JP2009511294A - 細長いノズルを有する印字ヘッド - Google Patents
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Abstract
【解決手段】各々がノズル(25)、ノズル(25)を通してインクを排出する細長いアクチュエータを有するアレイ状のインク室を備えるインクジェット印字ヘッドで、ノズル(25)は、その長い寸法が細長いアクチュエータのそれと位置合わせされた細長い形状を有する。
【選択図】図44
Description
各々がノズル、ノズルを通してインクを排出する細長いアクチュエータを有するアレイ状のインク室を備え、
ノズルが細長い形状を有し、その長い寸法が細長いアクチュエータのそれと位置合わせされる、
インクジェット印字ヘッドを提供する。
各々がノズル、ノズルを通してインクを排出する細長いアクチュエータを有するアレイ状のインク室を備え、
ノズルは、その長い寸法が細長いアクチュエータのそれと位置合わせされる細長い形状を有する、
インクジェット印字ヘッドを提供する。
アクチュエータは室の全ノズルを通して同時にインクを排出する。
インク導管はそれぞれ、インク室に供給するインクを受け取るために、インク入口の少なくとも1つと流体連絡するインクジェット印字ヘッドが提供される。
インク透過性トラップが気泡を通気口へと配向し、そこで大気へと排出する。
アレイ状のノズルと、
ステムが破壊する場合に、滴が分離する前に小滴ステムに付着するインクの球が形成されるように、ノズルを通してインクを排出する複数のアクチュエータと、
隣接するアクチュエータ間に配置された複数の小滴ステムアンカと、を備え、使用中に、
隣接するアクチュエータがインクを同時に排出し、小滴ステムアンカが、隣接するノズルによって同時に排出されたインクを組み合わせて、1つの滴にする
インクジェット印字ヘッドを提供する。
インク導管はそれぞれ、インク室に供給するインクを受け取るために、インク入口の少なくとも1つと流体連絡する。
インク透過性トラップが気泡を通気口へと配向し、そこで大気へと排出する。
各々がインク再充填開口、ノズル、及びノズルを通してインクを排出するアクチュエータを有するアレイ状のインク室と、
室から流出するインクより室に流入するインクに対する水力学的抵抗が少なくなるように、インク再充填開口にある流体流れ整流弁と、
を備えるインクジェット印字ヘッドを提供する。
アクチュエータは室の全ノズルを通してインクを同時に排出する。
インク導管は各々、インク室に供給するインクを受け取るために、インク入口の少なくとも1つと流体連絡する。
インク透過性トラップが気泡を通気口へと配向し、そこで大気へと排出する。
各々がノズル、小滴ステムアンカ、及びノズルを通してインクを排出するアクチュエータを有するアレイ状のインク室を備え、使用中に、
ノズルから排出されるインクは、ステムが破壊するまで、インクステムによって小滴ステムアンカに付着し、したがって排出されたインクが別個の滴を形成する、
インクジェット印字ヘッドを提供する。
アクチュエータは室の全ノズルを通してインクを同時に排出する。
インク導管はそれぞれ、インク室に供給するインクを受け取るために、インク入口の少なくとも1つと流体連絡する。
インク透過性トラップが気泡を通気口へと配向し、そこで大気へと排出する。
アクチュエータが、ノズルの面に平行な2本の直交軸に対して対称である四重極圧力パルスを開始し、直交軸は、ノズルの中心を通って延在する相互に直交する軸と交差する。
アクチュエータは、室の全ノズルを通して同時にインクを排出する。
各々がノズル、及びノズルを通してインクを排出するために蒸気の泡を発生させる熱アクチュエータを有するアレイ状のインク室を備え、
熱アクチュエータが、1対の接触部、及び接触部の間の少なくとも2つの平行電流路を有し、各電流路は、蒸気の泡に核生成する複数の加熱器要素を有する。
アクチュエータは室の全ノズルを通してインクを同時に排出する。
各々がノズル、及びノズルを通してインクを排出するために蒸気の泡を発生させる複数の加熱器要素を有するアレイ状のインク室を備え、加熱器要素が、インクに浸漬するために吊り下げられ、さらに、
加熱器要素間の間隔を維持する筋交い構造
を備えるインクジェット印字ヘッドが提供される。
アクチュエータは室の全ノズルを通してインクを同時に排出する。
各々がノズル、及びノズルを通してインクを排出するアクチュエータを有するアレイ状のインク室を備え、
