JPH09164686A - ノズルヒータを備えるドロップ・オン・デマンド型印刷ヘッドの構造及びその製造方法 - Google Patents

ノズルヒータを備えるドロップ・オン・デマンド型印刷ヘッドの構造及びその製造方法

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JPH09164686A
JPH09164686A JP8323266A JP32326696A JPH09164686A JP H09164686 A JPH09164686 A JP H09164686A JP 8323266 A JP8323266 A JP 8323266A JP 32326696 A JP32326696 A JP 32326696A JP H09164686 A JPH09164686 A JP H09164686A
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nozzle
drop
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etching
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Kia Silverbrook
キーア・シルヴァーブルック
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の重要な目的は、熱活性化ドロップオ
ンデマンド印字ヘッドのノズル構造の製造工程を提供す
る。 【解決手段】 電熱発熱体を造り込んだドロップオンデ
マンド印字ヘッド５０の構造と製造工程。電熱発熱体が
ノズル先端近傍にあるのでインクへ効率的にカップリン
グする。構造には、シリコンウエハへのＣＯＭＳドライ
ブ回路造り込みの一環として形成するメタル層電極を利
用する。次に、前記のメタル電極層に対して略垂直な軸
を用いてノズル先端穴をエッチングする。ヒーター本体
と不動態化層はウエハにデポジットする。この２つの層
は、異方性エッチングして、ノズル先端穴の垂直側壁に
ヒーター層と不動態化層を残す。次に、インクチャネル
とノズルバレルをウエハにエッチングするが、これはＥ
ＤＰなどの不動態化層とヒーター素材に対して高度に選
択的なエッチング液を用いて行なうのが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、コンピュータ制御
印刷装置の分野における発明である。具体的には、熱活
性化ドロップオンデマンド（DOD）印字ヘッドの製造工
程の分野における発明である。
【０００２】
【従来の技術、及び、発明が解決しようとする課題】数
多くの種類のデジタル制御印字装置が発明されており、
数多くの種類のものが現在生産されている。そうした印
字装置は、さまざまな作動機構、さまざまなマーキング
材料、さまざまな記録媒体を用いている。現在使用され
ているデジタル印字装置の一例として以下のものがあげ
られる。レーザー電子写真式印字装置、LED電子写真式
印字装置、ドットマトリクスインパクトプリンタ、サー
マルペーパプリンタ、フィルムレコーダ、サーマルワッ
クスプリンタ、染料拡散熱転写プリンタ、インクジェッ
トプリンタ。しかしながら、現在のところ、そうした電
子印字装置が機械式印字装置にほぼ取って代わっている
わけではなく、そうでなくても従来型の方法はきわめて
費用の嵩むセットアップを要し、数千枚同じページを印
字するのでない限り、商業的に存続可能な方法でもな
い。よって、デジタル制御印字装置の改善、たとえば高
品質カラー画像を高速かつローコストで普通紙に印字で
きるような改善が必要とされている。
【０００３】インクジェット印字は、デジタル制御電子
印字分野で有望なライバルと見なされているが、それは
非接触、低騒音特性、普通紙の使用、トナー転写やワッ
クス転写の回避などがその理由である。
【０００４】数多くの種類のインクジェット印字機構が
発明されている。そうした印字機構は連続インクジェッ
ト（CIJ）かドロップオンデマンド（DOD）インクジェッ
トのいずれかに分類できる。連続インクジェット印字は
少なくとも1929年の米国特許No.1,941,001に遡る。
【０００５】スィートらの1967年の米国特許No.3,373,4
37には、印字するインクドロップに選択的に充電し、記
憶媒体に向けて偏向させる連続的インクジェットノズル
の配列が記載されている。この手法は、バイナリ２進化
偏向CIJとして知られていて、ElmejetやScitexなど数社
のメーカーによって用いられている。
【０００６】ハーツらの1966年の米国特許No.3,416,153
には、充電ドロップ流れの静電散布をCIJ印字に用いて
可変濃度の印字スポットを実現することにより、小型開
口部を通過するドロップの個数を変える手法が記載され
ている。この手法は、Irys Graphics製造によるインク
じジェットプリンタに用いられている。
【０００７】カイザーらの1970年の米国特許No.3,946,3
98には、高電圧を圧電結晶へ作用させて圧電結晶を曲げ
ることにより、インクリザーバに圧力をかけ、デマンド
に応じてドロップを噴射するDODインクジェットプリン
タについて記載されている。オンデマンドプリンタの圧
電ドロップは数多くのものが発明されており、そのほと
んどが圧電結晶をベンドモード、プッシュモード、シア
モード、スクィーズモードで利用している。圧電DODプ
リンタは、ホットメルトインクを使用し（Tektronixプ
リンタ、Dataproductsプリンタ、など）、画像解像度を
最大720dpiにすることによりホームプリンタとしてもオ
フィスプリンタとしても成功を収めている（Seiko Epso
n）。圧電DODプリンタには、各種のインクが使えるとい
うメリットがある。ただし、圧電印字機構には複雑な高
電圧駆動回路と大型の圧電結晶配列を要するのが通常で
あり、製造性と性能におけるデメリットになっている。
【０００８】エンドーらの1979年の英国特許No.2,007,1
62には、ノズル内のインクと熱接触している熱電トラン
スデューサ（ヒーター）へ電力パルスを作用させる熱電
DODインクジェットプリンタについて記載されている。
ヒーターが水基剤インクを高温まで迅速に加熱し、そこ
で少量のインクを迅速に蒸発させ、これによりバブルを
形成する。このようにしてバブルを形成することにより
圧力波動を生み出し、ヒーターサブストレート縁部沿い
の小型開口部からインクドロップを噴射する。この手法
は、Bubblejet（日本のCanon K.K.の商標）として知ら
れており、Canon、Xeronおよびその他のメーカーのシス
テムに広範に利用されている。
【０００９】ヴォートらの1982年の米国特許No.4,490,7
28には、バブル形成でも動作する電熱ドロップ噴射装置
が記載されている。この装置では、ヒーター上に配置し
た開口プレートに形成したノズルからヒーターサブスト
レートの平面に対して垂直方向にドロップを噴射する。
この装置はThermal Ink Jetとして知られ、Hewlett-Pac
kardが製造している。本発明においては、Thermal Ink
Jetという用語はHewlett-Packardの装置とBubblejetと
して知られる装置の両方を言う。
【００１０】Thermal Ink Jet印字では、約２μsのあい
だ約20μJをかけないとドロップ１滴を噴射できない。
ヒーター１台の10ワットという有効電力消費はそれ自体
でデメリットであり、専用インクも必要とし、ドライバ
電子装置が複雑であり、発熱素子の劣化も加速する。
【００１１】上記以外のジェット印字装置も文献に記載
されているが、商業ベースで現在使用されているものは
ない。たとえば、米国特許No.4,275,290に記載されてい
る装置では、所定の印字ヘッドノズルとパルスとの一致
アドレスと静圧とによって、スペーサで分けた用紙が印
字ヘッドの下を通るときに自在にインクを噴射できるよ
うにしている。米国特許No.4,737,803とNo.4,748,458に
記載されているインクジェット記録装置では、印字ヘッ
ドノズルとヒートパルスとの一致アドレスと静電吸着電
界によってインクを用紙へ噴射している。
【００１２】上記のインクジェット印字装置にはどれも
メリットとデメリットがある。しかしながら、インクジ
ェット印字装置のアプローチ改善の必要性が広く認知さ
れていて、コスト、速度、品質、信頼性、電力使用量、
構造の単純さ、動作の単純さ、耐久性、消耗品などのメ
リットが追求されている。
【００１３】『液体インク印字装置とシステム』および
『一致ドロップ選択、ドロップ分離印字法および装置』
と題するわたくしの先行願書には、上記のごとくの従来
技術の問題の克服に向けた著しい改善を可能にする方法
と装置について記載してある。そうした発明は、ドロッ
プサイズと定着精度、印字速度、電力消費量、耐久性、
作動時熱応力、その他の性能特性などに関する重要なメ
リットはもとより、製造性や使用インクの特性について
も重要なメリットを提案するものである。本発明の重要
な目的の一つとして、そうしたわたくしの発明で明らか
にした構造と方法を強化することにより、印字技術の進
歩に供することがあげられる。
【００１４】本発明の重要な目的は、熱活性化ドロップ
オンデマンド印字ヘッドのノズル構造の製造工程を提供
することである。
【００１５】本発明はある面においては、熱活性化ドロ
ップオンデマンド印字ヘッドの製造工程を実現し、１）
複数の電極をサブストレート上に形成し、２）表面層を
サブストレート表面に形成し、３）前記の複数の電極に
交差するように複数のノズル先端穴を表面層にエッチン
グし、４）前記の複数の電極とヒーターサブストレート
とが電気的に接触するようにノズル先端穴をヒーターサ
ブストレートに被覆し、５）ノズル先端穴から離れたと
ころからヒーターサブストレートを取り除くものであ
る。
【００１６】本発明の望ましい実施形態では、表面層の
一部分をエッチングすることによりヒーターが表面層か
ら突出した縁部を形成するようにする製造工程を行な
う。
【００１７】本発明の望ましい実施形態ではさらに、不
動態層にヒーターを被覆した後、ノズル先端穴から離れ
たところからヒーターサブストレートを取り除き、ノズ
ル先端穴から離れたところから不動態層を取り除くこと
も行なう。
【００１８】本発明の望ましい実施形態ではさらに、不
動態層にシリコン窒化物を備える。
【００１９】本発明の望ましい実施形態ではさらに、複
数のバレル穴を同時にエッチングし、そこからエッチン
グ液がノズル先端穴を通じてサブストレートの表面に届
くようにする製造工程も行なう。
【００２０】本発明の望ましい実施形態ではさらに、１
つか複数のインクチャネルをサブストレート裏面から異
方性エッチングするステップも行なう。
【００２１】本発明の望ましい実施形態ではさらに、サ
ブストレートに単結晶シリコンを備える。
【００２２】本発明の望ましい実施形態ではさらに、サ
ブストレートが<100>結晶学的配向の単結晶シリコンウ
エハである。
【００２３】本発明の望ましい実施形態ではさらに、表
面層がほぼ二酸化珪素でできている。
【００２４】本発明の望ましい実施形態ではさらに、ノ
ズル先端穴を半径50ミクロン未満で造る込む。
【００２５】本発明の望ましい実施形態ではさらに、サ
ブストレートに単結晶シリコンを備え、サブストレート
の曝露{111}結晶学的平面をエッチングしてインチチャ
ネルをつくる。
【００２６】本発明の望ましい実施形態ではさらに、ノ
ズルと同じサブストレートにドライブ回路を造り込む。
【００２７】
【発明の実施の形態】図１は、本発明による印刷装置の
実施形態の一例を示す簡略化概要図；図２は、本発明に
よるノズル先端の一例を示す断面図；図３から図８は、
ドロップ選択の液体動的シミュレーション結果を示す
図；図９は、本発明の実施形態によるノズルの動作の有
限要素液体動的シミュレーション結果を示す図；図１０
は、ドロップ選択と分離時における連続的メニスカス位
置を示す図；図１１は、ドロップ選択サイクル時におけ
る各点での温度を示す図；図１２は、表面張力測定値と
各種インク添加剤温度曲線を示す図；図１３は、ノズル
のヒーターに出力パルスが加わって、図１１の温度曲線
ができたときの様子を示す図；図１４は、本発明の印字
ヘッド駆動回路の実施形態の概要図；図１５は、本発明
の実施形態のＡ４ページ幅カラー印字ヘッドの製造歩ど
まり予測にフォールトトレランスを付けたものと付けな
いものの図；図１６は、ＬＩＦＴヘッドを用いた印字装
置の概念図；図１７は、印字ヘッドの小部分のノズル配
置図；図１８は、ノズル２個とドライブトランジスタ２
個のレイアウト詳細図；図１９は、多数の印字ヘッドを
標準シリコンウエハに造り込んだ配置図；図２０から図
３１は、ノズル先端小部分の印字ヘッドを製造段階の各
段階にわけて図示した断面図；図３２は、１枚の印字ヘ
ッドチップの裏面を示す透視図；図３３から図３７は、
ノズルの同時エッチングとチップ間隔を示す図（これら
の図は正確な縮尺図ではない）；図３８は、インクチャ
ネルのくぼみ１箇所とメインノズル24個、冗長ノズル24
個の各部寸法を示す図；図３９は、インクチャネルのく
ぼみ８箇所、前記のくぼみに対応したノズル、インク、
印字ヘッドのそれぞれの配置と各部寸法を示す図；図４
０は、４色印字ヘッドの一端のインクチャネルのくぼみ
32箇所を示す図；図４１と図４２は、隣接し合う印字ヘ
ッドチップ２枚（モジュール）の端部同士をつなげて長
い印字ヘッドをつくったところを示す図；図４３は、
４"（100mm）モノリシック印字ヘッドモジュールにイン
クチャネルくぼみを完成させたところを示す図；であ
る。
【００２８】基本的な見地からすると、本発明は、ドロ
ップオンデマンド印字機構を実現する発明であり、印字
ドロップ選択手段によって選択ドロップと非選択ドロッ
プとの位置に差異を設けるが、インクドロップによって
インクの表面張力に打ち勝ち、インク本体から分離させ
るだけでは不十分であり、代替手段によってインク本体
から選択ドロップを分離させる。
【００２９】ドロップ分離手段からドロップ選択手段を
分離するには、どのインクドロップを印字するかを選択
するのに要するエネルギーを著しく減じる。個々の信号
によってドロップ選択手段だけを個々のノズルへ駆動し
なければならない。ドロップ分離手段は、電界であって
も、あるいはノズル全台へ同時に作用させる状態であっ
てもよい。
【００３０】ドロップ選択手段は、おもに以下の表から
選択する： １）加圧インクの表面張力を電熱減圧する。 ２）不十分なバブル体積の電熱バブル生成によってドロ
ップ噴射させる。 ３）不十分な体積変化の圧電によってドロップ噴射させ
