JP2006306090A - プリント方法および該方法を適用するのに適したプリンタ - Google Patents

Abstract

【課題】射出されるインクの量を変えることができるインク転写方法を提供する。
【解決手段】本発明は、ノズルを有するインクチャンバと、インクチャンバと協働する電気機械トランスデューサとを有するインクジェットプリンタを用いて、受容材料にインクを転写するための方法に関し、ノズルからある量のインクを射出するために、インクチャンバ内に圧力波を発生させるようにトランスデューサを作動させることを含み、圧力波は、その圧力波が、前記ある量のインクの第１および第２のインク小滴への分離を引き起こすようなものであり、インクチャンバから射出されるように強制されるインクの量が、受容材料の方向に超臨界的な加速を受けるように、トランスデューサが作動され、その後に、トランスデューサは、第２の小滴をインクチャンバ内に引っ込めるように作動される。
【選択図】図４

Description

本発明は、ノズルを有するインクチャンバと、インクチャンバと協働する電気機械トランスデューサとを有するインクジェットプリンタを用いて、受容材料にインクを転写するための方法であって、ノズルからある量のインクを射出するために、インクチャンバ内に圧力波を発生させるようにトランスデューサを作動させることを含み、圧力波は、その圧力波が、前記ある量のインクの第１および第２のインク小滴への分離を引き起こさせるようなものである方法に関する。その次に、本発明は、この方法を適用するのに適したプリントヘッド、ならびにこのプリントヘッドが設けられるプリンタに関する。

そのような方法は、米国特許第６，４０６，１１６号から知られている。この特許において、圧電タイプのインクジェットプリンタが開示されている。そのようなプリンタは、多数の実質的に閉じたインクチャンバを有する射出プリントヘッドを備えており、各チャンバは、チャンバ内に液体インクを供給するための入口と、このチャンバからインク小滴を射出するためのノズルとを有している。各インクチャンバは、圧電要素に作動的に接続している。知られているプリンタにおいては、これら各圧電要素が、対応するインクチャンバに接触している。圧電要素は、電圧の印加によって変形させる（「作動させる」と呼ばれる）ことができ、この方法は、機械的エネルギーへの電気的エネルギーの極めて高速度の変換を行う。そのような、膨張、収縮、または両者の組み合わせである変形は、インクチャンバの容積の急激な変化に寄与し、それゆえこのチャンバに圧力波を引き起す。一般に知られているように、そのような圧力波は、ノズルからある量のインクを射出させ得る。上述された特許文献によれば、ある量のインクが、局所的な速度の差異を提供されるように、圧力波を発生することが知られている。これは、いわゆる分離インク小滴を作り出すために適用されている。局所的な速度の差異を有するある量のインクの射出は、速度の差異の程度に応じてある量のインクの形状を変化させ、それゆえ種々の状態での小滴の作成を可能とする。この射出方法は、受容材料上に異なる被覆面積を有するインクドットの作成を可能とする。これは、次に各画素（ピクセル）に関して表現されるべき複数の異なる濃度を可能とし、それゆえ滑らかなトーン表現を確保し、特に低トーン画像エリアにおける全体的な画質を改善する。

しかしながら、知られている方法は、重大な不都合を有している。インクの射出毎に射出されるインクの量は、従来技術と比較して実質的に同一である。それゆえ、たとえある量のインクが、２つ以上の小滴に分離されたとしても、各小滴は、実質的に同一の位置で受容材料に当たるであろう。このことは、画素の最終的な濃度が、ある量のインクが分離されなかった濃度とほとんど変わらないことを意味する。これに次いで、より小さなインク小滴を射出することによって緩和されるであろう、多くの受容材料の低デューティ制限（すなわち、単位面積あたりのインク吸収可能な量における低い上限）の問題は、知られているプリント方法によって解決されない。すなわち、同一量のインクが、依然として、インク射出毎に受容材料上に射出される。最後に、原理的にプリント画像のより豊かな色表現を可能とする、インク小滴サイズを変化させることの利点は、各小さな小滴が、大きな小滴または多数のより小さな小滴を必然的に伴うために、十分な程度まで受けることができない。それゆえ、同一量のインクが、画素毎にまたは少なくとも画素を構成する面積毎に使用される。
米国特許第６，４０６，１１６号明細書 米国特許第６，５１３，８９４号明細書 米国特許第４，６８８，０４８号明細書

本発明の目的は、上述された問題を克服し、または少なくとも緩和することにある。

このために、プリアンブルに従った方法が、工夫され、インクチャンバから射出されることを強制されるある量のインクが、受容材料の方向に超臨界的な加速を受けるように、トランスデューサが作動され、その後に、トランスデューサが、第２の小滴をインクチャンバ内に引っ込めるように作動されることを特徴としている。

