(57)【要約】      （修正有）【課題】より費用が低いチップ・オン・グラスを効率の高いＭＥＭＳ技術と組み合わせて、低い費用で製造することが可能な静電インクジェットプリントヘッドの提供。【解決手段】絶縁基板プリントヘッド７０は、絶縁基板７２と、絶縁基板７２上の導電層７４であって、導電層７４はジェットのアレイの各々に対応する相互接続パターンおよびアクチュエーションパッドを含む、導電層７４と、導電層７４上の絶縁層７６と、絶縁層７６に取り付けられている膜７８と、膜７８に取り付けられているジェットスタックとを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリントヘッドであって、
絶縁基板と、
前記絶縁基板上の導電層であって、該導電層はジェットのアレイの各々に対応する相互接続パターンおよびアクチュエーションパッドを含む、導電層と、
前記アクチュエーションパッドに電気的に接続されている、前記絶縁基板に取り付けられた駆動回路と、
前記導電層上の絶縁層であって、該絶縁層は間隙を有する、絶縁層と、
前記絶縁層に取り付けられており、変換器のアレイと接触している膜と、
前記膜に取り付けられているジェットスタックとを備える、プリントヘッド。
【請求項２】
前記絶縁基板はインクポートを有する絶縁基板を含む、請求項１に記載のプリントヘッド。
【請求項３】
前記絶縁基板はガラスまたはシリコンのうちの一方を含む、請求項１に記載のプリントヘッド。
【請求項４】
前記導電層は、前記相互接続パターンおよびアクチュエーションパッドに形成された金属を含む、請求項１に記載のプリントヘッド。
【請求項５】
前記絶縁層は絶縁および接着剤層またはフォトレジストのうちの１つを含む、請求項１に記載のプリントヘッド。
【請求項６】
前記膜はステンレス鋼、チタン、およびニッケルのうちの１つを含む、請求項１に記載のプリントヘッド。
【請求項７】
前記膜は部分的にエッチングされた領域を有する膜を含む、請求項１に記載のプリントヘッド。
【請求項８】
前記膜と前記ジェットスタックとの間にボディスペーサをさらに備える、請求項１に記載のプリントヘッド。
【請求項９】
プリントヘッドを製造する方法であって、
絶縁基板を設けるステップと、
前記絶縁基板上に導電性相互接続経路およびパッドを形成するステップと、
前記相互接続経路およびパッドの少なくとも一部分の上に絶縁層を堆積するステップと、
膜を前記絶縁層に対して押圧するステップと、
前記相互接続経路に特定用途向け集積回路を取り付けるステップと、
前記膜にジェットスタックを接合するステップとを含む、方法。
【請求項１０】
絶縁層を堆積するステップは、
絶縁体を堆積するステップと、
前記絶縁体に金属をコーティングするステップと、
前記膜の下側に金属をコーティングするステップと、
加熱することによって、前記絶縁体を前記膜と接合するステップとを含む、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁基板静電インクジェットプリントヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
個体インクジェットプリントヘッドを含むインクジェットプリントヘッドの中には、電気信号を機械的運動に変換する、一般的にはチタン酸ジルコン酸鉛から成る圧電セラミック材料、略称ＰＺＴを使用するものがある。ＰＺＴ素子は信号に応答して運動し、屈曲する膜に作用して、印刷対象物上にインクを噴出させる。インクは、ＰＺＴ素子および膜に隣接するチャンバ内に存在し、チャンバは、ジェットスタックと称される、板を積み重ねたものから形成される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
カスタム集積回路（ＡＳＩＣ）が、ＰＺＴ素子に電気駆動信号を提供する。ＡＳＩＣは一般的に、電子回路基板にはんだ付けされたボール・グリッド・アレイ（ＢＧＡ）パッケージ内に存在する。電子回路基板は、可撓性（フレックス）回路を通じてＰＺＴ素子に接続する。開発の結果、フレックス回路の直接接合されたＡＳＩＣダイ、チップ・オン・フレックス（ＣＯＦ）と称される工程がもたらされた。チップ・オン・フレックスはフラット・パネル・ディスプレイに広範に利用されているが、ディスプレイはチップ・オン・グラスに移行しており、これはより安価でより高い相互接続密度を達成する。
【０００４】
