JP2015054521A - 固形インク用ジェットプリンタのインク流路内における気泡の発生を制御するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶解インクが凝固する際の支配応力を集中させることができるインクジェット記録ヘッドを提供する。
【解決手段】インクジェット記録ヘッド本体内のチャネル３００の内面上に突起部３１２を配置し、溶解した固形インク３１０中に発生する気泡の大きさ、および位置を調整する。インクジェット記録ヘッドは、第１の開口および第２の開口を有する部材を備えて、溶解した固形インク３１０が第１の開口からこのチャネル３００に入り、このチャネル３００内を第２の開口まで流れるようにする。突起部３１２は、溶解した固形インク３１０内の支配応力を集中させ、気泡発生位置を規制する。
【選択図】図１Ａ

Description

本開示は、一般に、インクジェットプリンタ用記録ヘッドに関し、より具体的には、記録ヘッド内のインクの液体経路で発生する気泡の大きさと位置を制御するシステムおよび方法に関する。

インクジェットプリンタのインク流路内の気泡は、プリンタの性能に影響を及ぼす。固形インク用のプリンタでは、固化インクが凝固および溶解する際に気泡が発生する。通常、固形インク用ジェットプリンタが動作していないときは、インク流路内の溶解インクは固化する。

図３Ａは、従来技術の記録ヘッド５００のインクジェットにおける流体経路、圧力室、および空気ベントの断面図であり、図３Ｂは、図３Ａのインクジェットを含む記録ヘッドの例示的なノズルプレート５５０の上面図である。この例示的な記録ヘッド５００は、インクジェットプリンタ内で用いられるよう構成されている。説明のために、図３Ａおよび図３Ｂには、単一のインクジェットが示されているが、既存の記録ヘッドの実施形態には、複数のインクジェットが含まれ、インクジェットの実施形態の中には、これらのインクジェットに何百または何千ものアレイが含まれるものもある。

図３Ａでは、記録ヘッド５００には、基板５２０と、この基板５２０の上面に配置されるシリコンウエハ５３０と、これらの基板５２０およびシリコンウエハ５３０の中を貫通するインク経路５４０と、記録ヘッド５００のインク経路５４０をインク供給容器に接続させる管５４５と、この構造体に取り付けられるノズルプレート５５０とが含まれる。図示する通り、静電的に起動される薄膜５６０が、このシリコンウエハ５３０の上に形成される。圧力室５６５には、液体インク経路５４０を通して液体インクが供給される。このノズルプレート５５０には、ノズルホール５７０とパージベント５９０のマトリクス（図３Ｂ）を形成することができる。図３Ａおよび図３Ｂ内のパージベント５９０は、このノズルプレート５５０を貫通する小さなノズルホールのグループとして形成される。この記録ヘッド５００が動作している間、空気はこのパージベント５９０のグループを通って圧力室５６５に出入りする。相変化インク用記録ヘッド５００の実施形態では、このパージベント５９０は、圧力室がインクで満たされたときには空気を圧力室５６５から放出するために十分な大きさで、かつ圧力室内の液体インクが固化したときには空気を吸い込むために十分な大きさを有する。

この記録ヘッド５００では、薄膜５６０は静電的に起動される隔膜であり、この薄膜５６０は電極５６２により制御される。この薄膜５６０は、例えば、一般にサーフェイスマイクロマシニング加工で用いられている、ポリシリコンなどの構造材料で作ることができる。薄膜５６０とウエハ５３０との間の空気ベント５６４は、サーフェイスマイクロマシニングなどによる、一般的な技術を用いて形成可能である。この電極５６２は対電極として機能し、一般には、ポリシリコンなどのドープ半導体材料、または金属のどちらかから作られている。別のインクジェットの実施形態では、圧電アクチュエータまたはサーマルアクチュエータが用いられている。

