熱インクジェットプリントヘッド
【発明の詳細な説明】
技術分野本発明は一般に熱インクジェット・プリントに関し、詳しくはプリント・ヘッドの寿命を延ばす改良された構造のインクジェット・プリント・ヘッド障壁及びオリフィス板に関する。本発明は又、この障壁とオリフィス板を製造するための新規な製造法に関する。
発明の背景熱インクジェット・プリントの分野では、インクジェット・オリフィスの近傍に位置する限定された容量のインクに制御され且つ局所化された熱伝達を付与する方法が公知である。この熱伝達は上記容量のインクを蒸発せしめ、且つ膨張せしめることによって、印加媒体上に文字を印字する間、オリフィスからインクを射出するのに十分な熱量である。上記の所定のインク容量は一般に複数個のインク貯めを内蔵するように構成されたいわゆる障壁内に備蓄されている。これらのインク貯めは同一数の複数個のヒータ抵抗体と、インクを射出するための同一数の複数個のオリフィス・セグメントとの間に配設されている。
これらのインク貯めの１つの目的は膨張するインク気泡と圧力波とを内に含むことによりインクの射出効率を高めることである。付加的にインク貯め壁は崩壊するインク気泡により生ずるキャビテーションを緩和するために利用される。この圧力波現象の詳細に関しては、本明細書の参考文献であるF.G.Hammitt著“Cavitatin and Multiphase Flow Phenomena"（McGraw−Hill,1980年刊,167ページ以降）を参照することができる。
これら従来のインクジェット・プリント・ヘッド組立体の有効寿命は、オリフィスから噴射の際インク気泡が崩壊するときに機構内に発生する圧力波によるキャビテーションに帰因する損耗によって限定されていた。この圧力波は個々のヒータ抵抗体に相当な、反復的な力をかけ、ひいてはインクジェット動作が反復された後、上記抵抗体の１つ又は複数個を損耗せしめ、最終的に故障させる原因となる。上述の抵抗体の損耗と故障の問題に加え、上記の種類の従来型のインクジェット・プリント・ヘッド組立体は、リストン＆バクレル（RISTON and VACREL）CP4.の商標で知られるような重合体材料を用いて製造されてきた。これらの重合体材料は多くの点でその真価が実証されてきたものの、インクジェット・プリント・ヘッド動作中、崩壊するインク気泡による圧力波に帰因する相当の損耗現象により、時として許容限度を越えた高い故障率を呈することがあった。更に、プリンタが厳しい環境及び／又は損耗にさらされるある種の用途では、上記の重合体材料は下層の基板担持体から隆起して持上がり、それ故プリント・ヘッド組立体が動作不能になる場合があることが知られている。
発明の開示本発明の基本的な目的はこれらの種類のインクジェット・プリント・ヘッド組立体の有効寿命を高めることである。この目的は、インク気泡の崩壊により生ずる圧力波の強さを軽減し、一方、同時に障壁とオリフィス板の構造上の一体性（integrity）及びこれら部材の材料の強度を改善することにより達成される。更に外口オリフィスの円滑な傾斜構造という新規な構造により、達成可能な最大動作周波数fmaxが高まる。
圧力波の強さの低減、障壁の強度と一体性の増強、及びfmaxの上昇は複数個の別個の部分を有する不連続金属層を含む新規の障壁及びオリフィス板形状によってもたらされる。これらの個別部分には、プリント・ヘッド組立体から射出するインクの流れ方向に対して軸方向に心合せされた対応する複数個の中央空洞領域を形成するように、領域構造が与えられている。この中央空洞領域はそれぞれ中央空洞領域の直径よりも相当小さい寸法の幅を有する一対の狭窄インク流ポートと連結している。更に、上記個別部分はプリント・ヘッド組立体内の反射音波を軽減して隣接するオリフィス間のクロストークを軽減し、もって最大動作周波数と作成されるプリント品質を高める機能を果たす波形（scalloped）構造の外壁を有している。
連続金属層は不連続金属部の層と隣接し且つ不連続金属層内の空洞と軸方向に心合わされた複数個の出口オリフィスを含む。これらのオリフィスの直径は不連続層内の空洞の直径よりも小さく、且つ前記オリフィスは更に先細の出口オリフィスを画定し且つ空洞の周辺に延在する傾斜構造壁を含んでいる。
出口オリフィスのこのような先細構造によってインクジェット・プリント・ヘッドの連続的な円滑な動作を妨害する気泡の「飲み込み（gulping）」が抑制される。この「飲み込み」とは泡崩壊過程中の気泡吸引現象である。
不連続金属層により画定される空洞から延びるインク流ポートの幅を制限することによって、プリント・ヘッド組立体内の圧力波の力に対する耐性が高まる。この特徴により組立体内の個々のヒータ抵抗体に対する「飲み込み」及びキャビテーション（ひいてはキャビテーションに帰因する損耗）の量を最小限に抑制する。更にこれらのインク流ポートの幅が限定されていることにより、インク噴射の効率が高まり、インク貯めを再充填する時間が限定され、更にキャビテーションによる損傷が軽減される。更に、重合体材料ではなく層状のニッケルの障壁構造を用いることにより、プリント・ヘッド組立体の全体的な強度と一体性は大幅に高まる。
