JP2001138518A - サーマルインクジェット用大型ノズルアレイを備えたプリントヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】基板のサイス゛に制限されることのない高速印字シス
テムに適した大型アレイを備えたフ゜リントヘット゛を提供すること。 【解決手段】本発明は単一のモノリシック基板(310)に形成さ
れた薄膜インク滴発生器の大型アレイを備えたフ゜リントヘット゛(300)
において具現化される。大型アレイを備えたフ゜リントヘット゛(30
0)は寄生抵抗と入力リート゛線の数を低減するために多重化
装置(315)を含む。基板(310)が最初にハ゜ターニンク゛されエッチン
ク゛された後、多重化装置(315)が基板(310)に装着され
る。本発明には、熱膨張係数の低い材料からできている
単一のモノリシック基板を用いて複数の大型アレイを備えたフ゜リント
ヘット゛を製造する方法(1000)も含まれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般にサーマルイ
ンクジェット（ＴＩＪ）のプリントヘッドに関し、より
詳細には、単一のモノリシック基板上に形成されたＴＩ
Ｊ薄膜インク滴発生器の大型アレイを備えたプリントヘ
ッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】サーマルインクジェット（ＴＩＪ）プリ
ンタは、コンピュータの分野で広く普及し一般的になっ
ている。こういったプリンタについては、W.J.Lloydと
H.T.TaubがOutput Hardcopy Devices（Ed.R.C.Durbeck
and S.Sherr，San Diego：Academic Press，1988）の第
１３章「Ink Jet Devices」において説明されており、
また、米国特許第４，４９０，７２８号および米国特許
第４，３１３，６８４号において説明されている。イン
クジェットプリンタは、高品質の印刷物を作成し、コン
パクトでポータブルであり、インクのみが印字媒体（紙
等）に当たるので印字が高速かつ静かである。

【０００３】インクジェットプリンタは、個々のドット
（すなわち画素）のパターンをアレイの特定の規定した
位置に印字することによって、印字画像を作成する。１
本の直線のアレイにおける小さなドットとして視覚化す
ると都合がよいこれらのドット位置は、印字されている
パターンによって画定される。従って、印字動作は、ド
ット位置のパターンをインクのドットで満たすこととし
て表すことができる。

【０００４】インクジェットプリンタは、少量のインク
を印字媒体上に噴出することによってドットを印字す
る。こういった小さなインク滴は、インク滴発生器を収
容しているプリントヘッドのカートリッジを支持するキ
ャリッジの移動によって、印字媒体上に配置される。キ
ャリッジは印字媒体表面の上を横切り、印字されている
パターンによって、プリントヘッドのカートリッジを配
置する。インクリザーバ等のインク供給装置がインクを
インク滴発生器に供給する。インク滴発生器は、マイク
ロプロセッサその他の制御装置によって制御され、その
マイクロプロセッサの命令に従い適切な時にインク滴を
噴出する。インク滴噴出のタイミングは、印字されてい
る画像の画素パターンに概して対応する。

【０００５】一般的に、インク滴発生器は、気化チャン
バまたは発射チャンバ内に配置された少量のインクを急
速に加熱することによって、ノズルまたはオリフィスを
介してインク滴を噴出する。インク滴の気化は通常、小
型の薄膜（すなわち発射）抵抗器等の電気ヒータを用い
て行われる。インク滴の噴出は、選択した発射抵抗器に
電流を流して、選択した発射チャンバ内にあるインクの
薄い層を過熱することによって達成される。この過熱に
よって、インクの薄い層が爆発的に気化し、インク滴が
プリントヘッドの関連するノズルを通って噴出される。

【０００６】大判用の装置やドラムプリンタ（例えば、
建築図面等を大きいスケールで印字する）等の高速印字
システムは、広い領域にわたって印字を行うために、イ
ンク滴発生器の複数のアレイを収容している、大型アレ
イを備えたプリントヘッドを用いる。一般的に、大型ア
レイを備えたプリントヘッドとは、好ましくは、長さが
１インチ（2.54cm）よりも大きいものであると定義され
る。大型アレイを備えたプリントヘッドは、キャリア基
板に整列し取り付けられた多数のサーマルインクジェッ
ト基板を具現化するものと考えられてきた。例えば、米
国特許第５，０１６，０２３号は、ＴＩＪ薄膜基板とし
て形成された別個のシリコン薄膜を開示している。しか
し、このタイプの大型アレイを備えたプリントヘッドに
関する問題のひとつは、ＴＩＪ薄膜基板がキャリア基板
と機械的にアライメントがとられていなければならな
い、ということである。こうするにはコストがかかり、
また、その結果別個の基板上にあるインク滴発生器同士
の相対的なアライメントが不十分になってしまう可能性
もある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従って、基板のサイズ
が制限されることのない、高速印字システムに適した、
寸法的に正確な大型アレイを備えたプリントヘッドが必
要とされている。更に、キャリア基板がＴＩＪ基板にな
っていて、多数の基板のアライメントをとる費用や困難
性をなくすように、単一のモノリシック基板を有する、
安価の大型アレイを備えたプリントヘッドが必要とされ
ている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の従来技術における
制限を克服するために、および本願の明細書を読み理解
すれば明白となるその他の制限を克服するために、本発
明は、単一のモノリシック基板上に形成されたインク滴
発生器の大型アレイを備えたプリントヘッドにおいて、
具現化される。本発明によって、単一のモノリシック基
板を用いた安価の大型アレイを備えたプリントヘッドが
提供され、多数の基板のアライメントをとる必要性が緩
和される。更に、この単一のモノリシック基板は、基板
のサイズが制限されないよう、適切な材料でできてい
る。

