(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インク噴射チャンバを画定する本体であって、
前記噴射チャンバから前記プリントヘッドの外側に液体を伝達し、第１の平面に垂直な噴射方向軸を画定するオリフィスを画定する前記本体と、
前記本体に接続され、前記噴射チャンバ内の液体に熱を直接伝達する発熱抵抗体の加熱素子であって、前記液体に熱を提供して前記噴射チャンバ内で前記液体の一部を急速に気化させるように構成された加熱素子と、
前記加熱素子の少なくとも一部と同一の広がりを有する輪郭のある表面部を含む前記噴射チャンバと、
第１の平面に平行で、噴射方向に垂直な第２の平面を占有する前記輪郭のある表面部の少なくとも大きな部分と、
前記輪郭のある表面部と合わせられるオリフィスと、
平行で、離間する平面を占有する複数のくぼみ及び複数の隆起部分を画定する前記噴射チャンバの輪郭のある表面部と、
を備えていることを特徴とするサーマルインクジェット・プリントヘッド。
【請求項２】
前記くぼみが、前記加熱素子の少なくとも大きな部分の上で分散される配列で配置されていることを特徴とする請求項１に記載のサーマルインクジェット・プリントヘッド。
【請求項３】
前記くぼみの少なくともいくつかは、それらが前記くぼみの上方に隆起した平坦な表面の複数の表面水平域を取り囲み、かつ画定するように相互に連結されていることを特徴とする請求項１に記載のサーマルインクジェット・プリントヘッド。
【請求項４】
前記くぼみの少なくともいくつかは、端と端とをつないで隣接し、単一のチャネルを形成するチャネルセグメントであることを特徴とする請求項１に記載のサーマルインクジェット・プリントヘッド。
【請求項５】
前記くぼみは第１のレベルにある第１の平面を占有する平坦な底部を有し、前記第１のレベルより上方の第２のレベルに複数の隆起部分を備えていることを特徴とする請求項１に記載のサーマルインクジェット・プリントヘッド。
【請求項６】
基板を設ける工程と、
噴射チャンバ内の液体に熱を直接伝達して前記噴射チャンバ内で液体の一部を急速に気化させるように構成された発熱抵抗体である少なくとも１つの加熱素子を基板に設ける工程と、
第１のレベルにある複数の第１の表面部およびこれと異なる第２のレベルにある複数の第２の表面部を有する、前記加熱素子の輪郭を備えた表面を形成し、前記加熱素子の大きな平面に平行に広がる複数のくぼみを画定する工程と、
垂直な噴射方向軸を有するオリフィスを画定するプレートを前記基板に接続するものであって、輪郭のある表面と交差するように前記噴射方向軸を位置合わせし、前記噴射方向軸が前記大きな面に垂直となり、前記加熱素子から離間しチャンバを画定するように前記プレートを向ける工程と、
を含むことを特徴とするサーマルインクジェット・プリントヘッドを製造する方法。
【請求項７】
輪郭を備える表面を形成する前記工程は、それぞれが第１の表面部と第２の表面部との間に境界を画定する複数の縁を画定することを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
複数の縁を画定する前記工程は、前記縁の下に溝が形成されるように第１の表面部にアンダーカットを施すことを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
複数のインク噴射チャンバを画定する本体と、
発熱抵抗体である複数の加熱素子とを備え、
前記本体は、前記各噴射チャンバについて、前記噴射チャンバから前記プリントヘッドの外側に液体を伝達し、噴射方向軸の中心に置かれ、噴射方向軸に垂直なオリフィスを画定するものであり、
前記各加熱素子は、液体に熱を提供して前記各噴射チャンバ内で前記液体の一部を急速に気化させるように構成され、前記各加熱素子は、前記各噴射チャンバ内の液体に熱を直接伝達すべく前記本体に接続されており、前記各加熱素子は、それぞれのオリフィスと合わせられた前記噴射チャンバの輪郭のある表面部を画定する輪郭のある表面を有するものであり、
前記各噴射チャンバの輪郭のある各表面部は、前記噴射方向軸から傾斜して偏位される複数の輪郭特徴を画定している、
