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JPH10128977A - プリントヘッドおよび液体滴の形成方法 - Google Patents

プリントヘッドおよび液体滴の形成方法

Info

Publication number
JPH10128977A
JPH10128977A JP9311440A JP31144097A JPH10128977A JP H10128977 A JPH10128977 A JP H10128977A JP 9311440 A JP9311440 A JP 9311440A JP 31144097 A JP31144097 A JP 31144097A JP H10128977 A JPH10128977 A JP H10128977A
Authority
JP
Japan
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chamber
liquid
orifice
ink
printhead
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP9311440A
Other languages
English (en)
Inventor
Timothy Weber
チモシイ・ウエバー
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HP Inc
Original Assignee
Hewlett Packard Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hewlett Packard Co filed Critical Hewlett Packard Co
Publication of JPH10128977A publication Critical patent/JPH10128977A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱効率が高く、高い印字頻度で印字すること
ができ、また信頼性が高く、故障することなく延長した
（長時間の）印字を行うことができ、比較的容易に製造
されて、全体のコストが比較的低いプリントヘッドおよ
び液体滴の形成方法を提供する。 【解決手段】 液体滴（３２）を噴出するプリントヘッ
ド（１２）において、チャンバ容積を有するチャンバ
（２６）を規定し、オリフィス（１６）と、そこを通っ
て液体がチャンバ（２６）へと流れる液体入口（２２）
とを規定するチャンバ部材（１８，２０）、および前記
チャンバ（２６）内の液体を加熱する加熱部材（２８）
を含み、前記チャンバ（２６）は、前記加熱部材（２
８）の起動に応答して前記チャンバ容積と略等しい体積
を有する液体滴（３２）を噴出する、ことを特徴とす
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、プリントヘッドお
よび液体滴の形成方法に関し、より詳細には、インクジ
ェットのプリントヘッド用のインク・チャンバの排気の
ための装置および方法に関する。
【０００２】
【技術背景】インクジェット印字用インクジェット・プ
リンタは、その中でインクの小滴が形成され印字媒体に
向かって噴出される、ペンを含む。かかるペンは、そこ
を通ってインク滴が噴出される複数の小さなオリフィス
を有するオリフィス部材または板を有するプリントヘッ
ドを含む。オリフィスに隣接してインク・チャンバがあ
り、オリフィスを通って噴出される前のインクはこのイ
ンク・チャンバにある。インクは、インク供給容器の液
体通路内のインク・チャネルを通ってインク・チャンバ
に送出される。インク供給容器は、ペンのリザーバ部内
に収容されていてもよく、「オフ・アクシス」のインク
供給容器の場合には、プリントヘッドから間隔をおいて
配置された別個のインク容器内に収容されていてもよ
い。
【０００３】オリフィスを通って行われるインク滴の噴
出は、隣接するインク・チャンバ内のある体積のインク
を急速に加熱ことによってなされてもよい。このような
熱プロセスによって、チャンバ内のインクは過熱され、
気泡を形成する。気泡の形成は、「核形成」として知ら
れている。気泡が急激に膨張することによって、オリフ
ィスを通ってインクを付勢する。この過程は、「発射」
と呼ばれることもある。チャンバ内のインクは、通常、
チャンバ内に配置された抵抗加熱要素を用いて加熱され
る。
【０００４】いったんインクが噴出されると、インク・
チャンバは、インク・チャンバとの液体通路内のインク
・チャネルからのインクで再充填される。インク・チャ
ネルは、その大きさが、通常、印字速度が最大になるよ
う、インク・チャンバを急速に再充填するようなものと
される。チャンバに流入したりチャンバから流出する動
