JP2002211013A - インクジェットプリントヘッド用セグメント化されたヒータディバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 好適なインクジェットプリントヘッド用ヒー
タ構造体を提供する。 【解決手段】 媒体上に流体を放出するセグメント化さ
れたヒータ構造体は、ヒータセグメントを有している。
このヒータ構造体内のそれぞれのヒータセグメントの領
域及び電力の消費レベルは、使用するパルス電圧及び／
又はパルス幅に基づいて、寸法の異なった流体の小滴が
放出されるように選択される。特定のチャネルに加えら
れたパルス電圧及び／又はパルス幅が増加するにつれ
て、その放出チャネル内のより多くの加熱セグメントが
バブルを生成し、より大きな小滴を発生する。その結
果、パルス電圧及び／又はパルス幅が増加するにつれ
て、放出された流体の小滴の体積及びスポットサイズを
増加させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱流体放出システ
ムに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、サーマルインクジェットプリン
タなどの熱流体放出システムは、チャネル終端ノズル近
くの流体が充填したチャネル又はチャンバ内に配置され
た抵抗が選択的に発生した熱エネルギーを使用する。フ
ァイヤリング信号が関係する駆動回路を介してこれらの
抵抗に与えられ、瞬間的に流体を蒸発させて、要求に応
じてバブルを形成する。それぞれの一時的なバブルは流
体の小滴を放出し、それを受取り媒体に向かって飛ば
す。流体エジェクタヘッドは、通常、１つ以上の流体サ
プライ用コンテナに密封取り付けされて、結合された流
体エジェクタ及びコンテナがカートリッジアセンブリー
を形成する。種々の例示的な実施形態では、このカート
リッジアセンブリーが往復して、ペーパなどの静止して
保持された受取り媒体上に一度に１列の流体を放出す
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一般的な熱流体エジェ
クタヘッドは、抵抗形ヒータのアレイから構成し、各抵
抗形ヒータは動作中は流体で充填されたチャネル内に配
置される。所定のヒータにパルスが加えられると、その
ヒータは流体蒸気のバブルを生成する。このバブルは成
長して、チャネルから流体の小滴を受取り媒体上に飛ば
す。放出された流体の小滴の寸法はバブルの最大寸法に
特に依存しており、このバブルの最大寸法は、今度は、
流体に伝達された熱エネルギーの量及びヒータの寸法に
部分的に左右される。

【０００４】例えば、標準的なサーマルインクジェット
用プリントヘッドでは、ヒータは名目上は均一である。
そのような流体エジェクタ用ヘッドでは、適当な大きさ
の電圧パルスが印加されると、ヒータ表面のほぼ全体が
同時にバブル生成温度に達する。一旦バブルが発生し成
長すると、流体蒸気のバブルの熱伝導率が小さいため、
通常熱エネルギーはほとんど流体に伝導されない。この
ため、バブルの成長がヒータ表面のほぼ全体にわたって
一度に発生するような標準的なヒータの構成では、ヒー
タ内の連続した電力消費は、より大きな流体の小滴を形
成する上では効果的でない。

【０００５】放出動作の間に、流体エジェクタ用ヘッド
から受取り部材に放出された小滴は、流体のスポットを
形成する。サーマルインクジェットプリンタでは、放出
された流体は、所望のイメージの一部を形成するインク
である。特に影が付いた領域や図形が作られる場合、特
に、カラープリンティングの場合は、人間の目はスポッ
トサイズの変化に極めて敏感である。このため、多数の
小滴のスポットサイズを均一化することは、サーマルイ
ンクジェットのプリンティングにおけるイメージ品質を
維持するために極めて重要である。放出された小滴の体
積が単一イメージ内で大きく変化する場合、小滴の体積
の均一性の不足により、イメージを形成するインクスポ
ットの寸法が著しく影響され、またイメージの品質が損
なわれることになる。同様に、プリントヘッドから放出
された小滴の体積が同じイメージの後に続くプリンティ
ングの間に異なる場合、プリンティングの一貫性を維持
することができない。あるいはまた、小滴の寸法をコン
トロールして変化させることにより、連続したトーン及
びクラスタドット式ハーフトーンのプリンティングを行
うことができる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】従って、サーマルインク
ジェット式プリンティングにおけるプリント品質がプリ
ントヘッドの制御性、すなわち、特定の構成における加
熱素子の使用により媒体上に記録される小滴の寸法をコ
ントロールして変化させることに大きく依存しているた
め、放出されるインクの小滴の寸法範囲をより良くコン
トロールすることができるディバイスが望まれる。同様
に、一般的に、小滴の寸法を寸法範囲にわたってコント
ロールする能力は、サーマルインクジェットプリンタだ
けでなく、どのような流体放出システムにも望ましい。

【０００７】その長さ及び幅にわたって抵抗及び断面が
ほぼ一定のヒータ素子は、印加されるパルス幅及び／又
は電圧にかかわらず、バブル寸法、及びこのため、小滴
の寸法が限定された範囲になる傾向がある。しかしなが
ら、ヒータ素子をコントロールできるような非均一な設
計では、比較的低レベルのエネルギーで、電力密度が最
高のヒータ素子のセグメントにわたってより小さい寸法
のバブルを発生させることができる。引き続いて、電力
密度がヒータ素子の他のセグメントで十分に増加するレ
ベルまでパルス幅及び／又は電圧が増加すると、より大
きなバブル、及びこのため、より大きな放出小滴を発生
させることができる。

【０００８】本発明は、セグメント化されたヒータの様
々な構造体を説明する、すなわち、例えば、異なる抵抗
を有する別々のヒータセグメントが電気的に互いに直列
に接続される場合、及びヒータセグメントが電気的に互
いに並列に接続される場合の両方を説明する。１つの態
様では、バブルの生成がディバイスの端部に最も近い第
１のバブルからヒータの長さに沿って順次行われる、側
部放出形プリントヘッドに適当な構成が説明される。別
の態様では、バブルの生成がヒータ素子のアレイの中心
で最初に行われて、順次ほぼ放射状方向に外側に進む、
ルーフ放出形プリントヘッドに適当な構成も説明され
る。