ことを特徴とするサーマルインクジェット・プリントヘッド。
【請求項１０】
前記輪郭を備える表面部は、それぞれが第１の表面部と隣接する第２の表面部との間の境界を画定する複数の縁を備え、各縁が隣接する第１及び第２の表面部から斜めに偏位される少なくとも１つの縁壁部を備え、前記各第２の表面部がそれぞれの縁壁部でそれぞれの第１の表面部と接していることを特徴とする請求項９に記載のサーマルインクジェット・プリントヘッド。
【請求項１１】
前記第２の表面部が均等に離間し、規則的な配列を形成していることを特徴とする請求項１０に記載のサーマルインクジェット・プリントヘッド。
【請求項１２】
前記各加熱素子は、均一な加熱性能が提供されるように実質的に同じ輪郭を備えた表面部を有していることを特徴とする請求項９に記載のサーマルインクジェット・プリントヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーマルインクジェットプリンティングに関し、より詳細には、サーマルインクジェット・プリントヘッドの加熱素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット・プリンティング機構は、着色剤の滴をプリント可能な表面上に噴射するペンを用いてイメージを生成する。かかる機構は、コンピュータのプリンタ、プロッタ、複写機およびファクシミリ等、広範囲の様々な用途に用いることができる。便宜上、本発明の概念は、プリンタの環境において説明する。インクジェット・プリンタは典型的には、多数の独立にアドレス指定することができる噴射ユニットを有するプリントヘッドを含む。各噴射ユニットは、共通のインク源と接続されたインク・チャンバおよびインク出口ノズルまたはオリフィスを含む。チャンバ内のトランスデューサが運動力(impetus)を与えて、インク滴がノズルを通って吐出される。
【０００３】
サーマルインクジェット・ペンにおいて、トランスデューサは、チャンバ内のインクのごく一部が急速に気化して気泡が形成されるのに十分な熱を与える抵抗加熱素子である。この気泡が、液体のインク滴をノズルから吐出させる。プリンタ出力を均一で正確にするためには、気泡形成のタイミング、大きさ、速度、形状および位置ができるだけ均一であることが望ましい。異なる噴射ユニット間でおよび１つのノズルから連続して生じる滴の間での均一であることが望まれている。
【０００４】
流体の沸騰特性に関係する均一性の問題がある。非均質核沸騰(heterogeneous nucleate boiling)または気泡核形成(bubble nucleation)は、一般に、加熱素子の表面または他の加熱される表面上の欠陥の場所で起こる。これらの欠陥は、亀裂、不連続面および複数の表面が角度をなして交わる縁や頂点である。非均質核沸騰は、十分な大きさの核形成位置が存在していないときにさらに熱エネルギが加えられた後に起こる均質つまり膜沸騰よりも、起こりやすい。従って、サーマルインクジェット・プリンティング中に起こる急速で均一性が変動しやすい沸騰の過程で最も大きな影響を及ぼすのは、非均質な核の形成である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
現存するサーマルインクジェット・プリントヘッドも、核形成位置を提供する鋭角の縁部を有する単一の小さい凹部を備えるくぼみ(basin)を備えるように形成した加熱素子をそれぞれの噴射チャンバに設けることによって、少なくとも部分的には非均質核沸騰過程を制御している。このくぼみは、それぞれのオリフィスよりも小さく、各オリフィスと位置合わせすることにより、潜在的な核形成位置がすべてオリフィスの開口部分の真下になるようになっている。このようにすることにより、噴射チャンバによっては核形成位置が欠如し、均質核形成を行うためにより高いエネルギーが必要になるというリスクが回避される。これらの位置をオリフィスと合わせて慎重に位置決めすることによって、中心線からずれた意図しない欠陥によって噴射方向の軸から外れた(off axis)滴が噴射する可能性も少なくなる。しかし、このようにシステムを改良しても、これまでは、性能を理想的に均一化することができなかった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
