(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクジェットノズルアセンブリであって、
床、可動部分を有する屋根、ノズル開口、及びインク入口を有する、インクを収容するノズルチャンバと、
前記インクジェットノズルアセンブリの一端部に配置され、駆動回路に接続された１対の電気接点と、
前記ノズル開口からインクを吐出させる熱曲げアクチュエータと、
を具備し、
前記熱曲げアクチュエータが、
前記電気接点に接続され、前記電気接点から長手方向に離れて延びる能動梁であって、
前記電気接点間で屈曲した電流流路を画定する、当該能動梁と、
前記能動梁に融着された受動梁であって、前記能動梁に電流が流れると、前記能動梁が発熱して前記受動梁よりも膨張し、その結果、前記可動部分が前記床に向けて曲がる、当該受動梁と、
を備え、
前記可動部分は、前記熱曲げアクチュエータを備え、
前記受動梁は、前記可動部分の作用面を画定し、
前記作用面は、前記可動部分の前記曲げの間、前記インク内で正圧パルスを生成し、
前記作用面は、６００平方ミクロン未満の面積を有し、
前記駆動回路は、前記能動梁に作動パルスを供給するように構成され、
各駆動パルスは、０．２マイクロ秒未満のパルス幅を有する、
インクジェットノズルアセンブリ。
【請求項２】
少なくとも２．５ｍ／ｓのピークアクチュエータ速度をもたらすように構成される、請求項１に記載のインクジェットノズルアセンブリ。
【請求項３】
前記駆動回路が、前記能動梁に作動パルスを供給するように構成され、
各作動パルスが、前記能動梁に２００ｎＪ未満のエネルギーを供給する、請求項１に記載のインクジェットノズルアセンブリ。
【請求項４】
前記能動梁及び前記受動梁がそれぞれ、５０ミクロン未満の長さを有する、請求項１に記載のインクジェットノズルアセンブリ。
【請求項５】
前記能動梁及び前記受動梁がそれぞれ、１５ミクロン未満の幅を有する、請求項１に記載のインクジェットノズルアセンブリ。
【請求項６】
前記能動梁及び前記受動梁が、合わせて少なくとも１．５ミクロンの厚さを有する、請求項１に記載のインクジェットノズルアセンブリ。
【請求項７】
前記能動梁が、
第１の接点から長手方向に延びる第１のアームと、
第２の接点から長手方向に延びる第２のアームと、
前記第１のアームと前記第２のアームとを接続する接続部材と、
を備える、請求項１に記載のインクジェットノズルアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェットノズルアセンブリに関する。本発明は、熱曲げによって作動するインクジェットノズルの効率を改善し、且つ液滴吐出特性を改善するために主に開発されたものである。
【背景技術】
【０００２】
本出願人は、熱曲げ作動を利用した多数のＭＥＭＳインクジェットノズルについてこれまで記載してきている。熱曲げ作動とは、ある材料に電流が流れると、別の材料に比べて熱膨張することによって生じる曲げ運動を一般に意味する。結果として得られる曲げ運動を利用して、インクをノズル開口から、任意選択で、ノズルチャンバ内で圧力波を生じるパドル又は羽根の運動を介して吐出させることができる。
【０００３】
熱曲げインクジェットノズルのいくつかの代表的な種類が、相互参照の項に挙げた特許及び特許出願に例示されており、特許及び特許出願の内容を参照により本明細書に組み込む。
【０００４】
本出願人の米国特許第６，４１６，１６７号には、ノズルチャンバ内に配置されたパドルと、ノズルチャンバの外部に配置された熱曲げアクチュエータとを有するインクジェットノズルが記載されている。このアクチュエータは、導電材料（例えば、窒化チタン）の下側能動梁が、非導電材料（例えば、二酸化ケイ素）の上側受動梁に融着された形を取る。このアクチュエータは、ノズルチャンバの壁にあるスロットによって受けられたアームを介してパドルに接続されている。下側能動梁に電流が流れると、アクチュエータは上方に曲がり、したがって、パドルが、ノズルチャンバの屋根に画定されたノズル開口の方に動き、それによってインク液滴が吐出される。この設計の利点は、構造の単純性にある。この設計の欠点は、パドルの両面が、ノズルチャンバ内部で比較的粘性のあるインクに作用する点である。
【０００５】
本出願人の米国特許第６，２６０，９５３号には、アクチュエータが、ノズルチャンバの可動屋根部分を形成するインクジェットノズルが記載されている。このアクチュエータは、蛇行した導電材料製コアがポリマー材料で収容された形を取る。作動すると、アクチュエータは、ノズルチャンバの床の方に曲がり、チャンバ内の圧力が増大し、チャンバの屋根に画定されたノズル開口からインク液滴が押し出される。ノズル開口は、屋根の非可動部分に画定されている。この設計の利点は、可動屋根部分の片面しか、ノズルチャンバ内部で比較的粘性のあるインクと作用しなくてすむという点である。この設計の欠点は、蛇行した導電素子がポリマー材料で収容されたアクチュエータの構造を、ＭＥＭＳ製造工程において実現するには困難であるという点である。
