JPH09234867A

JPH09234867A - 選択可能な液滴サイズを許容する単一端子加熱エレメントを具備したインクジェット印刷装置のエジェクタ

Info

Publication number: JPH09234867A
Application number: JP3954797A
Authority: JP
Inventors: John R Andrews; ジョン・アール・アンドリュース
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1996-02-29
Filing date: 1997-02-24
Publication date: 1997-09-09
Also published as: EP0792745A2

Abstract

(57)【要約】【課題】明確に選択可能なサイズの液滴が噴射され得
るようにした、サーマル・インクジェット・プリンタの
印刷ヘッドを提供する。【解決手段】サーマル・インクジェット印刷ヘッド
は、液体インクを保持する流路内に加熱表面が配設され
るようにしたエジェクタを包含する。当該加熱表面は、
第１出力密度で熱を放散させるための第１部分３０と第
２出力密度で熱を放散させるための第２部分３２とを規
定する。一定の比較的低い電圧又はパルス幅では、イン
ク泡の核生成は、加熱表面の第１部分３０に隣接する液
体インクにおいてのみ発生することになり、比較的高い
電圧又はパルス幅では、泡核生成は、第１と第２の部分
３０、３２に渡って発生することになる。核生成される
泡のサイズは、放出される液滴のサイズに直接に影響す
る。加熱表面の２つの部分の間における不連続な分界
は、選択可能なスポットサイズがエジェクタによって形
成されることを許容する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、明確に選択可能な
サイズの液滴が噴射され得るようにした、サーマル・イ
ンクジェット・プリンタの印刷ヘッドに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】インクジェット印刷において、特定のエ
ジェクタによって噴射される液滴のサイズが選択され得
る装置を考案することは困難であった。一般に、サーマ
ル・インクジェット印刷ヘッドにおけるエジェクタは、
概ね１サイズのみの液滴を噴射し得るものである。しか
しながら、選択可能な複数の液滴サイズの中の１つの液
滴を選択的に放出し得る単一エジェクタを有し得ること
が好都合であろう印刷状況は数多く存在する。選択可能
な液滴サイズが非常に有益であろうそのような状況は、
写真に由来するようなハーフトーン画像の形成、更には
オフセット品質の英数字の形成を包含する。

【０００３】先行技術では、米国特許第４，２５１，８
２４号が、独立制御される複数の加熱エレメントを包含
するサーマル・インクジェット印刷ヘッドを開示する。
エレメントの特定の組合せを選択することによって、噴
射される液滴のサイズが選択可能である。米国特許第
４，７４０，７９６号は、インクジェット印刷における
泡の核生成(nucleation)に関する基本的な原理を開示す
る。それは、液体インクを所定温度まで事前加熱するこ
となどによって、泡核生成の直前における液体インクの
温度を制御して、既知の液滴サイズを産み出すようにし
た、インク液滴のサイズを操作する１つの技術としても
知られている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、インク
ジェット印刷装置のエジェクタが準備される。構造体
が、多量の液体インクをその内部に保持するための流路
を規定する。開口が、流路に付随して設けられ、多量の
液体インクがこれを介して噴射され得る。加熱エレメン
トが、流路内部に加熱表面を規定し、当該加熱エレメン
トは、電圧がそこに印加されたとき流路の中に熱を放散
させ、それによって流路内の液体インクの中に泡を核生
成せしめる。当該加熱表面は、第１出力密度で熱を放散
させるための第１部分と第２出力密度で熱を放散させる
ための第２部分とを規定する。

【０００５】

【発明の実施の形態】図１は、本発明を組み込んだサー
マル・インクジェット印刷ヘッドの本質的な部分を示
す、簡略化された斜視図である。図２は、本発明を組み
込んだヒータチップの一部に関する平面図である。図３
及び図４は、異なった条件設定の下で生じるインクの泡
核生成を示す、本発明の１つの実施例による加熱エレメ
ントの平面図である。図５は、本発明による加熱エレメ
ントに印加される電圧の関数として生じる液体インクの
泡核生成体積を示す例示的なグラフである。図６は、本
発明の代替的な１つの実施例による加熱エレメントの加
熱表面の平面図である。図７は、本発明の代替的な１つ
の実施例による加熱エレメントの加熱表面の平面図であ
る。

