JP3152243B2 - 高周波数ドロップオンデマンド型インクジェットシステム - Google Patents

高周波数ドロップオンデマンド型インクジェットシステム

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JP3152243B2 JP50502396A JP50502396A JP3152243B2 JP 3152243 B2 JP3152243 B2 JP 3152243B2 JP 50502396 A JP50502396 A JP 50502396A JP 50502396 A JP50502396 A JP 50502396A JP 3152243 B2 JP3152243 B2 JP 3152243B2
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、ドロップオンデマンド型インクジェットシ
ステム、さらに詳細には、高吐出率で動作する改良され
たドロップオンデマンド型インクジェットシステムに関
する。
従来技術 近年、高解像度、例えば118dot/cm以上の高解像度を
与えるインクジェットシステムが発展してきた。そのよ
うな高解像度システムでは、インク吐出は画像内におい
てより密接な間隔がとられるだけでなく、また体積滴に
より小さくなる。結果的に、同じサイズの画像を生み出
すにはより多数の液滴をインクジェットヘッドから吐出
せねばならず、より高速度で液滴を吐出できなければ、
同じ画像を生み出す低解像度システムより印刷作業が遅
くなってしまわざるを得ない。
しかしながら、従来のドロップオンデマンド型インク
ジェットヘッドは、オリフィスサイズとインク特性に依
存するインクジェットオリフィスの各々を通じて液滴が
吐出できる速度で上限が定められる。高解像度のドロッ
プオンデマンド型インクジェットシステムにおいて生ず
るより小さな液滴では、画像印刷速度は最大液滴吐出速
度により制限される。
例えばFischbeckらの特許第４、233、610号や、SPSE
の“Third International Nonimpact Printing Symposi
um"に出版されたPeter A.Torpeyの“Effect of Refill
Dynamics on Frequency Response and Print Quality i
n a Drop−on−Demand Ink−Jet System"の文献によれ
ば、ドロップオンデマンド型インクジェットシステムが
動作する最大速度は、インク滴がオリフィスから吐出し
た後各々のインクジェットオリフィスにインクを補給す
るために必要な時間により制限される。ドロップオンデ
マンド型インクジェットオリフィスがオリフィス内の表
面張力により生じた負の圧力の結果として液滴吐出後に
補給されることが一般的に知られている。熱溶解型イン
クジェットシステムでは、高粘性インクを用いることが
望ましく、それによりインク流量速度を減少させ、オリ
フィス補充時間を増加させる。
発明の開示 したがって、本発明の目的は、公知の技術の欠点を補
う新しく改良されたドロップオンデマンド型インクジェ
ットシステムを提供することにある。
本発明の他の目的は、同種のインクを用いて同じ解像
度を生じるようにして、従来のインクジェットシステム
より高速度で印刷を可能にするドロップオンデマンド型
インクジェットシステムを提供することにある。
本発明のこれらの目的は可変オリフィスインピーダン
ス特性を利用することにより達成でき、それは、オリフ
ィス内のインク量やオリフィスの形状に依存し、高いイ
ンク液滴吐出速度を可能にするために、次の液滴吐出に
備えるオリフィスにインクを供給するものである。
可変オリフィスインピーダンス特性を使用することに
より、固定オリフィスインピーダンス特性の基づいて得
られる補給速度よりも１桁から二桁大きな速度の最大オ
リフィス補給速度が可能になる。その所望の可変オリフ
ィスインピーダンス特性は、それが単独もしくは適切に
形作られたオリフィスとともに動作中のオリフィス内の
インクのメニスカスの位置を制御することにより達成さ
れる。可変オリフィスインピーダンス特性を用いると、
貯蔵室および圧力室からオリフィスへインクが引き出さ
れる圧力が増加し、オリフィスには、各々がインク液滴
を吐出した後、より速く補給されることになり、それゆ
え、より高い周波数での液滴の吐出が可能になる。可変
オリフィスインピーダンス特性を用いることにより、最
大オリフィス補給速度を増加でき、236〜944Dot/cmのよ
うな非常に高解像度の画像の印刷が、固定インピーダン
スオリフィスにより達成できた印刷速度より一桁から二
桁高い速度で可能になり、例えば10〜20kHzから150〜20
