JP4053633B2 - トナージェットプリンター - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＮＳ）技術で作られた２次元プリントセルアレイを利用して個々のトナー粒子を操作することにより画像をプリントするために用いられる、トナージェットプリンターおよびその方法に関する。トナー粒子は各々のプリントセル内に静電力によって配置される。各々のセルは電子的にアドレスされ、マイクロアクチュエータによりコントロールされた機械的力と電気的力との組み合わせにより１つのアドレスから１つ以上のトナー粒子が基体に向けて射出される。そのように、静電転写を補助するために機械的なアシスト（助力）が加えられる。プリンタは高速印刷、二次元印刷が可能である。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
周知の技術として、ＵＳ特許NO. ４７４３９２６、４８１４７９６、４８６００３６、及び４８７６５６１のようなダイレクト静電プリンターが知られているが、これは中間転写ドラムを排除したものである。これらはすべてスクミドリン(Schmidlin) の発明で、本願と同じ出願人に譲渡されたものである。ノズル、サスペンションビーム（梁）、ヒンジ及びダイアグラムのような基本的な電気機械的構造として利用されるマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）もまた知られている。これらはＵＳ特許NO．５４１８４１８、５２３９２２２、５３１３４５１、５４４４１９１、５５２６１７２、５０８３８５７、５４５７４９３、４９５６６１９に含まれている。これらは実行可能で重要なコンポーネントでの使用にも十分安心できるものである。近年におけるＭＥＭＳ技術の急速な進歩により、さまざまな分野での商品が開発された。これらのうちの一つがインクジェットプリンターである。しかし、今日まで、それらの技術はゼログラフィック（電子写真式）印刷技術には適用されなかった。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
この発明は、トナージェットプリンター及び二次元プリントセルを使って個々のトナー粒子を操作することにより画像印刷を行うために用いられる方法に関する。トナー粒子は１つ又はそれ以上のプリントセル内に選択的もしくは非選択的に充填される。粒子は静電力によってプリントセルに引きつけられる。それから、各々のセルが電子的にアドレスされて、アドレスされたセルから１つ又はそれ以上のトナー粒子がバイモルフ素子などのマイクロアクチュエータに制御される機械的及び電気的な力の組み合わせによって基体表面へ向かうよう機械的に射出する。すると基体に加えられた電荷が射出されたトナー粒子を基体に接触するよう引きつける。そのようにマイクロアクチュエータは、静電転写と協働する効果的な機械的アシストを提供する。
【０００４】
本発明はことに基体に印刷するためのトナージェットプリンターに関する。このトナージェットプリンターは、個々にサイズが決められたトナー粒子供給部を有し、該トナー粒子供給部および画像を受け取る基体の下に相対的に位置決め可能なプリントセルの２次元セルアレーを有し、ここで各々のプリントセルは、トナー粒子供給部から１つ又はそれ以上のトナー粒子を収容できるサイズとされる窪みを該セルアレーのフロントサイドに形成するノズルを有し、該窪みの底にオリフィスを有し、窪みの下方に設置されたマイクロアクチュエータを有し、該アクチュエータはオリフィスに隣接して設けられ、該ノズル窪みの可動底壁を形成する該オリフィスを実質的にふさぐサイズとされた可動アクチュエータ素子を含み、該アクチュエータは引っ込み状態と解放状態とに移動可能であり、さらに該プリントセルは、該アクチュエータの下方に配置される電極を有し、該マイクロアクチュエータの該引き込み状態と解放状態との間で前記マイクロアクチュエータの作動を制御するためのアドレスロジックを有し、該基体が該セルアレーのフロントサイドに向き合う位置にきたときに該アクチュエータ素子を解放状態にすることにより２次元アレーの１つ又はそれ以上のプリントセルからのトナー粒子の射出を制御する。