従って本発明の目的は熱インクジェット・プリント・ヘッド組立体内の個々の抵抗ヒータに対するキャビテーションに帰因する損耗を軽減することにより、プリント・ヘッド組立体の寿命を延ばすことである。
本発明の別の目的はインクジェット・プリント・ヘッド組立体の障壁とオリフィス板部分の強度と一体性を高めることにより上記機構の寿命を延ばすことである。
本発明の更なる目的はインクジェット・プリント・ヘッド組立体の達成可能な最大動作周波数fmaxを増大することである。
本発明の特徴は障壁内の個々のインク貯めとオリフィス板の出口オリフィスとの間に延在するなめらかに傾斜がつけられた（smoothly contoured）壁を設けることにある。この傾斜構造壁は先細オリフィス口を形成し、インク気泡崩壊の速さ及び後継のインクジェット動作への妨害を抑制する機能を果たす。
本発明の別の特徴は個々の加工段階が比較的少なくて済む、ニッケル障壁層およびオリフィス板の組立体の製造のための経済的且つ信頼性のある製造方法を提供することである。
本発明の別の特徴は後述の電鋳加工（electroforming process）を用いて障壁とオリフィス板の厚さを精密に制御することである。
本発明の上述の目的及び特徴と他の目的及び特徴を添付図面に基づく本発明の詳細な説明により以下明らかにする。
図面の簡単な説明第1A図ないし第1H図は本発明に従って障壁層とオリフィス板を作るのに用いられるプロセス段階のシーケンスを説明する概略断面図である。
第２図は２つの隣接したインク貯め空洞および出口オリフィスを含む、本発明に従った障壁層およびオリフィス板組立体の等角透視図である。
第３図は障壁層およびオリフィス板組立体がどのようにして熱インクジェット・プリント・ヘッド組立体の薄膜抵抗構造にマウントされているかを説明する断面等角透視図である。
本発明を実施する最良の態様さて第１図を参照すると、第1A図には代表的な厚さが30乃至60ミル（mil）であり、第1B図に示すようなポジ型のフォトレジスト層12をデポジットするための準備として上表面を研磨されているステンレス鋼基板10が示されている。ポジ型のフォトレジスト層12は第1C図に示すようなフォトレジスト・マスク14を形成するため当業者には公知の従来のマスキング、エッチング及び関連するフォト・リトグラフ処理段階にて処理される。ポジ型のフォトレジスト・マスクと従来のフォトリソグラフを用いてマスク部14は紫外線に露光され、そこで重合することにより第1C図に示すようにステンレス鋼基板10の表面上にそのまま残る。フォトレジスト層12の残りの非露光部は従来のフォトレジスト化学現像剤を用いて現像される。
次に、第1C図の構造は電鋳金属デポジット・ステーションに送られ、そこで第1D図に示すような第１のニッケルの連続層16がデポジットされ且つ実際にはオリフィス板の出口オリフィス19になるように下方に突出するなめらかな傾斜構造壁18が形成される。この傾斜構造18ができるわけは、電鋳形成された第１のニッケル層16がフォトレジスト・マスク14の外縁と重なるという事実による。これが起る理由は、フォトレジストマスク14の外縁を通して何らかの電鋳反応が生じることに拠るものである。その理由はフォトレジスト・マスク14の厚さが３ミクロンと小さく且つ、電鋳処理がマスク14の少なくとも周囲で薄いマスク14に浸透し、図のように先細の傾斜構造を形成するという事実に拠る。
電鋳はより一般的には電気めっきの適用として知られている。電気めっきはめっきすべき部位をめっき溶液と陽極を含むタンク（図示せず）内に入れることにより達成される。
めっき溶液は当該部位にめっきされるべき金属イオンを含み、陽極は同じ金属の切片である。めっきされる部位は陰極と称される。次に直流電流が陽極と陰極の間に通電され、それにより溶液内の金属イオンは陰極方向に移動し、陰極上にデポジットされる。陽極は、金属が陰極上にデポジットされるのと同じ速さで溶解する。このシステム（これも図示せず）は電気めっきセルと称する。
陽極において金属原子は電子を失ない陽イオンとしてめっき溶液内に入る。陰極においては逆の現象が生じ、めっき溶液内の金属イオンは陰極から電子を引出し、金属被覆として陰極にデポジットされる。陽極及び陰極における化学反応は次の通りである。なお、Ｍはめっきされる金属を表わす。
陽極:M M+＋e-陰極:M+＋e- Ｍ電鋳は電気めっきと同様であるが、電鋳処理においては物体は金属で電気めっきされ、その後めっきは物体から分離される。めっき自体が完成品であり、多くの場合、物体すなわちこの処理における基板10は何度も再利用可能である。以下の説明から明らかになるように、取外されためっきは基板表面とその上のマスクの基本的な形状を保存している。