くインクの慣性を制動したり制御するために、インク・
チャネルによる制動が行われることもある。インク・チ
ャネルとインク・チャンバの間でのインクの流れを制動
することによって、それぞれメニスカスが縮小（ｒｅｃ
ｏｉｌｉｎｇ）したり膨らんだりする原因となるインク
・チャンバの充填不足や過充填を、回避したり最小限に
することができる。
【０００５】インク・チャンバ内で気泡が膨張すると
き、その膨張する気泡はインク・チャネル内へと拡大し
得るようになる。気泡のインク・チャンバ内への膨張
は、「逆流」として知られている。逆流が起きると、イ
ンク・チャネル内のインクがインク・チャンバから離れ
る方向に付勢される結果になる傾向がある。気泡が押し
のけるインクの体積は、ノズルから噴出されるインク
と、インク・チャンバから離れる方向にインク・チャネ
ルへ付勢されるインク、の両方によるものである。従っ
て、逆流が起こると、インク・チャンバから与えられた
大きさの滴を噴出するのに必要なエネルギー量が増大す
ることになる。与えられた大きさの滴を噴出するのに必
要なエネルギーは、「ターンオン・エネルギー」（ＴＯ
Ｅ）と呼ばれる。ターンオン・エネルギーが高いプリン
トヘッドは、ターンオン・エネルギーが低いプリントヘ
ッドよりも効率が悪い傾向があり、従って、放散する熱
が多い。熱を放散する能力が一定であると仮定すると、
熱効率がより高いプリントヘッドは、熱効率がより低い
プリントヘッドよりも、高速印字を行うことができる、
すなわち印字頻度（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を高くするこ
とができる。
【０００６】ターンオン・エネルギーとは、プリントヘ
ッドのオリフィスから所定量のインクを噴出するのに十
分な大きさの気泡を形成するのに十分な量のエネルギー
である。その後気泡は、つぶれてインク・チャンバ内に
戻る。プリントヘッド内の、気泡がつぶれる近傍にある
部品は、発射の間に気泡がつぶれるときに、キャビテー
ションの応力を受けやすい。特に、加熱要素すなわち抵
抗器が、キャビテーションによる損傷を受けやすい。通
常、薄い保護パッシベーション層が抵抗器の上に塗布さ
れ、キャビテーションの結果生じる応力から抵抗器を保
護している。キャビテーションによる損傷を防止または
制限するためにパッシベーション層を用いることに伴う
問題は、このパッシベーション層によって、与えられた
大きさの滴を噴出するのに必要なターンオン・エネルギ
ーが増大する傾向がある、ということである。
【０００７】
【発明の目的】熱効率が高く、高い印字頻度で印字する
ことができるプリントヘッドの必要は、常に存在する。
こういったプリントヘッドは、信頼性が高く、故障する
ことなく延長した（長時間の）印字を行うことができる
べきである。さらにこういったプリントヘッドは、比較
的容易に製造されて、プリントヘッド全体のコストが比
較的低くなるべきである。
【０００８】最後に、こういったプリントヘッドは、印
字媒体上に高品質の画像を形成することができるべきで
ある。こういったプリントヘッドは、プリントヘッドで
用いる非常に様々なインクにわたって、同一またはほぼ
同一の滴体積を有する滴を形成することができるべきで
ある。例えば、プリントヘッドは、インクの表面張力や
インクの粘度に関わらず、選択された滴体積を供給する
ことができるべきである。このようにすることによっ
て、同一のプリントヘッドを様々な異なる印字用途に用
いることができるようになる。さらに、プリントヘッド
が形成する滴は、はね散り、インクのたまり、そして一
般的に低い印字品質、という結果になる傾向があるテー
ル部（ｔａｉｌｓ）を有するべきでない。さらに、こう
いったプリントヘッドは、インク滴が噴出中に良好に規
定されていないときに結果として生じる傾向がある、発
射したインクの軌跡の誤差を、最小にすることができる
べきである。本発明は、上記のような要求に応えること
を目的をしている。
【０００９】
【発明の概要】本発明は、液体滴を噴出するプリントヘ
ッドおよびその動作方法である。プリントヘッドは、チ
ャンバを規定するチャンバ部材を含む。チャンバ部材
は、関連するチャンバ容積を有する。チャンバ部材は、
オリフィス、および、そこを通って液体がチャンバへと
流れる液体入口、を規定している。チャンバ内の液体を
加熱する加熱部材も含まれている。チャンバは、加熱部
材の起動に応答して、チャンバ容積と等しい体積を有す
る液体滴を噴出する。
【００１０】好適な一実施例において、加熱部材は、チ
ャンバ容積に比べて大きい関連する面積を有する、抵抗
加熱要素である。この好適な実施例において、オリフィ
スの開口部は、液体入口に関連する開口部の大きさに比
べて大きい。
【００１１】
【発明の実施例】図１は、本発明を実施するように構成
