JP4142286B2 - Continuous ink jet print head, method of operating a continuous ink jet print head, and method of manufacturing a continuous ink jet print head - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタル制御印刷装置の分野に関するものであり、特に、単一基板上に多重ノズルを集積し、熱加工手段によって印刷のために液体のドロップが選択される液体インク印刷ヘッドに関するものである。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
インクジェット印刷は、非衝撃、低ノイズ特性、及びシステムの単純さのために、デジタル制御電子印刷分野において傑出した競争者として認識されている。このため、インクジェットプリンタは、家庭(ホーム)での使用やオフィスでの使用等において商業的に成功を収めている。
【0003】
インクジェット印刷機構は連続(CIJ)で又はドロップオンデマンド(DOD)でのいずれかとし分類することができる。1970年にカイザー (Kyser) らに特許された米国特許第3,946,398号は、圧電性結晶に高電圧を印加し、それによって、結晶を曲げ、インク溜めに圧力を付与し、要求されたドロップを噴出するDODインクジェットプリンタを開示している。圧電性DODプリンタは、ホーム用及びオフィス用の720dpi以上の画像(イメージ)解像度では商業的に成功を収めている。しかしながら、インクジェット印刷機構は通常、複雑な高電圧駆動回路とかさばった圧電性結晶アレイとが必要となり、それらは印刷ヘッドの長さと同様に、印刷ヘッドの単位長さ当たりのノズル数において不利である。
【0004】
1979年のエンドー (Endo) らに特許付与された英国特許第2,007,162号には、ノズルの水性インクに熱接触するヒーターに電力パルスを付与する電熱ドロップオンデマンドインクジェットプリンタを開示している。少量のインクはすぐに蒸発し、インクドロップをヒーター基板のエッジに沿って小口径から射出させることになるバブルを形成する。この技術は、熱インクジェットあるいはバブルジェット(登録商標)として公知である。
【0005】
熱インクジェットプリンタは通常、ヒーターが、バブルの迅速な形成の起因となる400℃近傍の温度までインクを加熱するのに十分なエネルギーパルスを生成する。この装置に必要な高温は特別なインクの使用を必要とし、駆動エレクトニクスを複雑にし、キャビテーション(cavitation)及びコゲーション(kogation)を介してヒーター要素の劣化を促進する。コゲーションとは、飛散物(debris)でヒータを覆うインク燃焼副産物の蓄積である。このような飛散物の塊はヒーターの熱効率を低下させ、それにより印刷(印字)ヘッドの運転寿命を短縮する。さらに、各ヒーターの高い活動電力消費は、製造コストの低下で高速でページワイド印刷ヘッドの製造を妨げる。
【0006】
連続インクジェットプリンタそれ自体は少なくとも1929年まで遡る。その年にハンセル (Hansell)らに特許付与された米国特許第1,941,001号明細書を見られたい。
【0007】
1968年3月にスィート (Sweet) らに特許付与された米国特許第3,373,437号明細書は、印刷されるインクドロップが選択的に荷電され、記録媒体へ偏向させる連続的なインクジェットノズルのアレイを開示している。この技術は、バイナリ偏向連続インクジェット印刷として公知であり、エルムジェット(Elmjet)及びサイテックス(Scitex)を含む複数の製造者によって用いられている。
【0008】
米国特許第3,416,153号明細書は、1968年12月にハーツ (Herts) らに特許付与されたものである。この特許は、連続インクジェット印刷において可変光学密度の印刷(印字)スポットを実現する方法を開示している。荷電されたドロップストリーム(流れ)の静電気分散は、小口径を通って通過するドロプレット(小滴)の数を変調するように働く。この技術は、アイリス(Iris)製のインクジェットプリンタにおいて使用されている。
【0009】
“METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING THE ELECTRIC CHARGE ON DROPLETS AND INL JET RECORDER INCORPORATING THE SAME”の発明の名称の米国特許第4,346,387号明細書は、1982年10月24日ハーツに特許付与されたものである。この特許では、ドロプレット上の静電荷を制御するCIJシステムを開示している。ドロプレットは、電界を有する静電荷電トンネル内に配置したドロップ形成点において、加圧された液体ストリームを分割(分断)することによって形成される。ドロップ形成は、所望された所定の電荷に対応する電界におけるある点で行われる。トンネルを荷電するのに加えて、偏向プレートはドロップを実際に偏向するのに用いられる。ハーツシステムでは、生成されたドロプレットが荷電され(電荷を与えられ)、次いで、のど空き(gutter)へあるいは印刷媒体上へ偏向されることが必要とされている。荷電及び偏向機構はかさばり、印刷ヘッド当たりのノズル数を厳しく制限する。
【0010】
最近まで、従来の連続インクジェット技術は全て、様々な態様で、ドロップがストリームにおいて形成される点の近傍に配置した静電荷電トンネルを利用していた。トンネルでは、個々のドロップが選択的に荷電されてもよい。選択されたドロップは荷電され、大きなポテンシャル差を有する偏向プレートの存在によって、下流に偏向される。のど空き(“キャッチャー”とも称する)は通常、荷電ドロップを遮断し、非印字モードを確立するために用いられ、一方、非荷電ドロップは印字モードで記録媒体に自由に衝突し、こうして、インクストリーム(流れ)は“非印刷”モードと“印刷”モードとで偏向する。
【0011】
最近、上述の静電気荷電トンネルを不要とする新規な連続インクジェットプリンタシステムが開発された。また、それは、(1)ドロプレット形成と(2)ドロプレット偏向の機能をよりよく結合するように働く。このシステムは、チョレック(Chwalek)らによって出願された“CONTINUOUS INK JET PRINTER WITH ASYMMETRIC HEATING DROP DEFLECTION”の発明の名称の米国特許出願第6,079,821号明細書において開示されている。この内容は本明細書の内容に組み込まれている。この特許では、連続インクジェットプリンタにおけるインク制御装置を開示している。装置は、インク送り出しチャネルと、該インク送り出しチャネルに連通する圧縮インク源と、インク送り出しチャネルに開口したボアを有するノズルとを備える。ここで、インクの連続ストリームはインク送り出しチャネルから流れ出る。ヒーターによりストリームに弱い熱パルスを周期的に印加すると、インクストリームは、印加熱パルスに同期してかつノズルから離間した位置に複数のドロプレットに分解される。ドロプレットは、(ノズルのボアにおける)ヒーターから増加した熱パルスによって偏向する。ヒーターは選択的に起動されたセクション、例えば、ノズルのボアの一部に関連するセクションを有する。特定のヒーターセクションの選択起動は、ストリームへの熱の非対称(異方的)印加と称せされるものを連続させるものである。この非対称に熱が印加されて、とりわけ“印刷”方向(記録媒体上へ)と“非印刷”方向(“キャッチャー”へ戻る方向)との間のインクドロップを偏向するように作用する方向を、セクションを交互にすることによって交互にすることができる。チョレックらの特許は、印刷ヘッド当たりのノズルの数、印刷ヘッド長、電力使用及び役に立つインクの特性に関する従来の問題を克服する方向に大きく改善された液体印刷システムを提供する。
【0012】
非対称な熱の印加はストリームの偏向につながり、その大きさは、複数の要因、例えば、ノズルの幾何学的配置及び熱的特性、付加された熱の量、印加された圧力、及び、インクの物理的・化学的・熱的特性に依存する。溶剤(特にアルコール)インクは非常によい偏向パターンを有し、異方加熱がされた連続インクジェットプリンタにおいて高い画像品質をを実現するが、水性インクはさらに問題である。水性インクはあまり偏向しないが、その作動はしっかりしていない。デラメッター(Delametter)らに出願された欧州特許出願第1,110,732号公開公報において、連続インクジェット異方加熱印刷システム内においてインクドロプレット偏向の大きさを改善するために、インク送り出しチャネル内の幾何学的障害物によって、エンハンスされた面方向フロー特性を提供することによって、特に水性インクに対して、インクドロップ偏向を有する連続インクジェットプリンタが開示されている。