【０００６】
本出願人の米国特許第６，６２３，１０１号には、ノズル開口が画定された可動屋根部分を有するノズルチャンバを備えたインクジェットノズルが記載されている。可動屋根部分は、アームを介して、ノズルチャンバの外部に配置された熱曲げアクチュエータに接続されている。このアクチュエータは、上側能動梁が下側受動梁から間隔を置いて配置された形を取る。能動梁と受動梁との間隔を置くことによって、受動梁が能動梁のヒートシンクとして作用することができなくなるため、熱曲げ効率が最大となる。電流が上側能動梁に流れると、ノズル開口が画定された可動屋根部分が、ノズルチャンバの床の方に回転することになり、それによってノズル開口から吐出される。ノズル開口が屋根部分と共に動くため、ノズルリムの形状を適切に改変することによって、液滴飛翔方向を制御することができる。この設計の利点は、可動屋根部分の片面しか、ノズルチャンバ内部で比較的粘性のあるインクと作用しなくてすむという点である。更なる利点は、能動梁部材と受動梁部材とを間隔を置いて配置することによって、熱損失が最小限に抑えられるという点である。この設計の欠点は、能動梁部材と受動梁部材とを間隔を置いて配置することで、構造的剛性が失われるという点である。
【０００７】
従来、曲げアクチュエータによって作動する種類のインクジェットノズルでは、ノズル開口から所定の容量のインク液滴を吐出させるために、必要なインク容量を変位（ｄｉｓｐｌａｃｅ）させる必要があると考えられていた。したがって、インクジェットノズル設計は、所与のエネルギー入力で、熱曲げアクチュエータを最大限変位させることに主に焦点が絞られていた。
【０００８】
熱曲げアクチュエータの曲げ作動効率を改善し、一方でインクジェットプリントヘッドにノズルを高密度で実装することを可能とし、且つ液滴吐出特性を最適化することが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６，４１６，１６７号
【特許文献２】米国特許第６，２６０，９５３号
【特許文献３】米国特許第６，６２３，１０１号
【発明の概要】
【００１０】
第１の態様において、本発明は、
ノズル開口及びインク入口を有する、インクを収容するノズルチャンバと、
前記アセンブリの一端部に配置され、駆動回路に接続された１対の電気接点と、
前記ノズル開口からインクを吐出させる熱曲げアクチュエータと
を具備し、前記アクチュエータが、
前記電気接点に接続され、前記接点から長手方向に離れて延びる能動梁であり、前記接点間で屈曲した電流流路を画定する、能動梁と、
前記能動梁に融着された受動梁であり、前記能動梁に電流が流れると、前記能動梁が発熱し、前記受動梁に比べて膨張し、その結果前記アクチュエータが曲がる、受動梁と
を備え、
前記アクチュエータが、前記アクチュエータの前記曲げの間、前記インク内で正圧パルスを生成する作用面を有し、前記作用面が８００平方ミクロン未満の面積を有する、インクジェットノズルアセンブリを提供する。
【００１１】
任意選択で、前記作用面は、６００ミクロン未満の面積を有する。
【００１２】
任意選択で、前記作用面は、前記受動態梁の面によって画定される。
【００１３】
任意選択で、インクジェットノズルアセンブリは、少なくとも２．５ｍ／ｓのピークアクチュエータ速度をもたらすように構成される。
【００１４】
任意選択で、前記駆動回路は、前記能動梁に作動パルスを搬送するように構成され、各作動パルスは、前記能動梁に２００ｎＪ未満のエネルギーを搬送する。
【００１５】
任意選択で、前記駆動回路は、前記能動梁に作動パルスを搬送するように構成され、各作動パルスは、０．２マイクロ秒未満のパルス幅を有する。
【００１６】
任意選択で、前記能動梁及び受動梁はそれぞれ、５０ミクロン未満の長さを有する。
【００１７】
任意選択で、前記能動梁及び受動梁はそれぞれ、１５ミクロン未満の幅を有する。
【００１８】
任意選択で、前記能動梁及び受動梁は、合わせて少なくとも１．５ミクロンの厚さを有する。
【００１９】
任意選択で、前記能動梁は、第１の接点から長手方向に延びる第１のアームと、第２の接点から長手方向に延びる第２のアームと、前記第１のアームと前記第２のアームとを接続する接続部材とを備える。
【００２０】
任意選択で、前記第１のアーム及び第２のアームのそれぞれは、５ミクロン未満の幅を有する抵抗発熱要素をそれぞれ備える。
【００２１】
任意選択で、前記接続部材は、前記第１のアームの遠位端と前記第２のアームの遠位端とを相互接続し、前記遠位端は、前記電気接点よりも遠位にある。
【００２２】
任意選択で、前記能動梁は、窒化チタン、窒化チタンアルミニウム、及びバナジウム−アルミニウム合金を含む群から選択された材料から成る。
【００２３】