【０００６】図１は、本発明を組み込んだサーマル・イ
ンクジェット印刷ヘッドのエジェクタの部分を示す非常
に簡略化された斜視図である。１つのエジェクタのみが
示されているが、実際のサーマル・インクジェット印刷
ヘッドは、典型的には１インチ（２５．４ｍｍ）当りで
３００個から６００個のエジェクタが離間配置されるよ
うに、１００個又はそれ以上のエジェクタを包含するこ
とが理解されるであろう。図１で示されたものは、連結
される２つのチップの間にエジェクタを形成する流路が
形成されるようにした、「サイドシューター(side-shoo
ter)」印刷ヘッドとして知られるものの一般的な構造で
ある。図１で示された印刷ヘッドは、破線において参照
符号１２で示された「流路プレート(channel plate)」
に対してその主要表面において連結されるヒータチップ
１０を含む。ヒータチップ１０は、当該分野では周知の
一般的な半導体チップ設計であり、その主要表面におい
て、参照符号１４で示されたような多くの加熱エレメン
トを内部に規定する。典型的には、印刷ヘッドのすべて
のエジェクタについて１つの加熱エレメント１４が準備
される。ヒータチップ１０の主要表面において各エジェ
クタ１４に隣接するものは、流路プレート１２内におい
て溝によって形成される流路１６である。流路プレート
１２は、当該分野では周知である数多くのセラミック、
プラスチック又は金属材料によって形成されることが可
能である。チップ１０が流路プレート１２に当接される
とき、各流路１６は、ヒータチップ１０の隣接表面と共
に完全な流路を形成し、１つの加熱エレメント１４は、
図１で示されたように形成された流路の内部に加熱表面
を配設する。

【０００７】図１は、実際のサーマル・インクジェット
印刷ヘッドの非常に簡略化された様式を示すものであ
り、実際の印刷ヘッドでは、数多くのインク供給マニホ
ルド、中間層、ピット層などが準備されることになる。
しかしながら、図１で示されたものは、本発明を実行す
るために必要となる本質的なエレメントであり、十分に
実際的な印刷ヘッドを形成するための更なるエレメント
の追加は、以下で詳細に説明されるように特許請求され
る本発明から除外されるものではない。

【０００８】使用において、インク供給マニホルド（図
示せず）は、インクを流路１６から印刷シートへ噴射す
るときまで、毛管流路１６を満たす液体インクを供給す
る。流路１６からインクの液滴を噴射させるため、ヒー
タチップ１０内の加熱エレメント１４には小さな電圧が
印加される。インクジェット印刷ヘッドの分野では周知
であるように、加熱エレメント１４は、典型的には、所
定の固有抵抗にドーピングされる半導体チップの一部で
ある。加熱エレメント１４が本質的に抵抗体であるの
で、加熱エレメント１４は、その加熱表面（流路１６内
に配設される加熱エレメント１４の表面として定義され
る加熱表面）を通じて熱の形態で出力を放散させ、それ
によって加熱表面に直に隣接する液体インクを蒸発させ
る。この蒸発作用は、流路内にインク蒸気の泡を形成
し、この泡の膨張が液体インクを流路１６から印刷シー
トに放逐させることになり、印刷される所望画像のスポ
ットを形成する。図１の図面で示されたように、インク
供給マニホルドは、印刷ヘッドの背後に配設されるよう
に意図されており、噴射されるインク液滴は、図１の斜
視図によれば当該ページから外へ出るように噴射される
ことになる。

【０００９】図２は、本発明による単一エジェクタの中
において見出されるような１つの加熱エレメント１４に
よって準備される加熱表面を詳細に示している、ヒータ
チップ１０の主要表面の一部に関する平面図である。更
に図２において破線で示されたものは、ヒータチップ１
０の主要表面に連結されるとき、流路プレート１２内に
おいて流路１６によって形成される流路の輪郭線であ
る。