ノズルは、ノズル開口を画定するノズル縁部、及びノズル縁部上でノズル開口の中心に向かって延在する局所的な凹凸を有する、
インクジェット印字ヘッドを提供する。
アクチュエータは室の全ノズルを通してインクを同時に排出する。
各インク導管が、インク室に供給するインクを受け取るために、インク入口の少なくとも1つと流体連絡する
インクジェット印字ヘッドが提供される。
インク透過性トラップが気泡を通気口へと配向し、そこで大気へと排出する。
1.ノズルユニットセル
2.シリコンウェハ
3.CMOS金属層内の最上アルミ金属層
4.不活性化層
5.化学蒸着酸化層
6.最上アルミ金属層3内のインク入口開口
7.最上部アルミ金属層3のピット開口
8.ピット
9.電極
10.SACIフォトレジスト層
11.加熱器材料(TiAlN)
12.熱アクチュエータ
13.フォトレジスト層
14.フォトレジスト層を通してエッチングされたインク入口開口
15.インク入口通路
16.SAC2フォトレジスト層
17.室の側壁開口
18.前部流路プライミング形体
19.インク入口におけるバリア構成
20.室の天井層
21.天井
22.側壁
23.インク導管
24.ノズル室
25.楕円形ノズル縁部
25(a)内リップ
25(b)外リップ
26.ノズル開口
27.インク供給流路
28.接触部
29.加熱器要素
30.泡ケージ
32.泡保持構造
34.インク透過性構造
36.抽気孔
38.インク室
40.2列フィルタ
42.紙の埃
44.インク樋
46.SACIとトレンチ側壁の間のギャップ
48.トレンチ側壁
50.トレンチ縁部周囲のSACIの***リップ
52.加熱器材料の薄くなった傾斜区間
54.直列接続した加熱器要素間の低温スポット
56.ノズル板
58.円柱状突起
60.側壁のインク開口
62.インク再充填開口
64.インク
66.泡
68.膨らんだインクのメニスカス
70.インクの球
72.小滴ステム
74.小滴ステム付着点
76.ノズルの中心線
78.滴の誤配向
80.滴
82.従属滴
84.小滴ステムアンカ
86.最大抵抗区間又は「ホットスポット」
88.小滴ステムアンカのいずれかの側のショット
90.半円形電流路
92.「冷点」
94.中心棒
96.半径が大きい方の曲線
98.半径が小さい方の曲線
100.半径が小さい方の曲線の外縁
102.半径が小さい方の曲線の内縁
104.インク再充填開口
106.整流弁(テスラ弁)
108.主要導管
110.2次導管
112.ノズル縁部からの横方向の突堤
MEMS製造プロセス
MEMS製造プロセスは、CMOS処理の終了後にシリコンウェハ上にノズル構造を構築する。図2は、CMOS処理の終了後、MEMS処理前のノズルユニットセル1の切り取り斜視図である。
以下では、適切な小見出しで本発明の実施形態の特定の独特の特徴、及びこれらの特徴の利点について検討する。特徴は、内容が特に特定の図面を排除し、特に言及された図面に関連しない限り、本発明に関連する全ての図面に関連して考察される。
図41及び図42に示すように、加熱器要素29は室内に吊り下げられる。これは、室のプライミング時に加熱器要素がインクに浸漬されることを保証する。加熱器要素をインクに完全に浸漬すると、印字ヘッドの効率が劇的に改善する。下にあるウェハ基板に散逸する熱が非常に少なくなり、したがってインクを排出する泡を発生させるために使用される入力エネルギが増加する。
図49を参照すると、図示のユニットセルは2つの別個のインク室38を有し、各室は、接触部28の個々の対の間に延在する加熱器要素29を有する。インク透過性構造34がインク再充填開口内に配置され、したがってインクが室に入ることができるが、起動すると、構造34は、逆流又は流体クロストークが許容可能なレベルまで減少することに対する十分な水力学的抵抗を提供する。
同様に、小滴排出に対する水力学的抵抗は、楕円形ノズルを使用することによって減少させることができる。図44に示すように、加熱器要素29によって発生する蒸気の泡は細長い。加熱器要素は、泡の核生成及び成長が同様に長さに沿って実質的に均一になるように、長さの大部分に沿って均一に加熱するように設計される。楕円形ノズル25を、その長軸が要素の中心線と平行であるように、加熱器要素29と中心を合わせた状態で、泡の幾何学的形状は、ノズルのそれにほぼ対応する。したがって、圧力パルスによって押されるインクは、ノズルを通して排出される前に、急な方向転換をせず、高い流体抵抗も発生しない。小滴の排出に必要な力が低下した状態で、印字ヘッドはさらに効率的になる。
