JP3154494B2 - インクジェット式印刷用の温度コントローラ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、導電性のインクの流れをノズルに供給する
インクジェット式システムに関する。このインクは、一
条の流れとしてノズルから放出されるが、例えばピエゾ
素子を用いてノズルにエネルギーが加えられることによ
り、細分されて個個別々の小滴となる。流れが細分され
て小滴になる地点の付近では、電極を設けて選択的に小
滴に帯電させることができる。このようにすると、小滴
は、帯電電極の下流にある偏向電極により、記録される
べき基板上で偏向する。

上述のシステムは、この技術においては公知のもので
あり、ドロップ・オン・デマンド型とコンティニュアス
型のジェット式システムを含む場合もある。たいていの
場合、このようなシステムは、ユーザが要望する速乾
性、クリアな記録、および、その他の特性のために特別
に考案したインクを使用している。これらの装置は温度
に感応することから、例えば記録されるべき製品を製造
しているような工場においては、周囲温度の変化によ
り、印刷に悪影響が及ぼされることになる。このような
理由で、インクジェット式印刷システムは、その電子機
器とインク補給用品を、インクの滴下で製品に記録する
地点から遠く隔たった保護キャビネットの中にしばしば
位置付けている。ノズルを含むインクジェット式の印刷
ヘッドは、記録地点にあって、比較的に長い（10〜30フ
ィート、即ち、304.8〜914.4cm）連絡管（アンビリカル
チューブ）のような管で、キャビネットに連絡して、イ
ンクと電気制御信号を双方とも印刷ヘッド・アセンブリ
に供給している。

こういう事情なので、インクを最良の印刷に望ましい
最適温度に保つことは、いくぶん困難である。例えば、
多くのインクジェット式システムは、華氏40゜〜110゜
（即ち、摂氏4.4゜〜43.3゜）の温度範囲内の環境での
使用に対して定格が決められている。しかしながら、多
くのインクは、プラス・マイナス５゜（即ち、摂氏で2.
8゜）程度の温度範囲内で最適に作用する。例えば、華
氏75゜（即ち、摂氏23.9゜）での使用に考案されたイン
クは、望ましくは、印刷動作中、70゜F（即ち、21.1
℃）と80゜F（即ち、26.7℃）の間に保たれる。

このような理由で、インクジェット式システムに使用
されるインクの温度を制御する手段は、公知のものであ
る。しかしながら、インク温度を制御する事前の作業
は、実際の印刷動作から離れた所で、主要なインクジェ
ット部品を収容したキャビネット内の温度制御に集中し
ている。このような従来技術のシステムは、主として、
インクの冷却に集中してから、連絡管を介して、インク
を印刷ヘッドに送るが、キャビネットでインクを加熱す
ることも知られている。これは、連絡管の長さと、連絡
間を通って送られるインクの量が比較的に少なく、か
つ、その流量が小さいために、効果的な方法とは言えな
い。これらの要因の結果として、キャビネットでの温度
制御は、一般に、不十分である。インクは、可撓性供給
管の端にある印刷ヘッドに達する時まで周囲温度に置か
れている。従って、このような印刷システムのキャビネ
ットから、正確な温度制御は達成できない。

印刷ヘッドのところでインク温度を正確に制御できな
いことから、インクの流動時間の変化（あるいは、飛翔
時間の変化）が発生する。大部分の印刷システムは、流
動時間を測定するための検出機構を組み込んでおり、こ
の値を使用し、例えば溶剤蒸発の補償に努めて溶剤を追
加することで、インクの組成を調整している。現行の検
出システムは、溶剤の喪失による流動時間の変化と温度
変化による流動時間の変化とを区別することはできな
い。それゆえ、このような監視システムは、インクが溶
剤の追加を必要とするかどうかにかかわりなく、溶剤の
追加でインクの粘度を調整している。この結果、インク
の組成が、目的とする組成とは非常に異なり、印刷の問
題、および、品質の低下が発生しかねない。

印刷ヘッドのところでインクを予熱することも、技術
においては公知のものである。例えば、このような意図
的な予熱を使用して、インクの粘度を低下させるか、あ
るいは、乾燥時間を短くする。この方式では、インクを
所望の温度範囲内、例えば、その最適値からプラス・マ
イナス５゜以内に保つために、印刷ヘッドを確実に温度
制御することはできない。

