JP3408303B2 - インク冷却式サーマル・インク・ジェット・プリントヘッド - Google Patents

インク冷却式サーマル・インク・ジェット・プリントヘッド

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般にはサーマル・イ
ンク・ジェット印刷に関し、特にインク冷却式サーマル
・インク・ジェット・プリントヘッドを備えてなるプリ
ントカートリッジの熱制御に関するものである。
【０００２】
【技術背景】サーマル・インク・ジェット・プリンタ
は、広く受け入れられている。これらのプリンタについ
ては、Ｏｕｔｐｕｔ Ｈａｒｄｃｏｐｙ Ｄｅｖｉｃｅ
ｓ（Ｅｄ．Ｒ．Ｃ．Ｄｕｒｂｅｃｋ及びＳ．Ｓｈｅｒ
ｒ，Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，Ｓａｎ Ｄｉｅｇ
ｏ，１９８８）の１３章におけるＷ．Ｊ．Ｌｌｏｙｄ及
びＨ．Ｔ．Ｔａｕｂによる「Ｉｎｋ Ｊｅｔ Ｄｅｖｉ
ｃｅｓ」、及び、米国特許第４，４９０，７２８号及び
第４，３１３，６８４号に解説がある。サーマル・イン
ク・ジェット・プリンタは高品質な印刷が可能であり、
またコンパクトかつポータブルであり、さらに高速印刷
ができ、しかも用紙にはインクだけしか当たらないので
静かである。一般的なサーマル・インク・ジェット・プ
リント・ヘッドでは、液体インク（すなわち、溶剤中に
溶解または分散している着色剤）が使用されている。サ
ーマル・インク・ジェット・プリント・ヘッドは、イン
ク・リザーバから液体インクを受ける噴射室のアレイを
組み込んだ、プリント・ヘッド基板に取り付けられた精
密に形成されたノズルのアレイを備えている。各室は、
それとノズルの間にインクを集めることができるよう
に、ノズルに向かい合って配置された、「噴射抵抗器」
として知られる薄膜抵抗器を備えている。電気印刷パル
スによって、サーマル・インク・ジェット噴射抵抗器が
加熱されると、それに隣接したインクの小部分が蒸発
し、プリント・ヘッドからインク小滴を噴出させる。適
正に配置されたノズルによって、ドット・マトリックス
・パターンが形成される。各ノズルの動作を適正に順序
づけすることによって、プリント・ヘッドが用紙上を移
動するにつれて、用紙に文字またはイメージが印刷され
る。
【０００３】高性能で、高速度のサーマル・インク・ジ
ェット・プリント・ヘッドは、大量の熱を発生する。最
大出力で（すなわち、プリント・ヘッドがページをイン
クで完全に塗りつぶす「ブラック・アウト」モードで）
印刷すると、サーマル・インク・ジェット・プリント・
ヘッドによる熱の発生率は、小形のハンダごてに匹敵す
る。熱の一部は、噴射室のインクに直接伝達されるが、
プリント・ヘッド基板が、「残留熱」と呼ばれるこのエ
ネルギー収支を吸収する。（残留熱の発生率は、「残留
パワー」とも呼ばれる。）この残留熱は、プリント・ヘ
ッド全体の温度をプリント・ヘッドの機能不良を生じさ
せる値まで上昇させる可能性がある。極端な環境では、
インクは、沸騰し、重大な結果を生じることになる。
【０００４】既存のプリント・ヘッドは、定常状態の動
作において空冷を必要とする。ヒート・シンクは、プリ
ント・ヘッドとまわりの空気の間の熱抵抗を低下させる
ために使用され、これにより許容可能なプリント・ヘッ
ドの温度における残留熱の除去が可能になる。ヒート・
シンクは、高い熱伝導率と、大きな表面積を有してい
る。ヒート・シンクは、専用装置（例えば、金属フィ
ン）でも、あるいは、別の主機能を備えた装置（例え
ば、シャーシ）でもかまわない。一体式（「オン・ボー
ド」）インク・リザーバが、プリント・ヘッドのヒート
・シンクの働きをする場合も多い。
【０００５】ここで、「ヒート・シンク」という用語
は、プリント・ヘッドとまわりの空気の間における定常
状態の熱抵抗を低下させるあらゆるデバイスのために用
いられる。（過渡モードのみにおいて機能する、純粋な
容量性のデバイスと混同してはならない。）この熱抵抗
は、２つの成分、すなわち、（１）プリント・ヘッドと
空気に熱を伝達する外部表面の間の熱抵抗、及び、
（２）外部熱伝達表面とまわりの空気の間の対流熱抵抗
の和である。（ヒート・シンクが有効であるためには、
この和が、プリント・ヘッドだけとまわりの空気との間
における対流熱抵抗を大幅に下回る必要がある。）第１
の抵抗成分は、ヒート・シンクの内部構成によって決ま
り、その値を低下させるために、さまざまな案が用いら
れている。これらの案には、高伝導率材料、短い熱流経
路、断面積の大きい熱伝導体、一体式インク・リザーバ
内に延びるフィン、及び、一体式リザーバからプリント
・ヘッドを通ってリザーバに戻るように、インクを循環
させる小形ポンプの全てまたはいずれかの利用が含まれ
る。第２の抵抗成分は、外部熱伝導表面の面積に反比例
する。一般に、ヒート・シンクは、その全熱抵抗が低け
れば、大きくなる。
【０００６】ヒート・シンクの欠点は、定常状態の熱伝
導率がプリント・ヘッドの温度に比例するため、プリン
ト・ヘッドの温度が噴射率に応じて著しく変化してしま
うということある。噴射率が高くなる（低くなる）と、
残留パワーが増大（減少）し、熱除去率が残留パワーに
等しくなるまで、プリント・ヘッドの温度は上昇（低
下）する。各噴射率毎に、プリント・ヘッド基板への
（からの）正味熱流が生じない、異なる平衡温度が存在
する。噴射率は、通常のプリンタ動作時において、広範
囲にわたって変動するので、プリント・ヘッドの大幅な
温度変動が予測される。
【０００７】プリント・ヘッドの温度が揺動すると、イ
ンク小滴のサイズに影響する２つの特性、すなわちイン
クの粘度と噴射抵抗器によって蒸発するインクの量と
が、プリント・ヘッドの温度とともに変動するため、噴
射されるインク小滴のサイズが変動することになる。イ
ンク小滴の体積は、温度とともに増大するので、温度が
過剰になると、望ましくない大きいインク小滴及び望ま
しくない二次小滴が生じることになる。単一カラー（例
えば、黒）で印刷すると、印刷の黒さが、インク小滴の
サイズによって変動する。カラー印刷の場合、印刷され
るカラーは、それを生じる原色の各インク小滴のサイズ
によって決まる。従って、噴射率に対するプリント・ヘ
ッドの温度の依存性によって、印刷の均一性及び質がか
なり劣化する可能性がある。また、動作温度範囲が広い
と、一般に、利用するパルス・エネルギーを増大させ
て、低温で、粘着性のあるインクの適正な噴射を保証す
ることが必要になり、従って、電力消費が増し、噴射抵
抗器の寿命及び信頼性が劣化する。
【０００８】プリント・ヘッドの温度は、基板に熱を加
えて、その最高噴射率の平衡温度に等しい温度に維持す
ることによって、安定化させることができる。この場
合、ヒート・シンクは、全ての動作条件下において、残
留パワーと追加パワーの和が、最大噴射率における残留
パワーに等しくなることを必要とする。この過大なパワ
ー消費は、バッテリで駆動するプリンタの場合にとりわ
け不利である。
【０００９】また、ヒート・シンクには、プリント・ヘ
ッドにかなりの熱容量、質量、及び体積を付加するとい
う欠点がある。付加熱容量は、プリント・ヘッドのウォ
ーム・アップ時間を延長するので、上述の理由により、
印刷の質が劣化することになる。高速で、高性能のプリ
ント・ヘッドを冷却するのに十分な大きさのヒート・シ
ンクの質量は、その横行加速に制限を加えることによっ
て、こうしたプリント・ヘッドの高速能力を損なわれる
ことになる。さらに、体積の大きいヒート・シンクが、
コンパクトな装置の可動部にとって望ましくないのは明