【０００９】本発明の大型アレイを備えたプリントヘッ
ドは、単一のモノリシック基板上に形成されたインク滴
発生器の大型アレイを含む。プリントヘッドは、インク
滴発生器への入力リード線の数を低減し、プリントヘッ
ドの寄生抵抗を減少させる、駆動装置回路（好ましくは
多重化装置）を含む。好ましくは、この多重化装置は基
板の裏面にあって、印字媒体上への印字動作に干渉しな
いようになっている。インク滴発生器は、薄膜技術を用
いて基板上に形成された、層状薄膜構造である。これら
の層には、インク源からのインクを高温に加熱してイン
ク滴が噴出されるようにするための抵抗器層、発射チャ
ンバを形成するのに必要な構造を提供するためのバリヤ
ー層、およびインクを抵抗器に供給するインク供給穴、
が含まれる。これらの層にはまた、インク滴が噴出され
るノズルを含む、オリフィス層も含まれる。本発明の他
の実施態様は、複数のインク供給穴を有するバリヤー層
を含み、および異なるカラーのインクを収容することが
できる複数のチャンバを有する、大型アレイを備えたプ
リントヘッドを含む。

【００１０】本発明はまた、上述の大型アレイを備えた
プリントヘッドを製作するのに用いる複数の技術におい
て具現化される。これらの技術には、基板上の層状薄膜
構造のエッチングやパターニングが含まれる。好適な実
施態様において、基板がまずエッチングおよびパターニ
ングされ、その後に多重化装置が取り付けられる。取り
付けは、装置を基板にはんだ付けすることを含むいくつ
かの技術を用いて行うことができる。更に、フラットパ
ネルの技術および装置を用いて、本発明の大型アレイを
備えたプリントヘッドを製造してもよい。

【００１１】本発明の他の態様および利点とそのより完
全な理解とは、図面と共に例として本発明の原理を説明
している以下の詳細な説明から明白となろう。更に、本
発明の範囲は、詳細な説明によってではなく、特許請求
の範囲によって制限される、ということが意図されてい
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明は、好適な実施態様を説明
する以下の説明および図面を参照することによって、更
に理解することができる。他の特徴および利点は、図面
と共に例として本発明の原理を説明している以下の詳細
な説明から、明白となろう。

【００１３】図面を通して、同じ参照番号は、対応する
部品を表す。

【００１４】本発明の以下の説明において、図面を参照
する。図面は発明の説明の一部を形成するものであり、
図面において、本発明を実施することができる具体的な
例が、説明のために示される。他の実施態様も利用する
ことができ、本発明の範囲から逸脱することなく構造的
変更を行うことができる、ということが理解されよう。

【００１５】Ｉ．一般的概観 本発明は、単一のモノリシック基板上に形成されたイン
ク滴発生器の大型アレイを備えたプリントヘッドにおい
て、具現化される。本発明のプリントヘッドは、大型印
字システムやドラムプリンタ等の、高速印字システムに
適している。本発明は、大型アレイを備えたプリントヘ
ッドに存在する可能性のある問題のいくつかを解決す
る。例えば、シリコン基板上に形成された大型アレイを
備えたプリントヘッドは、利用できるシリコンウェーハ
の最大サイズによって制限されるかもしれない。更に、
基板サイズがウェーハサイズにだんだん近づくにつれ
て、ウェーハ当たり製造することができる基板がわずか
１個または数個になってしまうので、多重化すると、大
型アレイを備えたプリントヘッドの製造コストが法外に
高くなってしまうかもしれない。代替案のひとつは、キ
ャリア基板上に多数のサーマルインクジェット（ＴＩ
Ｊ）のプリントヘッドを配置し整列させることによって
大型アレイを備えたプリントヘッドを作り出すことであ
るが、基板同士の間でインク滴発生器の位置を制御する
ことは、十分に制御可能ではない可能性がある。

【００１６】本発明の大型アレイを備えたプリントヘッ
ドは、単一のモノリシック基板上に形成されたＴＩＪ薄
膜インク滴発生器の大型アレイを設けることによって、
これらの問題を解決する。このように基板を単一にする
ことによって、ＴＩＪ基板がキャリア基板になるため、
多数の基板のアライメントをとる困難性がなくなる。好
ましくは、インク滴発生器の大型アレイは、多重化装置
なしでモノリシック基板上にパターニングされ、多重化
装置はその後基板に取り付けられる。更に、基板は、い
かなるウェーハサイズの制限も緩和し、コストを低減
し、他のコストが高い基板に必要ないかなる処理装置も
緩和するのに適した材料でできている。

【００１７】II．構造的概観 図１は、本発明を組み込んだ印字システム全体のブロッ
ク図である。印字システム１００は、印字媒体上にイン
ク等の材料を印字するのに用いることができる。印字媒
体は、紙であってもよい。印字システム１００は、ホス
トシステム１０５に電気的に結合される。ホストシステ
ム１０５は、印字データを生成するためのコンピュータ
またはマイクロプロセッサとすることができる。印字シ
ステム１００は、インク供給装置１１５、電源１２０、
媒体移送装置１２５、キャリッジアセンブリ１３０、お
よびプリントヘッドアセンブリ１３５に結合した、制御
装置１１０を含む。インク供給装置１１５は、例えば液
導管１４５によって、プリントヘッドアセンブリ１３５
と流体的に結合される。インク供給装置は、選択的にイ
ンクをプリントヘッドアセンブリ１３５に供給する。媒
体移送装置１２５は、印字媒体１５０を印字システム１
００に対して移動させる。同様に、キャリッジアセンブ
リ１３０は、プリントヘッドアセンブリ１３５を支持し
て、印字媒体１５０の上の特定位置まで制御装置１１０
が命令するとおりにプリントヘッドアセンブリ１３５を
移動させる。

【００１８】プリントヘッドアセンブリ１３５は、例え
ばセラミック等、何らかの適当な材料（好ましくは、熱
膨張係数が低いもの）でできた、単一のモノリシック基
板１６０を含む。プリントヘッドアセンブリ１３５は更
に、インク滴をプリントヘッドアセンブリ１３５から噴
出させるための要素を含むインク滴発生器のアレイ１６
５を、含む。入力リード線の数を低減する多重化装置１
７０がインク滴発生器のアレイ１６５に電気的に結合さ
れる。多重化装置は、入力リード線の数を低減すること
に加えて、寄生抵抗も低減し、それによって、インク滴
発生器のアレイ１６５からインク滴を１つ噴出するのに
必要なエネルギー量を低減する。プリントヘッドアセン
ブリ１３５はまた、インク滴発生器のアレイ１６５と多
重化装置１７０とにエネルギーを供給する電気的インタ
ーフェース１７５も含む。

