JP2991772B2

JP2991772B2 - 多重作動構造を有するバブルジェット方式印刷ヘッド

Info

Publication number: JP2991772B2
Application number: JP3502708A
Authority: JP
Inventors: ブラウン，ヒラリオン
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1989-12-18
Filing date: 1990-12-06
Publication date: 1999-12-20
Anticipated expiration: 2014-12-20
Also published as: EP0458958A1; DE69007783T2; WO1991008899A1; DE69007783D1; US4999650A; JPH04503930A; EP0458958B1

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明はドロップ・オン・ディマンド型のインクジェ
ット方式（ここではバブルジェットと呼称する）の印刷
に関し、特に高密度印刷が可能な印刷ヘッド構造に関す
る。

背景技術一般にバブルジェット方式の印刷ヘッドにおいては、
複数の電気抵抗ヒータ要素が支持基板上に形成されてい
る。この基板は、例えば金属又はシリコンで作製されて
いると共に、例えばSiO₂等の熱抑制用皮膜も形成されて
いる。また、こうしたヒータ要素に選択的に電圧を印加
する複数の金属電極も形成されていると共に、保護膜を
此等ヒータ要素及び電極の上に形成している。印刷用イ
ンクは此等ヒータ要素と印刷ヘッドのオリフィスとの間
に供給されるが、此等ヒータ要素は、当該ヒータ要素と
接するインクを急速に蒸気に変換させる温度まで選択的
に励起されるようになっており、その際に生じた衝撃波
でオリフィスからインクが噴出さるるのである。

バブルジェット技術の開発及び商業的使用が進むに伴
い、こうした装置の分解能を高める要求が増大してきて
いる。このような状況において、装置分解能は任意の印
刷領域（例えば線寸法）における画素液滴の数であると
考えることができる。装置分解能を高める１つの方法と
しては、例えば単一のオリフィス列に向かい合う複数の
通路を用いるか、或は、複数の走査用のオリフィス列を
設けることによって、インク液滴を交錯させている。こ
の手法では、単一又は複数の印刷用ヘッド構造が簡素化
できるが、別個の通路からの液滴も良好に整合させるの
に、印刷媒体に相対する印刷ヘッドの正確な位置決めが
要求される。

装置分解能を高めるもう一つの方法としては、単一の
印刷ヘッド上における液滴噴出副機構（即ち、オリフィ
ス及び関連するヒータ要素）の線密度を増大させること
にある。これでは単一或は複数の線形のオリフィス列を
用いることで可能である（例えば米国特許第4,734,717
号を参照のこと）。このような高密度のオリフィスプレ
ート及びヒータ副機構の構造は写真製造技術で製造可能
であるが、非常に小さなチップ上に形成された非常に多
くの加熱用抵抗体とプリンタ制御装置の電気的なアドレ
ス電子回路とを電気的に接続するのに困難が伴うことか
ら、装置分解能の向上には限界がある。

アドレス指定用リード線の本数が非常に多いことから
惹起される問題を低減するために、バブルジェット印刷
ヘッドの抵抗ヒータ要素のアドレスを多重送信する（即
ち、励起電流を流すこと）ようにした幾つかの方式が提
案されてきている。例えば米国特許第4,695,853号に
は、一方の電極マトリックス部分が抵抗器／ダイオード
のパターンの下に設けられ、他方の電極マトリックス部
分が該抵抗器／ダイオードのパターンの上に設けられて
いるＸ−Ｙ電極マトリックスを有するバブルジェットチ
ップ構造が開示されている。

これらＸ−Ｙ電極部分は、垂直方向に配置されたサン
ドイッチ状の端子を形成している抵抗器／ダイオードの
要素を除いて、電気的な絶縁層によって分離されてい
る。この抵抗器／ダイオード構造では多重送信ができる
ようになっている（従って、アドレスに必要とされるリ
ード線及び端子の数を低減している）が、幾つかの問題
点を有している。第１に、この米国特許第4,695,853号
特許に記載されているように多重化動作を行っていると
きにダイオードの上方電極への逆流漏電が起こると、電
解腐食が惹起されて、電極トレースの破壊に至ることが
ある。第２に、ヒータ用の抵抗要素の固定抵抗値を維持
しながらダイオードの順方向抵抗を一様にすることは非
常に難しいことが挙げられる。