図46を参照すると、2つの対向するユニットセルが図示されている。この実施形態では、ユニットセルは4つのインク室38を有する。室は、側壁22及びインク透過性構造34によって画定される。各室は自身の加熱器要素29を有する。加熱器要素29は、直列に接続された対の状態で配置構成される。各対の間には、抵抗が低下及び/又はヒートシンク作用が増大した「低温スポット」54がある。これは、泡が低温スポット54で凝集しないことを保証し、したがって低温スポットが加熱器要素の各対の外側接触部28間の共通接触部になる。
図54を参照すると、図示のユニットセルは2つの室38を有し、各室は2つの加熱器要素29及び2つのノズル25を有する。室毎に複数のノズルを使用することによって、滴の誤配向を効果的に減少させることについては、図49に示した実施形態に関して以上で検討した。1つの細長い室を、それぞれ自身のアクチュエータがある別個の室に分割することの追加の利点について、図46に示した実施形態に関して説明する。この実施形態は、各室の複数のノズル及び複数のアクチュエータを使用して、驚くほど複雑でない設計で、図46の実施形態の利点の多くを達成する。単純化した設計で、ユニットセルの全体的寸法が縮小し、それによってノズル密度を上げることができる。図示の実施形態では、ユニットセルの占有面積は長さ64μm、幅16μmである。
図54では、アクチュエータが直列に接続され、したがって同じ駆動信号で一緒に始動し、CMOS駆動回路を単純化する。図46のユニットセルでは、隣接するノズルのアクチュエータが同じ駆動回路内で直列に接続される。言うまでもなく、隣接する室内のアクチュエータも並列で接続することができる。対照的に、各室のアクチュエータが別個の回路になる場合、CMOS駆動回路はさらに複雑になり、ユニットセルの占有面積の寸法が増大する。複数の比較的小さい滴で置き換えることによって滴の誤配向に対応する印字ヘッドの設計では、幾つかのアクチュエータ及びその個々のノズルを組み合わせて共通の駆動回路内に入れると、印字ヘッドのIC製造とノズルの密度の両方に関して、効率的に実現される。
ユニットセルの幅を減少させると、印字ヘッドは、以前はノズル密度を低下させる必要があったノズルパターンを有することができる。言うまでもなく、ノズル密度の低下は、印字ヘッドのサイズ及び/又は印字品質に対応する影響を及ぼす。
知られるようになった通りの静止摩擦、つまり「スティクション」は、埃の粒子をノズル板に「付着」させ、それによってノズルを詰まらせることができる。図50は、ノズル板56の一部を示す。明快さを期して、ノズル開口26及びノズル縁部25も図示されている。ノズル板の外面には、板の表面から短い距離だけ延在する円柱状突起58でパターンを形成する。ノズル板には、短い間隔の***、波形又はバンプなど、他の表面構成でパターンを形成することもできる。しかし、図示のパターンの円柱状突起にとって適切な紫外線マスクを生成することは容易であり、円柱を外面にエッチングすることは単純なことである。
図47を参照すると、相互に対して反対方向に延在する2つのユニットセルが図示されている。インク入口通路15が、横方向のインク導管23を介して4つの室38にインクを供給する。インク入口15などのミクロン規模の導管を通ってインクジェット印刷ヘッドの個々のMEMSノズルにインクを分配することは、マクロ規模の流れでは生じない要因によって複雑化する。メニスカスが形成され、開口の幾何学的形状に応じて、これが自身を開口のリップに非常に強力に「ピン留め」することがある。これは、捕捉した気泡は通気するがインクは保持する抽気孔などの印字ヘッドには有用であるが、一部の室へのインク流を停止する場合は、問題になることもある。これは、最初にインクで印字ヘッドにプライミングする場合に生じる可能性が最も高い。インクのメニスカスがインク入口開口にピン留めされた場合、その入口によって供給される室がプライミングされないままになる。
図48を参照すると、幾つかの隣接するユニットセルが図示されている。この実施形態では、細長い加熱器要素29がインク分配導管23に平行に延在する。したがって、細長いインク室38は同様に、インク導管23と位置合わせされる。側壁開口60が室38をインク導管23に接続する。側部入口を有するようにインク室を構成すると、インク再充填時間が短縮される。入口が広くなり、したがって再充填流量が多くなる。側壁開口60は、流体クロストークを許容可能なレベルに維持するためにインク透過性構造34を有する。