従来のシステムの均一性に関する欠点は、サーマルインクジェットにインク噴射チャンバおよびオリフィスを有する本体を設けることによって、低減または克服される。電気的に活性化された加熱素子が、噴射チャンバと熱的に連結する本体に接続され、少なくとも加熱素子の一部と同一の広がりを有する輪郭のある表面部(contoured surface portions)を含む。噴射チャンバの輪郭のある表面部は、複数のくぼみを有する。
【０００７】
【実施例】
図１は、平坦な上側表面１４を備える堅い平坦な基板１２を有するサーマルインクジェット・プリントヘッド１０を示す。基板の上側表面には、平坦な加熱素子１６が設けられる。加熱素子１６を取り囲む基板には、障壁層２０が設けられており、障壁層２０は、加熱素子の上に心合わせされた噴射チャンバ２２を画定する。障壁層の上面には、噴射チャンバを囲むようにオリフィスプレート２４が接続され、加熱素子の上に心合わせされたオリフィス２６が画定される。噴射チャンバは、少なくとも一側面に、インク供給プレナム３２によって供給されるインクの入口となる側面開口部３０を少なくとも１つ有する。プリントヘッドは、加熱素子、チャンバおよびオリフィスが同じように配置され、共通のプレナムによってインクが供給される、噴射ユニットが隣接して延長されるアレイを含む。
【０００８】
図２に示すように、加熱素子１６は、基板１２の上側表面１４の上層にありインク滴を噴射ユニットから吐出しなければならない場合に加熱素子の両端に電圧を印加する電動の制御装置（図示せず）に接続されている、１組の導電性アルミニウム・リード３４の間に接続されている。
【０００９】
図３に示すように、加熱素子１６は、平坦な下側表面３６およびこれと平行な平坦な上側表面４０を有する。加熱素子は、３層に積層されたものである。一番下の層は、基板の上側表面１４に載置されるＴａＡｌの抵抗薄膜３７である。抵抗膜の上に、電気的に絶縁するパシベーション層３８があり、パシベーション層の上に、機械的に保護するタンタルのキャビテーション・バリヤ３９がある。キャビテーション・バリヤ３９は、抵抗膜を気泡形成の応力から保護し、プリンティング中につぶれることを防ぐ。
【００１０】
複数の分離しているの四方形のくぼみ４２が、加熱素子１６の表面の大部分を横切って延びているアレイ内に画定される。これらのくぼみは、加熱素子の上側表面および下側表面と平行な平坦な底面又は床４４を有し、パシベーション層３８がくぼみ内で露出しないように限られた深さだけ延びている。他の実施例においては、パシベーション層は露出していてもよい。それぞれのくぼみの周辺は、くぼみの床４４のレベルと加熱素子の上側表面４０の間に段を提供する垂直の側壁４６によって画定されている。側壁４６がくぼみの床４４と交わるところは、鋭角部または内部縁５０になっており、上側表面４０と交わるところは、リム縁５２である。両方の縁はともに鋭い直角であるが、この変形も以下に説明する。実際は、エッチング工程に生来の制約があるために、鋭い縁はわずかに丸みがついている。これらの鋭い縁によって、沸騰が最も急速にすすみ、最も低いエネルギにおいて起こる傾向がある核形成位置５３が提供される。さらに、くぼみの床における厚さを薄くすることにより、より抵抗膜に近くなりキャビテーション・バリヤ３９を横切る熱勾配が低くなるため、より高い熱が与えられ、下側の核形成位置５０における沸騰をさらに促進することができる。
【００１１】
好適な実施例において、くぼみ４２は格子上に配置され、個々のくぼみは交互にチェッカー盤になるように配置されている。くぼみはそれぞれ、その上にくぼみが配置されている格子のピッチと等しいかそれよりも小さい幅および長さを有し、それぞれのくぼみの角において間隔が空き、隣接するくぼみの角と交差しないようになっている。加熱素子を基板に設けた後にくぼみを形成するのに用いるエッチング工程によって、上から見て角に丸みのあるくぼみが生じるので、くぼみの幅と同じピッチを有する格子上に配置されたくぼみ同士であっても分離が提供される。好適な実施例において、くぼみの幅は５から１０μｍの間であるが、本発明の利点は、さらなる小型化が実現するにつれてはっきりと理解される。図示の実施例においては１３個のくぼみが設けられているが、他の配置においては、これよりも多くのまたは少ないくぼみを設けてもよい。
