JP3103619B2 - サーマルインクジェットプリントとサーマルインクジェットプリントにおける加熱要素上のバブル破裂位置を制御する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】〔発明の背景〕〔１．発明の分野〕本発明
はサーマルインクジェット印刷装置に関し、更に詳細に
は、加熱要素上のバブル破裂位置を制御して、キャビテ
ーション力が加熱要素と電極の境界部に直接に衝撃を与
えないようにするチャネル構造をもつサーマルインクジ
ェットプリントヘッドに関する。

【０００２】〔２．先行技術の説明〕サーマルインクジ
ェット印刷には連続流タイプかまたはインクジェット印
刷のドロップ・オン・デマンドタイプとがあるが、最も
一般的に使用されているのはドロップ・オン・デマンド
タイプである。ドロップ・オン・デマンドタイプの装置
として、小滴を発射させるためにインクが満たされたチ
ャネル内に蒸気バブルを発生させるのに熱エネルギーが
使用される。熱エネルギー発生器すなわち加熱要素、通
常は抵抗器は、ノズル近傍のチャネル内の、特にそこか
ら上流の予め定められた距離に設置される。抵抗器は、
瞬間的にインクを蒸気化させてインク小滴を発射させる
バブルを形成するために、電気的パルスによってそれぞ
れ番地付けされる。バブルが成長するにつれて、インク
はノズルから膨らみ、インクの表面張力により凸面のよ
うに閉じ込められる。バブルが破裂し始めると、ノズル
とバブルの間のチャネル内に静止しているインクは破裂
しようとしているバブルに向かって動き始め、ノズルに
おけるインクの体積収縮を引き起こし、そして膨張して
いるインクを小滴として分離させることになる。ノズル
からのインクの加速は、バブルが成長している間、小滴
に、用紙のような記録媒体に向かう実質的に直線の運動
量および速度を与える。

【０００３】小滴の発射動作の間の加熱要素の環境は、
高温、周波数に関係する熱応力、大きな電界、およびあ
る大きさのキャビテーション応力である。破裂する蒸気
バブルによって発生する、加熱要素上の不動態化層にお
ける機械的応力は、応力破壊、および、イオン化したイ
ンクと関連して、不動態化材料の浸食／侵食攻撃をもた
らすのに十分なほどシビアである。損傷が増加し、不動
態化層および加熱要素の材料が剥離すると、ホットスポ
ットが形成され、ヒータが故障する。

【０００４】さらに調査すると、全ての加熱要素の損傷
の大きさはインクを蒸気化させる抵抗においてではな
く、むしろ抵抗器と抵抗器をその駆動回路に接続する番
地付け電極との間の接合部ないし境界部において発生す
る。

【０００５】インクジェット工業においては、加熱要素
が故障する前に耐えることができるインクジェットプリ
ントヘッドの動作寿命は、使用サイクルと、発生し破裂
するバブルの数に直接に関係することが認識されてい
る。各種のプリントヘッド設計のアプローチや加熱要素
の構造は、加熱要素をキャビテーション応力の傷つき易
さから緩和するための以下の特許において開示されてい
るが、いずれも、チャネル構造によって電極の近傍にお
ける破壊から防止する加熱要素上のバブル破壊の位置を
制御するものではない。

【０００６】米国特許第４，６３８，３３７号は、加熱
要素基体とチャネルウエハとの間に中間厚膜層を備える
ことにより、米国再発行特許第３２，５７２号を改良し
た。厚膜層は加熱要素を露出するためにエッチングさ
れ、それにより、それらを、小滴発射バブルの横方向の
移動を防止し、またプリントヘッドの故障を引き起こす
蒸気爆発および空気の抱き込みを防止する壁を持つピッ
ト内に位置づけする。米国特許第４，７７４，５３０号
は、インク溜とチャネルとの間の厚膜層内のインク流の
通路のエッチングを追加することにより、プリントヘッ
ドの製造を簡素化した。インクチャネルの流れの断面積
は、プリント動作の間にインクで急速に再充填されてプ
リント速度が遅くなることを防いでいる。米国特許第
４，８３５，５５３号は、チャネルとインク溜との間の
インク通路と加熱要素の窪みあるいはピットとを接続お
よび結合するために厚膜のエッチングされた窪みを拡大
することによって、厚膜層内により大きなエッチングさ
れた窪みを作ることによってその問題を是正している。
このようにして、サーマルインクジェットプリントヘッ
ドの２つの基本タイプは、米国特許第４，６３８，３３
７号および図２Ａおよび２Ｂに図示されている第４，７
７４，５３０号の分離構造ないし全ピット構造と、図３
Ａおよび３Ｂに図示されている米国特許第４，８３５，
５５３号の開放ピット構造である。これらの先行技術の
説明は後でもう少し詳細に議論する。