再び図47を参照すると、各室38へのインク再充填開口は、気泡又は他の汚染物質を捕捉するフィルタ構造40を有する。インク中の気泡及び固体汚染物質は、MEMSノズル構造にとって有害である。固体汚染物質は、明らかにノズル開口を詰まらせ、気泡は圧縮性が高いので、インク室内に捕捉されると、アクチュエータからの圧力パルスを吸収することがある。これは、影響を受けたノズルからのインクの排出を効果的に無能にする。開口を通る流れの方向を横切って延在する列状の障害の形態でフィルタ構造40を設け、流れの方向に対して隣接する列の障害と見当合わせされないように各列を隔置することによって、インクの再充填流量を過度に遅らせずに、汚染物質が室38に入る可能性が低下する。列は相互に対して片寄り、導入された乱流がノズル再充填率に及ぼす影響は最小限であるが、気泡又は他の汚染物質は比較的蛇行性の流路を辿り、障害40によって保持される可能性が高くなる。
次に図51を参照すると、上述した図46で示したようなユニットセルのノズル56の外面が図示されている。ノズル開口26は加熱器要素(図示せず)の真上に配置され、一連の縁部が直角のインク樋44がインク導管23の上のノズル板56内に形成される(図46参照)。
インクに同伴する気泡は、印字ヘッドの動作にとって非常に有害である。空気又は一般的に気体は、圧縮性が高く、アクチュエータからの圧力パルスを吸収することができる。捕捉された泡が、アクチュエータに応答して単純に圧縮すると、ノズルからインクが排出されない。捕捉された泡は、インクの強制流で印字ヘッドからパージすることができるが、パージされたインクは吸い取る必要があり、強制流は新鮮な泡も導入することができる。
ウェハの一方側から他方へと延在する導管を介してノズルにインクを供給すると、複雑なインク分配システムの代わりに、より多くの(インク排出側の)ウェハ区域がノズルを有することができる。しかし、ウェハを通って深くエッチングされたミクロン規模の穴は、汚染物質又は気泡で詰まりやすい。このせいで、影響を受けた入口から供給されるノズルが涸渇する。
滴が分離する直前に排出されたインクを室内のインクに付着させる小滴ステムは、滴の誤配向を引き起こすことがある。図55から図59は、ノズルから滴を排出するプロセスの連続的な段階を示す。図55では、泡66の核を生成するために、加熱器要素29が迅速に加熱され、表面に密着しているインク64を気化する。これによってノズル開口26をまたぐインクのメニスカス68が外側に膨らみ始める。
図60及び図61を参照すると、図示のノズル設計は、1つの楕円形ノズル25を通してインクを排出する2つのアクチュエータ29を有する。アクチュエータは両方とも、同時に起動し、排出するために直列に接続された加熱器要素である。アクチュエータ29は両方とも、端部及び中央点で吊り下げられたTiAlNなどの加熱器材料のビーム1本の一部である。加熱器要素29は両方とも、電気抵抗が最大になるテーパ状区間86を有する。起動中に、その最大抵抗の区間又は「ホットスポット」86で、蒸気の泡ができ始める。
図62から図65は、四重極起動のノズルの幾つかの実施形態を示す。四重極起動は、2つの直交軸に対して対称であるインク室内の位置にて圧力パルスを開始する。パルスが室内で収束するにつれ、少なくとも理想的なケースでは、2つの軸での対称性がインクを、両方の軸に対して直角の方向にインクを押す。実際には、わずかな非対称性があるので、滴の方向が正確には直角でないことがあるが、通常は、室内の1点から圧力パルスが開始する場合より、はるかに近くなる。
二重棒、4つのキンク加熱器要素
図65は、別の四重極熱アクチュエータ12を示す。この場合も、接触部28間に延在する別個のビームによって提供された2つの電流路90を有する。明快さを期して、ユニットセルの他の形体は省略してある。
図66に示すユニットセルは、各室38へのインク再充填開口104に整流弁106を有する。図示の特定の整流弁は、テスラ弁として知られている。整流弁は、室から流出するインクより、室38に流入するインクに対する水力学的抵抗が小さい。このことを利用して、インク再充填時間を(したがって印字時間を)遅らせずに、室38間の流体クロストークを減少させることができる。