【００１２】
図４ないし図８は、他の加熱素子表面の輪郭パターン(countour patterns)を示す。図４は、それぞれが好適な実施例のくぼみ４２と同様の断面を有する同心のリング型のくぼみ５６のパターンを有する加熱素子を有する他のプリントヘッドを示す。外側リングは大きく、それぞれのリングは、与えられた加熱素子の主要な(major)面積に対して、かなりの長さの縁５０、５２を有することによって、多くのくぼみの機能を果たして多くの核形成位置を提供する。図示のパターンを、同じ領域にわたって同様のくぼみおよびランド幅(land widths)を有する渦巻き型を形成するように変更することも可能である。かかるくぼみは、厳密な意味では複数の凹みではないが、縁５０、５２における加熱素子およびくぼんでいる領域の全体の面積および長さ寸法に対する割合が高いので、本願では「複数」と考える。。本出願においては、単一の「くぼみ」またはくぼみ部分は、その周辺の半分より多くを取り囲む縁を有する、水盤形、ポケット、チャネル、溝またはそれらの部分として画定される。従って、細長いチャネルは、それぞれの長さがその幅よりもわずかに長いだけの多数の個々のくぼみに分離していると解してもよい。
【００１３】
図５に示すように、他の実施例の加熱素子は、平行なチャネル６２によって画定される長方形に配列された個別の四方形の台地６０を有する。図４に関して上で触れたように、累加された台地の縁の長さは、同じ面積の四方形、円、楕円(oblong)または同様の簡単な形の単一の規則的なくぼみの縁の長さを累加したものよりもはるかに大きいので、チャネルの格子は複数のくぼみとみなされる。
【００１４】
好適な実施例は、側壁が垂直で縦断面が長方形のくぼみに関して説明しているが、図６、図７、図８は他のチャネルの縦断面を示す。図６において、側壁６４はアンダーカットされ、側壁が平坦な床４４に対して鋭角をなすように設けられている。鋭角の側の核形成位置６６は、少なくとも部分的に側壁の下に配置されており、核形成を向上される。側壁は、効果的であれば、鈍角を含むいかなる量だけ垂直からずれてもよい。図７は、図６のアンダーカットの代替例を示しており、この例において、従来のエッチング工程によって、縦断面が少なくとも縁において曲線状のつまり楕円形のチャネル７０が形成される。核形成位置７２は、図６の核形成位置と同様に配置されるが、図示のエッチング技術によって上側縁５２をより鋭角にして核形成をさらに促進してもよい。
【００１５】
図８は、さらなる他の実施例を示す。本実施例において、加熱素子の表面４０はほぼ平坦な平面であり、表面を横切って突出した隆起部７４が間隔をおいて配列されている。図８の実施例の隆起部および図５および図６の実施例のくぼみはすべて、上述した図１ないし図５に示すいずれのパターンに形成してもよい。
【００１６】
従来例の動作
図９Ａないし図９Ｄは、従来のサーマルインクジェット・プリントヘッド１１０の制限を示す。プリントヘッド１１０は、輪郭をとる表面の代わりに表面が平坦な加熱素子を有しているということを除いては、本発明の好適な実施例とほぼ同一に構成されている。従来のプリントヘッド１１０は、１組の噴射チャンバ１１２、１１４を有する。チャンバ１１４において、加熱素子には、オリフィス１２２を通る中央軸１２０からでたらめにずれた、意図しない欠陥である亀裂１１６がある。右側の噴射チャンバ１１４内の加熱素子にはこのような欠陥がない。その結果、図９Ｂに示すように、エネルギを両方の加熱素子に同時に印加すると、まず最初に左側のチャンバ１１２内の欠陥１１６において気泡１２４が核形成される。核形成位置がないとより高いエネルギが必要であるため、右側のチャンバではまだ気泡の形成が開始されていない。
【００１７】