【００１０】各々の単一加熱エレメント１４には付随す
る２本の導電線が存在することが理解されるであろう。
入力線は、参照符号２０で示されており、加熱エレメン
ト１４に対して入力線２０が取付けられる場所に第１端
子を形成する。各加熱エレメント１４に対して更に取付
けられるものは、加熱エレメント１４と会合する場所に
第２端子を形成する接地線２２であり、これが加熱エレ
メント１４を共通の接地２４に接続する。サーマル・イ
ンクジェット印刷ヘッドの典型的な設計では、固有のチ
ップにおいて加熱エレメント１４のすべてに付随する接
地線２２は、共通接地線２４を共有する。従って、いず
れの加熱エレメント１４に電圧を印加する場合のタイミ
ング及び様式に関するいかなる制御も、入力線２０を介
するものでなければならず、これが本件設計のエジェク
タが「単一端子(single-terminal)」エジェクタと考え
られ得る理由である。当該分野において周知であるよう
に、参照符号２０のような入力線は、最終的には、印刷
されることが所望される画像を表わすデジタルデータに
関連する電気信号によって制御される。

【００１１】本発明の図示された実施例によれば、加熱
エレメント１４は、略「ボトル(bottle)」形状の加熱表
面を規定するものであり、ここでは２つの独特な略矩形
の部分を規定している。加熱表面の第１部分は参照符号
３０で概略的に示され、加熱表面の第２部分は参照符号
３２で概略的に示される。２つの部分３０，３２は、入
力線２０及び接地線２２によって形成される軸線に沿っ
て概ね位置合わせされ、この軸線が流路１６によって形
成される流路の概略的な方向に関しても平行なので、流
路１６によって形成される開口とも位置合わせされる。

【００１２】本発明によれば、加熱エレメント１４は、
各々の部分が他の部分の出力密度とは異なった固有の出
力密度で熱の形態のエネルギーを放散させるような特性
を有する流路１６内の加熱表面を提供する。「出力密度
(power density)」は、単位面積当りで加熱表面から放
散されるエネルギーの量と定義され得る。

【００１３】サーマル・インクジェット印刷では、流路
内における液体インクの泡核生成は、本質的には以下の
通りに実施される。加熱表面に隣接する液体インクを蒸
発させるに足る十分な電圧（「噴射電圧…burn voltag
e」）が加熱エレメントに印加されなければならず、し
かも、この噴射電圧は適当な持続時間（「パルス幅…pu
lse width」）に渡って印加されなければならない。幾
つかの制約の範囲内において、比較的低い噴射電圧は、
パルス幅を拡張することによって補正されることが可能
であり、逆の場合も同様である。重要なことは、噴射電
圧とパルス幅の組合せが加熱表面に直ちに隣接するイン
クに泡核生成させるに足る十分なほどの必要な出力密度
を有する加熱表面のその部分の廻りにおいてのみ泡核生
成が生じることである。出力密度に時間を乗算するとエ
ネルギー密度に等しくなり、泡核生成は、この十分なエ
ネルギー密度を有するそれらの表面においてのみ発生す
るのである。

【００１４】加熱エレメント１４の加熱表面のレイアウ
トは、均一な固有抵抗にドーピングされた独特な形状の
領域であり、噴射電圧及び／又はパルス幅の要件を別々
に満たすことになる２つの独特な部分３０及び３２を提
供する。初めに図３を参照すると、所定の第１電圧Ｖ₁
が所定のパルス幅に渡って加熱エレメント１４に印加さ
れる場合、加熱表面の当該レイアウトは、以下のように
なる。加熱表面の部分３０の領域のみがパルス幅と噴射
電圧の要件に適合し得ることになって、より大きな領域
である第２部分３２は、泡核生成のための出力放散の要
件に適合する特定領域をその中に有するものではない。
言い換えれば、小さな領域に渡ってＶ₁のエネルギーを
放散させる第１部分３０は、同じ電圧Ｖ₁に曝される大
きな第２部分３２よりも高い出力密度を提供するのであ
る。従って、一定の電圧Ｖ₁では、加熱表面の部分３０
に直に隣接する液体インクのみが泡核生成して、参照符
号４０で示したような比較的小さなインク蒸気泡を産み
出すことになる。

