JP2791541B2 - インク・ジェット・プリント・ヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ドロップ・オン・デマ
ンド型インク・ジェット・プリント・ヘッドの改良に関
する。

【０００２】

【従来技術及び発明が解決しようとする課題】マルチ・
オリフィス・ドロップ・オン・デマンド型インク・ジェ
ット・プリント・ヘッドを実現する装置及び方法には種
々のものが知られている。この種のインク・ジェット・
プリント・ヘッドの各チャネルの動作により、インク室
を変位させノズルを介してインク室からインク滴を射出
する。インク室を変位させるために駆動機構が使用され
る。典型的な駆動機構は、薄い隔壁に結合した圧電素子
の如きトランスデューサを含んでいる。このトランスデ
ューサに電圧を印加すると、トランスデューサは平面の
大きさを変化させようとするが、隔壁にしっかりと結合
しているので折り曲がる結果となる。このトランスデュ
ーサの折り曲がりによりインク室内のインクが変位し、
インク供給口からインク室にインクが流れ込むと共に出
力口からノズルへとインクが送られる。一般に、多数の
ノズルを高密度のアレイ状に配列出来るようにヘッドを
構成することが望ましい。多岐管、インク供給口及びイ
ンク室の配置及びインク室と多数のノズルとの接続構造
をどのようにするかは、特に、小型のインク・ジェット
・プリント・ヘッドを実現する際には一筋縄では決めら
れない問題である。設計上の不適当な点がたとえ些細な
ものであろうとも、インクの均一な噴射性能を損なうこ
とも有り得るからである。

【０００３】均一なインクの噴射性能は、インク・ジェ
ット・プリント・ヘッド上のノズル配列の各チャネルの
構造を実質的に同一になるように製造することにより達
成される。また、均一なインク噴射性能は、各チャネル
のインク内の不純物や気泡によっても左右される。従っ
て、マルチ・オリフィス・ドロップ・デマンド型インク
・ジェット・プリント・ヘッドの種々の構成要素は、不
純物や気泡を効果的に除去（パージ）出来るように設計
すべきである。

【０００４】従来技術のインク・ジェット・プリント・
ヘッドの一例として、クルズ・ウリベ（Cruz-Uribe）等
の米国特許第４６８０５９５号の明細書に記載されたも
のがある。この特許の第１図及び第４図の実施例では、
略直方体の２つのインク圧力室を互いに中心を揃えて平
行に２列に並べた構成を示している。複数のインク・ジ
ェット・ノズルが異なるインク圧力室に夫々接続されて
いる。各ノズルの中心軸は、インク圧力室を含む面に垂
直に延び、インク圧力室の延長部分と交わる。断面積が
実質的に一様なインク多岐管より、制限オリフィスを介
して各インク室にインクが供給される。この制限オリフ
ィスは、ノズル・オリフィスと高精度に整合するように
形成される。制限オリフィスは、インク供給口の一形式
であり、マルチ・オリフィス配列の隣合うチャネル間の
音響クロストークの発生を最少にする。しかし、このよ
うな制限オリフィスでは、インクの不純物や気泡を取り
込み易いので、頻繁にパージ動作を行う必要があった。

【０００５】効果的なパージ動作を行えるか否かは、不
純物や気泡をヘッドの各所から除去するために比較的高
速にインクを流せるか否かで決まる。多岐管の各所にお
けるインクの流速は、パージ対象の下流のオリフィスの
チャネル数と多岐管の断面積によって決まる。従って、
このインクの流速は、多岐管の上流の端部の方が、１つ
のオリフィス・チャネルにしかインクが流れない下流の
端部よりも高速となる。多岐管の下流の端部では、十分
なインクの流速が得られないことにより、多岐管に含ま
れる不純物や気泡を除去出来ないかもしれない。

【０００６】ローマン（Roman）等の米国特許第４７３
０１９７号の明細書は、その第１１Ａ図及び第１１Ｂ図
において、同様の制限オリフィス及び多岐管の構成を含
む別の実施例を開示している。

【０００７】マツダ（Matsuda）等の米国特許第４２１
６４７７号（４７７特許）及び第４５２８５７５号に記
載されているインク・ジェット・プリンタの構成では、
インク圧力室の面に対して垂直ではなく、平行にインク
が射出される。一般に、従来のインク・ジェット・プリ
ント・ヘッドにおいて、トランスデューサの面に対して
ノズルの軸を平行にすると設計が比較的複雑となり、製
造上も困難を生じる。各オリフィス・チャネルは、長方
形のトランスデューサをインク室に接続し、インク室は
ノズル・オリフィスへの通路と連通している。これらの
特許の実施例の記載によれば、ノズルとインク室との間
の通路の長さは異なっており、対応するノズルに対する
トランスデューサの位置によって決まる。

【０００８】これらの特許では、全長に亘り、断面積が
略一定のインク供給多岐管を示している。マツダ等の４
７７特許の第１図では、底部にインク供給口を設けたイ
ンク供給多岐管を有する垂直方向に向けたプリント・ヘ
ッドを示している。この多岐管の上端部は、入口の上端
を通り抜け、最上部のオリフィス・チャネルまで延びて
おり、その部分に形成された上端空洞部にはインクより
も密度が低い気泡が溜まることになる。パージ動作中、
この上端空洞部には、殆ど又は全くインクが流れず、気
泡の除去動作を強力に妨げることにもなる。時間が経過
すると、追加された気泡が集まって１つの大きな気泡を
形成し、上側のオリフィス・チャネルへのインク流を止
めてしまう。その上、滞留した気泡は共鳴周波数を有
し、圧力室で発生する圧力パルスが不均一に反射して隣
の圧力室の入口に戻される原因ともなる。滞留した気泡
は、夫々固有の周波数でエネルギーを消費するので、イ
ンクの噴出動作も不均一になり易くなる。

【０００９】セイコー（Sayko）の米国特許第４３８７
３８３号は、マルチ・オリフィス型のインク・ジェット
・ヘッドを開示している。この特許の第２図では、断面
積が一様で、上端部にインク供給口を設けたインク多岐
管を示している。この装置は、気泡の滞留を減少させ、
気泡の除去を容易にするが、インクより密度の大きな不
純物の滞留を招いてしまう。このような多岐管の底端部
におけるインクの流速が不十分であると、パージ動作中
の不純物の除去ができず、最低部のオリフィス・チャネ
ルが詰まる原因となる。

【００１０】キムラ（Kimura）等の米国特許第４５２１
７８８号は、放射状に構成してチャネル間の構造を均一
にして均一な噴射特性を達成したマルチ・オリフィス・
インク・ジェット・ヘッドを記載している。しかし、こ
の特許の放射状のインク供給多岐管は、断面積が全て均
一であり、上述のような、不純物又は気泡の滞留の問題
を何等解決していない。

【００１１】コートー（Kotoh）の米国特許第４３６７
４８０号は、各オリフィス・チャネルの寸法を均一にし
たマルチ・オリフィス型インク・ジェット・プリント・
ヘッドを開示している。この特許の第４図では、不均一
な断面積を持つインク多岐管を記載している。しかし、
その形状は、不純物又は気泡を滞留可能な構造である。
この特許の第８図及び第１０図は、オリフィス・チャネ
ル間の音響特性を均一にする為にインク供給構造を不均
一に湾曲させた装置を開示している。また、両端にイン
ク供給口を有するインク供給多岐管も示している。この
構造の場合には、多岐管からの不純物及び気泡の除去効
果は高くなるが、その多岐管に限定されたものであり、
各オリフィス・チャネルの各部からの除去効率を改善す
るものではない。更に、この構造では多岐管に供給口を
追加するので、ヘッドを小型化する際に十分なスペース
を取れないという問題も生じる。

【００１２】ロイ（Roy）等の米国特許第５０８７９３
０号「ドロップ・オン・デマンド・インク・ジェット・
プリント・ヘッド」は、小型化したマルチ・オリフィス
型プリント・ヘッドを記載している。本願の図面の図１
６〜図２０は、このロイ等の特許の要部の構成を示して
いる。図１６及び図１７は、多層プレート構造のプリン
ト・ヘッド１の分解図を示している。このプリント・ヘ
ッド１は、トランスデューサ取付プレート２、隔壁プレ
ート３（左側の３）、インク圧力室プレート３（右側の
３）、隔離プレート４、インク供給口プレート５、隔離
プレート６、オフセット・チャネル・プレート７、オリ
フィス隔離プレート８及びオリフィス・プレート９を含
んでいる。これらのプレート３から７までは、黒、イエ
ロー、マゼンタ及びシアンの各インク多岐管が形成され
ている。図１８〜図２０は、プレート５〜７の構造をよ
り詳細に示している。特に、下側にあるマゼンタ・イン
クの多岐管Ｍは、上側のマゼンタ・インク多岐管Ｍ′と
インク連通チャネルＣを介して接続されている。これら
マゼンタ・インク多岐管Ｍ及びＭ′からインクを多数の
インク供給チャネルＳに供給する必要がある。各インク
供給チャネルがプリント・ヘッド１のマゼンタ用オリフ
ィス・チャネルである。