【0013】
ここに記載される発明は、低コストメーカーに対して適した連続インクジェット印刷ヘッドを製造することによって、または、好適にはページワイドで作ることができる印刷ヘッドに対して、チョレックらやデラメッターらの仕事をもとにするものである。
【0014】
本発明は、ページワイド印刷ヘッドとは考えられないインクジェット印刷ヘッドを用いたものであるが、改善されたインクジェット印刷システムに対して必要と広く認識され、例えば、コスト、サイズ、速度、品質、信頼性、小さなノズルオリフィスサイズ、小さなドロップサイズ、低電力使用、作動における構成の単純さ、耐久性、及び、製造能力に関して利点を備えるものである。この点では、ページワイド高分解能インクジェット印刷ヘッドを製造する能力について特に必要性がある。ここで使用するように、“ページワイド”の語は約4インチの最小長さの印刷ヘッドを称している。高解像度は、各インクカラーに対して、単位インチ当たり最小約300個のノズルから単位インチ当たり最大約2,400個のノズルのノズル密度を意味する。
【0015】
印刷速度の増大に対してページワイド印刷ヘッドを十分活用するために、印刷ヘッドはかなりの数のノズルを含んでいる。例えば、従来の走査型印刷ヘッドは、一インクカラー当たり数100個のノズルを有するに過ぎなかった。写真の印刷に適した4インチページワイド印刷ヘッドは、数1000個ものノズルを有する。印刷ヘッドが1ページにわたってそれを機械的に動かす必要性のためにゆっくり走査される間、ページワイド印刷ヘッドは静止しており、紙が移動して印刷ヘッドを通り過ぎていく。画像は理論的には、一回のパス(通過)で印刷することができ、それにより、実質的に印刷速度を増大する。
【0016】
ページワイドの高生産性のインクジェット印刷ヘッドの実現には2つの大きな困難がある。第1に、ノズルがセンター−センター間距離で10μmから80μmのオーダーで互いに隣接して配置しなければならない。第2には、ヒーターに電力を供給するドライバと各ノズルを制御するエレクトロニクスとを各ノズルに集積しなければならない。というのは、外部回路への数1000個のボンドあるいは他のタイプの接続部を作る試みは現在はまだ実現が困難だからである。
【0017】
これらのチャレンジに対処する一方法は、VLSI技術を利用してシリコンウェハー上に印刷ヘッドを形成し、同じシリコン基板上のCMOSにノズルを集積することである。
【0018】
シルバーブロック(Silverbrook)に特許付与された米国特許第5,880,759号明細書に提案されたカスタムプロセスは印刷ヘッドを形成するために開発されたが、コスト及び製造能力の観点から、従来のVLSI設備でほぼ標準CMOSプロセスを用いて回路を最初に形成し、次いで、ノズル及びインクチャネルの形成のために別のMEMS設備でウェハーの後処理を行うのが好ましい。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、よりカスタム処理を必要とする従来公知のインクジェット印刷ヘッドと比較して、低コストでかつ改良された製造能力で製造されるCIJ印刷ヘッドを提供することである。
【0020】
本発明の他の目的は、ヒーターの下で流体に横方向フロー(流れ)成分を付与するのに適した構造を特徴とするCIJ印刷ヘッドであって、それによってジェットが同じ熱量に対してより大きく偏向されるCIJ印刷ヘッドを提供することである。
【0021】
本発明の第1の態様では、複数のノズルを有する連続インクジェット印刷ヘッドであって、該印刷ヘッドは:印刷ヘッドの作動を制御するための集積回路を含み、かつ、インクチャネルを有するシリコン基板と;基板を覆いかつインクチャネルに連通するノズルボアを有する絶縁体層あるいは層群と;を備え、シリコン基板が各ノズルボアにインクチャネルとノズルボアとの間にシリコン基板から成るブロッキング構造を含み、アクセス開口がインクチャネルとノズルボアとの間に形成されて、インクチャネルからのインクがブロッキング構造のまわりを流れることを可能にし、かつ、ノズルボアに入る液体インクに横方向フロー成分を付与するためにノズルからずれた位置でアクセス開口に入るようにされている。
【0022】
本発明の第2の態様では、連続インクジェット印刷ヘッドを作動する方法であって:印刷ヘッドの作動を制御するために形成された集積回路群を有するシリコン基板に形成されたインクチャネルに加圧状態下の液体インクを備える段階と;シリコン基板を覆う絶縁体層あるいは層群に形成されたノズルボアにが流れ込むようにする段階と;インクドロプレットの方向を制御するために、ヒーター要素を回って流れるインクに非対称に加熱する段階と;シリコン基板に形成されかつノズルボアに位置合わせされたブロッキング構造近傍にインクフローを有することによって生成されるインクジェット若しくはストリームに横方向フロー成分を付与する段階と:を備えている。
【0023】
本発明の第3の態様では、連続インクジェット印刷ヘッドを製造する方法であって:印刷ヘッドの作動を制御するための集積回路を有するシリコン基板を準備する段階であって、シリコン基板はその上に絶縁体層あるいは層群を有し、絶縁体層あるいは層群はシリコン基板に形成された回路に電気的に接続された導体を含むものである段階と;絶縁体層あるいは層群にボアを形成する段階と;シリコン基板にボアと連通するインクチャネルを形成する段階と;シリコン基板に形成されたインクチャネルから絶縁体層あるいは層群に形成されたボアへのインクの横方向のフローを制御するためにシリコン基板にブロッキング構造を形成する段階と;を備えている。
【0024】
本発明のこれらの目的及び他の目的、特徴及び利点は、本発明の例示的に示して表した図面を参照すると、以下の詳細の説明のよって当業者には明らかである。
【0025】
【発明の実施の形態】
本明細書は、本発明の主要部を特に指摘しかつ明白に主張するクレームを説明するが、添付図面を参考にした以下の詳細な説明から本発明をより深く理解されるはずである。
図1は、本発明により構成された印刷ヘッドの概略部分平面図であり;
図1Aは、本発明によるCIJ印刷ヘッド用の“ノッチ”型ヒーターを有するノズルの概略平面図であり;
図1Bは、本発明によるCIJ印刷ヘッド用のスプリット型ヒーターを有するノズルの概略平面図であり;
図2は、図1AのB−B線に沿った“ノッチ”型ヒーターを有するノズルの断面図であり;
図3は、図1AのA−B線に沿った断面図であって、従来型CMOS製造段階の全ての終了直後のノズル領域を示す図であり;
図4は、ノズルの小アレイを有するインクジェットの概略平面図であって、隣接ノズル間のインクチャネルに備えたシリコンリブとシリコン基板タイプの横方向フローブロッキング構造とを示す図であり;;
図5は、横方向フローのためのシリコンブロッキング構造の画定後に図1Aのノズル領域のA−A線に沿った概略断面図であり;
図6は、シリコンブロッキング構造の頂部におけるシリコンを除去するために“足場”効果を用いた、横方向フローのためのシリコンブロックの画定後の、図1Aのノズル領域のB−B線に沿った概略断面図であり;
図7は、頂部形成方法を用いた、横方向フローのために用いたシリコンブロックの画定後の、ノズル領域のB−B線に沿った概略断面図であり;
図8は、本発明に対応して形成されたノズルアレイ構造の概略斜視図であって、シリコンベースの横方向フローブロッキング構造を示した図であり;
図9は、連続インクジェット印刷ヘッド、ノズルアレイの例をインクジェット印刷ヘッドの下のプリンタ媒体(例えば、紙)ロールと共に示した概略斜視図であり;
図10は、本発明によって形成され、インクが送られる支持基板上に備えたCMOS/MEMS印刷ヘッドの斜視図である。
【0026】
この説明は特に、本発明による装置の一部を形成し、あるいは、その装置と直接協働する要素を対象にする。特に示されていないかあるいは記載されていない要素は、当業者には周知の様々な態様をとってもよいことは理解されたい。
【0027】
図9には、符号10で連続インクジェットプリンタシステムを示している。印刷ヘッド10aは、そこからノズル20のアレイが延伸しているが、ヒーター制御回路が組み込まれている(図示せず)。
【0028】