【００１５】これとは対照的に、図４を参照すると、実
質的に高い電圧Ｖ₂が加熱エレメント１４に印加される
場合、出力放散に関する印加電圧の関係は、加熱エレメ
ント１４の３０と３２の両方の部分を意味する加熱表面
の本質的な全体が泡核生成のための出力放散の条件に適
合するようになる。従って、泡４２で示されるように、
加熱表面の結合した表面領域の全体に実質的に対応する
液体インクの蒸気泡が形成されることになる。

【００１６】一般的に言って、流路内において泡核生成
された液体インクの泡のサイズは、泡の形成によって放
逐される液体インクの量にほぼ比例する。従って、泡核
生成された液体インクの泡が大きくなれば、噴射される
ことになるインクの液滴も大きくなり、結果として印刷
シートにおけるスポットサイズもまた大きくなる。核生
成の泡のサイズを選択することにより、結果として流路
１６の開口を介して噴射される液滴のサイズは、選択さ
れることが可能になり、この場合は、小さな液滴（図３
における泡４０の核生成）又は大きな液滴（図４におけ
る泡４２の核生成）の間で選択可能である。

【００１７】加熱表面における２つの部分３０，３２
は、加熱表面の略「ボトル」形状の「肩(shoulders)」
によって示される不連続的な段階によって分界されるこ
とが留意されるであろう。本発明の１つの実施例によれ
ば、２つの部分の間におけるこの不連続な分界は、例え
ば一様なテーパ又はその他の単調な形状を備えた加熱表
面を準備することとは対照的に、本発明に関して好適で
ある選択可能なスポットサイズに資するものである。図
５は、ｙ軸に示された結果としての核生成の泡の体積に
対する、そのｘ軸に示された加熱エレメント１４に印加
される電圧の関係を示している、簡略化されたグラフで
ある。ｙ軸における４０，４２の数字は、図３及び図４
で示された核生成の泡４０，４２の夫々の体積を表わ
す。グラフの基本的な線は、２つの独特な領域において
平坦化する「階段(stairstep)」関数であり、これらの
領域は、ｘ軸上においてＶ₁及びＶ₂の夫々に関する妥当
な範囲に対応している。

【００１８】加熱表面の部分３０，３２の間の不連続な
分界によって提供される階段関数の利点は、必要な噴射
電圧Ｖ₁又はＶ₂が、図５のｘ軸で示されたように合理的
な広い範囲内で準備され得ることである。例えば、印加
されたＶ₁の実際の値が図５のグラフにおいてその範囲
の左側か又は右側に、より接近しているとしても、結果
として生じる核生成の泡のサイズが大きく変化すること
はない。実際の印加電圧に関して広範囲に渡るこの公差
は、実際のチップ上の電圧（即ち任意の電圧に応じた出
力密度）がチップからチップの間において、更に単一の
チップにおいても時間につれて大きく変化し得るので、
半導体ベースのヒータチップ１０における重要な特性で
ある。加熱エレメント１４の加熱表面の全体が単一の三
角形又は卵形のように単調な形状だとしたら、体積に対
する電圧の関数は、図５で示されたような階段状ではな
く、むしろ実質的な一次関数になってしまうであろう。
実質的な一次関数は、電圧の関数として連続的に可変の
スポットサイズを提供するという理論上の利点を提供す
ることにはなるが、エジェクタ相互間及びチップ相互間
のパフォーマンスにおける変動が、そのような連続的な
可変システムを、とりわけ多数の印刷ヘッドチップを有
するプリンタにおいて、実行不可能にしてしまうのであ
る。