静電アクチュエータまたは圧電アクチュエータが動作している間、電極５６２は電気信号を受け、薄膜５６４が圧力室５６５の内側に曲がる。薄膜５６４がこのように変形することにより、圧力室５６５内のインクに圧力がかかり、この圧力によりインク滴５８２などのインク滴がノズル５７０を通って押し出される。いくつかの構成では、この薄膜５６０が圧力室５６５の内側に曲がる前に、まず電極５６２に向かって曲がり、これによりノズル５７０から吐出するためのインクが圧力室５６５内に引き込まれる。サーマルインクジェットでは、電気信号によって圧力室内で熱が生成され、この熱で気泡が発生し、そして、図３Ａの構造と同様に、この熱によって圧力室５６５内のインクがノズル５７０を通して押し出されて、インク滴が吐出される。

ノズルプレート５５０内のパージベント５９０の直径は、一般に、ノズル５７０の直径より小さく、十分に狭くして、記録ヘッド５００の動作中に、ノズル５７０以外の場所でインクがノズルプレート５５０を通過しないようにしている。動作中、ノズルプレート５５０から圧力室５６５に延在する各パージベント５９０の開口の全体に渡って、液体インクのメニスカスが形成される。このメニスカスが強いと、圧力室５６５に留まり、かつパージベント５９０から吐出されることなしに、あるいは漏れることなしに、このノズル５７０からインクを吐出することができる。ある実施形態では、各パージベント５９０は、約３ミクロンから約５ミクロンの直径で形成される。これに比べて、図３Ａの実施形態では、ノズル５７０の直径は約２７．５ミクロンである。パージベント５９０のサイズが小さいことで、印刷動作中のインクジェットへの液体インクの流れのベントの影響を最小限に抑え、十分な液体圧力により圧力室５６５にインクを流してインクジェットにインクを供給可能である。

従来技術の実施形態では、ベント５９０により、流体経路５４０および圧力室５６５内の液体インクから気泡を放出可能である。しかし、気泡の中には、記録ヘッドの中の気泡を容易に放出することができない場所で発生し得るものもある。例えば、記録ヘッド５００では、ノズル５７０の付近で発生した気泡はベント５９０から排出することができず、その代り、ノズル５７０から排出されるため、この気泡によりインク滴の吐出プロセスが中断される。それに加えて、ベント５９０付近で発生する小さい気泡は記録ヘッド５００から放出可能であるが、チャネル５４０および圧力室５６５内で発生する大きな気泡により、記録ヘッド５００からこの気泡が放出されるまでの長い時間に渡って、圧力室５６５へのインクの流れが中断される可能性がある。したがって、パージ処理が困難な場所における気泡の発生、および大きな気泡の発生を抑える記録ヘッドを設計することが必要である。

記録ヘッド内のインク流路から気泡を取り除きやすくし、インク流路内で発生する気泡が大きくなるのを抑えるインクジェット記録ヘッドを開発した。このインクジェット記録ヘッドは、第１の開口および第２の開口を有する部材と、少なくとも１つの突起部とを含み、この部材内にはチャネルが貫通し、溶解インクが第１の開口からチャネルに入り、このチャネル内を第２の開口まで流れることができる。この突起部は、この部材から、その突起部の一部がチャネル内の溶解インク内に入る位置まで延在して、溶解インク内の支配応力を集中させる。

記録ヘッド内のインク流路から気泡を取り除きやすくし、インク流路内で発生する気泡が大きくなるのを抑えるインクジェット記録ヘッドを作成する方法を開発した。この方法には、第１の開口および第２の開口を有するチャネルを含む部材にベントを配設して、溶解インクが第１の開口からチャネルに入り、このチャネル内を第２の開口まで流れることができるようにするステップと、この部材から、チャネル内に、その突起部の一部がチャネル内の溶解インク内に入る位置まで延在する少なくとも１つの突起部を配設して、チャネル内の所定の位置で気泡を発生させるために溶解インク内の支配応力を集中させるステップとが含まれる。