【０００７】米国特許第４，９３５，７５２号において
は、電極境界部にダメージを与えるバブルの破裂の問題
を多数の加熱要素の損傷が起こることが理由であるとし
て認識しており、この問題を、バブル発生領域が上流の
電極境界部から常に離れるよう加熱要素を設計すること
によって解決している。

【０００８】先行技術のプリントヘッドは基本的に３つ
のタイプの構造：図２Ａおよび２Ｂに表されている全ピ
ット構造；図３Ａおよび３Ｂに表されている開放ピット
構造；およびホーキンス (Hawkins)の米国再公表特許３
２，５７２号および米国特許第４，９３５，７５２に開
示された無ピット構造；に分けられる。実験データによ
れば、無ピットおよび全ピットの形態のバブル破裂は加
熱要素の上流端の付近であり、番地付け電極境界部での
損傷のために加熱要素の故障が起こることが示されてい
る。キャビテーション的な応力または損傷による高速流
体打撃はこの損傷の原因として現れ、数字モデル化の研
究がこの振る舞いに確証を与えている。数字モデル化の
研究は、開放ピット構造でのバブル破裂が、共通リード
接続部にキャビテーション損傷をこうむらせる、加熱要
素の前方すなわち下流端の近傍で起こることを示してお
り、実験データはこのことを確証している。

【０００９】〔発明の概要〕本発明の目的は、加熱要素
の対向する側面上のチャネル部分の流動抵抗の相対的な
大きさを平衡させることにより、バブル破裂の位置を制
御するチャネル構造を持つサーマルインクジェットプリ
ントヘッドを提供することにある。

【００１０】本発明の他の目的は、ピット内に加熱要素
を含むチャネル部と、上流すなわち後方チャネル部と下
流チャネル部とをもつチャネル構造を有するサーマルイ
ンクジェットプリントヘッドを提供することにある。上
流チャネル部は２つのセクションを持っており、その一
つは加熱要素のピットの部分を形成する比較的短いセク
ションであり、他方はインク溜と加熱要素の間のチャネ
ルの残りの分であり、後者は、加熱要素の対向する側部
におけるチャネルの各セクション間の流動抵抗を平衡さ
せる、より大きな流通断面積を持っている。

【００１１】本発明においては、サーマルインクジェッ
トプリントヘッドは、印刷モードの間、そこに接続され
る電極によってその中に含まれる加熱要素に選択的に与
えられる電気信号に応じて、記録媒体にオン・デマンド
でインク小滴を発射し推進させるためのものとして開示
されている。電気信号は加熱要素を付勢し、そして加熱
要素上の蒸気化されたインクの瞬間的なバブルの形成お
よび破裂を引き起こす。プリントヘッドは、長く延びた
チャネルの平行なアレイを通ってノズルのアレイを流通
させるインク溜を持つ構造を有する。各チャネルは、そ
の対応したノズルから上流に予め定められた距離で位置
付けられた加熱要素をその中に持っている。印刷モード
の間のインク動作に関して、加熱要素上のバブルの破裂
位置を制御するために、加熱要素の上流と下流のチャネ
ル部の間に、実質的に等しいインク流動抵抗が与えられ
る。バブル破裂の位置を制御することによって、バブル
破裂位置は加熱要素に対する電極の境界接続部から遠ざ
けられ、したがって、傷つきやすい電極境界接続部を、
バブル破裂の結果生じるキャビテーション損傷から防
ぐ。

【００１２】本発明のより完全な理解は、そこでは同様
の部分は同じ指示数字で示されている添付図面を参照し
ながら、以下の詳細な説明を考慮することにより得られ
るものと考える。

【００１３】〔図面の簡単な説明〕図１は、典型的なサ
ーマルインクジェットプリントヘッドの一部切欠斜視図
である。

【００１４】図２Ａおよび図２Ｂは、先行技術の構造を
持つインクチャネルの断面を示す、図１のＡ−Ａ線に沿
うプリントヘッドの部分図である。

【００１５】図３Ａおよび図３Ｂは、先行技術の他の構
造を持つインクチャネルの断面を示す、図１のＡ−Ａ線
に沿うプリントヘッドの部分図である。

【００１６】図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の構造を持
つインクチャネルの断面を示す、図１のＡ−Ａ線に沿う
プリントヘッドの部分図である。