ヒーター制御回路は画像メモリからデータを読み、ノズルアレイ20のヒーターに時系列電気信号を送る。これらのパルスを適当な長さの時間の間、適当なノズルに印加され、それによって、画像メモリから送られたデータに指示された適当な位置において、連続インクジェットストリームから形成されたドロップが記録媒体13上にスポットを形成する。加圧されたインクは、インク溜まり(図示せず)から基板14において形成されたインク送り出しチャネルへ進み、ノズルアレイ20を通って記録媒体13あるいはのど空き19のいずれか上に進む。インクのど空き19は偏向されてないインクドロプレット11を捕捉するように構成され、一方、偏向されたドロプレット12が記録媒体に達するようになっている。図13の連続インクジェットプリンタシステムの一般的な説明は、本発明のプリンタシステムについての一般的な記載として用いるためにも適している。
【0029】
図1には、本発明によるインクジェット印刷ヘッドの平面図を示している。印刷ヘッドは、ライン状にあるいはジグザグに配置されたノズルアレイ1a−1dを備える。各ノズルは、それぞれ論理回路とヒーター駆動トランジスタ(図示せず)を含む論理ANDゲート2a〜2dによってアドレス指定される。各データ入力ライン3a〜3dについての各信号と、論理ゲートに接続される各イネーブルクロックライン5a〜5dとが共に論理1(ONE)であるならば、論理回路は各ドライバトランジスタをオンにする。さらに、イネーブルクロックライン(5a−5d)上の信号が、特別のノズル1a−1dにおけるヒーターを介して電流の継続時間を決定する。ヒータードライバトランジスタを駆動するデータを、データシフトレジスタ6に入力される処理された画像データから得てもよい。ラッチクロックに応答するラッチレジスタ7a−7dは、各シフトレジスタステージからのデータを受け、ドットがレシーバ(受像媒体)上に印刷されるか否かいずれかを表す各ラッチ状態信号(論理1あるいはゼロ(ZERO))を表すライン3a−3d上の信号を提供する。第3のノズルでは、ラインA−AとB−Bとは、図1A及び図1Bに示した断面の方向を画定するものである。
【0030】
図1A及び図1Bは、CIJ印刷ヘッドで用いられる2つのタイプのヒーター(“ノッチ型”あるいは“スプリット型”の各々)の詳細な平面図である。それらは、ジェットの非対称加熱を生成し、インクジェット偏向を引き起こす。非対称な熱付与は単に、スプリット型ヒーターの場合で独立にヒーターのどこかのセクションに電流を供給することを意味する。ノッチ型ヒーターに電流が付与されたノッチ型ヒーターの場合は本来的に、メニスカスの非対称加熱を含む。図1Aに、ノッチ型ヒーターを有するインクジェット印刷ヘッドノズルの平面図を示す。ヒーターは、ノズルの出口近傍に形成する。ヒーター要素材料は、電気的な開通が可能な程度の十分な非常に小さな切り欠き型領域を除いては、実質的にノズルボアを囲む。図1を参照すると、各ヒーターの一の側は、通常+5ボルトの電源に接続される共通バスラインに接続される。各ヒータの他の側は、30mAまでの電流をヒーターに送ることができるMOSトランジスタドライバをその内側に備える論理ANDゲートに接続される。ANDゲートは2つの論理入力を有する。一の論理入力は、現在のライン時間の間あるいはのそれ以外の時間に特定ヒーターが起動されるか否かを示す各シフトレジスタ段階からの情報を得るラッチ7a−7dからのものである。他方の入力は、特定ヒーターに付与されるパルスの時間の長さ及びシーケンスを決定するイネーブルクロックである。通常、印刷ヘッドには2又は3以上のイネーブルクロックがあり、それによって、隣接ヒーターはわずかに異なる時間に起動して熱及び他のクロストーク効果を回避することができる。
【0031】
図1Bでは、スプリット型ヒーターであって、出口開口近傍のノズルボアの回りの実質的に2つの半導体ヒーター要素を有するヒーターを備えたノズルを示している。独立した導体を、各半円の上部及び下部セグメントに備えている。この場合には、上部及び下部とは、同じ面における要素(部材)を意味することは理解されたい。これらの導体のそれぞれに関連した金属層に導体を電気的に接触するビアを備える。これらの金属層は、以下に記載するようにシリコン基板上に形成された駆動(ドライバ)回路に接続されている。
【0032】
図2には、B−Bに沿った作動しているノズルの概略断面図を示す。上述のように、ノズルの下にはインクを供給するインクチャネルを有する。このインク供給は、約8.8μmのボア直径に対して通常15psiから25psiの間の圧力下で行う。送りチャネルのインクは加圧された溜まり(図示せず)から放出され、圧力下でチャネルにインクを流す。インク圧調整器(図示せず)を使用して、定圧を確保している。ヒーターへの電流の流れ込みなしで、のど空きへ真っ直ぐに直接流れ込むジェットが形成する。印刷ヘッドの表面では、ボアより直径が数μm大きい各ノズルの回りに対称なメニスカスが形成する。ヒーターに電流パルスを印加すると、加熱側のメニスカスが引かれ、ジェットがヒーターから離間するように偏向する。形成するドロプレットは次いで、のど空きを迂回してレシーバに達する。ヒーターを通る電流をゼロに戻すと、メニスカスは再び対称となり、ジェット方向は直線である。装置(デバイス)は容易に逆に作動し、すなわち、偏向したドロプレットはのど空きへ向かい、偏向していないドロプレットを有するレシーバ上に印刷がされる。また、一の線上に全ノズルを有することは必要不可欠というわけではない。ジグザグのノズル配置を反映するジグザグエッジを有するものより、実質的に真っ直ぐのエッジののど空きを作ることがより容易である。
【0033】
通常の作動では、ヒーターの抵抗は約400オームのオーダーで、電流は10mAから20mAであり、パルス継続時間は約2マイクロ秒であり、純水に対する偏向角は数度のオーダーであり、この点については、1998年12月28日に出願された“Continuous Ink Jet Print Head Power-Adjustable Segmented Heater”の発明の名称の米国特許第6,213,595号明細書、及び、“Continuous Ink Jet Print Head Having Multi-Segment Heaters”の発明の名称の米国特許第6,217,163号明細書を参照されたい。
【0034】
周期的電流パルスの印加によって、印加パルスに応じて、ジェットを同時のドロプレットに分解することになる。これらのドロプレットは、印刷ヘッドの表面から約100μmから200μm離れ、8.8μmの直径で、約2マイクロ秒幅で、200kHzパルス率であり、これらは通常3pLから4pLのサイズである。
【0035】
図3において示す線A−Bに沿った断面図は、ノズルが後にアレイで形成される印刷ヘッドの形成の不完全な段階であって、CMOS回路が同じシリコン基板上に集積される段階を示している。
【0036】
前述のように、CMOS回路はまずシリコンウェハー上に形成する。CMOSプロセスは、6インチ直径ウェハー上にポリシリコンの2つのレベルと金属の3つのレベルとを組み込んだ標準0.5μm混合信号プロセスであってもよい。ウェハー厚は通常675μmである。図3には、このプロセスは、ビアに内部接続するように示した3層の金属によって表している。また、ポリシリコンレベル2と金属レベル1へのN+拡散及び接触とを、シリコン基板における能動回路を示すために描いている。CMOSトランジスタのゲートは、ポリシリコン層に形成してもよい。
【0037】
金属層を電気的に絶縁する必要性のため、シリコンウェハー上の膜の全膜厚が約4.5μmになるように、それらの金属層間に誘電体層を堆積する。
【0038】
従来のCMOS形成段階の結果として。厚さ約675μmで直径6インチ直径のシリコン基板を得る。より大きめのあるいは小さめの直径のシリコンウェハーを同様に用いることができる。周知のように、これらのトランジスタを形成するためには、様々な材料に選択的に堆積する従来の方法を通して、シリコン基板には複数のトランジスタには、複数のトランジスタを形成する。一又は二以上のポリシリコン層と所望のパターンに対応してそこに形成された金属層とを有する酸化物/窒化物絶縁層を形成することになる一連の層がシリコン基板の上に支持される。必要に応じて様々な層の間にビアを備え、ボンドパッドを備えるために金属層にアクセス可能にするために表面に開口を予め備えてもよい。図3で示したように、酸化物/窒化物絶縁層は約4.5μm厚である。図3で示した構造は基本的には、図1で示した制御コンポーネントを備えるために、必要な内部接続、トランジスタ、及び、論理ゲートを備える。唯一個のボンドパッドを示しているが、マルチボンドパッドがノズルアレイに形成されることは理解されたい。データと、ラッチクロックと、イネーブルクロックと、印刷ヘッドに隣接して取り付けられた回路ボードからあるいは離れた位置から供給されたパワーとをそれぞれ接続するために、様々なボンドパッドを備えている。
【0039】