【００１３】図１９及び図２０を参照すると、非プリン
ト動作期間中に、浮揚性の気泡Ｂがインク連通チャネル
Ｃの上側湾曲部に滞留し得るのが判る。プリント動作中
には、チャネルＣ及び多岐管Ｍ′を介してインクが流
れ、気泡Ｂを多岐管Ｍ′の入口端部へと送ることができ
るが、気泡Ｂをプリント・ヘッド１のインク供給チャネ
ルから排出するにはインクの流速が不十分である。パー
ジ動作中には、多岐管Ｍ及びＭ′並びにインク供給チャ
ネルＳにおけるインクの流速を上昇させ、気泡Ｂを多岐
管Ｍ′の右端の気泡Ｂ′の位置まで移動させる。しか
し、単一のインク供給チャネルＳ′にしかインクが流れ
ないので、気泡Ｂ′を多岐管Ｍ′の右端の位置から外に
排出することは出来ない。つまり、インクの流れにより
気泡Ｂ′を排出する力より、気泡Ｂ′の浮揚力の方が大
きく、気泡Ｂ′はそのまま滞留する結果となる。更に、
気泡Ｂ′は、固有の共振周波数を有するので、この共振
周波数付近の周波数でインク滴が噴射される際には、気
泡Ｂ′とインク圧力パルスとのクロストークが生じるこ
とになる。このため、インク滴のある噴射周波数におい
て、インク圧力のエネルギーが気泡に吸収され、その吸
収エネルギーが成長する等により、プリント・ヘッド１
の動作エネルギーが不足することになる。

【００１４】更に事態を悪化させるのは、通常のプリン
ト動作中に、多岐管Ｍ′における気泡Ｂ′の位置が、多
岐管Ｍ′に接続された多数のインク供給チャネル用に調
整されるインク滴の噴射パターンや噴射周波数によって
左右されるという点である。この結果発生するクロスト
ークやエネルギー吸収によるインク噴射の不均一性は、
プリント画像上でマゼンタの濃度のムラとして観察され
る。気泡に起因する同様の問題は、プリント・ヘッド１
の他の色のインク用多岐管でも存在する。

【００１５】上述のように、マルチ・オリフィス型イン
ク・ジェット・プリント・ヘッドの設計方法には種々の
従来例が存在するが、小型で、インク噴射特性を均一に
維持する為には、インク内から不純物や気泡を完全に除
去（パージ）することが重要である。

【００１６】本発明の目的は、不純物及び気泡を効率的
に除去し得るマルチ・オリフィス型インク・ジェット・
プリント・ヘッドを提供することである。

【００１７】本発明の他の目的は、個々のインク噴射及
びインク滴噴射特性が一定且つ同一のインク・ジェット
・プリント・ヘッドを提供することである。

【００１８】本発明の別の目的は、オリフィス・チャネ
ル相互間の音響的クロストークを減少させた小型のイン
ク・ジェット・プリント・ヘッドを提供することであ
る。

【００１９】本発明の他の目的は、ヘッドから気泡等を
除去するのに必要なインク流量、流速、パージ圧力等を
最小化できるインク・ジェット・プリント・ヘッドを提
供することである。

【００２０】

【課題を解決する為の手段】本発明は、ドロップ・オン
・デマンド型インク・ジェット・プリント・ヘッドは、
共通のインク供給多岐管からのインクを多数のインク供
給口を介して対応する数のインク圧力室に供給する。各
インク圧力室は、インクに制御圧力波を印加する音響ト
ランスデューサーに接続されている。このインク圧力波
によって、インク出口からオフセット・チャネルにイン
クが流れ、プリント・ヘッドのノズル・オリフィスから
インク滴としてプリント媒体上に向けて噴射される。こ
のインク・ジェット・プリント・ヘッドの本体は、イン
ク供給多岐管、インク供給口、インク圧力室、インク出
口、オフセット・チャネル及びノズル・オリフィスを含
んでいる。このプリント・ヘッドは、小型に設計されて
おり、複数のノズル間の離間間隔は微小である。

【００２１】本発明のインク・ジェット・プリント・ヘ
ッドは、少なくとも１つのテーパー（先細り）状のイン
ク供給多岐管と、複数のインク供給チャネルとを含み、
これら複数のインク供給チャネルを介してテーパー状の
多岐管が夫々のインク圧力室のインク供給口に接続され
ている。インク供給チャネルの寸法を調整し、多岐管を
テーパー状に形成することにより、インク圧力室と多岐
管との間の音響的隔離状態を達成し、他方、プリント・
ヘッドの最高プリント速度に対しても十分なインクの流
速を達成する。多岐管をテーパー状に形成することによ
り、多岐管の下流端部に向かって断面積を漸次減少さ
せ、これによって、プリント動作及びパージ動作におい
て、多岐管の全長に亘りインクの流速を略均一に維持す
ることが出来る。

【００２２】このインク・ジェット・プリント・ヘッド
は、多数の平坦なプレートを組み合わせることにより、
インク圧力室、インク通路、インク供給チャネル、ノズ
ル、多岐管等の種々の構成部分を形成するのが望まし
い。

【００２３】本発明の好適実施例では、インク供給口、
テーパー状の多岐管及びインク供給チャネルは全て鉛直
方向の上方に向かって延びており、気泡が自身の浮力に
より自然に除去され易く構成されている。これらの多岐
管には、多数のインク供給チャネルへの開口が全体に亘
って分布するように設けられ、それらの開口の中の少な
くともいくつかは、各多岐管の最上位置の端部に設けら
れている。このような構成により、気泡の滞留やヘッド
のインク圧力室間での音響的クロストークの発生を低減
している。更に、多岐管及び他の部分をテーパー状に形
成することにより、小さな気泡を除去し易くしているの
で、ヘッドの動作が阻害されることがない。このような
インク・ジェット・プリント・ヘッドのパージ動作で
は、従来のものと比較してインクのパージ流速を低くで
きるので、パージ動作に必要なインク量を低減出来る。

【００２４】

【実施例】本発明は、圧電変換器の如き駆動機構により
各々が駆動される複数のインク・ジェット・ノズルをア
レイ状に構成した小型のドロップ・オン・デマンド・イ
ンク・ジェット・プリント・ヘッドへの要請に応えるも
のである。このようなプリント・ヘッドの設計上、考慮
すべきことを例を挙げて説明する。プリント・ヘッドを
両方向に反復移動してプリントを行い、その後プリント
媒体が曲面上を垂直方向に送り出されるようなタイプラ
イタ型のプリント装置に使用されるインク・ジェット・
プリント・ヘッドを考えてみよう。この場合、ノズル・
アレイの垂直方向の長さを出来る限り小さく形成して種
々のノズルからプリント媒体までの距離のばらつきが出
来るだけ小さくするようなプリント・ヘッドが望まし
い。

【００２５】更に、プリント・ヘッドの水平方向の長さ
も最小にすることが望ましい。原理的には、４８個のノ
ズルを用いて１１８ライン／センチメートル（３００ラ
イン／インチ）を水平及び垂直方向にプリントするヘッ
ド部分の場合、４８個のノズルの垂直方向の列は最初の
ノズルの中心から最後のノズルの中心までの長さが４７
／１１８センチメートル（４７／３００インチ）とな
る。この構成の場合、各ノズルは、余分な走査動作をす
ることなく、紙（プリント媒体）の右端から左端までプ
リントすることが出来る。ノズルを水平方向にずらして
構成すると、プリント媒体上の全ての領域にプリントす
る為には、少なくともそのずらした長さだけ走査動作の
マージンを取って水平方向に余分に走査する必要があ
る。このような余分な走査動作により、プリント時間も
長くなる上にプリンタ装置全体の幅も大きくなってしま
う。従って、装置の幅を小さくするには、ノズルの水平
方向の間隔を最小にすることが望ましい。圧力変換器
（圧電変換器とインク圧力室内に曲がる隔壁の組み合わ
せ）の横方向の寸法は、垂直方向のノズル間隔より何倍
も大きいので、ノズル群をある程度水平方向にずらして
配置する必要がある。このずらす長さは、変換器の寸法
及びノズルの配置によって決まる。よって、このずらす
長さを最小にするのが目標となる。