それゆえ、印刷ヘッドの隣接環境において、インク温
度を所定の許容できる温度範囲内に保つことのできるよ
うな温度制御システムを提供することが望ましい。

本発明に従うと、インクジェット式印刷システム及び
このシステムから離れて位置する印刷ヘッドから成るイ
ンクジェット式プリンタが提供される。前記印刷ヘッド
は、インク及び制御信号を前記印刷ヘッドに供給するた
めの連絡管によって、前記印刷システムに制御されてい
る。前記プリンタは、更に、 ａ）前記離れて位置する印刷ヘッド内に設置され、少な
くとも一つの熱電素子（TED）から成り、このTEDに加え
られる電流の極性の関数で、前記インクとの間で熱の伝
達を行なうヒートポンプ手段、 ｂ）前記印刷ヘッド内の実際のインク温度を測定する手
段、 ｃ）前記実際のインクの温度を所望の温度範囲と比較
し、且つ前記TEDを操作して、インクの温度を変化し
て、前記実際のインク温度を前記所望の範囲内に要求さ
れる通り維持する手段、及び ｄ）前記TEDと熱的な関係にあり、前記TEDとの間で熱交
換を行なう熱交換手段であり、前記TEDの能力を増強
し、前記実際のインクの温度を前記所望の範囲に維持
し、前記熱交換手段が、通路を有し、これを通して熱交
換液が循環し、作動中に、前記TEDが前記インクと前記
熱交換液との間で熱交換する熱交換手段、を備える。

本発明は、今度は、一例として添付図面に関してさら
に詳しく説明する。これらの図面において、 図１は、本発明への使用にふさわしい代表的な印刷ヘ
ッドの横断面図であって、本発明に組み込まれる本発明
に従った温度制御アセンブリを示す。

図２と図2aは、それぞれ、本発明に従った温度制御ア
センブリの端面図と上面図を示す。

図３は、印刷ヘッドに取り付けられた連絡管を通じ
て、液体循環システムを温度制御アセンブリに連絡する
方法を例証した図である。

図４は、本発明への使用にふさわしい型式のTEDの透
視図である。

図５は、TEDの動作を説明する簡易化した構成図であ
る。

図６と図6aは、本発明の温度制御アセンブリに使用す
るための好適な熱交換器構成の平面図である。

図７は、液体循環システムに合わせて改造した別型式
の熱交換器の図６類似の図である。

図８は、制御回路のブロック図である。

図１に関しては、本発明への使用にふさわしいコンテ
ィニュアス型ジェット印刷ヘッド10が図解されている。
しかしながら、本発明は、ドロップ・オン・デマンド型
のジェット印刷ヘッドに使用しても、同等の成果が得ら
れる。この印刷ヘッドは、連絡管12で、インクジェット
式印刷システムに連絡される。当該印刷システムは、イ
ンク供給システム、インク監視システム、通常、マイク
ロプロセッサをベースとするコントローラ、および、関
連要素から成っており、これらの構成装置は、従来のも
のであることから、図には示されていない。これに関係
して、追加の背景的情報については、参考として取り入
れた米国特許第4,555,712号と第4,827,280号を参照のこ
と。印刷システムは、印刷ヘッド10から離れたところに
あり、それゆえ、連絡管12の長さは、304.8〜914.4cm
（10〜30フィート）である必要がある。このようにすれ
ば、温度が変わる環境、例えば、工業印刷およびグラフ
ィック印刷の作業では、印刷地点の付近に、印刷ヘッド
を容易に、かつ、多様に取り付けることができる。

この印刷ヘッド・アセンブリ10は、内部部品を包む外
被または外囲13から成っている。これらの部品には、加
圧したインクを供給するノズル14が含められ、インク
が、小滴の流れとして印刷ヘッドの外被の端16にある穴
または口（図には示されていない）から噴射される。通
常の設備では、インクは、連絡管12から、じかにノズル
に供給される。インクに振動性の刺激を加えると、イン
クは、穴から出るとすぐ細分されて小滴となる。印刷ヘ
ッド・アセンブリ10は、適例として示されている１つの
口の代わりに、一連の口を含むこともできる。

所望の温度制御を行うために、連絡管12から温度制御
用のアセンブリ、すなわち、モジュール18にインクを供
給し、つぎに、適切なたわみ導管を介してノズル14にイ
ンクを供給する。