らかである。インク・リザーバから構成されるヒート・
シンクには、延長された時間期間にわたってインク供給
源を高温にさらすという欠点が付加される。
【００１０】
【発明の目的】前述の理由から、本発明の目的は、噴射
率とは関係なく、一定の低い温度で動作し、ヒート・シ
ンクを必要としない、高速で、高性能のインク冷却式サ
ーマル・インク・ジェット・プリントヘッドを提供する
ことにある。
【００１１】
【発明の概要】本発明のインク冷却式サーマル・インク
・ジェット・プリントヘッドは、（１）付勢されると、
プリント・カートリッジ内に熱を発生させ、ノズルを介
してプリント・カートリッジからインク小滴を選択的に
噴射させる、プリント・カートリッジ内に設けられた複
数の噴射抵抗器と、（２）プリント・カートリッジ内に
あって、インクと噴射抵抗器の両方に熱的に通じてお
り、噴射抵抗器が発生した熱を前記インクに伝達するた
めの熱交換器と、から構成されるプリント・カートリッ
ジの冷却装置を備えたものであり、 ｙ及びｄ：熱交換器の長さ及び深さ、αがインクの熱拡
散率であり、Ｑ′が単位チャネル幅当たりの体積流量 Δｐ：最大プリント・ヘッド噴射率における熱交換器の
圧力降下 Δｐｒｅｆ：ノズルにおける最大毛管圧上昇に等しい基
準圧力差 Ｔ１：熱交換器を出るインクの混合平均温度 Ｔ０：熱交換器に入るインクの温度 Ｔｗ：熱交換器における熱的能動表面の温度 であるとして、Ａ，Ｅ，Ｐが、それぞれ、
【００１２】
【数２】
【００１３】と定義される場合において、熱交換器は、
約８５％を超える効率（Ｅ）と、無次元アスペクト変数
（Ａ）及び圧力降下（Ｐ）を有する、インクの噴射に適
応したプリント・カートリッジの冷却装置を備えてなる
ことを特徴とする。
【００１４】本発明によれば、適正な動作のために空冷
を必要としないプリント・ヘッドが提供される。該プリ
ント・ヘッドは、それを通って流れ、その後、噴射され
る、インクによって完全に冷却することが可能である。
このプリント・ヘッドは、基板から噴射室に流れるイン
クに熱を伝達する高能率の熱交換器をその基板に備えて
いる。（この熱は、噴射抵抗器から噴射室のインクに直
接伝達される「直接熱」に対して、「間接熱」と呼ばれ
る。）ヒート・シンクの代わりに、プリント・ヘッドと
その周囲の間には、この経路を介した熱損失を最小限に
抑えるため（ヒート・シンクの場合には、最大にするの
に対して）、大きい熱抵抗が設けられる。このプリント
・ヘッドは、一体式インク・リザーバ、または小形のフ
レキシブル・ホースを介してプリント・ヘッドにインク
を供給する独立した固定リザーバと共に利用される。た
だし、ヒート・シンクの排除によって得られる質量及び
サイズの恩恵が完全に実現されるのは、後者の構造によ
る場合に限られる。
【００１５】プリント・ヘッドの温度に比例した率で熱
を伝達するが、噴射率には、直接依存しないヒート・シ
ンクとは対照的に、完全な熱交換器は、基板温度と噴射
率の積に比例した率で、基板から熱を除去する。残留パ
ワーは、噴射率に比例するので、この熱交換器によっ
て、噴射率とは無関係な単一の低平衡温度で、完全に絶
縁されたプリント・ヘッドを安定化させることが可能に
なる。実際のプリント・ヘッドにおいて、この理想の性
能にほぼ近似させ、同時に、現実的な設計の制約条件を
満たすことが可能である。他の動作モードの場合、熱交
換器は、それほど理想的ではないが、それでも、ヒート
・シンクに比べるとかなり優れている。熱交換器がイン
ク流内に発生するインク小滴は比較的低圧のため、再充
填プロセス（通常、小毛細管圧によって駆動される）に
あまり影響することはない。
【００１６】プリント・ヘッドとまわりの空気の間にお
ける熱経路の抵抗が大きい限りにおいては、定常状態に
おける温度安定にとって、プリント・ヘッドとシステム
の他の部分の間における熱抵抗は、重要ではない。しか
し、迅速な熱過渡応答（例えば、ウォーム・アップ）の
ためには、システムの他の部分の大きい熱容量からプリ
ント・ヘッドの比較的小さい容量を絶縁するのに、この
抵抗の値を大きくすることが必要になる。ヒート・シン
クがなければ、プリント・ヘッドとまわりの空気の間に
おける熱抵抗は、かなり大きくなる。しかし、プリント
・ヘッドに断熱を付加することによって、定常状態にお
ける温度の安定性と熱過渡応答を、両方とも、改善する
ことが可能になる。
【００１７】パワー・オン時に、非印刷パルス（すなわ
ち、インク小滴の噴射に必要なエネルギーより小さいエ
ネルギーを伝送するパルス）で噴射抵抗器を駆動するこ
とによって、プリント・ヘッドに予熱を施すことが可能
である。同様に、これらの方法のどれかを利用して、噴
射率に比例した率でプリント・ヘッドに付加熱を供給す
ることができる。この結果、噴射率とは関係のないイン
クリメントでプリント・ヘッドの動作熱が上昇するの
で、印刷の黒さを調整する働きが可能になる。
【００１８】インク冷却式のプリント・ヘッドには、ヒ
ート・シンクを備えた従来のプリント・ヘッドに比べて
多くの利点がある。動作温度は、付加電力消費を伴うこ
となく、あるいは、複雑で高価な制御システムを用いな
くても、広範囲の噴射率にわたって低く、ほぼ一定した
状態を保つ。噴射室に流入するインクの温度及び粘度が
ほぼ一定しているので、プリント・ヘッドは、一貫し
て、均一で、質の高い印刷を行うことができる。安定し
たインクの温度によって、プリント・ヘッドは、低温
で、粘性を有するインクの適正な噴射を保証するのに必
要なパルス・エネルギーの増大を利用することなく、広
範囲にわたる噴射率で動作することが可能になる。基板
及びインクの温度がほぼ一定しているので、別様であれ
ば、広い温度範囲にわたって特性を明らかにしなければ
ならないプリント・ヘッドの設計及びテストが簡略化さ
れることになる。プリント・ヘッドの熱容量、質量、及
び、体積が大幅に減少することによって、その迅速なウ
ォーム・アップ、急速な加速、及び、狭いスペースへの
取り付けが可能になる。熱容量が減少し、アイドリング
時に、さらにゆっくりと（断熱された）プリント・ヘッ
ドを冷却させることができるので、予熱パワーの消費
は、減少する。プリント・ヘッドは、アイドリング時
に、付加パワー消費を最小限に抑えて、動作温度に維持
することが可能である。代替案として、長いアイドリン
グ期間の後、プリント・ヘッドを急速に加熱して、動作
温度にすることも可能である。インク・リザーバをヒー
ト・シンクとして利用するプリント・ヘッドとは異な
り、噴射直前に加熱されるまで、インクは低温のままで
あり、従って、熱による劣化が回避される。インク冷却
式プリント・ヘッドは、インク・リザーバの温度を超え
るほぼ一定した温度インクリメントで動作するので、気
温の揺動には比較的反応しない。
【００１９】
【実施例】当該技術の熟練者であれば、図面に関連した
下記の詳細な説明を読むことにより、開示の発明の利点
及び特徴が容易に明らかになるであろう。
【００２０】図１には、本発明の望ましい実施例に基づ
いて製作されたプリント・ヘッド２におけるエネルギー
及び質量の流れが示されている（なお、プリント・ヘッ
ド２を含めた周囲環境をも含めて符号３で示す）。プリ
ント・ヘッド２に入るエネルギーは、噴射抵抗器５に流
れる電力、及びインク・リザーバ７からインク流によっ
て伝達される熱エネルギー（符号６参照）だけから構成
される。完全に断熱された理想的な事例では、プリント
・ヘッド２を出るエネルギーは、噴射室１０から噴射さ
れる噴射インク小滴によって伝達される熱エネルギー
（符号８参照）だけから構成される。（噴射インク小滴
の運動エネルギーは無視することができる。）従って、