第1E図に示す次の段階では、代表的には厚さ３ミルの積層されたフォトレジスト層20が第１のニッケル層16の上表面にデポジットされ、その後、被覆された構造はフォトリトグラフ・マスキング及び現像ステーションに送られ、そこで図に示すように第１のフォトレジスト・マスク14上に第２のフォトレジスト・マスク22が形成され、第１のスティンレス鋼の層16の傾斜構造壁部18を覆う。この第２のフォトレジスト・マスク22はほぼ垂直の厚みを有する垂直の側壁24を含み、これらの急勾配の壁は第1G図に示す次の電鋳段階において、これら垂直の境界を越えて電鋳が行なわれることを阻止する。
第1G図に示す第２のめっき又は電鋳段階においては、第２の不連続的なニッケル層26が図に示すように第１ニッケル層16の上表面上に形成され、勝つ第１と第２のニッケル層16,26の組合わせた厚さは約0.1016mm（約４ミル）である。すなわち層16の厚さは約0.0635mm（約0.0025インチ）であり、層26の厚さは約0.0381mmないし約0.0508mm（約0.0015ないし約0.0020インチ）である。第２のフォトレジスト・マスク22の形状は、図示のようにインク流ポート35と37の間にそれぞれ延在するアーチ状の空洞壁31と33を含む、第1H図に示す不連続層と波形（scallpoed）層形状を与えるように形成されている。不連続金属層26の波形壁部30は反射音波を軽減し、これにより隣接するオリフィス32間のクロストークを軽減する役割を果たす。
上述の電鋳処理を採用する重要な利用は、ニッケル層の厚さを所望の任意の寸法に精密に制御可能であるということである。この特徴は、現在ある供給業者から、選択的に間隔を置いた厚さでしか入手できないVACREL and RISTON重合体を使用した場合と対照的である。
第1G図に示すように障壁およびオリフィス板複合構造28が完成すると、第1G図の構造は化学的除去ステーションに送られ、そこでこの構造は適当なフォトレジスト除去液に浸漬され、そこで第１と第２のフォトレジスト・マスク22と24の双方が除去され、これらを担持するステンレス鋼基板10と分離される。この基板10は好適に上述の第１と第２の電鋳段階を通して担体又は「取っ手（handle）」として用いられており、後続の電鋳処理において再利用可能である。さて、このようにして完成した障壁およびオリフィス板組立体28は金めっき槽に送られ、そこでニッケル表面に厚さ約20マイクロメータの金の薄膜を形成するため約１分間槽内に浸漬される準備ができている。
この金めっき自体は本技術において公知でありインクによる腐食を防止するための不活性被覆を備え、且つ下層のまた支持用の薄膜抵抗担体基板上に形成されるはんだパッドに後に熱音波的に（thermosonic）（熱及び超音波エネルギ）ボンディングのための優れたボンディング材を与えるために好適に利用される。このように、金属オリフィス板と障壁に金めっきして不活性被覆を形成できることにより、この構造には、障壁を下層の薄膜抵抗基板の不活性上層と結合するために後に用いられるはんだ処理と高度の適合性がもたらされる。すなわち、金めっきされていないニッケルは表面酸化を生じ、これが強力なはんだ付けを妨げるのである。更に、従来型の重合体障壁材料を用いると、その上に金めっきができず、はんだ付けに適合しない。
さて第２図を参照すると、複合された障壁およびオリフィス板組立体28の出口オリフィスを通して上方をみた等角透視図が示されている。傾斜付き壁18は出口オリフィスの開口と第２のニッケル層26との間に延び、この傾斜構造を備えていない従来型の障壁板構造と比較すると、インクジェット・プリント・ヘッドの達成可能な最大動作周波数fmaxを増大する機能を果たす。更に、このニッケル−ニッケル構造の障壁とオリフィス板及びその形状は、「飲込み」を防止し、キャビテーションを軽減し、且つこれまで待ち望まれていた優れたはんだ付適性を備えた高収率の製造を支援する役割を果たす。
狭窄インク流ポート58の幅は約0.0381mm（約0.0015インチ）又はインク貯め59の直径の約1/2以下とする。この直径は一般に0.0762mmないし0.127mm（0.003ないし0.005インチ）の範囲である。出力インク射出オリフィス32の直径は約0.0635mm（約0.0025インチ）である。
さて第３図を参照すると、複合された障壁およびオリフィス板28が薄膜抵抗体構造38の真上に配置されている。この構造38は厚さが代表的には約0.508mm（約20ミル）で、二酸化シリコンの薄い表面不活性層42を上に有する下層シリコン基板40を含んでいる。電気抵抗材料より成る層44がSiO2層42の表面にデポジットされており、この抵抗材料は一般にはタンタル−アルミニウム又は窒化タンタルである。次に公知の金属導体デポジション及びマスキング技術を用い、アルミニウムの導電パターン46が図のように抵抗層44の頂部に形成され、且つ例えば一対の開口47と49を含んでおり、これらの開口は第３図で50と52で示す一対の電気能動抵抗性ヒータ素子（抵抗体）を画定している。