【００２６】ノズルの水平方向の間隔を最小にする一つ
の方法は、インク圧力室又は圧力変換器のアレイの境界
内に何も構成要素を入れないことである。他の全ての構
成要素は、これら圧力室又は変換器と同じ面内にある場
合には、そのアレイの外側に配置するか、或いはそのア
レイの上（ノズル群より更に上の位置）又は下（ノズル
群に近い位置）に配置する。例えば、変換器への電気的
接続は全て圧力変換器の上側の面内に設けることが出
来、他方、入口通路、オフセット・チャネル通路、出力
口通路及びノズル群は全てインク圧力室又は圧力変換器
の下側の面内に設けることが出来る。これらの中の２種
類の要素を同じ面内に設けたら、互いに邪魔になるの
で、互いに異なる面内に配置する。その結果、ノズル群
の水平方向のずれは、複数の圧力変換器又はインク圧力
室をどれだけ接近させて配置出来るかということのみに
よって決まる。例えば、入口通路はオフセット・チャネ
ル通路とは違う面内に配置することが出来、オフセット
・チャネル通路は出口通路と異なる面内に配置可能であ
る。従って、ノズル・アレイの垂直及び水平方向の寸法
を最小にする為には、余分な層のプレートを追加する
と、プリント・ヘッドの厚さを増加することになる。

【００２７】ＩＣ構成の電子駆動回路は、一般に個々の
部品から回路を組む場合より安価である。このＩＣ内の
全ての駆動回路を同じ瞬間にトリガすることが出来れ
ば、もっと安価になる。よって、プリント・ヘッドのノ
ズル群を垂直方向に一列に配置出来ない場合、１つのノ
ズルと隣のノズルとの水平方向のずれは、安価な駆動回
路を用いれば、水平方向のプリント線密度の逆数の整数
倍となる。２つ以上の駆動回路を使用した場合、この要
件は緩和されるが、１つのＩＣで駆動される全てのノズ
ル群の水平方向の間隔は、垂直方向のノズル間隔の整数
倍になる。 また、駆動電圧を低電圧とし、高速にイン
ク滴を噴射する動作が可能で、比較的組立が容易であ
り、多色のインクをプリント出来る小型のプリント・ヘ
ッドを実現することが望ましい。

【００２８】本発明について説明する前に、特願平５−
１５８０２９号に開示された実施例について図２１〜図
２５を参照して説明する。

【００２９】図２１は、マルチ・オリフィス型インク・
ジェット・プリント・ヘッドにおける１つのオリフィス
・チャネルの一実施例の断面図であり、ヘッド本体１０
にはインクが供給されるインク入口１２が形成されてい
る。ヘッド本体１０には更にインク滴を形成する出力
口、即ちノズル１４及びインク入口１２からノズル１４
までのインク流経路が形成されている。一般に、このプ
リント・ヘッドは、多数のノズルで構成されたノズル・
アレイ１４を含み、これらのノズルは互いに接近して配
置されており、各ノズルから噴射するインク滴によりプ
リント媒体（図示せず）にプリントする。

【００３０】インク入口１２に入ったインクは、テーパ
ー状に形成されたインク供給多岐管１６に流れ込む（但
し、図２１ではテーパー形状は図示していない）。典型
的なインク・ジェット・プリント・ヘッドは、黒色、シ
アン、マゼンタ及びイエローを夫々受ける少なくとも４
つの多岐管を有し、これらは黒色及び減法三原色のプリ
ントに夫々用いられる。しかし、多岐管の数は、プリン
タの設計、例えば黒色のみでプリントするとか、フルカ
ラーより少ない色でプリントするとかの場合に応じて変
更されるかも知れない。テーパー状に形成されたインク
供給多岐管１６からインクはインク供給チャネル１８及
びインク入口２０を通過してインク圧力室２２に流れ込
む。インクはインク圧力室２２から出口２４を介して流
れ出て、インク通路２６を通ってインク滴が射出するノ
ズル１４へ供給される。矢線２８は上述のインクの流れ
る経路を示している。

【００３１】インク圧力室２２は、可撓性の隔壁３４に
より一方の側面が形成されている。この例の圧力トラン
スデューサは隔壁３４にエポキシ樹脂により固着された
圧電セラミック・ディスク３６であり、インク圧力室２
２に張り付けられている。従来と同様に、圧電セラミッ
ク・ディスク３６は、図示していないが電子駆動回路に
電気的に接続された金属膜層３８を有する。他の構成の
圧力トランスデューサを用いても良いが、図２１の圧力
トランスデューサ３６は、折り曲げモードで動作する。
即ち、圧電セラミック・ディスクに電圧が印加される
と、ディスクが大きさを変えようとする。しかし、ディ
スクは隔壁にしっかりと固着されているので、折り曲が
る結果となる。この折り曲がりによりインク圧力室２２
内のインクに変位が生じ、通路２６を通ってインクが外
向きに流れノズル１４へ供給される。インク滴の射出
後、インク圧力室２２へのインクの再注入は、圧力トラ
ンスデューサ３６が反対側に折れ曲がることにより行わ
れる。

【００３２】上述のインクの出力流経路に加えて、選択
的インク出口、即ちパージ・チャネル４２もヘッド本体
１０に形成されている。このパージ・チャネル４２は、
ノズル１４に隣接するヘッドの内側部分にインク通路２
６と接続されている。このパージ・チャネル４２により
インク通路２６からパージ多岐管４４が接続されてお
り、このパージ多岐管４４から出力通路４６を介してパ
ージ出力ポート４８に接続している。このパージ多岐管
４４は、通常、パージ・チャネル４２と同様のチャネル
により多数のノズルに対応するインク通路に接続されて
いる。パージ動作（気泡等の除去動作）中に、矢線５０
で示すようにパージ・チャネル４２から多岐管４４及び
パージ通路４６へとインクが流れるが、詳細については
後述する。

【００３３】このインク・ジェット・ヘッドの製造を容
易にする為には、ステンレス鋼材等の多層プレート又は
多層シートでヘッド本体１０を形成するのが好適であ
る。図２１の実施例では、これらの多層シート又は多層
プレートは次のような種々のプレートで構成されてい
る。隔壁プレート６０は、隔壁３４、インク入口１２及
びパージ出口４８を形成している。インク圧力プレート
６２は、インク圧力室２２、インク供給多岐管の一部
分、及びパージ通路４６の一部分を形成している。分離
プレート６４は、インク通路２６の一部分、インク圧力
室２２の一方の境界面、インク圧力室の入口２０及び出
口２４、インク供給多岐管１６の一部分、並びにパージ
通路４６の一部分を形成している。インク入口プレート
６６は、インク通路２６の一部分、入口チャネル１８及
びパージ通路４６の一部分を形成している。また別の分
離プレート６８は、インク通路２６及び４６の一部分を
形成している。オフセット・チャネル・プレート７０
は、通路２６の主要部（オフセット・チャネル部分）７
１及びパージ多岐管４４の一部分を形成している。分離
プレート７２は、通路２６及びパージ多岐管４４の一部
分を形成している。出口プレート７４は、パージ・チャ
ネル４２及びパージ多岐管４４の一部分を形成してい
る。ノズル・プレート７６は、アレイ状のノズル１４を
形成している。

【００３４】図示した実施例よりも多くの又は少ない数
の金属プレートを用いて種々のインク通路、多岐管及び
インク圧力室を形成してインク・ジェット・プリント・
ヘッドを実現しても良い。例えば、図２１のように１枚
のプレートでインク圧力室２２を形成する代わりに多数
のプレートを用いても良い。また、多層金属プレートに
種々の機構の全てを形成する必要もない。例えば、化学
的エッチング処理により製造するとした場合、金属の化
学的エッチングの為のテンプレートとして使用するホト
レジスト・パターンは、金属プレートの各面毎に異なっ
ていても良い。従って、より具体的な例を挙げれば、イ
ンク入口通路のパターンを金属シートの一方の面上に施
し、その他方の面上には圧力室のパターンを施すように
しても良い。よって、エッチングを注意深く制御するこ
とにより、別々のインク入口通路及びインク圧力室を共
通の金属プレートに組み込むことが可能である。

【００３５】組立コストを最少にするには、ノズル・プ
レート７６を除くインク・ジェット・プリント・ヘッド
の全ての金属プレートを従来の比較的安価なホトパター
ン工程及びエッチング工程を用いて製造出来るように設
計を行う。機械加工工程又は他の金属加工工程は必要で
ない。ノズル・プレート７６は、以下のような種々の工
程を経て完成したものである。即ち、含硫黄ニッケル漕
からの電気鋳造、３００の直列ステンレス鋼材の微小放
電加工、及び３００の直列ステンレス鋼材の穴開け等で
ある。最後の２つの処理は、ノズル・プレートのノズル
を除く全ての機構のホトパターン処理及びエッチング処
理に関連して用いられる。別の適当な処理は、ノズルの
孔を開けること及び標準の圧断処理によりこのプレート
の残りの機構を形成することである。

