JP2001191521A - 補助機構を備えるドロップオンデマンドインクジェットプリンタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱作動パドルを使用し、高速かつ強力にかつ
高い精度でインク滴を媒体に噴出できる、改良型ドロッ
プオンデマンドプリンタを提供する。 【解決手段】 複数のノズル７を有するインクジェット
プリントヘッドは、パドル２８とノズル吐出口１５に設
けられた円形加熱部材３２とを備える。パドル２８が曲
がるタイミングに応じて円形加熱部材３２をヒータ３１
により加熱する。円形加熱部材３２を加熱することによ
り、インクメニスカス１９の表面張力を低下させ、ノズ
ル７から吐出されたインク微小滴の速度及び精度を高め
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、インク微小滴の選
択的な生成を助ける機構を含むインク滴分離装置を備え
たドロップオンデマンド（drop-on-demand）インクジェ
ットプリンタに関する。

【０００２】

【従来の技術】様々なタイプのディジタル制御式プリン
トシステムが数多く発明され、現在多くのタイプが生産
されている。これらのプリントシステムには、多種の作
動メカニズム、マーキング材料及び記録媒体が使用され
る。現在使用されているディジタルプリントシステムと
して、レーザ電子写真プリンタ、ＬＥＤ電子写真プリン
タ、ドットマトリクスインパクトプリンタ、感熱紙プリ
ンタ、フィルムレコーダ、サーマルワックスプリンタ、
染料拡散熱転写プリンタ、及びインクジェットプリンタ
がある。しかしながら、現在のところ、従来の機械式印
刷機が、設定に非常に費用がかかり、特定ページを数千
部印刷しない限りは商業的に引き合わないにもかかわら
ず、上記の電子プリントシステムがこのような機械式印
刷機に取って代わっているケースはまだ少ない。したが
って、普通紙を使用し、高速かつ低コストで質の高いカ
ラーイメージを印刷できる、改良型ディジタル制御プリ
ントシステムが求められている。

【０００３】インクジェット印刷は、例えばインパクト
型ではなく、ノイズが少なく、普通紙が使用でき、トナ
ーの転写及び定着の必要がないことなどにより、ディジ
タル制御式の電子プリント分野における優れた競争相手
とされてきた。インクジェット印刷メカニズムは、連続
インクジェットとドロップオンデマンドインクジェット
のいずれかに分類できる。連続式インクジェットプリン
ティングは、少なくとも１９２９年には発明されていた
（米国特許第１，９４１，００１号（ハンセル）参照の
こと）。

【０００４】ドロップオンデマンドインクジェットプリ
ンタは、プリント媒体に向けて選択的にインク滴を噴出
し、そこに像を形成する。このようなプリンタは通常ノ
ズルのアレイを有するプリントヘッドを含み、各ノズル
にインクが供給される。各ノズルはチャンバに通じ、電
気的な衝撃に応じてこのチャンバが加圧されることによ
りノズルの吐出口からインク滴が噴出される。このよう
なプリンタの多くが圧電トランスデューサを使用して、
インク滴の生成に必要な瞬間圧力を生成している。かか
るプリンタの例が米国特許第４，６４６，１０６号及び
第５，７３９，８３２号に開示されている。

【０００５】圧電トランスデューサは、便利なドロップ
オンデマンドプリンティングに必要な瞬間圧力を生成で
きる一方で、製造が比較的難しくかつ費用がかかるとい
う問題がある。これは、圧電結晶（もろいセラミック材
料で形成されている）をマイクロ加工し、プリンタの各
インクジェットノズルに接続した非常に小さいインクチ
ャンバの後方に精密に取り付ける必要があるためであ
る。さらに、圧電トランスデューサをかかるプリンタに
おいて効果的に駆動するには、比較的高い電圧及び高パ
ワーの電気パルスが要求される。