0kHzまでの最大インク液滴吐出速度を与える。一つの具
体的形態として、オリフィスは、動作中のオリフィス内
のインク量を変化させる可変オリフィスインピーダンス
特性を高めるようにする朝顔の形状のようなテーパ形状
を有する。
図の簡単な説明 本発明にさらなる目的と利点は、付随した図とともに
以下の記述の朗読から明らかになるであろう。
図１は、典型的なドロップオンデマンド型インクジェ
ットヘッドを示した縦方向断面図である。
図２は、図１のインクジェットヘッドの従来のオリフ
ィス構造を示した拡大断片図である。
図３は、オリフィス流路内のインクメニスカスの接触
角度を示した、図２に示された配列の拡大断片図であ
る。
図４は、固定インピーダンスオリフィスの構成での、
流体圧力、抵抗および慣性を示した等価電気回路図であ
る。
図５は、可変インピーダンスオリフィスの構成での、
流体圧力、抵抗および慣性を示した等価電気回路図であ
る。
図６は、高動作周波数およびそれに対応した高液滴吐
出速度を生み出すため可変オリフィスインピーダンス特
性を利用した際の典型的な液滴吐出圧力パルス波形を示
したグラフ図である。
図７は、図６に示したパルスを印加した際のオリフィ
ス内のインク流量を表したグラフ図である。
図８は、図６に示したパルスを印加した際のインクを
含む全体のオリフィス体積の比率を示したグラフ図であ
る。
図９は、高周波数動作の可変オリフィスインピーダン
ス特性を利用した構成での液滴吐出前のインクメニスカ
スの位置を示したインクジェットオリフィスを表した拡
大断片図である。
図10は、高周波数動作の可変インピーダンス特性を与
える朝顔型オリフィス内の液滴吐出前後のインクメニス
カスの位置を示した、図２に類似する拡大断片図であ
る。
発明を実施するための最良の形態 図１と図２に図示されたインクジェットシステムの典
型的な具体的実施の形態において、インクジェットヘッ
ド10は、インク12を供給する貯蔵室11と貯蔵室から圧力
室14へと導く流路13を有する。圧力室の一壁からなるト
ランスジューサー15は、要求の都度、チャンバー14から
流路16を通じてオリフィス板18内のオリフィス17へと導
くようにインクに力を加えるために作動するようになっ
ており、インク液滴19をオリフィス17から吐出させる。
そのような動作中においては、インクジェットヘッド10
は、圧盤21に支持された二つのドライブロール22と23の
間をヘッドの動作方向と垂直方向に可動する紙シートな
どの基板20に近接して図１の平面と垂直方向に走査す
る。インクジェットヘッド10が基板20に近接して走査す
る際にオリフィス板18内のオリフィスアレイから液滴を
選択的に吐出させることにより、また、走査方向と垂直
に基板を移動させることにより、所望の構成を有する画
像が従来方法で基板上に作り出せる。
インクジェットヘッドの圧力室、流路16およびオリフ
ィス17を図示した拡大断面図である図２に関して、イン
ク液滴19の吐出直前のオリフィス17内のインクメニスカ
スの位置24は通常オリフィスの外端にあり、液滴吐出直
後のメニスカスの位置25は、オリフィス外端から吐出さ
れたインク液滴の体積に相当する距離だけ離れた位置に
ある。オリフィス内の液滴体積の交換を生じるためのオ
リフィス内のインクの流れを引き起こすインクの最大補
給圧力Prefillは、図３に示されるように、メニスカス2
4とオリフィス17の壁との間の角度26に依存し、また、
インクの表面張力やオリフィス半径a0に依存し、以下の
式で与えられる。
Prefill＝２σ/a0 （１） ここで、σはインクの表面張力で、a0はオリフィス半
径である。実際、平均オリフィス補給圧力Prefillは、
式（１）で表される最大値よりかなり小さい。
補給圧力Prefillの結果としてオリフィス17へインク
が流れる速度は、オリフィス内、インク流路13および16
内、および貯蔵室12とオリフィス17の間の流路内の圧力
室内の抵抗により決定される。オリフィス抵抗R0は以下
の式で与えられる。
R0＝８μl0/πa0 4 （２） ここで、μはインク粘性でl0はオリフィスの流体長で
ある。結果的に、オリフィスの補給に利用される最大イ
ンク流量速度Qmaxは以下の式で与えられる。
Qmax＝Prefill/Rsystem （３） ここで、Rsystemはインク貯蔵室とオリフィス出口端
との間の全抵抗である。Rsystemはオリフィス抵抗R0よ
り大きいため、固定インピーダンス特性の補給流量速度
の上限は、 Qmax＝Prefill/R0＝πa0 3σ/4μl0 （４） となり、各々のオリフィスの最大液滴吐出周波数は、最
大補給流量速度Qmaxを液滴体積で割ったものであり、例
えば、 fmax＝Qmax/Vd＝πa0 3σ/4μl0Vd （５） となる。