【００１７】図５は、本発明のインクチャネルの平面図
を示す、図４ＢのＢ−Ｂ線に沿うプリントヘッドの部分
図である。

【００１８】図６は、図５と同様な、本発明の他の実施
例を示す平面図である。

【００１９】図７は、図５と同様な、本発明の他の実施
例を示す平面図である。

【００２０】〔好適な実施態様の説明〕図１には、チャ
ネル基板３１の前面２９に小滴発射ノズル２７のアレイ
を示している、先行技術のヘッドの拡大斜視図が描かれ
ている。インク小滴１２は、ノズルから図示しない記録
媒体に向かって、破線で示す軌道１３をたどる。２つの
先行例を示している図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である
図２および図３を共に参照すると、下方の電気絶縁基体
すなわち加熱要素基板２８は加熱要素３４と表面３０上
にパターン付けされた番地付け電極３３を有しており、
一方、上方の基体すなわちチャネル基板３１はチャネル
基板の前面２９を貫通して一方向に延びる平行溝２０を
有している。溝の他端は傾斜壁２１で終わっている。内
部窪み２４は、毛細管を満足するインクチャネル２０の
ためのインク供給マニホールドすなわちインク溜として
用いられる。このインク溜はインク充填孔としての用途
のために、開放底２５を有している。溝を持つチャネル
基板の表面は、複数の加熱要素３４の一つのそれぞれ
が、前記溝および下方の基体すなわち加熱要素基板によ
って形成された各チャネルに位置づけられるように、加
熱要素基板２８と位置合わせされかつ接着されている。
インクは、充填孔を通って、窪み２４および加熱要素２
８によって形成されたマニホールドすなわちインク溜に
入り、そして、図２および図３に示されているように、
厚膜層１８内に形成された共通窪み３８を通って流れる
ことにより、毛細管作用によってチャネル２０を満た
す。各ノズルにおけるインクは軽い負圧で凹面を形成
し、そこからのインクの垂れ落ちを防止する。プリント
ヘッドは、制御回路（図示せず）に加熱要素を接続する
ために用いられる電極を含む、セラミック被覆された金
属基体１９の上に設置される。

【００２１】チャネル基板２８上の番地付け電極３３は
端子３２で終わっている。チャネル基板３１は、電極端
子３２が露出し、そして基体１９上の電極（図示せず）
を経由して制御回路（図示せず）に接続されるために用
いることができるように、下方基板２８のそれよりも小
さい。層１８は厚膜不動態層であり、上方および下方基
体の間にサンドイッチされている。図２を参照すると、
この層は、加熱要素のそれぞれを露出させる孔を形成す
る複数の窪み３７とともに共通窪み３８を形成するよう
なパターンをとっている。米国特許第４，７７４，５３
０号を参照されたい。図３において、厚膜層は、共通窪
み３８と、この共通窪みと一端が通じるように延びる複
数の延びた平行な窪みないし樋２６とを形成するような
パターンをとっている。エッチングされた樋の末端は加
熱要素を持っており、したがって樋の末端の底部におい
てそれらを位置づけしている。米国特許第４，８３５，
５５３号を参照されたい。共通窪み３８は、マニホール
ド２４とチャネル２０との間のインクの流れを可能にす
る。なお、厚膜絶縁層は、電極端子を露出するためにエ
ッチングされる。