この方法は、第２の小滴となる、あるいは、第２の小滴になろうとするインク量の一部（すなわち、ノズルそれ自体に最も近い小滴）が、ノズルにおける圧力を十分に低下させることによって、インクチャンバ内に引き戻され得るという認識を用いている。この圧力低減は、第１の小滴もインクチャンバ内に引き戻されてしまうのを防止するために、あまりに早く課せられるべきではなく、またあまりに遅く、すなわち第２の小滴がもはや引き込まれないときに、課せられるべきでもない。本発明に従った方法は、第１の小滴が、受容媒体上の画像の一部となる目的で実際に射出される、（この特定のインク射出の）唯一の小滴となるように選択され得るという、重大な利点を有している。このように、滴サイズ調整の利点は、もともと、ただ１つの（比較的大きな）サイズのインク小滴を作り出すために開発されたインクジェットヘッドによってさえも、十分に受けることができる。本方法によって、各小滴が、従来技術の方法から知られているように、１つの大きな小滴と等価な量をなお全体として有する１つ以上の小滴を伴うことなしに、種々のサイズのインク小滴が作り出され得る。例えば、上述された米国特許から、種々のサイズを有する第１の小滴をどのように作り出すかが知られている。本発明に従った圧力低減を適用することによって、伴う後続の小滴は、インクチャンバ内に効果的に引き込まれることができ、このように、第１の小滴だけが、受容材料上に形成される画像の一部となるままにする。このことは、非常に滑らかなトーン表現を有する画像形成を可能とする。

本発明は、さらに、圧力波は、ある量のインクが受容材料の方向に超臨界的な（ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ）加速を受けるようなものである、という特徴に依存している。インクチャンバから射出されることが引き起こされる初期量のインクは、インクの表面張力がもはや完全に一緒に体積を保持することができないように、加速される。超臨界的な加速は、インクの量内における比較的大きな速度の差異を提供し、速度の差異は、ある量のインクを分離させる力が、もはや表面張力によって平衡を保てないようなものになる。超臨界的な加速の利点は、ある量のインクが、まだノズル内にあるかまたは少なくともノズルの近傍にあるときに、速度の差異が、比較的高いことである。このことは、第２の小滴を引き込むステップが、比較的容易であることを意味する。第２の小滴（すなわち、第２の小滴となることが引き起こされるある量のインクの少なくとも一部）は、すなわち、ある量のインクが２つの個別の小滴へ分離するための必要条件が、既に満たされているときに、依然として、しばしばノズルのところにほぼ完全に存在する。この段階において、個々の小滴は、まだ形成されている必要はなく、（任意のさらなる動作もなしに）２つの個別の小滴が生じるであろうほどに、ある量のインク内の局所的な速度の差異が、高くなっていることで十分であることに留意されたい。超臨界的な加速は、このように、引き込みプロセスが１００％信頼でき、それゆえ画質がさらに向上することを事実上保証する。そのような超臨界的な加速の他の利点は、当該方法が、比較的大きな粘性を有するインクにも適用され得て、それゆえ、例えば、比較的低い動作温度での使用も可能とすることである。これの次に、超臨界的な加速の適用は、インクの非常に小さな量の分離を可能とし、そのため非常に小さなインク小滴が提供され得ることが明らかである。

超臨界的な加速の適用は、従来技術から知られているように種々の方法によって課せられ得ることに留意されたい。この種の加速は、例えば、サテライトインク滴が形成されるときに生じる。このプロセスは、従来技術から知られているが、概して望ましくないとみなされる。例えば、インクチャンバの断面に比べると、小さすぎるノズル断面のために、ノズルにおける圧力が高くなり過ぎる（あまりにも速く増大する）とき、このことが、主たるインク小滴の前方に先行するサテライトインク滴を生じさせることが知られている。また、インクチャンバにおけるインクのメニスカスが、インクチャンバにおける急激な圧力の増大の前に、あまりに速く引き込まれるとき、このことが、サテライトインク滴を生じさせ得る。この場合、すなわち、ほとんど全ての加速エネルギーは、非常に小さな量のインクに押し込まれ、それゆえ超臨界的な加速を受ける。サテライト滴は、また、ノズル位置における圧力波の特定の反射の結果として、ノズルにおける圧力が非常に高くなったときにも現れ得る。もしも圧電要素が、ノズルからいくぶん離れて配置されているならば、このことはそのような反射を生じ得ることが、例えば知られている。

