JPH0443515B2 - - Google Patents

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JPH0443515B2
JPH0443515B2 JP61256342A JP25634286A JPH0443515B2 JP H0443515 B2 JPH0443515 B2 JP H0443515B2 JP 61256342 A JP61256342 A JP 61256342A JP 25634286 A JP25634286 A JP 25634286A JP H0443515 B2 JPH0443515 B2 JP H0443515B2
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ink
resistor
orifice
substrate
pulse
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JP61256342A
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Japanese (ja)
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Eru Bauto Jon
Eru Kurotaa Furanku
Kei Donarudo Deebitsudo
Dee Meiyaa Jon
Ei Tatsukurindo Kurisutofua
Eichi Tabu Howaado
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Yokogawa Hewlett Packard Ltd
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Publication date
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Publication of JPH0443515B2 publication Critical patent/JPH0443515B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はノンインパクト方式インクジエツト・
プリンタに係り、特にプリントヘツドの構成に関
する。
[Detailed Description of the Invention] The present invention provides a non-impact type inkjet.
The present invention relates to printers, and particularly to the configuration of print heads.

データ処理技術の発達と共に、出力データを恒
久記録する多数の装置が開発されてきている。現
在、ノンインパクト(非機械的衝撃式)方式によ
り印字装置は感熱式、静電式、磁気式、電子写真
式、イオン式、およびインクジエツト式等に分類
できる。これらの中でも特に重要なものはインク
ジエツト式である。何故ならば、この方式はプリ
ント出力を電子的に、簡単且つ直接的に制御でき
るからであり、さらに無接触、高速、そして平坦
な紙への印字に特に適しているからである。
As data processing technology advances, numerous devices have been developed to permanently record output data. Currently, printing devices can be classified into non-impact (non-mechanical impact) types such as thermal type, electrostatic type, magnetic type, electrophotographic type, ionic type, and inkjet type. Among these, the most important one is the inkjet type. This is because the print output can be easily and directly controlled electronically, and is also contactless, high speed, and particularly suitable for printing on flat paper.

そして、インクジエツト方式は次の3つの基本
的な形式に分類できる。連続方式(インクに一
定圧力を加え、定速で連続的にインク液滴を発生
する)、電界制御方式、オンデマンド方式
(インパルスジエツト方式)。本発明はオンデマン
ド方式に係る。
The inkjet method can be classified into the following three basic types. Continuous method (applies constant pressure to ink and generates ink droplets continuously at a constant speed), electric field control method, and on-demand method (impulse jet method). The present invention relates to an on-demand method.

従来、オンデマンド方式においては、狭い断面
のチユーブのオリフイスからインクを噴射するの
に圧電結晶を使用していた。この方式は、例えば
米国特許第3832579号に述べられており、そこで
は、小さな円筒状の圧電トランスジユーサが円筒
状ノズルの外側表面に固着されている。インクは
ノズルの広い端部とインク貯蔵部とを結むイン
ク・ホースによつてそのノズル端部に運ばれる。
トランスジユーサが電気的インパルスを受けると
き、それはノズルの両端に向けてインクを加速す
る圧力波を発生する。インク圧力波がそのノズル
の小さな端部のオリフイスにおける半月板の表面
張力を越えるときに、インク液滴が形成される。
Traditionally, on-demand systems have used piezoelectric crystals to eject ink from an orifice in a narrow cross-section tube. This approach is described, for example, in US Pat. No. 3,832,579, in which a small cylindrical piezoelectric transducer is affixed to the outer surface of a cylindrical nozzle. Ink is conveyed to the nozzle end by an ink hose that connects the wide end of the nozzle to an ink reservoir.
When the transducer receives an electrical impulse, it generates a pressure wave that accelerates the ink toward the ends of the nozzle. An ink droplet is formed when an ink pressure wave overcomes the surface tension of the meniscus at the small end orifice of the nozzle.

この圧電式インクジエツト装置における問題点
は圧電トランスジユーサとインクジエツト・オリ
フイスとの間で寸法上の相対的不一致に関連して
いる。即ち、一般にトランジユーサはそのオリフ
イスよりも実質的に大きいので、各ジエツト部間
の最小分離距離又は所定のプリントヘツド上に装
着しうるジエツト数のいづれかを制限してしま
う。更に、圧電トランスジユーサは製造するのに
比較的高価であり、そして現在の半導体製作技術
の多くに適合していない。
A problem with this piezoelectric inkjet device is related to the relative dimensional mismatch between the piezoelectric transducer and the inkjet orifice. That is, the transistor is generally substantially larger than its orifice, limiting either the minimum separation distance between each jet section or the number of jets that can be mounted on a given printhead. Additionally, piezoelectric transducers are relatively expensive to manufacture and are not compatible with many of the current semiconductor fabrication techniques.

従来の別の型のオンデマンド方式は米国特許第
3174042号に述べられており、この方式は複数個
のインク包含チユーブを利用している。それらチ
ユーブ内の電極はインクに接触しており、トリガ
信号の発生に応答して、電流がインク自体を通し
て流れる。この電流は高いI2R損(ここで、は
電流値、Rはインクの抵抗値である)によつてそ
のインクを加熱し、それらのチユーブ内における
インクの一部分を蒸発させ、そしてインクおよび
インク気体をそれらのチユーブから噴射させる。
Another type of conventional on-demand method is described in U.S. Patent No.
No. 3,174,042, this system utilizes multiple ink-containing tubes. Electrodes within the tubes are in contact with the ink, and current flows through the ink itself in response to the occurrence of a trigger signal. This current heats the ink with high I 2 R losses (where is the current value and R is the resistance value of the ink), vaporizes a portion of the ink in their tubes, and causes the ink and ink to evaporate. Gas is injected from those tubes.

この蒸気型方式の主な欠点は、高導電性インク
は所望の気体化を達成するのに大きな電流を必要
とするので、インク霧を制御するのが困難であ
り、またインクの導電率に制限が生ずることであ
る。従つて、そこで使用されるインクの種類は極
度に制限される。
The main drawbacks of this vapor-type method are that the ink mist is difficult to control since highly conductive inks require large currents to achieve the desired vaporization, and there are also limitations on the conductivity of the ink. This is what happens. Therefore, the types of ink that can be used are extremely limited.