され配置されたプリントヘッド１２を組み込んだインク
ジェット・ペンを示す。ペン１０の好適な実施例は、イ
ンク等の液体の供給容器を保持する内部のリザーバを規
定するペン本体１４を含む。液体は、ペン本体１４内の
液体の供給容器に連絡する複数のオリフィス１６を通っ
て、プリントヘッド１２から噴出される。または、オフ
・アクシスのインク供給容器の場合のように、液体は、
プリントヘッド１２から間隔をおいて配置した液体の供
給容器によって、プリントヘッド１２に供給してもよ
い。
【００１２】本発明のプリントヘッド１２を説明する前
に、図２（ａ），図２（ｂ），図２（ｃ）に示す従来技
術のプリントヘッド１２′およびその動作方法をまず説
明するのが役立つであろう。プリントヘッド１２′は、
正確な縮尺率で描かれたものではなく、プリントヘッド
１２′の構造を正確に表すよう意図したものでもない。
一連の時間間隔で図２（ａ），図２（ｂ），図２（ｃ）
に示したプリントヘッド１２′は、プリントヘッド１
２′の滴噴出のシーケンスを示す。
【００１３】プリントヘッド１２′は、基板１８、オリ
フィス部材２０、液体のチャネル２２、を含む。オリフ
ィス部材２０は、そこから液体が噴出されるオリフィス
１６を規定している。基板１８、液体のチャネル２２、
オリフィス部材２０はすべて、液体のチャンバ２６を規
定している。液体のチャンバ２６に近接して、加熱要素
２８が配置されている。
【００１４】図２（ａ）は、破線で表した気泡前面３０
を有する気泡の形成を示す。気泡は、加熱要素２８の起
動後すぐに形成される。気泡形成の間、気泡前面３０
は、加熱要素２８から液体のチャンバ２６内へと放射状
に膨張する。気泡前面３０を有する気泡が液体のチャン
バ２６内に膨張するにつれて、チャンバ２６内の液体は
押しのけられ、液体はオリフィス１６を通って付勢さ
れ、滴３２を形成する。
【００１５】図２（ｂ）は、図２（ａ）から少し後の滴
噴出のシーケンスを示す。この図面において、気泡前面
３０はその最大の大きさに達し、すなわち加熱要素２８
から放射状に最大に離れ、つぶれて加熱要素２８に向か
って戻り始めている。滴３２は、オリフィス１６から現
れるとき、長いストリーマ３４につながっている。スト
リーマ３４は、液体の表面張力と粘度の結果生じたもの
である。ストリーマ３４は、滴３２をプリントヘッド１
２′に弾性的に結びつける傾向がある。
【００１６】図２（ｃ）は、図２（ｂ）の図の少し後
の、プリントヘッド１２′の滴噴出のシーケンスを示
す。気泡前面３０はほとんど、つぶれて加熱要素２８上
にまで戻っている。気泡前面３０がつぶれた結果、オリ
フィスの出口平面付近の領域では、ストリーマ３４を破
壊し滴３２を開放する傾向がある速度勾配が発生する。
滴３２は、ストリーマ３４が長いために生じるテール部
３６を有する。ストリーマ３４の残りの部分３８は、つ
ぶれる気泡３０によって、オリフィス１６内へと引き戻
される。
【００１７】図３（ａ），図３（ｂ），図３（ｃ），図
３（ｄ）は、本発明の滴噴出方法を説明するための、本
発明のプリントヘッド１２を一連の時間間隔で簡単に表
したものである。図３（ａ）〜図３（ｄ）は、正確な縮
尺率で描かれたものではなく、実際のプリントヘッド１
２を表すよう意図したものでもなく、単に本発明の液体
滴３２を形成する技術を説明するよう意図したものであ
る。
【００１８】図３（ａ）は、基板１８，オリフィス部材
２０，液体入口２２を含む、本発明のプリントヘッド１
２を示す。オリフィス部材２０は、オリフィス１６を規
定している。基板１８，オリフィス部材２０，液体入口
２２はすべて、液体のチャンバ２６を規定している。液
体のチャンバ２６に近接して、加熱要素２８が配置され
ている。加熱要素２８の起動後すぐのプリントヘッド１
２が示されている。チャンバ内の液体を加熱することに
よって、加熱要素２８に近接して気泡が形成される。気
泡は、破線で表した気泡前面３０を有し、この気泡前面
３０は、加熱要素２８から外側に略放射方向に膨張す
る。膨張する気泡前面３０は、チャンバ２６内の液体を
押しのけ始め、液体をオリフィス１６を通って付勢す
る。液体がオリフィス１６を通って付勢されるにつれ
て、滴３２がオリフィス１６から現れ始める。
【００１９】図３（ｂ）は、気泡前面３０を有する気泡
のさらなる成長を示す。気泡前面３０は、加熱要素２８
から液体のチャンバ２６内へと放射状に膨張する。気泡
前面３０がチャンバ２６内に成長するにつれて、チャン
バ内の液体は気泡に押しのけられ、その結果、オリフィ
ス１６から滴３２が現れる。気泡前面３０は、オリフィ
ス１６の平面を通って膨張し、プリントヘッド１２を取
り囲む大気に排気される。図３（ａ）および図３（ｂ）
の気泡膨張のシーケンスの間、押しのけられた滴の略全
部または大部分が、図３（ｂ）に表されるように、オリ
フィス１６を通って噴出される。従って、液体滴３２の