米国特許第６，５１３，８９４号から、第１のおよび第２のインク小滴で射出されるべきある量のインクの分離を引き起こす圧力波が、インクチャンバ内に発生され得て、且つ第２の小滴が、インクチャンバ内に引き戻され得ることが知られていることに留意されたい。しかしながら、この方法は、分離効果を提供することを、ある量のインクにおける振動の発生に頼っている。この方法は、信頼性が低く、且つ非常に低い粘性を有するインク（典型的には、水および溶剤ベースのインク）に適用できるだけであるという、不都合を有している。そのうえ、適切な振動は、比較的大量のインクにのみ発生されることができる。知られている方法は、それゆえ、本発明によって克服されまたは少なくとも緩和される、いくらかの不都合を有している。

一実施形態において、使用されるインクは、実質的に無溶剤である。そのようなインクは、例えば、５％未満の溶剤を含み、好ましくは２％未満さえの溶剤を含む。このことは、実質的に全ての射出されたインクは、最終的な画像に組み込まれるという利点を提供する。水ベースのインクのような溶剤を含むインクは、溶剤を蒸発させる必要性を有する。ホットメルトインクまたは多くのＵＶ（紫外線）硬化し得るインクのような、実質的に無溶剤であるインクは、溶剤の蒸発を必要としない。しかしながら、そのようなインクは、典型的には、これらのインクの小滴を射出させるために適切な圧力波を印加することにおける自由の量を著しく低減させる、比較的高い粘性（典型的に、動作温度において１０ｍＰａ・ｓ）を有している。特に、滴サイズ調整（すなわち、種々のサイズのインク小滴の提供が可能である）に提供される一般に知られている方策は、非常に低い粘性（５ｍＰａ・ｓ未満）を有するインクについてのみ有効である。本方法は、動作温度において比較的高い粘性を有するインクについての真の滴サイズ調整を与えるのに、非常に適切であることが明らかである。すなわち、小滴分離の効果を作り出すことは、第２の小滴を引き込むのに十分な圧力低減の生成の場合にも、これらの高粘性インクについて比較的単純であるように見える。

本発明は、また、受容材料にインクを転写するためのインクジェットプリントヘッドに関し、このインクジェットプリントヘッドは、ノズルを有するインクチャンバおよび前記インクチャンバと協働する電気機械トランスデューサと、トランスデューサの作動を制御するための駆動ユニットとを備え、前記駆動ユニットは、ノズルからある量のインクを射出するために、インクチャンバ内に圧力波を発生させるようにトランスデューサを作動させることが可能であるようにプログラムされ、圧力波は、その圧力波が、前記ある量のインクの第１および第２のインク小滴への分離を引き起こすようなものであり、駆動ユニットは、さらに、インクチャンバから射出されることが強制されるある量のインクが、受容材料の方向に超臨界的な加速を受けるように、トランスデューサを作動させることが可能であり、その後に、第２の小滴を、インクチャンバ内に引っ込めるようにトランスデューサを作動させることを特徴とする。そのようなプリントヘッドが設けられるプリンタも、また、本発明の一部である。

本発明は、以下に与えられる例を参照してさらに説明されるであろう。

（図１）
図１は、インクジェットプリンタを図式的に図解している。この実施形態において、プリンタは、受容材料２、例えば１枚の紙または１枚の透明シートを支持し、且つ走査キャリッジ３に沿ってそれを移動させるための、ローラ１を備えている。このキャリッジは、４個のプリントヘッド４ａ、４ｂ、４ｃ、および４ｄがその上に固定されている支持部材５を備えている。各プリントヘッドには、その独特の色のインク、この場合それぞれシアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、およびブラック（Ｋ）のインクが設けられている。プリントヘッドは、無溶剤インクを射出するために特別に構成されている。これを可能にするために、ヘッドは、各プリントヘッド４の背後に且つ支持部材５上に配置された、加熱手段９を備えるヒータによって加熱される。これらの加熱手段は、プリントヘッドの温度が、インクチャンバ内のインクの適切な（低い）粘性を与えるのに十分なほど高いことを確実にする。プリントヘッド自体は、ヒータが、インクチャンバ（図示せず）内におけるインクを実質的に一様に加熱することを可能とするように、少なくとも部分的には優れた熱伝導性を有する材料から作られている。温度センサ（図示せず）も設けられている。プリントヘッドは、コントローラ１０に組み込まれている制御ユニットを介して、正しい温度に保たれ、制御ユニットを用いて、加熱手段が、センサによって測定された温度に応じて個別的に作動され得る。プリントヘッドは、多くの加熱および冷却サイクルにさらされるため、プリントヘッドが作られる材料は、それらの熱膨張係数に対してよく適合されている。これの次に、全ての機械的結合は、温度変化による張力に耐え得るように構成されている。