印刷ヘッドハウジングの中には、温度センサ20が入っ
ている。この温度センサは、要望に応じて、熱交換器の
出力部、または、インク出口に、あるいは、それらの付
近に位置付けることができる。この温度センサは、可撓
性供給管12に入っている導線を介して制御用電子器機に
接続して、当該システムが、ノズル14で、あるいは、そ
の付近でインクの温度を測定できるようにしている。こ
のような情報に基づいて、以後説明される通りに温度制
御ユニットを動作させて、インクを、ノズルと、その口
に送る直前に加熱または冷却する。このようなやり方
で、好適な動作範囲、一般に設計温度の華氏でプラス・
マイナス５゜、摂氏でプラス・マイナス2.8゜の範囲に
あるインクを、その好適な動作範囲内に維持することが
できる。

小滴がノズル14から出た後では、帯電電極22で帯電さ
せ、偏向電極23で偏向させた小滴だけが、端16を通って
印刷ヘッドから出てゆく。帯電されなかった小滴は、捕
獲部25、または、インク戻り口で捕獲されて、インク
が、可撓性供給管を通じて、キャビネット内の主インク
槽に戻される。このような戻りインクは、インクの組成
を比較的に安定した状態に保って良好な印刷を確実に得
るように努めながら、適切な監視システムで制御された
溶剤または追加の新しいインクと混ぜられる。

多数の上述の監視システムは、インクに含まれる揮発
性溶剤の蒸発喪失のために、粘度が変化することを想定
している。しかしながら、温度も粘度に影響し、このよ
うな温度変化は、粘度の測定に著しい影響を及ぼしかね
ない。その結果、インク制御システムの対応が、益とな
らず害となって、使用に従って、要望通りにインク組成
を維持することができなくなる。従って、例えば、溶剤
を加える量が多すぎるか、または、少なすぎることか
ら、プリンタが誤動作を起こすか、あるいは、印刷品質
が不十分となる可能性がある。

こうして、温度補償は、インクジェット式システムの
総合動作品質の重要なファクタである。主ユニットでイ
ンクを冷却する作業は、主ユニットと印刷ヘッドの口と
の間隔のために、前述で指摘された理由で、とりわけ、
うまくいっていない。さらに、このような作業により、
インク温度を所望の動作温度範囲内に保つために、イン
ク温度を正確にフィードバック制御することができなく
なる。一例として記述されたこのインクジェットプリン
タにおいて、インクの動作温度は、印刷ヘッドが位置付
けられている周囲温度に関係なく、所望の範囲内に維持
することができる（温度制御ユニットがインクを加熱ま
たは冷却する能力の範囲内）。このようにして、インク
の温度を制御すれば、最適な性能を得ることができる。

図２と図2aに関しては、温度制御アセンブリ18の端面
図と側面図が図解されている。これらの図から理解でき
るように、温度制御ユニット18は、インク入力ポート32
とインク出力ポート34を備える中央に配置した熱交換器
30を含む。図６と図6aに示される通り、入力ポートと出
力ポート間で、インクは、インクに対して熱伝達を最大
にすることを目的とする一続きのＳ形屈曲部から成る迷
路のような通路を通る。好ましくは、この熱交換器は、
ステンレス鋼のブロックに通過穴をあけて作る。通路
は、切抜き41を持つブロック端キャップ37と39に、溶接
により連絡される。このようにして、インクが表面38よ
りも熱ければ、熱は、インクから当該表面に移る。逆
に、インクが表面38よりも冷たければ、熱は、当該表面
から、通路36に入っているインクに移される。このよう
なやり方で、必要に応じてインクを冷却または加熱し
て、所望の温度範囲を保つことができる。

本発明を図解する目的だけで、特定のインクに望まし
い動作温度は、以後華氏75゜プラス・マイナス５゜（即
ち、摂氏で23.9゜プラス・マイナス2.8゜）であると考
えられる。従って、以後説明する運転システムは、ノズ
ルのインクを華氏70゜と80゜の間（即ち、摂氏21.1゜と
26.7゜の間）の温度に保つことが望ましい。