【００２２】図１の断面図は一つのチャネルを通るＡ−
Ａ線に沿ってとられ、矢印２３で描かれているようにイ
ンクがマニホールド２４から溝２０の閉じた端部２１を
回ってどのように流れるかを示すために、図２および図
３において代替例として示されている。図２Ａおよび図
３Ａには、後で議論するが、小滴発射バブル４０の成長
が示されており、図２Ｂおよび図３Ｂにはそれぞれ、キ
ャビテーション損傷を生成するバブル４１および４１Ａ
の破裂が示されている。バブル発生用の複数の加熱要素
３４の組とそれらの番地付け電極３３は、片面研磨され
た（１００）シリコンウエハ（図示せず）の研磨面上に
パターン付けされている。多数組のプリントヘッド電極
３３、加熱要素として働く抵抗材料、および共通帰線３
５のパターン付けに先立って、ウエハの研磨面は、およ
そ１〜２マイクロメータの厚みを持つ、たとえば二酸化
シリコンのような下塗り層 (underglaze layer) ３９で
被覆される。抵抗材料は、化学蒸着（ＣＶＤ）あるいは
ホウ素ジルコニウム（ＺｒＢ₂ ）のような周知のいずれ
かの抵抗材料によって付着され得る多結晶シリコンにド
ープすることができる。共通帰線３５および番地付け電
極３３は、典型的には、下塗り層の上および加熱要素の
端部を覆って付着されるアルミニウムリードである。共
通帰線および番地付け電極端子３２は、チャネル基板３
１が加熱要素基板に付着されてプリントヘッドを形成し
た後に、電気回路への電気的接続にクリアランスを持た
せるように、予め定められた位置に位置づけされる。共
通帰線３５および番地付け電極３３は、０．５から３マ
イクロメータの厚み、好ましくは１．５マイクロメータ
の厚みに付着される。これ以上の詳細は、先行技術の項
において議論した特許を参照されたい。

【００２３】本発明の好適な実施態様において、および
先行技術で議論したように、ポリシリコン加熱要素が用
いられ、そして二酸化シリコンの熱酸化層（図示せず）
が高温蒸気の中でポリシリコンから成長する。ポリシリ
コン加熱要素の生成に関してのより詳細は、ホーキンス
(Hawkins) の米国特許第４，５３２，５３０号および第
４，９３５，７５２号を参照されたい。熱酸化層は、導
電性のインクから加熱要素を保護および絶縁するため
に、典型的には０．５〜１．０マイクロメータの厚さに
成長させる。熱酸化層は、番地付け電極および共通帰線
の接合のためにポリシリコン加熱要素の端部において除
去され、それからそれらはパターン付けおよび付着され
る。電極不動態化の前に、タンタル（Ｔａ）層（図示せ
ず）は、プリントヘッド動作の間のインク蒸気バブルの
破裂によって発生するキャビテーション力に対して保護
を加えるため、加熱要素保護層の上におよそ１マイクロ
メータの厚さで任意に付着される。電極不動態化のため
に、２マイクロメータ厚さの燐ドープされたＣＶＤ二酸
化シリコン膜（図示せず）が、加熱要素および番地付け
電極の複数の組を含む全ウエハ表面の上に付着される。
不動態膜は、露出した電極をインクから保護するイオン
バリヤを準備する。効果的なイオンバリヤは、その厚さ
が1000オングストロームから１０マイクロメータの間、
好適には１マイクロメータのときに得られる。加熱要素
すなわちＴａ層および共通帰線と番地付け電極の端部の
不動態層は、電気回路に対する電気的接続のために、エ
ッチングで除去される。この二酸化シリコン膜のエッチ
ングは、湿式あるいは乾式のいずれかのエッチング法で
行うことができる。

【００２４】次に、たとえばリストン（Riston：登録商
標) 、プロビマー (Probimer：登録商標) 、またはポリ
イミドのような厚膜タイプの絶縁層１８は、５〜１００
マイクロメータ、好ましくは１０〜５０マイクロメータ
の厚さを有する本発明の不動態層の上に形成される。こ
の不動態層１８は、図５に示されているように、各加熱
要素を覆う層１８の部分、および孔３７および樋３６を
形成するために加熱要素に近接した厚膜材料の壁４８に
至るインク溜内の位置の間のインクチャネルと位置合わ
せされた長く延びた層１８の部分のエッチングおよび除
去を可能にする写真製版法で(photolithographically)
処理される。図６および図７は、壁48がそれぞれアイラ
ンド５０および５４に置き換えられた他の例を示してい
る。図示しない一つの実施態様においては、インク溜内
の樋の端部が、米国特許第４，８３５，５５３号に開示
され、そして図３に共通窪み３８Ａとして示されている
のに類似した共通窪みに接続される。図２の先行技術の
プリントヘッドは、インクマニホールド２４から各イン
クチャネル２０に至るインク通路となる共通窪み３８を
有するパターン付けされた厚膜層と、各加熱要素を露出
させるための多数の窪みすなわち孔３７を持っている。
図３では、孔３７の代わりに加熱要素から共通窪み３８
Ａへ延びる長い窪み２６が用いられている。なお、厚膜
層１８は各電極端子３２の上では除去される。図３を参
照すると、結合された長い複数の窪み２６およびウエハ
上の加熱要素の各組のための共通窪み３８Ａ（これは結
果的に個々の加熱要素基板２８に分割されるべきもので
ある）は、厚膜層１８のこれらの部分を除去することに
より形成される。このようにして、不動態層単独で、そ
こから延びる複数の平行に長い窪み２６をもつ共通窪み
３８Ａからなる窪み内において電極３３がインクに露出
するのを保護する。チャネル基板３１がそこに連れ添わ
された後に、インク流がマニホールドからチャネルに流
れることができるように、共通窪み３８Ａは予め定めら
れた位置に位置づけされる。各加熱要素に露出された長
い窪み２６の末端および残りの長い窪みは、各インクチ
ャネルにおけるインク流路領域を拡大する。複数の長い
窪み２６と通じる共通窪み３８Ａはインクチャネルをマ
ニホールド２４に開放する。長い窪み２６の末端壁４２
は、パルスを受けた加熱要素によって発生された各バブ
ルの横方向の移動を禁止し、したがってそれに垂直な方
向へのバブルの成長を推進させる。一方、残りの長い窪
みは、インク流の領域を増大させ、プリントヘッド動作
の間、より速い再充填を可能にする。結果として起こる
空気の抱き込みを有する蒸気化されたインクの破裂を放
出するという爆発現象は避けられる。