上述した各方式については長年研究されてきた
にもかかわらず、オンデマンド形インクジエツト
技術は解決されなければならない多くの基本的問
題をなおもかかえている。
Despite many years of research into each of the above-mentioned systems, on-demand inkjet technology still suffers from a number of fundamental problems that must be resolved.

本発明はオンデマンド方式インクジエツトプリ
ンタに係り、本発明はインクを吐出するためのオ
リフイスを持つインク包含毛細管と、そのオリフ
イスに接近配置されたインク加熱機構(例えば、
その毛細管に又はそれに隣接して置かれる抵抗
器)とを有するインクジエツト・プリンタを提供
する。
The present invention relates to an on-demand inkjet printer, and the present invention relates to an ink-containing capillary tube having an orifice for ejecting ink, and an ink heating mechanism (for example,
(a resistor placed in or adjacent to the capillary tube).

動作の概略について説明する。インク加熱部が
敏速に加熱され、そこで生成されたエネルギをイ
ンクに伝達し、それによりそのインクの一部分を
気化しそしてその毛細管内にバブルを発生させ
る。そしてこのバブルはインク液滴をそのオリフ
イスから近くに位置する紙面上へと推進させる圧
力波を作り出す。インク加熱部とオリフイスとの
相対的位置関係を適切に選択し且つそのエネルギ
転送を綿密に制御することにより、バブルは、イ
ンク気体がそのオリフイスから逃げる前にそのイ
ンク加熱部上か又はその近くですみやかに消滅す
る。本発明によるプリンタに対しては、他のドツ
ト・マトリクス印字装置を実施するのに使用され
る多くの現在するハードウエアおよびソフトウエ
アを容易に適用できる。
An outline of the operation will be explained. The ink heating section heats rapidly and transfers the energy generated therein to the ink, thereby vaporizing a portion of the ink and generating bubbles within the capillary. This bubble then creates a pressure wave that propels the ink droplet from its orifice onto a nearby paper surface. By properly selecting the relative position of the ink heater and the orifice and by closely controlling the energy transfer, the bubbles can be placed on or near the ink heater before the ink gas escapes from the orifice. It disappears quickly. Much of the current hardware and software used to implement other dot matrix printing devices can be readily adapted to printers according to the present invention.

本発明において、インクは毛細管の端部に位置
されたオリフイスから吐出される。そしてインク
毛細管は本質的に平面を規定し、インクはその平
面に対して直角の方向に、オリフイスから吐出さ
れる。こうした構成の各々は、標準の電子式製造
技術を用いて大量生産しうる点において、従来技
術に比べて利点を持つている。更に、本発明の原
理を用いて作り出されるプリントヘツドの寸法は
事実上無制限であつて、空間を取る圧電性結晶を
必要としないために、非常に大きなアレイおよび
非常に高い分解能が可能である。更に、この技術
では、使用するウインクの導電性には無関係であ
る。
In the present invention, ink is ejected from an orifice located at the end of a capillary tube. The ink capillary then essentially defines a plane, and ink is ejected from the orifice in a direction perpendicular to the plane. Each of these configurations has advantages over the prior art in that they can be manufactured in large quantities using standard electronic manufacturing techniques. Furthermore, the size of printheads created using the principles of the present invention is virtually unlimited, and because space-consuming piezoelectric crystals are not required, very large arrays and very high resolutions are possible. Furthermore, this technique is independent of the conductivity of the wink used.

以下図面を用いて本発明を説明する。 The present invention will be explained below using the drawings.

第1図はある型式によるインクジエツト・プリ
ンタのプリントヘツドの分解斜視図、第2図は組
立後の全体斜視図である。11は基板であり、サ
フアイア、ガラス、又は不活性複合材料(例え
ば、被複金属或は被覆ケイ素)で構成される。基
板11の片面の一部分は薄膜金属化層13でおお
われている。この薄膜金属化層13は、層13内
に抵抗器16を作り出すべく、幅D1(〜約0.1
mm)の狭い非導電性ストリツプ14と、幅D2
(約0.1mm)の導電性ストリツプとを与えるように
構成される。抵抗値としては約3Ωが適当である。
典型的な構成において、抵抗器16は基板11の
縁部から距離D3(公称としては約0.1mmだが、
一般的には約0.05mm<D3<約0.25mmの範囲)だ
け離れた位置に作られる。薄膜金属化層13の上
面に毛細管ブロツク15が結合される。毛細管ブ
ロツク15は一般にガラスから作られ、各端部に
オリフイスを伴なう毛細管チヤネル17を持つ。
チヤネル17の幅は約0.08mm、深さは約0.08mm
で、その幅は金属化層13の非導電性ストリツプ
14の幅に対応する。
FIG. 1 is an exploded perspective view of a printhead of a certain type of inkjet printer, and FIG. 2 is an overall perspective view after assembly. 11 is a substrate made of sapphire, glass, or an inert composite material (eg, composite metal or coated silicon). A portion of one side of the substrate 11 is covered with a thin metallization layer 13 . This thin film metallization layer 13 has a width D1 (~0.1
mm) and a narrow non-conductive strip 14 with a width D2
(approximately 0.1 mm) conductive strip. A suitable resistance value is approximately 3Ω.
In a typical configuration, resistor 16 is placed at a distance D3 from the edge of substrate 11 (nominally approximately 0.1 mm, but
Generally, they are made at positions separated by a range of approximately 0.05 mm < D3 < approximately 0.25 mm. A capillary block 15 is bonded to the top surface of the thin film metallization layer 13. Capillary block 15 is generally made of glass and has a capillary channel 17 with an orifice at each end.
The width of channel 17 is approximately 0.08mm, and the depth is approximately 0.08mm.
, the width of which corresponds to the width of the non-conductive strip 14 of the metallization layer 13.