る。 ４）ノズル１台当り電極１本の静電吸着による。
【００３１】ドロップ選択手段は、おもに以下の表から
選択してもよい： １）近傍（記録媒体を印字ヘッドの近傍にする） ２）振動インク圧力の近傍 ３）静電吸着 ４）磁石吸着
【００３２】「DOD印字技術の目標」と題する表に、ド
ロップオンデマンド印字技術の望ましい特性を幾つか示
す。この表には、本発明で述べる実施形態やほかの関連
発明で述べる実施形態による印字技術の改善についても
幾つかの方法を示す。
【００３３】
【表１】
【００３４】Thermal Ink Jet（TIJ）システムおよび圧
電インクジェットシステムでは、ドロップ速度が毎秒約
10メートルなら、選択インクドロップによってインクの
表面張力に打ち勝ち、インク本体から分離し、記録媒体
に衝突するのに望ましい。この２種類のシステムでは電
気エネルギーからドロップ動力学エネルギーへの変換効
率がきわめて低い。TIJシステムの変換効率は約0.02%で
ある。このことは、TIJ印字ヘッドの駆動回路で強電流
をスイッチングしなければならないということである。
圧電インクジェットヘッドの駆動回路は、高電圧をスイ
ッチングするか、あるいは高容量性負荷を駆動するかの
いずれかを行なわなければならない。ページ幅TIJ印字
ヘッドの総電力消費量もきわめて高い。800dpiのＡ４フ
ルカラーぺージ幅TIJ印字ヘッドで４色黒色画像を１秒
間印字すると、電力消費量は約６kWにもおよび、その大
部分が熱となって浪費される。この大量の熱をなくそう
とすると、ローコスト、高速、高解像度のコンパクトな
ページ幅TIJシステムの生産がむずかしくなる。
【００３５】本発明の実施形態の重要な特徴の一つとし
て、どのインクドロップを印字するかの選択に要する電
力を著しく低減できるということがあげられる。これ
は、選択後のドロップをインク本体から分離し、記録媒
体にドットを形成する手段とインクドロップ選択手段と
を分けることにより実現する。ドロップ選択手段だけを
個々の信号によって各ノズルへ駆動するのでなければな
らない。ドロップ選択手段は、電界であっても、あるい
はノズル全台へ同時に作用させる状態であってもよい。
【００３６】「ドロップ選択手段」と題した表に、本発
明にしたがってドロップを選択するために可能な手段を
幾つか示す。ドロップ選択手段は、選択後のドロップの
位置に十分な変化を起こさせて、選択後のドロップと未
選択のドロップとをドロップ選択手段によって見分けら
れるようにするのにしか要しない。
【００３７】
【表２】 上記以外の選択手段を使用してもよい。
【００３８】水基剤インクに用いるドロップ選択手段と
して望ましいのは、方法１： 「加圧インク表面張力の
電熱低減」。このドロップ選択手段では、低電力稼働
（TIJの約１％）、CMOS VLSIチップ製作との相容性、低
電圧稼働（約10V）、高ノズル密度、低温動作、広範な
インク処方その他、といった数多くのメリットをほかの
システムに対してでも実現できる。インクは、温度の上
昇に応じて、それだけ表面張力が低減するのでなければ
ならない。
【００３９】ホットメルトインクやオイル基剤インクに
用いるドロップ選択手段として望ましいのは、方法２：
「インク粘度の電熱低減と振動インク圧力との一元
化」。このドロップ選択手段は、温度が上昇すると特に
粘度が低減するが、表面張力はあまり低減しないインク
に最適である。これは、分子重量が比較的高い無極性イ
ンクで特に起きる。特にホットメルトインクやオイル基
剤インクに最適である。
【００４０】「ドロップ分離手段」と題する表には、分
離後のドロップをインク本体から分離するのに可能であ
り、選択後のドロップに印刷媒体にドットを形成させら
れる方法を幾つか示す。これから示すドロップ選択手段
は、選択後のドロップと未選択のドロップとを区別し
て、未選択のドロップに印刷媒体にドットを形成させな
いようにするための手段である。
【００４１】
【表３】 上記以外の分離手段を使用してもよい。
【００４２】分離手段として望ましい手段は用途によ
る。ほとんどの用途で最適なのは、方法１： 「静電吸
着」または方法２： 「AC電界」。円滑な塗被紙やフィ
ルムを使用する用途や高速でなくてもいい用途では、方
法３： 「近傍」が適当な場合がある。高速、高品質シ
ステムでは方法４： 「転写近傍」を用いる。方法６：
「磁性吸着」は携帯型印刷装置といった印刷媒体が近傍
印字には荒れすぎであり、かつ静電ドロップ分離に要す
る高電圧が望ましくない用途に適当である。あらゆる状
況に最適な明確な「ベスト」の分離方法というものはな
い。
【００４３】本発明による各種の印字装置について詳し
くは、以下に示すごとくの1995年4月12日付けのオース
トラリア特許明細書に記載してあり、その内容を参照に
よって本発明に織り込む：
【００４４】『液体インクフォールトトレラント（LIF
T）印字機構』（登録番号： PN2308）；『LIFT印字にお
ける電熱ドロップ選択』（登録番号： PN2309）；『印
刷媒体近傍によるLIFT印字におけるドロップ分離』（登
録番号： PN2310）；『対媒体距離可変ヘッドによるLIF
T印字におけるドロップサイズ調節』（登録番号： PN23
11）；『音波インク波を用いた増大近傍LIFT印字』（登
録番号： PN2312）；『LIFT印字における静電ドロップ
分離』（登録番号： PN2313）；『近傍LIFT印字におけ
る負区異数同時ドロップサイズ』（登録番号： PN232
1）；『熱活性化印字ヘッド自冷式稼働』（登録番号：
PN2322）；『熱粘度低減LIFT印字』（登録番号： PN232
3）。
【００４５】本発明による望ましい印字装置の実施形態
の一例を概要図にしたものを図１に示す。
【００４６】画像源５２は、スキャナやコンピュータか
ら受け取るラスタ画像データであってもよく、あるいは
ページ記述言語（PDL）の形式でのアウトライン画像デ
ータであっても、あるいはその他の形式のデジタル画像
表示であってもよい。この画像データを画像処理装置５
３によってピクセルマップ方式ページ画像へ被せる。こ
れは、PDL画像データの場合はラスタ画像プロセッサ（R
IP）であっても、ラスタ画像データの場合はピクセル画
像操作であってもよい。画像処理装置５３でつくる連続
音声データはハーフトーンになる。ハーフトーン化は、
デジタルハーフトーン化装置５４で行なう。ハーフトー
ン化ビットマップ画像データは画像メモリ７２に格納し
ておく。プリンタとシステムの構成に応じて、画像メモ
リ７２はフルページメモリでもバンドメモリでもよい。
ヒーター制御回路７１は画像メモリ７２からデータを読
み取り、時間変化電気パルスを印字ヘッド５０の一部分
であるノズルヒーター（図２の１０３）へ作用させる。
この時間変化電気パルスを適宜作用させ、かつ適当なノ
ズルに対して作用させることにより、画像メモリ７２の
データによって指定された所定の位置の記録媒体５１に
選択後のドロップがスポットを形成する。
【００４７】記録媒体５１を用紙搬送装置６５によって
印字ヘッド５０に対して移動するが、ここで用紙搬送装
置６５は用紙搬送制御装置６６によって電気的に制御し
てあり、用紙搬送制御装置６６はマイクロコントローラ
３１５によって制御されている。図１に示す用紙搬送装
置は概念を示しただけであり、数多くの違った構成が可
能である。ページ幅印字ヘッドの場合においては、用紙
搬送装置は記録媒体５１を静止ヘッド５０を通過させて
移動するのに最も便利にする。ただし、走査方式印刷装
置の場合においては、印字ヘッド５０を１軸沿いに（サ
ブ走査方向）、記録媒体５１を直交軸沿いに（主走査方
向）、ラスタ移動に対して相対的に移動するのが最も便
利である。マイクロコントローラ３１５は、インク圧力
調整器６３およびヒーター制御回路７１も制御してもよ
い。
【００４８】表面張力低減を用いる印字では、インクは
圧力下のインクリザーバ６４に収納する。静止状態（イ
ンクドロップを噴射しない状態）では、インクの圧力は
インクの表面張力に打ち勝ち、かつドロップを噴射する
のに十分である。定常的なインク圧力は、インク圧力調
整器６３の制御下のインクリザーバへ圧力を加えて達成
する。そうする代わりに、大型の印字装置では、インク
圧力をきわめて正確に生成し、インクリザーバ６４内で
印字ヘッド５０より上の適当な位置にインク表面をする
ことにより制御する。このインクの液量は、簡単なフロ
ートバルブ（図示せず）で調整できる。
【００４９】粘度低減を用いる印字では、インクは圧力
下のインクリザーバ６４に収納し、インク圧力を振動さ
せる。この振動を発生させる手段は、インクチャネルに
圧電アクチュエータを実装したもの（図示せず）でもよ
い。
【００５０】ドロップ分離手段と正しく整合させると、
選択後のドロップは記録媒体にスポットを形成する一
方、未選択のドロップがインク本体の一部分のままにな
る。
【００５１】インクは、インクチャネル装置７５によっ
て印字ヘッド５０の裏面へ送られる。インクは、印字ヘ
ッド５０のシリコンサブストレートにエッチングした溝
や孔から正面表面へ流れ、そこにノズルとアクチュエー
タがある。熱選択の場合においては、ノズルとアクチュ
エータは電熱ヒーターである。
【００５２】本発明によるプリンタによっては、外部磁
界７４によって選択後のドロップをインク本体から分離
し、記録媒体５１へ移動させることが必要になる場合が
ある。外部磁界７４は定常電界なので、インクを容易に
導電性にできる。その場合、ペーパガイド、すなわちプ
ラテン６７を導電性材料でつくり、電極として使用して
電界をつくってもよい。印字ヘッド５０自体を電極にし
てもよい。別の実施形態では、選択後ドロップと未選択
ドロップの選択手段として印刷媒体の近傍を利用してい
る。
【００５３】ドロップサイズが小さい場合、インクドロ
ップにかかる重力がきわめて小さい。表面張力の約10^-
4なので、重力を無視できるのがほとんどの場合であ
る。これにより、印字ヘッド５０と記録媒体５１を局部
的磁界に対してどのような向きに向けることもできる。
これは、携帯型プリンタでは重要な条件である。
【００５４】図２は、本発明の実施形態の単一の顕微鏡
式ノズル先端をCMOS改造工程で製作したものの断面を拡
大した図である。ノズルはサブストレート１０１にエッ
チングしてあり、サブストレート１０１はシリコン、ガ
ラス、その他の適当な材料でよい。半導体材料でないサ
ブストレートを使用する場合、（非晶質シリコンなど
の）半導体材料をサブストレートにデポジットし、統合
化ドライブトランジスタとデータ配布回路を表面半導体
層に形成してもよい。単結晶シリコン（SCS）サブスト
レートにはおもに以下のような幾つかのメリットがあ
る： １）高性能ドライブトランジスタおよびその他の回路を
SCSに造り込める。 ２）標準のVLSI製造設備を利用して、印字ヘッドを既存
の設備（工場）で製造できる。 ３）SCSは機械的強度と剛性が高い。 ４）SCSは熱伝導性が高い。
【００５５】この例では、ノズルは円筒形状であり、ヒ
ーター１０３がつばを形成している。ノズル先端１０４
は二酸化珪素層１０２で形成してあり、二酸化珪素層１
０２はCMOSドライブ回路の製作時にデポジットする。ノ
ズル先端は、窒化珪素で不動態化してある。突き出てい
るノズル先端が印字ヘッド表面上の加圧インク１００の
接点を制御する。印字ヘッド表面は疎水化もしてあり、
これにより印字ヘッド表面でインクが不用意に散乱しな
いようにしてある。
【００５６】これ以外にも多くのノズル構成が可能であ
り、本発明によるノズルの実施形態は形状、寸法、材料
がさまざまであってよい。サブストレートにモノリシッ
クノズルをエッチングし、その上にヒーターとドライブ
の電子装置を形成したものには、オリフィスプレートを
要しないというメリットがある。オリフィスプレートが
不要になると、製造と組立の時点でかなりのコスト節減
になる。オリフィスプレートを不要にするために最近の
方法として、1986年のドモトらの米国特許No.4,580,159
（Xeroxへ譲渡）、1994年のミラーらの米国特許No.5,37
1,527（Hewlett-Packardへ譲渡）などに記載されている
「渦巻」アクチュエータがあげられる。しかしながら、
これらは操作が複雑であり、製作もむずかしい。本発明
の印字ヘッドに用いるオリフィスプレートをなくす方法
として望ましいのは、オリフィスをアクチュエータサブ
ストレートへ組み込むことである。
【００５７】この種のノズルは、ドロップ分離にさまざ
まな手法を用いている印字ヘッドに使用してもよい。
【００５８】〔静電ドロップ分離を用いたオペレーショ
ン〕一番目の実施例として、表面張力の熱低減と静電ド
ロップ分離を用いたオペレーションを図３及び図４に示
す。
【００５９】図３及び図４に、Fluid Dynamics Inc., o
f Illinois, USAが販売している業務用液体動的シミュ
レーションソフトウェアパッケージであるFIDAPを使用
して行なったエネルギー移動と液体の動的シミュレーシ
ョン結果を示す。このシミュレーションは、熱ドロップ
選択ノズルを実施したものであり、直径が８μm、周囲
温度が30℃である。ヒーターへかかる総エネルギーは27
6nJであり、各４nJの69パルスとして作用する。インク
圧力は周囲大気圧より10kPa高く、30℃時のインク粘度
は1.84cPsである。このインクは水基剤であり、0.1%パ
ルミチン酸のコロイド溶液を含有することにより、温度
上昇に伴なう表面張力低減を強化してある。ノズル中心
軸から半径方向へ40μmまでのこのノズル前端の断面を
示す。シリコン、窒化珪素、非晶質二酸化珪素、結晶二
酸化珪素、水基剤インクその他の各種材料のノズル内の
熱流をシミュレートしてある。シミュレーションには、
材料のそれぞれの密度、熱容量、熱伝導性を用いてあ
る。シミュレーションの時間設定は0.1μsである。
【００６０】図３に、静止状態、すなわちヒーターが作
動する直前の状態を示す。平衡状態が成立しているの
で、静止状態のノズルからインクが逃げることがない。
この静止状態は、インク圧力に外部静電界を加えたもの
が周囲温度でのインクの表面張力に打ち勝つのに不十分
なゆえに成立している。この静止状態においては、イン
クのメニスカスが印字ヘッド表面からわずかでも突き出
ることがないので、静電界の集中がメニスカスでは著し
くない。
【００６１】図４に、５℃時、ヒーター付勢パルス開始
後インターバル５μs経過後の熱輪郭線を示す。ヒータ
ーが付勢すると、ノズル先端と接触しているインクが急
速に熱せられる。表面張力の低減によって、メニスカス
の加熱部分が冷たいインクのメニスカスに対して急速に
膨張する。これにより対流が起き、ノズル先端のインク
の自由表面へ熱が急速に伝わる。熱はかならずしもイン