定常状態の動作の場合、プリント・ヘッド２に流入する
電力４は、全て、プリント・ヘッド２を流れるインクの
温度上昇の様相を呈することになる。以下の説明では、
この温度差は、基準値として用いられ、「特性温度上
昇」と呼ばれる。この特性温度上昇ΔＴｃは下式で表さ
れる。
【００２１】
【数３】
【００２２】ここで、ｅは、パルス・エネルギー、ｖ
は、インク小滴の体積、ρは、インク濃度、及び、ｃ
は、インクの比熱である。
【００２３】もちろん、実際のプリント・ヘッドは、断
熱が不完全であり、そのまわりにある程度の熱を伝達す
る。これは、図１において、「除去熱」９と表示されて
いる。しかし、断熱が良好であれば、この熱流は、最大
電力入力のわずかな部分に制限される。この熱損失の結
果については、引き続き検討を加える。
【００２４】噴射抵抗器５によって発生する熱の一部
は、噴射室１０のインクに直接伝達され、図１では、
「直接熱」１１と称されている。残りの熱は、プリント
・ヘッド２の基板に吸収され、「残留熱」１２と称され
る。（残留熱１２を構成するエネルギー入力の一部は、
「残留熱部分」と称される。）熱交換器１４は、インク
・リザーバ７から噴射室１０に流れるインクに基板から
の熱を伝達する。これは、「間接熱」（符号１５で示
す）と称される。定常状態の動作の場合、プリント・ヘ
ッド２の容量は、熱の吸収または放散を行わないので、
残留熱１２は、間接熱１５と除去熱９の和に等しくな
る。
【００２５】図２〜図６に示すように、熱交換器（図
２，図３では２２、図４では６２、図５では８６）は、
その一方がプリント・ヘッド基板（図２，図３では３
０、図４では６４、図５，図６では９０）の底面の一部
をなす、２つの平行な平面の間のギャップに流れるイン
クから構成される。もう一方の平面は、図２，図３及び
図４に示すように、ほぼ断熱性の壁面（たとえば、図
２，図３では２４）、または、図５及び図６に示すよう
に基板９０に直接結合された熱伝導性の壁面９４であ
る。これらの構成は、「片側」及び「両側」熱交換器、
または、これに相当する表現として、「能動表面」を１
つまたは２つ備えた熱交換器と呼ばれる。平行な平面の
幾何学的配置は、望ましい実施例であるが、本発明の範
囲には、任意の幾何学的配置による熱交換器を用いたも
のが含まれる。
【００２６】以下の解説においてなされるいくつかの物
理的仮定は、単に本発明の近似数学的解析を容易にする
ためのものでしかない。これらの仮定は、決して本発明
の範囲を制限するものではない。
【００２７】プリント・ヘッドの中実部分は、空間的に
均一な温度Ｔｐであると仮定する。（これは、プリント
・ヘッドのサイズが小さく、熱伝導率が比較的高いの
で、有効な推定である。）この場合、熱交換器の性能
は、下記のように定義される「効率」によって特性を表
すことができる。
【００２８】
【数４】
【００２９】ここで、Ｔ０は、熱交換器に入る流体の温
度（すなわち、リザーバ温度）であり、Ｔｗは加熱され
た壁面の温度（すなわち、基板温度Ｔｗ＝Ｔｐ）、Ｔ１
は、熱交換器を出る流体のバルク温度（すなわち、速度
による重み付けを施した空間平均温度）である。バルク
温度は、流体による熱エネルギーの伝導率に比例し、流
れがカップに集められ、完全に混合される場合に生じる
流体温度に等しい。このため、それは、「混合平均温
度」及び「混合カップ温度」とも呼ばれる。この効率
は、実際の熱伝達と可能な最大熱伝達の比であり、従っ
て、熱伝達の文献で「効率」と呼ばれるものに相当す
る。
【００３０】流量が少ない場合、流体は、チャネルの深
さ全体における流体温度が壁面温度に近づくのに十分な
時間にわたって（Ｔ１≒Ｔｗ，Ｅ≒１）、熱交換器内に
とどまることになる。この場合、伝達される熱は、ほ
ぼ、温度差（Ｔｗ−Ｔ０）と流量の積に比例する。流量
が多くなると、滞留時間が短くなり、熱平衡からの偏差
が大きくなり、効率が低下する。しかし、壁面温度が一
定のままであれば、熱伝導率は、効率の低下にもかかわ
らず、流量とともに常に上昇する。
【００３１】解析のため、熱交換器における流れは、層
流であって、二次元をなし、入り口において完全に発達
した（放物線）速度プロフィール及び均一な温度プロフ
ィール（Ｔ＝Ｔ０）を示すものと仮定する。インクは、
熱交換器の上流における他の同様の狭い通路を通って流
れなければならないので、速度プロフィールの仮定は、
正当と認められる。この仮定をさらに正当とする理由に
ついては、下記の論述によって示される。
【００３２】サーマル・インク・ジェット・プリンタに
用いられるほとんどのインクは、プラントル数Ｐｒが下
記で表される。
【００３３】
【数５】
【００３４】ここで、μ、ｃ、及びｋは、それぞれ、イ
ンクの粘度、比熱、及びインクの熱伝導率を表してい
る。プラントル数は、運動量の拡散率と熱の拡散率の比
を表すので、これは、速度プロフィールが温度プロフィ
ールよりもかなり速く発達することを表している。効率
の高い動作には、熱交換器の出口において、大いに発達
した温度プロフィール（すなわち、チャネルの深さ全体
にわたってＴｗにほぼ等しい流体温度）が必要になる。
その場合、プラントル数の高い値は、速度プロフィール
が、熱交換器の入り口において完全には発達しなかった
（すなわち、不均等）場合でも、入り口から比較的短い
距離において発達することを意味している。従って、熱
交換器の全長にわたって完全に発達した速度プロフィー
ルの仮定は、少なくとも有効な推定であると結論づける
ことができる。
【００３５】一定の特性を備えたニュートン流体である
と仮定する。粘度の場合、熱交換器の温度範囲にわたっ
て大幅に変動する可能性があるので、これは単なる推定
にすぎない。無視し得る軸方向の伝導、無視し得る粘性
発熱、及び、定常（または準定常）動作といったその他
の正当な仮定により、ＭｃＣｕｅｎが得た解析結果を利
用して、片側熱交換器及び両側熱交換器の両方の効率を
計算することができる。（Ｐ．Ａ．ＭｃＣｕｅｎ，「Ｈ
ｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｗｉｔｈ Ｌａｍｉｎａｒ
ａｎｄ Ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ Ｆｌｏｗ Ｂｅｔｗｅ
ｅｎ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｐｌａｎｅｓ ｗｉｔｈ Ｃ
ｏｎｓｔａｎｔ ａｎｄ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｗａｌｌ
Ｔｅｍｐａｒａｔｕｒｅ ａｎｄ Ｈｅａｔ Ｆｌｕ
ｘ」（Ｐｈ．Ｄ．Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，Ｓｔａｎ
ｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，１９６２）。また、
Ｒ．Ｋ．Ｓｈａｈ及びＡ．Ｌ．ＬｏｎｄｏｎによるＬａ
ｍｉｎａｒ Ｆｌｏｗ Ｆｏｒｃｅｄ Ｃｏｎｖｅｃｔ
ｉｏｎ ｉｎ Ｄｕｃｔｓ：Ａ Ｓｏｕｒｃｅ Ｂｏｏ
ｋ ｆｏｒ Ｃｏｍｐａｃｔ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎ
ｇｅｒ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｄａｔａ（Ａｃａｄｅ
ｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９７８）も
参照のこと。）この解析は、本質的に変数の分離方法に
