JP4098869B2

JP4098869B2 - インクジェット印刷装置

Info

Publication number: JP4098869B2
Application number: JP01296598A
Authority: JP
Inventors: ジョン・アール・アンドリュース; ピーター・エイ・トーピー; キャシー・ジェイ・バーク
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1997-02-03
Filing date: 1998-01-26
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2018-01-26
Also published as: JPH10217470A; US5933166A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、選択可能なサイズの飛沫が噴射され得るように成した、サーマル・インクジェット・プリンタの印刷ヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
サーマル・インクジェット印刷において、インクの飛沫は、印刷ヘッド内における複数の飛沫エジェクタから選択可能に噴射される。それらのエジェクタは、デジタル命令に従って操作され、印刷ヘッドを越えて移動する印刷シートの上に所望の画像を形成する。印刷ヘッドは、タイプライター様式でシートに対して前後に移動することも可能であるが、或いは、その線形配列が、シートの幅全体を横断して延在するサイズのものであることも可能であり、単一の通過で画像をシートの上に配置することになる。
【０００３】
エジェクタは、典型的には、１本又はそれ以上の本数の共通のインク供給マニホルドに対して接続されるように成した、毛管流路又はその他のインク通路を含んで成る。インクは、適切なデジタル信号に応答して、流路内におけるインクが流路内の表面上に配設される加熱要素（本質的には抵抗体）によって急速に加熱されるまで、各々の流路内に保持される。流路に隣接するインクのこの急速蒸発は、流路に付随する開口を介して多量の液体インクを印刷シートに対して噴射させることになる泡を形成する。泡を形成する急速蒸発のプロセスは、「泡核生成（nucleation）」として一般に知られている。典型的なインクジェット印刷ヘッドの一般的な構造を示す１つの特許は、本件出願の譲受人に対して譲渡された米国特許明細書第４，７７４，５３０号である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
インクジェット印刷では、特定のエジェクタによって噴射される飛沫のサイズが選択され得る装置を考案することは困難であった。一般に、サーマル・インクジェット印刷ヘッドにおけるエジェクタは、概ね１つのサイズのみの飛沫を噴射することが可能なものである。しかしながら、選択可能な複数の飛沫サイズの中から１つの飛沫サイズを選択的に放出可能である単一エジェクタを有し得ることが好都合であるような印刷状況は数多く存在する。選択可能な飛沫サイズが非常に有益であることになるそのような状況は、写真に由来するようなハーフトーン画像の形成、更にはオフセット品質の英数字の形成を包含する。
【０００５】
先行技術では、米国特許出願第４，２５１，８２４号は、各々のエジェクタが独立制御される複数の加熱要素を包含するように成した、サーマル・インクジェット印刷ヘッドを開示する。要素の特定の組合せを選択することによって、噴射される飛沫のサイズが選択可能である。米国特許出願第４，７４０，７９６号は、インクジェット印刷における泡核生成に関する基本的な原理を開示する。それは、液体インクを所定の温度まで事前加熱することなどによって、泡核生成の直前における液体インクの温度を制御して、既知の飛沫サイズを産み出すように成した、インク飛沫のサイズを操作する１つの技術としても一般に知られている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に拠れば、インクジェット印刷装置が設けられる。構造体が、多量の液体インクをその内部に保持する流路を画成する。流路に隣接する加熱要素は、それに対して加えられる電気エネルギーを熱エネルギーに変換するコンバータと、加熱表面を流路の内部に画成するディストリビュータとを包含する。当該ディストリビュータは、コンバータからの熱エネルギーを加熱表面を介して流路の中に放散させ、それによって流路内の液体インクの中に泡を核生成する。