体積は、液体のチャンバ２６の容積と略等しい。
【００２０】チャンバ２６内の液体のうちの比較的少量
が、液体入口２２に付勢される（押し戻される）かもし
れない。本発明のプリントヘッド１２は、オリフィス１
６の流体抵抗が液体入口２２の流体抵抗に比べて小さ
く、チャンバの液体の大部分がオリフィス１６を通って
付勢されるように、選択される。流体抵抗に影響を及ぼ
す要因のひとつは、オリフィス１６および液体入口２２
の液体の開口部の大きさである。本発明のプリントヘッ
ド１２では、オリフィス１６の大きさの、液体入口２２
の大きさに対する比が大きいので、押しのけられた液体
の大部分がオリフィス１６を通って噴出される。液体入
口２２およびオリフィス１６の流体抵抗に影響を及ぼす
他の要因としては、液体の流れの向きを変える流れの障
害物や、液体入口または大気が与える背圧がある。
【００２１】図３（ｃ）は、図３（ｂ）から少し後の、
プリントヘッド１２の滴噴出のシーケンスを示す。気泡
前面３０がオリフィス１６の平面を通り過ぎると、気泡
が大気に排気される。気泡が排気されると、その結果、
滴３２の速度が比較的速くなる傾向がある。噴出された
滴３２が高い速度勾配を有しているので、滴３２は、液
体の表面張力および粘度に打ち勝つことができ、図２
（ｂ）に示すようなストリーマ３４の形成が防止され
る。ストリーマ３４があると、滴３２をプリントヘッド
１２に結びつける弾性のために、滴速度が低下する傾向
がある。ストリーマ３４が形成されないので、滴は、高
速で印字媒体に向かって引き続き軌跡上を進む。プリン
トヘッド１２が形成する滴３２は、図３（ｃ）および図
３（ｄ）に示すように、単一で球形の滴３２である傾向
がある。いったん気泡が排気されると、液体入口２２か
らの液体がチャンバ２６に流入し、図３（ｃ）および図
３（ｄ）に示すようにチャンバ２６を再充填する。
【００２２】図４および図５は、本発明のプリントヘッ
ド１２の好適な実施例を示す。プリントヘッド１２は、
図３（ａ），図３（ｂ），図３（ｃ），図３（ｄ）に開
示した技術による滴噴出を行うように構成されている。
図４は、プリントヘッド、およびオリフィス１６のうち
の１つ、を通る、極端に拡大した断面図である。図４に
おいて、オリフィス１６が、オリフィス部材または板２
０の外面４０内に形成されているのがわかる。オリフィ
ス部材２０は、基板１８に取り付けられている。基板
は、以下により十分に説明するように、シリコンのベー
ス４２および支持層４４を含む。
【００２３】オリフィス１６は、オリフィス板２０内に
形成された液体のチャンバ２６の板２０を貫く開口部で
ある。オリフィス１６の直径は、例えば、約１２から１
６μｍであってもよい。
【００２４】図４において、上に行くほど細くなった側
壁４６を有し、それによって略円錐台形のチャンバを規
定するチャンバ２６、を示す。チャンバ２６の底部は、
基板１８の上面４８によって略規定されている。
【００２５】多数の液体のチャンバの形状のいずれであ
っても十分である、ということが意図されるが、とはい
え、チャンバの容積は、オリフィス１６に向かう方向に
略低減していく。図４の実施例において、オリフィス板
２０は、スピン・オンまたは積層のポリマーを用いて形
成してもよい。ポリマーは、厚さが約１０から３０μｍ
である、ダウケミカル社からＣＹＣＬＯＴＥＮＥの商標
の下で商業的に購入できるものでもよい。ポリアミド，
ポリメチル・メタクリレート，ポリカーボネート，ポリ
エステル，ポリエチレン・テレフタレート、またはそれ
らの混合物等、適当なポリマー膜であれば他のいかなる
ものを用いることもできる。または、オリフィスは、電
着技術によって製造される金メッキを施したニッケル部
材で形成されてもよい。
【００２６】シリコンのベース４２の上面５０は、支持
層４４でコーティングされている。支持層４４は、二酸
化ケイ素，窒化ケイ素，炭化ケイ素，タンタル，ポリシ
リコンガラス、その他、基板のシリコンのベース４２と
は異なったエッチャント感度を持つ、機能的に同等の材
料で形成される。
【００２７】支持層４４が形成された後、この層を貫い
て延びる２つの液体入口２２が形成される。好適な実施
例において、支持層４４の上面４８は、以下に説明する
ように、オリフィス板２０が基板１８に取り付けられる
前、そしてチャネル５２がベース４２内にエッチングさ
れる前に、入口２２を形成するようにパターニングされ
エッチングされる。
【００２８】基板１８の上面４８には、薄膜抵抗器２８
が取り付けられている。この好適な実施例において、抵
抗器が形成されるのは、入口２２が形成された後である
が、オリフィス板２０が基板１８に取り付けられるより
も前である。抵抗器２８は、長さ約１２μｍ、幅約１２
μｍであってもよい（図５参照）。抵抗器上に非常に薄
い（約０．５μｍ）パッシベーション層（図示せず）を