図４は、固定オリフィスインピーダンス特性を有する
インクジェットシステムのインク貯蔵室とオリフィスの
外端との間のインク流路の等価電気回路を図示した概略
電気回路図である。同図において、Presは貯蔵室のイン
クの圧力、Rrefはオリフィスへ導くインク流路の補給抵
抗、Patmは０圧力として定義される大気圧、Pjettingは
オリフィスからインクを吐出するために印加される圧
力、R0はオリフィスの流体抵抗、P0はオリフィス補給圧
力で、それは例えばオリフィス内のインクメニスカスの
内面圧力で、インクとオリフィス壁との間の表面張力に
より生じる圧力であり、そしてCmはメニスカスのキャパ
シタンスである。以下のオリフィスの最大動作周波数の
計算は、Presは一定でわずかに負の値を有し、最大負圧
P0は２σ/a0で、システムは線形であると仮定する。
高解像度に設定された典型的な熱溶解ドロップオンデ
マンドインクジェットシステムでは、a0は28×10-6mete
rs、σは0.028Newton/m、μは0.025Pascal/sec、l0は30
×10-6metersで、Vdは0.95×10-3m3である。これらの値
を式（５）に代入すると、最大液滴吐出周波数は6775Hz
となる。貯蔵室11からオリフィス17へと導くインク流路
13と14の流路抵抗Rrefがオリフィスの流路抵抗にほぼ等
しいならば、インクジェットヘッドの最大動作周波数は
式（５）で与えられる値のほぼ半値の役3300Hzとなる。
118Dots/cmの解像度では、固定オリフィスインピーダン
スに基づくこの最大動作周波数では、27.9cmのラインを
印刷するために約１秒必要であり、現在高解像度の標準
である236Dots/cmの解像度では、同じオリフィス直径を
意味する同じオリフィス補給時間を仮定すれば、約２倍
の時間が必要となる。944Dots/cmまでの非常に高解像度
動作のためには、印刷時間は実質的に長くなってしま
う。
本発明の一つの見方によれば、可変オリフィスインピ
ーダンス特性が、インク液滴吐出圧力パルス中にオリフ
ィス内のインクに圧力を印加する手段を制御することに
より、固定インピーダンスオリフィスのものより速いオ
リフィス補給速度やより高い液滴吐出周波数を与えるた
め用いられる。特に、液滴吐出圧力パルスは、オリフィ
スインピーダンスが高い場合には負圧成分を印加し、オ
リフィスインピーダンスが低い場合には正圧成分を印加
するため、オリフィスインピーダンスは、異なった圧力
パルス部の印加周期中において重要な違いがある。さら
に、圧力パルスは、オリフィスの慣性・抵抗比と比較し
て過度には長くない時間中印加される。
図５には、可変オリフィスインピーダンス特性を利用
したインクジェットシステムの等価電気回路図を示す。
図４と比較して明らかなように、この回路図は可変オリ
フィス抵抗と可変オリフィス慣性を有し、他は図４と同
じである。
本発明による可変オリフィスインピーダンス特性を利
用することは、インピーダンスが液滴吐出中に低下する
ようにオリフィス内のインクメニスカスの位置を制御す
ることにより効果的になり、それゆえ、より高い液滴吐
出速度を可能にする。これにより、可変オリフィスイン
ピーダンスを有するシステムの驚くべき寄与が結果的に
生じ、例えば、全時間で平均して負である圧力波形が印
加されるとオリフィスを通ずるインクの正の流れが生じ
得る。図６は高液滴吐出速度を生じ得る典型的な圧力パ
ルス波形を示し、図７はそのパルスの印加中のオリフィ
ス内のインク流量を示したもので、図８は液滴吐出パル
ス印加中のインクを含むオリフィス体積の比率を表す。
図６に示されたオリフィスの可変インピーダンス特性
を利用した典型的な圧力パルスは、第１の期間30の間に
は負圧を印加して始まり、次に第２の期間31の間には負
圧の約２倍の正圧を印加し、その後、時間30中に印加さ
れたものと同様の大きさの負圧を期間32の間に印加し、
その後、圧力を０に復帰させる。
これらの時間の各々の期間においては、勾配状のパル
ス線で示されたように、その時間中に初期に印加した圧
力のほぼ半値の圧力に向かって初期に印加した圧力の大
きさに依存した速度で、印加した圧力の絶対値は減少す
る。第３の期間32の最初において、初期の負圧の約３倍
のピーク値を有する負圧スパイク33が、液滴を分離する
ために非常に短い時間に印加される。
図７に示されるように、オリフィス内のインクの結果
的な流れは、期間30の間では内側の方向になり、オリフ
ィスの半分以下の点にメニスカスが達するまでメニスカ
スを引き込み、図８に示されるように、その後、期間31
の間印加される正圧パルスは、液滴がその期間の終わり
において吐出されるまで非常に高速度で外部に向かって
インクの流れを導き、その後、インクは期間32の間オリ
フィスの端から遠ざかるように流れる。負圧スパイク33