CIJ印刷システムにおける上述のように、ジェット偏向は、軸方向の運動量より横方向の運動量を有するノズルのボアに入るインク部分を増加することによって大きくなるのが望ましい。ノズルボアに位置合わせされかつその直下の各ノズルアレイの構造体の中心にブロックを作り上げることによって軸方向運動量を有する流体のいくらかを塞ぐことによって、それを達成することができる。
【0040】
本発明による横方向フロー構造の構築方法は、CMOS形成シーケンスの終わりにノズルの近傍にシリコンウェハーの断面を示す図3を参照して説明する。以下のパラグラフでは単一ノズルの形成に対して説明を行うが、プロセスがウェハーに沿って列に形成された一連のノズル群に同じく適用可能であることは理解されたい。
【0041】
図5に示したノズルアレイを参照されたい。図5の実施形態では、MOSトランジスタのゲートを形成するのに用いられる同じシリコン層がヒーター膜として使用される。このノズルからのジェット偏向を大きくするために、約0.35μmまで上述の誘電体膜を薄膜化するのが望ましい。図11に示したように、約3.5μmの誘電体膜を除去して、インクチャネルとノズルアレイの表面に形成した広めで深いノズル凹所との間のノズルボア領域を形成する。ノズル凹所を時限付きの段階におけるエッチバックを通して形成される。最終のボア膜厚をほぼ1μmとする。
【0042】
次いで、シリコンウェハーを675μmの初期厚から約300μmの厚さに薄くする。次いで、インクチャネルを開口するためのマスクをウェハーの裏面に付け、次いでシリコンをSTSエッチシステムで、シリコンのおもて面までエッチングする。
用いたマスクは、インクチャネルのエッチング中に、ノズルアレイのノズル間のシリコンブリッジ若しくはリブの背後に残る。これらのブリッジは、シリコンウェハの裏からおもてまでずっと延びている。従って、ウェハのうら面に画定されパターニングされたインクチャネルはもはや、ノズル列の方向に平行に延びる長い矩形凹所ではなく、各々単一ノズルを提供する一連の小さめの矩形キャビティ群である。図4を参照されたい。パッケージングのときにアレイが捻り応力を受けると膜が壊れる印刷ヘッドを構造的に弱くする傾向があるダイの中央における長いキャビティに対して、これらのリブの使用によってシリコンの強度が改善される。また、長い印刷ヘッドに対して、低周波圧力波によるインクチャネル内の圧力変動はジェットジッタを生じうる。
【0043】
CIJ印刷システムについて上述したように、ジェット偏向は、軸方向より横方向の運動量でノズルボアに入るインクの一部を増量することによってさらに増大することが望ましい。これは、ノズル開口あるいはボアの直下の各ノズルの中央部にブロックを構築することによって軸方向運動量を有する流体の一部をブロッキングすることによって実施することができる。
【0044】
本発明に対応して、横方向フロー構造の構築方法を図5から図8を参照して述べる。
【0045】
図5には、A−A線に沿って得た断面図は横方向フロッキング構造とシリコンリブとを示している。B−B線に沿った断面図を図6に示す。シリコンフロッキング構造を形成する第1の方法は、“足止めと呼ばれるSTS”エッチシステムの現象に依存している。また、シリコンエッチングはシリコン/二酸化シリコン界面に達するときに、酸化物の帯電及び横方向に反応性シリコンエッチングイオンを入射する際の偏向のために、高速横方向エッチングが生ずる。この高速横方向エッチは約5μm延びる。次いで、ウェハーを従来のプラズマエッチチャンバに載置し、ボアの中央のシリコンを約5μm下方に異方的にエッチングされる。図5及び図6は出来上がった構造の断面図を示している。図5では、平行線模様を入れた領域は、シリコンが除去されて、シリコン基板に形成された第1のインクチャネルとノズルボアとの間のアクセス開口を備えた部分を示している。
【0046】
第2の方法は“足場”効果に依存しないものである。その代わり、ボアにおけるシリコンをウェハーのおもて面から約5μm異方的にエッチングする。次いで、異方的エッチングによって、シリコンを横方向に除去すると共に、図7に断面で示したシリコンを垂直に除去し、インクチャネルとボアとの間の流体接触を容易にする。このアプローチでは、ブロッキング構造は、シリコンの平行線模様を入れた領域を除去する、頂部からエッチバックする形成法を反映して短い。
【0047】
図6及び図7に概略的に示したように、ボアへ流れ込むインクは、ドロップレットの偏向を向上するために所望された横方向運動量成分によって支配される。上述のエッチング過程では、ウェハーのうら面におけるインクチャネル開口のウェハーのおもて面におけるノズルアレイへのの位置合わせは、カール・ズース(Karl Suss)アライナーのようなアライナーシステムを用いて行ってもよい。
【0048】
図8は、ノズルボアの下のブロッキング構造を示すために酸化物/窒化物層を部分的に除去して示したシリコンベースのブロッキング構造を有するノズルアレイの斜視図である。ノズルボアは、アクセス開口によってブロッキング構造の頂部から離間している。図6及び図7に示したように、シリコン基板に形成したブロッキング構造は、インクキャビティで加圧状態であるインクをブロッキング構造に当たるように流して横方向成分を大きくする。これらの横方向成分は、非対称加熱の付与によって一様でなくなり、図6及び図7で示したように、ストリーム偏向を生じることとなる。
【0049】
図10により、製造されたCMOS/MEMS印刷ヘッド120は、支持マウントに形成された長軸方向に延びたチャネルの端部までインクを供給するためのマウントの隣接端部に結合した一対のインク供給ライン130L、130Rを有する支持マウント110上に取り付けられている。チャネルは、印刷ヘッド120のうしろに対面し、印刷ヘッド120のシリコン基板に形成されたインクチャネルのアレイに連通する。セラミック基板であり得る支持マウントは、プリンタシステムにこの構造を取り付けるために端部に取付け穴を含む。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明により構成された印刷ヘッドの概略部分平面図である。
【図1A】 本発明によるCIJ印刷ヘッド用の“ノッチ”型ヒーターを有するノズルの概略平面図である。
【図1B】 本発明によるCIJ印刷ヘッド用のスプリット型ヒーターを有するノズルの概略平面図である。
【図2】 図1AのB−B線に沿った“ノッチ”型ヒーターを有するノズルの断面図である。
【図3】 図1AのA−B線に沿った断面図であって、従来型CMOS製造段階の全ての終了直後のノズル領域を示す図である。
【図4】 ノズルの小アレイを有するインクジェットの概略平面図であって、隣接ノズル間のインクチャネルに備えたシリコンリブとシリコン基板タイプの横方向フローブロッキング構造とを示す図である。
【図5】 横方向フローのためのシリコンブロッキング構造の画定後に図1Aのノズル領域のA−A線に沿った概略断面図である。
【図6】 シリコンブロッキング構造の頂部におけるシリコンを除去するために“足場”効果を用いた、横方向フローのためのシリコンブロックの画定後の、図1Aのノズル領域のB−B線に沿った概略断面図である。
【図7】 頂部形成方法を用いた、横方向フローのために用いたシリコンブロックの画定後の、ノズル領域のB−B線に沿った概略断面図である。
【図8】 本発明に対応して形成されたノズルアレイ構造の概略斜視図であって、シリコンベースの横方向フローブロッキング構造を示した図である。
【図9】 連続インクジェット印刷ヘッド、ノズルアレイの例をインクジェット印刷ヘッドの下のプリンタ媒体(例えば、紙)ロールと共に示した概略斜視図である。
【図10】 本発明によって形成され、インクが送られる支持基板上に備えたCMOS/MEMS印刷ヘッドの斜視図である。
【符号の説明】
10 連続インクジェットプリンタシステム
10a 印刷ヘッド
11 インクドロプレット
12 ドロプレット
14 基板
19 のど空き
20 アレイ
120 印刷ヘッド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to the field of digitally controlled printing devices, and more particularly to a liquid ink print head in which multiple nozzles are integrated on a single substrate and a drop of liquid is selected for printing by thermal processing means. is there.