デポジットして、用いる液体から保護するようにしても
よい。このパッシベーション層は、液体が抵抗器を損傷
しないものである場合には、もっと薄くしたり、あるい
は省いてしまってもよい。支持層、抵抗器、パッシベー
ション層の全体の厚さは、約３ｍｍ、あるいはそれより
も薄くすることができる。
【００２９】抵抗器２８は、入口２２にすぐ隣接して配
置されている。抵抗器２８は、印加される電圧パルスに
よって選択的に通電されると、オーム加熱器としての役
割を果たす。この点に関して、それぞれの抵抗器２８
は、抵抗器の対向する２辺において、導電トレース５４
と接触している。トレース５４は基板１８上にデポジッ
トされ、プリンタのマイクロプロセッサに電気的に接続
されていて、電圧パルスを伝える。導電トレース５４は
図５に示す。
【００３０】好適なオリフィス板２０は、基板４８の
上、支持層４４の上面４８上に置かれている。この点に
関して、板２０は、積層され、液体の形状でスピン・オ
ンされ、所定位置に成長されまたはデポジットされた
り、あるいは所定位置にメッキ張りされたりすることが
できる。板２０は、支持層４４に固着されている。
【００３１】抵抗器２８は、マイクロプロセッサによっ
て選択的に加熱すなわち駆動され、液体で充填されたチ
ャンバ２６内に、気泡前面３０（図４において破線で示
す）を有する気泡を発生する。気泡前面３０が膨張する
結果として、図３（ａ）〜図３（ｄ）に示すように、チ
ャンバ２６内の液体が噴出され、オリフィス１６の中心
軸５６を通って動き、オリフィス１６を出て気泡を大気
に排気する。気泡前面３０がチャンバ２６を通って膨張
するにつれて、チャンバ２６内の液体はオリフィス１６
を通って押し出される。
【００３２】基板１８のベース４２には、入口２２と液
体を伝達する液体のチャネル５２が形成されている。好
ましくは、チャネル５２は、ベース４２の下側から支持
層４４の下側５８まで、異方性エッチングによってエッ
チングされている。
【００３３】本発明によれば、ペン本体１４のリザーバ
内に存在する液体は、毛管現象によってそれぞれのチャ
ネル５２および入口２２を通って流れ、液体のチャンバ
２６を充填する。この点に関して、チャネル５２の容積
は、液体入口２２よりもかなり大きい。チャネル５２
は、１つより多いチャンバ２６に液体を供給するように
向けられていてもよい。それぞれのチャネル５２は、基
板のベース４２に刻まれ、またペンのリザーバとの直接
の液体通路となるるさらに大きなスロット（図示せず）
と接続するように延びていてもよい。基板のベース４２
は、ペン本体の表面に接合されており、ペン本体の表面
はチャネル５２の境界を規定する。
【００３４】チャンバ２６に入る液体はすべて、入口２
２を通って導かれる。この点に関して、チャンバ２６の
下端６０は、入口２２および抵抗器２８を完全に取り囲
んでいる。
【００３５】好適な実施例において、チャンバ２６の容
積の、加熱要素２８の面積に対する比は低く、気泡前面
が十分膨張してオリフィス１６の平面を通り過ぎて延
び、気泡を大気に排気するようになっている。抵抗加熱
要素については、加熱要素２８が供給する単位時間当た
りのエネルギーすなわちパワーは、抵抗器２８の面積の
全面にわたる抵抗器２８の長さに関係する。同じ長さに
形成した抵抗器については、抵抗器内で放散されるパワ
ーは、抵抗器２８の面積に関係する。従って、確実に気
泡前面３０がオリフィス１６を通って排気されて液体の
チャンバ２６の中味が全部オリフィス１６を通って付勢
されるようにするには、チャンバ２６の容積の、抵抗器
の面積に対する比を低くするべきである。
【００３６】重要なのは、気泡前面３０が、チャンバ２
６内の液体が液体入口２２に付勢されるようにではなく
オリフィス１６から押し出されるように膨張する、とい
うことである。確実に、チャンバ２６内の略すべての液
体が液体入口２２に付勢されるのでなくオリフィス１６
から押し出されるようにするには、オリフィスの抵抗
の、逆流の抵抗に対する比を小さくするべきである。好
適な実施例のオリフィスの抵抗は、オリフィスの面積に
関係する。好適な実施例の逆流の抵抗は、それぞれの液
体入口２２の面積の合計に関係する。
【００３７】表１は様々な異なる構成の、いくつかの異
なるプリントヘッド１２についてのシミュレーション結
果を示す。表１に示すプリントヘッドにおいて、抵抗器
の面積は平方マイクロメートル（μｍ２）で、チャンバ
の容積はマイクロリットル（μ ｌｉｔｅｒｓ）で示
す。本実施例では、表１のデータより、チャンバの容積
の、抵抗器の面積に対する比が１５．６であるプリント
ヘッド１２が、チャンバ２６内の液体の略すべての体積
をオリフィス１６を通って噴出するのに適している。
【００３８】好適な実施例において、オリフィス１６の
抵抗と逆流の抵抗は、それぞれの長さをそれぞれの面積
で割ったものに比例する。長さが共に一定であるので、
