JP2009507672A - インクジェットプリント用液滴帯電偏向装置 - Google Patents

Abstract

固定点（Ｂ）においてジェット（１４）が大小の液滴に分離され、その液滴（１６ａ、１６ｂ）が、セグメント（１８）の長さ（ｌ、Ｌ）に応じて、換言すれば、液滴の直径に応じて帯電されるインクジェットプリント方法。この構成により移行問題が解決される。帯電手段（２２）は液滴（１６ｂ）を選択的に偏向することもできる。
（図４）

Description

本発明は、噴霧技術とは本質的に異なる液体射出の分野に関し、特にデジタル印刷等に使用される較正された小液滴の発生制御に関する。
本発明は、特に小液滴の選択的変位に関するものであり、インクジェットプリントに好適であるが、応用分野はこれに限るものではない。本発明に関わる装置は、ドロップオンデマンド技術とは対照的に、連続ジェットの分野における非同期の液セグメントを発生するシステムに関する。

連続インクジェットプリンターの代表的な動作は、次のように述べることができる。
すなわち、導電性インクがインク容器に加圧保存される。このインク容器は、インク励起装置によって励起されるインクを溜める空洞を提供する。この励起用空洞は、その内側から外に向かって、ノズル板に開口され径較正されたノズルに通じる少なくとも１つのインク通路よりなり、加圧インクはこのノズルを通して流れ、インクジェットを形成する。

このようにして形成されたインクジェットは、ノズル板下流の所定点で分離され、インク室内に収納された励起装置による周期的な励起作用により、一定間隔でインク小液滴を生成する。インクジェットは、インク容器内のインク中に置かれた励起装置からの周期的な振動により、液滴分離点と呼ばれる点において強制的に細分される。
この分離点から、連続したジェットは連続したインク液滴に形を変える。液滴を選択的に、印刷基体または一般にガターと呼ばれる回収装置のいずれかに向かわせるために、さまざまな手段が使われる。このため、所望の印刷パターンを生成するためには、基体が印刷されるあるいは印刷されないときいずれにも、同一の連続ジェットが使用される。
印刷速度を上げ印刷面積を拡大するため、このような連続インクジェットプリンターは同時かつ並列に動作する数個のプリントノズルで構成すこともできる。

液滴を選択する一般的な手段は、帯電電極と呼ばれる分離点に近接した第一の電極群で構成され、この電極群は、各液滴に所定の電荷を選択的に転送するよう機能する。
ジェット内の全ての液滴は、そのうちのいくつかは帯電され、その帯電量に応じて液滴の軌道を変化させる電界を発生する偏向電極と呼ばれる第二の電極列を通過する。

連続ジェットが細分されて作られた液滴を静電偏向するこの方法は、インクジェットプリントにおいて広く使用されている手法である。変位した連続インクジェットの変形例、例えば特許文献ＵＳ３５９６２７５（スイート）に記述の例では、複数の電圧を備えて構成され、液滴の発生に同期して電圧を印加すると同時に、液滴に所定の電荷を帯電させるようにし、複数の液滴の軌道を正確に制御している。２つの帯電レベルに関連づけて２つの所望の軌道のみに小液滴を乗せる手法は、特許文献ＵＳ３３７３４３７（スイート）に記述されている２値連続インクジェットプリント技術に由来するものである。
これらの装置では全て、帯電信号は液滴が追従する軌道およびその他の要因によって決定される。複数のジェットを使用するこの概念の最大の不利は、第一にそれぞれインクジェットに近接して異なる電極を配置する必要があること、第二にこれらの各電極を独立して制御しなければならないことである。

もう一つのアプローチとして、帯電電位を設定し励起信号を変化さて、インクジェットの分離位置を移動させる手法がある。各液滴、従って液滴の軌道を通して運ばれる電荷量は、その液滴がジェット列に共通の帯電電極から離れて形成されるか近くで形成されるかによって異なってくる。帯電電極群は、程度の差はあれ複雑なものになるであろう。
数多くの構成が、特許文献ＵＳ４３４６３８７（ヘルツ）において検討されている。このアプローチの最大の利点は、電極ブロックが機械的に簡単になることである。しかしながら２つの偏向レベル間の移行は簡単には行えない。一方の分離点から他方への移行によって、制御不能な中間の軌道上に連続した液滴が発生する。