【０００５】
好適には、マイクロアクチュエータは、片持ち梁もしくはねじり梁の形状をしたバイモルフ素子である。しかし、ラッチメカニズムを有する水平スプリングもまた使用可能である。機械的な力がトナーをプリントセルの窪みから十分な高さまで射出させると引き続き今度は用紙の静電荷がトナーを引っ張るようになる。これは所要静電力を節約し、また適用範囲と効率とを高める。さらに、もし十分な力がマイクロアクチュエータによって提供されると、静電荷アシストなしでもマイクロアクチュエータ単独で射出が達成される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１のように、本発明によるトナージェットプリンターは、プリントセル１２の２次元アレー１０を含む。図２に示すように、各プリントセル１２は、シリコンもしくはガラス基体１６をバルクマイクロマシニングすることで形成される窪みを画定するノズル１４を有する。プリントセルの正面１８は印刷方向及び基体（用紙）Ｐと向き合う。形成された画像に十分な濃度をあたえるために、好適にはこのプリントセルの窪みに複数のトナー粒子が収容できるようセルの大きさを定めることがよい。しかし、本発明は一つのセルに１トナー粒子のみで実施してもよい。好適には、窪みは各辺が１０〜２０ミクロン長の四角形で、４つの窪みアレイから１画素３００〜６００dpi の画像をマッピングすることができる。５〜７ミクロンの典型的なトナー粒子を使うと、ひとつの窪みに約６個の粒子が収容できる。
【０００７】
基体１６の底にはスルーホール２０が形成されている。プリントセル基体１６の真下にあるマイクロアクチュエータアレー２２は、各のプリントセルの窪み１４の可動底を形成する。マイクロアクチュエータ２２は、周知のいくつかのマイクロエレクトロメカニカルシステムコンポーネンツの形をとることができるが、好適には片持ち素子もしくはトーションビーム（ねじりばり）素子のようなバイモルフ素子を含むことが望ましい。
【０００８】
図中の片持ちばりアクチュエータの適例において、アクチュエータ２２は、各プリントセル１２ごとに個別のアドレス回路２６と電極２８を有するベース基体２４で構成される。該電極２８と基体２４との間には絶縁層３０が配置される。スペーサ３２がアクチュエータキャビティ３４を画定し、またスペーサ３２の上に形成された薄い変形可能金属層３６を電極２８から離間させるために設けられる。比較的厚い、マスクパターン形成された金属層３８が薄い金属層３６の上に設けられる。各キャビティ３４の上に、可動片持ちばり４０がアクチュエータ素子として設置されている。この素子は好適には窪み１４の底壁部分に対応し底壁部分を形成するサイズとされる。したがって、窪み１４が四角形の底ならば、片持ちばり４０は窪みの底を実質的にふさぐサイズとされた実質的に四角形である必要がある。
【０００９】
片持ちばり４０は、厚い金属層３８の１カ所もしくはそれ以上のエッジ部４２を選択的に除去して薄い層３６のみを残すことにより、形成される。この残った薄い層３６が片持ちばりとして機能する。片持ちばり４０の残りの部分は厚い層３８が残っているため剛性が高いままである。薄い層３６を含む片持ちばり４０は可変空隙キャパシタの可動プレートとして機能する。
【００１０】
特定の適用に従ってたわみ量や速度を確保するために、該片持ちばり４０の長さ、幅、厚み、材質及び重量が選択的に調節される。好適には、下方へのたわみ速度は遅く、上方へのたわみ速度は早くして充填射出特性を向上する。また、該たわみ速度は、たとえば電極をアドレスするのに使う波形を制御することによるエアギャップに生成された電界によって可変的に制御される。ＵＳ特許NO.5,418,418によれば、その全技術が参考として本明細書に含まれるのだが、のこぎり波を使うと一方向にゆっくり変形し、反対には素早く変形することが開示されている。窪みからトナー粒子を基体Ｐに射出するのを助けるためにはたわみ量が十分でなければならない。このときの最低必要なたわみ量は、トナー粒子の大きさと使用された窪みの大きさに依存して変化する。しかしながら、この構造によれば約１０°のたわみが達成されると思われる。