【０００９】結果として、セグメント化されたヒータの
最も簡単な構成は、異なった抵抗のヒータセグメントが
直列に端部間で接続される構成である。異なった抵抗が
ヒータ素子内の異なったドーピングレベルにより実現さ
れる場合について、直列接続されたヒータセグメントに
関する１つの問題は、ドーパントが１つのヒータセグメ
ントのタイプから別のヒータセグメントのタイプの中に
直接拡散し、これにより、ヒータセグメントを時にはそ
れぞれ様々なドーピングレベルにさせて劣化させること
である。

【００１０】直列接続されたヒータセグメントに関する
さらに別の問題は、ヒータセグメントにパルスを加えて
50ボルト以下の電圧で小滴を放出することができる十分
低い抵抗になるように、ヒータセグメントが高度にドー
プされることである。このため、ポリシリコンのヒータ
素子の場合については、高度にドープされたヒータセグ
メントは構造が粗く、結果として不要なバブル生成サイ
トになる可能性がある。

【００１１】並列接続されたヒータセグメントに関する
１つの問題は、ヒータセグメントへのリード線の電気的
接続に対して極めて限られたスペースしかないことであ
る。さらに、いくつかの高分解能の流体エジェクタのチ
ャネルスペースは狭いため、いくつかの並列接続は実行
不可能になる。

【００１２】このため、本発明は、プリント電圧につい
ての要求事項が低くなるように電気的に接続されて電源
のコストを削減する、改良された並列接続のヒータセグ
メントを有する装置及びシステムを提供する。

【００１３】本発明は、ヒータセグメント間のスペーシ
ングを変化させて、流体放出特性を変更及び／又はコン
トロールすることができる装置及びシステムを別々に提
供する。

【００１４】本発明は、各ヒータセグメント内で改良さ
れた制御性を提供する装置及びシステムを別々に提供す
る。

【００１５】本発明は、様々な長さ及び／又は幅、及び
異なったドーパントレベルにより、各ヒータセグメント
内で異なった電力密度を発生するヒータセグメントを有
する装置及びシステムを別々に提供する。

【００１６】本発明は、ヒータセグメントの劣化を減少
させた、並列接続のヒータセグメントを有する装置及び
システムを別々に提供する。

【００１７】本発明は、ドーパントが高温処理の間に１
つのヒータセグメントのタイプから他のタイプの中に拡
散する経路を減らす装置及びシステムを別々に提供す
る。

【００１８】本発明は、ドーピングレベルが低く及び／
又は抵抗が小さいヒータセグメントを有する装置及びシ
ステムを別々に提供する。

【００１９】本発明は、流体エジェクタディバイス内の
スペース制限ファクタを緩和する装置及びシステムを別
々に提供する。

【００２０】本発明は、高い電圧及び低い電圧のライン
をより離して配置することができる装置及びシステムを
別々に提供する。

【００２１】本発明は、放射形対称が増加した電力密度
の変化を有するヒータセグメントを提供する装置及びシ
ステムを別々に提供する。

【００２２】本発明は、流体の小さい小滴を放出するこ
とができるヒータセグメントを有する装置及びシステム
を別々に提供する。

【００２３】本発明による装置及びシステムの各種の例
示的な実施形態においては、インクジェット用プリント
ヘッド内の各ヒータセグメントの領域及び電流レベルの
消費は、流体の異なったサイズの小滴が使用するパルス
電圧及び／又はパルス幅に基づいて放出されるように選
択される。特定のチャネルに加えるパルス電圧及び／又
はパルス幅が増加するにつれて、その放出チャネル内の
より多くの加熱セグメントがバブルを生成し、より大き
な小滴を発生する。結果として、パルス電圧及び／又は
パルス幅が増加するにつれて、放出される流体の小滴の
体積及びスポットサイズを増加させることができる。

【００２４】様々な他の例示的な実施形態では、ヒータ
セグメントは二次元のアレイ内に配列される。各セグメ
ントの電力密度は異なっている。セグメント化されたア
レイは、最も高い電力密度の素子をアレイの中心近くに
配置して配列される。電力密度がより低い他のヒータセ
グメントは、中心のヒータセグメントからだんだん離れ
て配置される。ヒータセグメントの電圧及び／又はパル
ス幅が増加するにつれて、順次より多くのヒータ素子が
バブルを生成し、また放出される流体のより大きな小滴
を発生する。

【００２５】特に、様々な例示的な実施形態では、生成
されるバブルは、中心から放射状に外側に広がる。種々
の例示的な実施形態では、ヒータセグメントは、電力密
度の中でより放射状の変化を可能にする各種の幾何学的
な形状を有している。

【００２６】本発明のこれらの及び他の特徴及び利点
は、本発明による装置及びシステムについての以下の詳
細な説明及び種々の例示的な実施形態の中で説明される
か、又はそれらから明白である。

【００２７】

【発明の実施の形態】図１は、複数のヒータディバイス
１５０、共通グラウンド１２０及び共通電源１４０を有
するセグメント化されたヒータ１００の１つの典型的な
実施形態のブロック図である。それぞれのヒータディバ
イス１５０は、共通のグラウンド１２０及び電源１４０
に接続されると共に、ドライバ用トランジスタ１３２を
有している。これらのドライバ用トランジスタ１３２
は、図１では個々のドライバ用トランジスタのブロック
１３０の一部として示されている。それぞれのヒータデ
ィバイス１５０は、直列に接続された複数のヒータ素子
１１２〜１１６を有するセグメント化されたヒータ構造
体１１０も備えている。それぞれのヒータディバイス１
５０では、ヒータセグメント１１２〜１１６は、異なる
ヒータセグメント１１２〜１１６が異なる印加電源レベ
ルでバブル生成温度に達するように電力密度が変化する
ように設計される。最小のバブル生成電力パルスについ
ては、最高の電力密度を有する第１のセグメント１１２
のみが小滴を飛ばす。パルス電圧又はパルス幅を増加す
ることによりパルス電力が適当に増加される場合、第２
及び第３のセグメント１１４及び１１６が順次流体の蒸
気バブルの生成に加わる。

