JPH10109417A - 並列形態を有した、サーマルインクジェットプリンタのためのトランスジューサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 共通導体を除去し、フロントチャンネル長を
減少させる。 【解決手段】 実質的に線型のエッジ部分を有する基板
と、該基板上に配列された複数のトランスジューサとを
有したトランスジューサ素子であって、各トランスジュ
ーサは、第１の部分と第２の部分を有し、それらの部分
の間にスペースを形成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェットプ
リンタ、更に言えば、並列形態を有するトランスジュー
サを備えたサーマルインクジェットプリントヘッドに関
する。

【０００２】

【従来の技術】サーマルインクジェットプリントヘッド
では、加熱エネルギーは、チャンネルの１つ１つに位置
付けられ、また、個々にアドレッシング可能である、抵
抗のような、サーマルトランスジューサ素子によって生
成される。電圧が所定の抵抗の両端に印加されると、蒸
気の気泡がインク内部で核とされ、これによって、イン
クがチャンネルオリフィスから膨らむ。電圧は核形成ポ
イントを越えて印加され、その後、除去される。気泡
は、先ず膨張し、その後、崩壊する。崩壊した気泡は、
いくらかのインクをチャンネル中へ引き戻して、膨らん
だインクから分離し、この膨らんだインクは、インク滴
として、ノズルから離れる方向に、記録媒体に向かっ
て、放出される。記録媒体に衝突した際に、スポット、
即ち、マークが形成される。チャンネルは、その後、イ
ンクを液体インク供給容器から引き寄せる毛管作用によ
って再び満たされる。サーマルインクジェットプリンタ
の動作は、例えば、米国特許第４，８４９，７７４号に
記述されている。

【０００３】様々な動作状態が、丈夫で安定したインク
滴の発生や、インクジェットプリントヘッドのノズルか
らのインク滴の噴出に、影響を与える。例えば、トラン
スジューサに電圧を供給する電源回路における電圧降下
は、幾つのトランスジューサが一度にエネルギーの供給
を受けるかに依存して、トランスジューサ毎に変化し得
る。更に、トランスジューサアレイの中間のトランスジ
ューサに対する電圧降下は、トランスジューサアレイの
後部に位置付けられたトランスジューサに対する電圧降
下とは異なったものとなり得る。更に、ノズル開口から
の滴噴出距離も、滴の質に影響を与え得る。Ｄｒａｋｅ
等に付与された米国特許第４，６３８，３２８号は、複
数のノズルを通じて発せられるインク歪を摂動させるた
めに一定のサーマルパルスを利用した、連続スチームタ
イプのインクジェットプリントヘッドを記述する。１つ
の実施例では、抵抗はノズルに隣接するチャンネルの各
々に位置付けられている。１つの加熱抵抗形態は、共通
リターン電極を有し、第２の加熱抵抗は、個々のアドレ
ッシング電極に加えて、個々のグラウンド接続リターン
電極を有している。

【０００４】Ｈａｗｋｉｎｓ等に付与された米国特許第
４，８８７，０９８号は、次のようなプリントヘッドを
利用したサーマルインクジェットプリンタを記述する。
即ち、インク滴を放出するために使用される加熱素子に
対しての、このプリントヘッドの電気接続は、多数の抵
抗が同時にアドレスされたときに共通リターンの寄生抵
抗の影響を減少させるために変形されている。共通リタ
ーンは、抵抗素子と同じ基板レベルに形成されており、
第２の共通リターンとの相互接続を形成することによっ
て変形されている。Ｄｒａｋｅ等に付与された米国特許
第４，９８５，７１０号は、サーマルインクジェットプ
リンタで使用するための、「ルーフ シューター」ペー
ジ幅プリントヘッドを記述する。このプリントヘッド
は、複数のサブユニットを形成することによって製造さ
れており、これら複数のサブユニットは各々、加熱素子
のアレイを有する機構を備えた加熱基板を接着すること
によって製造されている。加熱素子は、アドレッシング
電極と共通リターンを備えた加熱素子を有する。

【０００５】

【発明の概要】本発明の１つの形態によれば、実質的に
線型のエッジ部分を有する基板と、該基板上に配列され
た複数のトランスジューサとを有したトランスジューサ
素子であって、前記の各トランスジューサは、第１の部
分と第２の部分を有し、それらの部分の間にスペースを
形成しているような、トランスジューサ素子が提供され
る。本発明の他の形態によれば、複数の離間されたノズ
ルを有するチャンネル素子と、このチャンネル素子と整
列され噛み合わされたトランスジューサ素子とを備えた
プリントヘッドであって、前記のトランスジューサ素子
は、実質的に線型のエッジ部分を有する基板と、該基板
上に配列された複数のトランスジューサとを有し、各ト
ランスジューサは、第１の部分と第２の部分を有し、そ
れらの部分の間にスペースを形成している、プリントヘ
ッドが提供される。