上部表面不活性層53が導電トレース・パターン46の真上に設けられ、この不活性層は好適には炭化シリコンSiC又は窒化シリコンSi3N4のような高度に不活性の材料より成っており、それにより、ヒータ抵抗体50及び52と、これら抵抗体上にあるインク貯め内のインクとの良好な物理的隔離をもたらす機能を果たす。
次に、はんだの層（又はパッド）55が不活性層53の上側の表面とニッケル障壁層26の底表面との間に配置され、前述したように下層の不活性層53と上層のニッケル障壁26の金めっきされた表面との優良な結合をもたらす。
熱インクジェット・プリントの分野では公知のように、アルミニウム導体46に付与される電気パルスによってヒータ素子50と52の抵抗加熱がもたらされ、これによってこれらヒータ素子50と52からの熱エネルギが表面不活性層53を介してニッケル層26内のインク貯め中のインクへと伝達される。
シリコン基板40はこの分野では公知の従来のシリコン・ダイ・ボンディング技術を用いてマニホルド・ヘッダ（図示せず）に結合される。このヘッドは好適に、リードフレーム（これも図示せず）から既に押抜きされた導電リード46を受けるように予備形成された、選択されたプラスチック材料から成っている。このリード・フレームはこの分野では、係属中のGary Hansonの米国出願番号801,038号（現在は本出願人に譲渡されている）の明細書に開示されている形式の、テープ自動化ボンディング（tape automated bonding,TAB）フレキシブル回路として公知である。
動作時には熱は不活性層53を介して伝達され、障壁とオリフィス板構造28の空洞内に貯められているインクを急激に加熱する。それによりこの空洞内に貯蔵されているインクは沸騰状態まで急激に加熱され、出口オリフィス32を通して膨張する。しかし、膨張するインク気泡がそれに引続きインクジェット・オリフィスにてキャビテーションの間に崩壊するとき、先細の出口オリフィスの傾斜構造、および狭窄インク流ポートの幅が縮減されていることにより、インク気泡の崩壊が減速され、もってキャビテーションの強さ及びそれに帰因する損傷が軽減される。この後者の特徴の結果、このキャビテーションに帰因する抵抗ヒータ素子50と52へ向かう下向きの圧力に対する著しい耐性がもたらされる。
このように熱インクジェット・プリント・ヘッド用の新規な障壁とオリフィス板組立対及びその新規な製造法をこれまで説明してきたが、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく本発明の上述の実施例には多くの変更が可能である。
技術分野本発明は一般に熱インクジェット・プリントに関し、詳しくはプリント・ヘッドの寿命を延ばす改良された構造のインクジェット・プリント・ヘッド障壁及びオリフィス板に関する。本発明は又、この障壁とオリフィス板を製造するための新規な製造法に関する。
発明の背景熱インクジェット・プリントの分野では、インクジェット・オリフィスの近傍に位置する限定された容量のインクに制御され且つ局所化された熱伝達を付与する方法が公知である。この熱伝達は上記容量のインクを蒸発せしめ、且つ膨張せしめることによって、印加媒体上に文字を印字する間、オリフィスからインクを射出するのに十分な熱量である。上記の所定のインク容量は一般に複数個のインク貯めを内蔵するように構成されたいわゆる障壁内に備蓄されている。これらのインク貯めは同一数の複数個のヒータ抵抗体と、インクを射出するための同一数の複数個のオリフィス・セグメントとの間に配設されている。
これらのインク貯めの１つの目的は膨張するインク気泡と圧力波とを内に含むことによりインクの射出効率を高めることである。付加的にインク貯め壁は崩壊するインク気泡により生ずるキャビテーションを緩和するために利用される。この圧力波現象の詳細に関しては、本明細書の参考文献であるF.G.Hammitt著“Cavitatin and Multiphase Flow Phenomena"（McGraw−Hill,1980年刊,167ページ以降）を参照することができる。
これら従来のインクジェット・プリント・ヘッド組立体の有効寿命は、オリフィスから噴射の際インク気泡が崩壊するときに機構内に発生する圧力波によるキャビテーションに帰因する損耗によって限定されていた。この圧力波は個々のヒータ抵抗体に相当な、反復的な力をかけ、ひいてはインクジェット動作が反復された後、上記抵抗体の１つ又は複数個を損耗せしめ、最終的に故障させる原因となる。上述の抵抗体の損耗と故障の問題に加え、上記の種類の従来型のインクジェット・プリント・ヘッド組立体は、リストン＆バクレル（RISTON and VACREL）CP4.の商標で知られるような重合体材料を用いて製造されてきた。これらの重合体材料は多くの点でその真価が実証されてきたものの、インクジェット・プリント・ヘッド動作中、崩壊するインク気泡による圧力波に帰因する相当の損耗現象により、時として許容限度を越えた高い故障率を呈することがあった。更に、プリンタが厳しい環境及び／又は損耗にさらされるある種の用途では、上記の重合体材料は下層の基板担持体から隆起して持上がり、それ故プリント・ヘッド組立体が動作不能になる場合があることが知られている。
