JP4086919B2

JP4086919B2 - Inkjet print cartridge and method of manufacturing the same

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Publication number: JP4086919B2
Application number: JP25415396A
Authority: JP
Inventors: キーフェ，ブライヤン，ジェイ
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1995-10-30
Filing date: 1996-09-26
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2016-09-26
Also published as: EP0771664B1; EP0771664A1; JPH09131890A; DE69605885T2; DE69605885D1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般には、インクジェットプリンタ、及び他の型式のプリンタに関し、より詳細には、インクジェットプリンタの印刷ヘッド部へのインクの流れに関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェットプリンタは、印刷媒体に対して規定されたアレーの特定場所に、個々のドットからなるパターンを印刷することによって、印刷画像を形成する。それらの場所は、矩形アレー内の小さなドットとなるように、都合良く可視化される。これらの場所は、「ドット配置」、「ドット位置」、又は「画素」と呼ばれることもある。したがって、印刷動作は、ドット位置のパターンをインクのドットで満たすことと見なすことができる。
【０００３】
サーマル・インクジェット印刷カートリッジは、少量のインクを急速に加熱してインクを気化させ、複数のオリフィスの１つから射出させ、その結果、インクのドットを紙などの記録媒体上に印刷することにより動作する。通常、オリフィスは、ノズル部材中の１つ以上の線形アレーに配列される。各オリフィスからの適切に順序づけられたインクの射出によって、印刷ヘッドが用紙に対して移動する際に、文字、又は他の画像が用紙上に印刷される。用紙は通常、印刷ヘッドが用紙を横切って移動する毎にシフトされる。サーマル・インクジェットプリンタは、インクが用紙に当たるだけであるため、高速で静かである。これらのプリンタは、高品質の印刷をもたらし、小型且つ手頃に製造することができる。
【０００４】
インクジェット印刷ヘッドには、一般に、(1) インク貯蔵槽から、オリフィスに近接する各気化室にインクを供給するためのインク流路と、(2) オリフィスが必要なパターンで形成される、金属オリフィス板、すなわちノズル部材と、(3) 気化室当たり１つの抵抗器がある、一連の薄膜抵抗器を含むシリコン基板とが含まれる。
【０００５】
単一のインクドットを印刷するために、外部電源からの電流が、選択された薄膜抵抗器に流される。次に、抵抗器が加熱され、順番に、気化室内の隣接するインクの薄い層を過熱して爆発的気化を発生させ、その結果インク滴が、関連したノズルを介して用紙上へと射出させられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
インクジェットプリンタに関する問題は、用紙、又は他の印刷媒体へのインク流れの満足性にある。印刷品質は、印刷ヘッドを介したインク流れの関数である。印刷すべき用紙、又は他の印刷媒体上のインクが少なすぎると、薄くて読みにくい文書が生成される。
【０００７】
インクジェット印刷ヘッドにおいて、インク送りは、印刷ヘッドと一体のインク貯蔵槽、又は印刷ヘッドとインク貯蔵槽を接続する管を介して、印刷ヘッドにインクを送る、「軸外れ」のインク貯蔵槽からなされる。次に、インクは、基板の底部の中央に形成された細長い穴を介して（中央送り）か、又は基板の外縁を回って（エッジ送り）、様々な気化室に送られる。中央送りの場合、インクは次に、基板の中央スロットを介して、基板とノズル部材の間の障壁層に形成された中央マニホルド領域に流れ込み、次に、複数のインク流路、最後に様々な気化室に流れ込む。エッジ送りの場合、インク貯蔵槽からのインクは、基板の外縁を回ってインク流路へと流れ、最後に気化室に流れ込む。中央送りとエッジ送りのいずれの場合にも、インク貯蔵槽、及びマニホルドからの流路は、本質的に、発射室へのインク流れに制約を与える。
【０００８】
空気、及び他の気泡によって、インク送出システムに大きな問題が生じる可能性がある。インク送出システムは、ガスを放出して気泡を発生させることができるが、それによって、システムが詰まり、気泡により劣化させられる可能性がある。良好なインク送出システムを設計する上で重要なのは、気泡の問題を廃除するか低減する技術を考察することである。大気にさらされる流体の多くは、温度と共に量が変化する溶融気体を含んでいる。液体が保有できる気体の量は、温度と圧力によって決まるが、また、気体と液体間の混合の度合、及び気体が逃げる必要があった機会にも左右される。
【０００９】
大気圧はかなり一定のままであるため、大気圧の変化は、通常無視することができる。しかし、温度は確実に、インクジェットカートリッジ内で変化して、インクに保有できる気体の量に明らかな差を生じさせる。気泡は、低温では生じにくく、またその成長も遅い。液体の温度が低いほど、利用可能な運動エネルギーは少なく、また、気泡が形成し始める指定の場所において、必要なエネルギーの蓄積に要する時間が長くなる。
【００１０】
大気にさらされる流体の多くは、その流体自体の温度に比例した量の溶融気体を含んでいる。流体の温度が低いほど、気体を吸収する容量は大きくなる。気体で飽和した流体が加熱される場合、溶融気体は、もはや平衡状態になく、溶液から拡散しやすくなる。液体を含む表面に沿って、又は液体の内部に核形成種の場が存在する場合、気泡が形成され、液体の温度が更に上昇するにつれて、これらの気泡も大きく成長する。
【００１１】
気泡は空気から成るとは限らず、水蒸気、及び他のインク運搬物成分の蒸気からも成る。しかし、全ての液体の挙動は同様であり、液体が熱くなるほど、保有できる気体は少なくなる。気体の放出と蒸気の発生の両方によって、気泡が発生させられ、温度の上昇につれて成長させられる。理にかなって想定できるのは、水性インク中の気泡の内側の気体は、常に水蒸気で飽和している、ということである。したがって、気泡は、多くの場合空気である気体と、多くの場合水であるインク運搬物の気体の両方から構成される。室温では、水蒸気は、気泡中の気体の中でほとんど無視できる割合である。しかし、インクジェット印刷ヘッドが動作する可能性のある５０℃の温度では、水蒸気は、気泡の体積に重大に加わる。温度が上昇するにつれて、気泡の水蒸気の含有率は、空気の含有率よりもはるかに急速に温度と共に増大する。
【００１２】
気泡発生のための最良の条件は、(1) 発生場所すなわち“種”の場、(2) インク流れ、及び(3) 気泡累積体が同時に存在することである。これらの３つの機構が共にに作用して、大きな気泡が生成され、これがインク送出システムを詰まらせ、その流れを止めることになる。空気が気泡として溶液から出て元に戻る場合、選好的な場所、すなわち発生場所、又は核形成場から出る。気泡は、縁部及び角で、又は表面の掻き傷の部分、粗い部分、すなわち欠陥部分で発生しやすい。非常に小さな気泡は、表面に粘着しやすく、インクの流れの中で浮遊したり、押し流されたりしにくい。気泡が大きくなると、それらは、表面から離れて移動しやすくなる。しかし、気泡が、角又は他の外れた場所に形成される場合、それらをインク流れによって除去することはほとんど不可能である。
【００１３】
インクが、気体発生場所を流れていない場合には、それらの場所に気泡は発生しないが、インクが移動している場合は、気泡発生場所が、溶融気体分子を含有するかなり大量のインクにさらされる。インクが気体発生場所を流れると、気体分子が溶液から出て、気泡を形成し成長する。しかし、これらのことは、インクが流れていないとすると、それほど急速には起こらないであろう。
【００１４】