[0002]
[Prior art and problems to be solved by the invention]
Inkjet printing is recognized as an outstanding competitor in the field of digitally controlled electronic printing due to its non-impact, low noise characteristics, and system simplicity. For this reason, inkjet printers have been commercially successful in home use and office use.
[0003]
Inkjet printing mechanisms can be classified as either continuous (CIJ) or drop on demand (DOD). US Pat. No. 3,946,398, patented to Kyser et al. In 1970, applied high voltage to the piezoelectric crystal, thereby bending the crystal, applying pressure to the ink reservoir, and ejecting the required drop A DOD inkjet printer is disclosed. Piezoelectric DOD printers have been commercially successful for home and office image resolutions of 720 dpi and above. However, inkjet printing mechanisms typically require complex high voltage drive circuits and bulky piezoelectric crystal arrays, which are disadvantageous in terms of the number of nozzles per unit length of the print head, as well as the length of the print head. .
[0004]
British Patent No. 2,007,162, granted to Endo et al. In 1979, discloses an electrothermal drop-on-demand ink jet printer that applies a power pulse to a heater in thermal contact with the aqueous ink in the nozzle. A small amount of ink will quickly evaporate, forming a bubble that will cause the ink drop to be ejected from the small diameter along the edge of the heater substrate. This technique is known as thermal ink jet or bubble jet.
[0005]
Thermal ink jet printers typically generate sufficient energy pulses for the heater to heat the ink to a temperature close to 400 ° C., which causes rapid bubble formation. The high temperatures required for this device require the use of special inks, complicating drive electronics, and promoting heater element degradation through cavitation and kogation. Kogation is the accumulation of ink combustion by-products that cover the heater with debris. Such a lump of scattered material reduces the thermal efficiency of the heater, thereby shortening the operating life of the print head. In addition, the high active power consumption of each heater hinders the production of page-wide printheads at high speed with reduced manufacturing costs.
[0006]
The continuous inkjet printer itself dates back to at least 1929. See US Pat. No. 1,941,001, patented to Hansell et al. That year.
[0007]
U.S. Pat. No. 3,373,437, granted to Sweet et al. In March 1968, discloses an array of continuous ink jet nozzles in which printed ink drops are selectively charged and deflected to a recording medium. is doing. This technique is known as binary deflection continuous ink jet printing and is used by several manufacturers including Elmjet and Scitex.
[0008]
U.S. Pat. No. 3,416,153 was granted in December 1968 to Herts et al. This patent discloses a method for realizing variable optical density printing spots in continuous ink jet printing. The electrostatic dispersion of the charged drop stream serves to modulate the number of droplets that pass through the small aperture. This technique is used in inkjet printers made by Iris.
[0009]
US Pat. No. 4,346,387 entitled “METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING THE ELECTRIC CHARGE ON DROPLETS AND INL JET RECORDER INCORPORATING THE SAME” was granted to Hearts on October 24, 1982. This patent discloses a CIJ system that controls the electrostatic charge on the droplet. Droplets are formed by dividing (dividing) a pressurized liquid stream at drop formation points located in an electrostatic charge tunnel with an electric field. Drop formation occurs at a point in the electric field corresponding to the desired predetermined charge. In addition to charging the tunnel, the deflection plate is used to actually deflect the drop. In the Hearts system, it is required that the generated droplets be charged (charged) and then deflected to a gutter or onto the print medium. Charging and deflection mechanisms are bulky and severely limit the number of nozzles per print head.
[0010]
Until recently, all conventional continuous ink jet technologies utilized electrostatic charge tunnels placed in various ways near the point where drops were formed in the stream. In the tunnel, individual drops may be selectively charged. The selected drop is charged and deflected downstream by the presence of a deflection plate with a large potential difference. A throat vacancy (also referred to as a “catcher”) is typically used to block charged drops and establish a non-printing mode, while a non-charged drop freely collides with a recording medium in a printing mode, thus causing an ink stream. (Flow) is deflected between the “non-printing” mode and the “printing” mode.
[0011]
Recently, a new continuous ink jet printer system has been developed that eliminates the need for the electrostatic charge tunnel described above. It also serves to better combine the functions of (1) droplet formation and (2) droplet deflection. This system is disclosed in US Patent Application No. 6,079,821, entitled “CONTINUOUS INK JET PRINTER WITH ASYMMETRIC HEATING DROP DEFLECTION” filed by Chwalek et al. This content is incorporated into the content of this specification. This patent discloses an ink control device in a continuous ink jet printer. The apparatus comprises an ink delivery channel, a compressed ink source in communication with the ink delivery channel, and a nozzle having a bore opened in the ink delivery channel. Here, a continuous stream of ink flows out of the ink delivery channel. When a weak heat pulse is periodically applied to the stream by the heater, the ink stream is decomposed into a plurality of droplets at positions separated from the nozzles in synchronization with the applied heat pulse. The droplets are deflected by increased heat pulses from the heater (in the nozzle bore). The heater has a selectively activated section, eg, a section associated with a portion of the nozzle bore. Selective activation of a particular heater section is what continues to be referred to as an asymmetric (anisotropic) application of heat to the stream. This asymmetric heat is applied, in particular the direction that acts to deflect the ink drop between the “printing” direction (on the recording medium) and the “non-printing” direction (direction returning to the “catcher”), Can be alternated by alternating sections. The Cholek et al. Patent provides a liquid printing system that is greatly improved in the direction of overcoming conventional problems with respect to the number of nozzles per print head, print head length, power usage and useful ink properties.
[0012]
The application of asymmetric heat leads to stream deflection, the magnitude of which depends on several factors, such as nozzle geometry and thermal properties, amount of heat applied, applied pressure, and ink pressure. Depends on physical, chemical and thermal properties. Solvent (especially alcohol) inks have very good deflection patterns and achieve high image quality in anisotropically heated continuous ink jet printers, but aqueous inks are even more problematic. Water-based ink does not deflect very much, but its operation is not good. In European Patent Application No. 1,110,732, filed to Delametter et al., A geometrical obstruction in the ink delivery channel to improve the magnitude of ink droplet deflection in a continuous inkjet anisotropic heating printing system. A continuous ink jet printer with ink drop deflection has been disclosed, particularly for aqueous inks, by providing enhanced surface flow characteristics.
[0013]
The invention described herein is based on the production of continuous ink jet printheads suitable for low-cost manufacturers, or preferably for printheads that can be made page-wide, such as by Cholek et al. And Derameter et al. It is based on work.
[0014]
The present invention uses an inkjet printhead that is not considered a page-wide printhead, but is widely recognized as a need for an improved inkjet print system, such as cost, size, speed, quality, reliability. With advantages in terms of performance, small nozzle orifice size, small drop size, low power usage, simplicity of construction in operation, durability, and manufacturing capabilities. In this regard, there is a particular need for the ability to produce page wide high resolution ink jet print heads. As used herein, the term “page wide” refers to a print head with a minimum length of about 4 inches. High resolution means a nozzle density from a minimum of about 300 nozzles per inch to a maximum of about 2,400 nozzles per inch for each ink color.
[0015]
In order to take full advantage of the page wide print head for increased printing speed, the print head includes a significant number of nozzles. For example, a conventional scanning print head has only a few hundred nozzles per ink color. A 4 inch page wide print head suitable for printing photographs has several thousand nozzles. While the print head is slowly scanned due to the need to move it mechanically over a page, the page-wide print head is stationary and the paper moves and passes past the print head. The image can theoretically be printed in a single pass, thereby substantially increasing the printing speed.
