JP2908559B2 - 改善された抵抗ヒータ及び電極構造を有するバブルジェット印刷ヘッド - Google Patents

改善された抵抗ヒータ及び電極構造を有するバブルジェット印刷ヘッド

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JP2908559B2 JP2507267A JP50726790A JP2908559B2 JP 2908559 B2 JP2908559 B2 JP 2908559B2 JP 2507267 A JP2507267 A JP 2507267A JP 50726790 A JP50726790 A JP 50726790A JP 2908559 B2 JP2908559 B2 JP 2908559B2
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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明はサーマル・ドロップ・オン・デマンド（ther
mal,drop−on−demand）型のインクジェット印刷ヘッド
（本明細書においてはバブルジェット印刷ヘッドと呼称
する）に関し、より詳細にはそのような印刷ヘッドにお
いて協働して印刷ヘッドの有用な寿命を増加する改善さ
れたヒータ及び電極構造に関する。
背景技術 一般にバブルジェット印刷ヘッドにおいては、電気抵
抗性の複数のヒータ要素が支持基材上に堆積され、この
支持基材は例えば金属あるいはセラミック材料から形成
されると共に例えばSiO2の熱制御コーティングを有して
いる。金属電極が形成されてヒータ要素を通じて電圧を
選択的に付与し、またヒータ要素及び電極上に保護コー
ティングが設けられる。印刷インクはヒータ要素と印刷
ヘッドのオリフィスとの間に供給され、またヒータ要素
は隣接するインクを蒸気に迅速に転換して衝撃波が関連
するオリフィスからのインクの射出を生ずる温度まで選
択的に励起される。
このインクジェット印刷技法は急激に有用となりつつ
あるが、特に高速印刷モードで用いられた場合にヒータ
要素の長い動作寿命を可能とする印刷ヘッドを提供する
には依然として大きな問題が存在する。基本的に、これ
は液滴エジェクタを物理的及び化学的ダメージから保護
することが依然として大きな技術的問題を生ずるからで
ある。
印刷インクを印刷ヘッドの加熱抵抗器及び電極から隔
離するため及びこれらの素子を物理的および電解的な損
傷から保護するために、種々の保護カバー構造が開発さ
れている。しかしながら、印刷ヘッドの寿命を更に延ば
し及び／又これらの装置によるより高い作動印刷速度を
可能とすることが望ましい。
重大な欠陥の態様は、複合構造に対する電解的なアタ
ックの開始を許容する加熱抵抗器フィルムのクラック及
び／又はそれらの保護カバー層の割れにより生ずること
を見いだした。
発明の開示 本発明の重要な目的はバブルジェット印刷ヘッド用の
抵抗性の加熱素子及びこれと協働する励起電極の構造を
提供することであり、この構造は印刷ヘッドの液滴射出
動作の間の励起電流路に沿う温度勾配を制御することに
より印刷ヘッド要素の有用な寿命を増加する。本発明は
急激な熱勾配に伴うヒータ／電極構造（およびこれらの
保護カバー）のクラックおよび割れを減少するという産
業上の効果を奏功する。本発明はまた特定の設計パラメ
ータに合致する印刷ヘッドの製造に効果を有する。
一般に、本発明は、分離したインクヒータ素子を支持
する基材、電気伝導性の材料で形成されると共にそれぞ
れのヒータ素子の対向する縁部領域と電気的に接触する
複数の対のアドレス及び基準電極とを有する形式のバブ
ルジェット印刷ヘッド用の改善されたヒータ／電極構造
を提供し、この構造は液滴射出状態において泡生成ゾー
ンを通る電流路に沿ってより均一な温度プロフィル（及
びより低い温度勾配）を示す。好ましい実施例におい
て、ヒータ素子は最初に増加し、次に対向する縁部領域
からその中心に向かって略対称なパターンで徐々に減少
する抵抗を有し、上記電極は上記ヒータ素子の上記対向