インクジェットプリンタにおいてインクジェット記録ヘッドおよびその方法を用いて、記録ヘッド内のインク流路から気泡を取り除きやすくし、インク流路内で発生する気泡が大きくなることを抑えることができる。このインクジェットプリンタは、本体を有する記録ヘッドと、容器と、この容器と流体接続する記録ヘッドの本体内に設けられ、第１の開口および第２の開口を有して、溶解インクが第１の開口からチャネルに入り、このチャネル内を第２の開口まで流れることができるようにするチャネルと、記録ヘッド本体から、チャネル内へ、その突起部の一部がチャネル内に入り、溶解インク内に入る位置まで延在して、突起部で気泡を発生可能にする少なくとも１つの突起部とを含む。

図１Ａは、流体経路が液体インクで満たされたときに、流体経路内の気泡の発生を制御する突起部を含む、記録ヘッドに用いられる流体経路を示す図である。 図１Ｂは、流体経路内に固化インクが含まれたときの、図１Ａの流体経路を示す図である。 図１Ｃは、流体経路内の個化インクが液体状態に戻った後の、図１Ａおよび図１Ｂの流体経路を示す図である。 図２Ａは、流体経路が液体インクで満たされたときに、流体経路内の気泡の発生を制御する突起部を含む、記録ヘッド内で用いられる別の流体経路を示す図である。 図２Ｂは、流体経路内に固化インクが含まれたときの図２Ａの流体経路を示すである。 図２Ｃは、流体経路内の個化インクが液体状態に戻った後の、図２Ａおよび図２Ｂの流体経路を示す図である。 図３Ａは、従来技術の記録ヘッド内の従来技術のインクジェットを示す断面図である。 図３Ｂは、図３Ａの記録ヘッド内の従来技術のノズルプレートを示す平面図である。

記録ヘッド流路内に突起部を配列させることにより、取り除くことが困難な大きな気泡の発生を抑えることができる。図１Ａ〜図１Ｃには、部材すなわち記録ヘッドの本体内を貫通する記録ヘッドチャネル３００、およびこのチャネル内に配置された複数の突起部が示されている。この記録ヘッドチャネル３００により、インクは記録ヘッド内を流れることができ、これらの突起部により、チャネル３００内で気泡が発生する位置を制御する。図１Ａを参照すると、記録ヘッドチャネル３００が流路３０４を提供している。この流路３０４は、２つの対向する端３０６および３０８を有する。この流路３０４は、溶解した固形インク３１０で完全に満たされ、この溶解した固形インクは、通常動作中、端３０６から端３０８に流れる。しかし、図３Ａの圧力室５６５とは異なり、この記録ヘッドチャネル３００には、突起部３１２が含まれている。これらの突起部３１２は、壁３０２に沿って配列され、この壁３０２から流路３０４内に向かって延在する、したがって、固形インク３１０内に延在する。溶解した固形インク３１０が固化するときに、各突起部３１２で支配応力を集中させることで、これらの突起部３１２により公称の応力集中が修正される。本明細書で使用される「支配応力の集中」という用語とは、本体の粒子がその本体内で隣接する粒子に作用する、単位面積ごとの平均の力における極大値のことを指す。固形インク３１０が固化するとき、支配応力を集中させることで、その位置では固形インク３１０にクラッキングが生じやすくなる。冷却中および凝固中にインクが収縮する際、固形インク３１０内における予想されるクラッキングポイントを点線で示す。図１Ｂには、流路３０４内で固形インク３１０が冷却されて個化したときの、図１Ａの記録ヘッドチャネル３００が示されている。固形インク３１０が固化すると、固形インク内にクラックが生じ、空隙３１４が固形インク内に形成される。しかし、突起部３１２で支配応力を集中させることにより、予測可能に分散させる方法で空隙３１４を形成することが可能となる。図１Ｃには、固化した固形インク３１０が、個化している固形インクの溶解可能な温度まで、流路３０４内で温められたときの、図１Ｂの記録ヘッドチャネル３００が示されている。この図では、この空隙３１４は気泡３１６に変わっている。この気泡３１６は小さく、かつ流路３０４の全長に渡って分散しており、これにより、この経路から、より少ないインクしか放出しないで、気泡３１６を流路３０４から取り除くことが可能となる。このように、記録ヘッドの流路内で、取り除くことが困難な大きな気泡の発生を抑えるために、突起部を戦略的に配列することが可能である。より小さな気泡の排出は、大きな気泡を排出するときよりも、少ないインク流量でパージベントから行うことが可能であり、これにより無駄を省くことができる。この突起部は、円錐形、球形、円筒形、長方形などの種々の形状のいずれでもよい。この突起部の形状および大きさは、チャネルの幾何学的配置、記録ヘッドの周囲の条件、記録ヘッドの加熱処理および冷却処理、能動的温度勾配および受動的温度勾配、加えられている圧力の勾配、インク特性などにより決定される。