[0016]
There are two major difficulties in realizing a page-wide, high-productivity inkjet printhead. First, the nozzles must be placed adjacent to each other on the order of 10 to 80 μm center-center distance. Second, a driver that supplies power to the heater and the electronics that control each nozzle must be integrated into each nozzle. This is because attempts to make thousands of bonds or other types of connections to external circuitry are still difficult to achieve.
[0017]
One way to address these challenges is to use VLSI technology to form print heads on a silicon wafer and integrate the nozzles in CMOS on the same silicon substrate.
[0018]
A custom process proposed in US Pat. No. 5,880,759, patented to Silverbrook, was developed to form a printhead, but in terms of cost and manufacturing capability, it is almost identical to conventional VLSI equipment. Preferably, the circuit is first formed using a standard CMOS process and then the wafer is post-processed in a separate MEMS facility for nozzle and ink channel formation.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
It is an object of the present invention to provide a CIJ printhead that is manufactured at a lower cost and with improved manufacturing capabilities compared to previously known ink jet printheads that require more custom processing.
[0020]
Another object of the present invention is a CIJ print head characterized by a structure suitable for imparting a lateral flow component to a fluid under a heater, whereby the jet is more sensitive to the same amount of heat. It is to provide a CIJ print head that is highly deflected.
[0021]
In a first aspect of the invention, a continuous inkjet printhead having a plurality of nozzles, the printhead comprising: a silicon substrate including an integrated circuit for controlling operation of the printhead and having an ink channel; An insulating layer or layer having a nozzle bore covering the substrate and in communication with the ink channel, wherein each silicon bore includes a blocking structure comprising a silicon substrate between the ink channel and the nozzle bore, the access opening being Formed between the ink channel and the nozzle bore to allow ink from the ink channel to flow around the blocking structure and to be offset from the nozzle to impart a lateral flow component to the liquid ink entering the nozzle bore The position is adapted to enter the access opening.
[0022]
In a second aspect of the invention, a method for operating a continuous ink jet printhead comprising: pressurizing an ink channel formed in a silicon substrate having integrated circuits formed to control the operation of the printhead Providing a lower liquid ink; allowing the nozzle bore formed in the insulator layer or layers covering the silicon substrate to flow; flowing around the heater element to control the direction of the ink droplet Heating the ink asymmetrically; and applying a lateral flow component to the ink jet or stream produced by having the ink flow in the vicinity of the blocking structure formed on the silicon substrate and aligned with the nozzle bore ing.
[0023]
In a third aspect of the present invention, a method of manufacturing a continuous ink jet printhead comprising: providing a silicon substrate having an integrated circuit for controlling the operation of the printhead, the silicon substrate being thereon Having an insulator layer or layer group, the insulator layer or layer group including a conductor electrically connected to a circuit formed on the silicon substrate; and forming a bore in the insulator layer or layer group Forming an ink channel in the silicon substrate in communication with the bore; for controlling the lateral flow of ink from the ink channel formed in the silicon substrate to the bore formed in the insulator layer or layers. Forming a blocking structure on the silicon substrate.
[0024]
These and other objects, features and advantages of the present invention will become apparent to those of ordinary skill in the art by reference to the following detailed description, taken in conjunction with the illustrative and illustrative drawings of the present invention.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DETAILED DESCRIPTION While the specification exemplifies claims that particularly point out and distinctly claim the essential portions of the invention, the invention should be better understood from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings.
1 is a schematic partial plan view of a print head constructed in accordance with the present invention;
FIG. 1A is a schematic plan view of a nozzle having a “notch” type heater for a CIJ printhead according to the present invention;
1B is a schematic plan view of a nozzle having a split heater for a CIJ print head according to the present invention;
2 is a cross-sectional view of a nozzle having a “notch” type heater along line BB of FIG. 1A;
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AB of FIG. 1A, showing the nozzle region immediately after completion of all conventional CMOS manufacturing steps;
FIG. 4 is a schematic plan view of an inkjet with a small array of nozzles showing silicon ribs and silicon substrate type lateral flow blocking structures in ink channels between adjacent nozzles;
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view along line AA of the nozzle region of FIG. 1A after defining a silicon blocking structure for lateral flow;
FIG. 6 is taken along line BB in the nozzle region of FIG. 1A after definition of the silicon block for lateral flow, using a “scaffolding” effect to remove silicon at the top of the silicon blocking structure. Is a schematic cross-sectional view;
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view along line BB of the nozzle region after definition of the silicon block used for lateral flow using the top forming method;
FIG. 8 is a schematic perspective view of a nozzle array structure formed in accordance with the present invention showing a silicon-based lateral flow blocking structure;
FIG. 9 is a schematic perspective view showing an example of a continuous inkjet printhead, a nozzle array, with a printer media (eg, paper) roll under the inkjet printhead;
FIG. 10 is a perspective view of a CMOS / MEMS print head formed on a support substrate formed according to the present invention and to which ink is fed.
[0026]
This description is particularly directed to elements that form part of the device according to the invention or that cooperate directly with the device. It should be understood that elements not specifically shown or described may take various forms well known to those skilled in the art.
[0027]
In FIG. 9, a continuous ink jet printer system is indicated by
[0028]
The heater control circuit reads data from the image memory and sends a time-series electrical signal to the heater of the
[0029]
FIG. 1 shows a plan view of an ink jet print head according to the present invention. The print head includes nozzle arrays 1a to 1d arranged in a line or zigzag. Each nozzle is addressed by a logical AND gate 2a-2d that includes a logic circuit and a heater drive transistor (not shown), respectively. If each signal for each data input line 3a-3d and each enable clock line 5a-5d connected to the logic gate are both logic 1 (ONE), the logic circuit turns on each driver transistor. In addition, the signal on the enable clock line (5a-5d) determines the current duration through the heaters in the special nozzles 1a-1d. Data for driving the heater driver transistor may be obtained from the processed image data input to the
[0030]
1A and 1B are detailed plan views of two types of heaters (each of “notch type” or “split type”) used in CIJ print heads. They generate asymmetric heating of the jet and cause ink jet deflection. Asymmetric heat application simply means supplying current to some section of the heater independently in the case of a split heater. In the case of a notch heater in which an electric current is applied to the notch heater, it inherently includes asymmetric heating of the meniscus. FIG. 1A shows a plan view of an inkjet printhead nozzle having a notch heater. The heater is formed in the vicinity of the nozzle outlet. The heater element material substantially surrounds the nozzle bore except for a very small cutout area sufficient to allow electrical opening. Referring to FIG. 1, one side of each heater is connected to a common bus line that is normally connected to a +5 volt power source. The other side of each heater is connected to a logical AND gate with a MOS transistor driver inside that can deliver up to 30 mA of current to the heater. The AND gate has two logic inputs. One logic input is from latches 7a-7d that obtain information from each shift register stage that indicates whether a particular heater is activated during the current line time or at other times. The other input is an enable clock that determines the length and sequence of pulses applied to a particular heater. Typically, the print head has two or more enable clocks so that adjacent heaters can be activated at slightly different times to avoid thermal and other crosstalk effects.
[0031]
FIG. 1B shows a nozzle that is a split-type heater with a heater having substantially two semiconductor heater elements around the nozzle bore near the outlet opening. Independent conductors are provided in the upper and lower segments of each semicircle. In this case, it should be understood that the upper part and the lower part mean elements (members) in the same plane. Vias are provided for electrically contacting the conductors with the metal layers associated with each of these conductors. These metal layers are connected to a driver circuit formed on the silicon substrate as described below.