【００３６】このプリント・ヘッドは、金属プレート間
の位置合わせの条件が厳しくならないように設計され
る。即ち、化学的エッチング処理で維持可能な通常の許
容範囲が適切なのである。このインク・ジェット・プリ
ント・ヘッドを形成する種々の多層金属プレートは、適
当な機械的締め付け器を用いるような何らかの適当な方
法で位置合わせ及び結合される。金属プレート間の結合
に適切な方法は、アンダーソン（Anderson）等の米国特
許第４８８３２１９号（特願平１ー２２６３６９号に対
応）に記載されている。この特許に開示された結合過程
は、密閉状態で行われ、部品間の結合力は強く、プリン
ト・ヘッドの微小なチャネルを塞いでしまうような突起
部を残すことがなく、プリント・ヘッドの各部の機構を
歪ませることがなく、極めて高い満足度、略１００パー
セントに近い優れたプリント・ヘッドを実現出来る。こ
の製造工程は、標準のメッキ装置、標準のろう付け炉、
及び簡単な拡散結合装置を用いて実行可能であり、多く
のインク・ジェット・プリント・ヘッドを製造しつつ、
結合工程の最初から最後まで３時間以内で完了すること
が出来る。更に、メッキした金属は非常に薄いので、ろ
う付け工程の際にメッキした金属プレートの殆ど全てが
ステンレス鋼の中に拡散するので、この金属がインクに
化学的変化や電気分解等の作用を与えることはない。従
って、メッキ金属としてインクと容易に反応するような
例えば銅の如き金属を結合工程で使用しても問題はな
い。

【００３７】このインク・ジェット・プリント・ヘッド
用に選択した電気機械的な圧力変換機構は、セラミック
・ディスク状トランスデューサ３６を含んでおり、この
セラミック・ディスク状トランスデューサ３６は夫々対
応するインク圧力室２２の上に中心を合わせてエポキシ
樹脂で金属隔壁プレート６０に固着されている。この電
気機械的効率は、圧電セラミック素子の所定の領域の体
積変位に関連している。従って、この型の変換器の方
が、折れ曲がりモードで動作する矩形型のものよりも効
率が高い。

【００３８】非常に小型のインク・ジェット・プリント
・ヘッドを容易に製造する為に、種々のインク圧力室２
２は、略平坦になっている。即ち、圧力室２２はその深
さに比べ横断面の方が遥かに大きいので、圧力室の体積
の変位により高圧が発生する。更に、このプリント・ヘ
ッドのインク圧力室の全てが、インク・ジェット・プリ
ント・ヘッド内の同じ平面又は同じ深さの位置に好適に
配置されている。但し、これは必須要件ではない。この
圧力室の位置は、１枚以上の金属プレート６２の面で決
まる。

【００３９】極めて高密度にヘッドを形成する為に、イ
ンク圧力室２２は、互いに幾何学的中心をずらした少な
くとも２列の領域を平行に配置している。また、これら
圧力室は、極めて僅かなシート状材料により互いに分離
されている。一般に、圧力室の間にはこのシート状材料
が残っているが、これは金属プレート間でインクの漏れ
が起こらないように金属プレート間の結合の信頼性を高
める為である。図２２示すように、好適実施例は少なく
とも４つの平行なインク圧力室２２の列を含んでおり、
これらの列の中心は隣の列の中心からずれた位置にあ
る。特に、円形圧力室では、４つの平行な圧力室の列の
位置をずらしてあり、各圧力室の中心を直線で結ぶと六
角形を形成するようになっている。圧力室の中心は、不
等辺六角形の配列状に位置しているが、最も小型な構造
にするには正六角形状に配列すれば良い。この配列はど
ちらの方向に任意に拡張してインク・ジェット・プリン
ト・ヘッドに設ける圧力室及びノズルの数を増加しても
良い。

【００４０】一般に、効率良く動作させる為には、圧力
室は横断面の方向に略等方的な大きさを有するのが望ま
しい。従って、略円形の圧力室が極めて効率的であると
考えられる。しかし、例えば横断面が六角形にした他の
構造の圧力室も実質的に横断面について等方的であり、
極めて効率的であると考えられる。他の構造の圧力室も
採用し得るが、横断面について略等方的なものが望まし
い。

【００４１】圧電セラミック・ディスク３６の代表的な
厚さは、０．２５４ミリメートル（０．０１０インチ）
であるが、それより薄くても厚くても良い。これらのデ
ィスクは、円形のインク圧力室に合わせて略円形にする
のが理想であるが、これらのディスクを六角形に形成す
ると、僅かであるが必要な駆動電圧が上昇する。従っ
て、これらディスクは大きな母材から例えば丸鋸等で切
り取って作ることができる。これら六角形の圧電セラミ
ック・ディスク３６の内接円の直径は、通常、対応する
圧力室２２の直径より数千分の１インチだけ小さく、こ
れらのディスクの外接円の直径は数千分の１インチだけ
大きくなっている。隔壁プレート６０の代表的な厚さ
は、０．１ミリメートル（０．００４インチ）である。

【００４２】図２２において、圧力室２２のインク供給
口２０と圧力室２２のインク出口２４は、直径方向の対
向位置に設けられている。これら直径方向の対向位置関
係でインク供給口とインク出口とを設けたことにより、
インクの充填及びパージ動作中にインクを一気に流し、
不純物及び気泡の除去を容易にしている。このように、
インク供給口２０及び出口２４を最大限に離して設けた
構成により、相互間の音響的隔離度を強化する効果もあ
る。

【００４３】図示した構成において、ノズルの中心間の
離間距離を対応するインク圧力室の中心間の離間距離よ
りもずっと接近させるように構成しても良い。例えば、
圧力室の中心間の水平離間距離をＸとすると、対応する
ノズル間の離間距離をＸの４分の１とする。対称性を維
持する為に、１行のノズル間の離間距離をその行のノズ
ルにインクを供給するインク圧力室の行の数の逆数にす
るのが好適である。従って、例えば、１行のノズルにイ
ンクを供給するインク圧力室が６行であれば、ノズルの
中心間の離間距離をＸの６分の１の長さに設定する。そ
の結果、ノズル間の距離が極めて接近した非常にコンパ
クトなインク・ジェット・プリント・ヘッドを実現する
ことが出来る。このインク・ジェット・プリント・ヘッ
ドのコンパクト性を具体的に例示すると、図２２の９６
個のノズルを有するヘッドの場合で、ヘッドの長さが約
９．６５センチメートル（３．８インチ）、幅が３．３
センチメートル（１．３インチ）、厚さが０．１８セン
チメートル（０．０７インチ）程度である。

【００４４】上述のようなコンパクトなインク・ジェッ
ト・プリント・ヘッドにおいてホット・メルト・インク
を使用すると、容易に気泡が生成される。ホット・メル
ト・インクは、室温で固まる時に収縮し、プリント・ヘ
ッドのオリフィスを介して空気を取り込んでしまう。ま
た、ホット・メルト・インクが固まる際にインク・ジェ
ット・プリント・ヘッド内の圧力室、通路、多岐管等の
中のインクに溶け込む気体によっても気泡が生成され
る。従って、図２１に示すように、パージ・チャネル４
２によりパージ多岐管４４とノズル１４とが接続されて
いる。これらのチャネル及び多岐管は、初期の充填、固
化したホット・メルト・インクの初期の加熱、パージ動
作中に使用され、不純物や気泡の除去に寄与する。パー
ジ多岐管４４は、パージ効率を改善する為にテーパー状
に形成しても良い。図示していないが、バルブによりパ
ージ出口４８を閉じるので、使用されない時には、パー
ジ用インク流経路５０が遮断される。リー（Le）等の米
国特許第４７２７３７８号は、このようなパージ出口を
使用した一例を詳細に示している。これらパージ・チャ
ネル及びパージ出口を除去すると、プリント・ヘッド内
にこれらの部分に使用するプレートを設ける必要がない
ので、プリント・ヘッドの厚さを薄くすることが出来
る。

【００４５】図２３は、従来のインク・ジェット・プリ
ント・ヘッドの一部分の構成を示す簡略化した断面図で
ある。図２３において、テーパー形状の多岐管１６内の
気泡８６に記載した矢線８０は、気泡に作用する表面張
力を示し、矢線８２は、浮力を表し、矢線８４は、イン
ク流速に基づく粘性力を表している。これらの力の合力
８８により、気泡はこの合力８８の方向にテーパー形状
の多岐管１６の中を動いて行く。経験上、表面張力８０
と浮力８２は、殆ど一定であり、インク流速に基づく粘
性力８４は、合力８８の変動分の支配的な力になってい
る。

【００４６】動作について説明する。インク貯蔵槽（図
示せず）からインクが矢線９０で示すように、所定の流
速でテーパー形状の多岐管１６に供給される。駆動信号
源９２は、多数のトランスデューサ３６（図では８つの
み示している）を選択的に駆動し、インクをインク供給
チャネル１８を介してインク圧力室２２に引き込み、イ
ンク通路２６を介してノズル１４からインク滴を噴射す
る。インク供給チャネルの矢線９４で示す位置（８カ所
を図示）におけるインクの流速は、駆動信号源９２が別
々に各円盤状セラミック・トランスデューサ３６を駆動
する電気的駆動信号の波形に依存している。駆動信号源
９２は、各セラミック・トランスデューサ３６に略同一
の駆動波形を供給し、各ノズルのインク噴射特性を揃え
ることが出来る。このインクの噴射特性を同一に揃えら
れるのは、別々のオリフィス・チャネルの構造を音響的
に等価に設計するからである。