【００１９】印字システム１００の動作中、電源１２０
は、制御された電圧を、制御装置１１０、媒体移送装置
１２５、キャリッジアセンブリ１３０、およびプリント
ヘッドアセンブリ１３５に供給する。更に、制御装置１
１０は、ホストシステム１０５から印字データを受信
し、そのデータを処理して、プリンタ制御情報と画像デ
ータとにする。処理したデータ、画像データおよびその
他静的または動的に生成したデータは、インク供給装置
１１５、媒体移送装置１２５、キャリッジアセンブリ１
３０、およびプリントヘッドアセンブリ１３５とやり取
りされ、印字システム１００が効率的に制御される。

【００２０】図２は、本発明を組み込み、例示の目的の
ためだけに示す、例示的な高速の大型印字システム２０
０の斜視図である。印字システム２００は、スタンド２
２０上に搭載されたハウジング２１０を含む。ハウジン
グ２１０は、それぞれ左媒体移送機構（図示せず）と右
媒体移送機構（図示せず）とを収容している、左媒体移
送機構カバー２２５と右媒体移送機構カバー２３０とを
有する。右媒体移送機構カバー２３０上には、制御パネ
ル２４０が装着されており、印字システム２００のユー
ザインタフェースを提供する。

【００２１】プリントヘッドアセンブリ２５０がキャリ
ッジアセンブリ２５５上に搭載されており、この２つは
共に、透明なカバー２６０の下に示される。キャリッジ
アセンブリ２５５は、ｙ軸で示す水平方向のキャリッジ
バー２６５に沿って、プリントヘッドアセンブリ２５０
を配置する。媒体移送機構（図示せず）によって、ｘ軸
で示す垂直方向に印字媒体２７０（紙等）が配置され
る。

【００２２】図３Ａは、本発明の大型アレイを備えたプ
リントヘッド３００の正面図である。プリントヘッド３
００は、単一のモノリシックのセラミック基板３１０上
に形成された、インク滴発生器要素のアレイ（図示せ
ず）を含む。インク滴発生器要素のアレイは、オリフィ
スのアレイ３０５を含む。それぞれのオリフィスは、好
ましくはノズルである。オリフィスのアレイ３０５は、
好ましくは長さが約２インチ（5.08cm）から８インチ
（20.32cm）であるが、長さは、０．５インチ（1.27c
m）から大判の図面の幅までにわたってもよい。好適な
実施態様において、オリフィスのアレイ３０５は、長さ
が２．５インチ（6.35cm）であり、ノズルの間隔が互い
違いに配列されていて、２行のノズル（それぞれの行の
解像度は３００ｄｐｉである）によって生成されるイン
チ当たり６００ドット（６００ｄｐｉ）の解像度を有す
る。好ましくは、プリントヘッド３００上には、約１５
００個のノズルが形成されている。

【００２３】複数の多重化装置３１５が、基板３１０に
形成されたリード線（図示せず）を介して、インク滴発
生器要素に電気的に結合されている。複数の多重化装置
は、以下で更に説明するが、基板３１０の裏面に配置さ
れ、破線で示される。これらの装置３１５によって、基
板３１０に形成されなければならないリード線の数が低
減し、寄生抵抗が低減する。上述のように、複数の多重
化装置３１５は、基板３１０内に形成またはパターニン
グされるのではなく、基板３１０上に回路をパターニン
グする工程の後に基板３１０に取り付けられる。以下で
説明するように、それぞれの多重化装置３１５を取り付
ける好ましい方法では、通常「フリップチップ」技術と
して知られているものを用い、それによって、それぞれ
の装置３１５がはんだを用いて基板３１０に電気的に接
続される。他の取り付け方法については以下で説明す
る。プリントヘッド３００用のエネルギーは、電気ケー
ブル３２５によって電源に接続されている電気的インタ
ーフェース３２０を通じて供給される。

【００２４】図３Ｂは、図３Ａの大型アレイを備えたプ
リントヘッド３００の背面図である。この図は、プリン
トヘッド３００と印字媒体（図示せず）との間の間隔の
問題を回避するために基板３１０の裏面（オリフィスの
アレイが配置された端部と反対側）上に装着された複数
の多重化装置３１５を、はっきりと示している。複数の
多重化装置３１５を基板３１０の裏面に装着することに
よってまた、いかなる材料の互換性の問題も緩和され
る。好ましくは、複数の多重化装置３１５はオリフィス
の各行に沿って配置され、導体(conductor)のリソグラ
フィーを簡単にし、更に寄生抵抗を最小限にする。エネ
ルギーは、電気ケーブル３２５を通じてプリントヘッド
３００に供給される。

【００２５】図３Ｃは、図３Ａおよび図３Ｂの大型アレ
イを備えたプリントヘッド３００の側面図である。複数
の多重化装置３１５は、基板３１０の裏面に取り付けら
れている。更に、電気ケーブル３２５は、大型アレイを
備えたプリントヘッド３００用の電力を供給する。バリ
ヤー層３３０が基板３１０の上に重なり、インク供給穴
（図示せず）を収容している。インク供給穴は、以下で
説明するように、それぞれが発射チャンバ（図示せず）
を含む複数のインク滴発生器に、インクを供給する。オ
リフィス層３３５は、インク滴を噴出して印字媒体上に
堆積する複数のノズルを含む。

【００２６】図４Ａは、オリフィス層を取り除いた状態
の、図３の大型アレイを備えたプリントヘッド３００の
正面図である。バリヤー層３３０が最上層であり（オリ
フィス層３３５を取り除いているので）、基板３１０の
上に重なっている。破線で示すインク供給チャネル４０
０は、基板３１０内に形成され、複数の発射チャンバ
（図示せず）および抵抗器４１０にインクを供給する。
発射チャンバおよび抵抗器４１０は層状薄膜構造であ
り、大型アレイを備えたプリントヘッド３００からイン
ク滴を噴出させるインク滴発生器の一部である。インク
供給チャネル４００は、基板３１０の厚さを部分的にし
か貫通していないので、インク供給チャネル４００は図
４Ａにおいて破線で示される。複数のインク供給穴４２
０がインク供給チャネル４００の上に重なる薄膜層内に
形成される。好適な実施態様において、その薄膜層は、
基板３１０上にヒータ抵抗器４１０を形成するのに用い
られる薄膜層のうちの少なくとも１層である。複数のイ
ンク供給穴４２０によって、インクがインク供給チャネ
ル４００から発射チャンバへ流入することができ、イン
クを抵抗器４１０によって加熱することができる。