任意選択で、前記受動梁は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、及び酸窒化ケイ素を含む群から選択された材料から成る。
【００２４】
任意選択で、ノズルチャンバは、床と、可動部分を有する屋根とを備え、前記アクチュエータの作動によって、前記可動部分が前記床の方に動く。
【００２５】
任意選択で、前記可動部分は、前記アクチュエータを備える。
【００２６】
任意選択で、ノズル開口は可動部分に画定され、したがってノズル開口は床に対して移動可能となる。
【００２７】
任意選択で、前記インクジェットノズルアセンブリは、１５００平方ミクロン未満のフットプリント面積を有する。
【００２８】
別の態様において、本発明は、複数のノズルアセンブリを具備するインクジェットプリントヘッドであって、各ノズルアセンブリが、
ノズル開口及びインク入口を有する、インクを含有するノズルチャンバと、
前記アセンブリの一端部に配置され、駆動回路に接続された１対の電気接点と、
前記ノズル開口からインクを吐出させる熱曲げアクチュエータと
を備え、前記アクチュエータが、
前記電気接点に接続され、前記接点から長手方向に離れて延びる能動梁であり、前記接点間で屈曲した電流流路を画定する、能動梁と、
前記能動梁に融着された受動梁であり、前記能動梁に電流が流れると、前記能動梁が発熱し、前記受動梁に比べて膨張し、その結果前記アクチュエータが曲がる、受動梁と
を備え、
前記アクチュエータが、前記アクチュエータの前記曲げの間、前記インク内で正圧パルスを生成する作用面を有し、前記作用面が８００平方ミクロン未満の面積を有する、インクジェットプリントヘッドを提供する。
【００２９】
第２の態様において、本発明は、複数のノズルアセンブリを有するプリントヘッドであって、各ノズルアセンブリが、
ノズル開口及びインク入口を有する、インクを含有するノズルチャンバと、
アクチュエータの曲げの間、前記インク内で正圧パルスを生成することによって、ノズル開口からインク液滴を吐出させる曲げアクチュエータと、
前記プリントヘッドにインクを供給するインク供給システムと、
前記プリントヘッドに供給されるインクの静水圧を変動させる手段と
を備え、
前記インク静水圧の増大によって、前記吐出インク液滴の容量が増大し、前記インク静水圧の低減によって、前記吐出インク液滴の容量が減少する、プリントヘッドを具備する、インクジェットプリンタを提供する。
【００３０】
任意選択で、前記吐出インク液滴の容量は、最小液滴容量に対して少なくとも１００％増大させることができる。
【００３１】
任意選択で、プリントヘッド面は、疎水性層によって画定される。
【００３２】
任意選択で、前記疎水性層は、ＰＤＭＳ層である。
【００３３】
任意選択で、前記疎水性層は、比較的親水性のノズル板上に配設される。
【００３４】
任意選択で、インクのメニスカスは、各ノズル開口にわたって親水性／疎水性界面で留まる。
【００３５】
任意選択で、各ノズルアセンブリは、前記曲げアクチュエータに作動パルスを搬送する駆動回路を備える。
【００３６】
任意選択で、前記駆動回路は、各作動パルスが、前記アクチュエータに２００ｎＪ未満のエネルギーを搬送するように構成される。
【００３７】
任意選択で、前記曲げアクチュエータは、
１対の電気接点に接続された能動梁と、
前記能動梁と機械的に協働する受動態梁であり、能動梁に電流が流れると、能動梁が発熱し、受動梁に比べて膨張し、その結果アクチュエータが曲がる、受動梁と
を備える。
【００３８】
任意選択で、各ノズルアセンブリは、その一端部に配置された前記１対の電気接点を備え、前記能動梁は、前記接点から長手方向に離れて延びて、前記接点間で屈曲した電流流路を画定する。
【００３９】
任意選択で、前記能動梁は、前記受動態梁に融着される。
【００４０】
任意選択で、前記能動梁は、第１の接点から長手方向に延びる第１のアームと、第２の接点から長手方向に延びる第２のアームと、前記第１のアームと第２のアームとを接続する接続部材とを備える。
【００４１】
任意選択で、前記第１及び第２のアームのそれぞれは、抵抗発熱要素をそれぞれ備える。
【００４２】
任意選択で、前記接続部材は、前記第１のアームの遠位端と前記第２のアームの遠位端とを相互接続し、前記遠位端は、前記電気接点よりも遠位にある。
【００４３】
任意選択で、前記能動梁は、窒化チタン、窒化チタンアルミニウム、及びバナジウム−アルミニウム合金を含む群から選択された材料から成る。
【００４４】
任意選択で、前記受動梁は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、及び酸窒化ケイ素を含む群から選択された材料から成る。
【００４５】
任意選択で、各ノズルチャンバは、床と、可動部分を有する屋根とを備え、前記アクチュエータの作動によって、前記可動部分が前記床の方に動く。
【００４６】
任意選択で、前記可動部分は、前記アクチュエータを備える。
【００４７】
任意選択で、ノズル開口は可動部分に画定され、したがってノズル開口は床に対して移動可能となる。