米国特許第4,791,440号には、非常に多くの液滴噴出
場所を有する高分解能の印刷ヘッドを提供することでこ
うした問題に対処する他の解決法が開示されている。こ
の方法においては、液滴噴出場所への電気的接続部の一
方のアレイをチップの基板の上部側に設け、他の電気的
接続部のアレイを該基板の底部側に設けている。複数の
孔をこの基板材料に穿設して、上部側及び底部側のリー
ド線マトリックスを接続している。電気的リード線の構
成を一層簡素化するために、この方法では更に多重アド
レス機構を設けている。この多重アドレス機構において
は、複数のヒータ列が列選択電圧パルスによって異なる
位相で励起され、このパルスは特定の加熱場所データパ
ルスと組合わされるとインク液滴を噴出するに十分なヒ
ータ電流を醸し出すようになっている。

この米国特許第4,791,440号の方法では、多数の孔を
基板に貫通形成し、且つ、該基板の両側に写真製造加工
を施す必要があるので、製造が困難である。ある適用例
では、チップ底面を介して印刷機に接続することは不可
能である。また、この多重化システムは、１つの列の各
活性位相の間に、全てのヒータ要素が必要でもないの
に、部分的に励起されるようなことがある。これによ
り、溶解しているガスがインクから放出され、やがて噴
出動作やインク充填の障害となる泡を形成してしまう。

他方、バブルジェット方式のヒータ列を構成する抵抗
の寿命は、白熱灯と同様に、それを動作させる電圧に左
右される。従って、このような抵抗ヒータ要素は、でき
る限りバブル形成の閾値に近づけて動作させるのが望ま
しい。例えば閾値を25％越す場合では、抵抗ヒータ要素
の寿命は僅か数サイクルでしかないが、閾値を10％越す
場合では数百万サイクルの寿命となることもあり得る。
供給電圧、種々のリード線抵抗、更には閾値電圧には製
造公差があり、望まれることは（バブル形成の閾値に近
づけて動作させることによって）優れた寿命を引き出す
ことであるので、全ての抵抗変動は最小限に保持すべき
である。

ところで、半導体ダイオードは、通常の導体とは対照
的に温度が上昇すればそれらの順方向の抵抗が減少する
ので、こうしたダイオードをインク加熱領域に使用する
ことは、もし熱が逃げなければ、回路全体に亙る抵抗変
動を引き起こす可能性が大いにある。従って、長期の装
置作動寿命の観点から、米国特許第4,695,853号のよう
な抵抗器／ダイオードの使用は望ましくない。

発明の開示本発明の重要な目的は、上述したような従来技術の手
法における問題を回避する高分解能バブルジェット方式
印刷ヘッドを提供することである。

前述の目的を達成すべくなされた本発明は、複数のオ
リフィスと、各オリフィスごとに設けた液滴噴出ヒータ
要素を有する薄膜型液滴噴出装置と、前記ヒータ要素に
インクを供給するマニホルド手段とからなるドロップ・
オン・ディマンド型インクジェットプリンタに対してな
されている。詳述すれば、このプリンタにおける前記液
滴噴出装置が、支持基板と、前記基坂上に互いに離間し
て形成されていると共に、第１回路分枝電極ラインを介
して端子領域に直列に接続される抵抗ヒータ要素及びダ
イオード装置をそれぞれ含む複数の回路分枝を備える第
１回路部分と、前記第１回路部分の分枝回路の端子領域
を除く、前記第１回路部分上に設けた誘電性不動態層
と、前記不動態層上に設けられ、複数の多重電極ライン
と、前記不動態層を貫通して前記第１回路部分の端子領
域に接触する接続部分とを含む第２回路部分と、前記抵
抗ヒータ要素上を延在することなく前記第２回路部分上
に設けた第２不動態層とを備えて成ることを特徴として
いる。

本発明によれば、非常に多くの高密度液滴噴出場所を
有するバブルジェット方式印刷ヘッドを比較的簡単に製
造することができる利点が得られ、また、従来技術の方
法に比べて、より信頼性があって効率的に作動する多重
印刷ヘッド構造が得られる利点もある。