【０００６】

【発明の実施形態】図１は、Ｈａｗｋｉｎｓ等に付与さ
れた米国特許第４，７７４，５３０号に開示されたタイ
プのサーマルインクジェットプリントヘッド１０の部分
断面側面図を示している。また、Ｈａｗｋｉｎｓ等に付
与された米国特許第Ｒｅ３２，３５２号も参照のこと。
この断面図は、１つのアレイ、即ち、複数の延長インク
運搬チャンネル１２の１つに沿ったものである。インク
チャンネル１２は、一般にはポリシリコン基層を含んで
いるトランスジューサ、若しくは、加熱素子１６と噛み
合わされ、整列されているような、インク方向付け、即
ち、チャンネル素子１４に形成されている。プリントヘ
ッド１０は、インクの供給装置（図示されていない）か
ら、インク方向付け素子１４に形成されたインク供給ス
ロット１８を通じてインクを受け取る。インクは、イン
ク供給スロット１８を通じて、ある量のインクを含んだ
インクリザーバ中へ送り込まれ、最後は、そこから、矢
印２２の方向に、インクピット２４を通じ、チャンネル
１２を通じ、インク噴出オリフィス、若しくは、ノズル
２６を通じて外へ流れる。印刷の間に、加熱ピット３０
の下側に位置付けられた、加熱、若しくは、サーマルト
ランスジューサ２８も、インクで満たされ、ヒーター２
８上部のインクを蒸発させ始める。ピット壁３２は、加
熱ピット３０をインクピット２４から分離する。ヒータ
ーは、始動パルス信号によってエネルギーを付与され、
インクを加熱して、気泡がそこで核形成を行うようにす
る。気泡内側の蒸気圧力は、初期には、非常に大きいた
め、加熱パルスが終了した後でさえ、気泡を膨張させ
る。インクは、この気泡の膨張によって、前端３１とヒ
ーター２８の最も近接した部分との間を測定した長さＸ
の前チャンネル距離を有するチャンネル１２の一部を通
じて噴出される。十分な時間長が経過した後に、膨張さ
れた気泡内側の圧力は、大気圧以下の値まで軽減する。
気泡は、崩壊を開始し、インク滴は、チャンネルのイン
クから分離する。一旦インクが噴出されると、インクは
再び毛管作用によって矢印２２の方向に流れ、その後に
インクを噴出させるためにチャンネル１２と加熱ピット
３０を再び満たす。サーマルトランスジューサ２８は、
ヒーター２８の保護層として働くタンタル３３の層で覆
われている。

【０００７】図２は、従来の加熱素子１６の平面図を示
す。加熱素子１６は、既知のパターン技術によってポリ
シリコン基板上に形成されたヒーター、若しくは、サー
マルトランスジューサ４０の線型アレイを含んでおり、
このポリシリコン基板は、米国特許第Ｒｅ３５，５７２
号に記述されているような、化学蒸着法によって蒸着さ
れたドープ多結晶シリコンを含む。ヒーター４０は、加
熱素子１６の実質的に平坦な前端に沿って並列に整列さ
れている。加熱素子１６が、チャンネル素子１４と噛み
合わされたとき、個々のヒーター４０は、１つの１つの
ノズル２６と関連付けられる。ヒーター４０は、各々、
ドライバ４３の加熱素子の一部に位置付けられた１つの
ドライバによって個々に駆動される。このドライバ回路
は、各ヒーター４０と関連付けられた個々のドライバ４
３を作動させるアドレッシング論理回路４４によって制
御される。論理回路４４は、各接触パッド４６に結合さ
れており、これらの接触パッド４６は、当業者に知られ
ているように、サーマルトランスジューサ４０の個々の
動作を引き起こすために信号を発生するような、プリン
タ中のコントローラに結合されている。

【０００８】各ヒーター４０は、ドライバ４２に結合さ
れたリターンバス５０を有する共通バス４８に結合され
ている。共通バス４８は、グラウンド、若しくは、駆動
電圧のいずれかに結合されており、これは、図３を参照
すれば明らかになるだろう。共通バス４８は、しかしな
がら、その大きさと位置とによって、ノズル開口２６か
らヒーターの距離Ｘ（図１参照）を増大させる。この距
離が存在することから、ヒーターの大きさは、この距離
にわたってインクを噴出するために、相対的により大き
なものとされなければならない。更に、インクの粘性が
重要な変数となる。なぜなら、インクの粘性が上昇する
ために、インクが噴出され得る距離が小さなものとなる
からである。この結果、共通バス４８の存在は、不所望
な設計上の制約を生み出す。