【００２７】図４Ｂは、簡略化のため、オリフィス層、
バリヤー層、およびインク供給穴がない状態で、図４Ａ
に示された基板のコーナー部を示す。前述のように、プ
リントヘッドの動作中、インクは中央インク供給スロッ
ト４００から発射抵抗器４１０へと流れる。それぞれの
発射抵抗器４１０は、１つの多重化装置３１５から電気
パルスを受信し、帰線（return line）４３０に結合さ
れている。装置は入力線４５０と出力線４６０とを有す
る。入力線４５０は、電源から多重化装置３１５に電力
を供給するための電力線、データ源から多重化装置３１
５に抵抗器発射データを提供するためのデータ線、およ
び接地線を含んでもよい。入力線はそれぞれ入力パッド
４７０に接続され、入力パッド４７０は、図３Ｂおよび
図３Ｃに示す回路３２５等の外部回路に結合される。図
４Ｂでは線４５０に結合する特定の場所を示している
が、結合は基板３００の周辺に沿って適当に行うことが
できる。基板３００は、代替の入力または追加の入力に
結合するための多重化装置３１５に接続されたトレース
４７２を含んでいてもよい。

【００２８】多重化装置３１５は、抵抗器４１０を付勢
するためのトランジスタと共に、発射抵抗器４１０の動
作に関係するデータを記憶するためのレジスタを含んで
もよい。好適な実施態様において、基板３００は、それ
ぞれの出力線４６０について１つのパワートランジスタ
を含む。

【００２９】図５は、オリフィス層を取り除いた状態の
図４Ａの大型アレイを備えたプリントヘッド３００の発
射チャンバをいくつか詳細に表した、本発明の一実施態
様である。発射チャンバ５００は、インク供給穴５２０
と対になった抵抗器４１０を含む。バリヤー開口部５３
０が抵抗器４１０とインク供給穴５２０との組み合わせ
を取り囲み、インクがインク供給チャネル４００からイ
ンク供給穴５２０を通って抵抗器４１０へと流れること
ができるようになっている。ノズル（図示せず）がオリ
フィス層内に形成され、抵抗器４１０の上方に配置され
る。

【００３０】図６は、発射チャンバ５００とノズル３０
５とを通るインク流路を示す、図５のＡ−Ａ’線断面図
である。発射チャンバを含む層状薄膜構造の詳細につい
ては、以下で説明する。図６は、セラミック基板３１
０、基板３１０の上に重なるバリヤー層３３０、および
バリヤー層３３０の上に重なるオリフィス層３３５から
形成された、単一の発射チャンバ５００の断面図を示
す。インク供給チャネル４００は、基板３１０内に形成
されており、インク源（図示せず）からインク供給穴５
２０を介して発射チャンバ５００へとインクを送る。イ
ンクは抵抗器４１０の上を通り、抵抗器４１０はそのイ
ンクを加熱してノズル３０５からインク滴を噴出するこ
とができる。矢印６００は、インク供給チャネル４００
から抵抗器４１０へ、そしてノズル３０５を通って外へ
出るインクの流れを示す。

【００３１】図７は、オリフィス層を取り除いた状態
の、図４Ａの大型アレイを備えたプリントヘッドの発射
チャンバをいくつか詳細に表した、本発明の他の実施態
様である。この実施態様は、図５に示す実施態様の特徴
の大部分を含んでいるが、この実施態様における大型ア
レイを備えたプリントヘッド７００は、１つの発射チャ
ンバ７２０について複数のインク供給穴７１０を含むと
いう点が異なっている。それぞれの発射チャンバについ
て複数のインク供給穴を有することの利点は、ひとつに
は、インク供給チャネル７４０から発射チャンバ７２０
内へのインクの流動抵抗が低減される、ということであ
る。他の利点は、多数のインク供給穴のうちの１つがふ
さがれてしまっても、複数の供給穴によって、インク供
給チャネル７４０と発射チャンバ７２０との間に他のイ
ンク経路が提供される、ということである。この実施態
様において、抵抗器４１０は、多数のインク供給穴７１
０に隣接している。インクは、インク供給チャネル７４
０から、多数のインク供給穴７１０を通り、抵抗器４１
０の上を流れる。図７は２つのインク供給穴７１０を示
しているが、本発明の他の実施態様は、それぞれの発射
チャンバについて３つ以上の複数のインク供給穴を含
む。

【００３２】図８は、マルチチャンバを有する本発明の
大型アレイを備えたプリントヘッド８００を示す、本発
明の他の実施態様である。この実施態様は、図３Ａない
し図３Ｃに示す実施態様と同様であるが、それぞれが異
なるカラーのインクを収容している複数のチャンバが存
在するという点が異なっている。例えば、図８におい
て、大型アレイを備えたプリントヘッド８００上には、
ブラック（Ｂ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、およ
びイエロー（Ｙ）を含む４つの異なるカラーのインクが
ある。それぞれの行は異なるカラーのインクを表し、そ
れぞれの行は、多重化装置８１０（好ましくは基板８０
０の裏面に取り付けられている）と、インク滴を噴出す
るためのノズル８２０とを含む。図３Ａないし図３Ｃの
実施態様と同様に、大型アレイを備えたプリントヘッド
８００を付勢するための信号は、電気ケーブル８３０を
介して供給される。図４Ｂに関して説明したのと同様の
態様で、トレース８４０がケーブル８３０から多重化装
置８１０へと信号を送る。

【００３３】層状薄膜構造 図９は、本発明のいずれの実施態様とも共に用いること
ができる、例示的な層状薄膜構造の断面図である。図９
には、基板内に形成可能な多重化回路は示されていな
い。図９の層状薄膜構造９００は、熱膨張係数が低い任
意の適切な材料でできている（セラミックは好適な材料
である）基板９１０を含む。基板９１０の上には、熱を
基板９１０にではなくインクに向けるように配置され
た、熱バリヤー９２０がある。例示的な実施態様におい
て、熱バリヤーの材料は二酸化ケイ素である。