図面の簡単な説明第１図は、本発明を実施したインクジェット型印刷用
インクカートリッジの分解斜視図である。

第２図は、第１図のインクカートリッジにおける液滴
噴出装置の回路構成を示す拡大概略図である。

第３図は、第２図に示す回路構成の一部を拡大した横
断面図である。

第4A図から第4G図までは、第３図に示す回路構成部分
の製造プロセスにおけるそれぞれの工程を示す概略平面
図である。

実施の態様第１図は、本発明に係るバブルジェット型印刷用イン
クカートリッジの一実施例であり、米国特許第4,734,71
7号に開示の印刷用インクカートリッジを改良したもの
である。一般に印刷用インクカートリッジ10は、キャッ
プ12を有するインクリザーバー11からなる。キャップ12
には濾過性インク供給開口13が複数個（図示の例では２
個）形成されており、これらの開口13は供給路14を経て
対応するマニホルド15に連なっている。液滴噴出用チッ
プ16は、キャップ12上に設けられており、また、マニホ
ルド15にそれぞれ整合した開ロ17を有している。二つの
線形のオリフィス列18a、18bを有するオリフィスプレー
ト18が、印刷された接着剤パターン19を介して、上記開
口17と、上記液滴噴出用チップ16の上面に対応列20a、2
0bに形成された抵抗ヒータ要素との上方に取り付けられ
ている。第１図に概略的に示したように、チップ16は更
にアドレス電極群22a、22bと、選択電極群23、24とを有
する。

本発明の重要な観点は、チップ16の構造及び機能とそ
の回路構成にあり、詳細については後述するが、図示の
印刷用カートリッジにあっては、インクは例えば毛細管
現象作用によってインクリザーバー11から抵抗ヒータ要
素の上方領域へ供給されるようになっている。パルス電
流が、駆動回路（不図示）をゲートする情報信号と同期
して、チップ電極を介して上記ヒータ要素へ選択的に送
出される。此等パルス電流は抵抗ヒータ要素を加熱し、
それと接するインクを蒸発させて、オリフィスから少量
のインク又はインク液滴を噴出させるものである。

第２図に、第１図において破線30で示したチップ16の
一部を拡大して概略平面図で示す。この回路構成は、概
して、基坂上に形成された、実線で示す第１回路部分
と、点彩で示した第２回路部分と、第１及び第２回路部
分の間に臨む誘電性不動態層（不図示）とを備えてい
る。より詳細には、図示される如く、この第１回路部分
は、相互に間隔をおいて基板上に形成され、且つ、電極
ライン35によって連結された抵抗ヒータ要素32とダイオ
ード33とをそれぞれ有する複数の分枝副回路31a〜31lを
備えている（符号32と33については、便宜上、分岐副回
路31gにおける抵抗ヒータ要素とダイオードだけに用い
ている）。副回路31a〜31c及び31g〜31iのための分枝電
極ラインは、印刷パルス駆動回路（不図示）に接続可能
な端子36−Ａ、36−Ｂまで直接的延びている。

上記第２回路部分は、入力端子36−Ａ、36−Ｂを副回
路31c〜31d及び31j〜31lの各ラインに接続している６つ
の接続電極部分37と、副回路ラインの反対の端部にそれ
ぞれ接続されて副回路選択グループＩ（31a〜31c及び31
g〜31i）及び副回路選択グループII（31d〜31f及び31j
〜31l）を形成している２グループの選択電極38、39と
を備える。選択電極38はグループＩ選択端子40まで延び
ており、選択電極39はグループII選択端子41まで延びて
いる。上記点彩された第２回路上の斜線部分は、電極が
上記誘電性不動態層を通って、第１回路部分の分枝に接
触するように延びている領域を示している。さもなけれ
ば此等二つの回路部分はこの誘電性不動態層によって相
互に電気的に絶縁されることになる。

第３図は、第２図で破線ブロック50内に囲まれた部分
の実際的な回路構造の断面を示している。ここにおい
て、基板51は、抵抗性金属層32（例えば、TaAl又はHf
B₂）が形成された熱制御上面（不図示）を有するガラス
製又は光沢性シリコン製のチップで構成され得る。電極
リード線35a、35bは、インク加熱領域Ｈの上方を除い
て、この抵抗性金属層の上に形成されているので、電流
はその加熱領域の下方において該抵抗性層を介して一方
の電極から他方の電極へ流れることになる。

例えばSiO₂から成る第１不動態層52は、領域53、54を
除いて、電極及びヒータ要素上に形成されている。領域
53においては、電極37の接続部分がアドレス電極35aに
接触した状態で誘電性不動態層52の表面上方に延びて分
枝回路31c（第３図には示さず）に接続している。領域5
4においては、ダイオード層（例えばシリコン及び金か
ら成る）が先ず形成され、それからグループ選択電極38
の接続部分が層52の上方で端子40（第３図には示さず）
まで延びるように形成されている。また、第２不動態層
60（例えば、ポリアミド）が、加熱領域Ｈを除いて、領
域53、54とこのチップのその他の上面の上方とに形成さ
れている。