[0032]
FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of the nozzle operating along BB. As described above, an ink channel for supplying ink is provided under the nozzle. This ink supply is typically under a pressure of between 15 psi and 25 psi for a bore diameter of about 8.8 μm. The ink in the feed channel is released from a pressurized reservoir (not shown) and causes ink to flow through the channel under pressure. A constant pressure is secured by using an ink pressure regulator (not shown). A jet that flows straight into the throat is formed without any current flowing into the heater. On the surface of the print head, a symmetrical meniscus is formed around each nozzle whose diameter is several μm larger than the bore. When a current pulse is applied to the heater, the meniscus on the heating side is pulled and the jet is deflected away from the heater. The droplet that forms then bypasses the throat and reaches the receiver. When the current through the heater is returned to zero, the meniscus becomes symmetrical again and the jet direction is straight. The device operates easily in reverse, i.e. the deflected droplet goes to the throat and is printed on the receiver with the undeflected droplet. Also, it is not essential to have all the nozzles on one line. It is easier to create a substantially straight edge throat gap than one having a zigzag edge that reflects the zigzag nozzle arrangement.
[0033]
In normal operation, the heater resistance is on the order of 400 ohms, the current is 10 mA to 20 mA, the pulse duration is about 2 microseconds, and the deflection angle for pure water is on the order of a few degrees. US Pat. No. 6,213,595 entitled “Continuous Ink Jet Print Head Power-Adjustable Segmented Heater” filed on Dec. 28, 1998, and “Continuous Ink Jet Print Head Having Multi-Segment” See U.S. Pat. No. 6,217,163 entitled "Heaters".
[0034]
Application of a periodic current pulse will cause the jet to break up into simultaneous droplets in response to the applied pulse. These droplets are about 100 μm to 200 μm away from the surface of the print head, are 8.8 μm in diameter, are about 2 microseconds wide and have a 200 kHz pulse rate, which are typically 3 pL to 4 pL in size.
[0035]
The cross-sectional view along line A-B shown in FIG. 3 shows an incomplete stage of formation of a printhead in which nozzles are later formed in an array, wherein the CMOS circuit is integrated on the same silicon substrate. ing.
[0036]
As described above, the CMOS circuit is first formed on a silicon wafer. The CMOS process may be a standard 0.5 μm mixed signal process that incorporates two levels of polysilicon and three levels of metal on a 6 inch diameter wafer. The wafer thickness is usually 675 μm. In FIG. 3, this process is represented by three layers of metal shown interconnected to vias. N to
[0037]
Due to the need to electrically insulate the metal layers, a dielectric layer is deposited between the metal layers so that the total thickness of the film on the silicon wafer is about 4.5 μm.
[0038]
As a result of the conventional CMOS formation stage. A silicon substrate having a thickness of about 675 μm and a diameter of 6 inches is obtained. Larger or smaller diameter silicon wafers can be used as well. As is well known, in order to form these transistors, a plurality of transistors are formed on a silicon substrate through a conventional method of selectively depositing on various materials. A series of layers that will form an oxide / nitride insulating layer having one or more polysilicon layers and a metal layer formed thereon corresponding to the desired pattern is supported on the silicon substrate. The Vias may be provided between the various layers as needed, and openings may be provided in the surface in advance to allow access to the metal layer to provide bond pads. As shown in FIG. 3, the oxide / nitride insulating layer is about 4.5 μm thick. The structure shown in FIG. 3 basically comprises the necessary internal connections, transistors, and logic gates to provide the control components shown in FIG. Although only one bond pad is shown, it should be understood that multi-bond pads are formed in the nozzle array. Various bond pads are provided to connect data, latch clock, enable clock, and power supplied from a circuit board mounted adjacent to the print head or from a remote location, respectively.
[0039]
As described above in the CIJ printing system, jet deflection is preferably increased by increasing the portion of ink that enters the bore of the nozzle that has a lateral momentum rather than an axial momentum. This can be accomplished by plugging some of the fluid with axial momentum by building a block in the center of the structure of each nozzle array directly below and aligned with the nozzle bore.
[0040]
The method of constructing the lateral flow structure according to the present invention will be described with reference to FIG. 3 which shows a cross section of a silicon wafer near the nozzle at the end of the CMOS formation sequence. Although the following paragraphs describe the formation of a single nozzle, it should be understood that the process is equally applicable to a series of nozzle groups formed in rows along the wafer.
[0041]
See the nozzle array shown in FIG. In the embodiment of FIG. 5, the same silicon layer used to form the gate of the MOS transistor is used as the heater film. In order to increase the jet deflection from the nozzle, it is desirable to reduce the thickness of the dielectric film to about 0.35 μm. As shown in FIG. 11, the dielectric film of about 3.5 μm is removed to form a nozzle bore region between the ink channel and the wide and deep nozzle recess formed on the surface of the nozzle array. A nozzle recess is formed through etchback in a timed stage. The final bore film thickness is approximately 1 μm.
[0042]
The silicon wafer is then thinned from an initial thickness of 675 μm to a thickness of about 300 μm. A mask for opening the ink channels is then applied to the back side of the wafer, and the silicon is then etched to the front side of the silicon with an STS etch system.
The mask used remains behind the silicon bridges or ribs between the nozzles of the nozzle array during ink channel etching. These bridges extend all the way from the back of the silicon wafer to the front. Thus, the ink channels defined and patterned on the back side of the wafer are no longer long rectangular recesses extending parallel to the direction of the nozzle row, but a series of smaller rectangular cavities each providing a single nozzle. Please refer to FIG. The use of these ribs improves the strength of the silicon against long cavities in the center of the die, which tend to structurally weaken the printhead, where the film breaks when the array is subjected to torsional stress during packaging. Also, for long printheads, pressure fluctuations in the ink channel due to low frequency pressure waves can cause jet jitter.
[0043]
As described above for the CIJ printing system, it is desirable to further increase jet deflection by increasing a portion of the ink that enters the nozzle bore with a momentum in the lateral direction rather than the axial direction. This can be done by blocking a portion of the fluid having axial momentum by building a block at the center of each nozzle just below the nozzle opening or bore.
[0044]
Corresponding to the present invention, a method for constructing a lateral flow structure will be described with reference to FIGS.
[0045]
In FIG. 5, a cross-sectional view taken along line AA shows the lateral flocking structure and the silicon ribs. A cross-sectional view along the line BB is shown in FIG. The first method of forming a silicon flocking structure relies on the phenomenon of an “STS” etch system called a foot stop. Also, when the silicon etch reaches the silicon / silicon dioxide interface, high-speed lateral etching occurs due to oxide charging and deflection when incident reactive silicon etching ions in the lateral direction. This high speed lateral etch extends about 5 μm. The wafer is then placed in a conventional plasma etch chamber and the silicon in the center of the bore is anisotropically etched down about 5 μm. 5 and 6 show cross-sectional views of the finished structure. In FIG. 5, the region with the parallel line pattern indicates a portion provided with an access opening between the first ink channel and the nozzle bore formed in the silicon substrate after the silicon is removed.
[0046]
The second method is independent of the “scaffolding” effect. Instead, the silicon in the bore is anisotropically etched about 5 μm from the front side of the wafer. An anisotropic etch then removes the silicon laterally and vertically removes the silicon shown in cross section in FIG. 7 to facilitate fluid contact between the ink channel and the bore. In this approach, the blocking structure is short, reflecting a formation method that etches back from the top, removing regions with parallel lines of silicon.
[0047]
As shown schematically in FIGS. 6 and 7, the ink flowing into the bore is dominated by the desired lateral momentum component to improve droplet deflection. In the etching process described above, the alignment of the ink channel openings on the back side of the wafer to the nozzle array on the front side of the wafer may be performed using an aligner system such as a Karl Suss aligner. Good.
[0048]
FIG. 8 is a perspective view of a nozzle array having a silicon-based blocking structure shown with the oxide / nitride layer partially removed to show the blocking structure under the nozzle bore. The nozzle bore is spaced from the top of the blocking structure by an access opening. As shown in FIGS. 6 and 7, the blocking structure formed on the silicon substrate increases the lateral component by flowing the ink in a pressurized state in the ink cavity so as to hit the blocking structure. These lateral components become non-uniform due to the application of asymmetric heating, resulting in stream deflection as shown in FIGS.
[0049]
10, the fabricated CMOS /
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic partial plan view of a print head constructed in accordance with the present invention.
FIG. 1A is a schematic plan view of a nozzle having a “notch” type heater for a CIJ printhead according to the present invention.