ローラ１は、矢印Ａによって示されるようにその軸のまわりで回転可能である。このようにして、受容材料は、支持部材５に対して且つそれゆえプリントヘッド４に対しても、副走査方向（Ｘ方向）に移動され得る。キャリッジ３は、ローラ１に平行な、二重矢印Ｂで示される方向に適切な駆動手段（図示せず）によって、往復運動で移動され得る。この目的のために、支持部材５は、ガイドロッド６および７上で移動される。この方向は、主走査方向またはＹ方向と称される。このようにして、受容材料は、プリントヘッド４によって完全に走査され得る。図示される実施形態において、各プリントヘッド４は、各々それら自体のノズル８を有するインクチャンバ（図示せず）が設けられた、多数のプリント要素を備えている。この実施形態において、ノズルは、各プリントヘッドについて、ローラ１の軸に対して垂直（副走査方向）に延びる一列を形成している。インクジェットプリンタの実用的な実施形態においては、プリントヘッド毎のインクチャンバの数は何倍も大きく、且つノズルは２つ以上の列にわたって分布されるであろう。各インクチャンバには、電気機械トランスデューサ（図示せず）が設けられており、それによってインクダクト内の圧力は、受容材料の方向に結合されるチャンバのノズルを通してインク滴が射出されるように、急激に増大され得る。この種の手段は、例えば、圧電要素を含んでいる。これらの手段は、結合される電気駆動回路（図示せず）を介して、画像に従って通電され得る。このようにして、インク滴から作り上げられる画像が、受容材料２上に形成され得る。

この種のプリンタによって受容材料がプリントされるとき、インク滴は、プリント要素によって射出され、前記受容材料またはその一部は、（仮想的に）ピクセル行およびピクセル列の規則的な領域を形成する固定された位置に分割される。一実施形態においては、ピクセル行は、ピクセル列に対して直角をなす。結果として得られる分離された位置には、各々１つ以上のインク滴が提供され得る。ピクセル行およびピクセル列に平行な方向における単位長さあたりの位置の数は、プリントされた画像の解像度と称され、例えば４００×６００ｄ．ｐ．ｉ．（「ドット／インチ」）として示される。画像に従ってインクジェットプリンタのプリントヘッドのノズルの列を作動させることによって、列が支持部材５の変位によって受容材料に対して移動するとき、インク滴により作り上げられる（部分）画像が、受容材料上に、少なくともノズル列の長さの幅のストリップ上に形をなす。

（図２）
図２は、圧電駆動インクジェットプリントヘッド３の一部分を概略的に示している。図２に描かれた部分は、動作状態ではプリント用インク、この場合十分に液化されたホットメルトインクを収容する、４個のインクチャンバ１１を備えている。インクチャンバの一端には、出口１７が設けられており、この出口は、インクチャンバと、インクジェットヘッドの前端１３に設けられたノズル８との間に延びている。他端においては、インクチャンバ１１が、インクチャンバに新たなインクを供給するように機能しているインク供給リザーバ１４に結合されている。個別のインクチャンバは、入口１５を介してインク供給リザーバに結合されている。各インクチャンバ１１は、圧電トランスデューサに結合されている。このトランスデューサは、作動されるとそれが収縮しまたは膨張され得る。このようにして、対応するインクチャンバ内のインクに対する運動を伝達することによって、例えば米国特許第４，６８８，０４８号（当該米国特許の全ての図面と対応する記述に対する参照が、ここになされる）によって、当技術分野において一般に知られているように、インク内に圧力波が生成され得る。これらの圧力波の結果として、インクの小滴が、ノズルから射出され得る。作動それ自体、すなわち、圧電要素がどのように変形されるかということは、パルスジェネレータと制御ハードおよびソフトウェアとを有する駆動ユニットによって制御され、この駆動ユニットは、コントローラ１０（図１を参照されたい）に組み込まれている。インク小滴の射出の後に、同一量のインクが、インクリザーバ１４から対応するインクチャンバに供給される。入口１５の小さな開口１２は、生成された圧力波が、共通のインク供給リザーバを介して隣接するインクチャンバに伝播されることをほとんど完全に防止する。