【００４７】パージ動作中には、パージ手段である真空
発生源（図示せず）がノズル１４に接続されるので、矢
線９４で示した位置からインク供給チャネル１８、イン
ク圧力室２２、インク通路２６及びノズル１４まで略同
じ流速でインクを流せる。または、真空発生源をインク
供給口１２に接続することによって、同様の結果を得る
ことも出来る。更に、パージ手段として、真空発生源及
び圧力発生源を組み合わせて使用しても良い。

【００４８】インク供給口１２における矢線９０のイン
クの流速は、チャネル１８のインクの流速９４の総和に
比例し、インク供給口１２の断面積に逆比例する。テー
パー形状の多岐管１６の第１端部９５は、最も上流のイ
ンク供給チャネル１８の隣接上流側の位置にあり、第２
端部９６は、最も下流のインク供給チャネル１８の隣接
下流側の位置にある。テーパー形状の多岐管１６内の位
置Ｐ１におけるインクの流速は、５つの下流のインク供
給チャネルのインクの流速９４の総和で決まり、位置Ｐ
１での断面積９８に逆比例する。テーパー状の多岐管１
６の下流側端部の近傍の点Ｐ２では、この位置でのイン
クの流速は、唯一の下流のインク供給チャネルの流速９
４で決まり、多岐管の断面積９９に逆比例する。この断
面積９９は、上述の断面積９８の場合より小さくなって
いるのは、位置Ｐ１と位置Ｐ２との間のインク流速の差
を補償する為である。断面積９８及び９９の差があるこ
とにより、インク流速に基づく合力８８′が気泡８６に
働く。この合力８８′は、気泡８６が位置Ｐ２にある
時、表面張力８０及び浮力８２に十分に打ち勝つ値を持
つ。図２３のテーパー状の多岐管１６では、第１端部９
５と第２端部９６との間において、表面張力８０及び浮
力８２に十分に打ち勝つ下方向への合力８８′が生じ
る。よって、このようなインク・ジェット・プリント・
ヘッドでは、テーパー状の多岐間１６からインク供給チ
ャネル１８及び出力ノズル１４を介して気泡を完全に排
除することが出来る。

【００４９】図２３に示したように、多岐管１６の少な
くとも一部分は連続的に直線的テーパー部分を形成する
ことが望ましい。しかし、テーパー部分は、必ずしも直
線的に形成される必要はないが、単調に断面積が減少す
るように形成して気泡が滞留することがないようにすべ
きである。勿論、多岐管１６の全体に亘ってテーパー形
状に形成しても良い。テーパー形状にすることにより、
多岐管の体積が減少するので、その分だけ第１端部９５
の断面積を増加させ、多岐管の必要なインク容積を確保
し、パージに必要なインク流速を維持するようにすべき
である。

【００５０】また、この発明は、上述の装置のインク流
の方向とは逆向きにインクを流してパージ動作を実行す
るようなバック・フラッシュ型の装置にも同様に適用可
能である。

【００５１】図２４に示すように、インク・ジェット・
プリント・ヘッドは、４行の圧力室群を具備している。
この場合、圧力室の内側の２行のインク供給口がインク
・ジェットの外側の２行の圧力室の間を通さなくても良
いようにするには、圧力室間の間隔を増加する必要が生
じ、インク供給口はインク圧力室の下側に位置するプレ
ートの圧力室につながる。即ち、インク供給口は、イン
ク・ジェット・ヘッドの外側から圧力室及びノズルの間
のプレートの中へ延びている。これらインク供給口は、
圧力室と夫々位置が一致するように設けられ、圧力室の
下側から圧力室に接続されている。

【００５２】内側の列の圧力室の入口チャネルの流体イ
ンピーダンスを外側の列の圧力室の入口チャネルの流体
インピーダンスと等しくするために、これらのチャネル
は、同じ断面及び同じ長さを有する２つの異なる構造で
作ることが出来る。入口チャネルの長さ及びそれらの断
面積によって流体に対する特性インピーダンスが決ま
り、この特性インピーダンスは、インク・ジェット・ヘ
ッドの所望の性能を達成するように選択され、圧力室の
入口２０にて小さいオリフィス又はノズルを使用する必
要がない。

【００５３】入口用多岐管及び出口用多岐管は、４行の
圧力室の境界の外側に配置するのが望ましい。更に、こ
れらの多岐管の断面の寸法をテーパー形状に成形するこ
とにより、インクの体積を最少にしながら、全てのイン
ク・ジェット・ノズルを同時に駆動したときにノズルに
十分なインクを供給出来、且つ、ジェット・ノズル間の
クロストークを最少にするのに十分なコンプライアンス
を与えている。上述のように、多岐管の中の任意の位置
におけるインクの流速は、その位置の下流にあるオリフ
ィス・チャネルの数に依存している。多岐管の断面積を
下流側のオリフィス・チャネルの数の関数として小さく
して多岐管をテーパー形状に成形することにより、イン
クの流速を一定にすることができる。従って、パージ動
作中に、不純物及び気泡を排除するのに十分なインクの
流速を多岐管内で維持できる。

【００５４】多数のインク供給チャネルに各多岐管から
インクが供給されるが、共通の多岐管に接続された複数
のインク圧力室間の音響的分離をこの装置により達成で
きる。上述の構成により、インク供給多岐管とインク供
給チャネルは、音響的に圧力パルスを減衰させる音響Ｒ
Ｃ回路として機能する。これらの圧力パルスが減衰され
ないと、インク圧力室から入口チャネルを介して圧力パ
ルスが逆方向に伝搬し、近隣の入口チャネルに印加さ
れ、近隣のノズル・ジェットの性能に悪影響を与えるこ
とになる。

【００５５】この装置によれば、テーパー形状の多岐管
により、コンプライアンスが向上し、インク供給チャネ
ルによって、圧力室間の音響的結合を分離する音響抵抗
器としての機能が与えられる。多岐管をテーパー形状に
成形することにより、気泡のパージ効率を改善し、気泡
の滞留をなくし、多数のノズル間において、音響的な分
離状態を実現して均衡のとれた性能を達成できる。ま
た、多岐管をテーパー形状に仕上げると、多岐管内にお
ける音響反射のランダム性が高くなり、音響的な分離状
態を改善すると共に、多数のノズルが同時に動作するこ
とに起因する音響定在波の発生を遅延させることが出来
る。このような音響的分離が達成されることにより、同
一の多岐管に接続された多数のインク・ジェット・ノズ
ルの動作が互いにインク滴生成特性に影響するのを防止
出来る。

【００５６】図２４及び図２５に示したインク・ジェッ
ト・プリント・ヘッドは、黒インクをプリントする１行
４８個のノズル１４Ｋを有する。更に、このプリント・
ヘッドは、別の行の水平方向に位置をずらした４８個の
ノズルでカラー・インクをプリントする。後者の４８個
のカラー・インク・ノズルは、１６個ずつ３つのグルー
プ１４ＣＹＭに分けられ、これら３つのグループがシア
ン、イエロー及びマゼンタのカラー・インクを夫々プリ
ントする。以下の説明では、必要に応じて各色を指示す
る際に、シアンをＣ、イエローをＹ、マゼンタをＭ、黒
をＫの符号で表すことにする。このインク・ジェット・
プリント・ヘッドでは、ノズルを二重のラインで並べて
いるが、単一のラインで並べるように変更するのは容易
である。また、この変更をしてもインク・ジェット・プ
リント・ヘッドの動作特性は何等影響を受けるものでは
ない。

【００５７】図２４及び図２５に示したインク・ジェッ
ト・プリント・ヘッドは、市販されているカラー・イン
ク・ジェット・プリンタに使用されている構成である。
設計上、経験的に種々の改良が施されてきた。最も顕著
なのは、より多くのノズル１４をヘッドに追加してプリ
ント速度を改善することである。しかし、ノズルを追加
すると、インク供給多岐管１６の断面積９８及び９９が
小さいので、追加ノズルも同時に動作させた時、多岐管
１６に沿ったインク圧力の損失が顕著になってしまうと
いうことが判明した。ノズルの数を増加すると、各ノズ
ル１４に供給されるインクの量が減少し、望ましい一様
なプリント動作を維持することが出来なくなる。従っ
て、プリント・ヘッドを設計する際に、別の変更をする
必要性があることが判った。

【００５８】例えば、図２３〜図２５において、テーパ
ー状のシアンの上側多岐管１６Ｃは、インク供給口１２
に続くインク供給チャネル１８付近にインクの流速が減
少するインク滞留領域がある。このインク滞留領域付近
の気泡は、インク供給多岐管１６内で十分な流速が得ら
れないので下向きの合力８８′が不十分となり除去する
ことが困難である。マゼンタ用多岐管１６Ｍ及びシアン
用多岐管１６Ｃでは、ポイント１０４が高い位置にある
ので、この部分に気泡が蓄積する傾向がある。この高い
位置のポイント１０４の付近には、大量のインクを急速
に動かさずに気泡を排除できるようなインク供給チャネ
ル１８は設けられていない。