により、期間32の初めにおいて正確にオリフィスのメニ
スカスから分離することによりインク液滴を確実に吐出
させ、ヘッドが基板に近接して走査される際に均一な液
滴サイズと正確な液滴位置を確実に与える。さらに、可
変オリフィスインピーダンス特性を利用しているので、
インクの表面張力とオリフィス半径の関係により液滴吐
出の最大速度が制限されず、上述したように、固定オリ
フィスインピーダンスの仮定に基づく最大速度の数倍に
なる可能性もある。
このように、図２に示した液滴吐出に対比して、イン
ク液滴が吐出する際にオリフィスの外端にメニスカス25
があるのに対し、上述した型の液滴吐出パルスを用いる
ことにより、インクのメニスカスは、図９に示されるよ
うに、インクの流れに対するインピーダンスが実質的に
低減される液滴吐出の際に、オリフィス17の外端の位置
35からオリフィスの反対の端に向かった内部位置36へと
初期的に引き込まれ、それにより例えば10〜30kHzから1
50〜200kHzまでの高い最大液滴吐出速度を可能にする。
図10に示されるように、メニスカスがオリフィスへと
引き込まれるにつれメニスカスの直径が大きくなる朝顔
形状のオリフィス38のようなテーパ状のオリフィスを用
いることにより、この場合、インクの流れに対するオリ
フィスの可変インピーダンス特性がオリフィスのこの形
状のために増加するため、最大液滴吐出速度が改善でき
る。このようにして、負圧パルスがより大きな正圧パル
スの前に置かれるような図６に示した一般的な型のパル
ス形状に図10に示したテーパ状のオリフィス構造を付与
することにより、可変インピーダンス特性を利用して与
えられる向上をさらに高められる。本発明はここでは特
別な具体的実施の形態に関して述べてきたが、多くの修
正や変化を、上述の技術に加えることができる。従っ
て、そのような修正や変化は全て本発明の範囲内に含ま
れる。
以下、本発明の実施態様を項分け記載する。
（１）インクが貯蔵室から供給されるオリフィス板を有
するインクジェットヘッドからの高速度でインク液滴を
吐出する方法において、可変オリフィスインピーダンス
特性を利用して10kHzを超える最大液滴吐出速度を生じ
るに十分な速度でオリフィス内のインクに圧力パルスを
印加することからなることを特徴とする方法。
（２）第１の負圧パルス部が前記オリフィスの外端に近
接した領域から該オリフィスの内部へとインクのメニス
カスを引き込み、該負圧パルス部の絶対値より大きな次
の正圧パルス部が該オリフィスからインクの液滴を吐出
させることを有することを特徴とする実施態様第１項記
載の方法。
（３）前記正圧パルス部直後に液滴分離を容易にするた
め負圧パルスを印加することを有することを特徴とする
実施態様第２項記載の方法。
（４）前記オリフィス内の前記インクに印加する前記圧
力パルス部の各々の絶対値が該パルス部の間時間ととも
に減少することを特徴とする実施態様第２項記載の方
法。
（５）前記正圧パルス部の最大値の絶対値が前記負圧パ
ルス部の大きさのほぼ２倍であることを特徴とする実施
態様第２項記載の方法。
（６）前記負圧および正圧パルス部がほぼ等しい継続時
間を有することを特徴とする実施態様第２項記載の方
法。
（７）前記インク液滴が可変オリフィスインピーダンス
特性を与えるためテーパ状の形状を有するオリフィスか
ら吐出されることを特徴とする実施態様第１項記載の方
法。
（８）前記インク液滴が可変オリフィスインピーダンス
特性を与えるためテーパ状の形状を有するオリフィスか
ら吐出されることを特徴とする実施態様第２項記載の方
法。
（９）前記最大液滴吐出速度が10kHzから200kHzの間で
あることを特徴とする実施態様第１項記載の方法。
（10）前記最大液滴吐出速度が10kHzから20kHzの範囲に
あることを特徴とする実施態様第９項記載の方法。
（11）前記最大液滴吐出速度が20kHzから200kHzの範囲
にあることを特徴とする実施態様第１項記載の方法。
（12）高い最大速度でインク液滴を吐出するインクジェ
ットシステムにおいて、10kHzを超える最大速度でイン
ク液滴を吐出するように可変オリフィスインピーダンス
特性を利用するため、貯蔵室と、オリフィスを有するオ
リフィス板と、該貯蔵室から該オリフィスへインクを供
給するインク供給路と、オリフィス内のインクに圧力パ
ルスを印加するトランスジューサーからなることを特徴
とするインクジェットシステム。
（13）前記トランスジューサーが、オリフィス内のイン
クに圧力パルスを印加するように作動し、インクの各液
滴を吐出するため、該圧力パルスの負圧パルス部が該負
圧パルス部の絶対値より大きな正圧パルス部により追随
されることを特徴とする実施態様第12項記載のインクジ
ェットシステム。