オリフィス１６の抵抗と逆流の抵抗の両方とも、それぞ
れオリフィス１６の面積および入口２２の面積によって
表すことができる。オリフィスの面積の、入口の面積に
対する比が５であるプリントヘッド１２が、チャンバ２
６内の液体の略すべての体積をオリフィス１６を通って
噴出するのに適している。表１に示すシミュレーション
結果は、チャンバの排気が起こる全範囲を表すよう意図
したものではなく、チャンバの排気が起こる例をいくつ
か示すよう意図したものである。
【００３９】
【表１】 抵抗器面積 チャンバ容積 容積／面積 オリフィス面積 滴速度 （μｍ２） （μ liters） ／入口面積 （ｍ／ｓ） １００ １０００ １０ ０．８２ ２５ ６４ １０００ １５．６ ０．７４ ０．２２ １９６ ２７４４ １４ ５ １６．１ １４４ １７２８ １４ １．４３ ２５
【００４０】好適な１実施例において、入口２２は、抵
抗器２８にすぐ隣接して配置されており、噴出が起こる
と膨張した気泡前面３０によって入口２２が塞がれてチ
ャンバ２６内の液体のチャネル５２内への逆流が防止さ
れるような大きさである。入口２２を塞ぐことによっ
て、有効な逆流の抵抗が増大し、チャンバ２６内のより
多くの液体がオリフィスを通って噴出されるようにな
る。
【００４１】特に、入口２２は、チャンバ２６に近接し
ており（チャンバ２６からあまり間隔を置いて配置され
ておらず）、入口２２とチャンバ２６の接合部が抵抗器
２８に非常に近いように配置されている。好適な実施例
において、それぞれの入口２２は、抵抗器部材の長さの
わずか２５％だけ抵抗器２８から間隔を置いて配置され
ているに過ぎない。
【００４２】さらに、膨張する気泡前面３０が確実に入
口の面積を覆い、従って塞ぐことができるように、入口
とチャンバ２６の接合部における入口の断面積は、十分
小さくなっている。気泡が入口２２内に動きそれによっ
てチャンバ２６とチャネル５２の間のいかなる液体イン
クの進路もなくなると、気泡前面３０がこのような塞ぎ
を達成する。先に触れたように、このような進路をなく
すことによって、気泡が膨張するにつれてチャンバ２６
内の液体がチャネル５２内に逆流するということが防止
される。
【００４３】図４に破線で示すように、気泡前面３０が
入口２２を完全に貫通してチャネル５２の中にわずかに
膨張しているときに、最も良好に液体の進路がなくな
る。好適な実施例において、入口の全面積は、抵抗器の
面積の約１２０％よりも小さくあるべきである。
【００４４】プリントヘッドを、好適な実施例に関して
今説明したものとは異なった構成にして、膨張した気泡
によって入口（１つまたは複数）を塞ぐようにしてもよ
い。この点に関して、抵抗器または加熱部材から入口ま
での距離、および入口の断面積は、いくつかの変数によ
っては、上に述べたものより大きくなっても小さくなっ
てもよい。かかる変数には、例えば、液体の粘度および
関係する熱力学的性質、抵抗器の単位面積当たりの抵抗
器の熱エネルギー、それに沿って液体および気体が動く
部分の材料の界面エネルギー、等がある。
【００４５】好適な実施例において、抵抗器のエネルギ
ー密度は約４ｎＪ／ｍ２であり、インクの粘度は約３ｃ
ｐ、沸点は約１００℃である。
【００４６】このように入口２２の向きを定める（従っ
て液体の通路６２の向きを定める）結果として、図３
（ｃ）および図３（ｄ）に示すように、いったん気泡前
面がオリフィス板を突破して大気に排気されると、再充
填の間にチャンバ２６に流入する液体の流れの運動量に
よって気泡前面３０が持ち上げられ、液体のチャンバ２
６が液体で充填される。
【００４７】ここで、図４および図５で示す今説明した
好適な実施例では入口２２と抵抗器の特定の配置を開示
しているが、多くの異なる配置を用いることもできる、
ということは注目に値する。例えば、図５では４つの入
口２２を示しているが、これまで説明してきたチャンバ
の容積の大きさ、チャンバの容積の抵抗器の面積に対す
る比、オリフィスの抵抗の逆流の抵抗に対する比、の関
係を満たしながら、これより少ないまたは多い入口を用
いることができる、ということが理解されよう。さら
に、入口２２は、チャンバ２６に関して様々な異なった
配置をしてもよい。
【００４８】図１、図３（ａ），図３（ｂ），図３
（ｃ），図３（ｄ）、図４、図５に示す本発明のプリン
トヘッド１２の動作には、いくつか利点がある。第１
に、本発明のプリントヘッド１２の印字品質は、改良さ
れる傾向がある。本発明のプリントヘッド１２が形成す
る滴３２は、単一の小さな滴であり、略球形であり、高
速で噴出され、ストリーマ３４が形成されない。ストリ
ーマ３４のない滴３２を形成することによって、テール
部がなくなったり非常に低減される。液体滴にテール部
３６があると、その結果、発射したインクの軌跡の誤差
やインクのたまりが生じる可能性があり、これらは印字