毛細管ブロツク15の背後でしかも基板11の
上部に、毛細管ブロツク15と平行して、インク
を保持するための貯蔵部19が配置される。チヤ
ネル17は、貯蔵部19の反対側にあるオリフイ
スの近辺へ、毛細管作用によつてインクをその貯
蔵部から引き出す。第2図において見られる如
く、完成された構成において、プリンタは薄膜金
属化層13に取付けられた2つの電極23および
25を持ち、該電極は抵抗器16を横切つて電位
差を与える。第3図は、第1および第2図に示し
たインクジエツト・プリンタの断面図であり、イ
ンク21、毛細管ブロツク15、抵抗器16そし
て印字表面27の相対的位置関係を示している。
動作において、プリンタ・オリフイスと印字表面
27との間の距離D5は約0.8mmである。
Behind the capillary block 15 and above the substrate 11, parallel to the capillary block 15, a reservoir 19 for holding ink is arranged. Channel 17 draws ink from the reservoir 19 by capillary action into the vicinity of an orifice on the opposite side of the reservoir. In the completed configuration, as seen in FIG. 2, the printer has two electrodes 23 and 25 attached to the thin film metallization layer 13, which provide a potential difference across the resistor 16. FIG. 3 is a cross-sectional view of the inkjet printer shown in FIGS. 1 and 2, showing the relative positions of ink 21, capillary block 15, resistor 16, and printing surface 27. FIG.
In operation, the distance D5 between the printer orifice and the printing surface 27 is approximately 0.8 mm.

第4図はプリント動作の1サイクル中における
インク液滴の発生過程を示した一部断面図であ
る。電圧が電極23および25に印加されると、
抵抗器16を通る電流がジユール熱を発生させ
て、インクを加熱する。そして第4a図に示され
ているように抵抗器16上にバブル12を作り出
す。バブルは、第4b図に示される如く、オリフ
イスの方向に急速に膨張し続ける。しかしその膨
張はインクに伝達されるエネルギによつて制限さ
れる。この全エネルギを注意深く制御し、そして
抵抗器16に供給されるエネルギの時間配分を制
御することにより、種々の大きさのバルブを形成
できる。しかしながら、インクによつて吸収され
る全エネルギが、気体をオリフイスから追い出す
程大きくならないように制御することが必要であ
る。バブルは第4c図に示されている如く抵抗器
16に向い且つその上で収縮し始め、他方、バブ
ルの膨張によりインクに与えられた前向きの運動
量はオリフイスからインク小滴を吐出させる(し
かしながら、使用されるインク、オリフイスの幾
何学的構造および印加電圧に依存して1つ又はそ
れ以上の後続するインク液滴が生ずることを注目
すべきである。)液滴がオリフイスを離れた後、
バルブは第4d図に示されている如く、その発生
位置又はその近くまで収縮し消滅する。インクは
毛細管作用により再充填し始め(第4e図)、一
方インク液滴は印字面上にのる。第4f図は、次
のサイクルの用意として、もとの位置までインク
が満たされたチヤネルを示している。印字は適当
なシーケンスで抵抗器16に電圧を連続的に印加
することにより達成される。オリフイスと印字面
とは所望の印字パターンを作り出すために相対的
に移動される。
FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing the process of ink droplet generation during one cycle of printing operation. When a voltage is applied to electrodes 23 and 25,
The current passing through resistor 16 generates Joule heat, heating the ink. A bubble 12 is then created on the resistor 16 as shown in Figure 4a. The bubble continues to rapidly expand in the direction of the orifice, as shown in Figure 4b. However, its expansion is limited by the energy transferred to the ink. By carefully controlling this total energy and controlling the time distribution of energy delivered to resistor 16, valves of various sizes can be created. However, it is necessary to control the total energy absorbed by the ink so that it is not so great as to displace gas from the orifice. The bubble begins to deflate towards and above the resistor 16 as shown in Figure 4c, while the forward momentum imparted to the ink by the expansion of the bubble causes an ink droplet to be ejected from the orifice (however, It should be noted that depending on the ink used, the orifice geometry and the applied voltage, one or more subsequent ink droplets will result.) After the droplet leaves the orifice,
The bulb retracts to or near its point of origin and disappears, as shown in Figure 4d. The ink begins to refill by capillary action (Figure 4e), while the ink droplets rest on the printing surface. Figure 4f shows the channel filled with ink to its original position in preparation for the next cycle. Printing is accomplished by continuously applying voltage to resistor 16 in the appropriate sequence. The orifice and print surface are moved relative to each other to create the desired print pattern.

なお、基板寸法、毛細管ブロツク寸法および毛
細管チヤネル寸法等の寸法は、所望の質量、構造
材料および技術、液滴寸法、毛細管充填速度、イ
ンク粘性および表面張力等に依存して広範囲に変
えられることは明らかである。又、従来装置と対
比して、インクの導電率を高いI2R熱損失に釣り
合せたり、インクを導電性とする必要は全くな
い。
It should be noted that dimensions such as substrate dimensions, capillary block dimensions, and capillary channel dimensions may vary widely depending on desired mass, materials of construction and technology, droplet size, capillary filling rate, ink viscosity and surface tension, etc. it is obvious. Also, in contrast to conventional devices, there is no need to balance the conductivity of the ink with high I 2 R heat losses or to make the ink electrically conductive.

上述した構成の特長は、インク液滴をオリフイ
スから吐出するのに必要とするインパルスが、圧
電性結晶又は他の素子によつて与えられる圧力波
によるのではなく、バブルの膨張によつて作り出
されることである。抵抗器16からインクへのエ
ネルギ転送を注意深く制御することにより、イン
ク気体がインク液滴と共にオリフイスから逃げな
いようにすることができる。バブルはインク気体
の飛び散りを防止するように、それ自身で消滅す
る。更に、エネルギ転送の時間的シーケンスに綿
密に制御することを極めて重要である。
A feature of the configuration described above is that the impulse required to eject an ink droplet from an orifice is created by the expansion of a bubble rather than by a pressure wave applied by a piezoelectric crystal or other element. That's true. By carefully controlling the energy transfer from resistor 16 to the ink, ink gas can be prevented from escaping from the orifice along with the ink droplets. The bubble disappears on its own to prevent ink gas from scattering. Furthermore, it is extremely important to have close control over the temporal sequence of energy transfer.