よる熱流体力学的偏微分方程式の解である。固有関数展
開を用いることによって、チャネル壁面及び入り口にお
ける温度境界条件が満たされる。
【００３６】片側と両側の両方の場合とも、効率は、単
一無次元変数の関数として表すことができる。
【００３７】
【数６】
【００３８】ここで、ｙ及びｄは、それぞれ、熱変換器
の長さ及び深さであり、Ｒｅ及びＰｒは、それぞれ、レ
イノルズ数及びプラントル数であり、ρ、μ、ｃ、ｋ及
びαは、それぞれ、インクの濃度、粘度、比熱、熱伝導
率及び熱拡散率であり、ｕは、平均流速であり、Ｑ′
は、単位チャネル幅当たりの体積流量である。（無次元
変数Ａ及び効率Ｅは、それぞれ、ＭｃＣｕｅｎによって
ｘ及びθｍと称されている。片側熱交換器及び両側熱交
換器に当てはまる彼の解析は、それぞれ、層流の事例３
及び１である。）
【００３９】上記式の場合、アスペクト比及びレイノル
ズ数が、水力直径（チャネルの断面と同じ面積対周辺比
を有する円の直径）、実際のチャネル深さｄではなく２
ｄを利用して、計算されている点に留意されたい。（レ
イノルズ数が、円形ダクト内で完全に発達した流れの場
合と同様、ほぼ２３００未満である限り、流れは、層流
であり、安定している。）このレイノルズ数は、無限流
体中におけるフラットなプレートに対する粘性流の解析
に用いられる、軸方向の長さに基づくレイノルズ数と混
同してはならない。
【００４０】計算結果は、表１にリスト・アップされ、
図７にグラフで示されている。このデータには、質的期
待と一致した、流量、チャネル長及び深さ、及び、流体
熱拡散による効率の変動が示されている。両側熱交換器
の熱的性能は、明らかに、その対をなす片側熱交換器よ
りも優れている。
【００４１】
【表１】
【００４２】もう１つの重要な性能判定基準は、熱交換
器を通る流れから生じる圧力降下である。やはり、一定
の特性の備える、ニュートン流体の完全に発達した層流
を仮定すると、片側熱交換器及び両側熱交換器における
圧力降下は、両方とも、次の通りである。
【００４３】
【数７】
【００４４】基準圧力差で割ることによって、次式で表
される正規化圧力降下を得ることが可能である。
【００４５】
【数８】
【００４６】プリント・ヘッドが毛管圧力によって補充
される場合、これは、基準圧力差に関して適正な選択に
なる。
【００４７】
【数９】
【００４８】ここで、γは、インクと空気の界面の表面
張力であり、θは、ノズル壁面との接触角であり、ｄｎ
は、ノズルの直径である。毛管圧力は、一般に約１０ｃ
ｍ水柱であり、Ｐは、熱交換器全体にわったって降下す
るこの圧力上昇の一部を表している。補充プロセスの中
断を避けるため、最大流量における熱交換器全域にわた
る圧力降下は、一般に、２．５ｃｍ水柱未満、すなわ
ち、Ｐ＜０．２５であることが望ましい。
【００４９】特殊な無次元長及び深さは、次のように形
成することができる。
【００５０】
【数１０】
【００５１】これらの定義は、Ａ及びＰが、両方とも、
Ｌ及びＤに関して次のように表すことができるので、特
殊である。
【００５２】
【数１１】
【００５３】従って、熱交換器の設計及び性能に関連し
た式は、全て、図８または図９に示すタイプの単一プロ
ットにおいてグラフで表すことが可能である。各設計制
約条件は、許容可能なプロットの領域として表すことが
できる（例えば、Ａ＞０．１、Ｌ＜２、及び、Ｐ＜０．
２）。従って、これら許容可能な全領域の共通部分が、
熱交換器の設計問題に対して可能性のある全ての解を表
している。
【００５４】そこで、熱交換器に関する解析的説明をプ
リント・ヘッドの単純な熱モデルに用いることが可能に
なる。この解析を単純化するため、プリント・ヘッドと
書き込みシステムの他の部分との間の熱抵抗が、これら
他の部分と周囲の空気との間における熱抵抗よりはるか
に大きいものと仮定する。この場合、プリント・ヘッド
の「周囲」（他の部分及びと空気）は、全て、ほぼ同じ
（「周囲」）温度になる。また、システムの他の部分
は、ほぼ一定の温度のままであるので、その熱容量は、
プリント・ヘッドの熱力学にあまり影響を及ぼすことは
ない。
【００５５】残留熱、間接熱、及び、除去熱の流量は、
それぞれ、次のように表すことができる。
【００５６】
【数１２】
【００５７】ここで、βは残留熱部分であり、ｆはプリ
ント・ヘッドの噴射率（すなわち、全ノズルの噴射頻度
の和）であり、Ｔａは周囲温度であり、ｒはプリント・
ヘッドとその周囲の間における熱抵抗である。プリント
・ヘッドの温度の時間変化率はプリント・ヘッドへの正
味流量に比例する。
【００５８】
【数１３】
【００５９】ここで、Ｃは、プリント・ヘッドの熱容量
である。
【００６０】熱抵抗及び熱流の基準値は、それぞれ、次
のように定義される。
【００６１】
【数１４】
【００６２】ここで、ｂは、全流幅を表している（例え
ば、２チャネルあり、それぞれの幅がｗの場合、ｂ＝２
ｗ）。ｒｒｅｆは、熱交換器の向かい合った壁面間にお
けるインクの静的抵抗の４倍に等しい。ｑｒｅｆは、ｒ
ｒｅｆに等しい熱抵抗におけるΔＴｃに等しい温度差か
ら生じる熱流に等しい。
【００６３】無次元形態の熱抵抗、噴射率、プリント・
ヘッド−リザーバ温度差、及び、周囲−リザーバ温度差
は、それぞれ、次のように定義される。
【００６４】
【数１５】
【００６５】これらの定義によれば、微分式（式１１）
は、下記の形に書くことができる。
【００６６】
【数１６】
【００６７】ここで、効率Ｅ及び定常溶液Θｐｓは、噴
射率の関数である。一般に、残留熱部分βは、ある程
度、プリント・ヘッドの基板温度に左右されるが、推定
としては、この依存性は、制限された温度範囲において
無視することが可能である。また、熱交換器の準定常動
作が、仮定される。これらの条件下では、式１４は、線
形であり、入力Θｐｓ、出力Θｐ、及び入力に応じて変
動する時定数を備えた電気的低域フィルタに似ている。
噴射率のステップ変化（ｔ＝０におけるｆ１〜ｆ２）に
対する過渡応答は、指数関数的上昇または減衰である。
【００６８】
【数１７】
【００６９】式１５ａにおける添え字１及び２は、それ
ぞれ、ｆ１及びｆ２、及び、式１５ｂの時定数における
評価を表している。
【００７０】式１５ｂの時定数は、二次元形式では下記
のように表すことができる。
【００７１】
【数１８】
【００７２】第１の形式は噴射率がゼロの場合における
その値に対する時定数の変動を示しているが、第２の形
式は熱抵抗を変化させる効果を確かめるのにより有効で
ある。
【００７３】熱交換器を出るインクの無次元温度上昇
は、式１７ａで表され、その定常値は式１７ｂで表され
る。
【００７４】
【数１９】
【００７５】噴射されるインク小滴の無次元温度上昇
は、式１７ａで表され、その定常値は式１７ｂで表され
る。
【００７６】
【数２０】
【００７７】次の条件、
【数２１】
【００７８】によれば、無次元定常温度式（式１４、１
７ｂ及び１８ｂ）は、下記の近似（ちょうどΘａ＝０の
場合）形式で書くことができる。
【００７９】
【数２２】
【００８０】定常状態の場合、インク（熱交換器）及び
まわりの空気によって施される全プリント・ヘッド冷却
の一部は、それぞれ、式２１ａ，２１ｂのように表さ
れ、空冷を用いない場合、インクの沸騰を回避すること
のできる効率の最低値は、式２１ｃのように表される。
【００８１】
【数２３】
【００８２】ここで、Ｔｂは、インクの沸騰温度であ
る。Ｅｍｉｎの値は、一般に約０．５である。
【００８３】無次元噴射率の関数としての片側及び両側
熱交換器の効率が、それぞれ、図１０及び図１５にグラ
フで示されている。プリント・ヘッド、熱交換器を出る