【０００６】これらの問題を解決するため、熱により作
動するパドルを利用したドロップオンデマンドプリンタ
が開発された。各パドルは２つの異なる金属と、これら
を接続する加熱部材を含む。加熱部材に電気パルスが供
給されると、その膨張係数の差により、２つの異なる金
属がバイメタル温度計と同様の動作で、しかもかなりす
ばやく瞬間的に曲がる。パドルはこれらの異なる金属に
接着され、上記金属の瞬間的な湾曲動作を圧力波に変換
する。この圧力波によりノズルの吐出口からインク滴が
効果的に噴出される。

【０００７】このように、熱パドルトランスデューサ
は、製造がより簡単で電気的パワー要求がより小さい点
で上記圧電トランスデューサにおける主な問題を解決す
るが、圧電トランスデューサに比べ寿命が短いという問
題がある。さらに、熱パドルは強力で鋭利な機械パルス
をインクに生成できないため、インク滴の速度が低下
し、画像媒体の所望の位置にインクを噴射させる精度が
低くなる。さらには、熱作動パドルは、上述の低い電力
特性により、比較的粘度の高いインク媒体を用いる場合
には効果的に機能しない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、熱作
動されるパドルを使用しながら、プリント精度を高める
べくより強力なパワーでかつより高速にインク滴を噴出
できる改良型ドロップオンデマンドタイププリンタを提
供すること、さらにはかかるプリンタを高粘度インクに
も使用できるようにすることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的に鑑み、本発
明は請求の範囲により特徴づけられる。

【００１０】本発明は、インク滴補助部とインク滴発生
部との組み合わせで形成されるインク滴分離器を供給す
ることにより、前述の全ての問題を解決する。インク滴
補助部はノズルにおいてインクに結合し、インク滴の形
成及びノズル吐出口を横切って延びるインクメニスカス
からのインク滴の分離に必要なエネルギ量を減少すべく
機能する。インク滴発生部は、インク滴補助部とともに
作用してインク滴の生成及びインクメニスカスからの分
離を選択的に行う。

【００１１】インク滴補助部の例としては、ノズルにお
いてインクと結合し、インクに振動を与える機械振動子
が含まれる。この振動は、ノズルを横切る凸形インクメ
ニスカスを周期的に形成するのに十分であるが、インク
滴をノズルから分離するには不十分な大きさである。好
ましい実施形態においては、このような機械振動子は、
プリントヘッドの裏基板に結合した圧電トランスデュー
サでもよい。インク滴補助部はさらに、ノズルにおいて
メニスカスを形成するインクの表面張力を低下させる装
置を含んでもよい。好ましい実施形態では、かかる装置
には、ノズル吐出口の周囲に設けられ、ノズル内のイン
クに熱パルスを与えるヒータ、及びメニスカスを形成す
るインクに界面活性剤を供給する界面活性剤供給器が含
まれる。インク滴補助部として使用される界面活性剤供
給器は、例えば、インク滴の形成が所望されると、微小
量の界面活性剤をノズルに噴射する機構や、界面活性剤
の薄膜を継続的にプリントヘッドの外表面に供給して、
プリントヘッドノズルのメニスカス中のインクに界面活
性剤を常に接触させる界面活性剤分配器などである。

【００１２】インク滴補助部が機械振動子である場合に
は、インク滴発生部は熱作動するパドルでもよい。機械
振動子に加えて、インク滴補助部は、ノズル吐出口付近
に設けられ、熱パルスを供給してノズル内のインクを加
熱し、選択時にインクの表面張力を弱めるヒータ、また
はメニスカスを形成するインクの表面張力を弱める表面
活性剤供給器を含んでもよい。