抵抗器16を通しての約5μsecの期間を持つ約
1Aの単一の方形波電流パルスは如上の結果を達
成するけれども、かかる直接的方法は一般に各種
のジエツト構成には適用できない。更、一層大き
なバブルを作り出したい場合(例えば、より大き
なオリフイスを用いたい場合)や、より速い液滴
の吐出速度を得たい場合には、問題が生ずる。も
しも一層大きなエネルギをインクに与えるために
パルスを長くすると、バブル形成についての統計
学的性質は実質的な時間ジツタを生じさせる。即
ち、パルス印加時点からバブル完成時点までの時
間につき、各印加パルス毎にバラツキを生じる
(または印加パルス幅に対するパルス印加時点か
らバブル発生時点までの時間の比が相対的に大と
なる)。他方、時間ジツタの問題を改善するため
にパルスの高さを増大すると、必要とされる実質
的に高い電流密度により抵抗器の早期焼損をもた
らすことになる。
through resistor 16 with a period of approximately 5 μsec.
Although a single square wave current pulse of 1 A achieves the above results, such direct methods are generally not applicable to various jet configurations. Furthermore, problems arise when it is desired to create larger bubbles (eg, use a larger orifice) or to obtain faster droplet ejection rates. If the pulses are lengthened to impart more energy to the ink, the statistical nature of bubble formation results in substantial time jitter. That is, the time from the time of pulse application to the time of bubble completion varies for each applied pulse (or the ratio of the time from the time of pulse application to the time of bubble generation to the width of the applied pulse becomes relatively large). On the other hand, increasing the pulse height to improve the time jitter problem will result in premature burnout of the resistor due to the substantially higher current density required.

上述した各問題は第5図に示されている方法に
よつて実質的に解決される。第5,6図はバブル
形成に使用するパルスの波形図である。ここにお
いて、直流バイアスレベルは必要とされないが、
先行パルスIPは、バブルの核形成を回避させる
のに十分な低い割合で、抵抗器16付近のインク
を予熱するのに使用される。即ち、抵抗器16の
温度はインクの沸点より低く保たれる。先行パル
スIPに続いて核形成パルスINが与えられる。こ
の核形成パルスINは、インクの加熱限度近くま
で、すなわちバブルがインク内で自然に核形成す
る点にまで抵抗器16を急速に加熱する。しかる
べくして形成されたバブル核心は非常に急速に成
長し、その熟成寸法は先行パルスIPによつて加
熱されたインクの体積によつて決められている。
このバブルの成長過程中において、抵抗器16に
印加される電圧は一般に零まで減衰される。なぜ
ならばこの期間中におけるインクへの熱転送はあ
まり能率的でなくしかもその電流を保つことは抵
抗器16を加熱し過ぎることになるからである。
Each of the above-mentioned problems is substantially solved by the method shown in FIG. 5 and 6 are waveform diagrams of pulses used for bubble formation. Here, no DC bias level is required, but
The pre-pulse IP is used to preheat the ink near resistor 16 at a rate low enough to avoid bubble nucleation. That is, the temperature of resistor 16 is kept below the boiling point of the ink. The leading pulse IP is followed by a nucleation pulse IN. This nucleation pulse IN rapidly heats the resistor 16 close to the heating limit of the ink, ie, to the point where bubbles spontaneously nucleate within the ink. The bubble core thus formed grows very rapidly and its maturing size is determined by the volume of ink heated by the preceding pulse IP.
During this bubble growth process, the voltage applied to resistor 16 is generally attenuated to zero. This is because heat transfer to the ink during this period is not very efficient and maintaining the current would cause resistor 16 to overheat.

典型的な例として、抵抗器16は約3Ωであり、
先行パルスIPは0.3A程度の大きさと、約40μsec
の幅TPとを持ち、そして核形成パルスINは1A
程度の大きさと、約5μsec幅TNと持つている。
しかしながら、こうしたパラメータはかなり広範
囲に変わるので、実際の動作において遭遇される
典型的な範囲、すなわち、0<R<100Ω;10<
TP<100μsec、0<IP<3A、0<TN<10μsec、
0.01<IN<5Aに対して検討することが適当であ
る。
Typically, resistor 16 is approximately 3Ω;
The preceding pulse IP is about 0.3A and about 40μsec
, and the nucleation pulse IN is 1A
It has a width of about 5μsec and a width of TN.
However, these parameters vary over a fairly wide range, so that the typical ranges encountered in practical operation, i.e. 0<R<100Ω;10<
TP<100μsec,0<IP<3A,0<TN<10μsec,
It is appropriate to consider 0.01<IN<5A.