ク表面全体へ伝わるわけではなく、またインクがヒータ
ーと接触しているところだけに留まっているわけでもな
い。これは、固体であるヒーターに対する粘性抵抗によ
ってインクがヒーターと直接接触して移動することがな
いようにしているからである。
【００６２】図５に、５℃時、ヒーター付勢パルス開始
後インターバル10μs経過後の熱輪郭線を示す。温度が
上昇すると表面張力が低減し、力のと力の平衡状態にひ
ずみが生じる。メニスカス全体が加熱されると、リンク
が流れ始める。
【００６３】図６に、５℃時、ヒーター付勢パルス開始
後インターバル20μs経過後の熱輪郭線を示す。リンク
の圧力によってインクが新しいメニスカス位置へ流れて
いて、印字へから突き出ている。伝導性インクドロップ
が突き出ていることにより、静電界が集中している。
【００６４】図７に、５℃時、ヒーター付勢パルス開始
後インターバル30μs経過後の熱輪郭線を示す。ヒータ
ーのパルス持続時間が24μsなので、ヒーターパルス終
了後６μsでもある。酸化層の伝導および流動インクへ
の伝導により、ノズル先端が急速に冷却されている。ノ
ズル先端はインクによって効果的に「水冷」されてい
る。静電吸着によって、インクドロップが記録媒体へ向
かって加速し始めている。ヒーターパルスがこれよりも
少しでも短ければ（この場合16μs未満）、インクは印
刷媒体へ向かって加速することをせず、ノズルへもどる
はずである。
【００６５】図８に、５℃時、ヒーター付勢パルス開始
後インターバル26μs経過後の熱輪郭線を示す。ノズル
先端の温度が周囲温度を５℃未満しか上回っていない。
これにより、ノズル先端周囲の表面張力が増す。インク
がノズルから引き込まれる速度がノズルを流れるインク
フローの粘度限界を超えると、ノズル先端部分のインク
に「頸部」ができ、選択後ドロップがインクドロップか
ら分離する。次に、選択後のドロップは外部静電界影響
下の記憶媒体へ移動する。次に、ノズル船体のインクの
メニスカスが静止位置へもどり、その次のヒートパルス
によってその次のインクドロップをいつでも選べるよう
になる。インクドロップを選択、分離すると、ヒートパ
ルスごとに記録媒体にスポットを形成する。ヒートパル
スを電気的に制御すると、ドロップオンデマンドインク
ジェットオペレーションを達成できる。
【００６６】図９に、ヒーター付勢パルス開始時に開始
する５μsインターバルのドロップ選択サイクル時の連
続メニスカス位置を示す。
【００６７】図１０に、メニスカス位置と時間との関係
を示し、メニスカス中心でのポイントの移動を示す。ヒ
ートパルスは10μsで図のシミュレーションを開始す
る。
【００６８】図１１に、温度とそれぞれの時間との関係
をノズルの各ポイントで測定した結果を曲線にしたもの
を示す。グラフの縦軸は時間を表す。単位は10μsであ
る。図１０に示す温度曲線は、0.1μsステップを用いて
FIDAPで計算してものである。局部的周囲温度は30℃で
ある。３箇所での温度ヒステリシスを以下のようにして
示してある： Ａ − ノズル先端： 不動態化層、インク、エアの間で
の接触円周での温度履歴を示す。 Ｂ − メニスカス中点： ノズル先端とメニスカス中心
との中間のインクメニスカスの円周での温度履歴を示
す。 Ｃ − チップ表面： ノズル中心から20μm離れた印字ヘ
ッド表面のポイントでの温度履歴を示す。温度はわずか
に上昇している。これは、アクティブな回路をノズルの
近づけても、温度上昇による性能や寿命の劣化が起きな
ということである。
【００６９】図１３に、ヒーターに加わる電力を示す。
最適なオペレーションにはヒーターパルス開始時に温度
が急上昇すること、インクの沸点にわずかに満たない温
度をパルス持続時間だけ維持すること、パルス終了時に
温度が急下降することが必要である。そのためには、ヒ
ーターにくわえる平均電力をパルス期間中変化させる。
この場合、パルス変調を0.1μsサブパルスとして、その
それぞれを４nJのエネルギーにして変動を達成する。ヒ
ーターにくわわるピーク電力は40mWであり、ヒーターパ
ルス全体の平均電力は11.5mWである。これは、容易に変
えることができ、印字ヘッドのオペレーションに著しい
影響が及ぶこともない。サブパルスの周波数を高くする
と、ヒーターに加わる電力の制御を肌理細かにできる。
サブパルス周波数は13.5MHzが最適であり、この周波数
は無線周波妨害（RFI）の効果も極小化できる。
【００７０】〔表面張力の負の温度係数を持たせたイン
ク〕温度上昇につれて下降すべきインクの表面張力の要
件は、ほとんどの液体と多くの混合物にこの特性が備わ
っていることから、大きな制約ではない。任意液体の温
度と表面張力とを関連づける数式はない。ただし、ラム
ゼーとシールドが考案した下記の数式は数多くの液体で
満足がいく結果が得られる：
【００７１】
【数１】
【００７２】ここで、γTは温度Ｔ時の表面張力であ
り、ｋは定数、Ｔｃは液体の臨界温度、Ｍは液体のモル
質量、ｘは液体の関連度であり、ｐは液体の濃度であ
る。この数式から、温度が液体の臨界温度に達すると大
分部分の液体の表面張力がゼロまで低下することが伺わ
れる。ほとんどの液体では、臨界温度は大気時沸点のか
なり上なので、実際的な噴射温度前後であまり温度を変
化させないで表面張力を大きく変えるには、表面活性剤
を混合しておくとよい。
【００７３】表面活性剤の選択は重要である。たとえ
ば、熱インクジェットプリンタに用いる水基剤インクは
イソプロピルアルコール（２−プロパノール）を含有し
ていることが多く、これにより表面張力を低減し、迅速
に乾燥させている。イソプロピルアルコールの沸点は8
2.4℃であり、水の沸点より低い。温度が上昇するにつ
れて、アルコールが水より早く蒸発するので、アルコー
ル濃度が低下し、表面張力が上昇する。１−ヘキサノー
ル（沸点158℃）などの表面活性剤はこの効果を逆転で
き、温度が上昇してもわず表面張力がわずかしか低減し
ない。ただし、表面張力を比較的大きく低減することは
運転の寛容度を極大化するうえで望ましい。温度範囲30
℃にｗたって表面張力が20mN/m低下するのが運転マージ
ンを大きくするうえで望ましい一方、本発明の印字ヘッ
ドのオペレーションは10mN/mでも達成できる
【００７４】〔ΔγIの大きいインク〕温度上昇に対し
て、表面張力に負の変化を起こすべく幾つかの方法を講
じてもよい。そうした２つの方法として以下のものがあ
げられる： １）インクに低能度の表面活性剤のコロイド溶液が含有
されている場合があり、それが周囲温度では固体だが、
しきい温度では溶融する。1,000オングストローム未満
の粒子サイズがの望ましい。水基剤インクの表面活性剤
の融点は60℃から80℃の間が望ましい。 ２）位相反転温度（PIT）が最高周囲温度より高いが、
インクの沸点より低い油／水ミクロエマルジョンがイン
クに含有されている場合がある。安定性に関する限りに
おいては、マイクロエマルジョンのPITはインクが遭遇
する最高非動作温度より20℃以上高いことが望ましい。
約80℃なら適当なPITである。
【００７５】〔表面活性剤コロイド溶液を用いたイン
ク〕インクは、目的の動作温度範囲内で溶融する表面活
性剤の小粒子のコロイド溶液として調製することができ
る。そした表面活性剤の一例として、以下のような炭素
原子が14から30の間のカルボン酸があげられる：
【００７６】
【表４】
【００７７】小粒子サイズのコロイド溶液の融点が粉粒
体の融点よりわずかに低いのが通常であることから、融
点が目的のドロップ選択温度よりわずかに高いカルボン
酸を選ぶのが望ましい。その好例がアラキン酸である。
【００７８】上記のごとくのカルボン酸は高純度のもの
が低コストで入手できる。表面活性剤の所要分量はきわ
めて少量なので、インクに添加してもコストは無視し得
る程度である。カルボン酸と連鎖の長さがわずかに違う
ものとの混合物を用いれば、温度範囲全体にわたって融
点を拡大できる。そうした混合物は純粋な酸よりコスト
がかからないのが通常である。
【００７９】表面活性剤の選択を単純な枝なしカルボン
酸に制限することは必要ではない。枝分れ鎖、すなわち
フェニル類その他の疎水性のものを備えた表面活性剤な
ら使用できる。カルボン酸を使用することも必要ではな
い。高有極成分はその多くが親水側の表面活性剤として
最適である。そうした親水側を水中でイオン化できるよ
うにし、これにより表面活性剤粒子の表面を酸散乱さ
せ、凝集を防止するのが望ましい。カルボン酸の場合に
おいては、これは水酸化ナトリウムや水酸化カリウムな
どのアルカリを加えることにより行なえる。
【００８０】〔表面活性剤コロイド溶液を用いたインク
の調製〕表面活性剤コロイド溶液は、別々に高濃度で調
製し、インクに加えて所定の濃度にできる。
【００８１】表面活性剤コロイド溶液調製方法の一例と
して以下の方法があげられる： １）カルボン酸を酸素のない雰囲気内で浄水に加える。 ２）カルボン酸の融点より上に混合物を熱する。浄水が
沸騰してもよい。 ３）カルボン酸ドロップの代表的粒子が100オングスト
ロームから1,000オングストロームのあいだになるまで
混合物を超音波処理する。 ４）混合物を冷ます。 ５）混合物の上部から大型粒子を取り除く。 ６）NaOHなどのアルカリを加えて、粒子表面のカルボン
酸分子をイオン化する。pH８程度が適当である。このス
テップはかならずしも必要ないが、コロイド溶液の安定
化に役立つ。 ７）コロイド溶液を遠心分離器にかける。カルボン酸の
濃度が水より低いので、小さい粒子が得んし分離器の外
側に集まり、大きい粒子が中心に集まる。 ８）マイクロポーラスフィルタで漉して、5000オングス
トローム以上の粒子を取り除く。 ９）表面活性剤コロイド溶液を調製中のインクへ加え
る。コロイド溶液はきわめて希釈度が高いことだけを要
する。
【００８２】静電ドロップ分離を使用し、湿潤薬および
その他の薬品を必要に応じて使用する場合、インク調製
に染料や顔料、殺菌剤、薬品を加えて、インクの導電性
を強化する場合もある。
【００８３】ドロップ噴射工程ではバブル形成がないの
で、消泡剤が必要になるのが通常である。
【００８４】〔陽イオン表面活性剤コロイド溶液〕陰イ
オン表面活性剤コロイド溶液を用いてつくるインクは、
陽イオン染料や陽イオン顔料に使用するのに不向きであ
るのが通常である。これは、陽イオン染料や陽イオン顔
料が陰イオン表面で凝結したり凝縮するからである。陽
イオン染料や陽イオン顔料に使用を可能にするには、陽
イオン表面活性剤コロイド溶液が必要である。アルキル
アミン類はこの用途に最適である。
【００８５】アルキルアミン類として適当なものを以下
に示す：
【表５】
【００８６】陽イオン表面活性剤コロイド溶液の調製方
法は、陰イオン表面活性剤コロイド溶液とほどんど同じ
だが、アルカリでなく酸を使ってｐＨバランスを調節
し、表面活性剤粒子の荷電を増すことだけが違いであ
る。HClを用いてｐＨが６なら適当である。
【００８７】〔マイクロエマルジョン基剤インク〕若干
の温度しきい値にみるごとくに、表面張力の大幅な低減
を実現するための代替手段はインクの基剤としてマイク
ロエマルジョンを用いることである。マイクロエマルジ
ョンは、位相反転温度（PIT）が目的の噴射しきい温度
前後のものを選ぶ。PIT未満ではマイクロエマルジョン
は水中油（O/W）であり、PIT超ではマイクロエマルジョ
ンは油中水（W/O）である。低温では、マイクロエマル
ジョンを形成する表面活性剤は曲率の高い油周囲表面を
好み、PITより著しく高い温度では、表面活性剤は曲率
の高い水周囲表面を好む。PITに近い温度では、マイク
ロエマルジョンは連続「スポンジ」状態トポロジー的油
水結合を形成する。
【００８８】表面張力を低減するメカニズムとして２つ
のものがあげられる。PIT前後では、表面活性剤は曲率
のきわめて低い表面を好む。その結果、表面活性剤の分
子がインク／エア界面へ移動し、油乳濁液の曲率にはる
かに満たない曲率になる。これにより、水の表面張力が
低減する。位相反転温度超では、マイクロエマルジョン
がO/WからW/Oへ変わり、したがってインク／エア界面が
水／空気から油／空気へ変わる。この油／空気界面の表
面張力はきわめて低い。
【００８９】マイクロエマルジョン基剤インクの調製方
法としては広範なものが考えられる。
【００９０】高速ドロップ噴射の場合、低粘度油に近い
ことが望ましい。多くの場合、水は適当な極性溶剤であ
る。ただし、場合によっては違った種類の極性溶剤が必
要になることがある。そうした場合においては、表面張
力の高い有極溶剤を選ぶことにより、表面張力の大幅な
低減を達成する。
【００９１】表面活性剤は、目的の範囲内の位相反転温
度を招来するように選択できる。たとえば、オリ（オキ
シエチレン）アルキルフェニルエーテル（エトキシル化
アルキルフェノール、一般式：ＣnＨ2n+1Ｃ4Ｈ6（ＣＨ2
ＣＨ2Ｏ）mＯＨ）を使用できる。表面活性剤の親水性
は、ｍを増すことにより向上させることができ、疎水性
はｎを増すことにより向上させることができる。ｍとし
て約10、ｎとして約８が適当である。
【００９２】ローコスト業務ベース調製は、さまざまな
モル比の酸化エチレンおよびアルキルフェノールを重合
化すると行なえ、オキシエチレン基の具体的な個数は選
択手段によってさまざまである。こうした業務ベース調
製が適当であり、オキシエチレン基の個数を特定し、高
度に純粋な表面活性剤を調製することは要しない。
【００９３】この表面活性剤の化学式は、Ｃ8Ｈ17Ｃ4Ｈ
6（ＣＨ2ＣＨ2Ｏ）nＯＨ（ｎの平均は10）である。
【００９４】別名には、オクトキシノール-10、PEG-10
オクチルフェニールエーテル、PE(10)オクチルフェニー
ルエーテルがある。
【００９５】ＨＬＢは13.6であり、融点は７℃、曇り点
は65℃である。
【００９６】この表面活性剤の業務ベース調製は、さま
ざまな商標名で行なわれている。サプライヤーと商標名
を以下に一覧する：
【００９７】
【表６】
【００９８】上記の薬品は大量に低コスト（１ポンド当
り１ドル未満）で入手でき、濃度５％の表面活性剤では
調製後のマイクロエマルジョンインク１リットル当り10
パーセントにも満たない。
【００９９】このほかで最適なエトキシル化アルキルフ
ェノールには、以下のごとくのものがある：
【０１００】
【表７】
【０１０１】マイクロエマルジョン基剤インクには、表
面張力の調整が利く以外に以下のようなメリットがあ
る： １）マイクロエマルジョンは熱力学的平衡安定性に優
れ、分離しない。したがって、時々しか使用されない場
合があるオフィスプリンタや携帯型プリンタでは特に意
味がある。 ２）マイクロエマルジョンは、どのようなドロップサイ
ズにでも自然にでき、長時間攪拌したり、遠心分離器に