この難しい問題を克服するため、特許文献ＥＰ０９４９０７７（イマージュ）に記載のように、管理が困難で厳しい許容差（通常数１０ミクロン）で分離長を調整するという解決法が考えられてきた。あるいは特許文献ＥＰ１０９２５４２（イマージュ）に記載のように、はっきりと定められた２つの分離位置間の距離と等価な長さで、部分的に帯電されたジェット部分を管理する解決法が考えられてきた。しかしながら、この手法では２つの分離点の管理が必要であり、有効利用が不可能なジェットセグメントを発生させ、有効利用される液滴の発生頻度を減少させなければならない。
一般的に、異例な液滴の生成方法（例えば、ＥＰ０９１１１６７）を容認する熱励起技術に基づいたコダック社の液滴生成装置の開発等最近の開発においてさえ、その提唱されている解決策には、常にジェットの偏向された位置と偏向されない位置間での移行の問題がある。
特許文献ＵＳ２００３／０２２２９５０に記述のように、一つの代替案として異なる大きさの液滴を存在させ、横方向からの気流の射出により液滴の大きさに応じて選択的に偏向する案が提唱された。しかしながらこの場合、液滴の軌道に沿った空気の誘発変動を増加することなく、均一な気流の生成、循環、再生を行うことは困難である。

本発明の利点一つは、従来のプリンターヘッドの不利を克服することにあり、本発明は、液滴の大きさに応じて液滴の軌道を決定することに関するものである。
さらに概括的に言えば、本発明は、液滴を生成するインクジェットセグメント長に応じて、特に液滴の直径に応じて、分離点に作用することなく、連続ジェットから出る液滴を帯電する手段に関するものである。液滴の帯電とそれに続く偏向は、ジェットを揺動したときに決定され、帯電偏向手段の下流側での制御設定を変える必要はない。
本発明によれば、直径の異なる液滴は、直径が変化するジェットから形成するのではなく、柱状ジェットから分離時間間隔を変動させて異なる長さのセグメントを形成し、同一分離点で分離して形成される。このようにして、表面張力の働きにより大小の液滴が形成される。各セグメントの柱状形状係数は、直径よりもセグメント長が大きく、従来技術とは対照的にジェットに擬似的な球状部分は形成されない。

発明の一形態によれば、本発明は、加圧された導電液容器から、選択的に帯電された液滴を生成する装置に関する。この装置は、ジェットを第一および第二の長さのセグメントに分離するように、ジェット半径を摂動させる手段を備えており、分離点はセグメント長にかかわらず、実質的に射出ノズルから等距離にあり、好適には、ジェット列が得られるように多数のノズルが備えられ、好ましくは各ジェットは独立して制御が行われる。好適な一実施例によれば、ジェット揺動手段は、たとえば電気励起信号によって駆動され、薄膜を介して空洞に作用するピエゾアクチュエータを備えている。

また本装置は、少なくとも数個のセグメントを帯電する手段を含んで構成され、この帯電手段は、ジェット分離点の周囲に配置され一定の電位にある素子で構成される。ノズルから指定距離離れたジェット分離点で、ジェットセグメントは連続ジェットから分離し、帯電手段は、このセグメントに選択的に電荷を転送する。一般的には、帯電手段によって発生した電界は、セグメントの長手方向に沿って作用する。各セグメントは液滴を生成するが、液滴を作り出す柱状ジェットセグメントの長さの違いにより、液滴に転送される電荷はその直径に応じて異なってくる。連続した短い液滴は、再結合することも可能であり、結合してより大きな液滴を形成する。例えばジェットは、直径は一様であるが異なる電荷が帯電された液滴を生成する。

帯電手段については種々の構成が想定される。一実施例によれば、帯電手段は、分離点の周囲に空隙持った第一の電極と下流側に第二の電極を備えている。小さい液滴はその空隙内で形成され、一方大きな液滴を形成するセグメントは空隙外に突き出し、第二の電極によって帯電される。この第二の電極は、小さい液滴と比べて相対的に大きな液滴を偏向する偏向手段としても働く。