発明の開示本発明の基本的な目的はこれらの種類のインクジェット・プリント・ヘッド組立体の有効寿命を高めることである。この目的は、インク気泡の崩壊により生ずる圧力波の強さを軽減し、一方、同時に障壁とオリフィス板の構造上の一体性（integrity）及びこれら部材の材料の強度を改善することにより達成される。更に外口オリフィスの円滑な傾斜構造という新規な構造により、達成可能な最大動作周波数fmaxが高まる。
圧力波の強さの低減、障壁の強度と一体性の増強、及びfmaxの上昇は複数個の別個の部分を有する不連続金属層を含む新規の障壁及びオリフィス板形状によってもたらされる。これらの個別部分には、プリント・ヘッド組立体から射出するインクの流れ方向に対して軸方向に心合せされた対応する複数個の中央空洞領域を形成するように、領域構造が与えられている。この中央空洞領域はそれぞれ中央空洞領域の直径よりも相当小さい寸法の幅を有する一対の狭窄インク流ポートと連結している。更に、上記個別部分はプリント・ヘッド組立体内の反射音波を軽減して隣接するオリフィス間のクロストークを軽減し、もって最大動作周波数と作成されるプリント品質を高める機能を果たす波形（scalloped）構造の外壁を有している。
連続金属層は不連続金属部の層と隣接し且つ不連続金属層内の空洞と軸方向に心合わされた複数個の出口オリフィスを含む。これらのオリフィスの直径は不連続層内の空洞の直径よりも小さく、且つ前記オリフィスは更に先細の出口オリフィスを画定し且つ空洞の周辺に延在する傾斜構造壁を含んでいる。
出口オリフィスのこのような先細構造によってインクジェット・プリント・ヘッドの連続的な円滑な動作を妨害する気泡の「飲み込み（gulping）」が抑制される。この「飲み込み」とは泡崩壊過程中の気泡吸引現象である。
不連続金属層により画定される空洞から延びるインク流ポートの幅を制限することによって、プリント・ヘッド組立体内の圧力波の力に対する耐性が高まる。この特徴により組立体内の個々のヒータ抵抗体に対する「飲み込み」及びキャビテーション（ひいてはキャビテーションに帰因する損耗）の量を最小限に抑制する。更にこれらのインク流ポートの幅が限定されていることにより、インク噴射の効率が高まり、インク貯めを再充填する時間が限定され、更にキャビテーションによる損傷が軽減される。更に、重合体材料ではなく層状のニッケルの障壁構造を用いることにより、プリント・ヘッド組立体の全体的な強度と一体性は大幅に高まる。
従って本発明の目的は熱インクジェット・プリント・ヘッド組立体内の個々の抵抗ヒータに対するキャビテーションに帰因する損耗を軽減することにより、プリント・ヘッド組立体の寿命を延ばすことである。
本発明の別の目的はインクジェット・プリント・ヘッド組立体の障壁とオリフィス板部分の強度と一体性を高めることにより上記機構の寿命を延ばすことである。
本発明の更なる目的はインクジェット・プリント・ヘッド組立体の達成可能な最大動作周波数fmaxを増大することである。
本発明の特徴は障壁内の個々のインク貯めとオリフィス板の出口オリフィスとの間に延在するなめらかに傾斜がつけられた（smoothly contoured）壁を設けることにある。この傾斜構造壁は先細オリフィス口を形成し、インク気泡崩壊の速さ及び後継のインクジェット動作への妨害を抑制する機能を果たす。
本発明の別の特徴は個々の加工段階が比較的少なくて済む、ニッケル障壁層およびオリフィス板の組立体の製造のための経済的且つ信頼性のある製造方法を提供することである。
本発明の別の特徴は後述の電鋳加工（electroforming process）を用いて障壁とオリフィス板の厚さを精密に制御することである。
本発明の上述の目的及び特徴と他の目的及び特徴を添付図面に基づく本発明の詳細な説明により以下明らかにする。
図面の簡単な説明第1A図ないし第1H図は本発明に従って障壁層とオリフィス板を作るのに用いられるプロセス段階のシーケンスを説明する概略断面図である。
第２図は２つの隣接したインク貯め空洞および出口オリフィスを含む、本発明に従った障壁層およびオリフィス板組立体の等角透視図である。
第３図は障壁層およびオリフィス板組立体がどのようにして熱インクジェット・プリント・ヘッド組立体の薄膜抵抗構造にマウントされているかを説明する断面等角透視図である。