【０００９】図３は、本発明の２部分並行形態を備えた
複数のヒータートランスジューサ６０を含んでいる線型
配列ノズルのアレイからインクを選択的に放出させるの
に必要とされ、また、加熱素子１６上に内在するよう
な、プリントヘッド集積回路の基本素子を示す図であ
る。このヒーターの形態は、プリントヘッドの前部に沿
った共通バス４８の必要を除去し、ノズル開口２６から
ヒーターの距離を効果的に減少させる。ある特別の実施
例では、サーマルインクジェット集積回路、若しくは、
チップは、電源６４によって生成される３８ボルト電源
６２によって電力を与えられるような、サーマルインク
ジェットヒーター６０を有する。ヒーター６０は各々、
一方の側をグラウンド６８に接続されたパワーＭＯＳ
ＦＥＴドライバ６６に、付加的に結合される。このパワ
ーＭＯＳ ＦＥＴドライバ６６は、ノズルからインクを
放出するために、ヒーター６０にエネルギーを与える。
サーマルインクジェットチップはどのような数のインク
ジェットヒーター６０をも含むことができるが、説明の
ため、図２は８個のヒーター６０を示している。

【００１０】各パワーＭＯＳ ＦＥＴドライバ３４の制
御は、ドライバ６６のゲートに自身の出力が結合されて
いるようなＡＮＤゲート７０によって達成される。電源
６４は、ＡＮＤゲートに対して、５ボルトより大きな出
力、一般には、１３ボルトの出力を与える。この動作電
圧によって、パワーＭＯＳ ＦＥＴドライバ６６は、プ
リンタから利用できる５ボルト電源６９によって利用可
能なものよりもより大きなゲート電圧の付与を通じて駆
動され得る。ヒーター６０を個々に始動させるために必
要な回路量を軽減するため、サーマルインクジェット集
積回路は、両方向性４８ビットポインタシフトレジスタ
７２を使用して、一度に、４つのヒーター６０まで制御
する。シフトレジスタ７２は、４つのＡＮＤゲート７０
を一度に制御する。印刷は、導体７４の両方向性Ｎビッ
トポインタシフトレジスタ７２の最も左側で開始するよ
うな、単一の１ビットポインタを用いて開始される。ポ
インタビットは、リセットライン７８が高状態になった
時のデータライン７６の状態に依存して、左側で始まっ
て右側へ伝播するか、若しくは、代わりに、右側で始ま
って左側に伝播する。１ビットの両方向性伝播は、両方
向性印刷のために必要である。シフトレジスタ７２の長
さは、共に始動されるヒーター６０の数や、プリントヘ
ッド自体におけるヒーター６０の総数に依存する。

【００１１】シフトレジスタ７２が、リセットライン７
８によってリセットされたときに、４ビットのデータ
が、データライン７６から４ビットシフトレジスタ８０
中へロードされる。４ビットシフトレジスタ８０は、当
業者によって理解されているように、シフトライン８２
によって伝送される信号によってシフトされ、ここで、
このシフトライン８２は、プリントヘッドコントローラ
からシフト情報を受け取る。４ビットのデータは、４ビ
ットレジスタ中にロードされており、シフトレジスタ７
２によって選択的に制御される４個のヒーターの１ブロ
ック内にあるヒーター６０が、４ビットシフトレジスタ
８０に位置付けられた４つのデータビットに従って、エ
ネルギーを付与されるかどうかを制御する。始動ライン
８４でプリントヘッドコントローラから受け取られた始
動制御パルスは、個々のヒーター６０にエネルギーを付
与する時間量を制御する。始動ライン８４上で受信され
る始動制御パルスのサイクルの間に、４つの新しい情報
ビットが４ビットシフトレジスタ８０中にロードされ
る。始動サイクルの完了は、シフトレジスタ７２のポイ
ンタビットを１つの位置だけ進め、始動サイクルを再び
開始する。アレイの１９２個のノズルについて、アドレ
スされる４８個の始動サイクルが存在する。全てのヒー
ター６０が一旦アドレスされると、シフトレジスタ７２
は、リセットライン７８によってリセットされる。ラッ
チ８６は、エネルギーを付与するため、４ビットシフト
レジスタ５０から各ＭＯＳ ＦＥＴＳ６６上へ情報をラ
ッチするために使用される。