インク、及び噴射されるインク小滴の定常温度に関する
３つの無次元式（式２０ａ、２０ｂ、及び、２０ｃ）
が、図１１、図１２、及び図１３の場合、それぞれ、片
側熱交換器に関してグラフで示され、図１６、図１７及
び図１８の場合、それぞれ、両側熱交換器に関してグラ
フで示されている。インク冷却及び空冷の一部（式２１
ａ及び２１ｂ）が、図１２及び図１３の場合、それぞ
れ、片側熱交換器に関してグラフで示され、図１７及び
図１８の場合、それぞれ、両側熱交換器に関してグラフ
で示されている。２つの無次元時定数式（式１６ａ及び
１６ｂ）が、図１３及び図１４の場合、それぞれ、片側
熱交換器に関してグラフで示され、図１８及び図１９の
場合、それぞれ、両側熱交換器に関してグラフで示され
ている。
【００８４】図１１、図１２、図１３、図１６、図１
７、及び図１８には、プリント・ヘッド及びインクの低
く、安定した温度を維持する上において、低い値の無次
元噴射率Ｆと高い値の無次元熱抵抗Ｒを組み合わせる利
点が明確に示されている。これらのプロットは、やは
り、両側熱交換器、及び、低い値の残留熱部分βが性能
的にかなり有利であることを示している。
【００８５】実際問題として、インク特性（ｐ、ｃ、
ｋ、及び、μ）及びパルス・エネルギーの値ｅ、インク
小滴の体積ｖ、及び、噴射率ｆは、全て、他の（非冷
却）考慮事項に基づいて表すことができる。従って、熱
抵抗の基準値ｒｒｅｆを最小にする熱交換器を設計し、
プリント・ヘッドとその周囲ｒとの間における熱抵抗を
最大にすることによって、Ｆの低い値及びＲの高い値を
得なければならない。（式１、１２ａ、１２ｂ、１３
ａ、及び１３ｂ参照のこと。）この場合、ｒｒｅｆを最
小にすることは、最大流量における熱交換器の効率を最
大にすることに等しい。
【００８６】図１２、図１３、図１７、及び図１８の場
合、インク温度は、プリント・ヘッドの温度の上昇にも
かかわらず、Ｆの大きい値でほぼ一定する。しかし、こ
れらは、定常値でしかないので、この見かけ上の安定は
あてにならない。時定数は、一般に、熱交換器における
インクの滞留時間よりはるかに長い。
【００８７】
【数２４】
【００８８】ここで、Ｖは、熱交換器の内容積である。
従って、熱交換器は、準定常モードで動作し（既に仮定
したように）、その効率は、プリント・ヘッドの温度よ
りも、噴射率の急激な変化にはるかに迅速に応答する。
この場合、大きさがプリント・ヘッドの温度変化とほぼ
等しい（ただし、符号は逆）過渡性のインク温度の乱れ
が生じる（式１７ａ及び１８ａによって示すように）。
これが、プリント・ヘッドの温度安定性が重要になるも
う１つの理由である。
【００８９】図１３、図１４、図１８、及び図１９に示
すように、時定数が、噴射率の低下につれて増大し、噴
射率がゼロになると、極めて大きい値になる。図１４及
び図１９に示すように、時定数は、プリント・ヘッドと
その周囲の間における熱抵抗（噴射率が低いと強く、噴
射率が高いと弱い）とともに増大する。従って、熱抵抗
の値が大きくなると、高噴射率の場合は、迅速な過渡応
答を可能にし、アイドリング時、または、低噴射率での
噴射時には、プリント・ヘッドの冷却を遅らすために、
有効に利用することができる時定数の範囲が広くなる。
【００９０】数学的解析に加えて、直接数値（計算）シ
ミュレーションを利用して、対流熱伝達を予測すること
も可能である。この手順は、一般に用いられており、該
システムの幾何学境界に一致する計算上のメッシュ（グ
リッド）に基づく熱及び流体力学的偏微分方程式の打ち
切り（すなわち、有限差分式による近似）を必要とす
る。この結果、デジタル・コンピュータを利用して解く
ことの可能な結合代数式の大規模な方式が得られる。
【００９１】熱交換器の直接数値シミュレーションは、
Ｃｏｓｍｏｓ／Ｍ Ｆｌｏｗｔａｒと呼ばれる市販のソ
フトウェア・パッケージ（カリフォルニア州サンタモニ
カのＳｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＆ Ａ
ｎａｌｙｓｉｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製）を用いて
行われた。シミュレーションで示されたプリント・ヘッ
ドは、帯状部分が０．５インチであり、３．６ＭＨｚの
プリント・ヘッド噴射率及び１８Ｗのパワー・レベルで
動作する片側熱交換器を備えていた。一般的なインク特
性、プリント・ヘッド設計パラメータ、及び、動作条件
が用いられた。８組の熱交換器の寸法がテスト・ケース
として利用された。
【００９２】間接熱部分が１（β＝１）で、プリント・
ヘッドとその周囲の熱抵抗が無限（ｆ＝∞）であると仮
定された。また、シミュレーションでは、シリコン基板
の熱伝導率について典型的な値（Ｋｓ＝１．６９Ｗ／ｃ
ｍ℃）を利用し、その温度拡散について解かれた。その
結果によれば、基板温度は、解析で仮定したように、ほ
ぼ均一であった。（ｋ≪ｋｓのため、これを予測するこ
とができる。）
【００９３】計算結果、及び、対応する解析結果が、表
２〜表４に示されている。シミュレーションの直接的な
結果は、プリント・ヘッドの定常温度上昇ΔＴｐｓの値
である。（１／β）Θｐｓ及び効率Ｅの値は、式１３ｃ
及び２０ａを利用して（Ｒ＝∞として）推理された。こ
れは、解析結果を得るために利用された手順とほぼ逆で
ある。温度と圧力の両方に関する計算上の予測と解析に
よる予測が、ほぼ一致している。わずかな食い違いは、
用いられた計算上のメッシュ（例えば、事例４のチャネ
ルの場合、深さ６セル×長さ１４セル）の粗さに帰する
ことができる。この一致によって明らかなように、解析
に用いられた仮定は、正しいか、あるいは、少なくと
も、妥当な推論である。なお、表２、表３においてＳＳ
ＨＥは片面熱交換器を、またＤＳＨＥは両面熱交換器を
それぞれ意味する。
【００９４】
【表２】
【００９５】
【表３】
【００９６】
【表４】
【００９７】表２〜表４において考察される事例のう
ち、事例４（表３に示す）では、効率、圧力降下、及
び、長さの最良の組み合わせが得られる。同表に示すよ
うに、この事例の場合、熱抵抗の基準値ｒｒｅｆは、１
５℃／Ｗにほぼ等しい。ヒート・シンクまたは断熱材が
なければ、プリント・ヘッドとその周囲（空気及び書き
込みシステムの他の部分）との間における熱抵抗ｒは、
一般に約７５℃／Ｗである。従って、無次元熱抵抗の値
は、約５である。断熱材（例えば、ポリスチレンまたは
ポリウレタン・フォーム）によって、熱抵抗は２〜１０
倍に増大する。
【００９８】表５には、熱抵抗及びプリント・ヘッドの
熱容量のさまざまな値に関する無次元熱抵抗及び時定数
の値が示されている。プリント・ヘッドの熱容量の典型
的な値Ｃ＝０．２Ｊ／℃は、（例えば）体積が０．０７
ｃｍ３で、単位体積当たりの平均熱容量がシリコン
（１．６４Ｊ／ｃｍ３℃）と水（４．１８Ｊ／ｃｍ
３℃）のほぼ中間であるプリント・ヘッドに対応する。
【００９９】
【表５】
【０１００】表５、式１５ａ、１５ｂ、１６ａ、及び、
１６ｂ、及び、図１３、図１４、図１８、及び図１９に
示すように、噴射率が低いと、とりわけ、熱抵抗が大き
い場合、プリント・ヘッドが低温で始動して定常平衡温
度に達するまでにかなりの時間を必要とする。この問題
は、最初にパワーをオンにした時から、それに続く長い
アイドリング期間に、プリント・ヘッドを所定の「動作
温度」まで予熱することによって回避することができ
る。これは、非印刷パルス、噴射抵抗器における連続電
力消費、または、独立した加熱抵抗器、及び、開ループ
または閉ループ温度制御を利用して行うことができる。
