JPH03506002A - 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

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はサーマル・ドｏ、プ・オン・デマンド（ｔ、ｈｅｒｍａｉ、　ｄｒｏｐ −ｏｎ−ｄｅｃａｎｄ）型のインフジエラ）・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へノドの有用な寿命を増加する改善されたヒ・−タ及 び電極構造にに関する。

背景技術 一般にバブルジェッ］・印刷／＼ソドにおいては、電気抵抗性の複数のヒータ要 素が支持基村上に堆積され、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ピータ要素を廼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。印刷インクはピーク要素と印刷ヘ ッドのオリフィスとの間に供給され、またヒータ要素１！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。

このインクンエツ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１＝−夕要素の長い動作寿命を可能とするばｊ副ヘツドを 提供するには依然として大きな問題が存在する５、基本的に、こねは液滴エジェ 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執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５、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一層の割ｔ＋により生ず ることを見いだした。

本発明の重要な目的はバブル７し二ン）・印刷ヘッド用の抵抗性の加熱素子及び これど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−・１． ノドの液滴射出動作の間の励起′ＩＩｉ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６、本発明は急激な熱勾配に伴うレー タ／電極構造（およびこれらの保護カバー・）のりつツ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 る印刷ヘッドのシ′８１′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と１．電気伝導性 の材料で形成されるど共にそれぞれのヒータ素子の対向する縁部領爛と電気的に 接触する複数の対のアトｌ／ス及び基準電極とを拘する形式のバブル、・ニット ！３ｉ鞭：ヘッド用の改善されたヒータ素子電極構造を提供し、この構造は液滴 射出状態（、才、。

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で、ヒ・−夕素子は最初１′：増加 り、り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ノアに 減Ｊ）する抵抗を有し、上記電極は上ε已ヒータ素子の上記対向する縁部領域に 接続さＡ′１ろ５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ｌ＼ワット断 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 度プロフィルのブロン）・と共に示す、拡大概略スであり、 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ブロワ）・を示してお り、 第６図は、本発明による池のヒータ／ｉｉ極の実施例を概略的に示す斜視ズであ 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エツ）・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 ース基村上には８１０２等の熱制御層１２および溝付きの頂部プ１ノート１３が 被覆されており、該溝付きの頂部ブ１ノ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を国威する。

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 設置Ｊ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）・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ＺｒＢ、により形成 された分離された抵抗性ヒータ部分２１と、例えばアツベ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を各アト１ノス電極 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Ｉ＝−夕要素 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鴻たすことを意図された、例えばＳｉｎ、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 ヘッドはダッンユ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（プる主要な相違点は、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コ９”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’　、２３°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１つ”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が共通及びアト １／ス電極２３．２４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 バッド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 インクジエツ）・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バ 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、少なくどもバ・ンド部分２８．２９．ｋにあること は望まし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 か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、気相性を形成す 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、ｌ＝−夕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一層 （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。保護カバ一層 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、バブルジエ 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、小さなかっ略 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 の伝導性を何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−・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、上記側面の生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わば側 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は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Ｒ，ｅを有しており、これら端部領域は必然的に電極５ ３．５４がら泡形成領域Ｒｃの縁部境界への案内延長部として作用する。領域Ｒ Ｃは関連する液滴オリフィス（図示せず）と相対的に寸法法めされかつ位置され ており１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、それ故にプロワｌ−Ｇ’　の 勾配を緩やかにする。

また、ＷｎからＷｗに向かって断面が徐々に増加する案内延長部分く領域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へ向か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か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６３．６４に向がって）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 Ｆ＜ｃがら電極に向かって長（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６ ６と減少した幅のリード部分６７とを設けることによりて達成される。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的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８３．８４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１す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・＼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は誘電パッシベーション 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１０゛７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１０ ９の熱制御層１０８上に形成された抵抗性のヒータ層は、層１０．１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。

ｐｉｅ、　ｓ　　　　　　　　　←Ｘ−Ｆ／θ。７　　　　　　　　Ｆｌｏ、　 ８、−＝＝、−、＝−、ｐｃτ／ＩＪｓ　９０１０２５５３国際調査＠告 Ｐこｒ　／’Ｊ、）ζｏｃ：１．”３ ＳＡ　３６１ｉ８２

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 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かって徐々に減少し、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. 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. 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. ４．電気抵抗性の材料で形成された分離したインクヒータ素子と、電気伝導性の 材料で形成される複数の対の電極と、それぞれのヒータ素子の電気的に接触する 対向する縁部領域とを有する形式のバブルジェット印刷ヘッドにおいて、改善さ れたヒータ素子及び電極構造を備え、前記ヒータ素子および前記電極が、液滴射 出状態において、泡生成ゾーンの長さに沿って緩やかな温度勾配を有するように 構成されることを特徴とする印刷ヘッド。
5. ５．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ヘ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。
6. ６．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５の発明。
7. ７．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−層高い温度を維持する請求項５の発明。