本発明を実施する最良の態様さて第１図を参照すると、第1A図には代表的な厚さが30乃至60ミル（mil）であり、第1B図に示すようなポジ型のフォトレジスト層12をデポジットするための準備として上表面を研磨されているステンレス鋼基板10が示されている。ポジ型のフォトレジスト層12は第1C図に示すようなフォトレジスト・マスク14を形成するため当業者には公知の従来のマスキング、エッチング及び関連するフォト・リトグラフ処理段階にて処理される。ポジ型のフォトレジスト・マスクと従来のフォトリソグラフを用いてマスク部14は紫外線に露光され、そこで重合することにより第1C図に示すようにステンレス鋼基板10の表面上にそのまま残る。フォトレジスト層12の残りの非露光部は従来のフォトレジスト化学現像剤を用いて現像される。
次に、第1C図の構造は電鋳金属デポジット・ステーションに送られ、そこで第1D図に示すような第１のニッケルの連続層16がデポジットされ且つ実際にはオリフィス板の出口オリフィス19になるように下方に突出するなめらかな傾斜構造壁18が形成される。この傾斜構造18ができるわけは、電鋳形成された第１のニッケル層16がフォトレジスト・マスク14の外縁と重なるという事実による。これが起る理由は、フォトレジストマスク14の外縁を通して何らかの電鋳反応が生じることに拠るものである。その理由はフォトレジスト・マスク14の厚さが３ミクロンと小さく且つ、電鋳処理がマスク14の少なくとも周囲で薄いマスク14に浸透し、図のように先細の傾斜構造を形成するという事実に拠る。
電鋳はより一般的には電気めっきの適用として知られている。電気めっきはめっきすべき部位をめっき溶液と陽極を含むタンク（図示せず）内に入れることにより達成される。
めっき溶液は当該部位にめっきされるべき金属イオンを含み、陽極は同じ金属の切片である。めっきされる部位は陰極と称される。次に直流電流が陽極と陰極の間に通電され、それにより溶液内の金属イオンは陰極方向に移動し、陰極上にデポジットされる。陽極は、金属が陰極上にデポジットされるのと同じ速さで溶解する。このシステム（これも図示せず）は電気めっきセルと称する。
陽極において金属原子は電子を失ない陽イオンとしてめっき溶液内に入る。陰極においては逆の現象が生じ、めっき溶液内の金属イオンは陰極から電子を引出し、金属被覆として陰極にデポジットされる。陽極及び陰極における化学反応は次の通りである。なお、Ｍはめっきされる金属を表わす。
陽極:M M+＋e-陰極:M+＋e- Ｍ電鋳は電気めっきと同様であるが、電鋳処理においては物体は金属で電気めっきされ、その後めっきは物体から分離される。めっき自体が完成品であり、多くの場合、物体すなわちこの処理における基板10は何度も再利用可能である。以下の説明から明らかになるように、取外されためっきは基板表面とその上のマスクの基本的な形状を保存している。
第1E図に示す次の段階では、代表的には厚さ３ミルの積層されたフォトレジスト層20が第１のニッケル層16の上表面にデポジットされ、その後、被覆された構造はフォトリトグラフ・マスキング及び現像ステーションに送られ、そこで図に示すように第１のフォトレジスト・マスク14上に第２のフォトレジスト・マスク22が形成され、第１のスティンレス鋼の層16の傾斜構造壁部18を覆う。この第２のフォトレジスト・マスク22はほぼ垂直の厚みを有する垂直の側壁24を含み、これらの急勾配の壁は第1G図に示す次の電鋳段階において、これら垂直の境界を越えて電鋳が行なわれることを阻止する。
第1G図に示す第２のめっき又は電鋳段階においては、第２の不連続的なニッケル層26が図に示すように第１ニッケル層16の上表面上に形成され、勝つ第１と第２のニッケル層16,26の組合わせた厚さは約0.1016mm（約４ミル）である。すなわち層16の厚さは約0.0635mm（約0.0025インチ）であり、層26の厚さは約0.0381mmないし約0.0508mm（約0.0015ないし約0.0020インチ）である。第２のフォトレジスト・マスク22の形状は、図示のようにインク流ポート35と37の間にそれぞれ延在するアーチ状の空洞壁31と33を含む、第1H図に示す不連続層と波形（scallpoed）層形状を与えるように形成されている。不連続金属層26の波形壁部30は反射音波を軽減し、これにより隣接するオリフィス32間のクロストークを軽減する役割を果たす。
上述の電鋳処理を採用する重要な利用は、ニッケル層の厚さを所望の任意の寸法に精密に制御可能であるということである。この特徴は、現在ある供給業者から、選択的に間隔を置いた厚さでしか入手できないVACREL and RISTON重合体を使用した場合と対照的である。
第1G図に示すように障壁およびオリフィス板複合構造28が完成すると、第1G図の構造は化学的除去ステーションに送られ、そこでこの構造は適当なフォトレジスト除去液に浸漬され、そこで第１と第２のフォトレジスト・マスク22と24の双方が除去され、これらを担持するステンレス鋼基板10と分離される。この基板10は好適に上述の第１と第２の電鋳段階を通して担体又は「取っ手（handle）」として用いられており、後続の電鋳処理において再利用可能である。さて、このようにして完成した障壁およびオリフィス板組立体28は金めっき槽に送られ、そこでニッケル表面に厚さ約20マイクロメータの金の薄膜を形成するため約１分間槽内に浸漬される準備ができている。