【００１３】上記の機械振動子と表面張力低減装置との
他の様々な組み合わせによっても、本発明のインク滴分
離器を形成することができる。いずれの場合にも、パド
ル振動子、機械振動子、表面張力低減装置を協動すべく
組み合わせることにより、プリンタの各ノズルに精密な
圧電トランスデューサを別々に使用する従来のプリンタ
に比べ、本発明のプリンタはインク滴分離の速度及び精
度が向上し、プリンタの寿命が延び、簡単かつ安く製造
できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】全ての図において、同一部材は同
一の符号によって示す。図１において、従来のプリント
ヘッド１は、一般的に、外表面４を有する正面基板３
と、裏表面６を有する裏基板５とを含む。両基板３，５
の間には複数のノズル７が設けられているが、図にはそ
のうちの１つのみが示されている。各ノズルは、テーパ
形状の下部側壁１１と円筒形の上部側壁１３とを有す
る。上部側壁１３によって、円形のノズル吐出口１５が
形成されている。基板３，５の間にはインク供給流路１
７が形成され、ノズル７の内部にインクを供給する。液
体インクは、ノズル吐出口１５を形成する上部側壁１３
の周囲に凹形のメニスカス１９を形成する。この従来例
では、各ノズル７はインク滴分離器２０を備える。図１
においては、インク滴分離器２０は、熱作動するパドル
２１から構成されている。動作について説明する。パド
ル２１の軸に印加された電気パルスは熱パルスを生成
し、この熱パルスによってパドル２１の軸を瞬間的に加
熱する。パドルは、膨張係数の異なる２つの材料から構
成されるので、熱パルスに応じて点線で示される位置に
瞬間的に湾曲する。このようなパドル２１の湾曲動作に
よりノズル７内部の液体インクに伝わる衝撃波によっ
て、インクの微小滴２３（図中点線で示される）が形成
され、プリントヘッド１から吐出される。しかしなが
ら、このような熱作動するパドル２１では、一般的に、
微小滴２３をプリント媒体（図示せず）に向けて十分な
速度及び精度で噴出することができない。

【００１５】本発明では、図１に示される従来のインク
滴分離器２０を改良した。図２において、本発明による
インク滴分離器２５は、インク滴発生部２７とインク滴
補助部３０との組み合わせを含む。本実施形態におい
て、インク滴発生部２７は、図１に関して説明したのと
同じタイプの熱作動するパドル２８である。インク滴補
助部３０は、ノズル吐出口１５を密接して取り囲む円形
加熱部材３２を有するヒータ３１である。このようなヒ
ータは、ＣＭＯＳ技術によって、プリントヘッドの上部
表面に簡単に取りつけることができる。電気パルスが円
形加熱部材３２を伝わると、ヒータ３１は瞬間熱パルス
を生成し、これによりメニスカス１９付近においてイン
クの表面張力が減少する。このようなヒータ及びその駆
動回路については、米国特許出願第０８／９５４，３１
７号（１９９７年１０月１７日出願され、イーストマン
コダック社に譲渡された）に記載されている。

【００１６】動作について説明する。熱により作動する
パドル２８とヒータ３１の両方に電気パルスを同時に与
えることにより、インクの微小滴が生成される。パドル
２８は、点線で示される位置に直ちに曲がり、一方円形
加熱部材３２により生成された熱パルスが、メニスカス
１９におけるインクの表面張力、よってインク滴２３を
生成してノズル吐出口１５から吐出するのに必要なエネ
ルギ量を低減する。この結果、インク滴２３は高速でノ
ズル吐出口１５から噴射され、プリント媒体上の目標位
置により高い精度で供給される。さらに、インク滴の生
成及び噴出動作において熱作動パドル２８にかかる機械
的ストレスは、インク滴の生成を補助するヒータ３１が
ない場合に比べて小さくなる。その結果、熱作動パドル
２８の機械的寿命が延びる。

【００１７】図３には、図２に示した本発明の実施形態
の変形例が示され、ヒータ３７は、ノズル７の円筒形上
部側壁１３を取り囲む円形加熱部材３８を含む。本発明
のこのような変形は製造がわずかに複雑にはなるが、加
熱部材３８によって生成された熱パルスをより効率的に
メニスカス１９を形成するインクに伝えることができる
点が効果的である。その他の点に関しては、図３の変形
例の動作は、図２において説明した動作と同じである。