気泡発生の第３の要因は、累積機構、すなわち気泡トラップであり、これは、インク流路に沿った、任意の拡張部、及びそれに続く狭窄部と定義することができる。この構成は、結果的に、インク流路上で入口と出口を有する室になる。インク量／断面積／秒で換算した、平均インク流量は、出口、又は入口よりも室内のほうが小さい。この室の入口縁部は、その鋭角さのために、及び縁部にわたるインク流れの不連続性のために、気体発生場所として作用する。この場所で気泡が生成されることになり、気泡が十分に大きくなると、出口管路が塞がるまで出口管路に向かって移動する。その後、システムが、気泡を押しやるのに十分な圧力を生成できるまで、インク送出システムは詰まった状態であり、インク送出の動作が停止されることになる。このように、室により、気泡が、続くインク流路の直径より大きく成長させられ、次いで、そのインク流路を詰まらせる可能性がある。
【００１５】
インク充填、及びプライミング処理中に、気泡が印刷カートリッジ内に残る。気泡は、ノズルの断続の問題、及び局所的さらには広域的なインク切れを発生させて、印刷ヘッドの信頼性を損なう可能性がある。気泡管理の重要な一側面は、内部のカートリッジ幾何形状の設計である。この設計における最も厳密な領域は、基板、ヘッドランド、マニホルド、スタンドパイプ、及びフィルタの周囲の領域である。その目標は、無駄な空間を最小限にすること、流体を流すための幾何形状を流線型として、初期プライミング時に、気泡が捕捉されるのを防止すること、また明確な経路を設けることもそうであるが、これは、気泡が、印刷ヘッド領域からインクマニホルドへ、次にスタンドパイプ中を浮上して、フィルタ領域へと、容易に逃げるのを最大限にする浮力を見込んでのことである。したがって、現存する気泡を更に許容する印刷ヘッドの設計が望まれている。
【００１６】
したがって、印刷ヘッドの設計には、インク充填、及びプライミング処理後に、印刷カートリッジ中に残される残留気泡を廃除することが必要である。
【００１７】
インクジェット印刷カートリッジ中で、インクは、インク貯蔵槽からフィルタ、及びスタンドパイプを介し、シリコン基板を介し、又はその周囲を通り、さらにインク流路を介して、ノズルからの射出を行なうための気化室へと流れる。動作時に、温かい熱境界インク層が基板に隣接して形成され、この熱境界インク層に溶融した気体が気泡を形成する。また、気泡は、インク流路に沿った壁の角、及び縁部に形成される傾向がある。気泡が、続くインク流路の直径より大きく成長すると、これらの気泡は、気化室へのインクの流れを止める。その結果、印刷ヘッドのノズルの幾つかが、一時的に動作不能になる。
【００１８】
本発明の目的は、カートリッジの印刷ヘッド領域から、気泡を逃がすことを可能にする、耐気泡性の印刷カートリッジ設計方法を提供することにより、液体インクジェット印刷システムにおいて、上記のような故障を回避する方法を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明のインクジェット印刷カートリッジにおけるインク送出方法は、インクの供給をインク貯蔵槽に蓄えるステップと、インク貯蔵槽から下方に、マニホルドを介してインク発射室にインクを給送するステップと、気泡が、インク発射室へのインクの補給を妨げることなく、インク射出室から離れ、インク貯蔵槽に向かって上方へと、マニホルドから逃げることを可能にするために、マニホルドに沿って輪郭付けられた壁を設けるステップとを含む。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、符号10は、インクジェットプリンタのキャリッジ内に装着するための、インクジェット印刷カートリッジを全体的に示している。インクジェット印刷カートリッジ10は、印刷ヘッド14、及びインク貯蔵槽12を含み、インク貯蔵槽12は、“一体型”貯蔵槽、“スナップオン式”貯蔵槽、又は軸外れのインク貯蔵槽からインクを受けるための“貯蔵槽”とすることができる。印刷カートリッジ10は、突起部11を含み、これは、インク貯蔵槽12から印刷ヘッドに、インクを送るための内部スタンドパイプ51（図８に示す）を内蔵する。印刷ヘッド14は、ノズル部材16を含み、これは、回路18内に形成されたノズル、すなわちオリフィス17からなる。回路18は、導電トレース（図示せず）を含み、これらは、窓部22、24で基板電極に接続され、接触パッド20により終端されるが、接触パッド20の設計は、プリンタと相互接続し、それにより、印刷ヘッドに外部生成の付勢信号を供給して、インク滴を射出させるように抵抗器を付勢するようになされる。印刷ヘッド14の回路18の裏側には、個々に付勢可能な複数の薄膜抵抗器を含む、シリコン基板28（図示せず）が付着されている。各抵抗器は、単一のオリフィス17のほぼ背後に配置されて、１つ以上の接触パッド20に順次に、又は同時に印加される、１つ以上のパルスによって選択的に付勢された場合に、抵抗ヒータとして機能する。
【００２１】
図２は、図１の印刷カートリッジ10を示すが、印刷ヘッド14を取り外して、印刷ヘッド14と印刷カートリッジ本体15の間でシールを与える際に用いられる、ヘッドランドパターン50を明らかにしている。図３は、ヘッドランド領域の拡大平面図である。図２及び図３に示すのは、インク貯蔵槽12からのインクが、印刷ヘッド14の背面に隣接する室に流れるのを可能にするための、印刷カートリッジ10内のマニホルド52である。印刷カートリッジ10に形成されたヘッドランドパターン50の構成は、内側の直立壁54上に、及び壁の開口部55、56を横切って塗布される接着剤のビード（図示せず）が、印刷ヘッド14がヘッドランドパターン50に対して定位置に押しつけられた場合、印刷カートリッジ10の本体15と印刷ヘッド14の背部の間に、インクシールを形成するようになされる。
【００２２】
図４を参照すると、基板が、薄い接着剤層84を介して回路18の背部に固着された後の、単一の気化室72、薄膜抵抗器70、及び台形状のオリフィス17の拡大図が示されている。シリコン基板28が形成されているその上には、障壁層30に薄膜抵抗器70が形成されている。また、基板28上には、回路18上の導電トレース（図示せず）への接続のために、電極（図示せず）が形成されている。また、基板28の表面には、障壁層30が形成され、そこに、気化室72、及びインク流路80が形成されている。基板28の側縁部が、縁部86として示されている。動作時には、インクは、矢印88で示すように、インク貯蔵槽12から、基板28の側縁部86をまわって、インク流路80とそれに関連した気化室72へと流れ込む。薄膜抵抗器70が付勢されると、近傍のインクの薄い層が過熱され、それにより、爆発的気化を生じさせ、その結果、インク滴が、オリフィス17を介して射出される。その後、気化室72は、毛管作用によって再充填される。
【００２３】
図５は、基板28を取り囲む印刷カートリッジ本体15の内側の直立壁54の部分に塗布される、接着シール90の一部を示し、またインク流路と気化室72を含む障壁層30の上部表面84上の回路18の中央部に接着される、基板28を示す側断面図である。また、直立壁54を含む印刷カートリッジ10のプラスティックの本体15の一部も示されている。
【００２４】
また、図５には、インク貯蔵槽12からのインク88が、どのようにして、印刷カートリッジ10内に形成されたスタンドパイプ51中を流れ、さらに基板28の縁部86の周囲をまわって、インク流路80を介して気化室72へと流れるかを示す。気化室72内には、薄膜抵抗器70が示されている。抵抗器70が付勢されると、放出されたインク滴101、102によって示すように、気化室72内のインクが射出される。
【００２５】
図６には、障壁層30内に形成された、気化室72とインク流路80を示す。インク流路80は、インク供給源と気化室72の間のインク流路を与える。インク流路80、及び気化室72へのインクは、基板28の長い方の側縁部86をまわって、インク流路80に流れ込む。インク流路80内の狭窄点146 によって作り出される、比較的狭い狭窄点すなわち狭窄点ギャップ145 が、発射後の気化室72の再充填中に、粘性減衰をもたらす。狭窄点146 は、発射後のインクの吹き戻し、及び気泡の崩壊を制御するのに役立ち、インク滴の射出の均一性を向上させる。障壁本体から出て基板の縁部に伸張する「半島部」149 を追加することによって、気化室72の互いからの流体絶縁がもたらされた。各種の印刷ヘッド寸法の定義を表１で与える。
【００２６】
【表１】