品質を低下させる。滴の速度が高速であることも、イン
クの軌跡の誤差を低減する傾向がある。滴の速度が高速
になると、その結果、滴３２が気流等の外力にさらされ
る間隔が低減し、それによって、滴３２にかかるこうい
った外力の影響が低減される。さらに、ストリーマ３４
およびテール部３６があると、その結果、より小さい滴
がいくつも形成される可能性があり、それによって、単
一の滴ではなくスプレー状のインクが形成される傾向が
ある。このようなスプレー状のインクは、結果として印
字品質を低下させる傾向がある。これとは対照的に、単
一の小滴３２を形成すると、その結果、印字媒体上にイ
ンクのたまりがないインクの点または印が良好に形成さ
れる傾向があり、その結果印字品質が良好になる。
【００４９】第２に、本発明のプリントヘッド１２は、
プリントヘッドがより低いターンオン・エネルギーで動
作しプリントヘッド内で熱の蓄積がより少ないようにす
る、改良した熱特性を有する傾向がある。本発明のプリ
ントヘッド１２において、気泡は大気に排気される。気
泡を排気することによって、気泡がチャンバ２６内につ
ぶれることが回避される。気泡がチャンバ２６内でつぶ
れないので、加熱要素２８をキャビテーションの応力か
ら保護するのに用いるパッシベーション層を薄くしたり
省くことができ、ターンオン・エネルギーが低減しプリ
ントヘッド１２の効率がよくなる。さらに、気泡を排気
することによって、圧縮潜熱が大気に開放され、プリン
トヘッド１２から熱を開放し、それによってプリントヘ
ッド１２内での熱の蓄積が防止される。プリントヘッド
１２内で熱が蓄積されると、その結果として、プリント
ヘッド１２の過熱が起こったり、あるいはプリントヘッ
ド１２の過熱を回避するため印字速度にいくらか制限を
設けることになる傾向がある。
【００５０】最後に、本発明のプリントヘッド１２は、
チャンバ１６内の略全てのインクを噴出する。従って、
滴の大きさは、チャンバ２６の大きさによって略決定さ
れ、抵抗器の大きさ、液体の粘度、表面張力、等の従来
技術のプリントヘッド１２′では滴の大きさを変える要
因であったものによって決定されるのではない。従っ
て、本発明のプリントヘッド１２は、様々な製造におけ
る変数やインクの組成（ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎｓ）に
関係なく、より一定の大きさの滴を供給することができ
る。
【００５１】以上述べたように、本発明のプリントヘッ
ドは、 〔１〕液体滴（３２）を噴出するプリントヘッド（１
２）において、チャンバ容積を有するチャンバ（２６）
を規定し、オリフィス（１６）と、そこを通って液体が
チャンバ（２６）へと流れる液体入口（２２）とを規定
するチャンバ部材（１８，２０）、および前記チャンバ
（２６）内の液体を加熱する加熱部材（２８）を含み、
前記チャンバ（２６）は、前記加熱部材（２８）の起動
に応答して前記チャンバ容積と略等しい体積を有する液
体滴（３２）を噴出する、ことを特徴とし、〔２〕〜
〔８〕に記載のように好適な実施例を有する。
【００５２】〔２〕前記加熱部材（２８）が、前記チャ
ンバ容積に比べて大きい関連する面積を有する抵抗加熱
要素であることを特徴とする、〔１〕に記載のプリント
ヘッド（１２）。
【００５３】〔３〕前記オリフィス（１６）が、前記液
体入口（２２）に関連する開口部の大きさに比べて大き
い開口部を有することを特徴とする、〔１〕または
〔２〕に記載のプリントヘッド（１２）。
【００５４】〔４〕前記チャンバ（２６）が、前記加熱
部材（２８）に関して、単一の液体滴（３２）のみを形
成するような大きさであることを特徴とする〔１〕〜
〔３〕の何れかに記載のプリントヘッド（１２）。
【００５５】〔５〕前記プリントヘッド（１２）が、５
ピコリットルよりも小さい滴体積を有する滴（３２）を
形成するような大きさおよび配置になっていることを特
徴とする、〔１〕〜〔４〕の何れかに記載のプリントヘ
ッド（１２）。
【００５６】〔６〕前記加熱部材（２８）が、関連する
抵抗器の面積を有する抵抗器であり、前記プリントヘッ
ド（１２）のチャンバ容積の、抵抗器の面積に対する比
が、５０ピコリットル／平方マイクロメートルよりも少
ないことを特徴とする〔１〕〜〔５〕の何れかに記載の
プリントヘッド（１２）。
【００５７】〔７〕前記チャンバ（２６）が、テール部
（３６）のない単一の液体滴（３２）を噴出するように
配置されていることを特徴とする、〔１〕〜〔６〕の何
れかに記載のプリントヘッド（１２）。
【００５８】〔８〕前記加熱部材（２８）が、前記チャ
ンバ容積に関して、気泡が大気に排気されるのに十分な
エネルギーを供給することを特徴とする、〔１〕〜
〔７〕の何れかに記載のプリントヘッド（１２）。
【００５９】また、本発明の液体滴（３２）を形成する
方法は、