【００１１】
あるいはまた、図３及び図４に示すように、トーションビーム（ねじりばり）マイクロアクチュエータ素子４２が設けられてもよい。これらは片持ちばり４０と同様に作用し、同じような素子は同じ参照番号が記されている；しかし、これらのアクチュエータは回転軸４６について対称的に該素子を支持している。このように互いに反対の極性に帯電した２つの電極のうち、一方の電極は該アクチュエータ素子の一方の側を上方に反発させ、他方の電極は該アクチュエータ素子の他方の側を下方へ引きつける。このようなアクチュエータがどのようにして製造されるかをより理解するために、ＵＳ特許 NO.5,526,172 、4,956,619 、5,490,009 、及び 5,083,857 の開示を参照すればよい。これらはその全技術が参考として本発明に含まれている。
【００１２】
図５及び６で、プリントセルアレー１０の各プリントセル１２は確立されたバルクマイクロマシニングの技術によって形成される。図５は、シリコン（Ｓｉ（１００））ウエハ１６上へのプリントセルノズル１４の製造を示している。該Ｓｉ（１００）ウエハ１６は裏側に薄いＰ＋層４６を有する。オープニング４８が最初にフォトリソグラフィーによりエッチングされる。次に、異方性エッチングにより切頭ピラミッド状の窪み１４がＰ＋層４６に達するまで形成される。基体１６の底部からスルーホール２０が露出するようにＰ＋層４６を除去することができる。あるいは、Ｐ＋層４６をエッチングして、マイクロアクチュエータ２２に対応する大きさのオリフィス５２を形成することもできる。
【００１３】
図６は、ガラス基体１６上のノズル１４の製造を示している。エッチングストップ層（Ｓｉｎ）５４が基体１６の裏面に付着されている。該ガラス基体１６の表面にはエッチングマスク５６が形成される。該エッチングマスク５６に適切な穴５８をあけ、そこからオーバーエッチングにより洞穴状の窪み１４が形成される。エッチングストップ層５４は基体１６の底部にスルーホール２０を形成するように除去される。あるいはまた、パターン形成とエッチングでエッチングストップ（Ｓｉｎ）５４にオリフィス５２を形成してあらかじめ定まった大きさの窪みの底部がマイクロアクチュエータにマッチ（対応）するようにすることができる。
【００１４】
組み立てられ機械加工されたプリントセルは、印刷プレートとして作用する図１に示すような２次元アレーを形成する。プレート１０のサイズは自由だが、好適には一パスで１ページ全部を印刷する大きさが望まれる。したがって、プレートは少なくとも標準の8.5"x 11" もしくはＡ４サイズのような特定サイズの用紙の印刷領域程度の寸法を有していなければならない。
【００１５】
マイクロアクチュエータアレー２２は、当業界で知られているように、トランジスタースイッチ（能動アドレス）もしくは多重ローコラム（行列）信号（受動アドレス）により、制御される。図７は、該プリントセルアレー１０を選択的もしくは非選択的にトナーで充填させるさまざまな方法を図示している。
【００１６】
充填は、プレート１０をトナー粒子５０の供給源（単なるトナーホッパー５８で良い）の下に相対的に位置合わせすることにより行われる。好適な非選択的充填の実施の形態においては、各アクチュエータが引き込められ、各セルが１つもしくは複数のトナー粒子で充填される。充填は、静電力が粒子を窪みに落とそうとする力によって達成される。しかし、軽くて小粒なトナー粒子が静電力によりプリントセルの表面１８に付着するトラブルを避けるため、プリントセルを充填する際に図７に示すように従来のトナーキャリアミキサ６０と磁気ブラシ６２が使われることができる。磁気トナー粒子を使うと、残留粒子は周知のゼログラフィック磁気ブラシでクリーニングされることができる。あるいはまた、セルアレー上を真空クリーナを備えるトナー雲チャンバを通過させることによってトナー粒子の充填及びクリーニングを行うことができる。
【００１７】