かけたり、濾過しないでもそれぞれの範囲の乳化油滴サ
イズが可能である。 ３）インクに含有されている油の分量がきわめて多いの
で、油性の染料でも水性の顔料でも使用できる。また、
水溶性の染料や油性の染料を混ぜて使用してもそれぞれ
の色が得られる。 ４）油混和性顔料を油マイクロドロップに封じ込めるの
で、油混和性顔料の凝縮を防止できる。 ５）マイクロエマルジョンを使用すれば、印刷媒体表面
上で別種の染料色を混合する機会を低減できる。 ６）マイクロエマルジョンの粘度はきわめて低い。 ７）湿潤剤の条件を緩和または廃止できる。
【０１０２】〔マイクロエマルジョン基剤インクに用い
る染料及び顔料〕水中油混合液体の油含有量は40%にも
およぶ場合があり、依然として水中油マイクロエマルジ
ョンを形成する。これにより、染料や顔料の負荷を高く
できる。
【０１０３】染料と顔料の混合物を使用できる。染料と
顔料の両方とのマイクロエマルジョン基剤インク混合物
の一例として以下のものがあげられる： １）７０％水 ２）５％水溶性染料 ３）５％表面活性剤 ４）１０％油 ５）１０％油混和性顔料
【０１０４】油相および水相のマイクロエマルジョンと
して使用できる基本的な９種類の着色料を下表に示す：
【０１０５】
【表８】
【０１０６】着色料を使用しない上記の９種類の組み合
わせは、透明コーティング、ＵＶインク、選択的光沢強
調の印字に便利である。
【０１０７】数多くの染料が両親媒性なので、大量の染
料を油−水境界層中で可溶化できるが、それは油−水境
界層の表面積がきわめて大きいからである。
【０１０８】複数の染料や顔料を各相に持たせ、染料や
顔料を各相の混合物にすることも可能である。
【０１０９】複数の染料や顔料を使用する場合、その結
果得られるインクの吸収スペクトルは、使用する別々の
着色料の吸収スペクトルの加重平均になる。これは以下
のような２つの問題になる： １）吸収スペクトルは、両方の着色料の吸収ピークを平
均すると、拡がる傾向がある。これは、色を濁らせる原
因になる。鮮やかな色彩を得るには、見た目だけではな
く、染料と顔料の吸収スペクトルをもとに染料や顔料を
入念に選ぶことが必要になる。 ２）サブストレートが変わるとインクの色が変わる場合
がある。染料と顔料とを組み合わせて使用する場合、吸
収性の高い用紙では染料の色が印字後のインクの色彩に
あまり反映されない傾向があるが、これは染料が用紙に
吸収される一方、顔料が用紙の上ののる傾向があるから
である。これは、状況によってはメリットになる場合も
ある。
【０１１０】〔ドロップ選択温度範囲内のクラフト点の
表面活性剤〕イオンを含有する表面活性剤では、その温
度より下がると可溶性がきわめて低くなり、溶液に本質
的に膠質粒子を何も含有しなくなる温度（クラフト点）
がある。このクラフト点超では、膠質粒子の形成が可能
であり、表面活性剤の可溶性も急速に増大する。臨界ミ
セル濃度（CMC）がある温度で表面活性剤の可溶性を超
えると、CMCでではなく最大可溶性温度でミニマム表面
張力に達する。表面活性剤は、クラフト点よりはるかに
低い温度で効果を発揮するのが通常である。
【０１１１】上記のファクターは、温度上昇に伴なう表
面張力の低減を増大するのに使える。周囲温度では、表
面活性剤の一部分しか溶液内に入っていない。ノズルヒ
ーターが起動し、温度が上昇し、それまでより大量の表
面活性剤が溶液に入ると、表面張力が低下する。
【０１１２】表面活性剤は、インクの温度が上昇した時
点での温度範囲の上限にクラフト点が近いものを選ぶよ
うにする。これは、周囲温度での溶液中の表面活性剤の
濃度とドロップ選択温度での溶液中の表面活性剤の濃度
との間のマージンを最大にするためである。
【０１１３】表面活性剤の濃度は、クラフト点でCMCに
ほぼ等しいとよい。このようにして、表面張力を温度上
昇時の最大分量に低減し、周囲温度のときは最低分量に
低減する。
【０１１４】クラフト点が目的の範囲内であって市販さ
れている表面活性剤を幾つか下表に示す。
【表９】
【０１１５】〔曇り点がドロップ選択温度範囲内の表面
活性剤〕ポリキシエチレン（POE）連鎖を用いた非イオ
ン含有表面活性剤を使用すれば、表面張力が上昇温度範
囲内に収まるインクをつくれる。低温では、POE連鎖は
親水性であり、表面活性剤は溶液中に収まっている。温
度が上昇すると、分子中のPOE部周囲の構造化水が破砕
され、POE部が疎水性になる。この表面活性剤は、温度
が上昇するにつれてそれだけ水に拒絶されるようにな
り、その結果、空気／インク界面での表面活性剤の濃度
が上昇し、これにより表面張力が低下する。非イオン含
有表面活性剤のPOE部が疎水性になる温度は、表面活性
剤の曇り点に関連している。POE連鎖自体が特に最適な
わけではないのは、曇り点が基本的に100℃だからであ
る。
【０１１６】ポリキシプロピレン（POP）はPOE/POPブロ
ック共重合体のPOEと結合して、POE連鎖の曇り点を低下
させるが、低温でも疎水性が強くなるということがな
い。
【０１１７】対称的POE/POP共重合体にはおもに２種類
の構成のものがある。そうした対称的POE/POP共重合体
は以下のとおりである： １）poloxmerクラスの表面活性剤（分類ではCAS9003-11
-6）などの分子端部にPOE部を持ち、中心にPOP部を持つ
表面活性剤。 ２）meroxapolクラスの表面活性剤（分類ではCAS9003-1
1-6）などの分子端部にPOP部を持ち、中心にPOE部を持
つ表面活性剤。
【０１１８】市販されているpoloxamerやmeroxapolは種
類によっては、40℃超、100℃未満の曇り点と結合し
て、室温で強い表面張力を発揮するものがあり、そうし
たものを下表に示す：
【０１１９】
【表１０】
【０１２０】上記以外のpoloxamerおよびmeroxapolは、
周知の手法を用いて容易に合成できる。望ましい特性と
して、室温での表面張力が高く、雲り点が40℃〜100℃
であるものがあげられ、60℃〜80℃であるのが望まし
い。
【０１２１】Meroxapol［ＨＯ（ＣＨＣＨ3ＣＨ2Ｏ）
x（ＣＨ2ＣＨ2Ｏ）y（ＣＨＣＨ3ＣＨ2Ｏ）zＯＨ］は種
類によっては、ｘとｚの平均が約４であり、ｙの平均が
約15であるものがあり、そうしたものなら適当である場
合がある。
【０１２２】塩分を使用してインクの導電性を改善する
場合、そうした塩分が表面活性剤の雲り点へ及ぼす影響
を考慮しなければならない。
【０１２３】（Ｉ- などのように）水構造を破砕するイ
オンによってPOE表面活性剤の雲り点は上昇するが、そ
れは水の分子をさらに利用できるようになってPOE酸素
単独ペアと水素結合するからである。POE表面活性剤の
雲り点は、水構造を形成する（Ｃｌ、ＯＨなどの）イオ
ンによって上昇するが、それは水の分子をあまり利用で
きなくなって水素結合できなくなるからである。臭素イ
オンは比較的効果がない。インクの合成は、目的の温度
範囲に合わせて「調整」できる。そのためには、ブロッ
ク共重合体表面活性剤内のPOE連鎖とPOP連鎖の長さを変
え、導電性を増すのに使用している塩分の選択を（例．
ＣｌからＢｒ、Ｉへ）変える。NaClは、インクの導電性
を増すのに最善の塩分であるが、それは低コストであり
毒性がないからである。NaClは非イオン表面活性剤の雲
り点をわずかに低下させる。
【０１２４】〔ホットメルトインク〕インクは、かなら
ずしも室温で液体でなければならないわけではない。固
体の「ホットメルト」インクは、印字ヘッドで加熱して
使用し、インクリザーバがインクの溶融ポイントの上に
ある。ホットメルトインクは、然るべく調製することに
より、溶融インクの表面張力が温度と共に低化するので
なければならない。ワックスその他の物質を使用したホ
ットメルトインクの調製では、２mN/m程度の低下が代表
的である。ただし、表面張力の低下が２０mN/m程度でな
いと、表面張力の低下の方に粘度の低下より依存してい
る場合、良好なオペレーションマージンといえない場合
がある。
【０１２５】静止状態の温度とドロップ選択状態の温度
との温度差は、水基剤インクの場合よりも大きくなけれ
ばならない場合があるが、それは水基剤インクが水の沸
点という制約を受けているからである。
【０１２６】ホットメルトインクは静止温度では液体で
なければならない。静止温度は、印字ページが遭遇する
ような周囲温度のうち最高温度より高くなければならな
い。静止温度は、できるかぎり低くすることにより、印
字ヘッドの加熱に要する電力を節約し、静止温度とドロ
ップ噴射温度との温度差を最大にするのでなければなら
ない。静止温度は６０℃〜９０℃の間が適当であるが、
これ以外の温度を用いてもよい。ドロップ噴射温度は16
0℃〜200℃の間が基本的に適度である。
【０１２７】温度が上昇したときに表面張力の低下を強
化する方法が幾つかある。 １）融点を静止温度よりかなり高くし、ドロップ噴射温
度よりかなり低くしておき、液相のときに表面活性剤の
微粒子をホットメルトインクに散乱させる。 ２）有極性合成物と無極性合成物の両方の融点の上少な
くとも２０℃にPITをしておき、有極性／無極性マイク
ロエマルジョンを利用する。
【０１２８】温度と共に表面張力を大幅に低減するに
は、静止温度のときにホットメルトインクキャリヤに比
較的大きな表面張力（３０mN/m超）を持たせるとよい。
これにより、基本的に、ワックスなどのアルカンを除去
する。最適な材料の分子間引力が強いのが通常であり、
これはたとえばHexanetetrolなどのポリオルの複数の水
素結合によるものであり、Hexanetetrolの融点は８８℃
である。
【０１２９】〔各種溶液の表面張力低減〕図１２に、以
下のごとくの添加剤を含有する各種の水性製剤の表面張
力に及ぼす温度の効果の測定結果を示す： １）０.１％ステアリン酸 ２）０.１％パルミチン酸コロイド溶液 ３）０.１％Pluronic 10R5（ＢＡＳＦの商標）溶液 ４）０.１％Pluronic L35（ＢＡＳＦの商標）溶液 ５）０.１％Pluronic L44（ＢＡＳＦの商標）溶液
【０１３０】本発明の印字装置に最適なインクは、以下
のごとくのオーストラリア特許明細書に記載されてお
り、その内容を参照によって本明細書の一部分とする：
【０１３１】「マイクロエマルジョンをベースにしたイ
ンク合成」（登録番号： PN5223、1995年9月6日）；
「表面活性剤コロイド溶液を含有するインク合成」（登
録番号： PN5224、1995年9月6日）；「ドロップ選択温
度コロイド溶液クラフト点近傍ＤＯＤプリンタに用いる
インク合成」（登録番号： PN6240、1995年10月30
日）；「マイクロエマルジョンをベースにしたインクの
染料と顔料」（登録番号： PN6241、1995年10月30
日）。
【０１３２】〔粘度低減を用いたオペレーション〕第二
番目の実施例として、粘度熱低減と近傍ドロップ分離と
ホットメルトインクとの組み合わせを利用した実施形態
のオペレーションを以下に示す。プリンタを作動させる
前に、固体インクをリザーバ６４内で溶かしておく。リ
ザーバ、印字ヘッドへのインク通路、インクチャネル７
５、印字ヘッド５０は、インク１００が液体である温度
に保っておくが、比較的高い粘度になっている（たとえ
ば、約100cP）。インク１００は、インクの表面張力に
よってノズル内にとどまっている。インク１００を然る
べく調剤することにより、インクの粘度が温度上昇と共
に低減するようにしておく。ノズルからのドロップ噴射
周波数の積分倍数である周波数でインク圧力を振動させ
る。このインク圧力の振動により、ノズル先端のインク
のメニスカスが振動するが、この振動はインクの粘度が
高いので小さい。所定の作動温度では、この振動が不十
分な振幅になってドロップ分離を招来する。ヒーター１
０３が付勢すると、選択後のドロップを形成するインク
が加熱し、粘度が望ましくは５cPまで低減する。こうし
て低減した粘度によってインクのメニスカスがインク圧
力サイクルの高圧時にさらに移動する。記録媒体５１を
印字ヘッド５０に十分に近づけて配置することにより、
選択後のドロップが記録媒体５１と接触するが、十分に
離れているので、未選択のドロップが記録媒体５１に接
触しない。記録媒体５１と接触すると、選択後のドロッ
プの一部分が凝固し、記録媒体に付着する。インクの圧
力が低下すると、インクがノズルへもどり始める。イン
クの本体が記録媒体に凝結して付着したインクから分離
する。すると、ノズル先端のインク１００のメニスカス
が狭振幅振動へもどる。インクの粘度が静止レベルまで
上昇する一方、残りの熱がバルク状態のインクと印字ヘ
ッドへ消散する。ヒートパルスの都度、インクドロップ
１個を選択し、分離し、記録媒体５１にスポットを形成
する。ヒートパルスを電気的に制御してあるので、ドロ
ップオンデマンドインクジェットのオペレーションを達
成できる。
【０１３３】〔印字ヘッドの製造〕本発明によるモノリ
シック印字ヘッドの製造工程は、以下のごとくの1995年
4月12日付けオーストラリア特許明細書に記載されてお
り、その内容を参照によって本明細書の一部分とする：
【０１３４】「モノリシックＬＩＦＴ印字ヘッド」（登
録番号： PN2301）；「モノリシックＬＩＦＴ印字ヘッ
ドの製造工程」（登録番号： PN2302）；「ＬＩＦＴ印
字ヘッドに用いる自己調心ヒーター」（登録番号： PN2
303）；「一体型４色ＬＩＦＴ印字ヘッド」（登録番
号： PN2304）；「モノリシックＬＩＦＴ印字ヘッドの
所要電力低減」（登録番号： PN2305）； 「異方性ウ
ェットエッチングを用いたモノリシックＬＩＦＴ印字ヘ
ッドの製造工程」（登録番号： PN2306）；「モノリシ
ックドロップオンデマンドヘッドのノズル配置」（登録
番号： PN2307）；「モノリシックＬＩＦＴ印字ヘッド
に用いるヒーター構造」（登録番号： PN2346）；「モ
ノリシックＬＩＦＴ印字ヘッドの電源接続」（登録番
号： PN2347）；「近接ＬＩＦＴ印字ヘッドの外部接
続」（登録番号： PN2348）；「モノリシックＬＩＦＴ
印字ヘッドの自己調心製造工程」（登録番号： PN234
9）；「ＬＩＦＴ印字ヘッドのＣＯＭＳ工程互換製作」
（1995年9月6日、登録番号：PN5222）；「ノズルリムヒ
ーターを用いたＬＩＦＴ印字ヘッドの製造工程」（1995
年10月30日、登録番号： PN6238）；「モジュール式Ｌ
ＩＦＴ印字ヘッド」（1995年10月30日、登録番号： PN6
237）；「印字ヘッドの充てん密度増大方法」（1995年1
0月30日、登録番号： PN6236）；「同時印字ドロップ間
静電相互作用低減に用いるノズル分散」（1995年10月30
日、登録番号： PN6239）。
【０１３５】〔印字ヘッドの制御〕本発明による印字ヘ
ッドの温度制御とページ画像データ実現の手段は、以下