する縁部領域に接続される。
図面の簡単な説明 以下の好ましい実施例の記載は添付の図面を参照して
おり、これら図面において、 第１図は、本発明を利用することのできる従来技術の
ある種の印刷ヘッドの断面図であり、 第２図は、本発明を利用することのできる従来技術の
他の種の印刷ヘッドを部分的に断面で示す斜視図であ
り、 第３図は、第１図の印刷ヘッドの分解斜視図であり、 第４図は、例として示す従来技術の熱要素／電極構造
の部分を、その液滴射出作用の間に起こる代表的な温度
プロフィルのプロットと共に示す、拡大概略図であり、 第５図は、第４図と同様の概略図であるが、本発明に
よるヒータ素子／電極の好ましい実施例の構造とその関
連する作動温度プロフィルのプロットを示しており、 第６図は、本発明による他のヒータ／電極の実施例を
概略的に示す斜視図であり、 第７図乃至第10図は、本発明の他の変形実施例を示す
概略図であり、そして、 第11図は、印刷ヘッドの断面図であり、本発明の種々
の実施例と共に用いることのできる特定の液滴射出ゾー
ン構造をより詳細に示している。
本発明を実施する態様 第１図を参照すると、従来技術のバブルジェットヘッ
ド10は、概ね、金属あるいはガラス等の熱伝導性材料で
形成されたベース基材11を備えており、該ベース基材上
にはSiO2等の熱制御層12および溝付きの頂部プレート13
が被覆されており、該溝付きの頂部プレートは頂部の端
部キャップ16により形成されたインク供給源15から導か
れる複数のインク供給通路14を画成する。もし上記基材
の特性が合致すれば、ヒートシンク部分17を基材11の下
側面に設けることができる。頂部プレートの溝と基材11
との間に形成されオリフィス19の上流側に位置するのは
選択的にアドレス可能な複数の電熱トランスジューサで
ある。これらの各々のトランスジューサは、例えばZrB2
により形成された分離された抵抗性ヒータ部分21と、例
えばアルミニウムで形成された分離されたアドレス電極
22とを備えている。共通の電極23を各アドレス電極の反
対側の各ヒータ要素の縁部に接続することができる。電
極及びヒータ要素は種々の金属堆積技術により層12の面
上に形成することができる。
電極及びヒータ要素の両方に形成されているのは、上
記技術分野の項において説明した種々の要求を満たすこ
とを意図された、例えばSiO2等の１あるいはそれ以上の
保護層である。活性化の際に、アドレス電極22と共通電
極23との間に電位が生じ、電流が抵抗性のヒータ素子21
を通って流れる。素子21によりもたらされる熱はヒータ
素子の近くのインクを蒸発させてオリフィス19を介して
インク液滴を射出する。
第２図は従来技術の他のバブルジェット印刷ヘッドの
例を示しており、この印刷ヘッドはダッシュ付きの対応
する符号で示された第１図の例と同様の要素を有してい
る。第２図の従来技術の印刷ヘッドにおける主要な相違
点は、頂部プレートが協働して頂部射出通路19′を提供
する別個の要素13′,13″を備えており、またオリフィ
スプレート19″が通路19′上に設けられていることであ
る。活性化の際に、アドレス電極及び共通電極22′、2
3′の間のヒータ21′を通って流れ、インクが加熱され
てプレート19″の関連するオリフィスを介して液滴が射
出される。
第３図は、印刷ヘッドの頂部プレート13及びリザーバ
キャップ16を取り外した状態の第１図の印刷ヘッドを示
している。第３図は、要素30が共通及びアドレス電極2
3、24により抵抗性のヒータ要素21にそれぞれ接続され
る端子パッド28、29をどのように有しているかを示す。
可撓性のコネクタ31が主インクジェットプリンタ制御装
置（図示せず）から伸長していると共に端子パッド28、
29と係合するための別個の接続回路32、33を有してい
る。従って、保護コーティング25（第１図）はインクと
接触するヒータおよび電極の部分上にあるのが望ましい
が、少なくともパッド部分28、29上にあることは望まし
くない。
第４図を参照すると、第１図乃至第３図に示す従来技
術の印刷ヘッドにおいて、抵抗性のヒータ素子21（電極