トナー供給部を固定してプリントセルアレーを可動にしても、その反対に設定してもどちらでもかまわない。しかし、位置合わせするためには、プリントセルアレーを固定してトナー供給部をプリントセルアレーに対して可動にすることが好適である。このためにはプリントセルアレー１０を固定設置して、トナー供給部を可動キャリッジ（図７）にとりつければよい。もしくは、図８のように、一部６８にトナー供給部を含む割り出し（indexing) エンドレス搬送ベルト７２、及び別の部分７０には基体Ｐ搬送メカニズム７４を設ければよい。
【００１８】
作動中は、搬送ベルト７２は、トナー供給部６４の下にトナー部６８がくるように前進する。ベルトに加えられた静電荷により、ベルト上のトナーは一定の高さを保つ。あるいは、周知のドクター／メータリング（計量）ブレードを利用してトナー高さを調節することもできる。次にベルト７２は、トナー部分６８がプリントセルアレー１０に隣接し、その上になるように回転される。
【００１９】
すべてのプリントセルのマイクロアクチュエータが起動（アドレス）されると、以下２つの作業が行われる：１）図２の下半分に示されるように、静電引力により可動アクチュエータ部材が下げられ；２）図２に示すように、静電引力によってトナー粒子５０がベルトの６８部分のベルト表面７２からプリントセルアレー１０の個々の窪み１４の中へ引きつけられ保持される。それから、ベルト７２は再び回転されて用紙Ｐが搬送メカニズム７４からベルト７２の７０部分へ送り込まれる。一方、該用紙Ｐがベルト７２へ受け取られる前に、ベルト７２は帯電デバイス７６によって、あらかじめ定まった電荷（たとえば陽極電荷）に帯電される。このようにして帯電された用紙Ｐを載せた帯電ベルトが回転されてプリントセルアレーの真上の位置で静止される（図８）。
【００２０】
印刷されるべき所望の画像に対応する特定のプリントセルにはアドレスされた対応アクチュエータが配備され、引き込まれたアクチュエータが解放されて図４に示すようにプリントセルの窪み内のトナー粒子が基体Ｐに射出される。（アクチュエータの）解放は、バイモルフ素子の実施形態（図９）において電極２８に印加される電圧の極性を反転することによって達成される。さらに後者の有利なことに、この解放によって発生される静電荷がトナー粒子と同極であるため、トナー粒子の物理的な射出を補助することである。画像が形成されると、クリーナが、アレーに残留する不要粒子を除去するか、あるいは起動されなかったセルの残留トナー粒子が、次の充填までこれらのセルに保留される。下流に配置されたフューザにより、トナーが用紙に永久的に固着される。
【００２１】
あるいはまた、印刷したい画像に対応するプリントセルをアドレスすることによって充填を選択的に行うことができる。こうしてこれらのプリントセル内においてのみ、選択アクチュエータ素子を引き込み静電荷を発生させることができる。該アレーの上を真空クリーナ６６もしくは磁気ブラシが通過することにより、非選択セルの全トナー粒子を含む余分なトナーが除去される。続いて用紙Ｐがアレー上を通過するときにはすべてのマイクロアクチュエータがアドレスされて起動され、解放される。しかし選択されたセルのみにトナー粒子が配置されている場合、やはり所望の画像が得られるのである。
【００２２】
前述したどの実施形態においても、印刷は一回のパスで行えるが、さらに厚く濃い画像を形成するための多数パスも使えることが望ましい。さらに、最も単純な形式における本発明のトナージェットプリンターはモノクロ印刷であるが、同じセルアレーがハイライト印刷もしくはフルカラー印刷をすることができるので、複数の色も使える。これは第一の色で上述のように印刷することにより、実現される。それから、該アレーはクリーナで清掃されて別のカラートナーで充填される。この充填、清掃および印刷プロセスが何度も繰り返されることにより、同じセルアレーを使った多数のパスによるフルカラー印刷が実現する。
【００２３】