インクジェットプリントヘッドに関する他の技術が引き続き開発されている。１つの有望な分野が、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）にある。ＭＥＭＳベースのプリントヘッドは一般的にＰＺＴの代わりに静電アクチュエーションを使用する。これらのプリントヘッドはインク液滴を噴出するのに使用する電力がＰＺＴと比較して約８０％少ないが、一般的なＭＥＭＳ工程には高価なＩＣ処理および基板が使用されるため、製造費用がより高い。
【０００５】
より費用が低いチップ・オン・グラスを効率の高いＭＥＭＳ技術と組み合わせて費用の低い効率的なプリントヘッドを製造することが可能であることが有益である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、インク送達システムおよび単一のインクジェットから成る内部構成の断面図である。
【図２】図２は、絶縁基板プリントヘッドおよびインク送達システムならびに単一のジェットから成る一実施形態の内部構成の断面図である。
【図３】図３は、絶縁基板プリントヘッドを製造する工程を示す図である。
【図４】図４は、絶縁基板プリントヘッドを製造する工程を示す図である。
【図５】図５は、絶縁基板プリントヘッドを製造する工程を示す図である。
【図６】図６は、絶縁基板プリントヘッドを製造する工程を示す図である。
【図７】図７は、部分的に湾曲した状態にある絶縁基板プリントヘッド内の膜の一部分を示す図である。
【図８】図８は、より十分に湾曲した状態にある絶縁基板プリントヘッド内の膜の一部分を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１は、米国特許第８，２２６，２０７号明細書に示すようなインク送達システムおよびインクジェットスタック１０の内部構成要素の断面を示す。スタックは、圧電変換器４４の直下に位置する空隙４２を残す隔離層１２を含み、当該圧電変換器は、変換器ドライバ３６から金属皮膜３８へと電流が伝送されると屈曲する。可撓性導電性コネクタ４０が、金属皮膜を変換器と接続し、これによって電流が圧電変換器へと流れることが可能になる。可撓性コネクタは、圧電変換器が金属皮膜に向かってまたは金属皮膜から離れてのいずれかに屈曲するときに圧電変換器との電気接続を維持する銀エポキシのような導電性接着剤であってもよい。圧電変換器は、垂直スタックを支持するスペーサ層１４によって囲まれている。図１の実施形態において、隔離層およびスペーサ層は各々、厚さ２５マイクロメートル（μｍ）〜５０μｍであり、圧電変換器は厚さ２５μｍ〜７５μｍである。
【０００８】
圧電変換器は圧電変換器の直上に位置する可撓性ダイヤフラム１６に取り付けられている。圧電変換器を駆動する電流が、変換器をダイヤフラムに向かって屈曲させるか、または、ダイヤフラムから離れて空隙に向かって屈曲させる。ダイヤフラムは圧電変換器の屈曲に応答し、圧電変換器への電気信号が中断するとその元の形状に戻る。この実施形態におけるダイヤフラムは、厚さが１０〜４０μｍの範囲内にあるように選択されてもよい。
【０００９】
本体層１８がダイヤフラムの上にあり、本体層は、圧力チャンバ３０を形成する側壁を有する。ダイヤフラムは圧力チャンバの直下にあり、その壁の１つを形成している。この実施形態において、本体層および圧力チャンバは３８μｍまたは５０μｍ厚のいずれかである。圧力チャンバは４つの側壁を有し、これらは任意選択的に、ほぼ同じで長さでひし形または正方形の形状の領域を形成してもよい。この実施形態において、各壁は長さ５００μｍ〜８００μｍの範囲に及んでもよく、インクジェットスタックの長さおよび幅寸法を規定する。
【００１０】
本体層の上で、開口支持層２０が、圧力チャンバに流体連通する出口３２の周囲に側壁を形成する。この実施形態において、開口支持層および出口は５０μｍ厚である。圧力チャンバおよび出口を組み合わせた体積は０．００２５ｍｍ３を超えるべきではない。基部において、開口プレート２２がより狭いインク開口３４を取り囲んでいる。開口は出口に流体連通している。開口プレートはこの実施形態においては２５μｍ厚である。図１は開口が図面の上方にある向きでインクジェットスタックを図示しているが、これは、インクジェットスタックを垂直に反対方向に向けた、水平に向けた、または任意の角度に向けたものを含む、多くの可能な向きの１つに過ぎない。
【００１１】
引き続き図１を参照すると、インクはポート２４からマニホルド２６へと進む。インクジェットスタックは、入口層内に形成されている入口チャネル２８によってマニホルドに流体連通している。入口チャネルはインクがマニホルドから流れて圧力チャンバに入ることを可能にするために、マニホルドおよびインクジェットスタックのイジェクタに接続している。