【００３４】抵抗器材料９３０が熱バリヤー９２０の上
に配置されて、インクを気化させるのに十分な熱を提供
し、インク滴を噴出させる。好適な実施態様において、
抵抗器の材料はタンタルアルミニウムである。抵抗器材
料の少なくとも一部の上には、導電材料９４０があり、
電力を抵抗器材料９３０に送り、抵抗器材料９３０と上
述の多重化装置（図示せず）との間の相互接続を行う。
好ましくは、電力は、アルミニウムで形成された導電ト
レースの形で、抵抗器材料９３０に送られる。最後に、
パッシベーション層９５０が設けられて、抵抗器材料９
３０を損傷から保護する。好適な実施態様において、パ
ッシベーション層９５０は、窒化ケイ素の上に炭化ケイ
素を重ねたものである。更に、好ましくは任意の金属層
（図示せず）がパッシベーション層９５０の上に設けら
れて、例えば抵抗器の発射によって生じるインク滴のつ
ぶれやキャビテーションによる損傷から、下にある薄膜
層を保護する。

【００３５】多重化装置 多重化装置は、プリントヘッド上のインク滴発生器への
電力入力の数を低減し寄生抵抗を低減するので、大型ア
レイを備えたプリントヘッド上に含まれることが重要で
あるが、多重化装置を直接基板内に形成することは、基
板が非シリコンの基板である場合には、困難または不可
能となりうる。本発明は、大型アレイの基板がシリコン
（すなわち結晶材料）を含む必要がなくそのような多重
化装置を大型アレイを備えたプリントヘッドにおいて用
いることができる手段を提供する以下の実施態様を提供
することによって、この問題に取り組む。

【００３６】好適な実施態様において、別個に製造され
たシリコンをベースにした多重化装置が、基板に接合さ
れる。これらの装置を取り付ける方法のひとつは、通常
「フリップチップ」技術と呼ばれる方法によるものであ
る。この実施態様において、多重化装置を含んでいる基
板は、複数のアドレス線と複数の一次線（primitivelin
e）とを有するトランジスタのアレイであり、ノズルの
数は、アドレス線の数と一次線の数を掛け合わせたもの
である。代替の実施態様において、多重化装置を含む基
板は、例えば入力電力線、データ線、および発射線を含
む複数の線を有する、シリアルな装置であってもよい。

【００３７】他の実施態様は、プリントヘッドに電力を
供給するシリコンをベースにした多重化装置を含む。ベ
ース基板上の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）から、より低
電力のロジック回路が形成される。この実施態様におい
て、このＴＦＴ回路を、例えばプリントヘッドの熱や圧
力の状態を監視することができる、基板上の監視回路と
して用いてもよい。更に、より低電流で高抵抗の抵抗器
がますます用いられて寄生抵抗を低減するように、より
高電流のＴＦＴをすべてのロジック回路および多重化回
路に用いてもよい。基板上に回路をパターニングする好
適な方法は、ＴＦＴを作るのに用いるフラットパネル技
術によるものである。

【００３８】III．製造の概観 図１０は、本発明の大型アレイを備えたプリントヘッド
を製造する工程の概観を示す、全体的なフローチャート
である。まず、非単結晶材料（セラミック等）でできた
ベース基板を準備する（ボックス１０００）。この非単
結晶材料（すなわち、非シリコン材料）を利用すること
によって、この工程は、大きな長方形のパネル等の、大
型で非円形の基板を用いることができる。このようなパ
ネルは、１２インチ×１２インチ（30.48cm×30.48cm）
や、または一辺が１８インチ（45.72cm）さえあるもの
等、様々なサイズをとることができる。基板の材料は、
セラミックが好適な材料であるが、基板の電気的、熱
的、機械的、および材料の互換性の要求事項を満たすも
のであれば、いかなる材料であってもよい。代案とし
て、十分なサイズのパネルを有する結晶材料が利用でき
る場合には、結晶材料の基板を用いてもよい。

【００３９】次に、抵抗器、導体、およびパッシベーシ
ョン層を画定するサーマルインクジェットの薄膜層が基
板に施され、パターニングされる（ボックス１０１
０）。次に、インク供給穴と共に、インク供給チャネル
と薄膜パターンとが基板上に形成される（ボックス１０
２０）。一実施態様において、エッチング等の工程を用
いてインク供給チャネルがまず形成され、次にフォトリ
ソグラフィー工程を用いて薄膜のパターニングを行う。
好適な実施態様において、フラットパネルディスプレイ
のフォトリソグラフィー装置が用いられる。

【００４０】多重化装置が基板から分離していない場合
には（ボックス１０３０）、電気的結合手段が大型アレ
イを備えたプリントヘッドに接続されて（ボックス１０
４０）、電源からの電力をプリントヘッドに結合する。
そうでなければ、好適な実施態様において、多重化装置
は基板から分離しており、取り付けが必要である（ボッ
クス１０５０）。上述のように、多重化装置を基板に取
り付けるための方法にはいくつかあり、例えば、「フリ
ップチップ」ボンディング工程を用いることが含まれ
る。

【００４１】多重化装置が基板に取り付けられた後、電
気的結合手段が大型アレイを備えたプリントヘッドに接
続される（ボックス１０４０）。例えばケーブルやピン
コネクタ等の、複数のコネクタを電気的に結合してもよ
い。

【００４２】大型アレイを備えたプリントヘッドの製造
に関しての３つの製造(working)例を、次に説明する。
大型アレイを備えたプリントヘッドの形状は様々であっ
てもよいが、これらの製造例において、および好適な実
施態様においては、プリントヘッドは長方形である。第
１の製造例において、セラミック材料でできた長方形の
パネルを用いて、複数の大型アレイを備えたプリントヘ
ッドを形成する。このパネルは、１０個より多いプリン
トヘッド、好ましくは約１００個のプリントヘッドを形
成するのに十分な大きさである。パネルは、好ましくは
大きさが約１２インチ×１２インチ（30.48cm×30.48c
m）である。