【００２５】全て参照によってここに含まれることにな
る米国再発行特許第３２，５７２号および米国特許第
４，６３８，３３７号、第４，９３５，７５２号に開示
されているように、図４に示されている本発明のチャネ
ル基板３１は、プリントヘッド１０のための複数の上方
基体すなわちチャネル基板３１を作るために、両面研磨
の、（１００）シリコンウエハ（図示せず）から形成さ
れる。ウエハが化学的に清浄化された後、熱分解によっ
て作られた(pyrolitic)窒化ＣＶＤシリコン層（図示せ
ず）が両面に付着される。通常の写真製版法を用いて、
比較的大きな長方形の窪み２４および長い、平行チャネ
ル窪み２０の組がパターン付けされ、そして異方性的に
(anisotropically)エッチングされる。これらの窪みは
最後には開放底２５をもつインクマニホールドおよびプ
リントヘッドのチャネルとなる。マニホールドおよびチ
ャネル窪みを含んでいるウエハの表面２２は、加熱要素
基板２８を覆っているパターン付けされた厚膜層１８に
接着するために後で粘着物が付けられる元のウエハ面の
部分である。端面２９を作る最終のさいの目カットは、
ノズル２７を作る長い溝２０の一端を開放する。チャネ
ル溝２０の他端は端部２１によって閉じたままである。
しかしながら、ヒータ板に対するチャネル基板の位置合
わせおよび接着は、図４に示されているように、マニホ
ールドからのチャネルへのインクの流れを可能にする、
厚膜絶縁層１８内の樋３６を直接越えてチャネル２０の
端２１を位置づけする。図示していないが、選択的に
は、加熱要素により近いものに対向する樋の端は、図３
に示され、上述したような先行技術に類似した共通窪み
内で終端することができる。

【００２６】米国特許第４，７７４，５３０号および図
２Ａ，図２Ｂの先行技術は、インク溜からノズルにイン
クを供給する比較的長いチャネルを有するインクジェッ
トプリントヘッドを示している。バブルを生成するヒー
タは、ノズル開口から上流のチャネル内の厚膜層の中の
ピット内に位置付けされる。このピットは空気の抱き込
みを防止し、したがってプリントヘッドの故障を避け
る。そのようなプリントヘッドの形態の分析によれば、
それはインチ当たり３００スポット（ＳＰＩ）（センチ
メートル当たり１１８スポット）印刷時に約５Ｈｚの最
大周波数で作動できることが分かった。この作動周波数
は、チャネル再充填時間によって支配される。当業者で
あれば、チャネルはプリントヘッドにおける最大流動抵
抗を示すことが分かる。米国特許第４，８３５，５５３
号および従来技術の図３ＡおよびＢは、チャネル抵抗を
最小化し、少なくとも２０〜３０％ほど増加させた周波
数でプリントヘッドを作動させることができるような構
造を記述している。図２ＡおよびＢの構造のピットは除
去され、その代わり、空気抱き込みを防止するステップ
が提供されているだけである。ヒータからインク溜に至
る通路は、流動断面積を増加させて流動抵抗を減少させ
るために、長い窪み２６によって拡大されている。