【００２７】
サーマル・インクジェット印刷カートリッジの周波数限界は、ノズルへのインクの流れの抵抗によって制限される。しかし、あるインクの流れの抵抗は、メニスカス振動を減衰するために必要である。インク流れの抵抗は、抵抗部分の近傍の狭窄点ギャップ145 によって意図的に制御される。流体インピーダンスに加わる成分としては、発射室への入口がある。この入口は、ノズル部材16と基板28の間の薄い領域からなり、その高さは、基本的には障壁層30の厚みの関数である。この領域は、その高さが小さいため、高い流体インピーダンスを有する。図６に示す障壁層30内に形成される各種要素の寸法を、以下の表２に示す。
【００２８】
【表２】

【００２９】
回路18内のノズル部材16は、基板構造28と障壁層30にわたって配置されて、印刷ヘッド14を形成する。ノズル17が、気化室72にわたって位置合わせされる。好適な寸法Ａ、Ｂ、及びＣは、次のように定義される。寸法Ａは基板28の厚み、寸法Ｂは障壁層30の厚み、寸法Ｃはノズル部材16の厚みである。この印刷ヘッド機構の詳細は、「インクジェット印刷ヘッド用の障壁機構（Barrier Architecturefor Inkjet Printhead）」と題して、1994年10月６日出願の米国特許出願08/319,893 号で与えられ、これを参照として本明細書に取り込む。
【００３０】
表２から分かるのは、30ミクロンの公称流路幅、及び25ミクロンの公称流路高さによって、非常に小さい気泡径による流路の閉塞が可能になる。
【００３１】
図７は、溶融気体を含んだインクが、ノズル17から射出される前に、どのようにして、印刷カートリッジ10のインク貯蔵槽12から、インク流路88に沿ったフィルタ92を通って、突起部11内のスタンドパイプを介して、マニホルド52に流れ込み、基板28の縁部86をまわり、インク流路80に沿って、気化室72に流れ込むかを示す。動作中、基板28の近傍には、温かいインク88の熱境界層が形成される。したがって、基板28の背後のインク88の熱境界層中の溶融気体は、気泡89を形成し、気泡内へと拡散する傾向がある。また、気泡91は、インク流路88に沿った壁55の角、及び縁部に形成される傾向がある。さらに、マニホルド52と基板28の間の領域は、蓄積部又は気泡トラップとして機能する。この構成は、結果としてインク流路88上の、入口と出口を有する室になる。インク体積／断面積／秒で換算される平均インク流量は、入口又は出口よりも、室内において小さい。室の入口縁部は、その鋭角さのために、及び縁部にわたったインク流れの不連続性のために、気体発生場所として機能することになる。気泡は、この室内で発生されて、それらが十分大きくなると、インク室に向かって移動する。この室により、気泡が、続くインク流路の直径よりも大きく成長可能であると、流路は閉塞する。これらの気泡は、特にインク流量が大きい場合に、気化室72へのインクの流れを止める。インク流量は、インク滴の体積、ノズル数、発射周波数、及び電力又は熱入力の低下と共に増大する。流量が大きいと、結果としてノズル17の一部が、一時的に動作不能になる。境界層の流体体積に含まれる溶融気体の総量は小さいが、実際には、インク貯蔵槽12内のインクの全てが、最終的には、印刷カートリッジ10の寿命にわたってインク流路88に沿って流れる。インク貯蔵槽12内に含まれる溶融気体の全てが、又はその一部でもガス放出されると、かなりの気泡が形成される。気泡が十分大きくなると、それらはインク室に向かって移動する。気泡が、続くインク流路の直径よりも大きく成長すると、流路が閉塞されることになり、気化室72へのインクの流れが止まる。その結果、ノズル17の一部が、一時的に動作不能にされる。
【００３２】
インクジェット印刷カートリッジ10の印刷ヘッド14の近傍でのインク中の気泡は、印刷カートリッジの性能を悪化させる、最も重大な問題の一つである。気泡はいくつかの原因から発生する。例えば、（１）印刷カートリッジの充填、及びプライミング中に、気泡がインク送出流路内で捕捉され、また（２）動作中に、印刷カートリッジ本体15の壁57、58、60の炭素繊維を充填した材料中の気泡「種場」に、気泡が形成される。印刷時に気泡が加熱されると、溶融空気が、インクからガス放出されて、これらの捕捉された気泡、及び種場に付着し、その結果、時間の経過につれて気泡が成長する。これらの気泡によって、ノズル17はインクを射出できなくなり、閉塞が十分大きい場合、印刷ヘッド14全体に「広域的なインク切れ」が生じる可能性がある。気泡は、従来から問題ではあったが、600ドット／インチ（dpi)の印刷ヘッドにおいて、はるかに深刻な問題となる。これは主として、図６及び添付の表２に関して前述したように、インク流路80とノズル17の直径の寸法が、低減されてることに起因する。しかし、これはまた、より高い発射周波数、及びその結果としての増大したインク流量にも起因する。発射室に向かって気泡を引きつけるベンチュリ力が、次いで高くなっているため、気泡がノズル動作を妨害する傾向も大きくなる。
【００３３】
気泡管理の重要な一側面は、耐気泡性のある内部カートリッジ幾何形状の設計にある。最近まで、インクジェット技術は、比較的低い解像度、及び低周波印刷により特徴付けられていた。これらのインク流量では、通常、気泡によってインク切れの影響は生じない。しかし、600 dpi 以上の解像度、及び12 KHz以上のインク滴射出周波数の場合、相対的なインク流量は３倍以上になり得る。インク射出装置に隣接するインク・マニホルド領域の気泡は、通常、この流量でのインク切れの影響、及びそれに関連した温度上昇を誘起するのに十分膨張する。残念ながら、この問題もまた、気泡誘起のインク切れの期間に、ヒータの抵抗器の付勢を試みると失敗して、その結果、印刷ヘッドからの熱流束の主要な経路である、射出低下となるような、「熱暴走」により特徴付けられる。
【００３４】
従来の印刷ヘッドマニホルド機構では、印刷ヘッドは、マニホルド壁に隣接して配置される。かかる近接性によって、動作中に成長する気泡が、インク流路内に捕捉されるのが可能となる。その後の動作時に、高デューティサイクル印刷中の圧力降下、及び温度上昇によって、かかる気泡が膨張させられるため、インク射出装置へのインク流れが遮断される。この故障モードは、通常インク切れ、更に具体的には、気泡誘起のインク切れとして知られている。これは印刷時に、散布帯の開始では完全であるが、散布帯の早期の部分内で、薄くなるか、急速になくなる、刻印パターンとして現われる。この故障モードは、動作の継続にともなって進行するため、これは、印刷ヘッドの製造現場において、初期試験を行なうことのできない信頼性の問題である。初期の気泡は、適当なインク充填、及びプライミング処理によって、防止又は排除することができるが、動作時にノズルを介して気泡が取り込まれる機会は阻止できない。したがって、印刷ヘッドとインク・マニホルドの構造は、耐気泡性があるように設計する必要がある。
【００３５】
ほとんどのサーマル・インクジェット装置は、インク滴が、重力の加速ベクトルにほぼ平行な方向に発射されるような配向で動作するように設計される。結果として、マニホルド領域における気泡にかかる浮力は、気泡をインク射出装置から引き離す傾向がある。しかし、気泡は、その浮力が、インクマニホルド壁、又は印刷ヘッド表面への表面接着力に打ち勝つ前に、十分大きくなって捕捉される可能性がある。この問題の解決は、本発明により、ガス放出される気泡が、通常動作の段階時に、インク切れを誘導する可能性のある狭い領域から、浮遊して離れるのに十分な寸法、及び形状のインク・マニホルド幾何形状を生成することでなされる。
【００３６】
この設計の最も重要な領域は、基板、ヘッドランドすなわちマニホルド、スタンドパイプ、及びフィルタの周囲の領域である。その目標は、無駄な空間を最小限にし、流体の流れのための形状を流線型として、初期プライミング時に気泡の捕捉を回避し、また、明確な経路を設けて、インク流路88と一致するが反対方向である、図７に示す方向95に、浮力が、気泡の容易な逃げを最大限にするのを可能にすることである。気泡は、印刷ヘッド領域からインク・マニホルド52へと流れ、その後、スタンドパイプ51中を浮上して、フィルタケージ領域68に入る。印刷カートリッジは、ノズルが下を向いた状態で印刷を行なうため、印刷ヘッド基板の背後のインク・マニホルド領域の設計は、基板の下に明確な空間を設けて、気泡が、印刷ヘッド領域から離れて、上方に簡単に逃げることができるようにした。
【００３７】
この新しいマニホルド設計を、図８の斜視図、及び図９の平面図で示す。マニホルド領域52は、上部マニホルド壁57を、0.5 mmから約２〜３mmに延長、すなわち深くして、基板28の底面からの下部マニホルド壁58の角度を、水平から約20〜30゜増大させてマニホルド壁58を急峻にし、従って、マニホルド52を従来のインクカートリッジ設計のものより深くすることによって、気泡が、上方に漂流して、スタンドパイプ51に入り、ノズル17及びインク流路80から離れることが容易になった。下部マニホルド壁58とスタンドパイプ51の内壁60の間の接合部59を丸めて、気泡がマニホルド52からスタンドパイプ51に入り易くした。
【００３８】
角62を丸めて、気泡の捕捉を阻止するのに役立て、また、フィレット63を、マニホルド52において、上部マニホルド壁57と下部マニホルド壁58の角に形成して、気泡の捕捉を阻止するのに役立てた。基板支持部64、65の長さを縮小して、更に長いスタンドパイプに適合させ、また基板支持部の端部を丸めた。また、基板支持部64、65の側壁66を、下向きに約50〜60゜の角度で傾斜させて、接着剤が流れて基板28から離れるようにし、また接着剤による気泡の捕捉を防止した。同じ理由で、マニホルドの壁67を、下向きに約70〜75゜の角度で傾斜させた。
【００３９】
スタンドパイプ51の内部断面積は、スタンドパイプ51の壁の厚みを部分的に最小化することにより、約15 mm²から約20 mm²に拡大された。スタンドパイプ51の内壁60の形状は、約２゜の所望のテーパ角度を維持しながら、正接円筒表面を備えた、楕円柱に近い形状に変更された。スタンドパイプ51の外壁（図示せず）も又、スタンドパイプ51の内壁60とほぼ同じ形状に変更され、内部フレームをスタンドパイプに更に良好に固定するために、約６゜の逆テーパをかけた。
【００４０】
また、図７を参照すると、フィルタケージ領域68（図７に示す）へのスタンドパイプ51の出口領域61は、僅かに末広がりの輪郭を用いて最大限にした。フィルタケージ領域68の下で、且つインク貯蔵槽バッグ93が内部フレーム69に取り付けられる場所の、スタンドパイプ51へと伸張する内部フレーム69の材料の量を最小限とし、適宜テーパがけした。スタンドパイプ51の上に配置される、内部フレーム69、及びフィルタケージ領域68に関する更なる詳細は、「サーマル・インクジェット・カートリッジ用の異なる特性を有する二材料フレーム（ TWO MATERIAL FRAME HAVING DISSIMILAR PROPERTIES FOR THERMAL INK-JET CARTRIDGE）」と題して、1992年12月22日出願の米国特許出願07/995,109号に記載されており、これを参照として本明細書に取り込む。
【００４１】
以上の開示の意図するところは、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではないということであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって判断すべきものである、ということが理解されるであろう。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は上述のように、実験によっても実証されたが、この新しいマニホルド設計により、インク流路、マニホルド領域、及びスタンドパイプ中の気泡が、インクカートリッジの気泡の存在が、印刷ヘッドの動作を損なわない領域へと、上方に容易に流動可能となる。同様に重要なこととして、この新たなマニホルド設計により、インク射出装置に隣接するインク・マニホルド領域中の気泡が、より大きなインク流量で、温度上昇時に、インク切れを誘起するにまで膨張する傾向が大幅に低減される。また、気泡が自由に膨張しても、インク切れが生じる傾向はない。したがって、印刷カートリッジの寿命を通して、従来のマニホルド設計よりも、インク流路の気泡による閉塞が少なく、性能を向上することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】インクジェット印刷カートリッジの斜視図である。
【図２】図１のインクジェット印刷カートリッジのヘッドランド領域の斜視図である。
【図３】図１のインクジェット印刷カートリッジのヘッドランド領域の平面図である。
【図４】印刷ヘッドアセンブリの一部の部分切取斜視図であり、気化室、加熱抵抗器、及び基板の縁部に対するオリフィスの関係を示す。
【図５】印刷ヘッドアセンブリ、及び印刷カートリッジと共に、基板の縁部の周囲のインク流路の概略断面図である。
【図６】印刷ヘッドアセンブリの一部の拡大平面図であり、インク流路、気化室、加熱抵抗器、障壁層、及び基板の縁部の関係を示す。
【図７】インク貯蔵槽から印刷ヘッドへのインク流路を示す概略図である。
【図８】本発明のインクジェット印刷カートリッジのマニホルド領域の斜視図である。
【図９】本発明のインクジェット印刷カートリッジのマニホルド領域の平面図である。