一般に、必要なウォーム・アップ時間は、プリント・ヘ
ッドの容量、動作温度Ｔｏｐ、初期温度Ｔｉ、平均予熱
電力ｑｐｒｅ、及びプリント・ヘッドとその周囲の間に
おける熱抵抗によって決まる。予熱電力レベル及び熱抵
抗が高い（従って、ｑｐｒｅ≫ｑｒｅｓ）場合、予熱時
間間隔は式２３ａのように表される。また、動作時間
は、さまざまなやり方で選択することができるが、Ｒの
値が高くＦの最大値が低い場合、適合する選択は、式２
３ｂ、２３ｃのように表される。
【０１０１】
【数２５】
【０１０２】不測のインク小滴噴射、インク噴霧、及
び、ノズル・プレート外部へのインク付着を回避するた
めには、予熱時にプリント・ヘッドに気泡が生じないこ
とが重要である。気泡が形成される条件は、インクの特
性及びプリント・ヘッドの構造によって決まる。しか
し、一般には、この要件のため、非印刷パルスは、最大
平均印刷電力未満またはこれと同等の平均電力レベルに
制限される。この場合、最大熱流束がかなり少ないの
で、おそらく、そのレベルの約２倍における噴射抵抗器
の連続電力消費が許容可能になる。熱流束は、基板の大
部分をカバーする独立した加熱抵抗器を利用することに
よってさらに減少させることが可能である。この場合、
予熱電力を制限するのは、基板及びインクの表面積及び
熱拡散率だけである。従って、最大印刷電力の５〜１０
倍の予熱電力レベルが可能になる。表６には、４０℃の
温度変化及びさまざまな熱容量及び予熱電力レベルに必
要な予熱時間間隔が示されている。（最大印刷電力＝１
８Ｗ）
【０１０３】
【表６】
【０１０４】以下のセクションでは、前述の理論的原理
を具現化したプリント・ヘッドの設計及び構成について
解説する。
【０１０５】図２は、本発明の望ましい実施例に基づい
て作られたプリント・ヘッド２０の図面である。前述の
プリント・ヘッドとは異なり、一体式インク・リザーバ
のような、ヒート・シンクを必要としないので、該プリ
ント・ヘッドの質量及び体積は小さい。本発明の望まし
い実施例の場合、インク・リザーバは、静止したままで
あるが、プリント・ヘッド２０は、ページを左右に移動
する。また、インク冷却式プリント・ヘッドは、図１に
示すように、プリンタの他の部分（インク・リザーバを
含めて）及びまわりの空気から熱的に絶縁されている。
該プリント・ヘッドには、１つの能動壁面（すなわち、
インクに熱を伝達する壁面）を有する熱交換器２２が設
けられている。能動壁面は、プリント・ヘッドの基板３
０であり、他の（断熱）壁面は、断熱材２４である。イ
ンクは、インク・リザーバからインク導管２６に流入す
る。インク流は、断熱材２４に遭遇すると、２つのセク
ションに分割され、各セクションは、断熱材２４のまわ
りを流れて、熱交換器２２に入り込む。インクは、熱交
換器２２から、図３に示すように、インク送りスロット
３８を通って、噴射室４０に入り込み、噴射抵抗器から
直接熱を受けて、インクの一部がノズル・プレート３２
に配置されたノズル３６を介して噴射される。外側の断
熱材２８によって、プリント・ヘッドはプリンタの他の
部分から熱的に遮断される。
【０１０６】特定のインク特性及び流量の場合、熱交換
器（２２、６２及び８６）の効率は、その寸法（図２〜
図６に示すように、その長さｙ、深さｄ、及び、幅ｗ）
及び能動壁面の数によって決まる。効率は、熱交換器の
幅及びその長さ対深さの比とともに高くなる。（式４参
照のこと。）図２、図３及び図４には、片側熱交換器
（能動壁面を１つ備えている）が示されており、図５及
び図６には、両側熱交換器（能動壁面を２つ備えてい
る）が示されている。片側熱交換器には、迅速なウォー
ム・アップを可能ならしめる低熱質量という利点があ
る。両側熱交換器には、熱交換器の単位長当たりの伝達
熱を増すことができるという利点がある。プリント・ヘ
ッドが所望の効率を備えた片側熱交換器を収容するのに
十分な大きさを有していない場合には、両側熱交換器が
必要になる可能性がある。
【０１０７】特定のインク特性及び流量の場合、熱交換
器（２２及び８６）における圧力降下は、その長さに正
比例し、その幅及びその深さの三乗に反比例する。（式
５参照のこと。）噴射室が毛管圧で補充される場合、十
分な補充率を維持するためには、熱交換器における圧力
降下は、比較的少なくなければならない。
【０１０８】本発明の範囲には、任意の幅の熱交換器を
用いたものが含まれるが、本発明の望ましい実施例の場
合、熱交換器２２の幅ｗは、プリント・ヘッド２０の帯
状部分（すなわち、ノズル・アレイ両端間の距離）にほ
ぼ等しい。長さｙ及び深さｄは、サーマル・インク・ジ
ェット・プリント・ヘッド・チップにうまく納まり、そ
れを通って流れるインクに最小の圧力降下を生じさせ
る、効率の高い熱交換器が得られるように、選択されて
いる。本発明の望ましい実施例の場合、熱交換器２２の
圧力降下は、２．５ｃｍ水柱を超えてはならないので、
噴射室の補充率に悪影響を及ぼす異はない。
【０１０９】熱交換器の効率は、熱交換器を延長するこ
とによって高めることが可能である。しかし、チップの
幅は、熱交換器の長さに制約を加える。図２〜図６に示
すように、熱交換器（図２の場合は２２）の長さは、チ
ップ幅の１／２に近い。熱交換器２２の長さが大幅に増
すためには、かなりの犠牲を払って、チップ幅を増す必
要がある。さらに、熱交換器における圧力降下は、熱交
換器の長さに比例するので、熱交換器を延長すると圧力
降下が２．５ｃｍ水柱を超える可能性がある。従って、
熱交換器２２の深さｄは、一次変数である。
【０１１０】以上の要件の全てを満たす熱交換器の設計
は、式８ａ及び８ｂを利用することによって簡略化され
る。望ましい実施例の場合、熱交換器の長さｙは、０．
２〜０．３ｃｍの範囲内であり、その深さｄは、０．０
１０〜０．０１５ｃｍの範囲内である。
【０１１１】本発明には、プリント・ヘッドの基板に熱
的に結合された効率の高い全ての熱交換器が含まれてお
り、ヒート・シンクの必要をなくすのに十分な効率の高
さを有するヒート・シンクが、とりわけ重要である。ま
た、ヒート・シンクの排除するだけでなく、プリント・
ヘッドのインクリメントが残留熱部分と特性温度上昇の
積にほぼ近い低値で安定することも可能ならしめるのに
十分な効率の高さを備える熱交換器も重要である。
【０１１２】熱交換器の効率は、インク流量とともに変
動し、従って、プリント・ヘッドの噴射率とともに変動
する。噴射率が高くなると、それに応じて、流量が増
し、効率が低下する。逆に、噴射率が低くなると、それ
に応じて、流量が減り、効率が高くなる。効率の変動
は、熱交換器が、大流量において、例えば、９０％とい
った極めて高い効率を示し、流量が減少しても、効率の
最大変化が１０％になるように熱交換器を設計すること
によって、最小限に抑えることが可能である。
【０１１３】望ましい実施例には、熱質量が、ほぼシリ
コン及び熱交換器中のインクの薄層に制限されるので、
ウォーム・アップ過渡が極めて短いという利点がある。
予熱の場合、望ましい実施例のウォーム・アップ時間
が、予熱電力レベルに基づいて０．０４〜０．０８の範
囲である。現存するプリント・ヘッドの場合、ウォーム
・アップ時間が５〜３０秒である。この時間中、ユーザ
は、待機するか、あるいは、劣った印刷の質に耐えなけ
ればならない。
【０１１４】図４には、エッジ送りプリント・ヘッドに
おいて実現する本発明の代替実施例が示されている。熱
交換器６２は、インク流路が異なる点を除けば、図２及
び図３に示す熱交換器２２と同一である。インクは、基
板６４に当たるまで、インク導管２６を通って進む。さ
らに、インクは、熱交換器６２を通って、プリント・ヘ