22と23の間の）を通って流れる電流路に沿う方向ｘにお
ける温度プロフィルは電極の端部からヒータ素子の中心
に向って鋭角的に上昇することが判明した。すなわち、
温度プロフィルＧによれば、液滴射出エネルギパルスの
端部において、温度プロフィルは、気相泡を形成するに
必要な臨界温度Tcより下のレベルから抵抗性のヒータ素
子の中心部における温度ピーク（略Tcよりも上）まで急
激に増加する。この高い温度差（すなわち温度勾配）
は、これらが層21を形成する材料の種々の部分における
急激なかつ繰り返しの膨張及び収縮差を起こすために、
物理的な損傷を生ずる。同様の損傷は、ヒータ素子と密
接に接触しそれ故に同様の温度勾配を示す保護カバー層
（第１図において符号25で示す如き）でも生ずる。ヒー
タ素子におけるクラックは不均一な電流密度を生ずると
共に素子の完全性を損なわせる。保護カバー層における
割れはヒータの電解的なアタックを生ずる。
印刷ヘッドの損傷の大部分は上述の極端な温度勾配に
関連しており、またそのような勾配を生ずる主要な要因
はアドレス及び基準電極のヒートシンク効果であること
を見いだした。このことは容易には気付かないが、その
理由は、バブルジェットヒータは正方形すなわち矩形の
ホットプレートであり発生した大部分の熱は支持基材及
びインクに流れるような印象を受けるからである。すな
わち、熱流は抵抗器の面に対してほぼ直角であると仮定
される。しかしながら、小さなかつ略正方形の抵抗器に
対してはこの仮定は正しくなく、その理由は抵抗性の加
熱素子に接続される電極は支持基材あるいはインクに比
較して大まかに言って100倍の伝導性を有しているから
である。すなわち、電極が接続される加熱素子の側面
は、抵抗器の一辺が50μｍである場合には、加熱素子の
主要面積の100分の１程度である。事実、上記側面の主
加熱面に対する比は約1/Sであり、このＳは矩形の加熱
素子の１辺の長さを表す。従って、抵抗器の寸法が減少
すれば側方へのロスの抵抗器表面に垂直な方向へのロス
に対する比は1/Sの割合で増加する。この関係はより小
さな熱素子により効率的ではなく、泡形成臨界温度を過
度に越える中心温度を有することになる。
本発明はヒータ及び電極に対する改善された構造を提
供し、この構造は従来技術の装置における加熱素子を通
る電流路の長さに沿う位置における急激な温度勾配によ
り生ずる液滴エジェクタ要素の故障を減少する。第５図
はこの手法を実行するための加熱素子及び電極構造の好
ましい実施例を示している。この実施例において、抵抗
性のヒータ層51が基材52（あるいはこの基材の熱制御
層）上に所定の形状で堆積されており、またアドレスお
よび基準電極53、54がヒータ層51上に予め形成されてい
る。より詳細には、電極53、54の端部は、これら電極の
端部間に露呈された層51の部分を通る電流路の入口およ
び出口を画成する。更に、これら電極端部はヒータ素子
の泡形成ゾーンを画成するヒータ層51の中央領域Rcから
所定距離互いに隔置されている。すなわち、抵抗性のヒ
ータ層51は２つの端部領域Reを有しており、これら端部
領域は必然的に電流53、54から泡形成領域Rcの縁部境界
への案内延長部として作用する。領域Rcは関連する液滴
オリフィス（図示せず）と相対的に寸法決めされかつ位
置されており；また従来技術の装置における如く両方の
電極53、54及び抵抗性のヒータ層は保護カバー（図示せ
ず）により覆われている。
第５図のヒータ素子の好ましい構成を参照すると、抵
抗性の層51は電流路に沿って変化する横方向の寸法を有
していることが分かり、特にこの層は位置（電極との接
合部）における相対的に広い幅Wwから相対的に狭い幅Wn
（例えば泡形成ゾーンの開始部分における）に変化し、
更に再び相対的に広い幅Wc（泡形成ゾーンの中心部にお
ける）に戻る。この実施例において、層51は一定の厚み
及び抵抗率を有しており、従って横断面積は幅とともに
直接変化すると共に層51の抵抗率は電流路の方向に沿っ
てその横幅に反比例して変化する。これにより、ヒータ
素子の励起の間、電流密度従って熱生成速度も層の幅に