【００２８】本発明によるセグメント化されたヒータの
このまた他の例示的な実施形態では、ヒータセグメント
１１２〜１１６は、本発明の精神及び範囲から逸脱する
ことなく、ポリシリコン又は何らかの他の周知の材料か
ら製造することができることは理解されよう。

【００２９】ヒータセグメント１１２〜１１６は、ヒー
タディバイス１１０に印加される任意の所定の電力パル
スに対して、それぞれのヒータセグメント１１２〜１１
６が異なる電力密度を受けるように製造される。結果と
して、所定の印加電圧パルスに対して、以下の実施例で
例証するように、それぞれのヒータセグメント１１２〜
１１６は異なる温度に到達する。

【００３０】それぞれのヒータディバイス１１０では、
ヒータセグメント１１２〜１１６内の全抵抗はＲ₁＋Ｒ₂
＋Ｒ₃である。ヒータセグメント１１２〜１１６にわた
る電圧降下Ｖに関しては、それぞれのセグメント１１２
〜１１６を通過する電流は、Ｉ＝Ｖ／（Ｒ₁＋Ｒ₂＋
Ｒ₃）である。この実施例では、ｉ番目のセグメント内
の電力は、以下の式のようになる。

【００３１】 Ｐ＝Ｉ²Ｒ_i＝Ｉ²ρ_iＬ_i／ｗ_i （１） ここで、ρ_iは、各セグメントのシート抵抗、Ｌ_iは、各
セグメント_iの長さ、ｗ_iは、各セグメント_iの幅、であ
る。

【００３２】それぞれのヒータセグメント１１２〜１１
６内の電力密度、すなわち、単位領域Ｐ_D当たりの電力
は、以下の式のようになる。 Ｐ_D＝Ｐ／Ｌ_iｗ_i＝Ｉ²ρ_i／ｗ_i ² （２）

【００３３】それぞれのヒータセグメント１１２〜１１
６の温度は、そのヒータセグメント１１２〜１１６内の
その電力密度に従って上昇する。全てのヒータセグメン
ト１１２〜１１６が同一のシート抵抗を有している場
合、第１のヒータセグメント１１２の幅が最小のため、
この第１のヒータセグメント１１２が最初に小滴を放出
する。

【００３４】直列接続のセグメント化されたヒータディ
バイス１１０では、図１に示すように、電力密度Ｐ
_Dは、セグメント幅ｗ_iの二乗に逆比例する。このため、
シート抵抗が全てのヒータセグメント１１２〜１１６に
対して同一である場合は、最も狭いセグメント、すなわ
ち、第１のセグメント１１２が、パルス電圧及び／又は
パルス幅が増加するにつれて、最初にバブル生成温度に
到達する。すなわち、電流が全てのヒータセグメント１
１２〜１１６を通って流れる間に、第１のヒータセグメ
ント１１２のみが、この第１のヒータセグメント１１２
の所定の抵抗Ｒ₁がヒータセグメント１１２〜１１６に
隣接する流体の温度を流体のバブル生成温度以上に上昇
させるに十分な電力密度Ｐ_Dを有することになる。前に
概要を説明したように、バブルの寸法及びこれにより結
果として生ずる流体の小滴の寸法は、バブル生成温度以
上の温度を有するヒータディバイスの領域の関数であ
る。このため、バブルの寸法及びこれにより結果として
生ずる流体の小滴の寸法は、第１のヒータセグメント１
１２の領域のみに基づいている。

【００３５】パルス電圧及び／又はパルス幅がさらに増
加するにつれて、第１のヒータセグメント１１２の温度
はバブル生成温度以上に留まる。さらに、例えヒータセ
グメント１１２の温度が高くなっても、第１のヒータセ
グメント１１２の温度におけるこのさらなる増加は、バ
ブルの寸法及び、バブルの熱抵抗が大きいため、これに
より結果として生ずる流体の小滴の寸法にはほとんど影
響を与えない。同時に、第２及び第３のヒータセグメン
ト１１４及び１１６の両方の温度は、バブル生成温度に
向かって上昇する。しかしながら、第２のヒータセグメ
ント１１４の幅が第３のヒータセグメント１１６の幅よ
りも狭いため、第２のヒータセグメント１１４の温度は
第３のヒータセグメント１１６の温度よりも急速に上昇
する。このため、ある特定のパルス電圧及び／又はパル
ス幅において、第２のヒータセグメント１１４の温度は
バブル生成温度に到達する。その結果、生ずるバブルの
寸法が、第１及び第２のヒータセグメント１１２及び１
１４の両方の領域に依存するようになる。これにより、
結果として生ずる流体の小滴の寸法が増加する。

【００３６】同様に、上述したように、パルス電圧及び
／又はパルス幅が増加し続けるにつれて、第１〜第３の
ヒータセグメント１１２〜１１６のそれぞれの温度が引
き続いて増加し、第３のヒータセグメント１１６の温度
がバブル生成温度に向かって上昇する。最終的には、あ
る特定のパルス電圧及び／又はパルス幅において、第３
のヒータセグメント１１６の温度もバブル生成温度に到
達する。その結果、生ずるバブルの寸法及びこれにより
結果として生ずる流体の小滴の寸法が、第１〜第３のヒ
ータセグメント１１２〜１１６の全ての３つの領域に依
存するようになる。

【００３７】前述したように、小滴の寸法又は体積及
び、これにより結果として生じた記録媒体上の放出され
た流体のスポットサイズは、バブル生成温度以上の温度
を有するセグメント化されたヒータの領域に比例して増
加する。従って、第１のヒータセグメント１１２が最初
にバブル生成温度に到達するので、最小の小滴を飛ばす
ヒータセグメント１１２が第２及び第３のヒータセグメ
ント１１４及び１１６に無関係に放出することができる
ため、セグメント化されたヒータ１００はグレースケー
ルのプリンティングに特に好都合である。