ッド・ダイの外側エッジに達し、噴射室７２に遭遇す
る。熱交換器６２は、１つの能動熱交換器壁面、すなわ
ち、基板６４の面を備えている。残りの壁面は、断熱壁
６６の面である。図２及び図３に示す熱交換器２２と同
様、熱交換器６２の幅ｗは、プリント・ヘッド・ダイの
帯状部分に等しい。長さｙ及び深さｄは、熱交換器２２
と同様であり、最大流量において効率が高く、圧力降下
が２．５ｃｍ水柱の熱交換器が得られるように選択され
ている。
【０１１５】図２及び図３に示す熱交換器２２と図４に
示す熱交換器６２は、１つの能動壁面を備えた片側熱交
換器である。熱交換器の長さは、２つ（以上）の能動壁
面を設けることによって、短縮することができる。図５
には、両側熱交換器８６を見せるため、外側断熱材９２
の一部を除去したプリント・ヘッドが示されている。基
板９０は、能動熱交換器壁面の一方であり、能動熱交換
器壁面８８は、もう一方である。インクは、断熱材８４
と外側の断熱壁面９２によって形成されるインク導管８
２を通って流れる。インクは、熱交換器８６から中央の
インク送りスロットを通って噴射室（図５及び図６には
示されていないが、図３に示すものと同様である）に流
れ込む。図６には、基板９０から能動熱交換器壁面８８
に熱を伝達する熱伝導体９４を備えたプリント・ヘッド
８０が示されている。それぞれ、熱交換器８６の半分の
幅ｗ、長さｙ、深さｄ、及びインク送りスロットの幅ｗ
ｉが、図５及び図６に示されている。
【０１１６】両側熱交換器は、図５及び図６に示すよう
に、３つの部分（１つの能動熱交換器壁面８８及び２つ
の熱伝導体９４）をなすように作ることができる。代替
案として、熱伝導体９４は、基板９０の一体部分とする
ことも可能である。この場合、熱交換器８６のインク流
チャネルは、基板９０の底側に切削加工（例えば、フラ
イス加工）される。もう１つの代替案として、熱伝導体
９４は、熱交換器能動壁面８８の一体部分とすることも
可能である。この場合、インク流チャネルは、熱交換器
能動壁面８８の上側に切削加工（例えば、フライス加
工）される。熱伝導率の高い接着剤を用いるのも、接合
部の熱抵抗を最小限に抑えるのに役立つ。
【０１１７】本発明には、任意の幾何学的配置の熱交換
器を用いたもの、及び、温度及び熱流束の任意の周囲及
び軸方向における分布を持つものが含まれる。流れの中
にフィンの配置された熱交換器は、本発明の範囲を逸脱
するものではない。本発明には、複数の独立したインク
流チャネルを備えた熱交換器を用いたものも含まれる。
本書に開示のものと同様の方法を利用して、多種多様な
熱交換器を設計し、組み立てることが可能である。熱交
換器における圧力降下の大きさは、本発明の範囲を逸脱
することなく、変更することが可能である。
【０１１８】本発明の望ましい実施例に関する以上の解
説は、例示及び説明を目的として行われたものである。
包括的であろうとか、あるいは、本発明を開示と寸分違
わぬ形態に制限することを意図したものではない。上述
の教示に照らして、多くの修正及び変更が可能であるこ
とは明らかである。該実施例は、本発明の最良の態様を
最も明確に説明するために選択されたものである。
【０１１９】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、以
下のような効果を奏することができる。
【０１２０】（１）基板から噴射室に流れるインクに熱
を伝達する高能率の熱交換器（インクによって冷却され
る）をその基板に備えているので、適正な動作のために
空冷を必要としないプリント・ヘッドが提供される。
【０１２１】（２）残留パワーは、噴射率に比例するの
で、この熱交換器によって、噴射率とは無関係な単一の
低平衡温度で、完全に絶縁されたプリント・ヘッドを安
定化させることが可能になる。また、現実的な設計の制
約条件を満たすことが可能である。
【０１２２】（３）プリント・ヘッドに断熱を付加する
ことによって、定常状態における温度の安定性と熱過渡
応答を、両方とも改善することが可能になる。
【０１２３】（４）パワー・オン時に、非印刷パルスで
噴射抵抗器を駆動することによって、プリント・ヘッド
に予熱を施すことが可能となる。また、噴射率に比例し
た率でプリント・ヘッドに付加熱を供給することもでき
る。この結果、噴射率とは関係のないインクリメントで
プリント・ヘッドの動作熱が上昇するので、印刷の黒さ
を調整する働きが可能になる。
【０１２４】（５）動作温度は、付加電力消費を伴うこ
となく、あるいは、複雑で高価な制御システムを用いな
くても、広範囲の噴射率にわたって低く、ほぼ一定した
状態を保つ。
【０１２５】（６）噴射室に流入するインクの温度及び
粘度がほぼ一定しているので、プリント・ヘッドは、一
貫して、均一で、質の高い印刷を行うことができる。
【０１２６】（７）安定したインクの温度によって、プ
リント・ヘッドは、低温で、粘性を有するインクの適正
な噴射を保証するのに必要なパルス・エネルギーの増大
を利用することなく、広範囲にわたる噴射率での動作が
可能となる。
【０１２７】（８）基板及びインクの温度がほぼ一定し
ているので、従来であれば、広い温度範囲にわたって特
性を明らかにしなければならないプリント・ヘッドの設
計及びテスト等の簡略化が促進される。
【０１２８】（９）プリント・ヘッドの熱容量、質量、
及び、体積が大幅に減少することによって、その迅速な
ウォーム・アップ、急速な加速、及び狭いスペースへの
取り付け等の点で優れている。また、熱容量が減少し、
アイドリング時に、さらに徐々に断熱されたプリント・
ヘッドを冷却させることができるので、予熱パワーの消
費を減少させることができる。また、プリント・ヘッド
は、アイドリング時に、付加パワー消費を最小限に抑え
て、動作温度に維持することもできる。
【０１２９】（１０）長いアイドリング期間の後、プリ
ント・ヘッドを急速に加熱して、動作温度にすることも
できる。また、インク・リザーバをヒート・シンクとし
て利用するプリント・ヘッドとは異なり、噴射直前に加
熱されるまで、インクを低温状態とすることができるの
で、熱による劣化が回避される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の望ましい実施例に基づいて製造された
プリント・ヘッドのエネルギー及び質量の流れを示す図
である。
【図２】外側断熱材の一部を除去した本発明の望ましい
実施例に関する図面である。
【図３】プリント・ヘッドの中央を横切って描かれた、
図２に示すプリント・ヘッドの断面図である。
【図４】本発明の代替実施例の図面である。
【図５】両側熱交換器を備えたサーマル・インク・ジェ
ット・プリント・ヘッドである、本発明の代替実施例に
関する図面である。
【図６】図５に示すプリント・ヘッドの熱伝導体及び外
側断熱材の交差するところで描かれたプリント・ヘッド
の断面図である。
【図７】片側及び両側熱交換器の効率Ｅ対無次元変数Ａ
のプロットである（Ｅ及びＡは、それぞれ、式２及び４
によって定義される。）。
【図８】無次元パラメータＡ及び正規化圧力降下Ｐのさ
まざまな定数値に関する熱交換器の無次元長Ｌ対熱交換
器の無次元深さＤの対数プロットである。（Ａ、Ｐ、
Ｌ、及び、Ｄは、それぞれ、式４、６、８ａ、及び、８
ｂによって定義される。）
【図９】熱交換器の無次元長Ｌ及び熱交換器の無次元深
さＤのさまざまな定数値に関する正規化圧力降下Ｐ対無
次元変数Ａの対数プロットである。（Ａ、Ｐ、Ｌ、及
び、Ｄは、それぞれ、式４、６、８ａ、及び、８ｂによ
って定義される。）
【図１０】片側熱交換器を用いたインク冷却式サーマル
・インク・ジェット・プリント・ヘッドの熱性能特性を