反比例して変化し；またこの構造の幾つかの重要な機能
的特性も関係する。先ず、泡生成領域Rcにおける熱発生
速度はその中心から縁部に向かう方向において増加す
る。このことは電極への熱の漏れに伴う高い温度差を減
少し、それ故にプロットＧ′の勾配を緩やかにする。
また、WnからWwに向って断面が徐々に増加する案内延
長部分（領域Re）を設けることにより泡生成ゾーンの縁
部を電極への熱損失から熱的に隔離する。更に、この延
長部それ自身はWwからWnへ向って増加する加熱速度の勾
配を有している。第５図のプロットに示すように、抵抗
性の層の形状および電極端部の位置の全体的な協働によ
り温度プロフィルプロットＧ′の温度勾配を十分緩やか
にする。このような緩やかな温度勾配は液滴射出の励起
により抵抗性の層に与えられる膨張及び収縮の応力を十
分に減少する。
別の言い方をすれば、抵抗器の単位長さ当たりの面積
はその中心において最大でありまた中心から遠ざかる方
向において減少するため、中心における電力密度が減少
されるのである。中心から離れて導線に流れる熱流は極
めて少ないので、中心部は加熱する傾向がある。中心に
向かう電力密度を減少することによって、この過熱は相
殺される。電力密度を減少するメカニズムは２つある。
すなわち、（ａ）面積を増加すること及び（ｂ）電流密
度を減少することである。
第６図は本発明の手法を利用した他の好ましい実施例
を示している。この実施例においても、抵抗性の層61は
２つの案内延長領域Reを有しており、これら延長領域は
符号63、64で略示された励起電極から中央の加熱領域Rc
へ伸びている。しかしながら、この実施例においては、
領域Rcを通る電流密度は層61の案内延長部との接合部か
ら加熱ゾーンへ向って徐々に増加する層の厚みにより変
化する。すなわち、領域Rcの中心における厚みが層の最
大厚みであって最大の断面積をもたらし、したがって、
Rc−Re接合部付近におけるより小さな厚みの部分に比べ
て、より小さな電流密度および加熱速度を示す。中心か
らRc−Re接合部への厚みの減少は対称的（各々の電極6
3、64に向かって）でかつなだらかで緩やかな傾斜の温
度勾配をもたらすのが好ましい。熱漏洩路を領域Rcから
電極に向かって長くする（また対向する温度勾配によ
り）ことにより達成される温度均衡効果に加えて、第６
図の実施例は電極の熱量を減少する。これは、第６図の
実施例においては、各々の電極に抵抗器の全幅と同じ幅
の端部66と減少した幅のリード部分67とを設けることに
よって達成される。全幅部分は電流密度を層61の部分Re
の全断面に分配するが、そのような機能を達成するため
に必要とされる最小の熱量を有するように構成される。
次に第７図及び第８図を参照すると、これら図解化さ
れた実施例は、過激な温度勾配の減少が、大きな案内延
長部（第４図及び第５図のRe等）を設けることなく、本
発明によりいかに達成されるかを示している。すなわ
ち、第７図においては、抵抗性のヒータ層71は電極73、
74との接合部付近の位置から泡生成ゾーンの中心に向か
って一方向に増加する幅を有している。第８図の液滴射
出要素においては、抵抗性のヒータ層81の厚みは電極8
3、84との接合部付近の位置から泡生成ゾーンの中心に
向かって増加している。
第９図に示す他の実施例においては、抵抗性のヒータ
層91はこの層91よりも低い抵抗率を有する層92により電
極93、94に接続されている。第１の抵抗性の層91の抵抗
率は第２の層92の抵抗率よりも高いために、層92におけ
る温度上昇は層91における温度上昇よりもかなり遅い。
電極93、94と抵抗性の層91との間に低い温度の層を設け
ることにより抵抗性の層91からこれら電極への熱流が減
少する。これにより熱勾配の過激性が減少される。この
構造はまた抵抗器91の中央部を包囲する領域の温度を上
昇し、これにより熱勾配を更に緩やかなものとする。
第10図及び第11図は本発明の１実施例を示しており、
この実施例においては、抵抗器101の上に高い熱伝導性
の層105を設けることにより温度勾配が大きく減少され
る。特に第11図を参照すると、層105は誘導パッシベー