他の実施例によれば、帯電手段は連続した電極、特に板状の２つの電極を備えたブロックから構成される。小さい液滴は、第一電極の前面で形成されて第一電極のみで帯電され、一方大きな液滴は、他方の電極の影響を受け、その結果取り込まれる電荷は、液滴の大きさあるいはまた液滴の元になるセグメントの長さに応じて異なってくる。
本発明の好適な装置によれば、帯電滴が形成される下流に、通常は電極である偏向手段を備え、液滴の軌道を区別する。

他の形態によれば、本発明は、連続ジェットの分離によって液滴が生成される時点で、液滴の元となるセグメントの長さに応じて液滴を選択的に帯電する方法に関し、電荷は少なくとも１つの電極によって、それぞれの長さに応じて生成されるセグメントに転送される。電荷が一旦転送されてしまえば、異なる大きさの液滴または異なる生成点からの液滴を区別して偏向させてもよい。好適には、適切な振幅と持続時間の励起パルスをピエゾアクチュエータに印加し、連続ジェットを揺動することによって、セグメントはその長さに無関係に同一分離点において形成される。
本発明に関わる装置および方法によれば、液滴は印刷するものと回収するものとに識別され、特にインクジェットプリンター用ヘッドに好適なものである。

この発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照し、以下の説明を読むことによってより明らかとなろう。これらは説明のために供するものであり、いかなる制限も意図するものではない

本発明に関わる帯電装置は、必要に応じ連続ジェット内で直径の異なる液滴を生成できるという利点を持つ。インクジェットは可変長のセグメントに分離され、ジェットに加えられる揺動反復パターンに応じて、そのままあるいは再結合して大小の液滴が形成される。ジェットの直径それ自体を変化させても液滴の生成は起こらない。例えば、特許文献ＵＳ４３５０９８６（日立）に開示されているような射出プロセスとは対照的であるが、ジェットに大小の直径を持った部分を形成し、その間でジェットを分離して大小の液滴を形成するようなジェットの変化はない。本発明によれば、ジェットは基本的に柱状状態を維持し、基本的に柱状のセグメントに分離される。

さらに本発明によれば、従来技術とは異なり、液滴はジェットが射出ノズルから実際に一定の距離にある点で分離し形成される、換言すれば、注目しているセグメント長および液滴直径とは無関係に、帯電電極に対してある決まった点に形成される。特に、特許文献ＥＰ１０９２５４２（イマージュ）に記載の、液滴およびセグメントがノズルから異なる点で連続ジェットから分離する装置とは異なり、本発明によれば、ジェットは同一位置で分離し、且つセグメントまたは液滴が形成されるこの分離点からの突出長が異なるようにして励起が行われる。

本発明に特に適した液滴発生装置１を図１に示す。発生装置はこれ以外の型、特に熱型発生装置も考えられる。加圧インクが発生装置１内の二次的な容器２に供給され、インクは容器２からノズル４のネットワークに分配される。図１の断面図はその内の１つのみを示す。各ノズル４には一連のチャンネルで構成される独立した流路を通して供給される。特にチャンネル６の１つは制限機能を持つ。第二のチャンネル８は励起空洞、すなわちインクが満たされたで空洞であり、その１つの面、例えば膜１０は、ピエゾアクチュエータ１２の作用により変形する。
空洞８に閉じ込められるインク量は、電圧によって制御されるピエゾアクチュエータ１２自体の作用によって変化する。この作用の結果、ノズル４から射出されるジェット流１４の半径は変化する。

発生器１から射出されるジェット１４はそれぞれ、独立して且つ同程度に制御されることが望ましい。励起が行われないときは、インクはそれぞれノズル４を通って流れ、連続した柱状のジェット１４を形成する。このジェット１４は、励起信号と称する信号がピエゾアクチュエータ１２に印加されると、それによって液に加わる圧力を変化させるという制御方法（図２参照）によって、小液滴１６に細分される。