のごとくの1995年4月12日付けオーストラリア特許明細
書に記載されており、その内容を参照によって本明細書
の一部分とする：
【０１３６】「ＬＩＦＴ印字ヘッドの集積駆動回路」
（登録番号： PN2295）；「液体インクフォールトトレ
ラント（ＬＩＦＴ）印字に用いるノズル清掃手順」（登
録番号： PN2294）；「ＬＩＦＴ印字システムのヒータ
ー出力温度補正」（登録番号： PN2314）；「ＬＩＦＴ
印字システムの熱ラグに用いるヒーター出力補正」（登
録番号： PN2315）；「ＬＩＦＴ印字システムの印字密
度に用いるヒーター出力補正」（登録番号：PN2316）；
「印字ヘッドの温度パルスの高精度制御」（登録番号：
PN2317）；「モノリシックＬＩＦＴ印字ヘッドのデー
タ配布」（登録番号： PN2318）；「ＬＩＦＴ印字シス
テムのフォールトトレラント経路決定装置とページ画
像」（登録番号： PN2319）；「ＬＩＦＴプリンタに用
いる着脱式加圧液体インクカートリッジ」（登録番号：
PN2320）。
【０１３７】〔印字ヘッドに用いる画像処理〕本発明に
よる印字装置の目的は、オフセット印刷を用いた高画質
カラー出版印刷に慣れた人々の目に相当に映る高画質の
印刷を実現することである。これは、1,600dpi程度の印
刷解像度を用いれてば達成できるが、1600dpiの印刷は
達成が困難であり、高価である。ほぼ同じ印刷結果を80
0dpiを用いても実現でき、これは１ピクセル当り２ビッ
トでシアントとマゼンタを印字し、１ピクセル当り１ビ
ットで黄色と黒色を印字して行なう。このカラーモデル
をここではＣＣ'ＭＭ'ＹＫと呼ぶ。高画質モノクロ画像
印刷が必要な場合は、１ピクセル当り２ビットで黒色を
印字する。このカラーモデルをＣＣ'ＭＭ'ＹＫＫ'と呼
ぶ。カラーモデル、ハーフトーン処理、データ圧縮、リ
アルタイム伸張の各システムとして本発明およびその他
の印字装置に最適なものは、以下のごとくの1995年4月1
2日付けオーストラリア特許明細書に記載されており、
その内容を参照によって本明細書の一部分とする：
【０１３８】「双方向カラー印字に用いる４レベルイン
クセット」（登録番号：PN2339）；「ページ画像の圧縮
装置」（登録番号： PN2340）；「圧縮ページ画像に用
いるリアルタイム伸張装置」（登録番号： PN2341）；
「デジタルカラープリンタに用いる大容量圧縮ドキュメ
ント画像格納」（登録番号： PN2342）；「テキストが
存在する場合のＪＰＥＧ圧縮方法の改善」（登録番号：
PN2343）；「圧縮ページ画像に用いる伸張装置とハー
フトーン処理装置」（登録番号： PN2344）；及び「画
像ハーフトーン処理の改善」（登録番号： PN2345）。
【０１３９】〔本発明による印字ヘッドを用いたアプリ
ケーション〕本発明の印字装置と印字方法は、広範な用
途に最適であり、その一例として以下のものがあげられ
る。カラー／モノクロオフィス印字、ショートランデジ
タル印字、高速デジタル印字、プロセスカラー印字、ス
ポットカラー印字、オフセットプレス補足印字、走査印
字ヘッド利用ローコストプリンタ、ページ幅印字ヘッド
利用高速プリンタ、携帯型カラー／モノクロプリンタ、
カラー／モノクロコピー機、カラー／モノクロファクシ
ミリ、統合型プリンタ／ファクシミリ／コピー機、ラベ
ル印字、大型フォーマットプロッタ、写真複製、デジタ
ル写真処理用プリンタ、デジタル「インスタント」カメ
ラ組み込み携帯型プリンタ、フォトＣＤ画像印刷、「パ
ーソナルデジタルアシスタント」用携帯型プリンタ、壁
紙印刷、室内サイン印刷、広告印刷、織物印刷。
【０１４０】本発明による印字装置は、以下のごとくの
1995年4月12日付けオーストラリア特許明細書に記載さ
れており、その内容を参照によって本明細書の一部分と
する：
【０１４１】「大容量デジタルページ画像格納の可能な
高速カラーオフィスプリンタ」（登録番号： PN232
9）；「大容量デジタルページ画像格納の可能なショー
トランデジタルカラープリンタ」（登録番号： PN233
0）；「ＬＩＦＴ印字技術を用いたデジタルカラー印字
プレス」（登録番号： PN2331）；「モジュール式デジ
タル印字プレス」（登録番号： PN2332）；「高速デジ
タル織物プリンタ」（登録番号： PN2333）；「カラー
写真複写装置」（登録番号： PN2324）；「ＬＩＦＴ印
字装置を利用した高速カラー写真複製機」（登録番号：
PN2335）；「ＬＩＦＴ印字技術を利用した携帯型カラ
ー写真複製機」（登録番号： PN2336）；「ＬＩＦＴ印
字技術を利用した写真処理装置」（登録番号： PN233
7）；「ＬＩＦＴ印字技術を利用した普通紙ファクシミ
リ」（登録番号：PN2338）；「統合型プリンタ一体型フ
ォトＣＤ装置」（登録番号： PN2293）；「ＬＩＦＴ印
字技術を利用したカラープロッタ」（登録番号： PN229
1）；「統合化ＬＩＦＴカラー印字装置を備えたノート
ブックコンピュータ」（登録番号： PN2292）；「ＬＩ
ＦＴ印字装置を利用した携帯型プリンタ」（登録番号：
PN2300）；「オンラインデータベース問い合わせとカ
スタマイズドマガジン印刷の可能なファクシミリ」（登
録番号： PN2299）；「ミニチュア携帯型カラープリン
タ」（登録番号： PN2298）；「ＬＩＦＴ印字装置を利
用したカラービデオプリンタ」（登録番号： PN229
6）；「ＬＩＦＴ印字装置を利用した統合化プリンタ／
コピー機／スキャナ／ファクシミリ」（登録番号： PN2
297）。
【０１４２】〔環境条件に合わせた印字ヘッドの補正〕
ドロップオンデマンド印字装置に一貫した予測可能なド
ロップサイズと位置が備われば望ましい。インクのドロ
ップサイズと位置として望ましくないものは印刷結果の
光学的濃度にバラツキを与え、印字品質が低い印象を与
える。そうしたバラツキは、それぞれ僅かなインクドロ
ップ体積とピクセル間隔の小部分に抑えなければならな
い。数多くの環境変数を補正することにより、有意でな
いレベルまで影響を低減することができる。ファクター
によっては、ノズルヒーターへ加える電力を変化させる
ことにより積極的に補正することができるものがある。
【０１４３】実施形態の一つの印字ヘッドの最適な温度
プロファイルには、ノズル先端が瞬時に噴射温度まで上
昇したり、この部位をパルス持続期間中噴射温度に維持
したり、瞬時に周囲温度に下降させるものがある。
【０１４４】上記の最適状態は、本発明によるノズルの
製作に使用する各種材料の熱備蓄容量と熱伝導性のゆえ
に達成が不可能である。ただし、改善は可能であるが、
それは印字ヘッドの有限要素シミュレーションにより反
復改良した特性曲線を用いて出力パルスの形状を決定す
ることにより行なう。ヒーターに作用させる電力は、お
もに以下のごとくのさまざまな手法によって変化が可能
である： １）ヒーターにかける電圧を変える。 ２）一連のショートパルスの幅（PWM）を調節する。 ３）一連のショートパルスの周波数（PFM）を調節す
る。
【０１４５】精度の高い結果を得るには、自由表面を用
いて、タンク内対流やインクフローなどといった特定の
電力特性曲線から得る温度に著しい影響を及ぼす要素を
遷移液体の動的シミュレーションによって調べることが
必要である。
【０１４６】適当なデジタル回路をプリントヘッドサブ
ストレートへ組み込むことにより、各ノズルへ作用する
電力を個別に制御することが実際的である。これをを達
成するための方法の一つとして、さまざまなデジタルパ
ルストレーンをプリントヘッドチップに対して「一斉通
信」し、多重回路を用いて各ノズルに適したパルストレ
ーンを選択する方法があげられる。
【０１４７】補正し得る環境要因の事例を表「環境要因
の補正」に一覧する。「環境要因の補正」は、どの環境
要因を全体（プリントヘッド全体）、チップ別（コンポ
ジットマルチチッププリントヘッドの各チップ）、ノズ
ル別で最善に補正できるかを特定したものである。
【０１４８】
【表１１】
【０１４９】ほとんどの用途では、上記のごとくの変数
すべてに補正を要するわけではない。変数によっては、
影響が軽微であり、きわめて高い画像品質が要求される
場合にしか補正を要さないものもある。
【０１５０】〔プリントヘッド駆動回路〕図１４は、本
発明によるヘッド駆動回路の実施形態の一例の電子装置
の動作を示すブロック概念図である。この制御回路は、
ヒーター電力変調のためにプリントヘッドへ給電する電
源電圧のアナログ変調を利用し、各ノズルへの給電を個
別に制御しない回路である。図１４には、ＣＣ'ＭＭ'Ｙ
Ｋカラーモデルを用いてプロセスカラーをプリントする
800dpiのページ幅プリントヘッドを用いたブロック図が
示してある。プリントヘッド５０には合計79,488個のノ
ズルがあり、メインノズルが39,744個であり、冗長ノズ
ルが39,744個である。このメインノズルと冗長ノズルは
５色に区分けしてあり、各色をさらに８つのドライブフ
ェーズに区分けしてある。ドライブフェーズはその各々
にレジスタを持たせ、そのレジスタがヘッドコントロー
ルASIC400から受け取るシリアルデータをパラレルデー
タに変換して、ヒーター駆動回路での処理を可能にして
いる。合計で96個のシフトレジスタがあり、その各々が
828個のノズルへデータを送り込む。シフトレジスタは
その各々に828個のシフトレジスタステージ２１７が備
えてあり、その出力にフェーズイネーブル信号を用いて
ｎａｎｄゲート２１５によって論理的ＡＮＤを行なう。
ｎａｎｄゲート２１５の出力が反転バッファ２１６を駆
動し、その反転バッファ２１６がドライブトランジスタ
２０１を制御する。ドライブトランジスタ２０１が電熱
ヒーター２００を作動させ、その電熱ヒーター２００は
図２に示すごとくのヒーターであってもよい。イネーブ
ルパルス中シフト後のデータを有効にしておくために、
シフトレジスタのロックを停止し、イネーブルパルスを
クロックストッパ２１８（便宜上単一ゲートとして図
示）によってアクティブにするが、周知のグリッチフリ
ークロック制御回路の範囲内で行なうのが望ましい。シ
フトレジスタのクロックを停止すると、プリントヘッド
内のパラレルデータラッチの要件がなくなるが、ヘッド
コントロールASIC400の制御回路の複雑さが増す。デー
タはメインノズルか冗長ノズルかのいずれかにデータル
ータ２１９によって、フォールトステータスバスの所定
の信号の状態に応じて経路する。
【０１５１】図１４に示すプリントヘッドは簡略化して
あり、ブロックフォールトトレランスなどのさまざまな
製造歩どまり改善手段を図示してない。さまざまな構成
のプリントヘッドに用いる駆動回路は、ここまでで述べ
た装置から容易につくれる。
【０１５２】記録媒体へ印字するドットのパターンを表
すデジタル情報は、ページ／バンドメモリ１５１３に格
納し、このページ／バンドメモリ１５１３は図１の画像
メモリ７２と同じである。アドレスマックス４１７で選
択するアドレスを用いるほか、メモリインタフェース４
１８で生成される制御信号を用いて、１色のドットを表
す３２ビットワードのデータをページ／バンドメモリ１
５１３から読み取る。これらのアドレスは、アドレスゼ
ネレータ４１１で生成し、アドレスゼネレータ４１１は
「パーカラー回路」４１０の一部分であり、その「パー
カラー回路」４１０を対象として６色成分のそれぞれが
ある。アドレスは、ノズルと印刷媒体との位置関係をも
とに生成する。ノズルの相対的位置はプリントヘッドが
変われば違ってくるので、アドレスゼネレータ４１１は
プラグラマブルにするのが望ましい。アドレスゼネレー
タ４１１は、基本的に、メインノズルの位置に対応した
アドレスを生成する。ただし、故障したノズルがある
と、故障したノズルのあるノズルブロックの位置をフォ
ールトマップＲＡＭ４１２にマーキングする。フォール
トマップＲＡＭ４１２は、ページを印字する都度読み込
む。ノズルブロックの中に故障したノズルがあることが
メモリから伺われると、アドレスを然るべく変更するこ
とにより、アドレスゼネレータ４１１が冗長ノズルの位
置に対応したアドレスを生成する。ページ／バンドメモ
リ１５１３から読み込んだデータはラッチ４１３でラッ
チし、マルチプレクサ４１４によって連続４バイトへ変
換する。これらの４バイトのタイミングを然るべく調節
することにより、ＦＩＦＯ４１５から得るほかの色を表
すデータとマッチングする。次いで、このデータをバッ
ファ４３０によって、プリントヘッド５０へつながる４
８ビットのメインバスとの間でバッファリングする。プ
リントヘッドがヘッドコントロールASICから比較的遠い
とデータをバッファする。フォールトマップＲＡＭ４１
２から得るデータもＦＩＦＯ４１６への入力にする。こ
のデータのタイミングをＦＩＦＯ４１５のデータ出力と
マッチングし、フォールトステータスバスのバッファ４
３１によってバッファリングする。
【０１５３】プラグラマブル電源３２０は、プリントヘ
ッド５０に用いる電源を給電する。電源３２０の電圧
は、ＤＡＣ３１３によって制御し、ＤＡＣ３１３はＲＡ
ＭとＤＡＣとの組み合わせ（ＲＡＭＤＡＣ）３１６の一
部分である。このＲＡＭＤＡＣ３１６にデュアルポート
ＲＡＭ３１７が備えてある。デュアルポートＲＡＭ３１
７の内容はマイクロコントローラ３１５によってプログ
ラムできる。温度はこのデュアルポートＲＡＭ３１７の
内容を変えて補正する。そうした数値をサーマルセンサ
３００で検出した温度をもとにマイクロコントローラ３
１５で演算する。サーマルセンサ３００の信号はアナロ
グ−デジタル変換器（ＡＤＣ）３１１へ接続してある。
ＡＤＣ３１１はマイクロコントローラ３１５に内蔵する
のが望ましい。
【０１５４】ヘッドコントロールASIC400には熱補正と
印字濃度に用いる制御回路が備えてある。サーマルログ
補正には、プリントヘッド５０への電源電圧が迅速な時
間変化電圧であり、ヒーターに用いるイネーブルパルス
と同期している。これは、プラグラマブル電源３２０を
プログラムしてこの電圧を生成するようにして行なって
いる。アナログ時間変化プログラミング電圧はデュアル
ポートＲＡＭ３１７から読み込んだデータをもとにＤＡ
Ｃ３１３が生成する。カウンタ４０３が生成するアドレ
スにしたがってこのデータを読み込む。カウンタ４０３
は、１イネーブルパルスの期間中にアドレスの完全１サ
イクルを生成する。この同期は、カウンタ４０３をシス
テムクロック４０８でクロックし、カウンタ４０３のト
ップカウントを用いてイネーブルカウンタ４０４をクロ
ックして行なう。次いで、イネーブルカウンタ４０４か
らのカウントをデコーダ４０５によって復調し、バッフ
ァ４３２によってバッファリングして、プリントヘッド
５０に用いるイネーブルパルスを生成す９る。カウント
の状態の件数がイネーブルパルス１個のクロック期間の