【００２７】図２ＡおよびＢは、全ピット構造をもつ先
行技術のチャネルの断面図を示している。この構造は米
国特許第４，６３８，３３７号および第４，７７４，５
３０号に開示されている。それは、加熱要素３４の下流
である前方チャネル長（Ｌ_f ）と、加熱要素の上流の後
方チャネル長（Ｌ_r ）と、そして加熱要素を含むチャネ
ルの部分をカバーするピット長（Ｌ_p ）からなってい
る。バブル成長の間、インク１５はピット３７から押し
出され、それによりインクは前方チャネル部を通って流
れ出し、突出部１２Ａのようにインクをノズル２７から
膨張させ、同時に、インクは矢印１７で示すように後方
チャネル部の端部においてインク溜に向かって流れる。
図２Ｂに示すように、バブル破裂の間、矢印１７Ａで示
すようにインクはチャネルの前方と後方の両方の部分か
ら、および矢印２３で示すようにインク溜からピット３
７内に移動する。しかしながら、Ｌ_r はＬ_f より長くか
つそれらは同じ流動面積を有しているため、後方チャネ
ル部からのインクの流れは前方チャネル部よりも流動抵
抗が高い。その結果、より多くのインクが前方チャネル
部からピット３７内に移動し、この振る舞いは破裂中の
バブル４１をその後方に押す。最終的に、バブルはピッ
トの後方において加熱要素３４と境界を接して結合する
電極３３においてまたはその近傍で破裂し（その境界部
は、前方チャネル部からのインクとともに、キャビテー
ションによる損傷、および破裂しているバブルによって
発生されるキャビテーション力を被らせることが知られ
ている。）、ピット内の加熱要素の後方すなわち上流端
に衝撃を与え、上流電極境界部ないしは接続部に大きな
キャビテーション力を受けさせる。バブルが破裂する
と、小滴１２が発射される。

【００２８】開放ピット構造を持つ先行技術のチャネル
におけるバブル破裂の振る舞いは、トーピー (Torpey)
らの米国特許第４，８３５，５５３号に開示されたチャ
ネル形態の断面図である図３ＡおよびＢに示されてい
る。この構造における後方チャネルすなわち上流部は、
前方チャネル部よりも大きな流動断面積を有している。
インク１５は、図２Ａの全ピット構造において矢印１７
で示されているように、前方および後方の両方のチャネ
ル部を通して押し出される。しかしながら、図３Ａのチ
ャネル構造におけるインク動作はバブル破裂の間は異な
る。この形態において、後方チャネル部、すなわち加熱
要素の上流におけるインクは、前方チャネル部すなわち
加熱要素の下流におけるインクよりも低い流動抵抗を有
している。後方チャネル部からバブル４１Ａに向かうイ
ンク１５の流れは、回り込むべき急峻な角を有しないの
で、流動抵抗ないしインピーダンスはより低い。その結
果、図３Ｂにおいて破裂中のバブル４１Ａはこのインク
流によって加熱要素３４の前方に向かって押しつけられ
る。このバブル破裂およびインクは加熱要素３４に境界
を接して接続されている共通電極３５に衝撃を与え、そ
してキャビテーション力がその境界部に向かい、共通電
極境界部に損傷を与える。加熱要素との電極境界部が構
造的に弱いことは米国特許第４，９３５，７５２号にお
いて認識されている。多くの異なる材料の層がこの電極
境界部を作り上げており、損傷や層剥離をさらに受け易
くなるということを補償するステップが要求される。

【００２９】米国特許第４，９３５，７５２号に開示さ
れているように、成長し破裂しつつあるバブルを加熱要
素との境界部の電極から常に隔てる加熱要素の空間的形
態を提供する代わりに、本発明では、バブル破裂を制御
してそれを加熱要素上に実質的に中央となるように保持
するための修正された上流すなわち後方チャネル構造を
用いる。図２および図３に示されている全ピットおよび
開放ピット構造は、それぞれのチャネルにおいて流動抵
抗の上下の限界を表している。後方チャネルを短くする
か、あるいはチャネル２０の前方すなわち下流の流動断
面積と実質的に等しい流動断面積を小さくするかによっ
て、中間値が得られる。このようにして、Ｌ_r で表され
る部分とインク溜２４との間の上流チャネル部の、より
大きな部分はもっと低い流動インピーダンスを与え、そ
れにより加熱要素のすこし上流の流動断面積が小さくな
った部分を持つチャネルの長さＬ_r は、バブルの成長と
破裂によって発生する力によく耐える長さまたは厚さま
で、そして全体の後方チャネル部の流動インピーダンス
を前方チャネル部の流動インピーダンスと平衡させるの
に充分な長さまで、短縮される。Ｌ_rの長さを調節する
ことによって、バブル破裂は実質的に加熱要素の中央と
いう望ましい位置で起きる。したがって、本発明は、図
２および図３に示されている先行技術のインクチャネル
の断面図と比較を容易にするために同様に描いた図４Ａ
およびＢの断面図に示される。