【００４３】長方形のパネルは平坦化される。すなわ
ち、セラミック基板はグレージングされる(glazed)。他
のタイプのパネル材料では、別の平坦化方法が必要かも
しれない。次に、熱バリヤーが基板上に堆積される（こ
の製造例においては、熱バリヤーの材料は二酸化ケイ素
である）。グレーズ（glaze）自体が熱バリヤーの役割
を果たしてもよい。

【００４４】抵抗器材料（タンタルアルミニウム等）が
熱バリヤーの上に堆積され、導電材料（アルミニウム
等）が抵抗器材料の上に、少なくとも部分的に堆積され
る。好適な実施態様において、抵抗器材料と導電材料と
は、真空蒸着工程（蒸着またはスパッタリング等）によ
って堆積される。

【００４５】フラットパネルの露光法および現像法を用
いて、エッチングと共に、抵抗器と導体のパターンが基
板上にパターニングされる。それぞれのエッチングの工
程において、まずフォトポリマーが基板上にコーティン
グされる。次にこのフォトポリマーをフラットパネル露
光システム内で露光する。最後に、フォトポリマーを現
像して下にある薄膜の露光された領域を残す。このよう
にして、薄膜の露光された領域を選択的にエッチングす
ることができる。

【００４６】抵抗器と導体のパターンを形成する方法の
ひとつは、導体を不連続のストリップ（細長片）になる
ようエッチングして抵抗器の長さを画定し、次に抵抗器
層をエッチングして抵抗器の幅を画定する、というもの
である。抵抗器／導体のパターンを形成する方法のひと
つが、米国特許第４，８０９，４２８号に開示されてお
り、その全内容が参照によって本明細書に組み込まれ
る。パッシベーション層が抵抗器層の上に施されるが、
好適な材料は、窒化ケイ素と炭化ケイ素との二重層の構
成である。

【００４７】好ましくは窒化ケイ素と炭化ケイ素とでで
きた二重層であるパッシベーション層が、抵抗器層の上
に施される。次にこのパッシベーション層をエッチング
して電気接続部を設け、次に導体が施されパターニング
される。本技術の変形のひとつは、米国特許第４，８６
２，１９７号に説明されており、その全内容が参照によ
って本明細書に組み込まれる。バリヤー層がパッシベー
ション層の上に塗布され、この製造例においては、バリ
ヤー層の材料はフォトポリマー（ドライフィルム等）で
ある。次に、上述のフラットパネルの露光と現像のシス
テムを用いて、バリヤー層の露光および現像を行う。

【００４８】次に、インク供給チャネルをエッチングに
よりまたは機械的に基板に形成する。この第１の製造例
において、インク供給チャネルは基板を完全に貫いて形
成される。次に、オリフィス層がバリヤー層の上に配置
される。上述の「フリップチップ」技術を用いて、多重
化装置が基板に取り付けられる。次に電気接続を行っ
て、大型アレイを備えたプリントヘッドを電源に電気的
に結合する。この製造例において、この電気接続は、Ｔ
ＡＢまたははんだ等によって基板に接合されたフレキシ
ブル回路を用いて行われる。

【００４９】第２の製造例の製造工程は、以下の点を除
き、第１の製造例と同様である。この第２の製造例にお
いて、薄膜層のうちの少なくともいくつかは、インク供
給チャネルの領域を超えて延びることが可能である。薄
膜のパターニング工程の間、インク供給チャネルを形成
すべき領域の上に、インク供給穴が薄膜から形成され
る。バリヤー層とオリフィス層は、単一のフォトポリマ
ー層として施される。次に、マスク材料が基板の裏面上
にパターニングされ、この裏面をエッチングして、イン
ク供給チャネルを形成する。このインク供給チャネル
は、基板の裏面から、薄膜に形成したインク供給穴まで
延びている。次にバリヤー／オリフィス層を露光し現像
して、バリヤーとノズルとを形成する。基板に多重化装
置を取り付け、フレキシブル回路を用いて電気接続を行
う。

【００５０】第３の製造例の製造工程は、以下の点を除
き、第２の製造例と同様である。バリヤー層は、単一の
層として施されるが、第１の製造例と同様に、露光し現
像してバリヤー層を形成するフォトポリマー（ドライフ
ィルム等）である。マスク材料が基板の裏面上にパター
ニングされ、エッチングされて、インク供給チャネルを
形成する。このインク供給チャネルは、基板の裏面か
ら、薄膜層に形成したインク供給穴まで延びている。次
にオリフィス層を、バリヤー層に位置合わせして取り付
ける。オリフィス層は、ニッケル、ポリマー、ガラス、
またはセラミックから作ることができる。次にベース基
板に多重化装置を取り付け、電気接続を行う。

【００５１】図１１は、本発明の大型アレイを備えたプ
リントヘッドの一実施態様の製造の詳細を示すフローチ
ャートである。図１１および図３Ａないし図６を参照し
て、セラミックでできたベース基板を準備する（ボック
ス１１０５）。必要ならば、基板はグレージング工程を
用いて平坦化される（ボックス１１１０）。次に、熱バ
リヤー層を形成する（ボックス１１１５）。この例示的
実施態様において、熱バリヤーは、蒸着工程によってま
たは酸化工程によって形成された、二酸化ケイ素（SiＯ
₂）である。次に、薄膜抵抗器材料を堆積する（ボック
ス１１２０）。この例示的実施態様において、薄膜抵抗
器材料はタンタルアルミニウム（TaAL）であり、スパッ
タリングで堆積される。

【００５２】タンタルアルミニウムの上には、好ましく
はスパッタリングによって、アルミニウム（Al）の導体
層が堆積される（ボックス１１２５）。次にTaAlおよび
Alがパターニングされて、抵抗器導体回路を形成する
（ボックス１１３０）。この実施態様において、まずア
ルミニウム層をエッチングして、アルミニウムのトレー
ス部同士の間にギャップを有する不連続のストリップを
形成する。アルミニウム層内に形成された結果として生
じるギャップは、抵抗器の長さを画定する。次に、タン
タルアルミニウムをエッチングして、抵抗器の幅を設け
る。もちろん、代案としてこの順番を逆にして、第１の
エッチングで抵抗器の幅を画定し第２のエッチングで抵
抗器の長さを画定してもよい。

