。チャネル１４０の端部を覆うポリマー薄壁は、アクチュエータ基板２６０とカバー基板２５０にサンドイッチされる。図３からは、チャネル端部壁１４０内にノズルを形成する良好に画定された穴１５４は、円形（好ましい形状）、（四角形などの）偏菱形、及び星形などの多くの異なる形状を有し得ることがわかる。しかしながら、好ましい実施の形態において、穴の形状は、各ノズルで同一である。従来の技術のアプローチとは異なり、アクチュエータ１６０とノズル１５４の距離は、実際のダイシングライン１７０までの長さに等しくはなく、ノズルブロック壁から測定される。

装置の中間から下方の単一ドロップエジェクタ４００の側面図を図４に示す。アクチュエータ基板２６０とキャップ基板２５０は、チャネルの上下の封入部を形成する。アクチュエータ１６０は、サーマルインクジェットにおいて気泡を発生させるような機械的手段によって、又は、圧電噴射装置の圧電エレメントの偏向を介して、流体動作をもたらす。流体は、マニホールド１５０の入口から装置へ流れ込み、作動中にノズル１５４から液滴として射出される。ダイシングされたエッジ１８０ではなく、リソグラフィックに形成されたチャネル前壁１４０が流体含有領域の長さを画定することに再び注目されたい。

以下の表１は、プリントヘッド構造部材に対する射出されるインク液滴の不用意な接触を測定した実験結果を示す。

１．３ｍｍで８０μの最大Ｙ（スキャン）方向の誤りを有する最悪ケースの条件としては、ノズルが、中心に置かれ且つ（５ピコリットルの液滴に対して好適な）直径１５μを有し、液滴が接触する前、ルーフ部分２５０とフロア部分２６０が４０μまで延出可能であると仮定すると、最大壁高さは総じて、２０μであると実験的に示される。

このように、チャネルの大きな面積に対してノズルが形成される薄肉前壁の存在によって、とりわけ、好適なインク液滴容積の調整を維持しながらも、インク液滴速度、待ち時間、及び修復性を向上させることができ、従って、従来の技術の方法が、射出インク液滴の方向性の改良、ダイシング許容寸法の緩和、洗浄動作の削減又は省略、ダイシング速度の増加、及び流体摩擦の低減などのいくつかの点で改良されたサーマルインクジェットプリントヘッド作製方法が開示された。

ダイシングプロセス前に部分的に作製された本発明のサーマルプリントヘッドを示す平面図である。 ダイシング、レーザーアブレーションによるノズル形成後の図１のプリントヘッドを示す平面図である。 図１及び図２のプリントヘッドを示す正面図である。 図２のプリントヘッドを示す側面図である。

符号の説明

１００： サーマルプリントヘッド
１３０： チャネル
１４０： 薄壁
１５０： マニホールド
１６０： アクチュエータ
１７０： ダイシングライン

Claims (3)

1. サーマルインクジェットプリントヘッドのインク射出領域を作製する方法であって、
   ａ）壁をリソグラフィックに作製し、チャネルと、流体マニホールド領域からチャネルまでの入口と、該チャネルの一端の近くに更なる薄壁と、を形成するステップと、
   ｂ）二つの基板がポリマー壁に略垂直に略並列の壁を形成するステップと、
   ｃ）ポリマー薄壁が前記チャネルからの出口を覆うステップと、
   ｄ）前記チャネルと該チャネルを閉じる前記薄壁を損なうことなく、前記チャネル軸に垂直な前記二つの基板をダイシングするステップと、
   ｅ）レーザーアブレーションによって前記薄膜ポリマー端部から前記チャネルにかけてチャネルのいくつか又は全てに対してノズルが形成されるステップと、
   を含む、方法。
2. 流体マニホールドの入口とフォトポリマーの薄壁によってブロックされる出口とを含み、前記フォトポリマー中にフォトリソグラフィックに形成されるチャネルと、
   内部にノズルを形成した前記薄壁を越えて基板層が延出するように、ポリマー壁に略垂直な第２のセットの並列壁を形成する略並列に配置された基板と、
   前記チャネル内の流体アクチュエータと、
   前記チャネルと前記チャネルをブロックする薄壁とを損なうことなく、前記チャネル方向に垂直にダイシングされる前記基板層と、
   レーザーアブレーションによってチャネルをブロックする薄壁内に形成されるノズルと、
   を含む、サーマルインクジェットプリントヘッド。
3. 疎水性コーティングが前記ノズルを形成する前に前記ポリマー薄壁に塗布される、請求項２に記載のプリントヘッド。

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