【００３８】結果として、パルス電圧及び／又はパルス
幅が増加するにつれて、小滴の体積及びスポットサイズ
が増加することになる。さらに、第１のヒータセグメン
ト１１２の前のインクカラムが最も小さく、またヒータ
セグメント１１２の他の側のインクカラムが最も大きい
ため、第１のヒータセグメント１１２がインク放出チャ
ネルのノズルに最も近い、図１に示した側部放出形プリ
ントヘッドの構成が好適である。その結果、第１のヒー
タセグメント１１２からのより小さいバブルは、流体の
小滴をチャネルから高速で押し出すことができる。流体
放出のプリンティング動作の間は、高速で放出される小
滴は、小滴を違う方向に向ける傾向がある力に影響され
にくいため、小滴の速度は高速であることが望ましい。

【００３９】図２は、印加された電気的エネルギーが増
加するにつれて、電力密度が一方向に増加するように構
成された並列接続のセグメントを有する、セグメント化
されたヒータ２００の第１の具体例としての実施形態を
示している。図２に示すように、セグメント化されたヒ
ータ２００は、複数のヒータディバイス１５０、共通グ
ラウンド１２０及び共通電源１４０を備えている。それ
ぞれのヒータディバイス１５０は、共通のグラウンド１
２０及び電源１４０に接続されると共に、ドライバ用ト
ランジスタ１３２を有している。これらのドライバ用ト
ランジスタ１３２は、個々のドライバ用トランジスタの
ブロック１３０の一部として示されている。それぞれの
ヒータディバイス１５０は、対応するドライブ用トラン
ジスタ１３２と電源１４０との間に並列接続された複数
のヒータ素子２１２〜２１６を有するセグメント化され
たヒータ構造体２１０も備えている。それぞれのヒータ
ディバイス１５０では、ヒータセグメント２１２〜２１
６は、異なるヒータセグメント２１２〜２１６が異なる
印加電源レベルでバブル生成温度に達するように電力密
度が変化するように設計される。

【００４０】この例示的な実施形態では、複数のリード
線２２２が電源１４０から伸びると共に、複数のリード
線２２０が対応するドライバ用トランジスタ１３２から
伸びている。加熱セグメント２１２〜２１６は間隔を空
けて配置されまたリード線２２２及び２２０の間に電気
的に接続されるため、電流は各ヒータセグメント２１２
〜２１６を通って並列に流れる。ヒータセグメント２１
２〜２１６は、ヒータ構造体２１０に印加される任意の
所定の電力パルスに対して、それぞれのヒータセグメン
ト２１２〜２１６が異なる電力密度を受けるように製造
される。結果として、所定の印加電圧パルスに対して、
それぞれのヒータセグメント２１２〜２１６は異なる温
度に到達する。

【００４１】それぞれのヒータセグメント２１２〜２１
６は、ヒータセグメント２１２〜２１６とリード線２２
０及び２２２の材料との間の接続を十分に行うことがで
きるように、リード線２２０及び２２２の中に伸びる。
この実施例では、ｉ番目のセグメント内で消費される電
力は、以下の式のようになる。

【００４２】 Ｐ＝Ｖ²／Ｒ_i＝Ｖ²ｗ_i／ρ_iＬ_i （３） ここで、Ｖは、セグメントに加わる電圧、ρ_iは、各セ
グメントｉのシート抵抗、Ｌ_iは、各セグメントｉの長
さ、ｗ_iは、各セグメントｉの幅、である。

【００４３】各セグメントの電力密度Ｐ_Dは、以下の式
のようになる。 Ｐ_D＝Ｐ／Ｌ_iｗ_i＝Ｖ²／ρ_iＬ_i ² （４）

【００４４】セグメント化されたヒータ２００では、電
力密度Ｐ_Dは、各ヒータセグメント２１２〜２１６の長
さの二乗に反比例し、また各ヒータセグメント２１２〜
２１６のシート抵抗率にも反比例する。ヒータセグメン
ト２１２〜２１６は、全て同じ長さＬを有しているとし
て示されている。第１のヒータセグメント２１２を最初
にバブル生成温度に到達させるために、第１のヒータセ
グメント２１２が最高の電力密度を持つように、第１の
ヒータセグメント２１２のシート抵抗率をドーピングに
より最小にする。これにより、第１のヒータセグメント
２１２が最初に、すなわち、最も小さい放出パルス幅及
び／又は電圧で流体の小滴を飛ばす。前述したように、
ある電流がヒータ構造体２１０の中で全てのヒータセグ
メント２１２〜２１６を通って流れる間に、第１のヒー
タセグメント２１２の抵抗が小さいために、この電流は
優先的に第１のヒータセグメント２１２を通って流れ
る。このため、第１のヒータセグメント２１２のみが、
この第１のヒータセグメント２１２の所定の抵抗Ｒ₁が
ヒータセグメント２１２〜２１６に隣接する流体の温度
を流体のバブル生成温度以上に上昇させるに十分な電力
密度Ｐ_Dを有する。これにより、バブルの寸法及びこれ
により結果として生ずる流体の小滴の寸法は、バブル生
成温度以上の温度を有するヒータディバイス２１０の領
域の関数である。このため、第１のバブルの寸法及びこ
れにより結果として生ずる流体の小滴の寸法は、第１の
ヒータセグメント２１２の領域のみに基づいている。

【００４５】パルス電圧及び／又はパルス幅がさらに増
加するにつれて、第１のヒータセグメント２１２の温度
はバブル生成温度以上に継続して留まる。さらに、例え
ヒータセグメント２１２の温度が高くなっても、第１の
ヒータセグメント２１２の温度におけるこのさらなる増
加は、バブルの寸法及び、バブルの熱抵抗が大きいた
め、これにより結果として生ずる流体の小滴の寸法に
は、ほとんど影響を与えない。同時に、第２及び第３の
並列接続されたヒータセグメント２１４及び２１６の両
方の温度は、バブル生成温度に向かって上昇する。