あるいはまた、選択されたプリントセルアレーのサブセットを異なるカラーのトナー粒子でシーケンシャルに充填し１回のパスにより印刷する、マルチカラー印刷も行える。この実施の形態によれば ２×２マトリックスのプリントセルが１つの画像ピクセルにマッピングされる。各々のマトリックスはシアン、イエロー、マゼンタおよびブラック（ＣＹＭＫ）の各々のためのセルを含む。第一のトナー（たとえばシアン）による第一のパスでトナーはセルを充填でき、クリーニングによって起動されたシアンピクセル以外のすべてのセルからトナー粒子が除去される。起動セルは静電荷を帯びてアクチュエータを引き込まれた状態に保持し、選択された窪み内にトナー粒子を保持させる。こうして第一のカラーが選択的に充填される。このプロセスが他の各色（ＹＭＫ）についても繰り返される。一旦充填されたセルは静電荷によりその充填が維持されるため、他のカラートナーがパスしても影響を受けない。すべてのカラーが充填されると、一回のパスで印刷することができるようになる。これは、極性を変えることで選択セルを起動し、マイクロアクチュエータが解放されてトナーが選択プリントセルから射出される前述の実施形態と同じである。
【００２４】
本発明はこうした好適な実施形態に関して記載しているがこれらは例示であって本発明を制限するものではない。特許請求の範囲に定義される本発明の精神と範囲の範疇においてさまざまな変更を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】印刷プレートを形成する多数のプリントセルからなる２次元プリントセルアレーの図である。
【図２】本発明による個々のトナージェットプリントセル構造の側面断面図である。
【図３】別のプリントセルの実施形態の側面断面図である。
【図４】図３のプリントセル実施形態の平面図である。
【図５】 プリントセルのノズルおよびオリフィスの製造方法を図示したものである。
【図６】プリントセルのノズルおよびオリフィスの別の製造方法を図示したものである。
【図７】該印刷プレートの個々のプリントセルを充填する適例実施形態を図示したものである。
【図８】本発明によるプリントセルアレーを使った充填および印刷の適例実施形態を図示したものである。
【図９】印刷プレートを使った選択印刷の実施の形態を図示したものである。
【符号の説明】
１０ ２次元アレー
１２ プリントセル
１４ ノズル
２２ マイクロアクチュエータ
２８ 電極

Claims (1)

1. 基体に印刷するためのトナージェットプリンターであって、
   トナー粒子供給部を有し、
   該トナー粒子供給部および画像を受け取る基体の下に相対的に位置決め可能なプリントセルの２次元セルアレーを有し、
   ここで各プリントセルは、
   トナー粒子供給部から供給される１つ以上のトナー粒子を収容できるサイズとされた窪みを該セルアレーのフロントサイドに形成するノズルを有し、
   該窪みの底にオリフィスを有し、
   該窪みの下に設置されたマイクロアクチュエータを有し、該マイクロアクチュエータはオリフィスに隣接し該オリフィスをふさぐサイズとされた可動アクチュエータ素子としての片持ちばりを含み、該片持ちばりは該窪みの可動底壁を形成し、引っ込み状態と解放状態に移動可能であり、
   さらに該プリントセルは、該マイクロアクチュエータの下方に配置される電極を有し、
   該引っ込み状態と解放状態の間で該マイクロアクチュエータの作動を制御するためのアドレスロジックを有し、該基体が該セルアレーのフロントサイドに向き合う位置にきたときに該片持ちばりを解放状態にすると２次元アレーの１つ以上のプリントセルからのトナー粒子の射出を制御し、
   前記片持ちばりが引っ込まれる時には、第１の極性を有する第１の電荷が前記電極に印加され、前記片持ちばりが解放される時には、前記第１の極性と反対する第２の極性を有する第２の電荷が前記電極に印加され、トナー粒子と同極である静電荷が前記マイクロアクチュエータの解放によって発生され、トナー粒子の機械的な射出は同極電荷間の電気的な反発力によって補助される、
   トナージェットプリンター。

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