励起信号は、図３ａに図示するように典型的なパルス形状をしている。ジェット１４は時間間隔τ_０のパルスにより局部的に揺動し、この結果、流体力学の法則に従ってセグメント１８に細分され（パルス時間間隔および強さに応じ）、表面張力現象によって液滴１６を形成する。さらにパルスτ_０の繰り返しが周期的で且つ一定である場合は、細分化は制御され、長さが較正されたセグメント１８ａを生成し、同一大きさで等間隔の小液滴１６ａを生成する。図２を参照されたい。
励起時間間隔を操作することによって、換言すれば頻度を可変してパルスを繰り返すことによって、発生する液滴の大きさを変化させることができる。特に励起の休止持続時間を変化することは、セグメント長を制御する手段になる。小径の液滴１６ｂを形成するために必要な全てのことは、セグメント１８ｂの長さを短くする、従って一時的に励起停止時間を短くすることである。図３ｂを参照されたい。

発生器を適切に構成すれば、例えば代表的な例として、同一平面上に２５０ミクロン間隔で１００個のジェット列を形成することによって、マルチジェットでも動作可能である。図示のノズル４は、多数のノズルを含む板の一部である。この板から流出するジェット１４は、それぞれ独立したピエゾアクチュエータ１２によって制御され、所定の長さ、例えば１ミリメートル以下のセグメント１８に分離されることになる。

本発明によれば、ジェットの分離はジェットの１つの定まった点Ｂで発生する。
換言すれば、ノズル面４から明確に定められた距離ｄの位置で、好ましくはノズル板を延伸した帯電素子２０の空隙内で発生する。これについては後で詳述する。
図２（図３ａ、３ｂは関連する電気信号を示す）に示すように、ジェット１４は励起信号に応じて、分離点Ｂの下流側に以下を生成する。
・ 長さＬの長い柱状ジェットセグメント１８ａ、大径の球状液滴１６ａを生成
・ 長さｌの短い柱状ジェットセグメント１８ｂ、小径の球状液滴１６ｂを生成
これら直径の異なる液滴は、パルス間隔Ｔを変えることによって制御され、規則的に交互に繰り返される。

本発明によれば、液体の電荷、特に導電性インクの電荷は、その形成点Ｂの下流側に電界を発生する手段の存在により、それぞれジェットの長さlおよびＬに応じて、大径液滴１６ａ、小径液滴１６ｂに選択的に印加される。実際、帯電用静電界中には長さlおよびＬに応じて、独立したセグメント１８ａ、またはまだジェット１４と結合したままのセグメント１８ｂが入ってくる。好適には、帯電手段および偏向手段は、プリントヘッドで形成されるジェット列の全てのジェットおよび液滴に対して固有のもとなっている。

好適な一実施例によれば、インクと発生装置１は接地電位にあり、少なくともいくつかの液滴は形成の途上で帯電され、十分な電位にある電極によって偏向される。しかしながら、以下に提示する例においては、インクを異なる電位にすることが可能であり、この場合、帯電および偏向電極の電位はこの形態から互いに相対的な値となる。

図４に示す好適な一実施例によれば、液滴は小径液滴１６ｂが形成される下流側で帯電される。帯電素子２０は、短セグメント１８ｂが形成される空隙内の導電板で構成され、この導電板２０は、好ましくはジェット１４およびノズル板４と同電位、例えば接地電位にある第一の電位Ｖ１に保持される。電極２０とノズル板４は、短セグメント１８ｂの電気的中性を保証し、こうして電気的中性な液滴１６ｂを生成する。このため液滴が通過する電界にかかわらず、小径の液滴１６ｂは軌道から外れることはない。この直線軌道が基準軌道を形成する。

帯電手段は、電極２０の下流側に非常に高い電位にある電極２２の存在によって誘起される零でない電界Ｅの領域も含む。電極２０の下流側の非常に高い電位にある電極２２の存在によって、電極２０の空隙の下流側に突き出したジェットの一部も、この電極２２により帯電可能である。長セグメント１８ａは、電極２０の外側に突出し、このため電界Ｅで帯電されて生成される。このようにして長さの異なるセグメント１８ａ、１８ｂから、直径の異なる液滴１６ａ、１６ｂが発生し、直径の違いは電荷の違いを伴うこととなる。電荷の違いはセグメントの形状係数の違いによるもので、その大きさに応じて液滴を選択的に偏向することが可能となる。帯電電極２２によって直接この偏向を行なうことができる。