（図３）
図３は、インクチャンバのノズルにおける圧力変動を図式的に示している。グラフ２０は、ノズルにおける圧力Ｐ（Ｙ軸、任意の単位）を、時間ｔ（Ｘ軸、任意の単位）の関数として示している。グラフ２０のセグメントＡは、休止状態にあるインクチャンバにおける最小の負圧力Ｐを反映している。この最小負圧力は、インクがノズルから滴下するのを防止している。セグメントＢにおいては、圧力は、対応する圧電トランスデューサが収縮することによって急激に低減される。その後に、セクションＣにおいて圧力が増大されるのが見られ得る。この相対的に強く且つ急激な圧力増大は、ノズル内に存在するある量のインクの超臨界的な加速を引き起こす。この圧力増加に続いて、セグメントＤにおける圧力の大きな減少が生じる。この減少は、加速されたインク量の後続部分の引き込みを処理する。最後に圧力は、セグメントＥにおいてその初期値へ再び戻される。

（図４）
図４は、図３に描かれたような圧力変動を適用するときの小滴形成プロセスを示している。グラフ２０におけるセグメントＡに対して、インクチャンバ１１のノズル１７におけるインクのメニスカス３０は、インクチャンバにおけるわずかな負圧力によっていくぶん凹面である。セグメントＢにおいて、このメニスカスは、急激な圧力低下によってインクチャンバ内に引き込まれる。これは、主として、ノズル１７におけるインク量３５に影響する。この圧力低下には、セグメントＣにおける超臨界的な加速が続く。この超臨界的な加速によって、インク量３５は、ノズル１７から射出され、且つインク量３５の２つの部分３６と３７への分離が引き起こされる。第１の部分３６は、第２の部分３７よりもいくぶん低いスピードを有する。さらなる圧力変化がなければ、部分３６と３７とは、完全に分離し且つ個別のインク小滴を形成する。しかしながら、セグメントＤにおいて、非常に大きな圧力低減が与えられ、そのために部分３６は、ほぼ完全にインクチャンバ内に引き戻される。部分３７は、既にインクの表面張力が、この部分３７の慣性のモーメントに打ち勝つことができないほど十分なスピードを得ており、それゆえ個別のインク小滴３７となる。セグメントＥにおいて、圧力は、インクのメニスカスをその開始位置に再び戻すことを可能とする、その初期値に戻される。このプロセスの結果は、比較的小さな小滴のホットメルトインクが、ノズルから射出されることである。

インクジェットプリンタの概略図である。 圧電的に駆動されるインクジェットプリントヘッドの一部を概略的に示す図である。 インクチャンバのノズルにおける圧力変動を図式的に示す図である。 小滴形成プロセスを示す図である。

符号の説明

１ ローラ
２ 受容材料
３ キャリッジ
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ プリントヘッド
５ 支持部材
６、７ ガイドロッド
８ ノズル
９ 加熱手段
１０ コントローラ
１１ インクチャンバ
１２ 開口
１３ 前端
１４ インク供給タンク
１５ 入口
１７ 出口
３０ メニスカス
３５ インク量
３６、３７ 部分

Claims (4)

1. ノズルを有するインクチャンバと、インクチャンバと協働する電気機械トランスデューサとを有するインクジェットプリンタを用いて、受容材料にインクを転写するための方法であって、ノズルからある量のインクを射出するために、インクチャンバ内に圧力波を発生させるようにトランスデューサを作動させることを含み、圧力波は、該圧力波が、前記ある量のインクの第１および第２のインク小滴への分離を引き起こさせるようなものであり、
   インクチャンバから射出されることが強制されるある量のインクが、受容材料の方向に超臨界的な加速を受けるように、トランスデューサが作動され、その後に、トランスデューサが、第２の小滴をインクチャンバ内に引っ込めるように作動されることを特徴とする、方法。
2. インクが、実質的に無溶剤であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 受容材料にインクを転写するためのインクジェットプリントヘッドであって、該インクジェットプリントヘッドが、ノズルを有するインクチャンバおよび前記インクチャンバと協働する電気機械トランスデューサと、トランスデューサの作動を制御するための駆動ユニットとを備え、前記駆動ユニットが、ノズルからある量のインクを射出するために、インクチャンバ内に圧力波を発生させるようにトランスデューサを作動させることが可能であるようにプログラムされ、圧力波は、該圧力波が、前記ある量のインクの第１および第２のインク小滴への分離を引き起こさせるようなものであり、
   駆動ユニットは、さらに、インクチャンバから射出されることが強制されるある量のインクが、受容材料の方向に超臨界的な加速を受けるように、トランスデューサを作動させることが可能であり、その後に、第２の小滴をインクチャンバ内に引っ込めるようにトランスデューサを作動させることを特徴とする、プリントヘッド。
4. 請求項３に記載のプリントヘッドが設けられる、プリンタ。

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