FIG. 1B is a schematic plan view of a nozzle having a split heater for a CIJ print head according to the present invention.
2 is a cross-sectional view of a nozzle having a “notch” type heater along the line BB of FIG. 1A.
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AB of FIG. 1A, showing a nozzle region immediately after completion of all conventional CMOS manufacturing steps;
FIG. 4 is a schematic plan view of an ink jet having a small array of nozzles showing silicon ribs and silicon substrate type lateral flow blocking structures in ink channels between adjacent nozzles.
5 is a schematic cross-sectional view along line AA of the nozzle region of FIG. 1A after defining a silicon blocking structure for lateral flow.
6 along the BB line of the nozzle region of FIG. 1A after definition of the silicon block for lateral flow, using a “scaffolding” effect to remove silicon at the top of the silicon blocking structure. It is a schematic sectional drawing.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view along line BB of the nozzle area after definition of the silicon block used for lateral flow using the top formation method.
FIG. 8 is a schematic perspective view of a nozzle array structure formed in accordance with the present invention, illustrating a silicon-based lateral flow blocking structure.
FIG. 9 is a schematic perspective view showing an example of a continuous inkjet printhead, a nozzle array, with a printer media (eg, paper) roll under the inkjet printhead.
FIG. 10 is a perspective view of a CMOS / MEMS print head provided on a support substrate formed by the present invention and to which ink is fed.
[Explanation of symbols]
10 Continuous inkjet printer system
10a Print head
11 Ink droplet
12 Droplets
14 Substrate
19 throat empty
20 arrays
120 print head
Claims (3)
印刷ヘッドの作動を制御するための集積回路を含み、かつ、第1のインクチャネルと該第1のインクチャネルと連通する第2のインクチャネルとを有するシリコン基板と;
シリコン基板を覆う絶縁体層あるいは層群であって、第2のインクチャネルに連通するノズルボアを有する絶縁体層あるいは層群と;
ノズルから吐出されるインクドロプレットの方向を制御するように各ノズルの開口部にインクドロプレットの吐出方向に対して非対称に配置されたヒーター要素と;を備え、
前記シリコン基板は各ノズルボアにおいて前記第1のインクチャネルと前記第2のインクチャネルとの間にインクフローをブロックするブロッキング構造を備え、
前記第1のインクチャネルと前記第2のインクチャネルとの間に、前記絶縁体層若しくは層群に対して直交する方向に延伸するアクセス開口を備え、
前記アクセス開口を通過したインクが前記絶縁体層若しくは層群に突き当たることにより前記ノズルボアに入る前に前記直交方向に対して直交する方向のフロー成分を得るように、前記ノズルボアは前記アクセス開口におけるインクフローの方向からずれた位置に配置しており、
インクは前記第1のインクチャネルから前記アクセス開口を通過して前記第2のインクチャネルに入り、次いで前記ノズルボアに入り、該ノズルボアから吐出される連続インクジェット印刷ヘッド。A continuous inkjet printhead having a plurality of nozzles, the printhead:
A silicon substrate including an integrated circuit for controlling the operation of the print head and having a first ink channel and a second ink channel in communication with the first ink channel ;
An insulator layer or layer group covering the silicon substrate, the insulator layer or layer group having a nozzle bore communicating with the second ink channel;
A heater element disposed asymmetrically with respect to the direction of ink droplet ejection at the opening of each nozzle so as to control the direction of ink droplet ejected from the nozzle;
The silicon substrate has a blocking structure which blocks ink flow between said second ink channel and the first ink channel in each nozzle bore,
An access opening extending between the first ink channel and the second ink channel extending in a direction perpendicular to the insulator layer or layer group;
The nozzle bore receives ink in the access opening so as to obtain a flow component in a direction orthogonal to the orthogonal direction before entering the nozzle bore by abutting the insulator layer or group of layers through the access opening. Arranged at a position deviating from the flow direction,
A continuous ink jet printhead in which ink passes from the first ink channel through the access opening into the second ink channel and then into the nozzle bore and ejected from the nozzle bore .
印刷ヘッドの作動を制御するために形成された集積回路群を有するシリコン基板に形成されたインクチャネルに加圧状態の液体インクを備える段階と;
シリコン基板を覆う絶縁体層あるいは層群に形成されたノズルボアへ向かうインクフローを形成する段階と;
インクが前記絶縁体層若しくは層群に突き当たってからノズルボアへ向かう構成により、ノズルボアに入る前に、インクフローに絶縁体層若しくは層群に直交する方向に対して直交する方向のフロー成分を付与する段階と;
インクドロプレットの方向を制御するために、各ノズルの開口部にインクドロプレットの吐出方向に対して非対称に配置したヒーター要素を通り過ぎる際に、インクを非対称に加熱する段階と;を備えた方法。A plurality of nozzles having a nozzle bore , a first ink channel, an access opening and a second ink channel, wherein ink passes from the first ink channel through the access opening and into the second ink channel; A method of operating a continuous ink jet print head that enters and discharges from the nozzle bore comprising :
The method comprises a liquid ink of the pressure state in the ink channel formed in a silicon substrate having formed integrated circuits to control the operation of the print head;
Forming an ink flow toward a nozzle bore formed in an insulator layer or layers covering the silicon substrate;
With the configuration in which the ink strikes the insulator layer or layer group and then travels to the nozzle bore, the ink flow is given a flow component in a direction perpendicular to the direction perpendicular to the insulator layer or layer group before entering the nozzle bore. Stages;
Heating the ink asymmetrically as it passes through a heater element disposed asymmetrically with respect to the ink droplet ejection direction at the opening of each nozzle to control the direction of the ink droplet. .
印刷ヘッドの作動を制御するための集積回路を有するシリコン基板を準備する段階であって、シリコン基板はその上に絶縁体層あるいは層群を有し、絶縁体層あるいは層群はシリコン基板に形成された回路に電気的に接続された導体を含むものである段階と;
絶縁体層あるいは層群に、ノズルの開口部にインクドロプレットの吐出方向に対して非対称に配置したヒーター要素と、アクセス開口を通過したインクが前記絶縁体層若しくは層群に突き当たることにより前記ノズルボアに入る前に前記直交方向に対して直交する方向のフロー成分を得るように、前記アクセス開口におけるインクフローの方向からずれた位置に配置するノズルボアとを形成する段階と;
シリコン基板に、ボアと連通する第1のインクチャネルと該第1のインクチャネルと連通すると共に前記ノズルボアに連通する第2のインクチャネルとを形成すると共に、前記 絶縁体層若しくは層群に対して直交する方向に延伸するアクセス開口が前記第1のインクチャネルと前記第2のインクチャネルとの間に形成されるように、前記第1のインクチャネルと前記第2のインクチャネルとの間にインクフローをブロックする前記ブロッキング構造を形成する段階と;を備えた方法。A plurality of nozzles having a nozzle bore , a first ink channel, a blocking structure, an access opening, and a second ink channel, wherein ink passes from the first ink channel to the second ink channel through the access opening; A method of manufacturing a continuous ink jet print head that enters, then enters the nozzle bore and discharges from the nozzle bore, comprising :
A step of preparing a silicon substrate having an integrated circuit for controlling the operation of a print head, the silicon substrate having an insulator layer or layer group formed on the silicon substrate, and the insulator layer or layer group being formed on the silicon substrate. Including a conductor electrically connected to the connected circuit;
A heater element disposed asymmetrically with respect to the ink droplet ejection direction in the opening of the nozzle on the insulator layer or the layer group, and ink passing through the access opening hits the insulator layer or the layer group, thereby the nozzle bore. Forming a nozzle bore disposed at a position deviated from the direction of ink flow in the access opening so as to obtain a flow component in a direction orthogonal to the orthogonal direction before entering
The silicon substrate, thereby forming a second ink channel communicating with the nozzle bore communicates with the first ink channel and the first ink channel communicating with the bore, with respect to the insulator layer or group of layers Ink between the first ink channel and the second ink channel such that an access opening extending in an orthogonal direction is formed between the first ink channel and the second ink channel. Forming the blocking structure for blocking a flow .
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