このようにして、この構成では単一の電極２２を使い、長セグメント１８ａの下流側部分（例えばその半分）を帯電し、その結果生じた球状液滴１６ａを電界Ｅによって引き寄せ偏向することができる。帯電した液滴１６ａは、偏向電界Ｅの出口（電極２２の出口）で偏向方向の接線に沿った経路、言い換えれば非帯電液滴１６ｂの基準軌道とは異なる方向に進行を続ける。偏向された液滴１６ａは、このようにしてガターに収集され、この結果小径の液滴１６ｂのみを基体に印刷することが可能となる。
逆に、小径液滴１６ｂがこの方法（例えばインクおよび発生装置を接地せず電極２２が電荷を相殺する）で帯電される液滴であれば、小径液滴をガターに収集し大径液滴を印刷することが可能なことは明らかである。

分離点Ｂの下流側における電極２０の厚みは、少なくとも短セグメント１８ｂの長さｌに等しくなるよう較正される。電気的遮蔽特性を改善し、短セグメント１８ｂの長さｌおよび分離点Ｂの許容誤差範囲を広げるには、セグメント１８ｂの各側で、言い換えれば特に分離点Ｂの上流側で、電極２０を延長することが有効である。電極２０の底部は、長セグメント１８ａの中間点に来ることが望ましい。換言すれば電極２０の厚みは、ノズル板４に直接接続される場合、ｄ＋Ｌ／２程度とすればよい。

上述した大小液滴の細分化はこれに限定するものではない。例えば、図３ｃに示すような連続パルス信号を、ピエゾアクチュエータ１２に印加する信号として使用することも可能であろう。基本信号は、持続時間τ_０、繰り返し周波数Ｆ＝１／Ｔのパルスである。
周期Ｔは、ジェット１４の流速度と協働して長セグメント１８ａの長さを決定する。
時間差Ｔ−τ_０は一周期内の残り時間を与える。基本信号の残り期間に発生する付加的パルスτ1、τ2、・・・・τnは、周期Ｔのジェットセグメントをｎ＋１セグメントに分離するのに利用される。

パルス持続期間τi とパルスとパルス間の残り時間は、例えば同一大きさの短セグメント１８ｂ（従って小径液滴１６ｂ）を生成するように調整してもよい。しかしながら、これらの値は、短セグメント１８ｂを再合併させ（言い換えればセグメントをその生成の下流側で再結合させ）、単位重量当りの電荷によって、短セグメント１８ｂの収縮動態を制御するように選ぶことも可能であり、この結果、長セグメント１８ａより生成される液滴とほとんど同じ大きさの球状液滴１６ａが形成される。このようにこのアプローチによって、液滴が長セグメント１８ａから作られたか、または短セグメント１８ｂが相互に合併して作られたかに応じて、異なる電荷（実際には帯電しているか非帯電か）を持った同一大きさの液滴を生成する手段が得られる。
このようにして、図４で提案された偏向装置は、インク小液滴１６を印刷するかまたは印刷しないかが選択可能な、２つの異なる軌道に乗せる手段をとなる。この選択はピエゾアクチュエータ１２の励起時に行われる。

上記実施例で、中性な液滴の軌道が作られれば、換言すればジェット１４の流軸に沿って軌道が作られれば、ほとんどの場合第一の帯電素子２０の構成に応じて、異なる電荷質量比の２つの帯電液滴の軌道を得ることができる。例えば一変形例によれば、電極２０は電極２２と同じ側で、単一の平板電極（図４に電極２０の片方部分２０′として概略的に示す）に置き換えてもよい。このときには長セグメント１８ａは強力に帯電されるが、短セグメント１８ｂは僅かに帯電されるだけである。この帯電量の差は、任意の付加的電極２４（または電極の対）を設けることによって調整できる。この電極は長セグメントと電極２２の静電結合を強め、短セグメントと電極２２の間にスクリーンを形成する（上述電極の特別な場合が実際の全面スクリーンである）。さらに電極２４は偏向電界を強め、こうして小液滴１６ａの変位を増大させる。特に複数回の偏向を考慮するときは、２つの連続した電極２０′、２２以上の電極を配置することももちろん可能である。