【００４６】しかしながら、第２のヒータセグメント２
１４のシートの抵抗率が第３のヒータセグメント２１６
のシートの抵抗率よりも小さくされているため、第３の
ヒータセグメント２１６よりも第２のヒータセグメント
２１４により多くの電流が流れる。このため、第２のヒ
ータセグメント２１４の温度が第３のヒータセグメント
２１６の温度よりも急速に上昇する。従って、特定のパ
ルス電圧及び／又はパルス幅が増加しているあるポイン
トにおいて、第２のヒータセグメント２１４の温度はバ
ブル生成温度に到達する。その結果、生ずるバブルの寸
法が、第１及び第２のヒータセグメント２１２及び２１
４の両方の領域に依存するようになる。これにより、結
果として生ずる流体の小滴の寸法が増加する。

【００４７】同様に、上述したように、パルス電圧及び
／又はパルス幅が増加し続けるにつれて、第１〜第３の
ヒータセグメント２１２〜２１６のそれぞれの温度が引
き続いて増加し、第３のヒータセグメント２１６の温度
がバブル生成温度に向かって上昇する。最終的には、パ
ルス電圧及び／又はパルス幅が増加する間のあるポイン
トにおいて、第３のヒータセグメント２１６の温度もバ
ブル生成温度に到達する。その結果、生ずるバブルの寸
法及びこれにより結果として生ずる流体の小滴の寸法
が、第１〜第３のヒータセグメント２１２〜２１６の全
ての３つの領域に依存するようになる。ヒータセグメン
ト２１２〜２１６をこの技術分野で周知の種々のドーピ
ング材料を用いてドーピングすることにより、ヒータセ
グメント２１２〜２１６のシートの抵抗率をコントロー
ルして変化させることができることは理解されよう。

【００４８】図３は、印加された電気エネルギーが増加
するにつれて、電力密度が一方向に増加するように構成
された並列接続のヒータセグメントを有する、セグメン
ト化されたヒータ３００の第２の例示的な実施形態のブ
ロック図である。図３に示すように、セグメント化され
たヒータ３００は、複数のヒータディバイス１５０、共
通グラウンド１２０及び共通電源１４０を備えている。
前述した例示的な実施形態と同様に、それぞれのヒータ
ディバイス１５０は、共通のグラウンド１２０及び電源
１４０に接続されると共に、ドライバ用トランジスタ１
３２を有している。電源１４０から伸びるリード線３２
２は、電源１４０から隣接するヒータセグメント３１２
〜３１６の１つおきの対の間のみに伸びる。このため、
それぞれのリード線３２２は、ヒータセグメント３１２
〜３１６の２つのセットに接続される。さらに、ドライ
バ用トランジスタ１３０から伸びるリード線３２０は対
にされて、ドライバ用トランジスタ１３０から交互に伸
びる。加熱セグメント３１２〜３１６は間隔を空けて配
置され、またリード線３２２及び３２０の間に電気的に
接続されるため、電流は各ヒータセグメント３１２〜３
１６を通って並列に流れる。セグメント化されたヒータ
３００のヒータセグメント３１２〜３１６は、セグメン
ト化されたヒータ２００と同じ方法で製造される。この
ため、結果として、各ヒータセグメント３１２〜３１６
は、選択されたパルス電圧及び／又はパルス幅に対して
異なる温度になるため、各ヒータセグメント３１２〜３
１６内の流体の小滴を独立して飛ばすことができる。リ
ード線３２２及び３２０並びにヒータセグメント３１２
〜３１６をこのように位置決めすることにより、セグメ
ント化されたヒータ３００内のスペースを制限する要素
が緩和され、またセグメント化されたヒータ３００内の
高電圧のライン及び低電圧のラインをさらに離すことが
できる。

【００４９】図４は、印加された電気エネルギーが増加
するにつれて、電力密度が二方向に増加するように構成
された直列接続のヒータセグメント４１３〜４１７を有
する、本発明によるセグメント化されたヒータ４００の
第１の例示的な実施形態のブロック図である。図４に示
すように、このセグメント化されたヒータ４００は、複
数のヒータセグメント４１３〜４１７を有し、また複数
のヒータディバイス１５０、共通グラウンド１２０及び
共通電源１４０を備えている。それぞれのヒータディバ
イス１５０は、共通のグラウンド１２０及び電源１４０
に接続されると共に、ドライバ用トランジスタ１３０を
有している。それぞれのヒータディバイス１５０は、直
列接続された複数のヒータセグメント４１３〜４１７を
有するセグメント化されたヒータ構造体４１０を備えて
いる。

【００５０】それぞれのヒータディバイス１５０では、
ヒータセグメント４１３〜４１７は、異なるヒータセグ
メント４１３〜４１７が異なる印加電源レベルでバブル
生成温度に達するように電力密度が変化するように設計
される。言い換えると、電流が全てのヒータセグメント
４１３〜４１７を通って流れる間に、第１のヒータセグ
メント４１３のみが、この第１のヒータセグメント４１
３の所定の抵抗Ｒ₁がヒータセグメント４１３〜４１７
に隣接する流体の温度を流体のバブル生成温度以上に上
昇させるに十分な電力密度を有する。前に概要を説明し
たように、バブルの寸法及びこれにより結果として生ず
る流体の小滴の寸法は、バブル生成温度以上の温度を有
するヒータディバイスの領域の関数である。このため、
バブルの寸法及びこれにより結果として生ずる流体の小
滴の寸法は、最小の放出電圧及び／又はパルス幅におい
て、第１のヒータセグメント４１３の領域のみに基づい
ている。