ション層106により電極103、104から電気的に隔離さ
れ、もし必要であれば、層107によりインクの侵食から
保護することができる。すなわち、基材109の熱制御層1
08上に形成された抵抗性のヒータ層は、層105への熱伝
達およびその後の泡生成ゾーンからの熱消散（熱伝達に
よる）により中央の厚い部分から保護される。
産業上の適用性 本発明は急激な熱勾配に伴うヒータ／電極構造（およ
びこれらの保護カバー）のクラックおよび割れを減少す
るという産業上の効果を奏功する。本発明はまた特定の
設計パラメータに合致する印刷ヘッドの製造に効果を有
する。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B41J 2/05

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電気抵抗性の材料で形成されるヒータ素子
    と、電気伝導性の材料で形成されると共に前記ヒータ素
    子の隔置された端子領域に接続される電極端部を有する
    それぞれのアドレス及び基準電極の対とを備えたインク
    液滴射出アセンブリを有する形式のバブルジェット印刷
    ヘッドにおいて、 膨張／収縮ダメージを減少するための改善された液滴エ
    ジェクタアセンブリ構造を備え、 前記ヒータ素子の前記電極間の電流に対する抵抗は最初
    に増加し、次に前記各々の端子領域から該端子領域の間
    の素子の中間点に向って徐々に減少し、これにより前記
    端子領域の間の前記ヒータ素子の長さに沿って緩やかな
    温度勾配が得られることを特徴とするバブルジェット印
    刷ヘッド。
  2. 【請求項２】前記ヒータ素子が、端子領域から中間点へ
    向かう方向へ所定の変化を示す断面を有し、 該断面が、前記電極端部付近の位置における最大断面か
    ら泡生成ゾーン端部を画成する隔置された位置における
    最小断面へ、更に前記素子中間点における中間の断面へ
    と変化する請求項１の発明。
  3. 【請求項３】前記各々の電極が前記ヒータ端子領域との
    接触端付近の位置において減少した断面を有しており、
    これにより前記電極の熱量が前記領域において減少され
    て前記ヒータ素子の端子領域において一層高い温度を維
    持する請求項１の発明。
  4. 【請求項４】別個に励起可能な液滴エジェクタ構造を有
    する形式のバブルジェット印刷ヘッドであって、 （ａ）電気抵抗性のヒータ層であって、該ヒータ層のア
    ドレスおよび基準端子領域の間に位置する泡生成領域を
    有する前記ヒータ層と、 （ｂ）前記加熱層端子領域に接続されたそれぞれのリー
    ド端部を有する一対の電気伝導性のリード層とを備える
    前記印刷ヘッドにおいて、 （ｉ）前記加熱層の泡生成領域の断面がその中心から前
    記各々の端子領域に向かう方向において前記泡生成領域
    の縁部ゾーンへ対称形で減少しており、 （ii）前記加熱層は前記各々の電極端部から前記泡生成
    領域の縁部ゾーンへそれぞれ延びる案内延長部を有し、
    該案内延長部は前記泡生成領域の縁部ゾーンにおける層
    断面よりも大きな断面を有しており、これにより前記端
    子領域の間の前記ヒータ層において緩やかな傾斜の温度
    プロフィルが得られると共に膨張／収縮ダメージが減少
    されることを特徴とする印刷ヘッド。
  5. 【請求項５】ヒータ素子の泡生成領域と熱伝達関係にな
    されると共に前記泡生成領域の温度を減少するための熱
    量を有する熱伝導手段を更に備える請求項４の発明。
  6. 【請求項６】前記各々の電極が前記ヒータ端子領域との
    接触端部付近の位置において減少された断面を有してお
    り、これにより前記電極の熱量が減少されて前記ヒータ
    素子の前記端子領域において一層高い温度を維持する請
    求項４の発明。
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