【００４８】
更なる態様において、本発明は、所定の容量のインク液滴を吐出させるプリントヘッドを構成する方法であって、
（ｉ）複数のノズルアセンブリを有するプリントヘッドを用意するステップであり、各ノズルアセンブリが、
所定の寸法のノズル開口を有する、インクを含有するノズルチャンバと、
アクチュエータの曲げの間、前記インク内で正圧パルスを生成することによって、ノズル開口からインク液滴を吐出させる曲げアクチュエータと
を備える、ステップと、
（ｉｉ）前記プリントヘッドに供給されるインクの静水圧を変動させ、それによって吐出されるインク液滴の容量を変動させるステップと、
（ｉｉｉ）前記所定の容量に対応する最適インク静水圧を決定するステップと、
（ｉｖ）前記最適インク静水圧で前記プリントヘッドにインクを供給するインク供給システムを構成するステップと
を含む方法を提供する。
【００４９】
第３の態様において、本発明は、１〜２．５ｐＬの範囲の容量を有するインク液滴を吐出させるように構成されたインクジェットプリンタであって、
複数のノズルアセンブリを有するプリントヘッドであり、各ノズルアセンブリが、
４〜１２ミクロンの範囲の最大寸法を有するノズル開口、及びインク入口を有する、インクを含有するノズルチャンバと、
アクチュエータの曲げの間、前記インク内で正圧パルスを生成することによって、ノズル開口からインク液滴を吐出させる曲げアクチュエータと、
前記プリントヘッドに１〜３００ｍｍのＨ２Ｏの範囲の正静水圧でインクを供給するように構成されたインク供給システムと
を備える、プリントヘッドを具備する、インクジェットプリンタを提供する。
【００５０】
任意選択で、前記ノズル開口は、６〜１０ミクロンの範囲の最大寸法を有する。
【００５１】
任意選択で、前記インク供給システムは、前記プリントヘッドに５〜２００ｍｍＨ２Ｏの範囲の正静水圧でインクを供給するように構成される。
【００５２】
任意選択で、前記静水圧は、前記プリントヘッド注入時（ｐｒｉｍｅｄ）に、前記ノズル開口で凸状メニスカスをもたらす。
【００５３】
任意選択で、プリントヘッド面は、疎水性層によって画定される。
【００５４】
任意選択で、前記疎水性層は、ＰＤＭＳ層である。
【００５５】
任意選択で、前記疎水性層は、比較的親水性のノズル板上に配設される。
【００５６】
任意選択で、インクのメニスカスは、各ノズル開口にわたって親水性／疎水性界面で留まる。
【００５７】
任意選択で、各ノズルアセンブリは、前記曲げアクチュエータに作動パルスを搬送する駆動回路を備える。
【００５８】
任意選択で、前記駆動回路は、各作動パルスが、前記アクチュエータに２００ｎＪ未満のエネルギーを搬送するように構成される。
【００５９】
任意選択で、前記曲げアクチュエータは、
１対の電気接点に接続された能動梁と、
前記能動梁と機械的に協働する受動態梁であり、能動梁に電流が流れると、能動梁が発熱し、受動梁に比べて膨張し、その結果アクチュエータが曲がる、受動梁と
を備える。
【００６０】
任意選択で、各ノズルアセンブリは、その一端部に配置された前記１対の電気接点を備え、前記能動梁は、前記接点から長手方向に離れて延びて、前記接点間で屈曲した電流流路を画定する。
【００６１】
任意選択で、前記能動梁は、前記受動態梁に融着される。
【００６２】
任意選択で、前記能動梁は、第１の接点から長手方向に延びる第１のアームと、第２の接点から長手方向に延びる第２のアームと、前記第１のアームと第２のアームとを接続する接続部材とを備える。
【００６３】
任意選択で、前記第１及び第２のアームのそれぞれは、抵抗発熱要素をそれぞれ備える。
【００６４】
任意選択で、前記能動梁は、窒化チタン、窒化チタンアルミニウム、及びバナジウム−アルミニウム合金を含む群から選択された材料から成る。
【００６５】
任意選択で、前記受動梁は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、及び酸窒化ケイ素を含む群から選択された材料から成る。
【００６６】
任意選択で、各ノズルチャンバは、床と、可動部分を有する屋根とを備え、前記アクチュエータの作動によって、前記可動部分が前記床の方に動く。
【００６７】
任意選択で、前記可動部分は、前記アクチュエータを備える。
【００６８】
任意選択で、ノズル開口は可動部分に画定され、したがってノズル開口は床に対して移動可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】部分的に製造されたインクジェットノズルアセンブリの切欠斜視図である。
【図２】最終段階の製造ステップによる完成後の、図１に示すインクジェットノズルアセンブリの切欠斜視図である。
【図３Ａ】負の静水圧でインクを供給した任意のプリントヘッドを示す概略図である。
【図３Ｂ】正の静水圧でインクを供給した任意のプリントヘッドを示す概略図である。