【００５９】各インク供給多岐管１６は、断面積が略一
様で比較的長いインクチャネル１０６に通じており、こ
のインク・チャネル１０６内では、定常圧力波が形成さ
れることがある。この定常圧力波は、ジェット・ノズル
間の音響的クロストークに寄与するので望ましくない。

【００６０】多岐管１６及びこれに通じるインク・チャ
ネル１０６の容量は、パージ動作中に必要なインクの大
部分を含んでいる。インク・ジェット・ヘッドを完全に
パージするのに必要なインク量は、各インク・ジェット
・ヘッドのパージ動作に要するインク量とそのヘッドの
数によって表すことが出来る。上述のインク滞留領域の
為に、インク・ジェット・ヘッドから気泡等を完全にパ
ージするためには、その何倍もの量のインクが必要にな
ることがある。更に、印刷に使用するインクは、色合い
や明度の高品質を持った高価なホットメルト・インクが
望ましい。よって、パージ動作に必要なインク量が増加
するということは、コストの増加となって望ましくな
い。

【００６１】図４、図５及び図６は、上述の問題を解決
し、且つインク・ジェット・ノズルの数を増加させたイ
ンク・ジェット・ヘッドの好適実施例を構成するプレー
トの平面図である。図４は、インク圧力室プレート２０
０を示しており、インク圧力室２０４で形成されたサブ
アレイ２０２Ｃ、２０２Ｙ、２０２Ｍ及び２０２Ｂを含
んでいる。各サブアレイ２０２は、３１個のインク圧力
室２０４を六角格子状（図示した破線の六角形を参照）
に配列して形成される。このインク圧力室プレート２０
０は、組み立てたヘッドをインク源に取り付けるための
９個のマウント用タブ２０６を備えている。

【００６２】図５は、インク供給チャネル２１４の４つ
のサブアレイ２１２Ｃ、２１２Ｙ、２１２Ｍ及び２１２
Ｂを備えたインク供給チャネル・プレート２１０を示し
ている。このインク供給チャネル・プレート２１０は、
４つの構成部分を含んでおり、これらは、各参照符号に
最上部を表すアッパー・アッパー（ＵＵ）、上部を表す
アッパー（Ｕ）、低部を表すロウワー（Ｌ）、及び最低
部を表すロウワー・ロウワー（ＬＬ）の添文字を付して
いる。よって、特定のインク供給チャネルは、例えば、
シアン用（Ｃ）のアッパー・アッパー（ＵＵ）部分のイ
ンク供給チャネルは、２１４ＣＵＵと表し、マゼンタ
（Ｍ）用のロウワー（Ｌ）部分のインク供給チャネル
は、２１４ＭＬと表している。

【００６３】インク供給チャネル・プレート２１０は、
各サブアレイ２１２のアッパー部分及びロウワー部分に
３１個のインク圧力室出口２１６を備えている。特定の
インク圧力室出口は、例えば、イエロー用でアッパー部
分のインク圧力室出口は、２１６ＹＵで表し、ブラック
用でロウワー部分のインク圧力室出口は２１６ＢＬで表
される。

【００６４】図６は、インク供給多岐管プレート２２０
を示している。このプレート２２０には、４つのインク
供給多岐管２２２Ｃ、２２２Ｙ、２２２Ｍ、２２２Ｂが
形成されている。これらのインク供給多岐管２２２は、
アッパー部分（Ｕ）及びロウワー部分（Ｌ）という２つ
の部分に区分されており、参照文字としてＵ及びＬを夫
々付している。特定のインク供給多岐管の部分は、例え
ば、アッパー部分のシアン用インク供給多岐管を２２２
ＣＵで表し、ロウワー部分のマゼンタ用インク供給多岐
管を２２２ＭＬで表す。

【００６５】インク供給多岐管プレート２２０には、各
サブアレイ２１２のアッパー部分及びロウワー部分に、
各色毎に３１個のインク通路を設けている。特定のイン
ク通路は、例えば、アッパー部分のイエロー用インク通
路を２２４ＹＵと表し、ロウワー部分のシアン用インク
通路を２２４ＣＬと表している。

【００６６】図１は、本発明の実施例である代表的なサ
ブヘッド・アレイ２３０の拡大平面図である。サブヘッ
ド・アレイ２３０を示すのに選択的に一部分を除外し、
多岐管２２２、インク供給チャネル２１４、インク圧力
室２０４、インク圧力室出口２１６、インク通路２２４
との相互関係及び特定の関係を示している。ノズル・プ
レートに形成された３１個のノズル２３２の一部分の列
と、インク供給多岐管２２２からインク供給チャネル２
１４にインクを流す１組のポート２３４と、インク入口
２３６も示している。右端の８個のノズル２３２に関連
した主な機構を総て示している。

【００６７】サブヘッド・アレイ２３０は、上向き矢印
２４０の方向が地表面に対して垂直になるように配列さ
れている。複数のポート２３４は、多岐管２２２Ｕ、２
２２Ｌに互い違いに分布している。これらのポートの約
半分は、多岐管２２２の上端面付近に設けられている。
多岐管２２２は、テーパー状に形成されており、上向き
矢印２４０に対して垂直な方向に対して上向きに傾斜す
るように配置されている。

【００６８】多岐管２２２Ｕ又は同様な多岐管２２２Ｌ
に滞留した気泡８６には、図２３について説明したよう
に、表面張力８０、浮力８２及び粘性力８４が作用す
る。しかし、多岐管２２２は上方向に傾斜しているの
で、気泡８６を移動させるのに、粘性力８４が表面張力
８０又は浮力８２に打ち勝つ必要はない。従って、イン
クの流速が比較的低くても、気泡８６を多岐管２２２Ｕ
の上端内面に沿って上向きに移動させるに十分であり、
ポート２３４から気泡を排除することが出来る。インク
入口チャネル２１４ＵＵ及び２１４Ｌは、上向きの第１
セクションを有し、多岐管２２２から気泡を排除しやす
くしている。インク入口チャネル２１４ＵＵ及び２１４
Ｌは、断面積が比較的小さいので、供給チャネルのイン
クの流速が上昇し、インク圧力室２０４及び出力ノズル
２３２から気泡を排除させることが出来る。

【００６９】このような構成により、通常の動作中に発
生する小さな気泡やホット・メルト・インクの固化／溶
融サイクル中に発生するもっと大きな気泡を効果的に排
除することが出来る。パージ・サイクルでは、十分なイ
ンク流速を発生させるために低圧の真空状態を必要と
し、必要なインクの体積も最少にしなければならない。
たとえジェット・ノズルの数を増加させても、従来より
もパージ・サイクル中に必要なインクの量を減少させ
る。

【００７０】図７は、図１の７−７線に沿って切断した
部分の断面図であり、インク圧力室２０４ＵＵ、インク
出口２１６Ｕ、インク通路２２４Ｕ及びノズル２３２の
断面を示している。これは、図１の多数のインク・ジェ
ット・ノズルの１つの代表的な構成を表している。この
図７の部分は、上述のように多層プレートで形成されて
いる。特に、インク出口２１６Ｕは、プレート２５０、
２５２、２５４、２５５で形成され、各プレートで形成
されたインク出口２１６Ｕの部分は、矢線２５４で示し
た方向に向かって徐々に断面積が減少するように構成さ
れている。このようにインクの流れる方向に向かって徐
々に断面積が減少するテーパー形状に形成している限
り、他のどのような形状を採用しても良い。プレート２
５０、２５２、２５４及び２５５で形成されたインク出
口２１６Ｕの図示部分は、略環状の先細りのチャネルを
形成し、各チャネルの焦点がそれぞれ０．１５ｍｍ、
０．１０ｍｍ及び０．０５ｍｍ離れ、各チャネルの半径
は各チャネルの焦点から０．４１６ｍｍとするのが好適
である。プレート２５５で形成されたインク出口２１６
Ｕの出口部分の半径も他のプレートに形成された部分と
整合させることが望ましい。これにより、インク出口２
１６Ｕは、ステップ状のテーパー形状に形成され、イン
ク圧力室２０４ＵＵからインク通路２２４Ｕへのインク
流の滞留を低減させることができ、インク入口形成プレ
ート２５０、２５２、２５４及び２５５を多層に重ねる
際の位置合わせの許容範囲を緩和することができる。イ
ンク出口２１６Ｕは、平坦内壁２５８と、ステップ状の
内壁２６０の間に形成される。他の実施例として、イン
ク出口の両側の内壁をステップ状に形成しても良いし、
インク出口２１６Ｕの断面を楕円状又は円形状に形成し
ても良い。この断面領域をテーパー形状にするには、円
形から楕円形状に又はその逆に形成しても良い。このよ
うなテーパー形状に形成するのは、サブヘッド・アレイ
２３０の他の断面領域に適用しても良い。例えば、ポー
ト２３４、ノズル２３２、インク供給チャネル２１４の
断面領域に適用しても良い。インク入口形成プレート２
５０、２５２、２５４及び２５５のインク流の方向に向
かって直径を小さくしていくように断面を一連の同心円
状に形成してテーパー状に形成しても良い。