【００１２】
圧電変換器が電流に応答して屈曲すると、ダイヤフラムが湾曲し、インクが圧力チャンバから出て出口および開口に入るようにする。インクはより広い圧力チャンバ出口からより狭い開口へと流れ、ここでインク液滴が形成し、インクジェットスタックから吐出される。その後、圧電変換器は反対方向に屈曲し得、ダイヤフラムを圧力チャンバから離して引き込み、液滴が吐出された後、インクを入口チャネルから圧力チャンバへと引き込む。
【００１３】
図２は、絶縁基板プリントヘッド７０の一実施形態を示す。絶縁基板７２の上には導電層７４が形成されている。絶縁基板はガラス、シリコン、または基板として使用可能な任意のタイプの絶縁材料であってもよい。この説明はチップ・オン・グラス工程に言及し得るものであることが留意されるべきでありそれらの工程は、ガラスでさえない任意の絶縁基板に適用し得ることが理解されるべきである。導電層７４は、膜の部分を印刷対象物上にインクを吐出させるように作動させることになる静電アクチュエーションパッドに駆動信号を導く相互接続経路を含む。絶縁体７６が導電層７４上に堆積される。絶縁体層は部分的に硬化したフォトレジストのような、接着剤または粘着層でもある絶縁体から成ってもよい。代替的に、絶縁体および／または接着剤層は、二酸化または窒化ケイ素から成ってもよく、これは、後により詳細に説明するように、銀拡散接合のための銀の薄層をコーティングされる。別の実施形態は、ＭｉｃｒｏＣｈｅｍによって製造される材料ＳＵ８を使用し、その材料の一例は、エポキシベースのネガ型フォトレジストである。
【００１４】
膜７８が絶縁体層に対して押圧される。その後、ボディスペーサ１８が膜上に形成される。その後、開口支持具２０がボディスペーサまたは追加の接着剤を介して絶縁基板／膜構造に接合される。図１からの３４のようなノズルを有する開口プレート２２が、開口支持具２０を絶縁基板／膜構造に接合する前または後のいずれかに、図１にあるような開口支持具に取り付けられる。
【００１５】
図２を図１と比較すると、図２の絶縁基板７２は、図１の厚い層４６に対応する。導電層７４は隔離層１２に対応する。絶縁体接着剤層７６はスペーサ層１４に対応し、ＰＺＴ変換器が使用されるとすると、それらは、膜７８に隣接する層７６の間隙７７内に存在することになる（間隙であることを適切に表現するために間隙７７を空白に変更することができるか？他の領域が必要に応じて異なる陰影に変更され得る。これはすべての図面の間隙７７に当てはまる）。膜７８は図１の膜１６に対応する。図２のボディスペーサ１８は図１の本体層１８に対応し、図１のジェットスタックの残りは図２の残りの部分に対応する。
【００１６】
図２のプリントヘッドは、ダイレクト・マーキング・インク・ジェット・プリント・ヘッドから成る。インクはジェットスタックに対する絶縁基板を通じてプリントヘッドに提供される。いくつかの場合において、インクジェットは個体インクを使用する。インクは、プリントヘッドから離れて融解し、一般的には加熱された供給ラインを通じてプリントヘッドに輸送される、黒色および任意の色の高分子個体を含む。その後、インクはジェットスタックへと進み、膜に隣接するチャンバに達する。膜が静電作動されると、インクが開口３４を通じて印刷対象物上に吐出される。導電層内に形成されている静電アクチュエーションパッドが、ジェットのアレイ内のジェットに対応する。
【００１７】
図３〜図６は、プリントヘッドを製造する方法を示す。工程は図３に示すように、インクポート８６を有する絶縁基板７２を設けることによって開始する。インクポートは単純にするために以降の図面には示さない。インクポートは絶縁基板内にエッチング、超音波加工、または穿孔されてもよい。絶縁基板はプリントヘッドから遠隔したインク供給源に連結している。
【００１８】
図４は、絶縁基板７２上に形成された導電層７４を示す。導電層７４は、金属または導電性材料を含む材料の混合物から成ってもよい。導電性材料は蒸着または他の様態で基板上に堆積され、その後エッチングされて、駆動信号をルーティングするための相互接続経路、およびジェットのアレイ内の各ジェットの静電アクチュエーションパッドが形成されてもよい。
【００１９】
図５は、導電層７４上に形成された絶縁体層７６を示す。絶縁体層は、絶縁体および／または接着剤層から成ってもよい。層は、一般的に、膜が動くことを可能にする間隙が膜の下にできることを許容するように、金属層の選択部分上にのみ堆積される。一実施形態において、接着剤層は銀拡散接合を使用する。ＳｉＯ２絶縁層が絶縁基板／導電層構造上に堆積され、その後、銀の薄層が層７６としてコーティングされる。図６に付加されて示されているダイヤフラム７８の下側にも、銀コーティング７９がコーティングされる。ダイヤフラムが絶縁体層に対して押圧されると、ダイヤフラムおよび絶縁体層は約２５０℃で拡散接合される。膜が自由に動くことを可能にする空隙７７が絶縁体内に形成される。