第4A図から第4G図は、第３図に示す回路構造の製造工
程を示している。第4A図に示すように、抵抗性金属層32
を先ず基板51の表面上の、最終的には熱移動領域となる
部分を含む各領域に蒸着形成する。次に第4B図に示すよ
うに、金属電極35a及び35bに上記加熱領域の直下におけ
る抵抗性金属層32の部分を通る電流路を画成する端部を
形成する。そして、ダイオード材料54の単一層又は複数
層を第4C図のように電極35b上に蒸着形成し、誘電性不
動態層52（例えば、SiO₂又はZr）を第4D図に示すように
その表面上に蒸着形成する。

第4E図を参照すると、不動態層52はパターニングされ
て電極35a及びダイオード54の部分が現れるようにす
る。この段階において、Zrが不動態層52の材料として用
いられた場合、Zrは酸化してZrO₂を形成する。そして、
電極37、38を含む第２回路部分が蒸着形成され、第4F図
の形状にパターニングされ、そして最終的には、第２不
動態層60を蒸着形成し、パターニングして第4E図に示す
微細構成を有するチップを得る。尚、第２不動態層60は
ポリアミド又は同等物質でよく、これはそれが熱移動路
の上に形成されることがないためであり、そこでは層52
が抵抗性ヒータ要素のための保護カバーをなしている。

第２図及び第３図を再度参照して、作動に際しては、
端子40及び41にはイネーブルパルスが続けて印加され
る。電極38がイネーブルされていると、分枝回路31a〜3
1c及び31g〜31iのダイオードは順方向バイアスされてお
り、駆動パルスが情報信号に従って端子36−Ａ、36−Ｂ
に印加された時、此等回路の電極35は回路抵抗ヒータ要
素に電流を誘導し、その上に存在するインクを加熱し
て、オリフィスプレート18のそれらインクに対応するオ
リフィスを介してインク液滴を噴出させることになる。

イネーブルパルスが端子41に作用すると、電極39は分
枝回路31d〜31f及び31j〜31lのダイオードを順方向バイ
アスし、端子36−Ａ及び36−Ｂに印加された駆動パルス
が（接続電極37を介して）対応する分枝回路のそれぞれ
に伝達されて、駆動回路をゲートする情報信号に一致し
て上述と同様に液滴噴出を実行することになる。

このように、本発明に従う回路構造の上記実施例は、
液滴噴出用チップの両側にパターニング加工を施すこと
なく、多重作動をなすと云う長所を有している。更に、
本発明の回路構造は熱発生領域から回路上のダイオード
要素を削除している。上述したように、こうしたことは
上記バブルジェット印刷装置等の高いデューティ・サイ
クルで繰り返し作動される薄膜回路素子を用いた装置に
おいて特に重要である。

産業上の応用性本発明は、高密度印刷を達成する信頼性ある多重作動
用の簡素化されたインクジェット印刷ヘッド構造を提供
することによって、産業上の効果を奏功する。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のオリフィスと、各オリフィスごとに
設けた液滴噴出ヒータ要素を有する薄膜型液滴噴出装置
と、前記ヒータ要素にインクを供給するマニホルド手段
とからなるドロップ・オン・ディマンド型インクジェッ
トプリンタにおいて、前記液滴噴出装置が、（ａ）支持基板と、（ｂ）前記基坂上に互いに離間して形成されていると共
に、第１回路分枝電極ラインを介して端子領域に直列に
接続される抵抗ヒータ要素及びダイオード装置をそれぞ
れ含む複数の回路分枝を備える第１回路部分と、（ｃ）前記第１回路部分の分枝回路の端子領域を除く、
前記第１回路部分上に設けた誘電性不動態層と、（ｄ）前記不動態層上に設けられ、複数の多重電極ライ
ンと、前記不動態層を貫通して前記第１回路部分の端子
領域に接触する接続部分とを含む第２回路部分と、（ｅ）前記抵抗ヒータ要素上を延在することなく前記第
２回路部分上に設けた第２不動態層とを備えて成ること
を特徴とするインクジェットプリンタ。
【請求項２】前記第１回路部分は前記回路分枝を少なく
とも二つ含んでおり、前記第２回路部分が、（ｉ）前記回路分枝の印刷パルス入力側を共通の駆動回
路端子に接続する電極ラインと、（ii）前記回路分枝のダイオード出力を別個のイネーブ
ル端子にそれぞれ接続する別個の電極ラインとを含むこ
とを特徴とする請求項１記載のインクジェットプリン
タ。