【００７１】上述の実施例では、インク供給多岐管２２
２のインク滞留領域を無くすことが出来る。通常動作中
及びパージ・サイクル中のインク流の方向は、滞留した
気泡をポート２３４の方向に送り出し、インク圧力室２
０４の動作によりインク供給チャネル２１４へと排出し
ようとする傾向がある。インク圧力室２０４は、インク
をインク通路２２４へ送り、ノズル２３２からインクを
噴射させる。多岐管２２２は、テーパー形状なので、多
数のジェット・ノズルの動作中に発生する圧力定常波を
遅延させることが出来る。多数の多岐管形成プレート２
２０（図６）から形成される場合、多岐管２２２は、そ
の幅及び深さの組み合わせによりテーパー形状に形成で
きる。一般に、多岐管の断面領域のテーパー形状に関し
て、テーパー形状の程度は、多岐管の反対側の端部の断
面積に対するその断面領域の面積比で表される。第１の
実施例で説明したように、テーパー形状に形成すること
により、多岐管を通過するインクの流速を均一化し、気
泡等のパージ性能を改善できる。

【００７２】多岐管２２２は、比較的短いので、パージ
・サイクルに必要なインクの量を低減し、発生する音響
定常波の周波数をインク・ジェットの動作周波数より高
い値まで増加させるので、クロストークの発生を低減で
きる。多岐管２２２の断面積は、多岐管２２２の全長に
亘って大きな圧力損失を発生させることが無く、ノズル
２３２に必要且つ十分なインクを供給できる程度の十分
な大きさがある。

【００７３】上述の改善された設計を特定のインク・ジ
ェット・ヘッドに応用する為に多くの変数に基づく最適
化を行う。例えば、多岐管の構造、多岐管のテーパー形
状の程度、インクの流体特性、ジェット・ノズルの数、
ジェットの最大噴射速度等の変数に基づく最適化であ
る。主多岐管インク供給部２４２とアッパー多岐管イン
ク供給部２４４との面積比ａr並びに両者の断面積及び
長さ等は、プリント・ヘッドのインク噴射性能及びパー
ジ性能に影響する。

【００７４】インク・ジェット・ヘッドの種々の動作パ
ラメータは、特定のプリンティング・アプリケーション
によって決まり、以下に説明するパラメータの多くは、
単に特定の実施例についての例に過ぎないという点に留
意されたい。広範囲の種類のインク、最大動作速度、オ
リフィス配列の構造、プリンタのアーキテクチュアが存
在し、当業者は、特定のアプリケーションに適合させる
ように、これらの変数を最適に組み合わせるように選択
しなければならない。図８及び以下の表１、表２、表
３、表４は、好適なインク・ジェット・ヘッドの設計に
基づく多岐管の種々の変数の基準値及び定義等を示して
いる。

【００７５】

【表１】

【００７６】表２は、ホット・メルト・インクの流体特
性の一例を示している。

【００７７】

【表２】

【００７８】表３は、表１及び図８の実施例に基づく多
岐管の各部の値を示している。なお、面積比ａrは、多
岐管の先端部とベース部との間の面積比として定義され
る。この面積比ａrは、０．１（１０：１のテーパー形
状）〜１．０（１：１でテーパー無し）の範囲の数値で
あり、後述の計算に使用される。

【００７９】

【表３】

【００８０】表４は、代表的なインク滴及び最大動作周
波数に基づくインク滴のパラメータ値のリストである。
インク滴の体積は、ノズルの直径及びドライバから各イ
ンク圧力室に加えられるエネルギー量によって決まる。

【００８１】

【表４】

【００８２】この実施例のインク・ジェット・ヘッドの
設計において各部の寸法を決定するのに使用した数式に
関しては後述する。

【００８３】インク・ジェット・ヘッドの性能は、多岐
管の固有共鳴周波数がジェット・ノズルの動作の最大周
波数より高い場合には、改善される。物理法則によれ
ば、各部のパイプの固有周波数ｆは、ｆ＝ａ／ｋｌで計
算できる。ここで、「ａ」は、流体内の音の伝播速度で
あり、「ｌ」は、パイプの長さであり、定数「ｋ」は、
両端が閉じたパイプでは２であり、一端が開いたパイプ
では４である。

【００８４】この実施例の多岐管がテーパー形状でない
場合、以下の計算で示すように、アッパー部の多岐管及
び関連するインク供給部の固有周波数は、この実施例の
最大動作周波数である８ｋＨｚより低くなる。ロウワー
部多岐管の固有周波数ｆlm、アッパー部多岐管の固有周
波数ｆum及び両方の部分を含む多岐管全体の固有周波数
ｆcmは、それぞれ以下の式で表される。

【００８５】

【数１】

【００８６】アッパー部及びロウワー部の多岐管をテー
パー状に形成すると、それらの固有周波数を上昇させる
ことが出来る。この場合の固有周波数の計算もｆ＝ａ／
ｋｌと同等の関係式で求められるが、定数「ｋ」の代わ
りに定数「Ｃtm」を使用する。ここで、定数「Ｃtm」
は、面積比Ａrの関数であり、以下の数２で表される。

【数２】

【００８７】ロウワー部多岐管の固有周波数ｆlm及びア
ッパー部の多岐管の固有周波数ｆumは、以下の式で計算
される。

【数３】

【００８８】図９は、アッパー部多岐管及びロウワー部
多岐管の固有周波数を面積比の関数として計算した結果
を示すグラフである。アッパー部多岐管の固有周波数
は、面積比が０．２のテーパー形状状態のとき、１０ｋ
Ｈｚを超えているので、この値は、実施例の最大噴射速
度、８ｋＨｚより高くなっている。

【００８９】残念ながら、多岐管をテーパー形状に形成
すると、多岐管の全長に亘る定常状態の圧力損失が増加
し、インクの噴射特性の不均一の原因となる。テーパー
形状にしない多岐管では、定常状態の圧力損失ＰLは、
層流の計算により求められ、アッパー部及びロウワー部
の多岐管のベース部から先端部までの圧力損失は比較的
小さい。以下の数式は、入口と出口を有する単純な多岐
管をモデル化し、全ての噴射ノズルが同時に動作してい
るものと仮定したものである。ロウワー部及びアッパー
部の多岐管の圧力損失は、以下の式で計算される。

【００９０】

【数４】 なお、Ｄh、Ｕave、ＲｅD、ｆは、以下の式で計算され
る。

【数５】

【００９１】定常状態の圧力損失に加えて、過渡的圧力
変動ＰTを考える必要がある。テーパー形状の多岐管で
は、多数のノズルの総てを同時に動作させると、多岐管
の全長に亘って大きな圧力変動が発生し、インクの噴射
特性の不均一の原因となる。テーパー形状の多岐管内の
過渡的圧力変動は、多岐管に含まれるインクの質量と、
全てのノズルが噴射している時に失われるインクの質量
から計算される。過渡的圧力変動ＰTは、アッパー部及
びロウワー部の多岐管の面積比ａrの関数として以下の
式で計算される。

【数６】 ここで、アッパー部及びロウワー部の多岐管内のインク
の質量は、以下の式で計算される。

【数７】

【００９２】図１０は、上述の計算結果を表したグラフ
である。期待されたように、アッパー部及びロウワー部
の多岐管の過渡的圧力変動ＰTは、面積比ａrの関数とし
てグラフ表示され、非テーパー形状の多岐管よりもテー
パー形状の多岐管の方が過渡的圧力変動が大きくなって
いる。

【００９３】多岐管をテーパー形状に形成すると、定常
状態の圧力損失と過渡的圧力変動の両方が増加すること
が明らかであるが、その増加量は、わずかであり、許容
範囲以内である。圧力損失及び圧力変動を減少させる為
に多岐管の容積を増加させると、固有周波数も低下す
る。従って、多岐管を設計する際には、定常的圧力損失
と過渡的圧力変動の許容量をその固有周波数に対してバ
ランスさせなければならない。満足できる状態に形成し
たテーパー形状の多岐管では、その容積は、非テーパー
形状の多岐管の容積と同等であった。

【００９４】パージ動作のインク流速Ｕpurgeは、多岐
管を設計する上で別の要素である。多岐管をテーパー形
状に形成することにより、多岐管の全長に亘る種々の位
置ｘにおけるインク流速を高い値に維持することが出来
る。一般にインク流速を高くすると、気泡に働く粘性力
が増加し、図１及び図２３について述べたようにパージ
効率を改善することができる。パージ動作におけるイン
ク流速は、以下の式で計算される。