図９Ｃに示すように、左側の気泡１２４は、左側のオリフィス１２２から滴１２６を追い出すことを開始するのに十分なだけ成長している。一方で、右側のチャンバ内でも気泡１３０ができているが、こちらは、核形成位置の助けなしで気泡形成を開始するにはより高いエネルギが必要なために遅れて形成されたので、左側の気泡１２０よりも小さい。図９Ｄにおいて、左側の滴は、気泡の位置が中心からずれていたために、軸から外れた経路を通って噴射される。左側の滴１２６は、プリント媒体（図示せず）と衝突するよう意図された位置から、空間的に外れている。右側の滴１３２は、たまたま軸を通って噴出されているが、その本来の位置からは時間的に外れている。プリントヘッドがプリント媒体の上を急速に横切ると、遅れた滴は、プリントヘッドの経路に沿って、適時に吐出される場合にデポジットされるよりも予定経路からより遠く外れてデポジットされる。
【００１８】
好適な実施例の動作
図１０Ａないし図１０Ｄに示すように、好適な実施例は、時間的にも空間的にも滴が外れることがない。図１０Ｂにおいて、核形成は、多くのまたは大部分のくぼみ４２で起こる。核形成がすべての予定位置、またはすべてのくぼみで起こらない場合であっても、十分な数のくぼみおよび形成位置があるので、少なくともいくつかの核形成位置においては素早く気泡形成が開始され、時間的に外れることが回避される。また、位置の数が多いことによって、すべての位置が核形成に効果的ではない場合であっても、結果として生じる気泡がうまく分配されることが保証されて、空間的に外れることも回避される。くぼみの量が多く広範囲に分配されていることによって、核沸騰から膜沸騰への遷移が加速され、さらに均一性が改善される。
【００１９】
図１０は、大部分またはすべてのくぼみ４２内で形成される小さな気泡８２を示す。図１０Ｄにおいて、気泡８２はそれぞれの噴射チャンバ内で合体している。結果として得られる気泡８４の表面つまり「波面」は従来の気泡よりも平坦で、滴８６を高い信頼性で軸を通って噴射する。平坦な波面にすることによって、オリフィスの位置の感度が低減される。これは、球状に膨張している気泡に関してわずかに軸がずれてオリフィスが位置することによってオリフィス近くのインク内に乱流や側方流動が生成される可能性がある従来のシステムよりも、改良されたところである。
【００２０】
好適な実施例において、加熱素子１６全体の厚さは約８〜１０μｍである。通常、抵抗膜３７の厚さは０．１０μｍ、パシベーション３８の厚さは０．７５μｍ、そしてキャビテーション・バリヤ３９の厚さは０．６μｍである。アルミニウムのリード線３４は、厚さが約０．７μｍであり、抵抗層とパッシベーション層の間に配置される。典型的な用途において、隣接する噴射ユニットは、中心において４０〜８０μｍの間隔をおいて配置されており、それぞれのオリフィスは直径が１０〜５０μｍであり、加熱素子の上に１４〜２５μｍの間隔をあけて配置されている。加熱素子は、一辺が約２０〜６０μｍの四方形であり、噴射チャンバは抵抗層よりも幅または直径が約１６μｍ大きい。くぼみは、抵抗層およびその他の層のフォトイメージング(phtoimaging)を連続して行った後でバリヤおよびオリフィスプレートを付加する前にエッチングによって形成されるが、キャビテーション・バリヤを次の２段階でイメージを生成してもよい。最初に、連続した平坦な層を生成し、次に、くぼみを規定する多孔性の層を生成する。
【００２１】
以上、本発明の実施例について詳述したが、以下、本発明の各実施態様の例を示す。
（実施態様１）
基板を設け、基板に加熱素子を設け、第１のレベルにある複数の第１の表面部おびこれと異なる第２のレベルにある複数の第２の表面部を有する輪郭を備える表面を加熱素子に形成する工程を含むインクジェット・プリントヘッドの製造方法。
（実施態様２）
輪郭を備える表面を形成する工程は、加熱素子から材料を除去することを含む前項１に記載のインクジェット・プリントヘッドの製造方法。
（実施態様３）
輪郭を備える表面を形成する工程は、前記加熱素子をエッチングすることを含む前項１または２に記載のインクジェット・プリントヘッドの製造方法。
（実施態様４）