バブル形成の制御に対しては、例えば、パルス
空間変調又はパルス高変調などの多くの他の方法
も同様に利用できる。第6図には更に別な方法が
示されている。この方法において、先行パルスの
大きさは、約0.5Aの初期値から約0.2Aの値(核
形成パルスが開始する直前の値)へと減少する。
先行パルス形状は時間の関数として1/√tで減
衰する。これにより、核形成前において、抵抗器
の温度をほぼ一定の温度に維持することができ、
抵抗器の近傍のインクがインクの沸点よりも低い
温度に加熱される。そしてこの状態で核形成のた
めの幅の狭い核形成パルスが印加されることにな
る。抵抗器の温度をほぼ一定の所望温度に維持し
た後に核形成パルスを印加するから核形成パルス
のエネルギ量等その制御が容易となり、また必要
とされる核形成パルスの幅を減少させることがで
きる。そして核形成パルスのパルス幅が狭くなる
から前述した時間ジツタの問題点も少なくするこ
とができ、核形成の再現性を高める。なお、抵抗
器に方形波パルスを与えて予熱する従来装置があ
るが、方形波パルスであるため該パルス印加後、
抵抗器の温度は徐々に上昇し続け、核形成前の抵
抗器温度はほぼ一定の所望温度にすることはでき
ない。したがつて、核形成パルスのエネルギ量等
を前以つて一定にされた温度に応じて制御するこ
とはできない。上述した方法では、定常的直流バ
イアス電流の必要性なしにインクを予熱し、且つ
該形成前において抵抗器の温度をほぼ一定の所望
温度に維持し、もつて核形成パルスの制御を容易
にし、かつ時間的ジツタの問題を解決できる。
Many other methods for controlling bubble formation are available as well, such as, for example, pulse spatial modulation or pulse height modulation. A further method is shown in FIG. In this method, the magnitude of the preceding pulse is reduced from an initial value of about 0.5A to a value of about 0.2A (the value just before the nucleation pulse begins).
The leading pulse shape decays by 1/√t as a function of time. This allows the temperature of the resistor to be maintained at a nearly constant temperature before nucleation,
The ink near the resistor is heated to a temperature below the boiling point of the ink. In this state, a narrow nucleation pulse for nucleation is applied. Since the nucleation pulse is applied after the temperature of the resistor is maintained at a substantially constant desired temperature, the energy amount of the nucleation pulse can be easily controlled, and the width of the required nucleation pulse can be reduced. . Furthermore, since the pulse width of the nucleation pulse is narrowed, the above-mentioned problem of time jitter can be reduced, and the reproducibility of nucleation is improved. Note that there is a conventional device that preheats a resistor by applying a square wave pulse, but since the pulse is a square wave, after the pulse is applied,
The temperature of the resistor continues to rise gradually, and the resistor temperature before nucleation cannot be approximately constant at the desired temperature. Therefore, the amount of energy of the nucleation pulse, etc. cannot be controlled in accordance with the previously held constant temperature. The method described above preheats the ink without the need for a constant DC bias current and maintains the temperature of the resistor at a substantially constant desired temperature prior to its formation, thus facilitating control of the nucleation pulse; Moreover, the problem of temporal jitter can be solved.

第7A図は他の型式によるインクジエツト・プ
リントのプリンタヘツドの分解斜視図、第7B図
は第7A図に示したプリントヘツドの組立後の斜
視図である。両図に示したプリントヘツドは複数
個のオリフイスを有する。この所謂“エツジ・シ
ユーター(edge−shooter)”装置は基板71と
毛細管ブロツク75とから成り、毛細管ブロツク
75は、それ自体と基板71との界面に位置され
た幾つかのインク毛細管チヤネル77を持つてい
る。基板71に対して使用される典型的な材料と
してはガラス、セラミツク、被覆金属又は被覆ケ
イ素のようなで電気的絶縁物があり、他方、毛細
管ブロツク75に対して使用される材料は、イン
ク毛細管チヤネル77に関して製作の容易なもの
が選ばれる。例えば、標準として、毛細管ブロツ
ク75は成型ガラス、食刻ガラスでもつて作られ
る。その構成において、基板71と毛細管ブロツ
ク75とは、例えば、エポキシ、陽極ボンデイン
グまたは密封用ガラスでもつて、幾多の方法にお
いて一緒に密閉される。チヤネル空間D6とチヤ
ネル幅D7とはインクジエツトの所望の分離と寸
法とによつて決定される。チヤネル79は、遠隔
の場合にあるインク貯蔵部(示されていない)か
らインク毛細管チヤネル77へとインクを供給す
るための貯蔵チヤネルである。
FIG. 7A is an exploded perspective view of another type of inkjet print printer head, and FIG. 7B is an assembled perspective view of the print head shown in FIG. 7A. The print head shown in both figures has multiple orifices. This so-called "edge-shooter" device consists of a substrate 71 and a capillary block 75 which has several ink capillary channels 77 located at the interface between itself and the substrate 71. ing. Typical materials used for substrate 71 include electrically insulating materials such as glass, ceramic, coated metal or coated silicon, while materials used for capillary block 75 include ink capillaries. Regarding the channel 77, one that is easy to manufacture is selected. For example, as standard, capillary block 75 is made of molded or etched glass. In that configuration, substrate 71 and capillary block 75 are sealed together in a number of ways, for example with epoxy, anodic bonding or sealing glass. Channel spacing D 6 and channel width D 7 are determined by the desired separation and dimensions of the inkjet. Channel 79 is a storage channel for supplying ink from a remote ink reservoir (not shown) to ink capillary channel 77 .

基板71上には複数の抵抗器73が与えられて
おり、各抵抗器の位置は各毛細管チヤネル77の
底部に対応している。対応せる数の電気的接続体
72が電力を各抵抗器73に供給するために設け
られている。抵抗器73および電気的接続部72
は、物理的或は化学蒸着のような標準の電子的製
作技術を使用して形成される。電気的接続部72
に対する典型的な材料としてはクロム/金(すな
わち、接着のための薄いクロミウムの下層、導電
のためと上層)、又はアルミニウムがある。抵抗
器73に対する適当な材料としては、標準とし
て、プラチナ、チタニウム−タングステン、タン
タル−アルミニウム、拡散ケイ素或は非結晶質の
合金がある。こうした各種機能に対しては他の材
料も使用できることも明らかであるが、使用され
る各種インクにより腐食した電気メツキされるよ
うな材料は避けなければならない。例えば、水を
母体とするインクの場合、アルミニウムおよびタ
ンタル−アルミニウムは、標準として使用される
電流および抵抗率(すなわち、3〜5Ωの範囲の
抵抗値および1A程度の電流)においてこうした
問題を提起する。しかしながら、こうした2つの
材料であつても、もしインクから電気的導体と抵
抗器とを絶縁するパシベーシヨン層を使用すれ
ば、使用することができる。
A plurality of resistors 73 are provided on the substrate 71, the position of each resistor corresponding to the bottom of each capillary channel 77. A corresponding number of electrical connections 72 are provided to supply power to each resistor 73. Resistor 73 and electrical connection 72
are formed using standard electronic fabrication techniques such as physical or chemical vapor deposition. Electrical connection 72
Typical materials for this include chromium/gold (ie, a thin chromium bottom layer for adhesion, and a thin chromium top layer for conductivity), or aluminum. Suitable materials for resistor 73 include, as standard, platinum, titanium-tungsten, tantalum-aluminum, diffused silicon or amorphous alloys. Obviously, other materials can be used for these various functions, but electroplated materials that are corroded by the various inks used should be avoided. For example, in the case of water-based inks, aluminum and tantalum-aluminum present such problems at the current and resistivity used as standards (i.e., resistances in the range of 3-5 Ω and currents on the order of 1 A). . However, even these two materials can be used if a passivation layer is used to isolate the electrical conductor and resistor from the ink.