【図４】負の静水圧でインクを注入したインクジェットノズルアセンブリを示す図である。
【図５】正の静水圧でインクを注入したインクジェットノズルアセンブリを示す図である。
【図６】様々な静水圧でインクを供給するように構成されたインク供給システムを有するインクジェットプリンタを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００７０】
次に、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態を単なる例によって説明する。
【００７１】
最大液滴吐出速度で構成された熱曲げアクチュエータ
図１及び図２は、２つの異なる製造段階にあるノズルアセンブリ１００を示す。このノズルアセンブリは、先に出願された本出願人の２００７年６月１５日出願の米国特許出願第１１／７６３，４４０号に記載のノズルアセンブリに構造が類似しており、上記出願の内容を参照により本明細書に組み込む。
【００７２】
図１は、能動梁層及び受動梁層の特徴を例示するように、部分的に形成されたノズルアセンブリを示す。したがって、図１を参照すると、ＣＭＯＳシリコン基板１０２上に形成されたノズルアセンブリ１００が示されている。ノズルチャンバが、基板１０２から間隔を置いて配置された屋根１０４と、屋根から基板１０２まで延びる側壁１０６とによって画定されている。屋根１０４は、可動部分１０８と、固定部分１１０とから成り、これらの部分の間には、間隙１０９が画定されている。ノズル開口１１２が、インクを吐出させるために可動部分１０８に画定されている。
【００７３】
可動部分１０８は、上側能動梁１１４が下側受動梁１１６に融着された形の１対の片持ち梁を有する熱曲げアクチュエータを備える。下側受動梁１１６は、屋根の可動部分１０８の範囲を画定している。上側能動梁１１４は、１対のアーム１１４Ａ及び１１４Ｂを備え、これらのアームは、それぞれの電極接点１１８Ａ及び１１８Ｂから長手方向に延びている。アーム１１４Ａと１１４Ｂとは、遠位端で接続部材１１５によって接続されている。接続部材１１５は、チタン導電パッド１１７を備えることができ、このパッドによって、この接合領域周辺で電気伝導が促進される。したがって、能動梁１１４は、電極接点１１８Ａと１１８Ｂとの間で屈曲した、又は蛇行した導電経路を画定している。
【００７４】
電極接点１１８Ａ及び１１８Ｂは、ノズルアセンブリの一端部で互いに隣接して配置され、それぞれのコネクタポスト１１９を介して、基板１０２の金属ＣＭＯＳ層１２０に接続されている。ＣＭＯＳ層１２０は、曲げアクチュエータを作動させるのに必要な駆動回路を含む。
【００７５】
受動梁１１６は、典型的には、二酸化ケイ素、窒化ケイ素等の任意の電気及び熱絶縁材料から成る。熱弾性能動梁１１４は、窒化チタン、窒化チタンアルミニウム、及びアルミニウム合金等の適切な任意の熱弾性材料から成ることができる。本出願人の同時係属の２００６年１２月４日出願の米国特許出願第１１／６０７，９７６号（代理人整理番号ＩＪ７０ＵＳ）で説明されているように、バナジウム−アルミニウム合金が好ましい材料であり、その理由は、バナジウム−アルミニウム合金は、高い熱膨張性、低密度、及び高いヤング率という有利な特性を兼ね備えているからである。
【００７６】
図２を参照すると、その後の製造段階で完成したノズルアセンブリ１００が示されている。図２のノズルアセンブリは、ノズルチャンバ１２２と、ノズルチャンバにインクを供給するインク入口１２４とを有する。更に、プリントヘッドの剛性ノズル板の一部を画定している屋根１０４は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）等のポリマー材料層１２６で被覆されている。ポリマー層１２６は、曲げアクチュエータの保護、屋根１０４（及びプリントヘッド面）の疎水化、及びギャップ１０９に対する機械的封止の実現を含めて、多数の機能を有する。ポリマー層１２６は、作動し、ノズル開口１１２からインクが吐出されるように、十分に低いヤング率を有する。ポリマー層１２６の機能及び製造を含めた、ポリマー層１２６のより詳細な説明が、例えば、２００７年１１月２９日出願の米国特許出願第１１／９４６，８４０号に見られ、上記出願の内容を参照により本明細書に組み込む。
【００７７】
ノズルチャンバ１２２からインク液滴を吐出させる必要があるとき、電極接点１１８間で、能動梁１１４に電流を流す。能動梁１１４は、電流によって急速に発熱し、受動梁１１６に比べて膨張し、それによって、可動部分１０８が固定部分１１０よりも基板１０２の方に下方に曲がることになる。この動きにより、次いで、ノズルチャンバ１２２内部の圧力が急速に増大することによって、ノズル開口１１２からインクが吐出される。電流を停止すると、可動部分１０８は、図１及び図２に示す静止位置に戻ることになり、それによってインクが次の吐出に備えて入口１２４からノズルチャンバ１２２内に吸い上げられる。