【００２０】
特定の実施形態において、層７６はＳｉＯ２から成り、０．９μｍ厚であり、０．１μｍの銀をコーティングされる。ダイヤフラムは７９として０．１μｍの銀をコーティングされ、結果として接着剤層の厚さは１．１μｍになる。別の実施形態において、絶縁体／接着剤層は１μｍ厚のＳＵ８層から成ってもよい。絶縁体／接着剤層は、膜が動くための間隙を残すように選択的に堆積またはエッチングされてもよい。ダイヤフラム７８は、多くの異なる材料のうちの１つから成ってもよいが、一般的には、たとえばチタンのような薄い金属層となる。ダイヤフラム層は、１０μｍ〜２０μｍ厚の金属箔であってもよい。
【００２１】
図６は、特定用途向け集積回路８４の付加を示す。ＡＳＩＣは、必要に応じて駆動信号を静電アクチュエータに導くために相互接続経路上にある。ＡＳＩＣは標準的なチップ・オン・グラス技術を使用して相互接続経路に直接取り付けられる。この時点で、製造工程は図１のプリントヘッドを開発するのに使用される製造工程のものを模倣する。再び図２を参照すると、絶縁体７６に膜が取り付けられた後、次いでボディスペーサ１８が膜に取り付けられ、その後、開口支持具２０および開口プレート２２が取り付けられる。プリントヘッドのこれらの部分をジェットスタックと称する場合がある。
【００２２】
一般的に、取り付け工程は接着プレスを含む。接合は、接着プレスを使用してジェットスタックを基板／ダイヤフラム層に押圧することを含んでもよい。一般的に、ジェットスタックは離隔した同時の工程において形成され、その後、２つの部分構造が接合される。結果もたらされるプリントヘッドはＰＺＴアーキテクチャと同じＡＳＩＣ技術を使用してもよいが、電流ははるかに低い。全体的な結果としてのプリントヘッドは製造費用が少なく、使用エネルギーが低い。
【００２３】
動作中、膜７８は図７に示すように部分的に湾曲して保持される。一実施形態において、中心におけるピーク湾曲は間隙高さの１５％であるべきである。膜は一方向にしか湾曲することができないため、湾曲状態の操作が使用されてインクの引き込み、およびその後の押し出しが実行される。動作中、プリントヘッドのジェットに対応する膜部分はそれらのデフォルト位置として部分湾曲状態に保持される。インクをリザーバ内に引き込むべきであるとき、膜はさらに湾曲される。その後、膜が解放されてインクがノズル３４から押し出される。一実施形態において、部分湾曲状態は膜を１５０ナノメートル（ｎｍ）下に保持し、全湾曲状態は膜を約２５０ｎｍ引き下ろす。「非湾曲」状態はほぼ５０ｎｍ下に湾曲されている。
【００２４】
２つの活動状態、すなわち、デフォルト状態よりも上に湾曲した一方の状態と、デフォルト状態よりも下に湾曲した他方の状態とを有する従来のスタイルのＰＺＴベースのプリントヘッドを模倣することが可能であることによって、インク共鳴などを管理する従来開発されている駆動波形のすべてを使用することが可能である。これは、ジェット性能における自然な製造上のばらつきを補償するためにジェットごとに湾曲の程度を調整する能力、「正規化」と称する工程を含む。他の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）手法は一般的に膜を「載せる」、すなわち、膜全体を基板および／またはダイヤフラム上に構築された絶縁スペーサと接触させることが留意されるべきである。このタイプの手法はこれらの波形を利用することができない。加えて、これらの手法の多くは、一般的に非常に高価であるシリコンベースの膜を使用する。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年3月19日(2014.3.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
図２を図１と比較すると、図２の絶縁基板７２は、図１の厚い層４６に対応する。導電層７４は隔離層１２に対応する。絶縁体接着剤層７６はスペーサ層１４に対応し、ＰＺＴ変換器が使用されるとすると、それらは、膜７８に隣接する層７６の間隙７７内に存在することになる。膜７８は図１の膜１６に対応する。図２のボディスペーサ１８は図１の本体層１８に対応し、図１のジェットスタックの残りは図２の残りの部分に対応する。