【００１８】図４及び図５には、本発明のさらに別の実
施形態が示されている。ここで、インク滴分離器２５の
インク滴補助部３０は界面活性剤供給器４０である。界
面活性剤供給器４０は、上記のように熱パルスによって
ではなく、液体界面活性剤によってメニスカス１９のイ
ンク表面張力を弱めるべく作用する。界面活性剤供給器
４０は、界面活性剤噴出器４２（要求に応じて液体界面
活性剤の微小スラグを生成できるマイクロポンプでもよ
い）を含む。界面活性剤噴出器４２の出力は、ノズル７
の円筒形上部側壁１３につながる開口４４に接続されて
いる。界面活性剤噴出器４２は、さらに、界面活性剤供
給収容部４８にも接続されている。本実施形態の動作
は、インク滴の生成が所望された場合に電気作動パルス
が熱作動パドル２８と界面活性剤噴出器４２に同時に供
給される点において、図２の実施形態の動作と同様であ
る。パドル２８は点線で示される位置に曲がり、界面活
性剤噴出器４２は開口４４を介して液体界面活性剤の微
小スラグを、メニスカス１９を形成するインクに供給す
る。メニスカス１９内のインクの表面張力が界面活性剤
によって弱まるため、熱作動パドル２８が作動すると、
インク滴を生成して吐出するために必要なエネルギは低
減する。その結果、生成されたインク滴は高速で噴射さ
れ、プリント動作がより正確になる。

【００１９】図５には、図４に示された実施形態の変形
例が示されている。この例では、インク滴補助部３０の
一部として、ヒータ５０がさらに取り付けられているの
が図４との違いである。この変形例においては、界面活
性剤噴出器４２及び熱作動パドル２８にも電気パルスが
供給されるのと同時に、ヒータ５０の円形加熱部材５２
に電気パルスが供給される。この結果、界面活性剤噴出
器４２によってメニスカス１９を形成するインクの表面
張力を低下させる際に、ヒータ５０から生成される熱パ
ルスがこのような表面張力の低下ををさらに補助する。
界面活性剤噴出器４２とヒータ５０との組み合わせによ
り、界面活性剤噴出器４２だけを使用した場合に比べ
て、メニスカス１９におけるインクの表面張力はより低
減されるので、本発明によるこの変形例は、図４の実施
形態により噴射されたインク滴に比べ、さらに高速のイ
ンク滴２３を生成し、噴射することができる。

【００２０】図６には、本発明の別の実施形態が示され
ている。この例では、インク滴補助部３０は、図４及び
図５の実施形態に関して説明した界面活性剤噴射器４２
ではなく、界面活性剤フィルム分配器５６を介して動作
する界面活性剤供給器５４である。界面活性剤フィルム
分配器５６は、プリントヘッド１の外表面４に界面活性
剤の液体（あるいは可融性の固体）を保持して界面活性
剤フィルム５８を生成することのできる任意の機構でよ
い。フィルム分配器５６はポンプ６０に接続し、ポンプ
６０は界面活性剤収容部６４に接続している。フィルム
分配器５６の構造としては、外表面４に設けられ、表面
４に液体界面活性剤の小スラグを連続的に分配する微小
パイプの集合体または波形壁の構造が考えられる。表面
４に界面活性剤の液状薄膜を供給して保持することので
きる構造は従来から知られており、それ自体は本発明を
構成するものではない。

【００２１】図４及び図５に関して説明した実施形態の
動作とは違い、この実施形態では、インク滴の生成が所
望された場合に、フィルムタイプ界面活性剤供給器５４
に電気的パルスを同時に供給する必要はない。その代わ
りに要求されるのは、パドル２８に電気パルスを供給し
て、パドルを点線で示した位置まで湾曲させることによ
り、パドル２８を作動させることである。界面活性剤フ
ィルム５８とインクメニスカス１９とが連続して接触す
るため、インク滴２３を生成して吐出させるために必要
なエネルギは実質的に低減する。この結果、熱作動する
パドル２８は、フィルムタイプ界面活性剤供給器５４に
よる補助がない場合に比べて高速のインク滴を生成し、
しかもパドル２８自体にかかる機械的なストレスはより
小さくなる。