【００３０】下流すなわち前方チャネル部Ｌ_f は全て約
１００〜１４０μｍ、好ましくは約１２０μｍである。
前後の電極接続部すなわち境界部の間の加熱要素長Ｌ_p
は全て約８０〜１４０μｍ、好ましくは約１１５〜１３
０μｍである。チャネル溝２０の傾斜壁（インク溜２４
に近い）との境界部におけるチャネル基板表面２２から
加熱要素の上流端までの距離は約１００〜２００μｍ、
好ましくは１４０μｍである。本発明においては距離Ｌ
_r は１０〜５０μｍ、好ましくは２０〜３０μｍであ
る。

【００３１】図５は、図４ＢのＢ−Ｂ線に沿って見た図
であり、パターン付けされた厚膜層１８によって変換さ
れた本発明の加熱要素基板２８の一部を示す平面図であ
る。図５において、インク溜２４およびインクチャネル
２０は破線で示されている。厚膜層１８の中にパターン
付けされた樋３６およびピット３７の幅（Ｗ）は、実質
的にチャネル２０と同じ幅で明瞭に示されている。矢印
４５は、ピット３７内の加熱要素３４の上に中央寄せさ
れて、加熱要素の上流および下流の両方の電極境界部か
ら十分に離れている破裂バブル４２に向かうインク流を
示している。

【００３２】本発明の代替例（図示せず）においては、
インク溜２４にまで延びている樋３６の端部は、米国特
許第４，８３５，５５３号のチャネル構造と似た比較的
大きな窪みに共通して接続してもよい。図示しない本発
明の他の実施例においては、樋３６は傾斜壁２１とチャ
ネル基板表面２２の交差部に近いところで終端し、イン
ク溜２４内には延びない。インク溜と、樋を持つチャネ
ルとの間の連通を可能にするために、傾斜壁は、米国再
発行特許第３２，５７２号で教示されているように、さ
いの目カットまたはエッチングにより除去されなければ
ならない。

【００３３】図４および図５の発明は、図３に示された
先行技術の開放ピット構造のものを越える僅かな周波数
応答減衰を持っているが、図２に示される全ピット構造
のものよりもずっと良い。図４および図５に開示されて
いる発明の代替例が図６に示されており、それは図５と
同様に平面図である。図５のピット３７を形成している
厚膜層の固体片４８の代わりに、厚膜層材料のアイラン
ド５０がギャップ５２を有する上流ピット壁として用い
られており、それはバブル４２が破裂するときにピット
３７をインクで再充填させるために、インクがアイラン
ドの上と同様に周囲を流れることを可能にする。前記ギ
ャップは１０〜２０μｍの予め定められた距離「ａ」を
有しており、それはプリントヘッドの周波数応答を増加
するには十分であるが、破裂しているバブルの位置を制
御できなくするほどには大きくない。したがって、樋３
６の幅Ｗはアイランドの幅「ｂ」と両方のギャップ距離
「ａ」を加えたものに等しい。図６の好適な実施態様に
おいては、チャネルおよび樋３６の幅Ｗは約６５μｍに
等しく、そしてギャップ５２は約１０μｍに等しい幅
「ａ」を持つ。

【００３４】本発明の代替例が図７に示されており、そ
れは図６と同様に部分平面図である。唯一の相違点は、
図６の実施例において起き得るインク流のよどみを防止
するために、厚膜層５４のアイランドの上流壁５６にテ
ーパーが付いていることである。テーパーが付いた壁５
６は、インク溜に向かう加熱要素の上流を頂点が指す三
角形を有するように示されているが、他の流線型、たと
えば、頂点に近づくに従ってテーパーが徐々に大きくな
るようなもの（図示せず）も使用することができる。

【００３５】本発明の前述の記載から多くの修正や変形
ができることは明白であり、そのような修正や変形は、
本発明の範囲内のものとして意図される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 典型的なサーマルインクジェットプリントヘ
ッドの一部切欠斜視図である。