【００７８】
図１及び図２に示すノズル設計では、曲げアクチュエータが、各ノズルアセンブリ１００の可動部分１０８の少なくとも一部を画定していることが有利である。この設計によって、ノズルアセンブリ１００の全体的な設計及び製造が簡単になるだけでなく、可動部分１０８の片面（すなわち、下側の「作用面」）しか、比較的粘性のあるインクと作用しなくてすむことになるため、より高い吐出効率が得られる。上記に比べて、アクチュエータパドルがノズルチャンバ１２２内に配置されたノズルアセンブリは、アクチュエータの両面が、チャンバ内部のインクに作用しなければならないので、効率が下がる。
【００７９】
しかし、曲げアクチュエータの全体的な効率を改善することがなおも求められている。本発明によれば、熱曲げアクチュエータの作用面は、８００平方ミクロン未満の面積を有する。任意選択で、この作用面は、７００平方ミクロン未満、又は６００平方ミクロン未満の面積を有する。
【００８０】
図１及び図２に示すように、熱曲げアクチュエータの作用面は通常、受動梁１１６の下面（内側面）によって画定され、この面が、ノズルチャンバ１２２内に含まれたインクに作用する。
【００８１】
熱曲げアクチュエータの作用面面積を低減させると、熱曲げアクチュエータの従前の設計から大きく離れることになる。これまで、必要容量のインクを変位させることが、ノズル開口からの液滴吐出を左右する主な要因であると考えられていた。したがって、１〜２ｐＬ（例えば１．２〜１．８ｐＬ）の典型的なインク液滴容量を許容可能な液滴吐出速度（例えば５〜１５ｍ／ｓ）で実現するには、少なくとも１５００平方ミクロンの面積を有する作用面を変位させる必要があると考えられていた。液滴吐出特性を改善する努力は、アクチュエータの変位を最大にすることにこれまで焦点が絞られてきており、これは通常、アクチュエータを長くし、それによってその作用面面積を増大させることによって実現される。しかし、本出願人の実験により、予想に反して、曲げ作用中のアクチュエータのピーク速度が、許容可能な液滴速度及び液滴容量で最適液滴吐出を実現する際に、より重要な要因となることが判明した。
【００８２】
十分なピークアクチュエータ速度が実現されることを条件とすると、作用面面積が比較的小さくとも、優れた液滴吐出が実現される。十分に高いピークアクチュエータ速度とは、典型的には少なくとも約２．５ｍ／ｓである。
【００８３】
ピークアクチュエータ速度は、作動中に能動梁をいかに急速に加熱するかによって制御することができる。本出願人の２００８年５月５日出願の米国特許出願第１２／１１４，８２６号（その内容を参照により本明細書に組み込む）で説明したように、能動梁の急速加熱は、０．２マイクロ秒未満（例えば、約０．１マイクロ秒）の比較的短い作動パルス幅、及び／又は断面積が比較的小さい（例えば、１０平方ミクロン未満、又は５平方ミクロン未満）発熱要素を備えた能動梁によって実現することができる。典型的には、各発熱要素は、５ミクロン未満の幅を有する。
【００８４】
しかし、ピークアクチュエータ速度はまた、作用面面積の関数でもあり、その理由は、作用面面積が小さいと、インクに対する作用も少なくなるからである。本発明では、最適液滴吐出特性は、作用面が２００〜８００平方ミクロン、又は２５０〜７００平方ミクロン、又は３００〜６５０平方ミクロンの面積を有する場合に実現されることが判明している。かかる作用面を少なくとも２．５ｍ／ｓのピーク速度で変位させると、典型的には６〜１２ｍ／ｓ、又は８〜１０ｍ／ｓの許容可能な液滴吐出速度が得られる。
【００８５】
前述から、本発明によって、熱曲げアクチュエータを備えるインクジェットノズルアセンブリの作用面面積の大幅な低減が実現されることが理解されよう。したがって、各インクジェットノズルアセンブリのフットプリント面積を低減させることができ、そのため、インクジェットプリントヘッドにノズルをより高密度で実装することが可能となる。典型的には、本発明によるプリントヘッドの各ノズルアセンブリのフットプリント面積は、１２００平方ミクロン未満、又は１０００平方ミクロン未満、又は８００平方ミクロン未満である。
【００８６】
より具体的には、作用面面積は、熱曲げアクチュエータの長さを６０ミクロン未満、又は５０ミクロン未満にすることによって低減させることができる。アクチュエータの長さを低減させると、アクチュエータの曲げ方向における剛性が増し、アクチュエータの全体的な効率が更に改善されることになる。アクチュエータの曲げ方向剛性はまた、アクチュエータの全体的な厚みによっても左右される。任意選択で、曲げアクチュエータは、少なくとも１．３ミクロン、又は少なくとも１．５ミクロンの厚さを有する。
【００８７】
更に、作用面面積は、熱曲げアクチュエータの幅を２０ミクロン未満、又は１５ミクロン未満にすることによって低減させることができる。アクチュエータの幅の低減は、プリントヘッドへのノズル実装密度を増大させるのに最も大きな効果を有し、その理由は、より多くのノズルをノズル列に嵌め込むことができるからである。