【００２２】本発明によるこの実施形態には、ヒータ６
６を任意に追加してもよい。好ましくは、このようなヒ
ータ６６は、ノズル７の円筒形上部側壁１３の周囲に設
けられた円形加熱部材６８を含む。加熱部材を表面４の
上部に配置すると界面活性剤のメニスカス１９への流入
を妨げるため、ヒータは上記の配置が好ましい。本発明
のこの変形例においては、円形加熱部材６８と熱作動す
るパドル２８の両方に電気パルスが同時に供給されて、
インク滴２３を生成し、吐出する。図５に示した本発明
の実施形態の場合と同様に、界面活性剤供給器５４とヒ
ータ６６を組み合わせた結果、インク滴補助部３０がそ
の構成要素として界面活性剤供給器５４のみを含む場合
に比べて、より高速でインク滴２３が生成される。

【００２３】図７においては、本発明のインク滴分離器
２５が、プリントヘッド１の後部基板５の裏表面６に機
械的に接続された、圧電トランスデューサ７０から形成
されるインク滴補助部３０を含んでもよい。比較的高周
波数の電気パルスを圧電トランスデューサ７０に連続的
に供給することにより、インクメニスカスは周期的に凹
形位置１９から凸形位置３４に変形する。なお、振動子
７０に供給される電気パルスのパワーは、結果として発
生する振動エネルギが、インクに凸形のメニスカスを周
期的に生成するには十分であるが、インク滴を生成して
分離させるには不十分であるように選択される。インク
滴の生成を望む場合には、圧電トランスデューサ７０が
インクに凸形メニスカス３４を形成すると同時に、電気
パルスを熱作動パドル２８に供給する。この結果、圧電
トランスデューサ７０によりインクに付加されたさらな
る運動エネルギのために、パドル２８を単独で用いた場
合に比べてより高速でインク滴２３が生成されて吐出さ
れる。振動子７０が上記凸形メニスカス３４を形成する
際にパドル２８に熱パルスを供給することのできるタイ
ミング回路は従来から知られており、それ自体は本発明
を構成するものではない。噴射されたインク滴２３の速
度を更に速める目的で、図７に示される本発明の実施形
態に、点線で示すようなフィルム分配型界面活性剤供給
器７２をさらに設けてもよい。

【００２４】図８に示される本発明の実施形態は、図７
に示される実施形態と本質的に同じである。唯一の相違
点は、ノズル吐出口１５の周辺にヒータ（点線で示され
る）を任意に加えてもよい点である。図６Ａの実施形態
にフィルムタイプ界面活性剤供給器５４を追加した場合
と同様に、図６Ｂに示される実施形態にヒータ７５を追
加することにより、インク滴補助部３０が圧電トランス
デューサ７０のみを構成要素として含む場合に比べて、
より高速のインク滴２３が生成される。

【００２５】圧電トランスデューサに関して機械的な振
動子を説明したが、本発明は任意のタイプの電気機械振
動子を用いて実施できる。さらに、本発明は上記のイン
ク滴補助部及び発生部の実施可能な組み合わせをいずれ
も含むものであり、例示的な目的のみで説明した上記好
ましい実施形態で用いた組み合わせに限定されない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 各ノズルに熱により作動するパドルを設けて
インク滴を生成及び噴出する、従来のドロップオンデマ
ンドプリントヘッドにおけるノズルの側断面図である。