図２と図2aに戻って、１つ、もしくは、好ましくは２
つの熱電装置（TED）40は、物理的に熱交換器ユニット3
0と接触している。ずっと初めの方に示されている通
り、これらの熱電装置は、好ましくは、ペルチエ効果を
利用するペルチエ装置である。図５に関連して、これら
の半導体装置をもっと詳しく説明すると、当該装置は、
２つの異類の金属（すなわち、異なるようにドープした
金属）の接合部に電流が流れると、電流が第１の方向に
流れる時には冷却効果が生じるような現象を利用してい
る。電流が逆になると、加熱が生じる。言い換えれば、
この半導体装置はヒートポンプとして機能し、それが接
触する面を、当該装置に流れ電流の方向に応じて、加熱
または冷却する。このような装置の製造者には、ニュー
ジャージ州トレントンのマテリアルズ・エレクトロニク
ス・プロダクツ・コーポレーション（Melcor）があり、
また、本発明への使用にふさわしい代表的な装置は、モ
デルcpl.0−63−06Lと、モデルcpl.0−63−08L、もしく
は、それと同等なものである。図４は、流す電流の方向
に応じてポンプで熱を受け渡す２つの面57と59を示す代
表的TEDモジュールを図解している。この電流は、それ
ぞれ、導電パッド60と62に流す。図５に関しては、代表
的なTEDモジュールが、さらに詳しく図解されている。
冷却用熱電対は、半導体材料、例えば、多量にドープし
て過剰電子（Ｎ形）の要素53を提供するか、あるいは、
逆に不足電子（Ｐ形）の要素55を提供するビスマス・テ
ルル化物の２つの要素から作られる。熱は、冷接点57で
吸収されて、熱接点59に運ばれ、その時の速度は、回路
を流れるキャリヤ電流、および、熱電対の数に比例す
る。これらの熱電対は、図に示される通りにモジュール
に組み込まれている。熱電対は、直列に接続されている
が、ただし、熱的な働きは、並列に行われる。

図５は、このモジュールの左側に正の直流電圧を印加
すると、接合部57が熱を接合部59に移すことを示してい
る。電流の流れる方向を逆にすると、これらの接合部が
逆の働きをする。TED40は、連絡管12の中に入っている
導体を通じて、主印刷制御ユニットに接続する。このよ
うなやり方で、TEDを制御して、ポンプで熱を熱交換器
に送り込むか、あるいは、熱交換器から低温を伝えるこ
とにより、インク温度を調整できる。

熱交換器42は、TED40の外面と接触している（図
２）。熱交換器42は、液体循環ジャケット（一般に、熱
交換液）を含む。図２と図2aで図解される通り、好適な
実施例は、一対の熱交換器から成っており、各熱交換器
は、２つの熱電装置のそれぞれに接触するように配置さ
れている。設計要件が、それほど厳しくない場合には、
単一の熱交換器とTEDだけを使用することができる。ど
ちらの場合にも、液体が入力ポート44を通じて熱交換器
42に入り込み、また、ポート46を通じて出てゆく。熱交
換器用の液体槽は、主制御ユニットのところに維持し、
また、連絡管12を通ってじかに印刷ヘッドに至る小さい
直径の管を介して、再循環ポンプで当該液体槽に液体を
供給する。

配管系の簡易化した構成図が、図３に描かれている。
この図を見れば熱交換器の動きが容易に理解できる。印
刷キャビネット内のポンプ50は、第１の温度の液体を、
連絡管を通じて熱交換器42に供給する。この液体は、TE
Dが動作している時の周囲温度で決定される通り、イン
クが熱すぎる場合には熱を吸収し、あるいは、インクが
冷たすぎる場合には熱を与える。従って、例えば、イン
クが熱すぎる場合にはTEDにバイアスをかけてインクか
ら熱を伝え、その熱を液体に『ポンプで送り込み』、入
ってくる液体が熱を吸収して奪い去るようにしている。
液体が拾い込んだ過剰熱は、放熱器、すなわち、一組の
フィンの型式で、補助熱交換器53に送風するファンなど
の従来の手段により、印刷ヘッドから遠く隔たったある
適切な地点に移すことができる。ときとすると、その遠
隔地点には空調設備があり、過剰熱を奪うには単なる空
気循環で十分である場合もある。

インクが冷たすぎるか、あるいは、熱が不足している
場合には、TEDに逆バイアスをかけて、ポンプで熱を液
体からインクに送り込んでインクを加熱する結果、印刷
ヘッドから戻ってくる液体は、入ってくる時よりも冷た
くなる。いずれの場合にも、結果は、必要に応じてイン
ク温度を上昇または下降させて、インク、を仮定された
例において70゜〜80゜の所望の範囲内に保つことであ
る。図７は、熱交換液の入力ポートと出力ポートが熱交
換器の同一側にある熱交換器要素を示している。これ
は、とくに、液体熱交換機システムへの使用にふさわし
い（図２の要素42）。