発生する気泡の大きさを制御するばかりでなく、戦略的に突起部を配列することで、これらの気泡が発生する位置を制御することも可能である。図２Ａ〜図２Ｃには、部材すなわち本体内の記録ヘッドのチャネル４００が示され、このチャネルによりインクのための流路４０４が画定される。この流路４０４は、２つの対向する端４０６および４０８を有する。この流路４０４は、溶解した固形インク４１０で完全に満たされ、通常動作中、このインク４１０は端４０６から端４０８に流れる。この流路４０４は狭い領域４１２有する。パージベント４１４は、端４０８の近くでかつ狭い領域４１２の下流の壁４０２に沿って配列されている。この狭い領域４１２があることで、この狭い領域４１２内で溶解済み固形インク４１０が再び固化する際にクラックが発生する。この記録ヘッドのチャネル４００には、突起部４１６が含まれ、この突起部４１６は狭い領域４１２の近くで、かつパージベント４１４のほぼ反対側の壁４０２に接して配置されている。この突起部４１６が流路４０４向かって延在して、狭い領域４１２の近くで支配応力を集中させ、端４０８およびパージベント４１４に向けて若干傾ける。冷却中および凝固中にインクが収縮するときの、固形インク４１０内の予想されるクラッキングポイントを点線で示す。

図２Ｂには、流路４０４内の固形インク４１０が冷却されて固化しているときの、図２Ａの記録ヘッドチャネル４００が示されている。インク４１０が冷却されて固化すると、インクの体積は、液体状態のインクの等価質量の体積に比べて縮小かつ収縮する。インク４１０が液体状態から固体状態に変化する際にインクが収縮することより、空隙４１８などのクラックおよび空隙が発生する。しかし、狭い領域４１２の近くの突起部４１６に、より支配応力を集中させることで、端４０８およびパージベント４１４に向けて空隙４１８の角度を若干傾ける。図２Ｃには、流路４０４内で個化固形インク４１０が個化インクの溶解可能温度まで温められたときの、図２Ｂの記録ヘッドチャネル４００が示されている。この空隙４１８は、気泡４２０に変化している。しかし、この空隙４１８が端４０８およびパージベント４１４に向かって若干傾いていたため、この気泡４２０は、端４０６に向かって移動してしまう可能性はほとんどなく、パージベントがない狭い領域４１２側のパージベント４１４に向かって浮遊する。このように気泡が位置することにより、この気泡はパージ処理中にベント４１４を通して取り除かれやすくなる。したがって、記録ヘッドチャネル４００からパージしなければならないインクの量が、以前から知られている記録ヘッドと比べて著しく削減される。