〔９〕液体滴（３２）を形成する方法において、オリフ
ィス（１６）を規定するチャンバ部材（１８、２０）に
よって規定されるチャンバ（２６）を、液体で充填する
ステップ、および、前記チャンバ（２６）内の加熱要素
（２８）を用いて前記チャンバ（２６）内の液体を加熱
して、膨張する気泡を形成するステップ、を含み、前記
チャンバ（２６）内の液体を加熱して、膨張する気泡を
形成するステップにおいて、前記気泡が、最初の位置が
前記加熱要素（２８）に近接し最後の位置が前記オリフ
ィス（１６）に近接する気泡前面（３０）を有し、前記
最後の位置で前記気泡が大気に排気され、前記膨張する
気泡が、前記最初の位置から前記最後の位置に膨張する
間、前記チャンバ（２６）の容積に等しい体積の液体を
押しのける、ことを特徴とし、〔１０〕のような好適な
実施例を有している。
【００６０】〔１０〕前記気泡が大気に排気されない対
応するプリントヘッド（１２′）に関連する最大動作頻
度よりも高い最大動作頻度で、前記チャンバ（２６）を
液体で充填し前記チャンバ（２６）内の液体を加熱する
ことを繰り返す段階をさらに含む、
〔９〕に記載の液体
滴（３２）を形成する方法。
【００６１】
【発明の効果】本発明によれば、熱効率が高く、高い印
字頻度で印字することができ、また信頼性が高く、故障
することなく延長した（長時間の）印字を行うことがで
き、比較的容易に製造されて、全体のコストが比較的低
いプリントヘッドを提供できる。また、本発明では、非
常に様々なインクにわたって、同一またはほぼ同一の滴
体積を有する滴を形成することができ、インクの表面張
力やインクの粘度に関わらず、選択された滴体積を供給
することができる。これにより、同一のプリントヘッド
を様々な異なる印字用途に用いることができるようにな
るし、前記滴にはテール部が生じないか生じてもわずか
であり、しかも発射したインクの軌跡の誤差を、最小に
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による、インク・チャンバの排気を行う
よう構成され動作されるプリントヘッドを組み込んだイ
ンク・ジェットのプリントヘッドの斜視図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、従来において、気泡が滴噴
出後インク・チャンバ内でつぶれる、プリントヘッドの
滴噴出のシーケンスを示す断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、気泡が大気に排気される、
本発明のプリントヘッドの滴噴出のシーケンスの断面図
である。
【図４】複数のインク・チャンバのうちの１つを通る、
図１のプリントヘッドの好適な実施例の拡大断面図であ
る。
【図５】図４の好適な実施例の平面図である。
【符号の説明】
１２ プリントヘッド １２′プリントヘッド １６ オリフィス １８ 基板 ２０ オリフィス部材 ２２ 液体入口 ２６ チャンバ ２８ 加熱要素 ３０ 気泡前面 ３２ 液体滴 ３６ テール部

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 液体滴（３２）を噴出するプリントヘッ
    ド（１２）において、 チャンバ容積を有するチャンバ（２６）を規定し、オリ
    フィス（１６）と、そこを通って液体がチャンバ（２
    ６）へと流れる液体入口（２２）とを規定するチャンバ
    部材（１８，２０）、および前記チャンバ（２６）内の
    液体を加熱する加熱部材（２８）を含み、 前記チャンバ（２６）は、前記加熱部材（２８）の起動
    に応答して前記チャンバ容積と略等しい体積を有する液
    体滴（３２）を噴出する、ことを特徴とするプリントヘ
    ッド。
  2. 【請求項２】 液体滴（３２）を形成する方法におい
    て、 オリフィス（１６）を規定するチャンバ部材（１８，２
    ０）によって規定されるチャンバ（２６）を、液体で充
    填するステップ、および、 前記チャンバ（２６）内の加熱要素（２８）を用いて前
    記チャンバ（２６）内の液体を加熱して、膨張する気泡
    を形成するステップ、を含み、 前記チャンバ（２６）内の液体を加熱して、膨張する気
    泡を形成するステップにおいて、前記気泡が、最初の位
    置が前記加熱要素（２８）に近接し最後の位置が前記オ
    リフィス（１６）に近接する気泡前面（３０）を有し、
    前記最後の位置で前記気泡が大気に排気され、前記膨張
    する気泡が、前記最初の位置から前記最後の位置に膨張
    する間、前記チャンバ（２６）の容積に等しい体積の液
    体を押しのける、ことを特徴とする液体滴（３２）を形
    成する方法。
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