第8図はさらに他の型式によるインクジエツ
ト・プリンタのプリントヘツドの断面図であり、
エツジ・シユーター・インクジエツト・プリン
ト・ヘツドを示している。この構成において、イ
ンク内にバブルを発生するための熱エネルギは抵
抗器83によつて与えられる。前述の型式におけ
る如く、抵抗器83はインク・チヤネル82のオ
リフイスから極くわずかの距離(〜約0.1mm)だ
け離れて置かれる(註:第8図の断面は抵抗器8
3を通して取られているので、そのインクチヤネ
ル・オリフイスは示されていない)。この型式に
おいて、標準としてはガラスからなる基板81が
与えられており、基板81はエツチングされたケ
イ素の毛細管ブロツク89に接合される。ブロツ
ク89はインクチヤネル82を規定する。毛細管
ブロツク89とインク・チヤネル82との上に横
たわつているのは、通常では炭化ケイ素、二酸化
ケイ素、窒化ケイ素或は窒化ホウ素のような耐熱
性、非導電性、熱伝導性でしかも可撓性の材料か
ら作られた薄膜87である。抵抗器83は標準の
技術によつて薄膜87上に装着され、そし抵抗器
83への電力はその抵抗器の各側部における金属
化層85を通して与えられる。
FIG. 8 is a sectional view of a print head of another type of inkjet printer.
Showing the edge shooter inkjet print head. In this configuration, the thermal energy for generating bubbles within the ink is provided by resistor 83. As in the previous version, resistor 83 is placed a very small distance (~0.1 mm) from the orifice of ink channel 82 (note: the cross-section in Figure 8 shows resistor 83).
3, so its ink channel orifice is not shown). In this type, a substrate 81 of glass is provided as standard and is bonded to an etched silicon capillary block 89. Block 89 defines ink channel 82. Overlying capillary block 89 and ink channel 82 is typically a heat resistant, non-conductive, thermally conductive material such as silicon carbide, silicon dioxide, silicon nitride or boron nitride. A thin film 87 made of a flexible material. Resistor 83 is mounted on membrane 87 by standard techniques, and power to resistor 83 is provided through metallization 85 on each side of the resistor.

非可撓性の構造に対することの構成の利点は、
装置の寿命を改善することができることである。
又、基板81、毛細管ブロツク89そして薄膜8
7から成る構造は、抵抗器と金属化層を形成する
以前に本質的に完成されるので、その構成技術が
簡単化される。更に、前の型式におけるように、
この構造は複合チヤネル装置及び大量生産技術に
容易に適用される。可撓性の薄膜上に抵抗器を形
成する技術については当業者にとつて種々の変形
が考えられる。例えば、材料についての適切な選
択により、分離構造としての可撓性の薄膜は、そ
れ自体可撓性で且つ自己支持性である抵抗器を与
えることによつて全面的に排除できる。
The advantage of this configuration over non-flexible structures is that
It is possible to improve the lifespan of the device.
Also, a substrate 81, a capillary block 89 and a thin film 8
7 is essentially completed prior to forming the resistor and metallization layers, thereby simplifying its construction technique. Furthermore, as in the previous model,
This structure is easily adapted to multi-channel devices and mass production techniques. Various variations on techniques for forming resistors on flexible thin films will occur to those skilled in the art. For example, with proper selection of materials, flexible thin films as isolation structures can be completely eliminated by providing resistors that are themselves flexible and self-supporting.

第9A図はさらに他の型式によるインクジエツ
ト・プリンタのプリントヘツドの分解斜視図、第
9B図は組立後の斜視図である。両図に示された
構造は所謂“サイド・シユーター(Side−
shooter)”装置と呼ばれている熱インクジエツ
ト・プリント・ヘツドの別な構成である。基板9
1は標準としてガラス又は他の不活性で、堅固
で、熱的に絶縁性の材料から構成される。抵抗器
93への電気的接続は、第7Aおよび第7B図に
示されている構造の場合と同様に2つの導体92
にて与えられる。2つのプラスチツク・スペーサ
94はふた95と基板91の分離を維持するため
に使用されており、それによつてインクを抵抗器
へと流すための毛細管チヤネル96が形成され
る。しかしながら、多くの他の技術も適当な空間
を与えるために利用し得ることは明らかである。
例えば、プラスチツクに代つて、かかるチヤネル
を与えるのにガラス基板91それ自体をエツチン
グ形成しても良い。
FIG. 9A is an exploded perspective view of a print head of another type of inkjet printer, and FIG. 9B is an assembled perspective view. The structure shown in both figures is a so-called “Side Shooter”.
This is an alternative configuration of a thermal inkjet print head called a "shooter" device. Substrate 9
1 is typically constructed of glass or other inert, rigid, thermally insulating material. The electrical connection to resistor 93 is made using two conductors 92 as in the structure shown in FIGS. 7A and 7B.
It will be given at Two plastic spacers 94 are used to maintain separation between lid 95 and substrate 91, thereby creating a capillary channel 96 for ink flow to the resistor. However, it is clear that many other techniques may be used to provide adequate spacing.
For example, instead of plastic, the glass substrate 91 itself may be etched to provide such channels.