【００５３】一旦抵抗器の導体のパターンが画定される
と、保護層が抵抗器の上に形成される。この例示的実施
態様において、窒化ケイ素と炭化ケイ素からなる層を含
むパッシベーション層が、抵抗器の上に堆積される（ボ
ックス１１３５）。次に、ドライエッチング工程を用い
て、パッシベーション層の横方向の長さ(lateral exten
t)とパターンとを規定する（ボックス１１４０）。一般
的に、パッシベーション層は、好ましくは、電力接続が
行われるところ以外であればどんなところにもパターニ
ングされる。図３Ａないし図４Ｂに戻って、パッシベー
ションの開口部によって、電力装置３１５と外部回路要
素３２５とを結合するためのパッド４７０を設けること
ができる。パッシベーションはまた、インク供給スロッ
ト４００の領域にもパターニングされて、インク供給穴
５２０（図４Ａ、図５、および図６を参照）を設ける。

【００５４】パッシベーション層をパターニングした
後、パッシベーション層の上に金属層を堆積する（ボッ
クス１１４５）。本例においてはタンタル（Ta）である
この金属は、次にエッチングされて、少なくともタンタ
ルのうち抵抗器の上にある部分を残し、保護層の頂部を
形成する（ボックス１１５０）。最後に、図３Ａを参照
して、接触材料（金等）を堆積しパターニングして接触
材料を設け、装置３１５および回路要素３２５を基板３
００へ結合することを容易にする（ボックス１１５
５）。

【００５５】薄膜の完成後、バリヤー材料が薄膜の上に
塗布される（ボックス１１６０）。バリヤー層を施すた
めのスピン工程もあるが、この例においては、バリヤー
材料は基板３００に積層されたポリマーである（例え
ば、図６の層３３５を参照）。

【００５６】次に、インク供給スロット５００（図６を
参照）は、供給スロットが裏面（言い換えれば、基板
の、薄膜が堆積されているのと反対側）からパッシベー
ション層までエッチングされることによって、形成され
る（ボックス１１６５）。パッシベーション層によって
エッチング工程が停止し、パッシベーション層がインク
供給スロット４００の上方に張り出したままになるよう
になる。次にバリヤー層３３０をパターニングして、そ
れぞれの開口部５２０からそれぞれの発射抵抗器４１０
までインク供給チャネルを画定する（ボックス１１７
０）。

【００５７】バリヤー層の画定後、バリヤー層３３０の
上にオリフィス層３３５を形成する（ボックス１１７
５）。例示的なオリフィス層は、電気メッキした金属で
できている。代案として、バリヤー層３３０とオリフィ
ス層３３５もまた、一体的なポリマー層をフォトイメー
ジング（photoimaging）することによって形成してもよ
い。

【００５８】バリヤー層およびオリフィス層の形成後、
多重化回路３１５または８１０と、信号を基板３００ま
たは８００に送るための外部回路要素３２５または８３
０とが、基板３００または８００に形成された入力パッ
ド（図４Ｂの入力パッド４７０等）に電気的に結合され
る（ボックス１１８０）。この実施態様において、多重
化回路３１５または８１０は、基板３００または８００
の内部にある入力パッドに電気的に結合または接合され
ており、外部回路要素は、基板３００または８００の周
辺に隣接した入力パッドに電気的に結合される。

【００５９】図１１の工程によって、インクがインク供
給スロット４００から供給穴５２０を通って発射抵抗器
４１０へと流れることができる構造体が設けられる。外
部回路要素３２５からの信号は、基板３００に伝送され
る。基板３００は、信号を装置３１５に伝送する入力ト
レース４５０を含む。装置３１５は、入力トレース４５
０からの信号を復号するか、またはその反対に多重化
し、次に応答して発射信号すなわちパルスを出力トレー
ス４６０に沿って出力し、それによって抵抗器４１０を
付勢し、または起動する。

【００６０】最後の代替の実施態様において、図１１に
関して説明した薄膜の形成前に、基板３００または８０
０内に薄膜トランジスタを形成する。薄膜トランジスタ
は、プリントヘッド３００上の情報を処理するのに利用
することができる。代替として、抵抗器４１０を駆動で
きるように薄膜トランジスタを十分な寸法に製造するこ
とができる。この代替の実施態様においては、高抵抗の
抵抗器４１０（７０オームよりも高い抵抗値を有する抵
抗器等）を用いるのが好ましい。

【００６１】本発明の好適な実施態様に関する前述の説
明は、例示および説明の目的のために行ったものであ
り、網羅的に、すなわち開示した厳密な形に本発明を限
定するように意図するものではない。従って、前述の説
明は、限定的ではなく例示的なものとしてみなされるべ
きであり、当業者であれば、特許請求の範囲によって規
定する本発明の範囲から逸脱することなく、説明した各
実施態様に変形を行うことができる、ということが理解
されるべきである。