【符号の説明】
10：インクジェット印刷カートリッジ
12：インク貯蔵槽
14：印刷ヘッド
15：印刷カートリッジ本体
17：オリフィス
28：シリコン基板
30：障壁層
50：ヘッドランドパターン
51：内部スタンドパイプ
52：マニホルド
70：薄膜抵抗器
72：気化室
80：インク流路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates generally to ink jet printers and other types of printers, and more particularly to ink flow to a print head portion of an ink jet printer.
[0002]
[Prior art]
An ink jet printer forms a print image by printing a pattern of individual dots at a specific location of an array defined for a print medium. Those locations are conveniently visualized to be small dots in a rectangular array. These locations are sometimes referred to as “dot placement”, “dot positions”, or “pixels”. Therefore, the printing operation can be regarded as filling the dot position pattern with ink dots.
[0003]
Thermal inkjet print cartridges operate by rapidly heating a small amount of ink to vaporize the ink and eject it from one of multiple orifices, resulting in printing ink dots on a recording medium such as paper To do. Typically, the orifices are arranged in one or more linear arrays in the nozzle member. Characters, or other images, are printed on the paper as the print head moves relative to the paper by appropriately ordered ink ejection from each orifice. The paper is typically shifted each time the print head moves across the paper. Thermal ink jet printers are fast and quiet because ink only strikes the paper. These printers provide high quality printing and can be made small and affordable.
[0004]
Ink jet print heads generally include (1) an ink flow path for supplying ink from an ink reservoir to each vaporization chamber adjacent to the orifice, and (2) a metal orifice in which the orifice is formed in a required pattern. A plate or nozzle member and (3) a silicon substrate containing a series of thin film resistors with one resistor per vaporization chamber.
[0005]
In order to print a single ink dot, a current from an external power source is passed through the selected thin film resistor. The resistor is then heated and, in turn, overheats a thin layer of adjacent ink in the vaporization chamber, causing explosive vaporization so that ink drops are ejected onto the paper through the associated nozzle. It is done.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
A problem with inkjet printers is the satisfaction of ink flow to paper or other print media. Print quality is a function of ink flow through the printhead. If there is too little ink on the paper or other print medium to be printed, a thin and unreadable document is generated.
[0007]
In an inkjet printhead, ink feed is from an "off-axis" ink reservoir that feeds ink to the printhead through an ink reservoir integral with the printhead or through a tube connecting the printhead and ink reservoir. The The ink is then sent to the various vaporization chambers either through an elongated hole formed in the center of the bottom of the substrate (center feed) or around the outer edge of the substrate (edge feed). In the case of central feed, the ink then flows through the central slot of the substrate into the central manifold region formed in the barrier layer between the substrate and the nozzle member, then multiple ink flow paths, and finally the various Flow into the vaporization chamber. In the case of edge feeding, the ink from the ink storage tank flows around the outer edge of the substrate to the ink flow path, and finally flows into the vaporization chamber. In both central and edge feeds, the ink reservoir and the flow path from the manifold inherently constrain the ink flow to the firing chamber.
[0008]
Air and other bubbles can cause major problems in the ink delivery system. Ink delivery systems can release gas and generate bubbles, which can clog the system and be degraded by bubbles. The key to designing a good ink delivery system is to consider techniques that eliminate or reduce the bubble problem. Many fluids exposed to the atmosphere contain a molten gas that varies in amount with temperature. The amount of gas that a liquid can hold depends on temperature and pressure, but also depends on the degree of mixing between the gas and the liquid, and the opportunity for the gas to escape.
[0009]
Since atmospheric pressure remains fairly constant, changes in atmospheric pressure can usually be ignored. However, the temperature certainly changes within the ink jet cartridge, causing a clear difference in the amount of gas that can be held in the ink. Bubbles are less likely to occur at low temperatures and their growth is slow. The lower the temperature of the liquid, the less kinetic energy is available and the longer it takes to accumulate the required energy at the designated location where the bubble begins to form.
[0010]
Many fluids exposed to the atmosphere contain an amount of molten gas proportional to the temperature of the fluid itself. The lower the temperature of the fluid, the greater the capacity to absorb the gas. When a fluid saturated with gas is heated, the molten gas is no longer in equilibrium and tends to diffuse out of solution. If a field of nucleating species is present along or within the liquid-containing surface, bubbles are formed and these bubbles grow larger as the temperature of the liquid further increases.
[0011]
Bubbles do not necessarily consist of air, but also water vapor and other ink transport component vapors. However, the behavior of all liquids is the same: the hotter the liquid, the less gas it can hold. Both gas release and vapor generation generate bubbles and grow as the temperature increases. It can reasonably be assumed that the gas inside the bubbles in the aqueous ink is always saturated with water vapor. Thus, a bubble is composed of both a gas, often air, and an ink-carrying gas, often water. At room temperature, water vapor is a negligible proportion of the gas in the bubbles. However, at a temperature of 50 ° C. where the inkjet printhead can operate, water vapor significantly adds to the volume of bubbles. As the temperature rises, the water vapor content of the bubbles increases with temperature much more rapidly than the air content.