【００８８】
最終的に、本発明は、高密度のノズル実装を、優れた液滴吐出効率、及び優れた液滴特性と共に実現する。例えば、２００ｎＪ未満（又は１５０ｎＪ未満）の入力エネルギーを、約０．１マイクロ秒のパルス幅で搬送すると、少なくとも２．５ｍ／ｓのピークアクチュエータ速度を生成するのに十分である。上記で、８〜１０ｍ／ｓの液滴吐出速度が得られる。
【００８９】
更に、吐出されるインク液滴は形状が良く、驚くべきことに、サテライト液滴がほとんど、又は全くない。サテライト液滴はインクジェット印刷において周知であり、吐出された液滴の尾部が主インク液滴から分離して、微細なサテライト液滴に分裂することから生じる。サテライト液滴は問題であり、全体的な印刷品質に影響を及ぼす可能性がある。本発明者らは、少なくとも２．５ｍ／ｓの比較的高いピークアクチュエータ速度でも、サテライト液滴の滴数が減少することを知り得ている。通常、サテライト液滴は、高い液滴吐出速度に伴うが、驚くべきことに、本発明では、少なくとも７ｍ／ｓ、少なくとも８ｍ／ｓ、又は少なくとも９ｍ／ｓの比較的高い液滴吐出速度でも、サテライト液滴はほとんど見られない。
【００９０】
要約すると、液滴吐出特性を制御する際、アクチュエータのピーク変位と、比較的広い作用面面積との組合せは、ピークアクチュエータ速度に比べると、それほど重要な要因ではないように思われ、作用面面積を最小限に抑えることによって、所与の入力エネルギーでより高いピークアクチュエータ速度を実現することができる。
【００９１】
インク圧を用いた液滴寸法の制御
ほとんどのインクジェットプリンタは、負のインク静水圧で動作する。これは主に、特に印刷停止時にプリントヘッド面にわたってインクが制御不能に溢れることを回避するためである。更に、インクのメニスカスは、表面張力によってノズル開口にわたって留まっているとき、凸状メニスカス（プリントヘッドから外方に隆起している）ではなく、凹状メニスカスを有することが好ましく、その理由は、凸状メニスカスは、プリントヘッド面上の微粒子によって破裂しやすく、その結果、微小に溢れる（ｍｉｃｒｏｆｌｏｏｄｉｎｇ）ことになるからである。図３Ａは、負のインク静水圧のため凹状メニスカス２０２を有する典型的なインクジェットノズル２００を示し、図３Ｂは、正の静水圧のため凸状メニスカス２０４を有する同じインクジェットノズルを示す。
【００９２】
インクジェットプリントヘッドのインク静水圧を制御する様々な手段が知られている。適切に構成されたインク供給システムでは、必要なインク圧でインクを搬送することができ、数多くの様々な形式のインク供給システムが知られている。例えば、インク貯蔵部のプリントヘッドに対する位置によって、極めて簡単な形式の圧力制御を実現することができ、すなわち、インク貯蔵部２０６をプリントヘッド２０５よりも上に配置すると、正のインク静水圧が得られ（図３Ｂ参照）、インク貯蔵部２０６をプリントヘッド２０５よりも下に配置すると、負のインク静水圧が得られる（図３Ａ参照）。プリントヘッドのインク静水圧を制御する他の手段も当業者には周知であり、特定の圧力制御手段の詳細は、本発明と密接に関係するものではない。
【００９３】
上記で論じたように、本出願人は、疎水性表面を有するインクジェットプリントヘッドを開発してきた。この表面は、典型的にはＰＤＭＳ層１２６であり、プリントヘッド製造の後期段階でノズル屋根１０４上に配設する（例えば、本出願人の２００７年１１月２９日出願の米国特許出願第１１／９４６，８４０号参照）。ノズルチャンバの屋根１０４は、二酸化ケイ素又は窒化ケイ素から形成されるため、一般に親水性であり、インクのメニスカスは、ノズル開口１１２にわたって、屋根層１０４とＰＤＭＳ層１２６との間で画定される親水性／疎水性界面で留まる。図４は、上述のノズル機構１００の、負のインク静水圧によるインクの凹状メニスカス１５０を示す。
【００９４】
米国特許出願第１１／９４６，８４０号で説明されているように、疎水性ＰＤＭＳ層１２６は、プリントヘッド面の溢れを最小限に抑える一助となる。したがって、ＰＤＭＳ層１２６によって、凸状メニスカスでも、プリントヘッド面が溢れるという高い危険をなくすことが可能となる。図５に示すように、ＰＤＭＳ層１２６は厚みがあり、また、メニスカス１５１は親水性／疎水性界面で留まるため、凸状メニスカス１５１が（ＰＤＭＳ層の外面１２８によって画定される）プリントヘッド面から突出することはない。ＰＤＭＳ層１２６は、メニスカス１５１をいかなる微粒子からも効果的に遮蔽し、一方で、プリントヘッド面の溢れを最小限に抑えるエネルギー障壁として作用し、したがって、インクが毛管作用によって疎水性ＰＤＭＳ層１２６上に動こうとする傾向が最小限に抑えられ、インクは、親水性／疎水性界面に留まる方がエネルギー的にもより好ましい、ということになる。
【００９５】