【００１９】重要なことは、図５は、印加電圧の関数と
しての泡体積の変化を一定のパルス幅を仮定して示して
いるが、印加電圧が一定に維持され、パルス幅、即ち電
圧の持続時間が変更されるならば、図５と概ね同様の関
数が結果として生じることも指摘されるべきだというこ
とである。言い換えれば、異なった電圧によって図３及
び図４で示された同じ原理は、同じ電圧が２つの異なっ
たパルス幅で加熱エレメント１４に印加される場合に
も、概ね明白であることになる。それ故、噴射電圧又は
パルス幅、或いはその両方を選択することによって、泡
サイズを選択し、従って液滴サイズをも選択し得るシス
テムが提供され得るのである。

【００２０】図６は、加熱エレメントの異なった部分に
おける異なった出力密度という所望の結果を達成するた
めに異なった原理が使用されるようにした、本発明のも
う１つの実行可能な実施例に関する簡略化された平面図
である。ここでは、参照符号１４’として示され、制御
線２０と接地線２２の間で上述の実施例と同じ様式で機
能する加熱エレメントは、異なった独特の抵抗区域５
０，５２，５４，５６及び５８を含み、その各々はドー
ピングされたポリシリコンで形成されるが、個別的な各
区域５０−５８は異なった固有抵抗にドーピングされ
る。一般的に言って、好適な実施例では、接地線２２に
より接近して流路内に開口する参照符号５０のような区
域は、より高い固有抵抗にドーピングされ、それらの固
有抵抗は、入力線２０に向かって段々に低くなる。より
高い固有抵抗にドーピングされた区域は、より低い電圧
で或いはより短いパルス幅で隣接する液体インクに泡核
生成せしめる傾向を有することになる。異なってドーピ
ングされた区域５０−５８の相対的なサイズは、異なっ
た選択可能な泡サイズを達成するために操作され得るも
のであり、結果として異なったスポットサイズを産み出
すことになる。図６における本件の実施例は、単一の加
熱エレメント１４’に対応する異なってドーピングされ
た独特な５個の区域を示しており、この加熱エレメント
は、５個の異なった印加電圧又はパルス幅に応答して、
５個の独特に異なった液滴サイズの出力を生じることが
留意されるであろう。図６で示されたような加熱エレメ
ント１４’の典型的な１つの実行可能な実施例では、そ
の部分のすべてを包含する加熱表面の全体の寸法は、ほ
ぼ２００マイクロメートル×２０マイクロメートルであ
る。

【００２１】異なってドーピングされた抵抗部分を備え
る図６のような加熱エレメント１４’を使用する際に、
起こり得る１つの実際的な問題は、参照符号１４のよう
な加熱エレメントのための流路１６内における好適な保
護被覆がタンタルであるという事実に関わる。タンタル
は、良好な熱導体であり、泡核生成を加熱表面の特定の
部分に限定するという所望の効果に対して不利に働くこ
とになる。この問題に関する実行可能な解決策は、タン
タル以外の保護材料を使用すること、タンタル層を薄く
すること、或いは隣接する部分の間の境界線に渡って保
護層の内部に「シム(shims)」（図示略）を準備して、
これらのシムが熱絶縁物として機能するようにすること
さえも包含する。このようなシムのための実行可能な材
料は、リン・ケイ酸塩ガラス又はポリイミドを包含す
る。

【００２２】図７は、詳細に上述した部分３０及び３２
に部分３４及び３６を追加して、４個の独特な部分に区
部される加熱エレメント１４を示している。ここでもま
た、このような加熱エレメント１４は、４個の異なった
噴射電圧又はパルス幅に応答し、従って４個の独特なサ
イズの泡を核生成し得ることになる。均一にドーピング
された加熱表面を「肩」によって分界し、或いは加熱表
面の異なった部分を異なった固有抵抗にドーピングする
ようにして、加熱表面の別々の部分を規定するという２
つの一般的な原理は、両方の技術を組み込む加熱エレメ
ントにおいて組合せられ得るものであることが留意され
るであろう。