この型式におけるふた95は、インクジエツト
に対するオリフイス97として作用するテーパー
付孔をエツチングするための好都合な結晶構造を
与えるケイ素から構成されている。オリフイス9
7は抵抗器93に対向配置される。このオリフイ
ス97は例えば米国特許第4007464中に示されて
いる技術を用いて作られる。オリフイス97は、
標準として、約0.1mm程度である。サイドシユー
ター・インク・ジエツトのふた95に対しては多
くの他の材料も使用できる。例えば、各抵抗器に
対向する部分に孔を有する金属層やプラスチツク
さえ使用することができる。
The lid 95 in this type is constructed of silicon which provides a convenient crystalline structure for etching the tapered hole which acts as an orifice 97 for the ink jet. Orifice chair 9
7 is arranged opposite to the resistor 93. This orifice 97 is made, for example, using the technique shown in US Pat. No. 4,007,464. Orifice 97 is
As a standard, it is about 0.1mm. Many other materials can be used for the side shooter ink jet lid 95. For example, a metal layer or even plastic with holes in the portion opposite each resistor could be used.

第10A図はさらに他の型式によるインクジエ
ツト・プリンタのプリントヘツドの一部断面斜視
図、第10B図は第10A図に示したプリントヘ
ツドの基板の平面図である。この型式はマルチジ
エツトをもつサイドシユーター装置である。基板
101はガラスであり、この上にインク102を
保持するための2個のガラススペーサ104が置
かれる。ケイ素ふた105は孔107に孔によつ
て代表される如き一連のエツチングされたテーパ
ー付孔を持つて与えられる。各孔はトラフ108
の内部に形成される。よつてより厚いふたを用い
ることができ、厚いふたは、複合ジエツトにおけ
るより大きなプリント・ヘツドを支持できるより
良い構造上の安定性を与えることができる。エレ
メント109は、インクの連続供給が抵抗器/オ
リフイス・システムに対して可能になるように遠
隔のインク貯蔵部(示されていない)に接続され
ている充填チユーブである。
FIG. 10A is a partially sectional perspective view of a printhead of another type of inkjet printer, and FIG. 10B is a plan view of the substrate of the printhead shown in FIG. 10A. This type is a side shooter device with multiple jets. The substrate 101 is made of glass, and two glass spacers 104 for holding the ink 102 are placed thereon. Silicon lid 105 is provided with a series of etched tapered holes, such as those represented by holes 107 . Each hole has a trough 108
is formed inside. Thicker lids can thus be used, and thicker lids can provide better structural stability to support larger print heads in composite jets. Element 109 is a fill tube connected to a remote ink reservoir (not shown) to allow a continuous supply of ink to the resistor/orifice system.

第10B図において、第2の抵抗器106もま
た第10A図のトラフ108に沿つて横たわつて
示されている。抵抗器103および106への電
力は2つの独立せる電気的接続部110および1
11と、共通の接地112とによつて供給され
る。抵抗器106が通電されたときにインクがオ
リフイス107から吐出されるのを防止するため
に、抵抗器106と103との間に障壁113が
形成されている。如上の構成において、障壁13
1は、ガラス、ケイ素、光重合体、ガラス・ビー
ド充填エポキシ、または無電解メツキによる金属
により構成され、基板又はふたの内面に形成され
る。もしも金属ふたが使用されるとすると、別な
方法がその障壁を与えるのに利用できる。例え
ば、障壁は金属ふたの内面上へ直かに金属メツキ
して構成しても良い。
In FIG. 10B, a second resistor 106 is also shown lying along the trough 108 of FIG. 10A. Power to resistors 103 and 106 is provided through two independent electrical connections 110 and 1.
11 and a common ground 112. A barrier 113 is formed between resistors 106 and 103 to prevent ink from being ejected from orifice 107 when resistor 106 is energized. In the above configuration, barrier 13
1 is constructed of glass, silicon, photopolymer, glass bead-filled epoxy, or electroless plated metal and is formed on the inner surface of the substrate or lid. If a metal lid is used, other methods are available to provide the barrier. For example, the barrier may be constructed by metal plating directly onto the inner surface of the metal lid.

第11図は本発明の一実施例によるインクジエ
ツト・プリントのプリントヘツドの一部断面斜視
図であり、第8図に示した薄膜と外付抵抗器とが
組み込まれている。そしてこの実施例の詳細は基
板が炭化ケイ素、二酸化ケイ素、窒化ケイ素又は
窒化ホウ素から成る薄膜120と基板121とに
よつて置き換えられていることを除いて、第10
図のものと同じである。抵抗器123は、薄膜1
20上でしかもインクの外側に配置される。前述
の型式における如く、抵抗器123に対する電気
的接続は2つの導体122によつて与えられる。
基板121は構造的安定化のために比較的厚く、
通常では食刻ガラス又は食刻ケイ素で作られる。
そして一方、基板121には、構造的安定性を維
持しながらインクへの熱の供給や、薄膜120の
撓曲を可能にするため、くぼみ部分を持つてい
る。そしてこの特徴を維持すべくこの薄膜上に抵
抗器123が配置されている。また蓋にはトラフ
が形成され、このトラフの内部にテーパー付孔が
形成される。よつて厚い蓋を用いることができ、
厚い蓋は、複合ジエツトにおけるより大きなプリ
ント・ヘツドを支持できるより良い構造上の安定
性を与えることができる。
FIG. 11 is a partially sectional perspective view of an inkjet print printhead according to one embodiment of the present invention, incorporating the thin film and external resistor shown in FIG. 8. The details of this embodiment are as follows, except that the substrate is replaced by a thin film 120 and a substrate 121 of silicon carbide, silicon dioxide, silicon nitride or boron nitride.
It is the same as the one shown in the figure. The resistor 123 is a thin film 1
20 and outside the ink. As in the previous type, electrical connection to resistor 123 is provided by two conductors 122.
Substrate 121 is relatively thick for structural stability;
Usually made of etched glass or etched silicon.
On the other hand, the substrate 121 has a recessed portion to enable heat to be supplied to the ink and to allow the thin film 120 to bend while maintaining structural stability. A resistor 123 is placed on this thin film to maintain this characteristic. A trough is also formed in the lid, and a tapered hole is formed within the trough. A thicker lid can be used,
A thicker lid can provide better structural stability to support larger print heads in composite jets.