数に満たない場合、カウンタ４０３にプリスケーラを備
えてもよい。電圧状態は、ヒーターのサーマルログを正
確に補正するうえで１６種類が適当である。そうした１
６種類の状態をカウンタ４０３とデュアルポートＲＡＭ
３１７との間の４ビット接続を用いて指定できる。ただ
し、これらの１６種類の状態は時間的に直線的に間隔が
設けてあるわけではない。これらの状態の非線形タイミ
ングを可能にするために、カウンタ４０３にＲＯＭその
他の装置を持たせて、カウンタ４０３に非線形方式でカ
ウントさせてもよい。こうする代わりに、１６種類より
少ない状態を用いてもよい。
【０１５５】印字濃度の補正の目的に限り、印字濃度
は、イネーブル期間ごとに、ドロップを印字する対象の
ピクセル（ＯＮピクセル）の数をカウントして検出す
る。ＯＮピクセルはＯＮピクセルカウンタ４０２でカウ
ントする。イネーブルフェーズ８種類の各々にＯＮピク
セルカウンタ４０２が１台ずつある。本発明によるプリ
ントヘッドのイネーブルフェーズの数は設計による。
４、８、１６が便利な数字だが、イネーブルフェーズの
数を２の倍数にするという以外では要件はない。１台の
ピクセルカウンタ４０２に組み合わせ論理ピクセルカウ
ンタ４２０を備えてもよく、これによりニブルのうち何
ビットがＯＮかを判断する。次に、この数字をアダー４
２１とアキュムレータ４２２によって累積する。ラッチ
４２３が累積後の数値をイネーブルパルス持続期間中保
持する。マルチプレクサ４０１によってラッチ４２３の
出力を選択し、イネーブルカウンタ４０４によって判断
して、ラッチ４２３の出力を現在のイネーブルフェーズ
に対応させる。マルチプレクサ４０１の出力はデュアル
ポートＲＡＭ３１７の一部分を形成している。ＯＮピク
セルの具体的なカウント数は必要ではなく、このカウン
トのうち最上位４ビットで十分である。
【０１５６】４ビットの熱ラグ補正アドレスと４ビット
の印字濃度補正アドレスとを結合すると、デュアルポー
トＲＡＭ３１７には８ビットのアドレスがあることにな
る。これは、デュアルポートＲＡＭ３１７に２５６の数
があるということであり、これを二次元配列にする。こ
の二次元配列は（熱ログ補正に用いる）時間と印字濃度
である。三次元 − 温度 − を織り込んでもよい。プリ
ントヘッドの周囲温度はゆっくりとしか変わらないの
で、マイクロコントローラ３１５には十分な時間を持た
せて、２５６数のマトリクスを計算して、現在の温度で
の熱ラグと印字濃度の補正を行なわせる。定期的に（た
とえば毎秒数回）マイクロコントローラに現在のヘッド
温度を検出させ、このマトリクスを計算させる。
【０１５７】プリントヘッド５０のクロックはヘッドク
ロックゼネレータ４０７によってシステムクロック４０
８から生成し、バッファ４０６によってバッファリング
する。ヘッドコントロールASICの試験を容易にするため
に、ＪＴＡＧ試験回路４９９を組み込んでもよい。
【０１５８】ＬＩＦＴ印字ヘッド５０のクロックはヘッ
ドクロックゼネレータ４０７によってシステムクロック
４０８から生成し、バッファ４０６によってバッファリ
ングする。ヘッドコントロールのASIC試験を容易にする
ために、ＪＴＡＧ試験回路４９９を入れてもよい。
【０１５９】〔サーマルインクジェット技術との比較〕
「サーマルインクジェットと本発明との比較」と題する
表は、本発明による印字面とサーマルインクジェット技
術とを比較したものである。
【０１６０】本発明とサーマルインクジェット技術とを
直接比較するのは、ともにドロップオンデマンド方式で
あり、サーマルアクチュエータと液体インクによって作
動するからである。この２つは同じように見えても、動
作原理は別々である。
【０１６１】サーマルインクジェットプリンタは、以下
のごとくの基本的動作原理を用いている。電気抵抗加熱
によるサーマル衝撃によってインクジェットのバブルを
爆発形成する。迅速かつ定常的なバブル形成は、インク
を過熱させて行なうので、かなりの熱がインクへ伝導し
ないとバブル核形成が完了しない。水基剤インクの場
合、約280℃〜400℃の温度を要する。バブル形成によっ
て圧力波が起き、これによりインクドロップが高速で開
口部へ向かう。次いで、バブルが崩壊し、インクがイン
クリザーバから吸引されてノズルに再充てんされる。サ
ーマルインクジェット印刷が商業的に成功を収めている
のは、ノズルパッキング密度が高く、かつ定評のある集
積回路製造技術を用いているからである。ただし、サー
マルインクジェット印刷技術は、かなりの技術的問題に
直面している。その一例として、複数部品の高精度製
作、デバイスの歩どまり、画像解像度、ペッパーノイ
ズ、印字速度、ドライブトランジスタ出力、余剰電力放
散、衛星ドロップ形成、熱応力、差動熱膨張、kogatio
n、キャビテーション、拡散是正、インク調剤のむずか
しさがあげられる。
【０１６２】本発明による印刷は、サーマルインクジェ
ット印刷の数多くのメリットを継承し、サーマルインク
ジェット技術固有／付随の問題をないくしている。
【０１６３】
【表１２】
【表１３】
【表１４】
【０１６４】〔歩どまりとフォールトトレランス〕ほと
んどの場合、モノリシック集積回路は、製造時点で完全
に機能しないのでない限り、修理が必要になることはな
い。ウエハのランから生産される健全なデバイスの割合
は歩どまりとして知られている。歩どまりは製造原価に
直接的影響を及ぼす。歩どまりが５％のデバイスは、同
一のデバイスを歩どまり５０％で製造するのにくらべて
１０倍高価である。歩どまりの目安には以下の３つがあ
る： １）工場歩どまり ２）ウエハソート歩どまり ３）最終試験歩どまり
【０１６５】大型のダイの場合、歩どまりの目安はウエ
ハソート歩どまりになるのが通常であり、トータルの歩
どまりにとり最大の制限である。本発明によるフルペー
ジ幅カラーヘッドは、代表的なＶＬＳＩ回路にくらべて
きわめて大型である。ウエハソート歩どまりが良好であ
ることがこの種のヘッドのコスト効果に優れた製造にと
り欠かせない。
【０１６６】図１５は、本発明によるモノリシックフル
ページ幅カラーＡ４ヘッド実施形態におけるウエハソー
ト歩どまりと不良密度とを比較したグラフである。プリ
ントヘッドは長さが２１５mmで幅が５mmである。非フォ
ールトトレラント歩どまり１９８は、マーフィーの計算
方法にしたがって計算した。マーフィーの計算方法は、
歩どまり予測に広く用いられている。１平方cm当り１不
良の不良密度では、マーフィーの計算方法を用いると歩
どまりが１％未満になる。これは、製造したプリントヘ
ッドのうち９９％余りを捨てなければならないというこ
とである。この低い歩どまりがきわめて望ましくないの
は、プリントヘッド製造コストが極端に高くなるからで
ある。
【０１６７】マーフィーの計算方法では、不良の一様で
ない分布を近似化する。図１５には、非フォールトトレ
ラント歩どまり１９７も示してあり、これは不良クラス
タリングファクターを取り入れることにより不良のクラ
スタリングを明示的にモデル化したものである。不良の
クラスタリングファクターは、製造において管理可能な
パラメータではないが、製造工程の特性である。製造工
程の不良クラスタリングファクターは、約２であると予
測でき、その場合、歩どまり予測はマーフィーの計算方
法によるものときわめてよく一致する。
【０１６８】低歩どまりの問題の解決方法は、不良機能
ユニットの交換に用いるチップの冗長機能ユニットを織
り込むことにより、フォールトトレランスを組み込むこ
とである。
【０１６９】メモリチップや大部分のウエハスケール集
積（WSI）デバイスでは、チップ上の冗長サブユニット
の物理的位置は重要ではない。ただし、プリントヘッド
では、冗長サブユニットに１つか複数のプリンティング
アクチュエータを備える場合がある。そうした冗長サブ
ユニットにはプリント対象のページに対して固定的な空
間的関係を持たせなければならない。不良アクチュエー
タと同じ位置にドットを印字できるようにするには、冗
長アクチュエータを非走査方向に転置してはならない。
しかしながら、不良アクチュエータは、冗長アクチュエ
ータと置き換えてもよく、冗長アクチュエータは走査方
向に転置する。冗長アクチュエータが不良アクチュエー
タと同じ方向にドットを印字するようにするために、冗
長アクチュエータに対するデータタイミングを然るべく
変えることにより、走査方向の転置を補正する。
【０１７０】ノズルの交換を可能にするためには、スペ
アノズル一式がなければならず、これは100%の冗長性を
招来する。100%冗長性という要件は、チップ面積が倍加
するのが通常であり、冗長ユニットで代替する以前に根
本的な歩どまりの低減になり、よってフォールトトレラ
ンスのメリットの大部分がなくなる。
【０１７１】しかしながら、本発明によるプリントヘッ
ドの実施形態では、ヘッドチップの物理的ミニマム寸法
を印字対象のページ幅、ヘッドチップの壊れやすさ、イ
ンクをチップ裏面へ供給するインクチャネルの製作の制
約から求める。フル幅の物理的ミニマム寸法では、Ａ４
サイズペーパー印刷に用いるフルカラーヘッドは約２１
５mm×５mmである。このサイズは、100%冗長性を織り込
むことが可能であり、なおかつ１.５μmのCMOS製作技術
を用いた場合、チップ面積が著しく増加することになら
ない。したがって、本来の歩どまりを著しく減じること
なくハイレベルのフォールトトレランスを織り込める。
【０１７２】フォールトトレランスをデバイスに織り込
む場合、標準の歩どまり数式は使えない。その代わり
に、フォールトトレランスのメカニズムと程度を具体的
に分析し、歩どまりの数式に織り込まなければならな
い。図１５に、フル幅カラーＡ４ヘッドの場合のフォー
ルトトレラントなショート歩どまり１９９を示すが、こ
れにはさまざまな形態のフォールトトレランス、および
歩どまり数式に織り込んだモデリングが織り込んであ
る。このグラフには、不良密度と不良クラスタリングの
両方の関数によって予測歩どまりを示してある。図１５
に示す歩どまり予測からは、完全にフォールトトレラン
スを実施すればウエハソート歩どまりが同一の製造条件
下で１％から９０％に向上することが伺われる。これ
は、製造コストを因数１００低減できるということであ
る。
【０１７３】フォールトトレランスは、数千のプリント
ノズルが関与するプリントヘッドの信頼性と歩どまりを
改善するうえできわめて望ましいものであり、よってペ
ージ幅プリントヘッドを実際的なものにする要素であ
る。しかしながら、フォールトトレランスは本発明の本
質的な部分ではない。
【０１７４】ドロップオンデマンド印字装置におけるフ
ォールトトレランスは、以下のごとくの1995年4月12日
付けオーストラリア特許明細書に記載されており、その
内容を参照によって本明細書の一部分とする：「印刷機
構における統合型フォールトトレランス」（登録番号：
PN2324）；「集積型プリントヘッドにおけるブロック
フォールトトレランス」（登録番号： PN2325）；「集
積型プリントヘッドにおけるフォールトトレランスのノ
ズル複製」（登録番号： PN2326）；「プリントヘッド
における不良ノズルの検出」（登録番号： PN2327）；
「大量プリントヘッドにおけるフォールトトレランス」
（登録番号： PN2328）。
【０１７５】〔印刷装置の実施形態〕本発明によるプリ
ントヘッドを用いたデジタル電子式印刷装置の概念図を
図１６に示す。図には、モノリシックプリントヘッド５
０が複数のインクドロップによって画像６０を録媒体５
１へ印刷しているところが示してある。この記録媒体
は、用紙などをもってするが、オーバーヘッド透明フィ
ルム、布、その他多数の平坦でインクドロップを吸着す
る表面であれば何でもよい。印刷する画像は、画像源５
２から送られて来、画像はどのような種類の画像であっ
ても二次元配列のピクセルに変換できるものであればよ
い。画像源は、たとえば画像スキャナ、デジタル的に格
納しておいた画像、Adobe Postscript、Adobe Postscri
pt Level 2、Hewlett-Packard PCL 5などのページ記述
言語（PDL）で符号化した画像、Apple QuickDraw、Appl
e Quickdraw GX、Micosoft GDIなどの手続きコール型ラ
スタライザで生成したページ画像、その他ASCIIなどの
電子的形式のテキストでもよい。次いで、この画像デー
タを画像処理装置５３によって特定のプリント装置に適
したピクセルの２次元配列へ変換する。これはカラーで
もモノクロでもよく、データは、画像源と印刷装置の仕
様に応じて、ピクセル当り１〜３２ビット程度にする。
画像処理装置は、ページ記述の場合はラスタ画像プロセ
ッサ（RIP）をもってし、画像源がスキャナから取り込
んだものなら二次元画像処理装置をもってする。
【０１７６】連続的なトーン画像が必要なら、ハーフト
ーン装置５４が必要である。適当なタイプのハーフトー
ン処理として、dispersed dot odrderd ditherやerror
diffusionがあげられる。これらの一種であって、stoch
astic screeningとかfrequency modulation screening
として知られるものなら最適である。ハーフトーン装置
は、オフセット印刷に使用される lustered dot ordere
d dither は望ましくないが、それはこの手法を用いる
と有効画像解像度が不必要に無駄になるからである。ハ
ーフトーン装置の出力はバイナリモノクロームでも本発
明による印刷装置の解像度のカラー画像でもよい。
【０１７７】バイナリ画像はデータフェージング回路５
５（図１４にHead Control ASIC 400として示してある
ものでもよい）で処理することにより、ピクセルデータ
を正しい順序でデータシフトレジスタ５６へ送り込む。
データシーケンスは、ノズルの配置と用紙の移動を補正
するものでなければならない。データがシフトレジスタ
５６へロードされると、並列にヒーター駆動回路５７へ
送り込まれる。所定のタイミングで、ヒーター駆動回路
５７は、パルスシェーパ回路６１とパルス電圧調整器６
２で生成された電圧パルスと所定のヒーター５８とを電
子的に接続する。ヒーター５８は、ノズル５９の先端を
加熱し、インクの物理的特性に影響を及ぼす。ノズルか
ら出たインクドロップ６０があるパターンを形成し、そ
のパターンはヒーター駆動回路へ作用したデジタルイン
パルスに対応している。インクリザーバ６４内のインク
の圧力を圧力調整器６３で調整する。選択後のインクの
ドロップ６０が選択ドロップ分離手段によってインク本
体から分離し、記録媒体５１へ接触する。印刷時、記録
媒体５１が用紙搬送装置６５によって絶えずプリントヘ
ッド５０に対して移動する。プリントヘッド５０が記録