【００５１】パルス電圧及び／又はパルス幅がさらに増
加するにつれて、第１のヒータセグメント４１３の温度
はバブル生成温度以上に留まる。さらに、例えヒータセ
グメント４１３の温度が高くなっても、第１のヒータセ
グメント４１３の温度におけるこのさらなる増加は、バ
ブルの寸法及び、バブルの熱抵抗が大きいため、これに
より結果として生ずる流体の小滴の寸法にはほとんど影
響を与えない。同時に、第２のヒータセグメント４１４
及び４１５並びに第３のヒータセグメント４１６及び４
１７の両方の温度は、バブル生成温度に向かって上昇す
る。しかしながら、第２のヒータセグメント４１４及び
４１５の幅が第３のヒータセグメント４１６及び４１７
の幅よりも狭いため、第２のヒータセグメント４１４及
び４１５の温度は第３のヒータセグメント４１６及び４
１７の温度よりも急速に上昇する。このため、ある特定
のパルス電圧及び／又はパルス幅において、第２のヒー
タセグメント４１４及び４１５の温度はバブル生成温度
に到達する。その結果、生ずるバブルの寸法が、第１及
び第２のヒータセグメント４１４及び４１７の両方の領
域に依存するようになる。これにより、結果として生ず
る流体の小滴の寸法が増加する。

【００５２】同様に、上述したように、パルス電圧及び
／又はパルス幅が増加し続けるにつれて、第１〜第３の
ヒータセグメント４１３及び４１７のそれぞれの温度が
引き続いて増加し、第３のヒータセグメント４１６及び
４１７の温度がバブル生成温度に向かって上昇する。最
終的には、ある特定のパルス電圧及び／又はパルス幅に
おいて、第３のヒータセグメント４１６及び４１７の温
度もバブル生成温度に到達する。その結果、生ずるバブ
ルの寸法及びこれにより結果として生ずる流体の小滴の
寸法が、第１〜第３のヒータセグメント４１３〜４１７
の全ての３つの領域に依存するようになる。

【００５３】言い換えると、セグメント化されたヒータ
４００は、ファイヤリング指令が二方向に対称的である
ようにコントロールされる。ヒータセグメント４１３〜
４１７のファイヤリング指令は、各ヒータセグメント４
１３〜４１７内の電力密度によって決定される。これ
は、（直列接続されたヒータセグメントに対する式２か
ら）シート抵抗（sheet resistance）ρ_iに比例すると
共に、ヒータセグメントの幅ｗ_iの二乗に反比例する。
これにより、セグメント化されたヒータ４００では、全
てのヒータセグメント４１３〜４１７が同一のシート抵
抗を有している場合、パルス電圧及び／又はパルス幅が
増加すると、中心のヒータセグメント４１３の幅が最小
のため、この中心のヒータセグメント４１３が小滴を最
初に放出する。次に、パルス電圧及び／又はパルス幅が
続いて増加するにつれて、中心のヒータセグメント４１
３よりも広い中間のヒータセグメント４１４及び４１５
が次ぎに放出する。最終的に、パルス電圧及び／又はパ
ルス幅がさらに増加するにつれて、最も広い外側のヒー
タセグメント４１６及び４１７が最後に放出する。

【００５４】図５は、印加された電気エネルギーが増加
するにつれて、電力密度が二方向に増加するように構成
された直列接続のヒータセグメント４１３〜４１７を有
する、本発明によるセグメント化されたヒータ５００の
第２の例示的な実施形態のブロック図である。図５に示
すように、このセグメント化されたヒータ５００は、セ
グメント化されたヒータ４００と同じ方法で構成され、
複数のヒータセグメント５１３〜５１７、複数のヒータ
ディバイス１５０、共通グラウンド１２０及び共通電源
１４０を備えている。セグメント化されたヒータ５００
では、各ヒータセグメント５１３〜５１７の幅は同じで
あるが、長さが異なる。さらに、この第２の例示的な実
施形態では、中心のヒータセグメント５１３、中間のヒ
ータセグメント５１４〜５１５及び外側のヒータセグメ
ント５１６〜５１７は、ヒータセグメント５１３〜５１
７のシート抵抗をコントロールして変えるように、それ
ぞれ別々にドーピングされる。このため、中心のヒータ
セグメント５１３は最も高い電力密度を有するようにド
ーピングされるため、電力パルスの電圧及び／又はパル
ス幅が増加するにつれて、中心のヒータセグメント５１
３が最初にバブル生成温度に到達する。

【００５５】言い換えると、式２に示すように、中心の
ヒータセグメント５１３を最初にバブル生成温度に到達
させるために、中心のヒータセグメント５１３が最高の
電力密度を持つように、中心のヒータセグメント５１３
のシート抵抗率を最大にする。これにより、中心のヒー
タセグメント５１３が最初に、すなわち、最も小さい放
出パルス幅及び／又は電圧で流体の小滴を飛ばす。前述
したように、ある電流がヒータ構造体５１０の中で全て
のヒータセグメント５１３〜５１７を通って流れる間
に、中心のヒータセグメント５１３の抵抗が小さいため
に、この電流は優先的に中心のヒータセグメント５１３
を通って流れる。このため、中心のヒータセグメント５
１３のみが、この中心のヒータセグメント５１３の所定
の抵抗Ｒ₁がヒータセグメント５１３〜５１７に隣接す
る流体の温度を流体のバブル生成温度以上に上昇させる
に十分な電力密度を有する。これにより、バブルの寸法
及びこれにより結果として生ずる流体の小滴の寸法は、
バブル生成温度以上の温度を有するヒータディバイス５
１０の領域の関数である。このため、第１のバブルの寸
法及びこれにより結果として生ずる流体の小滴の寸法
は、中心のヒータセグメント５１３の領域のみに基づい
ている。

【００５６】パルス電圧及び／又はパルス幅がさらに増
加するにつれて、中心のヒータセグメント５１３の温度
はバブル生成温度以上に継続して留まる。さらに、例え
中心のヒータセグメント５１３の温度が高くなっても、
中心のヒータセグメント５１３の温度におけるこのさら
なる増加は、バブルの寸法及び、バブルの熱抵抗が大き
いため、これにより結果として生ずる流体の小滴の寸法
には、ほとんど影響を与えない。同時に、中間のヒータ
セグメント５１４及び５１５及び外側のヒータセグメン
ト５１６及び５１７は、バブル生成温度に向かって上昇
する。