この金めっき自体は本技術において公知でありインクによる腐食を防止するための不活性被覆を備え、且つ下層のまた支持用の薄膜抵抗担体基板上に形成されるはんだパッドに後に熱音波的に（thermosonic）（熱及び超音波エネルギ）ボンディングのための優れたボンディング材を与えるために好適に利用される。このように、金属オリフィス板と障壁に金めっきして不活性被覆を形成できることにより、この構造には、障壁を下層の薄膜抵抗基板の不活性上層と結合するために後に用いられるはんだ処理と高度の適合性がもたらされる。すなわち、金めっきされていないニッケルは表面酸化を生じ、これが強力なはんだ付けを妨げるのである。更に、従来型の重合体障壁材料を用いると、その上に金めっきができず、はんだ付けに適合しない。
さて第２図を参照すると、複合された障壁およびオリフィス板組立体28の出口オリフィスを通して上方をみた等角透視図が示されている。傾斜付き壁18は出口オリフィスの開口と第２のニッケル層26との間に延び、この傾斜構造を備えていない従来型の障壁板構造と比較すると、インクジェット・プリント・ヘッドの達成可能な最大動作周波数fmaxを増大する機能を果たす。更に、このニッケル−ニッケル構造の障壁とオリフィス板及びその形状は、「飲込み」を防止し、キャビテーションを軽減し、且つこれまで待ち望まれていた優れたはんだ付適性を備えた高収率の製造を支援する役割を果たす。
狭窄インク流ポート58の幅は約0.0381mm（約0.0015インチ）又はインク貯め59の直径の約1/2以下とする。この直径は一般に0.0762mmないし0.127mm（0.003ないし0.005インチ）の範囲である。出力インク射出オリフィス32の直径は約0.0635mm（約0.0025インチ）である。
さて第３図を参照すると、複合された障壁およびオリフィス板28が薄膜抵抗体構造38の真上に配置されている。この構造38は厚さが代表的には約0.508mm（約20ミル）で、二酸化シリコンの薄い表面不活性層42を上に有する下層シリコン基板40を含んでいる。電気抵抗材料より成る層44がSiO2層42の表面にデポジットされており、この抵抗材料は一般にはタンタル−アルミニウム又は窒化タンタルである。次に公知の金属導体デポジション及びマスキング技術を用い、アルミニウムの導電パターン46が図のように抵抗層44の頂部に形成され、且つ例えば一対の開口47と49を含んでおり、これらの開口は第３図で50と52で示す一対の電気能動抵抗性ヒータ素子（抵抗体）を画定している。
上部表面不活性層53が導電トレース・パターン46の真上に設けられ、この不活性層は好適には炭化シリコンSiC又は窒化シリコンSi3N4のような高度に不活性の材料より成っており、それにより、ヒータ抵抗体50及び52と、これら抵抗体上にあるインク貯め内のインクとの良好な物理的隔離をもたらす機能を果たす。
次に、はんだの層（又はパッド）55が不活性層53の上側の表面とニッケル障壁層26の底表面との間に配置され、前述したように下層の不活性層53と上層のニッケル障壁26の金めっきされた表面との優良な結合をもたらす。
熱インクジェット・プリントの分野では公知のように、アルミニウム導体46に付与される電気パルスによってヒータ素子50と52の抵抗加熱がもたらされ、これによってこれらヒータ素子50と52からの熱エネルギが表面不活性層53を介してニッケル層26内のインク貯め中のインクへと伝達される。
シリコン基板40はこの分野では公知の従来のシリコン・ダイ・ボンディング技術を用いてマニホルド・ヘッダ（図示せず）に結合される。このヘッドは好適に、リードフレーム（これも図示せず）から既に押抜きされた導電リード46を受けるように予備形成された、選択されたプラスチック材料から成っている。このリード・フレームはこの分野では、係属中のGary Hansonの米国出願番号801,038号（現在は本出願人に譲渡されている）の明細書に開示されている形式の、テープ自動化ボンディング（tape automated bonding,TAB）フレキシブル回路として公知である。
動作時には熱は不活性層53を介して伝達され、障壁とオリフィス板構造28の空洞内に貯められているインクを急激に加熱する。それによりこの空洞内に貯蔵されているインクは沸騰状態まで急激に加熱され、出口オリフィス32を通して膨張する。しかし、膨張するインク気泡がそれに引続きインクジェット・オリフィスにてキャビテーションの間に崩壊するとき、先細の出口オリフィスの傾斜構造、および狭窄インク流ポートの幅が縮減されていることにより、インク気泡の崩壊が減速され、もってキャビテーションの強さ及びそれに帰因する損傷が軽減される。この後者の特徴の結果、このキャビテーションに帰因する抵抗ヒータ素子50と52へ向かう下向きの圧力に対する著しい耐性がもたらされる。