（14）前記連続したパルス部の各々の絶対値が該パルス
部中の時間とともに減少することを特徴とする実施態様
第13項記載のインクジェットシステム。
（15）前記トランスジューサーが、液滴分離を容易にす
るため、前記正圧パルス部に続く負圧パルス部を生み出
すように構成することを特徴とする実施態様第13項記載
のインクジェットシステム。
（16）前記トランスジューサーが、前記先の負圧パルス
部の最大絶対値の約２倍の最大絶対値を有する正圧パル
ス部を印加するように構成することを特徴とする実施態
様第13項記載のインクジェットシステム。
（17）前記オリフィスが、非線形オリフィスインピーダ
ンス特性を高めるように該オリフィスの外端に向かう方
向に直径が減少するテーパ状の形状を有することを特徴
とする実施態様第12項記載のインクジェットシステム。
（18）前記トランスジューサーが、20kHzを超える最大
速度で前記オリフィスからインク液滴を吐出するためパ
ルスを印加するよう構成することを特徴とする実施態様
第12項記載のインクジェットシステム。
（19）前記トランスジューサーが、20kHzから200kHzの
範囲の最大速度で前記オリフィスからインク液滴を吐出
するためパルスを印加するよう構成することを特徴とす
る実施態様第12項記載のインクジェットシステム。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−189144（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−339660（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−261059（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−40031（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−69542（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−278358（ＪＰ，Ａ) 米国特許4498089（ＵＳ，Ａ)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】インクが貯蔵室から供給されるオリフィス
    を備えたオリフィス板を有するインクジェットヘッドか
    ら高速度でインク液滴を吐出する方法であって、インク
    液滴を吐出するため該オリフィス内にメニスカスを有す
    るホットメルトインクに圧力パルスを印加することから
    なる方法において、 該圧力パルスを、 メニスカスをオリフィス内の制御された引き込み位置に
    引き込んでいる間絶対値が減少する第１の負圧パルス部
    と、 インク液滴を吐出している間絶対値が減少する正圧パル
    ス部と、 メニスカスからのインク液滴の分離を容易にするための
    ピークを有する第２の負圧パルス部とをこの順に有する
    パターンのパルスとすることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】第１の負圧パルス部が前記オリフィスの外
    端に近接した領域から該オリフィスの内部へとインクの
    メニスカスを引き込み、続く正圧パルス部が該負圧パル
    ス部より大きな絶対値を有することを特徴とする請求項
    １記載の方法。
  3. 【請求項３】高い最大速度でホットメルトインク液滴を
    吐出するインクジェットシステムにおいて、 貯蔵室と、オリフィスを有するオリフィス板と、前記オ
    リフィス内にメニスカスを形成するため該貯蔵室から該
    オリフィスへインクを供給するインク供給路と、インク
    液滴を吐出するためオリフィス内のインクに圧力パルス
    を印加するトランスジューサーと、圧力パルスを発生さ
    せるため前記トランスジューサーを作動させる作動手段
    とからなり、 各圧力パルスが、メニスカスをオリフィスの制御された
    引き込み位置に引き込んでいる間絶対値が減少する第１
    の負圧パルス部と、それに続く、インク液滴を吐出して
    いる間絶対値が減少する正圧パルス部と、それに続く、
    所定の時間でのメニスカスからのインク液滴の分離を容
    易にするためのピークを有する第２の負圧パルス部とを
    含むことを特徴とするインクジェットシステム。
  4. 【請求項４】前記正圧パルス部が、前記第１負圧パルス
    部より大きな絶対値を有することを特徴とする請求項３
    記載のインクジェットシステム。
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