[0012]
The best conditions for bubble generation are the simultaneous presence of (1) the place of occurrence or “seed” field, (2) ink flow, and (3) bubble accumulation. These three mechanisms work together to produce large bubbles that will clog the ink delivery system and stop its flow. When air exits the solution as bubbles and returns, it exits the preferred location, ie the location of occurrence, or the nucleation site. Bubbles are likely to occur at the edges and corners, or at scratched, rough or defective portions of the surface. Very small bubbles tend to stick to the surface and are not easily floated or pushed away in the ink flow. As the bubbles grow larger, they tend to move away from the surface. However, if bubbles are formed in the corners or other off-site locations, it is almost impossible to remove them by ink flow.
[0013]
If the ink is not flowing through the gas generation sites, no bubbles are generated at those locations, but if the ink is moving, the bubble generation sites are exposed to a fairly large amount of ink containing molten gas molecules. It is. As the ink flows through the gas generation location, gas molecules exit the solution and form bubbles and grow. However, these things will not happen so quickly if the ink is not flowing.
[0014]
A third factor in bubble generation is the accumulation mechanism, or bubble trap, which can be defined as any extension and subsequent constriction along the ink flow path. This configuration results in a chamber having an inlet and an outlet on the ink flow path. The average ink flow rate in terms of ink amount / cross-sectional area / second is smaller in the room than in the outlet or the inlet. The inlet edge of this chamber acts as a gas generation site because of its sharpness and because of the discontinuity of ink flow across the edge. Bubbles will be generated at this location, and if the bubbles are large enough, they will move towards the outlet pipeline until the outlet pipeline is blocked. Thereafter, the ink delivery system is clogged and the ink delivery operation is stopped until the system can generate sufficient pressure to push the bubbles. In this way, the chamber may cause bubbles to grow larger than the diameter of the subsequent ink flow path and then clog the ink flow path.
[0015]
Air bubbles remain in the print cartridge during the ink filling and priming process. Bubbles can cause nozzle intermittent problems and local and even out of ink, which can impair the reliability of the printhead. One important aspect of bubble management is the design of the internal cartridge geometry. The most stringent areas in this design are the area around the substrate, headland, manifold, standpipe, and filter. The goal is to minimize wasted space, streamline the geometry for fluid flow, prevent air bubbles from being trapped during initial priming, and provide a clear path. However, this allows for buoyancy that maximizes the escape of bubbles from the print head area to the ink manifold, then into the standpipe and into the filter area. Therefore, it is desirable to have a print head design that further tolerates existing bubbles.
[0016]
Therefore, the design of the print head requires the elimination of residual bubbles left in the print cartridge after ink filling and priming.
[0017]
In the ink jet print cartridge, the ink is vaporized from the ink storage tank, through the filter and the stand pipe, through the silicon substrate, or the periphery thereof, and through the ink flow path to be ejected from the nozzle. It flows to. In operation, a warm thermal boundary ink layer is formed adjacent to the substrate, and the gas melted in the thermal boundary ink layer forms bubbles. In addition, bubbles tend to be formed at the corners and edges of walls along the ink flow path. As the bubbles grow larger than the diameter of the subsequent ink flow path, these bubbles stop the flow of ink to the vaporization chamber. As a result, some of the nozzles of the print head are temporarily inoperable.
[0018]
It is an object of the present invention to avoid such a failure in a liquid inkjet printing system by providing a bubble-resistant print cartridge design method that allows air bubbles to escape from the printhead area of the cartridge. Is to provide a method.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
The ink delivery method in the ink jet print cartridge of the present invention includes a step of storing the ink supply in the ink storage tank, a step of feeding the ink downward from the ink storage tank to the ink firing chamber via the manifold, and bubbles are formed. A wall contoured along the manifold is allowed to leave the ink ejection chamber and move upwards toward the ink reservoir, and to escape from the manifold without hindering ink supply to the ink firing chamber. Providing.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Referring to FIG. 1, reference numeral 10 generally designates an inkjet print cartridge for mounting in a carriage of an inkjet printer. The inkjet print cartridge 10 includes a print head 14 and an ink reservoir 12 that receives ink from an “integrated” reservoir, a “snap-on” reservoir, or an off-axis ink reservoir. It can be a “storage tank”. The print cartridge 10 includes a protrusion 11 that contains an internal stand pipe 51 (shown in FIG. 8) for delivering ink from the ink reservoir 12 to the print head. The print head 14 includes a nozzle member 16 that consists of nozzles or orifices 17 formed in a circuit 18. Circuit 18 includes conductive traces (not shown) that are connected to the substrate electrodes at