【００６２】以下においては、本発明の種々の構成要件
の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。 １．プリントヘッド（135）を画定するモノリシック基
板（160）と、前記基板（160）上に形成されたインク噴
出要素の大型アレイ（165）と、前記インク噴出要素の
大型アレイ（165）と電気的に通信して入力信号を受信
するための入力線（450）と、前記インク噴出要素の大
型アレイ（165）と電気的に通信して出力信号を伝送す
るための出力線（460）と、別個に製造されて次に前記
モノリシック基板（160）に取り付けられる、駆動装置
回路（170）であって、その駆動装置回路（170）は、前
記出力線（460）から出力信号を受信し、前記入力線（4
50）に入力信号を伝送し、前記入力線（450）の数の方
が前記出力線（460）の数よりも少ない、駆動装置回路
(170)とを含む、大型アレイを備えたインクジェット印
字装置(100)。 ２．前記インク噴出要素の大型アレイ（165）の長さが
１インチ（2.54cm）よりも大きい、上記１に記載の印字
装置(100)。 ３．前記駆動装置回路（170）が、前記基板（160）内部
の位置に形成されたパッド（470）に取り付けられてい
る、上記２に記載の印字装置(100)。 ４．前記入力線（450）が、前記基板（160）の周辺位置
に沿って配置され、かつ前記基板（160）の外部の回路
（325）と電気的に通信するパッド（470）を含む、上記
２に記載の印字装置(100)。 ５．前記モノリシック基板（160）が、非晶質材料でで
きている、上記２に記載の印字装置(100)。 ６．媒体移送装置（125）と、前記モノリシック基板（1
60）を前記媒体移送装置（125）に対して支持するキャ
リッジアセンブリ（130）と、前記モノリシック基板（1
60）に結合し前記インク噴出要素の大型アレイ（165）
にインクを供給する、インク源（115）とを更に含む、
上記１に記載の印字装置(100)。 ７．プリントヘッド（135）を画定する、非晶質材料で
できたモノリシック基板（160）と、前記モノリシック
基板（160）上に形成された、インク噴出要素の大型ア
レイ（165）と、前記モノリシック基板（160）上に形成
された入力パッド（470）および出力リード線（460）を
有する駆動装置回路（170）であって、前記出力リード
線（460）は前記インク噴出要素の大型アレイ（165）に
接続されており、前記入力パッド（470）の数の方が前
記出力リード線（460）の数よりも少ない、駆動装置回
路（170）とを含む、大型アレイを備えたインクジェッ
ト印字装置(100)。 ８．前記非晶質材料がセラミックである、上記７に記載
の印字装置(100)。 ９．長さが１インチ（2.54cm）よりも大きく非晶質材料
からなる、単一のモノリシック基板（310）と、前記基
板（310）に隣接する抵抗器層（930）と、前記抵抗器層
（930）に隣接しインク供給穴（520）を有するバリヤー
層（330）と、前記基板（310）上に配置され、前記イン
ク供給穴（520）を通じて前記抵抗器層（930）にインク
を供給する、インク供給チャネル（400）と、及びオリ
フィス層（335）上に配置され、インクを噴出すること
ができるノズル（305）とを含む、大型アレイを備えた
プリントヘッド(300)。 １０．単一のモノリシック基板を準備するステップ（10
00）と、前記基板上に薄膜をパターニングするステップ
（1010）と、前記基板上にサーマルインクジェットイン
ク滴発生器とインク供給の幾何学的形状とを形成して、
層状薄膜構造を形成するステップ（1020）と、及び前記
層状薄膜構造の形成後に多重化装置を取り付けるステッ
プ（1050）とを含む、大型アレイを備えたプリントヘッ
ド（300）の製造方法。 １１．前記サーマルインクジェットインク滴発生器の長
さが１インチ（2.54cm）よりも大きい、上記１０に記載
の方法。 １２．前記単一のモノリシック基板が、非晶質材料でで
きている、上記１０に記載の方法。

【００６３】

【発明の効果】本発明により、基板のサイズが制限され
ることのない高速印字システムに適した寸法的に正確な
大型アレイを備えたプリントヘッドが提供される。ま
た、本発明により、キャリア基板がＴＩＪ基板になって
いて多数の基板のアライメントをとる費用や困難性をな
くすように単一のモノリシック基板を有する、安価の大
型アレイを備えたプリントヘッドが提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を組み込んだ印字システム全体のブロッ
ク図である。

【図２】本発明を組み込み例示の目的のためだけに示
す、例示的な高速の大型印字システムの斜視図である。

【図３Ａ】本発明の大型アレイを備えたプリントヘッド
の正面図である。

【図３Ｂ】図３Ａの大型アレイを備えたプリントヘッド
の背面図である。

【図３Ｃ】図３Ａおよび図３Ｂの大型アレイを備えたプ
リントヘッドの側面図である。

【図４Ａ】オリフィス層を取り除いた状態の、図３の大
型アレイを備えたプリントヘッドの正面図である。

【図４Ｂ】簡略化のため、オリフィス層、バリヤー層、
およびインク供給穴がない状態で、図４Ａの基板のコー
ナー部を示す図である。

【図５】オリフィス層を取り除いた状態の図４Ａの大型
アレイを備えたプリントヘッドの発射チャンバをいくつ
か詳細に表した、本発明の一実施態様の図である。

【図６】ノズルを通るインク流路を示す、図５のＡ−
Ａ’線断面図である。

【図７】オリフィス層を取り除き、多数のインク供給穴
を有する状態で、大型アレイを備えたプリントヘッドを
詳細に表した、本発明の他の実施態様の図である。

【図８】本発明の、マルチチャンバを有する(multi-cha
mber)大型アレイを備えたプリントヘッドを示す、本発
明の他の実施態様の図である。

【図９】本発明のいずれの実施態様とも共に用いること
ができる、例示的な層状薄膜構造の断面図である。

【図１０】本発明の大型アレイを備えたプリントヘッド
の製造の概観を示す、全体的なフローチャートである。

【図１１】本発明の大型アレイを備えたプリントヘッド
の一実施態様の製造の詳細を示すフローチャートであ
る。

【符号の説明】

100 印字システム 115 インク源 125 媒体移送装置 130 キャリッジアセンブリ 135 プリントヘッド 160、310 モノリシック基板 165 インク滴発生器のアレイ 170 駆動装置回路（多重化装置） 300 プリントヘッド 305 ノズル 325 外部回路要素 330 バリヤー層 335 オリフィス層 400 インク供給チャネル 450 入力線 460 出力線 470 入力パッド 520 インク供給穴 930 抵抗器層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダグラス・エイ・セクストン アメリカ合衆国カリフォルニア州92109, サンディエゴ，グレシャム・ナンバー 133・3940

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プリントヘッド（135）を画定するモノ
   リシック基板（160）と、 前記基板（160）上に形成されたインク噴出要素の大型
   アレイ（165）と、 前記インク噴出要素の大型アレイ（165）と電気的に通
   信して入力信号を受信するための入力線（450）と、 前記インク噴出要素の大型アレイ（165）と電気的に通
   信して出力信号を伝送するための出力線（460）と、 別個に製造されて次に前記モノリシック基板（160）に
   取り付けられる、駆動装置回路（170）であって、その
   駆動装置回路（170）は、前記出力線（460）から出力信
   号を受信し、前記入力線（450）に入力信号を伝送し、
   前記入力線（450）の数の方が前記出力線（460）の数よ
   りも少ない、駆動装置回路(170)とを含む、大型アレイ
   を備えたインクジェット印字装置(100)。