【００１２】従来よく知られているように、噴出インク
の動作シーケンスは、インク充填チャンネルの抵抗性ヒ
ーターに付与される電気始動パルスで開始する。熱は、
この抵抗性ヒーターで消散し、インク、そして、周辺構
造に伝導される。この処理中に、抵抗性ヒーター、周辺
構造、及び、トランスジューサに隣接するインクの温度
は上昇する。インクに伝達される熱は、トランスジュー
サに接触するインクを核形成温度まで過熱するのに十分
なものでなければならない。この核形成温度は、インク
の通常の沸点よりも非常に高温であって、水性インクに
関して、この核形成温度は約２８０°Ｃである。この温
度に到達したときに、最初に小さな気泡がトランスジュ
ーサの表面上に現れる。時間が経つにつれ、これらの小
さな気泡は成長し、トランスジューサの全表面が１つの
気泡によって覆われるまで合体する。この処理は、始動
パルス長に比較して、非常に高速であり、短時間であっ
て、ほとんど瞬時に発生する。しかしながら、この時間
中も、エネルギーは依然としてトランスジューサの表面
と接触する残りのインクに伝送される。

【００１３】図４は、図３で前述したサーマルトランス
ジューサ、若しくは、ヒーター６０の第１の実施例を示
す。ヒーター６０は、ここでは、平面で示されており、
このヒーター６０は、第１の抵抗部分９０と第２の抵抗
部分９２を有し、これらの部分の間にスペース９４を有
する。第１の抵抗部分９０と第２の抵抗部分９２は、ア
ルミニウムのような導体９６によって互いに結合されて
いる（図３も参照のこと）。第１の導体９８は、第１の
抵抗部分９０を、３８ボルト電源６２に接続し、第２の
導体１００は、第２の抵抗部分９２を、ドライバ６６に
接続する。ヒーター６０は、ポリシリコン基板上に配列
されており、また、ドーピングによって、第１の抵抗部
分９０と第２の抵抗部分９２が、実質的に並行で、ま
た、図１の加熱素子１６の前端に対して実質的に直交す
るように形成されている。ヒーター６０は、第１の部分
９０と第２の部分９２の総長に等しい電気長と、実効長
「Ｌ」、即ち、ヒーター６０の一端から他端までの距離
を有する。

【００１４】ヒーター６０は、２つの対抗部分９０、９
２から成るため、これら２つの基準部分の間に位置付け
られたチャンネル９４は、ある実施例においてはドープ
されない。このスペース、即ち、ギャップは、ヒーター
６０の中央に沿って存在し、このギャップの幅「Ｗ」
は、可能な限り小さく、例えば、１若しくは２マイクロ
メートル幅に形成される。しかしながら、電流設計上の
ルールは、記述した実施例のポリシリコン版におけるギ
ャップ幅を、４マイクロメートルに制限するように思わ
れる。これは、総露出幅Ｙが４５マイクロメートルのオ
ーダにあることを必要とする３００スポット／インチの
ヒーター設計では満足できるものであるが、６００スポ
ット／インチのヒーターでは、ヒーターの総露出幅は、
ほぼ２５マイクロメートルを超過すべきでなく、それ
故、４マイクロメートルは大きすぎるギャップである。
しかしながら、スペース９４は事実上はほぼ３マイクロ
メートルで確立され得るものであること、また、プリン
トヘッド素子の前面に沿った共通導体の不存在によって
フロントチャンネルは実質的にはより短いことを仮定す
れば、このようなギャップは良好に動作するインク滴を
生成するのには十分に小さなものであること、を想像す
ることができる。

【００１５】最適な給与電圧は、他のパラメータ中、ポ
リシリコンに存在するイオンのインプラント投与量、若
しくは、量と、所定の電気長についてヒーターを所望の
電圧で動作させるような適当なインプラント投与量が原
則的に常に存在するようにしたヒーターの全長、若しく
は、電気長と、に依存することが分かっている。実際、
この投与量は達成することは困難である。本発明の形状
では、抵抗の幅は、ほぼ半分まで減少され、また、電気
長は、３００スポット／インチの従来の設計に比較し
て、ほぼ２のファクタだけ拡張されている。このこと
は、イオンインプラントが実質的に低くされない場合に
は、動作電圧はほぼ２倍になることを暗示している。し
かしながら、フロントチャンネル長はより短いものであ
るため、効果的なヒーター長は、結果として減少され得
ることが分かっている。例えば、計算を通じてのこれら
の設計の模型は、６００スポット／インチに加えて３０
０スポット／インチにおいても、記述した図４の形態
は、動作電圧を２倍にすることなしに、達成可能なイン
プラント投与量を用いて実施され得ること、を示してい
る。また、加熱素子を生成するために使用される技術に
依存して、本発明の形状は、シート抵抗を変更すること
なく、抵抗の長さを増加させることのみによって、動作
電圧を増大させるために使用することができる。