【００５７】最終的には、ある特定のパルス電圧及び／
又はパルス幅において、中間のヒータセグメント５１４
及び５１５の温度がバブル生成温度に到達する。やが
て、中心のヒータセグメント５１３並びに中間のヒータ
セグメント５１４及び５１５がバブル生成温度に達した
後、外側のヒータセグメント５１６及び５１７がバブル
生成温度に到達する。その結果、生ずる流体のバブルの
寸法及びこれにより結果として生ずる流体の小滴の寸法
が、全てのヒータセグメント５１３〜５１７のシート抵
抗率に依存するようになる。

【００５８】バブル生成領域の放射状の成長は、図１〜
図５で示したヒータセグメントの一次元のアレイよりも
二次元のアレイによって、一層密接に近似することがで
きることは理解されよう。バブル生成領域の一方向の成
長はいくつかのディバイス、例えば、側部放出形ディバ
イスに対して好ましいが、放射状の成長は他のディバイ
ス、例えば、ルーフ放出形ディバイスに対して好適であ
る。このルーフ放出形ディバイスでは、小滴はヒータの
面に垂直な方向に放出される。図６は、直列接続された
ヒータセグメントの二次元アレイを有するセグメント化
されたヒータ６００の、第１の具体例としての実施形態
のブロック図である。図６に示すように、このセグメン
ト化されたヒータ６００は、複数のヒータディバイス１
５０、共通グラウンド１２０及び共通電源１４０を有し
ている。セグメント化されたヒータ６００は複数のヒー
タディバイス６１０を有し、複数のヒータディバイス６
１１〜６１９のそれぞれは、二次元、すなわち、３×３
のアレイの中に配列される。第１のカラム６２０内のヒ
ータセグメント６１５及び６１８〜６１９の全抵抗はｒ
₁₁＋ｒ₁₂＋ｒ₁₃＝Ｒ₁、第２のカラム６２２内のヒータ
セグメント６１１〜６１３全抵抗はｒ₂₁＋ｒ₂₂＋ｒ₂₃＝
Ｒ₂、また第３のカラム６２４内のヒータセグメント６
１４及び６１６〜６１７全抵抗はｒ₃₁＋ｒ₃₂＋ｒ₃₃＝Ｒ
₃である。

【００５９】この実施例に示すように、各ストリップ６
２０〜６２４は、各ストリップ内の全抵抗Ｒ₁〜Ｒ₃が同
じであるように製造される。このため、同じ量の電流が
各カラム６２０〜６２４を通過して流れる。さらに、こ
の例示的な実施形態では、ヒータセグメント６１１は抵
抗が最小になるように製造される。次に、ヒータセグメ
ント６１２及び６１５は、２番目に小さい抵抗になるよ
うに製造される。最後に、ヒータセグメント６１６〜６
１９は最も高い抵抗になるように製造される。このた
め、パルス電圧及び／又はパルス幅が増加するにつれ
て、ヒータセグメント６１１の電力密度が最も高くな
り、最初にバブル生成温度に達する。今度の場合も、電
流が全てのヒータセグメント６１１〜６１９を通って流
れる間に、第１のヒータセグメント６１１のみが、この
第１のヒータセグメント６１１の所定の抵抗ｒ₂₂がヒー
タセグメント６１１〜６１９に隣接する流体の温度を流
体のバブル生成温度以上に上昇させるに十分な電力密度
を有する。前述したように、バブルの寸法及びこれによ
り結果として生ずる流体の小滴の寸法は、バブル生成温
度以上の温度を有するヒータディバイスの領域の関数で
ある。このため、バブルの寸法及びこれにより結果とし
て生ずる流体の小滴の寸法は、第１のヒータセグメント
６１１の領域のみに基づいている。

【００６０】パルス電圧及び／又はパルス幅がさらに増
加するにつれて、第１のヒータセグメント６１１の温度
はバブル生成温度以上に留まる。さらに、例えヒータセ
グメント６１１の温度が高くなっても、第１のヒータセ
グメント６１１の温度におけるこのさらなる増加は、バ
ブルの寸法及び、バブルの熱抵抗が大きいため、これに
より結果として生ずる流体の小滴の寸法にはほとんど影
響を与えない。しかしながら、全ての残りのヒータセグ
メント６１２〜６１９の温度は、バブル生成温度に向か
って上昇する。しかしながら、ヒータセグメント６１２
〜６１５の電力密度がヒータセグメント６１６〜６１９
の電力密度よりも大きいため、ヒータセグメント６１２
〜６１５の温度はヒータセグメント６１６〜６１９の温
度よりも急速に上昇する。このため、ある特定のパルス
電圧及び／又はパルス幅において、ヒータセグメント６
１２〜６１５の温度はバブル生成温度に到達する。その
結果、生ずるバブルの寸法が、ヒータセグメント６１１
〜６１５の領域に依存するようになる。これにより、結
果として生ずる流体の小滴の寸法が増加する。

【００６１】パルス電圧及び／又はパルス幅が増加し続
けるにつれて、それぞれのヒータセグメント６１６〜６
１９の温度が引き続いて増加し、ヒータセグメント６１
６〜６１９の温度がバブル生成温度に向かって上昇す
る。前述したように、あるパルス電圧及び／又はパルス
幅において、ヒータセグメント６１６〜６１９の電力密
度がヒータセグメント６１１〜６１５の電力密度よりも
小さいため、ヒータセグメント６１６〜６１９の温度が
最後にバブル生成温度に到達する。その結果、生ずるバ
ブルの寸法及びこれにより結果として生ずる流体の小滴
の寸法が、全てのヒータセグメントがこの時点ではバブ
ル生成温度以上であるため増加する。