【００９５】

【数８】 ここで、多岐管の位置変数ｘは、０．１の線形ステップ
単位で変化する０（ベース位置）から１（先端位置）ま
での範囲の値であり、Ｍpurge＝０．５ｇ／ｓｅｃ、Ａc
（ａr，ｘ）＝ｘＡt（ａr）＋（１−ｘ）Ａbである。

【００９６】図１１は、上述の計算結果を表すグラフで
ある。パージ動作における平均インク流速は、多岐管に
おける位置ｘの関数として表されている。非テーパー形
状の多岐管のインク流速（ａr＝１．０）は、ベース部
から先端部に向かって直線的に減少していることが判
る。それに対し、面積比１０：１のテーパー形状の多岐
管（ａr＝０．１）では、多岐管の略全長に亘って流速
をあまり低下させずに維持できる。面積比２：１のテー
パー形状の多岐管（ａr＝０．５）でも、インク・パー
ジ流速の低下をある程度まで抑制している。実施例とし
ては、面積比５：１のテーパー形状の多岐管（ａr＝
０．２）を採用することが望ましい。

【００９７】図１及び図２３において説明したように、
気泡に作用する浮力及び粘性力の方向は、多岐管の設計
によって決まるファクタである。インク・ジェット・プ
リント・ヘッドにおける共通の問題は、インクから如何
にして気泡等を除去するかということである。これは、
特に、粘性の高いホット・メルト・インクを使用し、プ
リントをオフ及びオンする際のインクの固化／溶融サイ
クルで気泡が生成されるシステムで問題となる。出来れ
ば、インクの流れを上方向に維持するようにインク・ジ
ェット・プリント・ヘッドを設計すると、気泡の除去が
より容易となる。改良したインク・ジェット・プリント
・ヘッドでは、多岐管内のインクの流れる方向を総て上
方向とすることにより、気泡を意図した経路に流すよう
にすることができる。このような上方向にインクを流す
装置の多岐管の実施例の構成を図２に示している。この
図は、気泡に作用する浮力ベクトルにより多岐管から気
泡を排除するのを促進していることを示している。この
上方向への流れの抵抗力となるのは、表面張力に起因す
る成分である。インクの流れに起因する力成分も上方向
への流れを促進する。これに対して図３には、従来の多
岐管の例を示している。この従来例では、気泡を除去す
る為には、ジェット・ノズルの入口が設けられた多岐管
の下側部分まで気泡を送らなければならず、気泡に作用
する浮力及び表面張力は気泡の排除方向と反対方向に働
くので邪魔である。図３では、気泡には、粘性力、浮
力、表面張力等の種々の力が作用している。図１の本発
明の実施例では、気泡の直径の関数として気泡に作用す
る力もある。後述の計算により、気泡の直径Ｄbubとし
たとき、その直径Ｄbubが０．００５ｃｍ〜０．１５ｃ
ｍの範囲で０．０１ｃｍのステップで気泡に作用する粘
性力及び浮力が計算される。気泡に作用する粘性力及び
浮力は、以下の式で計算される。

【００９８】

【数９】

【００９９】図１２は、上述の計算結果を示すグラフで
ある。これから、気泡に作用する力に対する粘性力の相
対的な大きさによる気泡の動きへの影響が判る。気泡の
直径が増加するにつれて、浮力が増加し、気泡の直径が
０．０７ｃｍを超えた領域では圧倒的な力となり気泡を
上側に浮かせることになる。このことは、図３の従来例
の場合のような構造では、比較的大きな気泡を多岐管の
上端部から排除することが困難となる。他方、本発明で
は、気泡に作用する浮力又は重力を利用するように図２
の実施例のように設計した。従って、本発明によれば、
図１に示すように、いくつかのポート２３４を多岐管２
２２Ｕ及び２２２Ｌの上端部に配置し、浮力によって多
岐管の上端部に沿って上方向に流れる気泡を、これらの
ポート２３４を介してその上に続くインク供給チャネル
２１４ＵＵ及び２１４Ｌに容易に送ることが出来る。

【０１００】図１３、図１４及び図１５は、夫々本発明
に係る多岐管２６８Ａ、２６８Ｂ及び２６８Ｃの実施例
を示している。なお、これらの多岐管を総称した符号２
６８を付して多岐管２６８と称する。例えば、多岐管２
６８は、インク入口２７０、上端側の前部分２７２、テ
ーパー形状部分２７４を含んでいる。一連のポート２７
６を多岐管２６８の上側壁２７８の付近に設けている。
この多岐管２６８の構造は、上述の本発明の実施例を示
すものであり、決して本発明の技術的範囲を限定してい
るものではない。

【０１０１】以上本発明の好適実施例について説明した
が、本発明はここに説明した実施例のみに限定されるも
のではなく、本発明の要旨を逸脱することなく必要に応
じて種々の変形及び変更を実施し得ることは当業者には
明らかである。

【０１０２】

【発明の効果】本発明のインク・ジェット・プリント・
ヘッドは、インク供給多岐管をテーパー形状にすること
により、インク流速を適正に維持して気泡の除去効率を
高めている。更に、インク供給多岐管の固有周波数をノ
ズルの最大動作周波数より高くすることにより、安定な
動作を保障できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適実施例の構成を示す断面図であ
る。

【図２】図１の一部分のインク供給多岐管の構成を簡略
に示す断面図である。

【図３】従来のインク・ジェット・プリント・ヘッドの
インク供給多岐管の例を示す断面図である。

【図４】本発明の実施例のインク圧力室プレート２００
の平面図である。

【図５】本発明の実施例のインク供給チャネル・プレー
ト２１０の平面図である。

【図６】本発明の実施例のインク供給多岐管プレート２
２０の平面図である。

【図７】図１の７−７線に沿って切断した部分の断面図
である。

【図８】本発明の実施例のインク供給多岐管の構成を示
す断面図である。

【図９】インク供給多岐管の固有周波数の面積比ａrに
対するグラフである。

【図１０】インク供給多岐管における過渡的圧力変動の
面積比ａrに対するグラフである。

【図１１】インク供給多岐管の平均インク流速の多岐管
の位置ｘに対するグラフである。

【図１２】気泡に作用する力の気泡の直径に対する関係
を示すグラフである。

【図１３】本発明に係る多岐管の他の実施例の平面図で
ある。

【図１４】インク供給多岐管の別の実施例の平面図であ
る。

【図１５】インク供給多岐管の更に別の実施例の平面図
である。

【図１６】従来のインク・ジェット・プリント・ヘッド
を構成する一部のプレートの分解斜視図である。

【図１７】図１６のプリント・ヘッドの他の部分を構成
するプレートの分解斜視図である。

【図１８】図１６及び図１７のプリント・ヘッドのイン
ク供給口プレート５の平面図である。

【図１９】図１６及び図１７のプリント・ヘッドの隔離
プレート６の平面図である。

【図２０】図１６及び図１７のプリント・ヘッドのオフ
セット・チャネル・プレート７の平面図である。

【図２１】従来のプリント・ヘッドの一例を示す断面図
である。

【図２２】従来のプリント・ヘッドのインク圧力室、イ
ンク供給口、インク出力通路及びオフセット・チャネル
を重ねて示す模式図である。

【図２３】従来のインク供給多岐管、インク供給チャネ
ル及びノズル等の構成の一例を示す断面図である。

【図２４】従来のインク・ジェット・プリント・ヘッド
の構成の一部分を示す分解斜視図である。

【図２５】図２４のインク・ジェット・プリント・ヘッ
ドの残りの部分を示す分解斜視図である。

【符号の説明】

２０４ インク圧力室 ２１４ インク供給チャネル ２２２ インク供給多岐管 ２２４ インク通路 ２３２ ノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ローレント・エー・レジンバル アメリカ合衆国オレゴン州97224 ティ ガード サウス・ウェスト オークス・ レーン 9765 (72)発明者 ジョン・エス・ムーア アメリカ合衆国オレゴン州97006 ビー バートン ノース・ウェスト オークモ ント・ループ 15087 (56)参考文献 特開 平６−143601（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−70354（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B41J 2/175 B41J 2/18 B41J 2/185

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インク供給源に結合された複数のノズル
   を有するインク・ジェット・プリント・ヘッドであっ
   て、 先端部と、上記インク供給源に結合されたベース部とを
   有し、上記先端部の断面積が上記ベース部の断面積より
   も小さいテーパー状 インク供給多岐管と、 該インク供給多岐管を上記複数のノズルに結合する複数
   のインク供給チャネルと、上記プリント・ヘッドに圧力を加えて、上記インク供給
   多岐管から気泡を除去するパージ手段とを具え、 上記インク供給多岐管の固有周波数は、上記ノズルの最
   大動作周波数より高い ことを特徴とするインク・ジェッ
   ト・プリント・ヘッド。