本明細書で開示された突起部を用いることで、凝固／溶解サイクル中に発生する気泡の大きさを抑え、かつその気泡が発生する位置を制御することが可能となる。これらのコンセプトを別の記録ヘッドの幾何学的配置に適用することで、記録ヘッドの設計者が発生する気泡の大きさおよび位置を予測することが可能となる。この予測可能性を利用して、パージベントの大きさ、数量、および位置を最適化することが可能である。パージベントの近くに気泡が適切に集まり、余分なパージベントを取り除くことができる、効率的なパージベントのレイアウトにより、パージ処理中に失われるインクの量を削減しインクコスト全体を抑えることができる。さらに、この予測可能性により、気泡のパージ処理戦略をほとんど変更することなしに、記録ヘッドの幾何学的配置を拡大・縮小することができる。

これらのコンセプトは、より複雑な記録ヘッドの幾何学的配置でより頻繁に用いられている。というのも複雑な記録ヘッドの幾何学的配置は、簡単な幾何学的配置の記録ヘッドよりも、少ない位置でパージベントを収容することができるからである。パージベントを収容可能な領域など、好ましい領域での気泡の発生を促進するように気泡の発生を制御しながら、パージベントを収容しない位置などの望ましくない位置での気泡の発生を抑えるよう、これらの突起部を配列することができる。

図１Ａ〜図１Ｃ、および図２Ａ〜図２Ｃに示されている記録ヘッドチャネルの幾何学的配列は、例示的なものであり、突起部およびそれらの配置の原理を理解しやすくするために、著しく簡略化されている。一般的な記録ヘッドの幾何学的配置は、例示的な図面および実施形態で示されているものより複雑であるが、この原理は、発生する気泡の大きさおよびその位置に対する戦略的な制御に対する全ての記録ヘッド幾何学的配置に適用可能である。

Claims (10)

1. 第１の開口および第２の開口を有する部材を貫通するチャネルを有して、溶解インクが前記第１の開口から前記チャネルに入り、該チャネル内を前記第２の開口まで流れるようにする部材と、
   前記部材から、その一部が前記チャネル内の前記溶解インク内に入る位置まで延在して、前記溶解インク内で支配応力を集中させる少なくとも１つの突起部と、を含むインクジェット記録ヘッド。
2. 前記部材から、前記チャネル内に入り、その一部が前記チャネル内の溶解インク内に入る位置まで延在する複数の突起部をさらに含む請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
3. 前記複数の突起部が、前記溶解インク内の複数の位置で局所的な支配応力を集中させるよう構成される、請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド。
4. 前記突起部に関して前記部材上に配置されて、前記突起部で発生した気泡が前記部材を通過できるようにするベントをさらに含む請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
5. 少なくとも１つの突起部により、前記溶解インク内の前記突起部で発生した気泡が前記ベントに到達可能な位置で、支配応力が集中される、請求項４に記載のインクジェット記録ヘッド。
6. 本体を有する記録ヘッドと、
   容器と、
   前記容器と流体接続する前記記録ヘッド本体内に配置され、第１の開口および第２の開口を有して、溶解インクが前記第１の開口から入り、第２の開口まで流れることができるようにするチャネルと、
   前記記録ヘッド本体から、前記チャネル内に入り、その一部がチャネル内の溶解インク内に入る位置まで延在して、気泡がそこで発生できるようにする少なくとも１つの突起部と、を含むインクジェットプリンタ。
7. 前記本体から、前記チャネル内に入り、その一部が前記チャネル内の溶解インク内に入る位置まで延在する複数の突起部をさらに含む請求項６に記載のインクジェットプリンタ。
8. 前記複数の突起部が、前記溶解インク内の複数の位置で局所的な支配応力を集中させるよう構成される、請求項７に記載のインクジェットプリンタ。
9. 前記チャネルが、前記突起部に関して前記本体上に配置されて、前記突起部で発生した気泡が前記本体を通過できるようにするベントをさらに含む、請求項６に記載のインクジェットプリンタ。
10. 前記少なくとも１つの突起部により、前記溶解インク内の前記突起部で発生した気泡が前記ベントに到達可能な位置で、支配応力が集中される、請求項９に記載のインクジェットプリンタ。

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