【図２】 本発明によるインク滴分離器を組み込んだプ
リントヘッドノズルの側断面図であり、ノズル吐出口に
振動するメニスカスを生成する熱作動パドルと、ノズル
吐出口周辺に設けられた円形ヒータとの組み合わせを含
む。

【図３】 円形ヒータがノズルプレートの上部表面でな
く、ノズル吐出口の側壁周辺に設けられた、図２に示す
実施形態の変形例を示す図である。

【図４】 本発明のインク滴分離器の別の実施形態を組
み込んだプリントヘッドノズルの側断面図であり、熱作
動するパドルと界面活性剤噴出器との組み合わせを含
む。

【図５】 円形ヒータをノズル吐出口の側壁周辺に設け
た、図４の実施形態の変形例である。

【図６】 本発明のさらに別の実施形態を組み込んだプ
リントヘッドノズルの側断面図であり、インク滴分離器
は、熱作動するパドルと、プリントヘッドの外表面上に
界面活性剤の薄膜を継続的に供給する表面活性剤供給器
との組み合わせにより形成される。

【図７】 プリントヘッドノズル内に取り付けられた本
発明によるインク滴分離器のさらに別の実施形態を示す
図であり、インク滴分離器は、熱作動するパドルと、プ
リントヘッドの裏基板に結合した圧電トランスデューサ
との組み合わせで形成される。

【図８】 任意の界面活性剤供給器の代わりに任意のノ
ズルヒータを更に設けた、図７の実施形態の変形例であ
る。

【符号の説明】

１ プリントヘッド、３ 正面基板、４ 外表面、５
裏基板、６ 裏表面、７ ノズル、１１ 下部側壁、１
３ 円筒上部側壁、１５ ノズル吐出口、１７インク供
給流路、１９ インクメニスカス（凹形）、２０ イン
ク滴分離器、２１ 熱作動パドル、２３ インク滴、２
５ 本発明のインク滴分離器、２７インク滴発生部、２
８ 熱作動パドル、３０ インク滴補助部、３１ ヒー
タ、３２ 円形加熱部材、３４ 凸形インクメニスカ
ス、３７ ヒータ、３８ 円形加熱部材、４０ 界面活
性剤供給器、４２ 界面活性剤噴出器、４４ 開口部、
４８ 界面活性剤供給器、５０ ヒータ、５２ 円形加
熱部材、５４ 界面活性剤供給器、５６ フィルム分配
器、５８ フィルム、６０ ポンプ、６４ 界面活性剤
供給器、６６ ヒータ、６８ 円形加熱部材、７０ 圧
電トランスデューサ、７２ 任意の界面活性剤フィルム
分配器、７５ 任意のヒータ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 要求に応じてインクジェットプリンタの
   インク微小滴を生成するインク滴生成装置であって、 吐出口（１５）を有するノズル（７）と前記ノズルに液
   体インクを供給するインク供給流路（１７）とを有する
   インクジェットプリントヘッド（１）と、 インク滴分離器（２５）であって、 前記ノズルにおいてインクに結合し、インク滴を生成し
   てインクメニスカス（１９）から分離させるために必要
   なエネルギ量を低減するインク滴補助部（３０）と、 前記インク滴補助部と協動し、選択的にインク滴を生成
   して前記インクメニスカスから分離させるインク滴発生
   部であって、熱作動するパドル（２１）を含むインク滴
   発生部（２７）と、 を含むインク滴分離器（２５）と、 を備えるインク滴生成装置。
2. 【請求項２】 ドロップオンデマンドに基づき、インク
   ジェットプリントヘッドのノズルからインクの微小滴を
   噴出する方法であって、 ノズル内の液体インクに振動エネルギを加えて凹型及び
   凸形のメニスカスを周期的に形成することにより、イン
   ク滴を生成して前記ノズルの吐出口を横断して延びるイ
   ンクメニスカスから分離させるために必要なエネルギ量
   を低減するステップと、 インク滴の生成及び前記インクメニスカスからの分離を
   選択的に誘導するステップと、 を含む方法。