応用における特定な性質および必要性に依存し
て各種の材料で構成され且つ多くの異なる幾何学
的構造を持つ多くの他の実施例が可能である。例
えば、或る限度内でしかも使用されるインクに依
存して、液滴の寸法を大きくするためにオリフイ
スの寸法を大きくしたり、或は液滴の寸法を小さ
くするためにオリフイスを小さくしたりすること
ができる。同様にして、インク液滴の吐出に対す
る最大周波数は基板の緩和時間とインクの再充填
時間とに依存する。インクを電気的特性により異
なる幾何学的構造が必要な場合もある。例えば、
もしも高導電性のインクのためにそのインクを通
して流れる電流が問題となるならば、パシベーシ
ヨン層をその抵抗器自体の上部およびその導体上
に置いて、通電を回避させるようにしても良い。
Many other embodiments are possible constructed of various materials and having many different geometries depending on the particular nature and needs of the application. For example, within certain limits and depending on the ink used, the orifice size can be increased to increase the droplet size, or the orifice can be decreased to decrease the droplet size. can do. Similarly, the maximum frequency for ink droplet ejection depends on the substrate relaxation time and the ink refill time. Different geometric structures may be required depending on the electrical properties of the ink. for example,
If, for highly conductive inks, current flowing through the ink is a problem, a passivation layer may be placed on top of the resistor itself and on the conductors to avoid current conduction.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はある型式によるインクジエツトプリン
タのプリントヘツドの分解斜視図、第2図は第1
図に示したプリントヘツドの組立後の全体斜視
図、第3図は第2図に示したプリントヘツドの断
面図、第4図はプリント動作の1サイクル中にお
けるインク液滴の発生過程を示した図、第5,6
図はバブル形成に使用する電気パルスの波形図、
第7A図は他の型式によるインクジエツト・プリ
ンタのプリントヘツドの分解斜視図、第7B図は
第7A図に示したプリントヘツドの組立後の斜視
図、第8図はさらに他の型式によるインクジエツ
ト・プリンタのプリントヘツドの断面図、第9A
図はさらに他の型式によるインクジエツト・プリ
ンタのプリントヘツドの分解斜視図、第9B図は
第9A図に示したプリントヘツドの組立後の斜視
図、第10A図はさらに他の型式によるインクジ
エツト・プリンタのプリントヘツドの一部断面斜
視図、第10B図の第10A図に示したプリント
ヘツドの基板の平面図、第11図は本発明の一実
施例によるインクジエツト・プリンタのプリント
ヘツドの一部断面斜視図である。 11:基板、13:薄膜金属化層、14:非導
電ストリツプ、15:毛細管ブロツク、16:抵
抗器、17:毛細管チヤネル、19:インク貯蔵
部、23,25:電極、21:インク、71:基
板、72:電気的接続部、73:抵抗器、75:
毛細管ブロツク、77:毛細管チヤネル、81:
基板、82:チヤネル、83:抵抗器、85:金
属化層、87:薄膜、91:基板、92:導体、
93:抵抗器、94:スペーサ、95:ふた、9
7:オリフイス、112:共通接地、101:基
板、102:インク、103:抵抗器、104:
スペーサ、108:トラフ、120:薄膜、12
1:導体、123:抵抗器。
Figure 1 is an exploded perspective view of the print head of a certain type of inkjet printer;
Figure 3 is a cross-sectional view of the print head shown in Figure 2, and Figure 4 shows the process of ink droplet generation during one cycle of printing operation. Figures 5 and 6
The figure shows the waveform diagram of the electric pulse used for bubble formation.
FIG. 7A is an exploded perspective view of a printhead of another type of inkjet printer, FIG. 7B is an assembled perspective view of the printhead shown in FIG. 7A, and FIG. 8 is an exploded perspective view of a printhead of another type of inkjet printer. Cross-sectional view of the print head of No. 9A
9B is an exploded perspective view of the print head of an ink jet printer according to another model, FIG. 9B is an assembled perspective view of the print head shown in FIG. 9A, and FIG. FIG. 10B is a plan view of the substrate of the printhead shown in FIG. 10A, and FIG. 11 is a partially cross-sectional perspective view of the printhead of an inkjet printer according to an embodiment of the present invention. It is. 11: substrate, 13: thin film metallization layer, 14: non-conductive strip, 15: capillary block, 16: resistor, 17: capillary channel, 19: ink reservoir, 23, 25: electrode, 21: ink, 71: Substrate, 72: Electrical connection part, 73: Resistor, 75:
Capillary block, 77: Capillary channel, 81:
Substrate, 82: Channel, 83: Resistor, 85: Metallized layer, 87: Thin film, 91: Substrate, 92: Conductor,
93: Resistor, 94: Spacer, 95: Lid, 9
7: Orifice, 112: Common ground, 101: Substrate, 102: Ink, 103: Resistor, 104:
Spacer, 108: Trough, 120: Thin film, 12
1: Conductor, 123: Resistor.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 くぼみ部分によつて形成された開口部を有す
る基板と、前記開口部を含む前記基板の表面に配
置された非導電性、熱伝導性且つ可撓性の薄膜
と、前記開口部の一部分で前記薄膜上に配置され
た抵抗発熱体と、溝部を有し該溝部の底部に、上
部から下部に向つて広がるテーパー付孔部を持つ
蓋と、前記薄膜と前記蓋とを前記孔部の大きな方
の開口部が前記抵抗発熱体と対向する位置に結合
すると共に、前記蓋と前記薄膜との間にインクチ
ヤネルを規定する結合手段と、前記くぼみ部分の
表面を含み前記基板の前記表面の反対側の表面上
に形成された前記抵抗発熱体用電極とより成るイ
ンクジエツト・プリンタ。
1. A substrate having an opening formed by a recessed portion, a non-conductive, thermally conductive and flexible thin film disposed on the surface of the substrate including the opening, and a thin film formed by a portion of the opening. a resistance heating element disposed on the thin film, a lid having a groove and a tapered hole at the bottom of the groove that widens from the top to the bottom; a coupling means having an opening at a position opposite to the resistive heating element and defining an ink channel between the lid and the thin film; An inkjet printer comprising an electrode for the resistive heating element formed on the side surface.
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