前述の通り、インクは、連絡管の中を通る管または導
管を介して、印刷ヘッドに供給され、また、印刷ヘッド
から戻る。望ましい場合には、戻り管のインクと、連絡
管のインクとの熱関係を与えことができる。これによ
り、インクがTEDに達する前に、厚いインクの『予冷』
を行うことができ、それにより、TEDへの負担を減らす
ことができる。同様に、冷たい環境では、戻りインク管
は、印刷ヘッドに供給されるインクを予熱することがで
きる。

図８に関しては、本発明に使用するソフトウェア制御
システムのブロック図が開示されている。図８の右側の
部分に関しては、インク温度センサ20で測定されるノズ
ル付近のインクの温度は、一般にこの技術で使用される
タイプのPID（比例・積分・微分）コントローラに対す
る１つの入力として提供される。PIDコントローラ70
は、ソフトウェア制御システムに関係するメモリまたは
ルックアップ・テーブルに記憶させた設定温度と、セン
サ20で測定された温度とを比較する。この比較の結果と
して、TEDに供給される電流の方向と、望ましい場合に
は大きさを制御することにより、そのような装置が、ポ
ンプで熱をインクに送り込むか、または、インクから熱
を汲み上げるようにする。これは、PID制御を用いるフ
ィードバック・システムであるから、このインク温度
と、インクの温度の変化率を両方とも、制御ファクタと
して含めるので、比較的正確な温度制御を達成すること
ができる。例えば、ファジー論理とパルス幅変調とし
て、PID制御の代わりに、その他の種類のフィードバッ
ク制御を利用しても、同等な成果が得られることは、当
業者には明かである。

一例により説明されたインクジェットプリンタは、以
前この技術では得られなかったやり方で、じかに印刷ヘ
ッドのところで温度制御を行っている。利用地点、すな
わち、インク補給用品と制御用電子機器が入っているキ
ャビネットから極めて遠く離れた場所において、必要に
応じて、インクを加熱または冷却することが可能であ
る。これにより、インクに対する周囲環境の影響を埋め
合わせて、インク組成と印刷品質の劣化を確実に防止す
ることができる。このことから、インクをその最適な温
度で作用させるので印刷品質が改善され、さらに、イン
クの粘度を、より正確に、かつ、有意義に測定して組成
が安定状態に保てられるようにすることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−113472（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−31902（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/12 B41J 2/125

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】インクジェット式印刷システム及びこのシ
   ステムから離れて位置する印刷ヘッド（10）から成るイ
   ンクジェット式プリンタであり、前記印刷ヘッド（10）
   は、インク及び制御信号を前記印刷ヘッド（10）に供給
   するための連絡管（12）によって、前記印刷システムに
   接続されており、前記プリンタは、更に、 ａ）前記離れて位置する印刷ヘッド（10）内に設置され
   た少なくとも一つの熱電素子（TED）（40）から成り、
   このTED（40）に加えられる電流の極性の関数で、前記
   インクとの間で熱の伝達を行なうヒートポンプ手段（3
   0,40）、 ｂ）前記印刷ヘッド（10）内の実際のインク温度を測定
   する手段（20）、 ｃ）前記実際のインクの温度を所望の温度範囲と比較
   し、且つ前記TED（40）を操作して、インクの温度を変
   化して、前記実際のインク温度を前記所望の範囲内に要
   求される通り維持する手段（70）、及び ｄ）前記TED（40）との間で熱交換を行なう熱交換手段
   （42）であり、前記TED（40）の能力を増強し、前記実
   際のインクの温度を前記所望の範囲に維持し、前記熱交
   換手段（42）が、通路を有し、これを通して熱交換液が
   循環し、作動中に、前記TEDが（40）前記インクと前記
   熱交換液との間で熱交換する熱交換手段（42）、 を備えるプリンタ。
2. 【請求項２】比較し且つ前記TED（40）を操作する手段
   （70）が、 前記実際のインク温度を第１の入力として受信し、前記
   所望の温度範囲を表す温度を第２の入力として受信する
   フィードバックコントローラ（70）を含み、 前記コントローラ（70）が前記入力を比較し、前記TED
   （40）を前記比較結果の関数として制御する請求項１記
   載のプリンタ。
3. 【請求項３】前記連絡管（12）が、インクを前記印刷ヘ
   ッド（10）に供給し且つこれから戻すためのインク供給
   及び戻し導管を含み、前記インク戻し導管は、前記イン
   ク供給導管と熱的な関係を有して設置されており、供給
   インクが、前記印刷ヘッド（10）に到達する以前に、供
   給インクの温度の予め調節する請求項１又は２記載のプ
   リンタ。