【図２】 ＡおよびＢは、先行技術の構造を持つインク
チャネルの断面を示す、図１のＡ−Ａ線に沿うプリント
ヘッドの部分図である。

【図３】 ＡおよびＢは、先行技術の他の構造を持つイ
ンクチャネルの断面を示す、図１のＡ−Ａ線に沿うプリ
ントヘッドの部分図である。

【図４】 ＡおよびＢは、本発明の構造を持つインクチ
ャネルの断面を示す、図１のＡ−Ａ線に沿うプリントヘ
ッドの部分図である。

【図５】 本発明のインクチャネルの平面図を示す、図
４ＢのＢ−Ｂ線に沿うプリントヘッドの部分図である。

【図６】 図５と同様な、本発明の他の実施例を示す平
面図である。

【図７】 図５と同様な、本発明の他の実施例を示す平
面図である。

【符号の説明】

１２ インク小滴、１３ 軌道、１５ インク、１８
厚膜層、１９ 共通基体、２０ チャネル（平行溝）、
２１ 傾斜壁、２４ インク溜（マニホールド）、２５
開放底、２６ 樋、２７ 小滴発射ノズル、２８ 加
熱要素基板、２９前面、３０ 表面、３１ チャネル基
板、３２ 電極端子、３３ 電極、３４加熱要素、３５
共通帰線、３６ 樋、３７ 窪み、３８ 共通窪み、
４０小滴発射バブル、４１，４１Ａバブル、４８ 固体
片、５０ アイランド、５２ギャップ、５４ 厚膜層、
５６ 上流壁

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−138460（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−307957（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−111552（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−92547（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−92546（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/05

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 オン・デマンドでのプリントモード中、
   複数の加熱要素に、複数の電極によって選択的に与えら
   れる電気信号に応じて、記録媒体にインク小滴を発射し
   推進するためのサーマルインクジェットプリントヘッド
   であって、 前記電気信号は前記加熱要素を付勢し、付勢された加熱
   要素上の気化されたインクによる瞬時のバブルの形成お
   よび破裂を引き起こして、各バブルは一個の小滴の発射
   を引き起こすものであり、複数の延長チャネルに平行なアレイを通って複数のノズ
   ルのための単一のアレイに連通する単一のインク溜を持
   つ構造体を有し、 前記複数の加熱要素は、それぞれの前記延長チャネル内
   に、それぞれのノズルの上流側に特定距離離れた位置に
   配置されており、 さらに、 前記加熱要素の上のバブル破裂の位置を制御するため
   に、プリントモード中のインクの動きが実質的に等しく
   なるように、加熱要素の上流側と下流側とのチャネルの
   間にインク流体の流動抵抗を提供する手段を有し、 それにより、前記バブルの破裂は加熱要素に対する電極
   の接続境界部から隔離されて、バブル破裂により生じる
   キャビテーションによる損傷しやすい接続境界部の損傷
   が防止されるサーマルインクジェットプリントヘッド。
2. 【請求項２】 複数の加熱要素を有し、その加熱要素の
   それぞれがインク溜とノズルアレイの間を連通する毛細
   管チャネル内の、ノズルの上流側に所定の距離離れた位
   置に配置されており、前記チャネルの上流端および下流
   端に接続された電極を通して印加された電気的パルスに
   よって付勢された時に、インク蒸気のバブルの形成と破
   裂によってノズルからインク小滴を発射するサーマルイ
   ンクジェットプリントにおける加熱要素上のバブル破裂
   位置を制御する方法であって、 （ａ）各加熱要素の下流端にチャネルの全幅で各チャネ
   ル内で予め定められた高さの第一の壁を形成して、加熱
   要素からノズル側に前記第一の壁の厚さを拡張し、 （ｂ）加熱要素のそれぞれの上流端においてチャネルの
   それぞれの内部で予め定められた高さの第二の壁を形成
   し、加熱要素のチャネルの上流側と下流側部分の間のイ
   ンクの流動抵抗のバランスをとるために、予め定められ
   た厚さでインク溜に向かう方向に第二の壁の厚さを拡張
   し、それによって加熱要素上のバブル破裂が実質的にそ
   の中心に位置づけられ、そして電極の接続部から離隔さ
   れるサーマルインクジェットプリントにおける加熱要素
   上のバブル破裂位置を制御する方法。