windows

22, 24 and are terminated by contact pads 20, but the design of contact pads 20 interconnects with the printer. , Thereby supplying an externally generated energization signal to the print head and causing the resistor to eject ink drops Energizing To be made. Adhered to the back side of the circuit 18 of the printhead 14 is a silicon substrate 28 (not shown) that includes a plurality of individually energizable thin film resistors. Each resistor is positioned approximately behind a single orifice 17 and is selectively energized by one or more pulses applied sequentially or simultaneously to one or more contact pads 20. It functions as a resistance heater.
[0021]
FIG. 2 shows the print cartridge 10 of FIG. 1, but reveals a head land pattern 50 that is used when the print head 14 is removed to provide a seal between the print head 14 and the print cartridge body 15. FIG. 3 is an enlarged plan view of the head land area. Shown in FIGS. 2 and 3 is a manifold 52 in the print cartridge 10 that allows ink from the ink reservoir 12 to flow into a chamber adjacent to the back of the print head 14. The configuration of the head land pattern 50 formed in the print cartridge 10 is comprised of an adhesive bead (not shown) applied on the inner upright wall 54 and across the

wall openings

55, 56, and the print head. When 14 is pressed against the head land pattern 50 in a fixed position, an ink seal is formed between the main body 15 of the print cartridge 10 and the back of the print head 14.
[0022]
Referring to FIG. 4, an enlarged view of a single vaporization chamber 72, thin film resistor 70, and trapezoidal orifice 17 after the substrate has been secured to the back of the circuit 18 via a thin adhesive layer 84. It is shown. A thin film resistor 70 is formed on the barrier layer 30 on the silicon substrate 28 formed thereon. An electrode (not shown) is formed on the substrate 28 for connection to a conductive trace (not shown) on the circuit 18. Further, the barrier layer 30 is formed on the surface of the substrate 28, and the vaporization chamber 72 and the ink flow path 80 are formed there. The side edge of substrate 28 is shown as edge 86. In operation, ink flows from the ink reservoir 12 around the side edge 86 of the substrate 28 into the ink flow path 80 and associated vaporization chamber 72 as indicated by arrow 88. When the thin film resistor 70 is energized, a thin layer of nearby ink is overheated, thereby causing explosive vaporization so that ink drops are ejected through the orifice 17. Thereafter, the vaporization chamber 72 is refilled by capillary action.
[0023]
FIG. 5 shows a portion of the adhesive seal 90 applied to the portion of the upstanding wall 54 inside the print cartridge body 15 surrounding the substrate 28 and the top surface of the barrier layer 30 including the ink flow path and the vaporization chamber 72. FIG. 9 is a side cross-sectional view showing a substrate 28 bonded to the center of the circuit 18 on 84. Also shown is a portion of the plastic body 15 of the print cartridge 10 including the upright wall 54.
[0024]
In FIG. 5, the ink 88 from the ink storage tank 12 flows through the stand pipe 51 formed in the print cartridge 10 and further around the edge 86 of the substrate 28. Whether the gas flows to the vaporizing chamber 72 via the ink flow path 80 is shown. A thin film resistor 70 is shown in the vaporization chamber 72. When the resistor 70 is energized, the ink in the vaporization chamber 72 is ejected, as indicated by the ejected ink droplets 101,102.
[0025]
FIG. 6 shows the vaporization chamber 72 and the ink flow path 80 formed in the barrier layer 30. The ink flow path 80 provides an ink flow path between the ink supply source and the vaporizing chamber 72. The ink to the ink flow path 80 and the vaporization chamber 72 flows around the longer side edge 86 of the substrate 28 and flows into the ink flow path 80. The relatively narrow stenosis point or stenosis point gap 145 created by the stenosis point 146 in the ink flow path 80 provides viscous damping during refilling of the vaporization chamber 72 after firing. The constriction point 146 helps to control ink blowback and bubble collapse after firing and improves ink drop ejection uniformity. The addition of a “peninsula” 149 that exits the barrier body and extends to the edge of the substrate provided fluid insulation of the vaporization chambers 72 from each other. Definitions of various print head dimensions are given in Table 1.
[0026]
[Table 1]

[0027]
The frequency limit of thermal inkjet print cartridges is limited by the resistance of ink flow to the nozzles. However, some ink flow resistance is necessary to damp meniscus oscillations. Ink flow resistance is intentionally controlled by a constriction point gap 145 in the vicinity of the resistive portion. A component added to the fluid impedance is an entrance to the firing chamber. This inlet consists of a thin area between the nozzle member 16 and the substrate 28, the height of which is basically a function of the thickness of the barrier layer 30. This region has a high fluid impedance because of its small height. The dimensions of various elements formed in the barrier layer 30 shown in FIG. 6 are shown in Table 2 below.
[0028]
[Table 2]