本発明に関わる装置は、このようにして、連続ジェットを細分して作り出される導電液の小液滴を、２つの異なる軌道に乗せる方法を提供する。上述した従来技術の不利を克服しつつ以下の利点が得られる。
・ マルチジェット装置において、ジェット列に共通の電極を配置することで、独立した液滴帯電電極群が除去される。
・ 電極は流れから大きく離れており、小液滴の規模に応じて精密な機械的位置決めは不要である。
・ 液滴はその生成比率に応じて、２つの所定軌道のいずれか１つに乗せられる。その結果偏向装置を構成する電極は一定電位である。

本発明の装置に適した液滴発生装置の断面図を示す。 本発明における液滴および電荷発生の原理を示す図である。 ピエゾアクチュエータ制御信号の説明図である。 本発明の好適な一実施例を示す図である。

Claims (13)

1. 連続ジェット（１４）状の液体を射出する少なくとも１つの射出ノズル（４）を有する加圧液容器（２、８）、ジェット（１４）を揺動し、ジェット分離点（Ｂ）は全てのセグメント用ノズル（４）から略等距離にあり、第一の長さ（ｌ）とこの第一の長さ（ｌ）より長い第二の長さ（Ｌ）の間で長さ調整可能なジェットセグメント（１８）を生成する手段（１０、１２）、前記分離点（Ｂ）から前記ジェット（１４）の軌道に沿って、第一の厚みに亘って延伸する第一の帯電素子（２０）と、前記ジェット（１４）の軌道に沿って前記第一の帯電素子（２０）の下流にある第二の帯電素子（２２）を有し、一定電位に保持され、ジェットセグメント（１８）の長さ（ｌ、Ｌ）に応じて異なる電荷を前記ジェットセグメント（１８）に転送する帯電手段（２０、２２）を備えた導電性液滴の選択的帯電装置。
2. 前記第一の帯電素子は電極（２０）を具備し、その厚みは前記分離点（Ｂ）を起点としてセグメント（１８ａ、１８ｂ）の長さ（ｌ、Ｌ）の間にあり、前記第二の帯電素子（２２）は偏向電極として作用する高電位に保持された電極（２２）を備えた請求項１に記載の装置。
3. 前記帯電手段は、ジェット（１４）の軌道に沿って略整列され、前記２つの帯電素子を形成する少なくとも２つの電極（２０′、２２）を備えた請求項１に記載の装置。
4. 前記帯電手段は、ジェット（１４）の軌道に対し２つの電極（２０′、２２）と対向して置かれた少なくとも１つの付加電極（２４）を備えた請求項３に記載の装置。
5. ジェット列発生用の複数のノズル（４）を具備し、前記帯電手段（２０、２０′、２２、２４）がジェット列に固有のものである請求項１ないし４のいずれかに記載の装置。
6. 前記ジェット揺動手段は、前記セグメント（１８）の長さにかかわらず、単一の位置（Ｂ）でジェットを分離するピエゾアクチュエータ（１０、１２）を備えた請求項１ないし５のいずれかに記載の装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の装置、及び、第一または第二の長さのセグメントから生じた液滴（１６ａ、１６ｂ）のインクを回収する手段を備えたプリンターヘッド。
8. 加圧された空洞（８）から導電性液を取り出して連続ジェット（１４）を形成し、このジェット（１４）を揺動し、固定点（Ｂ）においてジェット（１４）を分離し、第一の長さのセグメント（１８ｂ）と、第一の長さより長い第二の長さのセグメント（１８ａ）を生成し、分離後取り出されるセグメント（１８）を、その長さ（ｌ、Ｌ）に応じて電界（Ｅ）により帯電するようにした、液滴を発生するセグメントの長さに応じて選択的に液滴を帯電する方法。
9. 前記第一および第二の長さのセグメントが、第一および第二の直径の液滴を生成するようジェットを揺動する請求項８に記載の方法。
10. ジェットの揺動により、セグメント生成の下流で第一の長さのセグメント（１８ｂ）の合併を引き起こす請求項８に記載の方法。
11. 連続ジェット列を形成し、前記形成されたジェット列のそれぞれを揺動するようにした請求項８ないし１０のいずれかに記載の方法。
12. さらに、帯電量に応じて液滴を偏向するようにした請求項８ないし１１のいずれかに記載の方法。
13. 請求項１２に記載の方法含み、第一または第二の長さのセグメントから生じる液滴を印刷し、その他の液滴を回収するインクジェットプリント方法。

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