図67は、制御された滴の誤配向があるノズルの略斜視図である。これは、以上で検討したような滴の誤配向を最小限に抑えるものとは異なるアプローチである。アレイの各ノズルから排出される滴を制御された量だけ意図的に誤配向することにより、印刷された像は、(ノズルアレイからわずかに片寄っていても)滴の誤配向を最小限にした印字ヘッドからのものと同等になる。
Claims (20)
- アレイ状のインク室であって、各々のインク室が、ノズルと、前記ノズルを通してインクを排出する細長いアクチュエータとを有する当該アレイ状のインク室を備え、
前記ノズルは、該ノズルの長手方向が前記細長いアクチュエータの長手方向と位置合わせされた細長い形状を有する、
インクジェット印字ヘッド。 - 前記ノズルが楕円形である、請求項1に記載のインクジェット印字ヘッド。
- 前記アクチュエータが、前記ノズルを通して排出するために蒸気の泡を発生する細長い加熱器要素を持つ熱アクチュエータである、請求項1に記載のインクジェット印字ヘッド。
- 前記アレイの各インク室が、前記細長いアクチュエータと位置合わせされた複数の細長いノズルを有する、請求項1に記載のインクジェット印字ヘッド。
- 前記アレイの各インク室が、複数の細長いアクチュエータとそれぞれ対応する複数の細長いノズルを有する、請求項1に記載のインクジェット印字ヘッド。
- 前記インクジェット印字ヘッドは、さらに、各アクチュエータにそれぞれ1対の電極を介してアクチュエータ駆動信号を提供する駆動回路を備え、
前記アクチュエータは、各々が前記電極の対上の2つの接触部間に延在する細長い加熱器要素を有する熱アクチュエータであり、前記熱アクチュエータが全て一体の平面構造である、請求項1に記載のインクジェット印字ヘッド。 - 前記駆動回路にエッチングされたトレンチが、前記電極間に延在する、請求項6に記載のインクジェット印字ヘッド。
- 前記インク室がそれぞれ複数のノズルを有し、使用中に、
前記アクチュエータが前記インク室の前記ノズル全部を通して同時にインクを排出する、請求項1に記載のインクジェット印字ヘッド。 - 前記インク室がそれぞれ2つのノズルを有する、請求項8に記載のインクジェット印字ヘッド。
- 各インク室の前記ノズルが、前記加熱器要素の長さに平行な線に配置され、前記ノズルの中心軸が前記加熱器要素に沿って規則的に隔置される、請求項8に記載のインクジェット印字ヘッド。
- 前記ノズルが楕円形である、請求項8に記載のインクジェット印字ヘッド。
- 楕円形の前記ノズルの長軸が位置合わせされる、請求項11に記載のインクジェット印字ヘッド。
- 前記駆動回路が、前記熱アクチュエータ毎に駆動電界効果トランジスタ(FET)を有し、前記駆動FETの駆動電圧は5ボルト未満である、請求項5に記載のインクジェット印字ヘッド。
- 前記駆動FETの駆動電圧が2.5ボルトである、請求項13に記載のインクジェット印字ヘッド。
- 前記インクジェット印字ヘッドは、さらに、前記ノズル板とその下のウェハとの間にあるインク導管を備え、
前記インク導管が、複数の前記インク室の前記開口と流体連絡する、請求項3に記載のインクジェット印字ヘッド。 - 前記インクジェット印字ヘッドは、さらに、前記ウェハ基板内に画定された複数のインク入口を備え、
前記インク導管がそれぞれ、前記インク室に供給するインクを受け取るために、インク入口の少なくとも1つと流体連絡する、請求項15に記載のインクジェット印字ヘッド。 - 前記インク導管がそれぞれ、前記インク入口の2つと流体連絡する、請求項16に記載のインクジェット印字ヘッド。
- 前記インク入口がそれぞれ、インク透過性トラップと、自身の全体にわたってインクのメニスカスの表面張力がインクの漏れを防止するようなサイズにされた通気口と、を有し、使用中は、
前記インク透過性トラップが気泡を前記通気口へと配向し、そこで大気へと排出する、請求項15に記載のインクジェット印字ヘッド。 - 前記インク室は、前記側壁の2つが他に対して長いような細長い形状を有し、前記インクで前記インク室を再充填できるようにする前記開口が、前記長い側壁の1つにある、請求項15に記載のインクジェット印字ヘッド。
- 前記ノズルは、前記ノズルの中心が同一線上にあり、各列に沿った前記ノズルのピッチが1インチ(2.54cm)当たりノズル1000個を超えるように、列状に配置構成される、請求項1に記載のインクジェット印字ヘッド。
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