[0029]
The nozzle member 16 in the circuit 18 is disposed across the substrate structure 28 and the barrier layer 30 to form the print head 14. A nozzle 17 is aligned over the vaporization chamber 72. Preferred dimensions A, B, and C are defined as follows: The dimension A is the thickness of the substrate 28, the dimension B is the thickness of the barrier layer 30, and the dimension C is the thickness of the nozzle member 16. Details of this printhead mechanism are given in US patent application Ser. No. 08 / 319,893, filed Oct. 6, 1994, entitled “Barrier Architecture for Inkjet Printhead”, which is incorporated herein by reference. Incorporated herein.
[0030]
It can be seen from Table 2 that a nominal channel width of 30 microns and a nominal channel height of 25 microns allow the channel to be blocked by a very small bubble diameter.
[0031]
FIG. 7 shows how the ink containing the molten gas is projected from the ink reservoir 12 of the print cartridge 10 through the filter 92 along the ink flow path 88 before being ejected from the nozzle 17. It is shown whether it flows into the manifold 52 via the stand pipe in the section 11, flows around the edge 86 of the substrate 28, and flows into the vaporizing chamber 72 along the ink flow path 80. During operation, a thermal boundary layer of warm ink 88 is formed near the substrate 28. Therefore, the molten gas in the thermal boundary layer of the ink 88 behind the substrate 28 tends to form bubbles 89 and diffuse into the bubbles. The bubbles 91 tend to be formed at the corners and edges of the wall 55 along the ink flow path 88. Furthermore, the area between the manifold 52 and the substrate 28 functions as an accumulation part or a bubble trap. This configuration results in a chamber having an inlet and an outlet on the ink flow path 88. The average ink flow rate converted in ink volume / cross-sectional area / second is smaller in the room than in the inlet or outlet. The inlet edge of the chamber will function as a gas generation site because of its acute angle and because of the discontinuity of the ink flow across the edge. Bubbles are generated in this chamber and move toward the ink chamber when they become large enough. If the chamber allows the bubbles to grow larger than the diameter of the subsequent ink channel, the channel closes. These bubbles stop the flow of ink to the vaporizing chamber 72, particularly when the ink flow rate is large. Ink flow increases with decreasing drop volume, number of nozzles, firing frequency, and power or heat input. If the flow rate is large, as a result, a part of the nozzle 17 becomes temporarily inoperable. Although the total amount of molten gas contained in the boundary layer fluid volume is small, in practice, all of the ink in the ink reservoir 12 will eventually flow along the ink flow path 88 over the life of the print cartridge 10. . When all or part of the molten gas contained in the ink storage tank 12 is released, considerable bubbles are formed. When the bubbles become large enough, they move toward the ink chamber. When the bubble grows larger than the diameter of the subsequent ink flow path, the flow path is closed, and the flow of ink to the vaporizing chamber 72 is stopped. As a result, a part of the nozzle 17 is temporarily disabled.
[0032]
Air bubbles in the ink in the vicinity of the print head 14 of the inkjet print cartridge 10 is one of the most serious problems that degrades the performance of the print cartridge. Bubbles can arise for several reasons. For example, (1) during filling and priming of the print cartridge, air bubbles are trapped in the ink delivery flow path, and (2) during operation, the carbon fibers in the

walls

57, 58, 60 of the print cartridge body 15 are filled. Bubbles are formed in the bubble “seed field” in the material. When the bubbles are heated during printing, the molten air is outgassed from the ink and adheres to these trapped bubbles and seed fields, so that the bubbles grow over time. These bubbles prevent the nozzle 17 from ejecting ink, and if the blockage is sufficiently large, there is a possibility that “wide area ink out” may occur in the entire print head 14. Bubbles have been a problem in the past, but become a much more serious problem in 600 dot / inch (dpi) printheads. This is mainly due to the reduced diameter dimensions of the ink channels 80 and nozzles 17 as described above with respect to FIG. 6 and the accompanying Table 2. However, this is also due to the higher firing frequency and the resulting increased ink flow rate. Since the venturi force that attracts the bubbles toward the firing chamber is then higher, the tendency for the bubbles to interfere with nozzle operation is also increased.
[0033]
One important aspect of bubble management is the design of the bubble-resistant internal cartridge geometry. Until recently, inkjet technology was characterized by relatively low resolution and low frequency printing. At these ink flow rates, there is usually no ink outage effect due to air bubbles. However, for resolutions of 600 dpi and higher and ink drop ejection frequencies of 12 KHz and higher, the relative ink flow rate can be more than tripled. Air bubbles in the ink manifold area adjacent to the ink ejection device typically expand sufficiently to induce the effects of ink out at this flow rate and the associated temperature rise. Unfortunately, this problem also fails when attempting to energize the heater resistor during the bubble-induced out-of-ink period, resulting in a drop in ejection, the main path of heat flux from the printhead. It is characterized by “thermal runaway”.
[0034]
In a conventional printhead manifold mechanism, the printhead is positioned adjacent to the manifold wall. Such proximity allows bubbles that grow during operation to be trapped in the ink flow path. During subsequent operations, such bubbles are expanded due to pressure drop and temperature rise during high duty cycle printing, thus blocking the ink flow to the ink ejection device. This failure mode is usually known as out of ink, more specifically as bubble induced ink out. This appears as a stamped pattern at printing, which is complete at the start of the spreading band, but fades or disappears rapidly in the early part of the spreading band. Since this failure mode proceeds with continued operation, this is a reliability issue that cannot be initially tested at the printhead manufacturing site. Early air bubbles are prevented or prevented by appropriate ink filling and priming. Exclusion However, the opportunity for air bubbles to be taken in through the nozzle during operation cannot be prevented. Therefore, the structure of the print head and ink manifold must be designed to be bubble resistant.
[0035]
Most thermal ink jet devices are designed to operate in an orientation such that ink drops are fired in a direction substantially parallel to the gravitational acceleration vector. As a result, the buoyancy applied to the bubbles in the manifold region tends to pull the bubbles away from the ink ejection device. However, the bubbles may become trapped large enough before their buoyancy overcomes the surface adhesion to the ink manifold wall or printhead surface. The solution to this problem is that according to the present invention, the size and shape of the ink is sufficient to allow the outgassing bubbles to float away from a narrow area that can induce out of ink during the normal operation phase. This is done by creating a manifold geometry.
[0036]
The most important areas of this design are the area around the substrate, headland or manifold, standpipe, and filter. Its goal is to minimize wasted space, streamline the shape for fluid flow, avoid trapping bubbles during initial priming, and provide a clear path to match the ink flow path 88. In the opposite direction, the direction 95 shown in FIG. 7, the buoyancy allows to maximize the easy escape of bubbles. Bubbles flow from the print head area to the ink manifold 52 and then float through the standpipe 51 and enter the filter cage area 68. Because the print cartridge prints with the nozzles facing down, the design of the ink manifold area behind the printhead board provides a clear space under the board so that air bubbles are separated from the printhead area. And made it easy to escape upwards.
[0037]
This new manifold design is shown in the perspective view of FIG. 8 and the plan view of FIG. Manifold region 52 extends upper manifold wall 57 from 0.5 mm to about 2-3 mm, ie deepens, increasing the angle of lower manifold wall 58 from the bottom surface of substrate 28 by about 20-30 ° from horizontal. By steepening the manifold wall 58 and thus making the manifold 52 deeper than that of the conventional ink cartridge design, air bubbles drift upward and enter the standpipe 51 and away from the nozzle 17 and the ink flow path 80. Became easier. The joint 59 between the lower manifold wall 58 and the inner wall 60 of the stand pipe 51 was rounded to make it easier for bubbles to enter the stand pipe 51 from the manifold 52.
[0038]
Round corner 62 to help prevent air bubbles from being trapped.