したがって、ＰＤＭＳ層１２６によって、ノズルアセンブリ１００は負圧によるインク供給と組み合わせて使用すべきという制約が課されなくなる。負のインク静水圧の制約がないため、本出願人の実験によって、正のインク静水圧を用いた凸状メニスカス１５１により、驚くべきことに、本明細書に記載の曲げ作動ノズルアセンブリ１００に、非常に異なる液滴吐出特性が得られることが見出された。
【００９６】
所与の寸法（例えば、直径）のノズル開口１１２では、正のインク静水圧によって、インクが負のインク静水圧で供給される同じノズル開口よりも大きい寸法及び容量のインク液滴が吐出されるという驚くべき事実が観測された。これまで、インク液滴の容量を左右する主な要因は、ノズル開口１１２の直径であると考えられていた。典型的には、吐出されたインク液滴は、そのインク液滴が放出されるノズル開口と同じ直径を有するものと予測される。したがって、直径１２ミクロンを有するノズル開口からは、典型的には、約０．９ｐＬのインク液滴が吐出される（これは、いくつかの用途では少なすぎることがある）。１４ミクロンのノズル開口では、典型的には、約１．４ｐＬのインク液滴が吐出される（これは、大部分のインクジェット用途で許容可能な液滴容量であると考えられている）。一般に、１〜２．５ｐＬ、又は１〜２ｐＬの範囲の液滴容量が、許容可能な液滴容量であると考えられている。
【００９７】
しかし、図５に示す正のインク静水圧を有するノズルアセンブリから吐出される場合、吐出されるインク液滴は、図４に示す負の静水圧を有するノズルアセンブリに比べて容量が最高１．５倍、最高２倍、又は最高３倍となることが観測された。
【００９８】
したがって、曲げ作動ノズル１００を有するプリントヘッドは、インク供給システムによって実現されるインク静水圧に依存して、異なるように設計すること、又は異なるように動作させることができる。例えば、正のインク静水圧を使用する場合、必要な液滴容量で、より一般的な負の静水圧を使用する場合よりもノズル開口を小さくすることができる。このことにより、ノズル開口がより小型となるため、プリントヘッドにノズルをより高密度に実装することが可能となる。典型的には、正の静水圧は１〜３００ｍｍＨ２Ｏの範囲でよく、任意選択で５〜２００ｍｍＨ２Ｏの範囲、又は任意選択で１０〜１００ｍｍＨ２Ｏの範囲でもよい。かかる正のインク圧を用いると、ノズル開口は、４〜１２ミクロン、又は任意選択で５〜１１ミクロン、又は任意選択で６〜１０ミクロンの範囲の最大寸法を有することができ、なおも許容可能な液滴容量が実現される。円形ノズル開口では最大寸法はその直径であり、楕円形ノズル開口では最大寸法はその長軸の長さである。
【００９９】
更に、プリントヘッドは、インク供給システムによって供給される静水圧を変動させることによって、その場で（ｉｎ  ｓｉｔｕ）異なって動作させることができる。いくつかのプリントヘッド用途（例えば、単純な黒字印刷）では、正の静水圧で動作させることによって、より多量の液滴容量を求めることができる。液滴容量がより多いと、より多くのインクが頁上に着滴し、光学濃度が最大となり、これは、標準の事務用紙に黒字印刷するときに特に望ましい。或いは、いくつかのプリントヘッド用途（例えば、写真印刷）では、より低い（例えば負の）インク静水圧で動作させることによって、より少量の液滴容量を求めることができる。液滴容量が少量であると、より高解像度の印刷が実現され、これは、写真印刷用途では特に望ましい。
【０１００】
ノズル設計を基本的に変えずに液滴容量を変動させる能力は、インクジェット印刷において重要な効果を有する。単純な黒字印刷及び／又は写真印刷のどちらをも、光学濃度又は写真品質をそれぞれ損なうことなく可能とするＳＯＨＯプリンタを提供することが、インクジェット印刷の目標である。同様に、異なる種類の紙上に印刷する際に液滴容量をその場で最適化する能力は、インクジェットプリンタ技術における重要な進歩を示す。
【０１０１】
例として、図３Ａ及び図３Ｂは、任意のプリントヘッド２０５と、インク供給システムとを備えるプリンタを概略的に示し、このインク供給システムは、インク貯蔵部２０６の高さをプリントヘッドに対して変動させることによって、異なるインク静水圧を実現することができる。当然ながら、インク供給システムを介してインク静水圧をその場で変動させるより高度な手段が、当業者には容易に明白であろう。例えば、図６に示すように、インク貯蔵部２０６内の上部空間２１１と連通している可逆式エアポンプ２１０と、エアポンプにフィードバック信号２１４を供給するインク圧センサ２１２とを使用することができる。
【０１０２】
当然ながら、本発明は、単なる例として説明したものにすぎず、添付の請求の範囲で規定される本発明の範囲内で、詳細の改変を行うことができることが理解されよう。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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