【００１６】記述した設計は、ドライバを提供しなけれ
ばならないような電流の重大な減少を含んでいること、
に注意することも重要である。例えば、６００スポット
／インチの場合、この減少は、ほぼ５０パーセントであ
る。更に、本発明はまた、ヒーター幅のフロントチャン
ネル長の減少による全チャンネル長の減少によって、周
波数応答を改善するものである。図５は、本発明の他の
実施例を示しており、ここでは、第１の部分１０２と第
２の部分１０４が、実質的にＵ字形状の部分１０６によ
って接続されており、ここで、Ｕ字形状部分と、第１の
部分と、第２の部分は、単一構造を備える。この単一構
造は、ポリシリコン基板をドーピングして、接続部分１
０６、若しくは、エルボが、抵抗部分１０２、１０４と
同じ物質で形成されるようにすることによって形成され
ている。この例では、しかしながら、電流クラウド（cu
rrent crowding) を発生させないことによってヒーター
におけるどのようなホットスポットをも防止するように
して、部分１０６を設計するよう、注意しなければなら
ない。実質的に円形形態１０８を提案したが、長円形状
のような他の形状を使用することもできる。前述したよ
うに、第１の部分１０２は、３８ボルト電源６２に接続
された導体１１０に接続されており、導体１１２は、グ
ラウンド６８に結合されている。

【００１７】共通導体が完全に除去されていることか
ら、記述した各実施例は、フロントチャンネル長を非常
に減少させる。導体９６、若しくは、Ｕ字形状部分１０
６を設計に含む、いずれの実施例においても、フロント
チャンネル長における減少は、ドロップ速度、ドロップ
量、インク潜伏時間（ink latency)のような、ある臨界
性能パラメータの制御を増大させる。記録媒体に到達す
るためにヒーターによってドロップが噴出されなければ
ならない距離が減少されるため、インクの粘性は従来設
計において現在利用可能なものから増大し得ることも予
想される。

【図面の簡単な説明】

【図１】サーマルインクジェットプリントヘッドの部分
断面側面図。

【図２】従来のトランスジューサを含んだプリントヘッ
ドの加熱素子の平面図。

【図３】本発明の並列形態を各々が有しているような複
数のトランスジューサを含んだインクジェット集積回路
の一実施形態を示す回路図。

【図４】本発明のトランスジューサの一実施形態の平面
図。

【図５】本発明のトランスジューサの第２の実施形態の
平面図。

【符号の説明】

１０ プリントヘッド １２ インクチャンネル １４ チャンネル素子 １６ 加熱素子 ２４ インクピット ２８ ヒーター ３０ 加熱ピット ４０ サーマルトランスジューサ ４２ ドライバ ４３ ドライバ ４４ アドレッシング論理回路 ４８ 共通バス ５０ リターンバス ６０ ヒータートランスジューサ ６６ パワーＭＯＳ ＦＥＴドライバ ３４ パワーＭＯＳ ＦＥＴドライバ ７２ シフトレジスタ ８０ ４ビットシフトレジスタ ８２ シフトライン ６０ ヒーター ９０ 第１の抵抗部分 ９２ 第２の抵抗部分 ９４ スペース １６ 加熱素子 １０２ 第１の部分 １０４ 第２の部分 １０６ Ｕ字形状部分

フロントページの続き (72)発明者 エデュアルド エメ フレイル アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14580 ウェブスター カーディール ドライヴ 611

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トランスジューサ素子において、 実質的に線型のエッジ部分を有する基板と、 該基板上に配列された複数のトランスジューサであっ
   て、各トランスジューサは、第１の部分と第２の部分を
   有し、それらの部分の間にスペースを形成している、前
   記複数のトランスジューサと、を備えることを特徴とす
   るトランスジューサ素子。
2. 【請求項２】 前記第１の部分と前記第２の部分は対抗
   している請求項１記載のトランスジューサ素子。
3. 【請求項３】 前記第１の部分と第２の部分は前記実質
   的に線型のエッジ部分に対して実質的に直交している請
   求項２記載のトランスジューサ素子。