【００２３】図示され説明された加熱表面の好適な実施
例は、実質的に矩形の部分から構成されるが、個別的な
部分に関しては、円形又は三角形のようなその他の一般
的な形状が提供され得ることが明白であろう。これらの
代替形状は、好適な矩形形状に機能的に匹敵するもので
ある。本発明の実際的な目的に関して、重要な原理は、
加熱表面の全体の形状、或いは相対的な固有抵抗のプロ
フィールが、加熱表面の各部分において、徐々な即ち単
調な変化とは対照的に、不連続な区域として組織される
ことなのである。図示された実施例は、単一切片の加熱
エレメントの中において互いに直ちに接する参照符号３
０，３２又は５０，５２のような異なった部分を示して
いるが、異なった部分が互いに直に当接することは必要
でない。異なった部分は、流路１６内においては離間し
て配置され、ヒータチップ１０内においてコネクタを介
して連結されるのみということも可能なのである。同様
に、電気的には単一の加熱エレメント１４であるものの
異なった部分が、流路の壁の幾つかを形成する異なった
表面（２つの別体のチップによって準備されるような）
に準備され得ることも考えられる。

【００２４】本発明は開示された構造体に関連して説明
されてきたが、それは、提示された詳細に限定されるも
のではなく、添付の請求項の範囲に包含され得るような
修正又は変更をカバーするものであると意図される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を組み込んだサーマル・インクジェット
印刷ヘッドの本質的な部分を示す、簡略化された斜視図
である。

【図２】本発明を組み込んだヒータチップの一部に関す
る平面図である。

【図３】或る条件設定の下で生じるインクの泡核生成を
示す、本発明の１つの実施例による加熱エレメントの平
面図である。

【図４】異なった条件設定の下で生じるインクの泡核生
成を示す、本発明の１つの実施例による加熱エレメント
の平面図である。

【図５】本発明による加熱エレメントに印加される電圧
の関数として生じる液体インクの泡核生成体積を示す例
示的なグラフである。

【図６】本発明の代替的な１つの実施例による加熱エレ
メントの加熱表面の平面図である。

【図７】本発明の代替的な１つの実施例による加熱エレ
メントの加熱表面の平面図である。

【符号の説明】

１０ヒータチップ、１２流路プレート、１４、１
４’ 加熱エレメント、１６流路、２０入力線（制
御線）、２２接地線、２４接地（共通接地線）、３
０加熱部分の第１部分、３２加熱部分の第２部分、
３４，３６部分、４０，４２泡、５０，５２，５
４，５６，５８抵抗区域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多量の液体インクをその内部に保持する
ための流路を規定する構造体と；多量の液体インクがこ
れを介して噴射され得るように流路に付随する開口と；
流路内部に加熱表面を規定する加熱エレメントであっ
て、当該加熱エレメントは、電圧がそこに印加されたと
き流路の中に熱を放散させ、それによって流路内の液体
インクの中に泡を核生成せしめ、当該加熱表面は、第１
出力密度で熱を放散させるための第１部分と第２出力密
度で熱を放散させるための第２部分とを規定するように
した前記加熱エレメントとを含む：インクジェット印刷
装置のエジェクタ。
【請求項２】加熱エレメントを介して電流を通すため
の第１端子と第２端子とを更に含み、加熱表面は、第１
端子と第２端子の間に軸線を規定し、加熱表面の第１部
分は、第１端子の近傍において軸線に沿って配設され、
加熱表面の第２部分は、第２端子の近傍において軸線に
沿って配設され、加熱表面の第１部分は、加熱表面の第
２部分よりも軸線に対して小さな幅を有するようにし
た、請求項１に記載のインクジェット印刷装置のエジェ
クタ。
【請求項３】加熱表面の第１部分は、加熱表面の第２
部分の固有抵抗とは異なった固有抵抗にドーピングされ
るようにした、請求項１に記載のインクジェット印刷装
置のエジェクタ。