輪郭を備える表面を形成する工程は、それぞれが第１の表面部と第２の表面部の間の境界を画定する複数の縁を画定することを含む前項１ないし３のいずれかに記載のインクジェット・プリントヘッドの製造方法。
（実施態様５）
複数の縁を画定する工程は、縁の下に溝が規定されるように第１の表面部にアンダーカットを施すことを含む前項４に記載のインクジェット・プリントヘッドの製造方法。
（実施態様６）
複数のインク噴射チャンバを画定する本体と、前記本体は、前記各発射チャンバについて、前記噴射チャンバから前記プリントヘッドの外側に液体を伝達するオリフィスを画定するものであり、
電気的に稼動される複数の加熱素子とを含み、
前記各加熱素子は、前記各噴射チャンバと熱を伝達する前記本体と接続されており、前記各加熱素子は、前記噴射チャンバの輪郭のある表面部を画定する輪郭のある表面を有するものであり、前記噴射チャンバの各表面部は、第１のレベルにある第１の表面部およびこれと異なる第２のレベルにある第２の表面部のパターンを備えることを特徴とするインクジェット・プリントヘッド。
（実施態様７）
第２の表面部が、隣接する表面部からある角度ずれた縁壁部を少なくとも１つ有する縁壁で第１の表面部と接することを特徴とする前項６に記載のインクジェット・プリントヘッド。
（実施態様８）
壁部が隣接する表面部の少なくとも１つから、少なくとも９０度ずれており、縁壁部が隣接する表面部の少なくとも１つと垂直または鋭角をなすようになっていることを特徴とする前項６または７に記載のインクジェット・プリントヘッド。
（実施態様９）
加熱素子のそれぞれが略同一の輪郭のある表面パターンを有しており、均一の加熱性能が与えられるようになっていることを特徴とする前項６ないし８のいずれかに記載のインクジェット・プリントヘッド。
（実施態様１０）
第２の表面部が等間隔をおいて配置されており規則的なを形成していることを特徴とする前項９に記載のインクジェット・プリントヘッド。
【００２２】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明では、加熱素子の表面に複数のくぼみを設け、気泡の核が生成される位置を提供することで均一量の気泡を均一の時間で生成することができる。したがって、一定のインク滴を噴射することができ、プリント品質を向上させる。
【００２３】
開示は好適なおよび他の実施例に関して説明しているが、本発明はこれによって限定されることを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるインクジェット・プリントヘッドの部分概略図。
【図２】図１の２−２線側断面図。
【図３】図１の２−２線拡大側断面図である。
【図４】本発明の他の実施例であるインクジェット・プリントヘッドの部分断面図。
【図５】本発明の他の実施例であるインクジェット・プリントヘッドの部分断面図。
【図６】本発明の他の実施例であるインクジェット・プリントヘッドの部分断面図。
【図７】本発明の他の実施例であるインクジェット・プリントヘッドの部分断面図。
【図８】本発明の他の実施例であるインクジェット・プリントヘッドの部分断面図。
【図９Ａ】従来装置の動作を説明する図。
【図９Ｂ】従来装置の動作を説明する図。
【図９Ｃ】従来装置の動作を説明する図。
【図９Ｄ】従来装置の動作を説明する図。
【図１０Ａ】図１に示される実施例の動作を説明する図。
【図１０Ｂ】図１に示される実施例の動作を説明する図。
【図１０Ｃ】図１に示される実施例の動作を説明する図。
【図１０Ｄ】図１に示される実施例の動作を説明する図。
【符号の説明】
１０：インクジェット・プリントヘッド
１２：基板
１６：加熱素子
２２：噴射チャンバ
２６：オリフィス
４２：くぼみ
５０：核形成位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
0004163766.tif 000015
【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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