媒体５１の印刷領域の幅一杯の場合、記録媒体５１を一
方向へ移動するだけでよく、プリントヘッド５０は固定
したままでよい。小型のプリントヘッド５０を用いる場
合、ラスタスキャン装置を実現することが必要になる。
これは、たとえば、記録媒体５１の短い方の寸法沿いに
プリントヘッド５０を走査させる一方、記録媒体５１を
長いい方の寸法沿いに移動して行なう。
【０１７８】〔単一モノリシックプリントヘッドを用い
た複数ノズル〕オフィスプリンタや写真複写機などの装
置に使用することを意図した新しい印刷装置は印刷が高
速であることが望ましい。毎分Ａ４ページ６０ページ
（毎秒枚頁）であれば基本的に数多くの用途にとり妥当
である。ただし、電子的に制御した印刷速度毎分６０ペ
ージを実現することは簡単ではない。
【０１７９】１ページを印刷するのに要するミニマム時
間は、ページ上のドット位置の数にドットを印字するの
に要する時間を乗算し、同時に印字できるカラーのドッ
ト数で除算した結果に等しい。
【０１８０】どの程度の画像品質が得られるかは画像を
つくるのに使えるインクドットの総個数によって左右さ
れる。散乱ドットデジタルハーフトーン処理を用いたフ
ルカラーマガジン品質印刷では、１インチ当り８００ド
ット（１mm当り31.5ドット）を要する。用紙上のドット
間の間隔は31.75μmである。
【０１８１】標準のＡ４ページは210m×297mmである。
１mm当り31.5ドットでは、Ａ４ページ全体で61,886,632
ドットが必要である。高画質プロセスカラー印字には、
シアン、マゼンタ、黄色、黒色の４色が必要である。し
たがって、総ドット数は247,546,528が必要である。用
紙の端部の余白を印字させないことによって若干は減ら
せるが、依然としてきわめて多数のドットを要する。１
ドットを印刷するのに要する時間が144μsであり、かつ
１色ごとにノズル１台を備えた場合であっても、１ペー
ジ印刷するのに２時間余りかかる。
【０１８２】上記のごとくのわたくしの印刷装置によっ
て高速高画質印刷を行なうには、多数の小型ノズルを備
えたプリントヘッドが必要である。800dpiＡ４ページを
１秒間で印刷することは、プリントヘッドが用紙幅全体
にわたってあれば行なえる。プリントヘッドは静止状態
でよく、用紙は１秒間の期間内に搬送すればよい。４色
800dpiのプリントヘッド210mm幅にはノズルが26,460個
必要である。
【０１８３】上記のごとくのプリントヘッドにはアクテ
ィブなノズルを26,460個備え、26,460個の冗長（スペ
ア）ノズルを備えることにより、合計で52,920個のノズ
ルを備えてもよい。シアン、マゼンタ、黄色、黒色の各
色に6,615個のアクティブなノズルがあることになる。
【０１８４】多数のノズルを備えたプリントヘッドは、
ローコストで製造できる。これは、半導体製造工程を用
いて、同時に数千個のノズルをシリコンウエハに造り込
むことにより行なう。プリントヘッドを数千個の部品で
製造、組立した場合に起こり得る機械的調心と差動熱膨
張の問題をなくすために、プリントヘッドは１枚のシリ
コンから製造する。ノズルとインクチャネルはシリコン
にエッチングする。発熱体は、抵抗材料を蒸発させ、そ
の後に、標準の半導体製造工程を用いて写真平版にかけ
て形成する。
【０１８５】数千のノズルをプリントヘッドに用いる場
合に必要になる多数の接続を減らすために、データ配布
回路と駆動回路もプリントヘッドに一体化する。
【０１８６】プリントヘッドの幅は、色数、ノズルの配
置、ノズル間の間隔、駆動回路と相互接続に要するヘッ
ド面積に関連している。モノクロのプリントヘッドで
は、適当な幅は約２mmである。プロセスカラープリント
ヘッドでは、適当な幅は約４mmである。ＣＣ'ＭＭ'ＹＫ
カラープリントヘッドでは、適当なプリントヘッドの幅
は約８mmである。プリントヘッドの長さは用途によって
決まる。きわめてローコストな用途ではショートヘッド
を用い、ページ全体を走査させる。高速用途では、固定
ページ幅モノリシックプリントヘッドか複数チッププリ
ントヘッドを用いる。プリントヘッドの長さとして代表
的な範囲は、１cmから２１cmのあいだであり、プリント
ヘッドの長さが２１cmより長いと大量の用紙や布への印
刷に適当である。
【０１８７】〔ノズルリムヒーターを備えた印字ヘッド
に用いる印字ヘッド製造工程〕本実施形態によるモノリ
シックヘッドの製造は標準のシリコン統合化回路の製造
とよく似ている。しかしながら、製造のながれを幾つか
変更しなければならない。この変更は、ノズル、ノズル
に用いるバレル、ヒーター、ノズル先端を形成するのに
不可欠である。モノリシックヘッドのベースにできる半
導体製造工程はさまざまなものがある。そうした半導体
製造工程には、基本的な工程を修正して必要な構造を形
成できるさまざまな方法がその各々にある。
【０１８８】統合化印字ヘッドの製造工程には、標準Ｃ
ＭＯＳ処理に用いる<100>ウエハを利用できる。処理は
標準ＣＭＯＳ処理とほぼ互換的だが、それはＣＭＯＳ
ＶＬＳＩ装置製作後にＭＥＭＳ固有のステップをすべて
完了できるからである。
【０１８９】ウエハは、標準のＣＭＯＳ工程フローを用
いて第二レベルのメタル酸化物によって製造できる。固
有の工程ステップによっては、標準のＣＯＭＳ処理設備
を用いてその後に完了するものもある。チップへのノズ
ルの最終的エッチングは、単一のリソグラフステップを
用いてＭＥＭＳ設備で行なうが、１０μmリソグラフし
か要しない。
【０１９０】上記の工程にはシリコンをプラズマエッチ
ングすることを要しない： シリコンのエッチングはす
べてアクティブデバイス製作後にＥＤＰウェットエッチ
ングで行なう。
【０１９１】この実施例でのノズル径は１６μmであ
り、ドロップ容積は約８plである。この工程は、ノズル
径が１６μm超でも１６μm未満でも、広範囲のノズル径
に容易に合わせられる。
【０１９２】上記の工程では、<100>シリコンウエハに
対して異方性エッチングを行なうことにより、インクチ
ャネルとノズルバレルから同時のエッチングする。拡散
やＬＰＣＶＤなどの高温ステップは、ノズル形成工程時
に回避する。
【０１９３】〔レイアウト例〕図１７に、800dpi印字ヘ
ッドの小部分のレイアウト例を示す。このレイアウト例
には、ノズル48個のノズルとドライブ回路のレイアウト
が示してあり、インクドチャネルくぼみ１箇所に収まっ
ている。図中の黒色の円形はノズルの位置を表し、灰色
の部分はアクティブな回路の位置を表す。
【０１９４】上記のノズル48個にはメインノズル２００
０があり、冗長ノズル24個にはノズル２００１がある。
ＭＯＳメインドライブトランジスタ２００２の位置と冗
長ドライブトランジスタ２００３の位置も示してある。
インクチャネルくぼみ２０１０はウエハ後部にエッチン
グして角錐台にしてある。角錐形くぼみのフェース面は
単結晶シリコンウエハの{111}平面に続いている。ノズ
ルは角錐形くぼみの底部に位置していて、そこでウエハ
が薄くなっている。インクチャネルくぼみの傾斜壁体、
くぼみとくぼみとの間の部分などのウエハが厚い部分に
は、ノズルは配置できない。このようにウエハが厚い部
分は、データ伝送回路とフォールトトレランス回路に使
用する。２ミクロンのファインＣＭＯＳプロセスを用い
る場合、広範囲な冗長性とフォールトトレランスをシフ
トレジスタ、クロック配布およびその他の回路に組み込
む余裕が十分できる。図１７には、メインシフトレジス
タ２００４、冗長シフトレジスタ２００５、フォールト
トレランス回路２００６の位置として適当な位置を示し
てある。
【０１９５】図１８には、一対のノズル（メインノズル
と冗長ノズル）の配置をノズルペアに用いるドライブト
ランジスタの配置と一緒に詳しく示してある。このレイ
アウトは１.５ミクロンのＶＬＳＩプロセスに用いるレ
イアウトである。レイアウトには、ノズル２個とそのノ
ズル２個に対応するドライブトランジスタが示してあ
る。メインノズルと冗長ノズルは印字走査方向に１ピク
セル分離してある。このメインノズルと冗長ノズルは近
接して隣接し合わせても静電干渉や流体干渉が起きない
が、それは両方のノズルが同時に噴射することがないか
らである。ドライブトランジスタをノズルにきわめて近
づけて配置できるが、それはドロップ選定に起因する温
度上昇がヒーターから近いところでもきわめて小さいか
らである。
【０１９６】強電流のＶ+とＶ-を幅広の第一金属レベル
ラインと幅広の第二金属レベルラインとのマトリックス
によって給電し、前記の幅広の第一金属レベルラインと
幅広の第二金属レベルラインがチップを覆っている。Ｖ
+端子とＶ-端子がチップの長い縁部２箇所沿いに伸びて
いる。
【０１９７】〔結晶平面とのアライメント〕本章で説明
する製造工程では、単結晶シリコンウエハに固有の結晶
平面を用いてエッチングを管理している。{111}平面へ
のマスキング方法の向きを精密に管理しなければならな
い。シリコンウエハ上の一次平面の向きは、公称で所定
の結晶平面の±１゜の範囲内であるにすぎない。マスク
と製造工程の設計にはこの角度誤差を考慮に入れること
が欠かせない。ウエハ表面の向きも精度が±１゜である
にすぎない。しかしながら、ウエハの厚さが３００μm
まで薄くなってからインクチャネルをエッチングするの
で、表面のアライメント誤差が±１゜であることは、イ
ンクドロップチャネルにエッチングした場合に位置の不
正確さが最大５.３μmにしかならない。この精度は、バ
ックフェースエッチングのマスク設計によって達成でき
る。
【０１９８】〔製造工程のまとめ〕開始ウエハは標準の
６"シリコンウエハでよいが、ウエハの両面を研磨する
ことを要することだけが違いである。
【０１９９】図１９に、プリント幅１０５mmの各々に対
して６"ウエハと１２個のフルカラープリントヘッドを
図示してある。そうしたプリントヘッドのうち２個は、
結合することにより、Ａ４／ＵＳレターサイズのページ
幅プリントヘッドを形成でき、４個を結合することによ
り１７"ウエブ市販プリントヘッドを形成したり、たと
えばデジタル「ミニラボ」、Ａ６フォーマットプリン
タ、デジタルカメラなどの写真フォーマットプリントに
使える。ウエハの仕様例を以下に示す：
【０２００】
【表１５】
【０２０１】おもな製造ステップは以下のとおりであ
る： １）ＣＯＭＳ工程を完成させることにより、正規ＣＭＯ
Ｓ工程フローにしたがって、ドライブトランジスタ、シ
フトレジスタ、クロック配布回路、フォールトトレラン
ス回路を造り込む。２レベルのメタルＣＭＯＳ工程とラ
イン幅１.５μm以下が望ましい。ＣＭＯＳ工程は、第二
レベルのメタル酸化物までに完了する。図２０に、標準
ＣＯＭＳ工程完了後のノズル先端部ウエハの断面を示
す。この図には、シリコンウエハ２０２０、磁界酸化物
２０２１、第一インターリーブ酸化物２０２２、第一レ
ベルメタル２０２３、第二インターリーブ酸化物２０２
４、第二レベルメタル２０２５、不動態化酸化物２０２
６が示してある。この実施例の各層の厚さは以下のとお
りである： ａ）磁界酸化物２０２１： １μm ｂ）第一インターリーブ酸化物２０２２： ０.５μm ｃ）第一レベルメタル２０２３： １μm ｄ）第二インターリーブ酸化物２０２４： １.５μm、p
lanarized ｅ）第二レベルメタル２０２５： １μm ｆ）不動態化酸化物２０２６： ２μm、planarized ノズル先端にはインターリーブviasが２つあり、第二レ
ベルメタル２０２５の小部分と第一レベルメタル２０２
３とをつないでいる。
【０２０２】２）レジストを用いてノズル先端をマスキ
ングする。ノズル先端の孔は、ノズル先端のインターリ
ーブviasを半分に分割するように形成する。これによ
り、ヒーターに対して「背の高い」接続が実現する。ノ
ズル先端孔と同じマスクには開口部があり、チップの縁
部を形成している。これは、ウエハからのチップ分離の
ためのチップ境界の表面エッチングのためにこのように
してある。ウエハからのチップ分離は、インクチャネル
とノズルとに対して同時にエッチングして行なう。
【０２０３】３）ノズル先端と表面チップの境界をプラ
ズマエッチングする。これは、表面酸化物層の異方性酸
化物プラズマエッチングである。このエッチングによ
り、約５μmのＳiＯ2を除去する。側壁のエッチングは
可能な限り急峻にする。ここでは８５゜の側壁を想定し
ている。エッチングは、シリコンに達するまで行なう。
図２１に、ノズル先端をエッチングした後のノズル先端
部の断面を示す。
【０２０４】４）ヒーター素材２０２７の薄い層をデポ
ジットする。この層の厚さはどの程度の抵抗率のヒータ
ー素材を選ぶかによって決まる。ニクロム、タンタル／
アルミニウム合金、タングステン、ポリシリコンをホウ
素、ジルコニウム、ハフニウムジボライドおよびその他
にドーピングしたものなどが使える。ヒーター素材の融
点はきわめて高い必要はないので、スパッターしないで
蒸発するヒーター素材なら使える。図２２は、デポジッ
ト後のノズル先端部の断面である。
【０２０５】５）ウエハの厚さを化学的に約３００ミク
ロンまで薄める。
【０２０６】６）０.５ミクロンのＰＥＣＶＤ Ｓi3Ｎ4
（窒化物）２０２８をウエハの両面にデポジットする。
図２３に、このデポジット後のノズル先端部の断面を示
す。
【０２０７】７）ウエハの裏面にレジストをスピンコー
トする。インクチャネルの異方性エッチングとチップ分
離（さいの目切り）が行なえるようにウエハの裏面をマ
スクする。このマスクには凹形の矩形穴を持たせて、イ
ンクチャネルを形成するほか、穴を形成して、チップの
縁部を形成する。チップ端部境界の角度が凸形であるの
で、マスクのアンダーカットが起きる。チップ縁部の形
状は、マスクの突起部を凸形四隅に配置することで調節
できる。マスクのパターンは、{111}平面にアライメン
トを合わせる。あらかじめウエハ裏面にデポジットして
おいたＰＥＣＶＤ窒化物のエッチングをレジストを用い
てマスクする。裏面の窒化物をエッチングし、レジスト
を取り除く。
【０２０８】８）ノズル先端部のウエハの厚さが約１０
０μmになるまで、ＥＤＰ内のウエハを１１０℃でエッ
チングする。エッチング時間は、約４時間とする。この
エッチングの持続時間とその結果ノズル部に堆積するシ
リコンの厚さは、調節することにより、ノズル先端後部
（ノズルバレル）チャンバの形状を制御できる。エッチ
ングが最終的にウエハに対して直角になる一方、ウエハ
の表面はもとより裏面からエッチングが始まることがな
いように部分的に中断する。この２段階のエッチングに
よって、ノズル先端部のアンダーカットとしてどの程度
の分量のものが起きるようにするかを精密にコントロー
ルできる。１ミクロンから８ミクロンのアンダーカット
が望ましく、３ミクロン程度のアンダーカットが望まし
い。エッチングはステップ１２で完了する。