【００６２】この実施形態の中で説明された二次元の放
出指令は、ヒータセグメントの幅、ヒータセグメントの
長さ、及びシートの抵抗における変化、又はこれらのパ
ラメータの様々な組合わせに基づいて、ヒータセグメン
ト６１１〜６１９内の相対的な電力密度を変えることに
より、種々の方法で達成することができることを理解さ
れたい。同様に、パルス電圧及び／又はパルス幅が増加
するにつれて、ヒータセグメント６１２〜６１９の異な
るセットが前述したポイントと異なるポイントで流体の
小滴の放出を開始するように、種々のヒータセグメント
６１１〜６１９の抵抗を変えることができることを理解
されたい。例えば、それぞれのヒータセグメント６１２
〜６１９の温度を、互いに独立に又は２つ若しくは４つ
のヒータセグメントのセット内で別々に、バブル生成温
度以上に上げることができる。

【００６３】図７及び図８は、セグメント化されたヒー
タ７００及び８００の第１及び第２の例示的な実施形態
のブロック図である。これらの実施形態では、電力密度
をほぼ放射状に変化させることができる幾何学的形状を
有する並列接続されたヒータセグメントにより実現され
る、バブル生成領域内でほぼ放射状の成長が行われる。
図７及び図８に示すように、それぞれのＵ字形のセグメ
ント化されたヒータ７００及び８００は、電源１４０及
びドライブ用トランジスタ１３２を含む複数のヒータデ
ィバイス１５０を備えている。図２及び図３に示した並
列接続のヒータセグメントとは対称的に、ドライブ用ト
ランジスタ１３２及び電源１４０の端子１４２へのヒー
タセグメント７１２〜７１４の接続体は、ヒータディバ
イス１５０と同じ側に配置される。これにより、ヒータ
セグメント７１２〜７１４は、電源１４０及びドライブ
用トランジスタ１３２に並列に接続される。セグメント
化されたヒータ７００の構造体は、このため、ほぼ放射
状に増加する電力密度の、図６に示したヒータセグメン
ト６１１〜６１９の二次元アレイと同じ機能のいくつか
を提供する。セグメント化されたヒータ７００では、不
要な場所でのホットスポットを避けるために、加熱セグ
メント７１２〜７１４の内側のコーナを丸くすることが
できる。さらに、図８に示したセグメント化されたヒー
タは、図７のものと機能的に同様であるが、さらに丸く
されている。図７及び図８に示した並列接続された構成
用のヒータセグメント７１２〜７１４内の電力密度は、
式４に示されている。電力密度はシート抵抗に反比例
し、またセグメントの長さの二乗にも反比例する。全て
のヒータセグメント７１２〜７１４のシート抵抗が同一
であると仮定すると、最も内側のヒータセグメント７１
２の長さが最も短いので、電力密度は最高である。この
ため、全てのヒータセグメント７１２〜７１４のシート
抵抗が同一である場合、バブルの生成はヒータセグメン
ト７１２〜７１４のアレイの中心から始まりほぼ外側に
進む。シート抵抗率は、必要な場合、放出のタイミング
に大きく影響を与えることができる。ヒータセグメント
７１２〜７１４の長さ及び幅は、異なるパルス幅及び／
又は電圧により発生されたバブルの相対的な寸法に影響
を与えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 パルス幅及び／又は電圧が増加するにつれ
て、結果としての電力密度における上昇が一方向に進行
するように直列接続されたヒータセグメントを有する、
従来のセグメント化されたヒータ構造体の例示的な実施
形態のブロック図である。

【図２】 パルス幅及び／又は電圧が増加するにつれ
て、結果としての電力密度における上昇が一方向に進行
するように並列接続されたヒータセグメントを有する、
本発明によるセグメント化されたヒータ構造体の第１の
例示的な実施形態のブロック図である。

【図３】 パルス幅及び／又は電圧が増加するにつれ
て、結果としての電力密度における上昇が一方向に進行
するように並列接続されたヒータセグメントを有する、
本発明によるセグメント化されたヒータ構造体の第２の
例示的な実施形態のブロック図である。

【図４】 パルス幅及び／又は電圧が増加するにつれ
て、結果としての電力密度における上昇が二方向に進行
するように直列接続されたヒータセグメントを有する、
本発明によるセグメント化されたヒータ構造体の第１の
例示的な実施形態のブロック図である。

【図５】 パルス幅及び／又は電圧が増加するにつれ
て、結果としての電力密度における上昇が二方向に進行
するように直列接続されたヒータセグメントを有する、
本発明によるセグメント化されたヒータ構造体の第２の
例示的な実施形態のブロック図である。

【図６】 パルス幅及び／又は電圧が増加するにつれ
て、結果としての電力密度における上昇がほぼ放射状に
進行するように直列接続されたヒータセグメントの二次
元アレイを有する、本発明によるセグメント化されたヒ
ータ構造体の第１の例示的な実施形態のブロック図であ
る。

【図７】 パルス幅及び／又は電圧が増加するにつれ
て、結果としての電力密度内の上昇がほぼ放射状に進行
するように並列接続されたヒータセグメントを有する、
本発明によるセグメント化されたヒータ構造体の第１の
例示的な実施形態のブロック図である。

【図８】 パルス幅及び／又は電圧が増加するにつれ
て、結果としての電力密度内の上昇がほぼ放射状に進行
するように並列接続されたヒータセグメントを有する、
本発明によるセグメント化されたヒータ構造体の第２の
例示的な実施形態のブロック図である。

【符号の説明】

１２０ グラウンド、１３０ トランジスタのブロッ
ク、１４０ 電源、１５０ ヒータディバイス、２００
セグメント化されたヒータ、２１０ ヒータ構造体、
２１２，２１４，２１６ ヒータセグメント、２２０，
２２２ リード線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体を加熱及び蒸発させるために使用可
   能なセグメント化されたヒータディバイスであって、 電源と、 複数のドライバ用トランジスタと、 それぞれ対応するドライバ用トランジスタと前記電源と
   の間に電気的に接続された複数のヒータディバイスと、
   を備え、 前記ヒータディバイスが複数のヒータセグメントを有す
   るセグメント化されたヒータ構造体を有し、 前記ヒータセグメントが前記ドライバ用トランジスタと
   前記電源との間に電気的に並列に接続されることを特徴
   とするセグメント化されたヒータディバイス。