示す図である。
【図１１】片側熱交換器を用いたインク冷却式サーマル
・インク・ジェット・プリント・ヘッドの熱性能特性を
示す図である。
【図１２】片側熱交換器を用いたインク冷却式サーマル
・インク・ジェット・プリント・ヘッドの熱性能特性を
示す図である。
【図１３】片側熱交換器を用いたインク冷却式サーマル
・インク・ジェット・プリント・ヘッドの熱性能特性を
示す図である。
【図１４】片側熱交換器を用いたインク冷却式サーマル
・インク・ジェット・プリント・ヘッドの熱性能特性を
示す図である。
【図１５】両側熱交換器を用いたインク冷却式サーマル
・インク・ジェット・プリント・ヘッドの熱性能特性を
示す図である。
【図１６】両側熱交換器を用いたインク冷却式サーマル
・インク・ジェット・プリント・ヘッドの熱性能特性を
示す図である。
【図１７】両側熱交換器を用いたインク冷却式サーマル
・インク・ジェット・プリント・ヘッドの熱性能特性を
示す図である。
【図１８】両側熱交換器を用いたインク冷却式サーマル
・インク・ジェット・プリント・ヘッドの熱性能特性を
示す図である。
【図１９】両側熱交換器を用いたインク冷却式サーマル
・インク・ジェット・プリント・ヘッドの熱性能特性を
示す図である。
【符号の説明】
２０ プリント・ヘッド ２２ 熱交換器 ２４ 断熱材 ２６ インク導管 ２８ 外側断熱材 ３０ 基板 ３２ ノズル・プレート ３６ ノズル ３８ インク送りスロット ６２ 熱交換器 ６４ 基板 ６６ 断熱壁面 ８２ インク導管 ８４ 断熱材 ８６ 熱交換器 ８８ 能動壁面 ９０ 基板 ９２ 断熱壁面 ９４ 熱伝導体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 メイ フォンホー アメリカ合衆国カリフォルニア州 ラメ サ マンローストリート 4636 (72)発明者 キングワー ウォルター イエング アメリカ合衆国カリフォルニア州 カパ ーチノ メロプレイス 10129 (72)発明者 ローレンス エイ ハンド アメリカ合衆国カリフォルニア州 パロ アルト ウエスト ベイショアー アー ルディーナンバー７ 2450 (56)参考文献 特開 平４−44856（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−125742（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−34344（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B41J 2/175 B41J 2/05

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 噴射抵抗器を電気的印刷パルスで加熱す
    ることによってインクを噴射する、インク・ジェット・
    プリンタ内のプリントヘッドを冷却する装置であって、 前記プリントヘッド内の基板上の噴射室内に配置され、
    前記プリントヘッド内の前記インクと前記基板との両方
    に熱的に通じた複数の噴射抵抗器であって、該噴射抵抗
    器には所定の噴射レートで複数の電気的印刷パルスが印
    加され、前記噴射抵抗器は前記電気的印刷パルスから直
    接熱および残留熱を発生し、前記直接熱は前記噴射抵抗
    器から前記噴射室内の前記インクに直接伝達された熱で
    あり、前記残留熱は前記噴射抵抗器から前記プリントヘ
    ッド基板によって吸収された熱である、複数の抵抗器
    と、 前記プリントヘッド基板と前記インクの両方に熱的に通
    じ、前記プリントヘッド基板から熱を前記噴射室に流れ
    る前記インクに伝達するための熱交換器であって、少な
    くとも１つの表面が前記プリントヘッド基板の底面であ
    り、もう一方の表面が断熱性の壁面または熱伝導性の壁
    面である２つの表面を含み、該表面が０．０１０ｃｍか
    ら０．０１５ｃｍだけほぼ平行な間隔だけ離れており、
    前記プリントヘッド基板によって吸収された熱を前記イ
    ンクに伝達する熱的に通じた前記インク用のインク導管
    を有する熱交換器と 該熱交換器の上流側に配置され、前
    記インク導管を２つのインク導管セクションへと分けて
    いる断熱性の壁とを備えて成る装置。
  2. 【請求項２】 前記熱交換器が、０．２ｃｍから０．３
    ｃｍの長さを有していることを特徴とする、請求項１に
    記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記インク導管セクションが、前記断熱
    の壁のまわりを流れるようになっていることを特徴とす
    る、請求項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記インク導管の一部が平らであること
    を特徴とする、請求項１に記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記熱交換器は、前記残留熱を前記噴射
    室に流れる前記インクに伝達する表面を２つ以上持たな
    いことを特徴とする、請求項１、２、３、または４に記
    載の装置。
  6. 【請求項６】 前記熱交換器は、前記残留熱を前記噴射
    室に流れる前記インクに伝達する少なくとも２つの表面
    を有していることを特徴とする、請求項１、２、３、ま
    たは４に記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記噴射抵抗器に接続されて熱を発生さ
    せ、パワー・オン時または長いアイドル期間の後に前記
    プリントヘッドを急速に予熱する電気パルス発生器を有
    する、前記プリントヘッドを急速に予熱するための手段
    をさらに備えて成ることを特徴とする、請求項１に記載
    の装置。
  8. 【請求項８】 個別の加熱抵抗器に接続されて熱を発生
    させるための電気パルス発生器をさらに備えて成り、前
    記加熱抵抗器は、前記プリントヘッド基板に熱的に結合
    され、前記パルス発生器は、パワー・オン時または長い
    アイドル期間の後に前記プリントヘッドを急速に予熱す
    ることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  9. 【請求項９】 インク・ジェット・プリンタ内のプリン
    トヘッドを冷却する装置であって、 （ａ）付勢されたときに前記カートリッジからインクの
    液滴を選択的に噴射し、前記プリント・カートリッジ内
    に熱を発生させる、前記プリント・カートリッジ内の噴
    射室と関連する複数の噴射抵抗器と、 （ｂ）前記インクと前記噴射抵抗器との両方に熱的に通
    じ、噴射抵抗器によって発生された熱を前記インクに伝
    達する、前記プリント・カートリッジ内にありインク導
    管を備えた熱交換器と、 （ｃ）該熱交換器の上流側に配置され、前記インク導管
    を２つのインク導管セクションへと分けている断熱性の
    壁と、 （ｄ）前記噴射抵抗器によって発生された前記熱のほぼ
    全てを前記噴射室近傍の前記インク導管内の前記インク
    に伝達するように、前記熱交換器と前記噴射抵抗器とに
    向かい合う外側断熱材とを備えて成るプリントヘッドを
    冷却する装置。
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