【０２０９】９）表面窒化物層２０２８とヒーター層２
０２７を異方性エッチングする。異方性エッチングはリ
アクティブイオンプラズマエッチング（RIE）でもよ
い。このエッチングは、ヒーター２０２７と窒化物２０
２８をすべて水平表面から取り除く一方、ノズル先端の
ほぼ垂直な窒化物２０２８の大部分とヒーター素材２０
２７のすべてをそのまま残す。図２４に、このエッチン
グ後のノズル先端部の断面を示す。
【０２１０】１０）標準のリソグラフ工程とエッチング
工程を用いてボンディングパッドを開ける。
【０２１１】１１）マスクを使わないで、１ミクロンの
ＳiＯ2２０２６を異方性エッチングする。このエッチン
グは、Ｓi3Ｎ4に対して選択性の高いウエットエッチン
グで行なう。これにより、ノズル先端周囲にシリコン窒
化物のリムが形成される。図２５に、このエッチング後
のノズル先端部の断面を示す。
【０２１２】１２）ステップ８で始めたウエハエッチン
グを完了する。１１０℃でＥＤＰを用いてエッチングす
る。このエッチングは、ウエハの両側から進める。すな
わち、表面からノズル先端孔へと裏面からインクチャネ
ル穴へである。エッチング速度はおおむね下表のとおり
である：
【０２１３】
【表１６】
【０２１４】上記のエッチング速度は、『マイクロマシ
ニングに用いる異方性シリコンエッチングとその関連部
分のメカニズム』、『トランスデューサ』誌、'87, Re
c. ofthe 4th Int. Conf. on Solid State Sensors and
Actuators, 1987, pp120〜125による。
【０２１５】エッチング時間がきわめて重要であるが、
それはエッチング停止がないからである。バッチごとに
エッチング速度が少しずつ違うので、ウエハはエッチン
グ期間終了付近で定期的に点検しなければならない。エ
ッチングは、ノズル先端の孔から光が洩れ始めたら完了
に近い。この段階で、ウエハをエッチングへもどして、
さらに６分間エッチングを行なう。同時に処理するウエ
ハの厚さがマッチしていることが望ましい。
【０２１６】エッチングは以下のように３段階に分けて
行なう： ａ）最初の１０分間、ウエハの（ノズル先端から）表面
と裏面の両側からエッチング率<100>で行なう。表面か
らのエッチングの深さは、ノズル先端孔／÷２（ノズル
先端孔が半径７μmの場合約１０μm）とする。図２６
に、この時点でのノズル先端孔の断面を示す。 ｂ）その次の約１時間４０分間、ウエハ裏面からエッチ
ング率<100>で行なうが、ノズル先端孔のエッチング率
は<111>とする。裏面穴からのエッチング深さを９０μm
程度とし、ノズル先端孔からのエッチング深さを[111]
方向に２.５μm程度（<100>方向に約３μm）とする。図
２７に、この時点でのノズル先端孔の断面を示す。
【０２１７】この時点で、ノズル先端孔がインクチャネ
ル穴と合流して、比較的高いエッチング率によって、凸
形シリコン表面が曝露する。その次の６分間、インクチ
ャネルでのエッチング率を<100>とし、凸形シリコン周
囲はさまざまな加速率とする。図２８に、この時点での
ノズル先端孔の断面を示す。
【０２１８】ノズル先端のアンダーカットの分量は、正
面と裏面からのエッチングの相対的分量を変えて制御で
きる。これは、裏面のエッチングを短時間行なってから
正面のエッチングを始めると行なえる。総エッチング時
間を時間で測るので、ウエハを最初にＥＤＰでエッチン
グしてから窒化物をノズル先端部分から取り除くまでの
時間を容易に調節できる。
【０２１９】上記のエッチング方法では、ウエハ厚さの
違い、腐食液の＜１１１＞／＜１００＞エッチング比は
もとより、シリコンメンブレンの厚さとヒーターのアン
ダーカット分量を高度に管理できる。
【０２２０】この段階で、チップ縁部のエッチングがイ
ンクチャネルのエッチングと同時に進むので、チップ縁
部のエッチングが行なわれる。チップ縁部マスキングパ
ターンの設計を然るべく調節することにより、エッチン
グの最終段階でチップがウエハによって支持されるよう
にし、これによりチップを傷めずに容易に折れる薄い
「ブリッジ」だけを残す。このようにする代わりに、こ
の段階でチップを完全にウエハから別にしておいてもよ
い。
【０２２１】ＥＤＰエッチング時にチップが完全に分離
するように、ウエハ両面からエッチングする。ウヘハ正
面のマスク溝はウエハ裏面のマスク溝よりはるかに狭く
できる（幅１０μmが適当）。これにより、チップ間の
ウエハ面積の無駄を有意の分量まで低減できる。
【０２２２】１３）チップ裏面から不動態層をデポジッ
トする。１ミクロンのＰＥＣＶＤＳi3Ｎ4を使用しても
よい。図２９に、このデポジット後のノズル先端部の断
面を示す。
【０２２３】１４）わずかな正圧（約10kPa）をかけた
ウエハ２０３０で印字ヘッドを埋める。ウエハ表面に水
滴が落ちたり、水滴が凝縮しないように気をつけなけれ
ばならないが、これはそうしないと疎水工程の妨げにな
るからである。
【０２２４】フッ素処理アルキルクロロシリコンなどの
疎水化剤のヒュームにプリントヘッドを曝露する。適当
な疎水化剤の一例として以下のものがあげられる（望ま
しい順に列挙する）： １）ジメチルジクロロシラン （ＣＨ3）2ＳｉＣｌ2
（あまり好ましくない） ２）（３，３，３−トリフルオロプロピル）−トリクロ
ロシラン ＣＦ3（ＣＨ2）2ＳｉＣｌ3 ３）ペンタフルオロテトラヒドロブチル−トリクロロシ
ラン ＣＦ3ＣＦ2（ＣＨ2）2ＳｉＣｌ3 ４）ヘプタフルオロテトラヒドロブチル−トリクロロシ
ラン ＣＦ3（ＣＦ2）2（ＣＨ2）2ＳｉＣｌ3 ５）ノナフルオロテトラヒドロブチル−トリクロロシラ
ン ＣＦ3（ＣＦ2）3（ＣＨ2）2ＳｉＣｌ3 ６）ウンデカフルオロテトラヒドロブチル−トリクロロ
シラン ＣＦ3（ＣＦ2）4（ＣＨ2）2ＳｉＣｌ3 ７）トリデカフルオロテトラヒドロブチル−トリクロロ
シラン ＣＦ3（ＣＦ2）5（ＣＨ2）2ＳｉＣｌ3 ８）ペンダデカフルオロテトラヒドロブチル−トリクロ
ロシラン ＣＦ3（ＣＦ2）6（ＣＨ2）2ＳｉＣｌ3
【０２２５】上記以外にも数多くの薬品が可能である。
フッソ処理表面はアルキル化表面であることにより、イ
ンク表面活性剤が物理的に吸収されないようにするため
に望ましい。
【０２２６】水によって印字ヘッド内部表面に疎水化剤
が作用しないようにし、これにより毛管現象によって印
字ヘッドをふさぐようにする。図３０に、疎水化工程で
のノズルの断面を示す。
【０２２７】１５）接合部をパッケージし配線する。こ
こまでで、装置をインク供給部につなぎ、インクに圧力
をかけ、機能試験を行なえるようになっている。図３１
に、静止状態のインク２０３１を充てんしたノズルの断
面を示す。
【０２２８】図３２に、チップ裏面からインクチャネル
を見た透視図を示す。図３３から図３７に、ノズルとチ
ップ縁部の同時エッチングによるチップ分離を示すウエ
ハの断面を示す。これらの図は正確な縮尺図ではない。
図３３は、チップ、ノズル部分、チップ縁部のエッチン
グ前の状態を示すとともに、ノズル先端、インクチャネ
ル、チップ端部のマスク部分を示す。図３４は、ノズル
先端孔をエッチング率<100>でエッチングして、角錐形
のくぼみができたところを示す。この時点で、ノズル先
端孔のエッチングは<111>まで遅くなっている。チップ
縁部とインクチャネルのエッチングは同時に進む。図３
５に、ウエハ表面からチップ縁部にくぼみがエッチング
された時点でのウエハとウエハ裏面からエッチングされ
たくぼみとが合流したところを示す。図３６に、インク
チャネルのくぼみがノズル先端のくぼみと合流したとこ
ろを示す。ウエハの縁部のエッチングは、エッチング率
<100>で同時に水平方向に進む。図３７に、エッチング
が完了し、ノズルが形成された時点でのウエハを示す。
【０２２９】図３８に、本発明の製造方法で製造したメ
インノズル24個と冗長ノズル24個を備えたインクチャネ
ルのくぼみ１箇所のレイアウトの各部寸法を示す。図３
９に、インクチャネルのくぼみ８箇所、前記のくぼみに
対応したノズル、インク、印字ヘッドのそれぞれの配置
と各部寸法を示す。図４０に、４色印字ヘッドの一端の
インクチャネルのくぼみ32箇所を示す。シアン、マゼン
タ、黄色、黒色の４色の各々にインクチャネルのくぼみ
の列が２列ずつある。図４１と図４２に、隣接し合う印
字ヘッドチップ２枚（モジュール）の端部同士をつなげ
て長い印字ヘッドをつくったところを示す。印字ヘッド
チップを走査方向にオフセットしてない状態の印字ヘッ
ドチップの正確なアライメントによって、ページ上の帯
間に目に見える継目ができない。図４３に、４"（100m
m）モノリシック印字ヘッドモジュールにインクチャネ
ルくぼみを完成させたところを示す。
【０２３０】ここまでで、本発明の実施形態の一例を述
べてきた。この種の技術に精通する者であれば、本発明
の趣旨から外れることなくこれ以外の改良が可能である
ことは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による印刷装置の実施形態の一例を示
す簡略化概要図である。
【図２】 本発明によるノズル先端の一例を示す断面図
である。
【図３】 ドロップ選択の液体動的シミュレーション結
果を示す図である。
【図４】 ドロップ選択の液体動的シミュレーション結
果を示す図である。
【図５】 ドロップ選択の液体動的シミュレーション結
果を示す図である。
【図６】 ドロップ選択の液体動的シミュレーション結
果を示す図である。
【図７】 ドロップ選択の液体動的シミュレーション結
果を示す図である。
【図８】 ドロップ選択の液体動的シミュレーション結
果を示す図である。
【図９】 本発明の実施形態によるノズルの動作の有限
要素液体動的シミュレーション結果を示す図である。
【図１０】 ドロップ選択と分離時における連続的メニ
スカス位置を示す図である。
【図１１】 ドロップ選択サイクル時における各点での
温度を示す図である。
【図１２】 表面張力測定値と各種インク添加剤温度曲
線を示す図である。
【図１３】 ノズルのヒーターに出力パルスが加わっ
て、図１１の温度曲線ができたときの様子を示す図であ
る。
【図１４】 本発明の印字ヘッド駆動回路の実施形態の
概要図である。
【図１５】 本発明の実施形態のＡ４ページ幅カラー印
字ヘッドの製造歩どまり予測にフォールトトレランスを
付けたものと付けないものの図である。
【図１６】 ＬＩＦＴヘッドを用いた印字装置を、該印
字装置により出力された印刷画像とともに示した概念図
である。
【図１７】 印字ヘッドの小部分のノズル配置図であ
る。
【図１８】 ノズル２個とドライブトランジスタ２個の
レイアウト詳細図である。
【図１９】 多数の印字ヘッドを標準シリコンウエハに
造り込んだ配置図である。
【図２０】 ノズル先端小部分の印字ヘッドの一製造段
階の断面図である。
【図２１】 ノズル先端小部分の印字ヘッドの一製造段
階の断面図である。
【図２２】 ノズル先端小部分の印字ヘッドの一製造段
階の断面図である。
【図２３】 ノズル先端小部分の印字ヘッドの一製造段
階の断面図である。
【図２４】 ノズル先端小部分の印字ヘッドの一製造段
階の断面図である。
【図２５】 ノズル先端小部分の印字ヘッドの一製造段
階の断面図である。
【図２６】 ノズル先端小部分の印字ヘッドの一製造段
階の断面図である。
【図２７】 ノズル先端小部分の印字ヘッドの一製造段
階の断面図である。
【図２８】 ノズル先端小部分の印字ヘッドの一製造段
階の断面図である。
【図２９】 ノズル先端小部分の印字ヘッドの一製造段
階の断面図である。
【図３０】 ノズル先端小部分の印字ヘッドの一製造段
階の断面図である。
【図３１】 ノズル先端小部分の印字ヘッドの一製造段
階の断面図である。
【図３２】 １枚の印字ヘッドチップの裏面を示す透視
図である。
【図３３】 ノズルの同時エッチングとチップ間隔を、
実際とは異なる縮尺で示した図である。
【図３４】 ノズルの同時エッチングとチップ間隔を、
実際とは異なる縮尺で示した図である。
【図３５】 ノズルの同時エッチングとチップ間隔を、
実際とは異なる縮尺で示した図である。
【図３６】 ノズルの同時エッチングとチップ間隔を、
実際とは異なる縮尺で示した図である。
【図３７】 ノズルの同時エッチングとチップ間隔を、
実際とは異なる縮尺で示した図である。
【図３８】 インクチャネルのくぼみ１箇所とメインノ
ズル24個、冗長ノズル24個の各部寸法を示す図である。
【図３９】 インクチャネルのくぼみ８箇所、前記のく
ぼみに対応したノズル、インク、印字ヘッドのそれぞれ
の配置と各部寸法を示す図である。
【図４０】 ４色印字ヘッドの一端のインクチャネルの
くぼみ32箇所を示す図である。
【図４１】 隣接し合う印字ヘッドチップ２枚（モジュ
ール）の端部同士をつなげて長い印字ヘッドをつくった
ところを示す図である。
【図４２】 隣接し合う印字ヘッドチップ２枚（モジュ
ール）の端部同士をつなげて長い印字ヘッドをつくった
ところを示す図である。
【図４３】 ４"（100mm）モノリシック印字ヘッドモジ
ュールにインクチャネルくぼみを完成させたところを示
す図である。
【符号の説明】
５０ 印字ヘッド ５１ 記録媒体

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 熱活性化ドロップオンデマンド印字ヘッ
    ドの製造方法において、以下の工程を備える製造方法： （ａ）サブストレート表面に少なくとも１枚の二次元的
    電極層を形成する工程； （ｂ）前記電極層を通じてノズル穴をエッチングして、
    別々の電極部を形成する工程； 及び、 （ｃ）前記電極部のそれぞれと前記抵抗ヒーター被覆と
    が接触するように、前記ノズル穴の表面に抵抗ヒーター
    被覆を形成する工程。
  2. 【請求項２】 以下のものを備えるモノリシック・ドロ
    ップオンデマンド・ヒーターヘッド： （ａ）二次元表面を有するシリコンウエハサブストレー
    ト； （ｂ）前記サブストレートの表面に形成され、少なくと
    も一つの金属電極層を含み、前記二次元表面に対して略
    垂直方向にかつ前記電極層を個別の電極部に分離する位
    置に貫通して延びた少なくとも一つのノズル穴を有した
    上部層；及び （ｃ）前記のノズル穴の内部表面に形成され、前記の電
    極部のそれぞれにカップリングした抵抗ヒーター被覆。
JP8323266A 1995-10-30 1996-10-29 ノズルヒータを備えるドロップ・オン・デマンド型印刷ヘッドの構造及びその製造方法 Withdrawn JPH09164686A (ja)

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