Let

63 was formed in the manifold 52 at the corners of the upper manifold wall 57 and the lower manifold wall 58 to help prevent air bubble trapping. The lengths of the

substrate support portions

64 and 65 were reduced to fit into a longer stand pipe, and the end portions of the substrate support portions were rounded. Further, the side walls 66 of the

substrate support portions

64 and 65 are inclined downward at an angle of about 50 to 60 ° so that the adhesive flows away from the substrate 28, and the trapping of bubbles by the adhesive is prevented. For the same reason, the manifold wall 67 was tilted downward at an angle of about 70-75 °.
[0039]
The internal cross-sectional area of the stand pipe 51 is approximately 15 mm by partially minimizing the wall thickness of the stand pipe 51. ² From approx. 20 mm ² Has been expanded. The shape of the inner wall 60 of the standpipe 51 was changed to a shape close to an elliptical cylinder with a tangential cylindrical surface while maintaining the desired taper angle of about 2 °. The outer wall (not shown) of the standpipe 51 was also changed to approximately the same shape as the inner wall 60 of the standpipe 51, and was reverse-tapered about 6 ° to better secure the inner frame to the standpipe. .
[0040]
Referring also to FIG. 7, the exit region 61 of the standpipe 51 to the filter cage region 68 (shown in FIG. 7) was maximized using a slightly diverging contour. Underneath the filter cage area 68 and where the ink reservoir bag 93 is attached to the inner frame 69, the amount of material in the inner frame 69 extending to the standpipe 51 was minimized and tapered accordingly. For further details regarding the inner frame 69 and the filter cage area 68 located on the standpipe 51, see “TWO MATERIAL FRAME HAVING DISSIMILAR PROPERTIES FOR THERMAL INK -JET CARTRIDGE) is described in US patent application Ser. No. 07 / 995,109 filed Dec. 22, 1992, which is incorporated herein by reference.
[0041]
The intent of the above disclosure is merely illustrative and is not intended to limit the scope of the present invention, and the scope of the present invention should be determined by the claims. Will be understood.
[0042]
【The invention's effect】
Although the present invention has been demonstrated experimentally as described above, this new manifold design allows the air bubbles in the ink flow path, manifold region, and standpipe to be affected by the presence of ink cartridge bubbles and the operation of the printhead. It can easily flow upward into the unaffected region. Equally important, this new manifold design tends to cause bubbles in the ink manifold area adjacent to the ink ejection device to expand at higher ink flow rates to induce ink shortage at elevated temperatures. It is greatly reduced. Further, even if the bubbles expand freely, there is no tendency for ink to run out. Therefore, throughout the life of the print cartridge, there is less blockage of the ink flow path by air bubbles than in the conventional manifold design, and performance can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of an ink jet print cartridge.
FIG. 2 is a perspective view of a head land area of the ink jet print cartridge of FIG. 1;
3 is a plan view of a head land region of the ink jet print cartridge of FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a partial cutaway perspective view of a portion of a printhead assembly, showing the relationship of the vaporization chamber, heating resistor, and orifice to the edge of the substrate.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the ink flow path around the edge of the substrate, along with the printhead assembly and print cartridge.
FIG. 6 is an enlarged plan view of a portion of the printhead assembly showing the relationship of the ink flow path, vaporization chamber, heating resistor, barrier layer, and substrate edge.
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating an ink flow path from an ink storage tank to a print head.
FIG. 8 is a perspective view of a manifold region of an inkjet print cartridge of the present invention.
FIG. 9 is a plan view of a manifold region of an inkjet print cartridge of the present invention.
[Explanation of symbols]
10: Inkjet print cartridge
12: Ink storage tank
14: Print head
15: Print cartridge body
17: Orifice
28: Silicon substrate
30: Barrier layer
50: Headland pattern
51: Internal standpipe
52: Manifold
70: Thin film resistor
72: Vaporization room
80: Ink flow path

Claims

A method for removing clogging caused by air bubbles in an inkjet print cartridge operable to print at a resolution of about 600 dpi or higher, comprising:
Storing ink supplies in the ink reservoir (12);
Feeding ink from the ink reservoir to an ink firing chamber (72) via a manifold (52) below the ink reservoir ;
Provided with a wall (57, 58) which are contoured along the front Symbol manifold, comprising: providing a standpipe (51) coupling the manifold to the ink reservoir, it bubbles, into the ink firing chamber The upper manifold wall (57) has a depth of 2 to 3 mm so as to leave the ink firing chamber and escape from the manifold ( 95 ) toward the ink reservoir without interfering with ink replenishment The lower manifold wall (58) has an angle of 20 ° to 30 ° with respect to a direction perpendicular to a direction of sending ink from the manifold to the ink reservoir, and the upper manifold wall (57) is perpendicular to the side wall. The corner (62) at the intersection of the upper manifold wall (57), the lower manifold wall (58) and the side wall intersects with a fillet (63) to form a rounded joint (59). ) An inner wall that is coupled to the section manifold wall (60) is provided in the standpipe, and the step method.

The method of claim 1, wherein the inner wall (60) of the standpipe is in the shape of an elliptical cylinder.

An inkjet print cartridge for removing clogging caused by air bubbles, the inkjet print cartridge operable to print at a resolution of about 600 dpi or higher;
An ink storage tank (12);
Means for feeding ink from the ink reservoir to an ink firing chamber (72) via a manifold (52) below the ink reservoir ;
Along the front Symbol manifold contoured walls (57, 58) and a standpipe (51), upper manifold walls (57) has a depth of 2 to 3 mm, lower manifold walls (58) Has an angle of 20 ° to 30 ° with respect to a direction perpendicular to the direction in which ink is fed from the manifold to the ink storage tank, and the upper manifold wall (57) has an angle (62 ) Is rounded, and a fillet (63) is provided at a portion where the upper manifold wall (57), the lower manifold wall (58) and the side wall intersect, and the stand pipe (51) The ink firing chamber includes an inner wall (60) coupled to the ink reservoir and coupled to the lower manifold wall by a rounded joint (59) so that air bubbles do not interfere with refilling the ink firing chamber. Away from the ink reservoir Headed, escape from the manifold (95), and a contoured wall (57, 58) and the standpipe (51), ink jet printing cartridge.

The inkjet print cartridge of claim 3, wherein the inner wall (60) of the standpipe is in the shape of an elliptic cylinder.

The standpipe (51) has an internal cross-sectional area of 15 mm ^² ~20 mm ^2, the ink jet print cartridge of claim 4.

A substrate (28) coupled to the housing of the inkjet print cartridge by a substrate support (64, 65), the substrate support being at an angle of 50 ° to 60 ° with respect to the direction of ink movement in the manifold The ink jet print cartridge of any of claims 3-5, comprising an inclined wall.