このように熱インクジェット・プリント・ヘッド用の新規な障壁とオリフィス板組立対及びその新規な製造法をこれまで説明してきたが、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく本発明の上述の実施例には多くの変更が可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】基板上に置かれた複数の発熱素子と、該各発熱素子上に形成されインクジェットプリント動作中に該発熱素子から熱エネルギーを浮け取る複数の独立したインク溜めを有する熱インクジェットプリントヘッドにおいて、前記基板上に取り付けられ、前記発熱素子に整列されるインク溜めを形成する複数の空洞と、インク供給源からインクを前記空洞内に流入させる前記空洞の直径よりも小さい幅を有するインク流入口とを有する障壁層と、前記障壁層上に取り付けられると共に、前記障壁層の各空洞に対応して設けられたインク通路を備えるオリフィス層とからなり、前記オリフィス層のインク通路は、前記障壁層に取り付けられる側を最大径とし、前記オリフィス層の外表面側を最小径としてなめらかな傾斜状に変化する内壁面を備えることを特徴とする熱インクジェットプリントヘッド。
【請求項２】前記障壁層は、前記インク流入口の外側に、スカラップ状の壁面を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の熱インクジェットプリントヘッド。
【請求項１】基板上に置かれた複数の発熱素子と、該各発熱素子上に形成されインクジェットプリント動作中に該発熱素子から熱エネルギーを浮け取る複数の独立したインク溜めを有する熱インクジェットプリントヘッドにおいて、前記基板上に取り付けられ、前記発熱素子に整列されるインク溜めを形成する複数の空洞と、インク供給源からインクを前記空洞内に流入させる前記空洞の直径よりも小さい幅を有するインク流入口とを有する障壁層と、前記障壁層上に取り付けられると共に、前記障壁層の各空洞に対応して設けられたインク通路を備えるオリフィス層とからなり、前記オリフィス層のインク通路は、前記障壁層に取り付けられる側を最大径とし、前記オリフィス層の外表面側を最小径としてなめらかな傾斜状に変化する内壁面を備えることを特徴とする熱インクジェットプリントヘッド。
【請求項２】前記障壁層は、前記インク流入口の外側に、スカラップ状の壁面を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の熱インクジェットプリントヘッド。
【第１Ａ図】
【第１Ｂ図】
【第１Ｃ図】
【第１Ｄ図】
【第１Ｅ図】
【第１Ｆ図】
【第１Ｇ図】
【第１Ｈ図】
【第２図】
【第３図】
【第１Ｂ図】
【第１Ｃ図】
【第１Ｄ図】
【第１Ｅ図】
【第１Ｆ図】
【第１Ｇ図】
【第１Ｈ図】
【第２図】
【第３図】
【公告番号】特公平７−２９４３７
【公告日】平成７年（１９９５）４月５日
【国際特許分類】
【出願番号】特願昭６２−５００２０４
【出願日】昭和６１年（１９８６）１１月２１日
【公表番号】特表昭６３−５０２０１５
【公表日】昭和６３年（１９８８）８月１１日
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ８６／０２５２５
【国際公開番号】ＷＯ８７／０３３６４
【国際公開日】昭和６２年（１９８７）６月４日
【出願人】（９９９９９９９９９）
【参考文献】
【文献】特開昭５５−１６１２４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６１−９４７６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特公昭５９−３１５２（ＪＰ，Ｂ２）
【文献】特公昭６４−６２７５（ＪＰ，Ｂ２）
【公告日】平成７年（１９９５）４月５日
【国際特許分類】
【出願日】昭和６１年（１９８６）１１月２１日
【公表番号】特表昭６３−５０２０１５
【公表日】昭和６３年（１９８８）８月１１日
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ８６／０２５２５
【国際公開番号】ＷＯ８７／０３３６４
【国際公開日】昭和６２年（１９８７）６月４日
【出願人】（９９９９９９９９９）
【参考文献】
【文献】特開昭５５−１６１２４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６１−９４７６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特公昭５９−３１５２（ＪＰ，Ｂ２）
【文献】特公昭６４−６２７５（ＪＰ，Ｂ２）
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