当該ディストリビュータは、コンバータよりも高い固有抵抗を有する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明を組み込んだサーマル・インクジェット印刷ヘッドのエジェクタの各部分を示す非常に簡略化された斜視図である。１つのエジェクタのみが示されているが、実際のサーマル・インクジェット印刷ヘッドは、典型的には１インチ当りで３００個から６００個のエジェクタが離間配置されるようにして、そのようなエジェクタを１００個又はそれ以上包含するものであることが理解されるであろう。図１で示されたものは、エジェクタを形成する流路が連結される２つのチップの間において形成されるように成した、「サイド・シューター（side-shooter）」印刷ヘッドとして知られるものの一般的な構造である。図１で示された印刷ヘッドは、参照番号１２として破線で示された「流路プレート（channel plate）」に対してその主要表面において連結されるヒータ・チップ１０を含んで成る。ヒータ・チップ１０は、当該分野では周知の一般的な半導体チップ設計であり、その主要表面において参照番号１４として示されるような数多くの加熱要素をそこに画成するものである。典型的には、印刷ヘッドにおけるすべてのエジェクタに関して１つの加熱要素１４が設けられることになる。ヒータ・チップ１０の主要表面において各々のエジェクタ１４に隣接するものは、流路プレート１２内における溝によって形成される流路１６である。流路プレート１２は、当該分野では周知である数多くのセラミック、プラスチック又は金属材料によって形成されることが可能である。チップ１０が流路プレート１２に対して当接されるとき、各々の流路１６は、ヒータ・チップ１０の隣接表面と共に完全な流路を形成し、１つの加熱要素１４は、図１で示されたように形成される流路の内部に加熱表面を配設することになる。
【０００８】
図１は、実際のサーマル・インクジェット印刷ヘッドの非常に簡略化された様式を示すものであり、実際の印刷ヘッドには、数多くのインク供給マニホルド、中間層、ピット層などが設けられることになる。しかしながら、図１で示されたものは、本発明を実行するために必要となる本質的な要素であり、十分に実際的な印刷ヘッドを形成するための更なる要素の追加は、以下で詳細に説明されるような本件請求の発明から除外されるものではない。
【０００９】
使用に際して、インク供給マニホルド（図示略）は、インクを流路１６から印刷シートへ噴射するときまで、毛管流路１６を満たしていることになる液体インクを供給する。流路１６からインクの飛沫を噴射させるためには、ヒータ・チップ１０内における加熱要素１４に対して小さな電圧が印加される。インクジェット印刷ヘッドの分野では周知であるように、加熱要素１４は、典型的には主として、所定の固有抵抗にドーピングされるヒータ・チップ１０の１つの領域である。加熱要素１４が本質的に抵抗体であるので、加熱要素１４は、その加熱表面（流路１６内に配設される加熱要素１４の表面として形成される加熱表面）を介して熱の形態において電力を放散させ、それによって加熱表面に直に隣接する液体インクを蒸発させることになる。この蒸発作用は、流路内にインク蒸気の泡を形成し、この泡の膨張が、液体インクを流路１６から印刷シートへと放逐して、印刷される所望の画像内におけるスポットを形成するのである。図１の図面で示されたように、インク供給マニホルドは、印刷ヘッドの背後に配設されるものとして意図されており、結果として、噴射されるインク飛沫は、図１の斜視図に拠れば当該ページから外へ出てくるように噴射されることになる。
【００１０】
図２Ａは、本発明に従った単一エジェクタにおいて見出されるような１つの加熱要素１４によって設けられる加熱表面を詳細に示している、ヒータ・チップ１０の主要表面の一部に関する平面図である。更に、図２Ａにおいて破線で示されるものは、ヒータ・チップ１０の主要表面に対してそれが連結される場合の流路プレート１２内における流路１６の境界線である。
【００１１】
本発明に拠れば、加熱要素１４は、所定の特殊な構造体を包含する。図示されたように、夫々に流路１６内における比較的小さな表面領域を占める２つの「コンバータ（converters）」２０ａ及び２０ｂが設けられ、比較的大きな「ディストリビュータ（distributor）」２２が、コンバータ２０ａ、２０ｂの間に加熱表面の大部分を設けることになる。添付請求項の目的のためには、「コンバータ」は、それに対して加えられる電気エネルギーを、最終的には流路１６内における液体インクに泡核生成するために使用可能である熱エネルギーに変換するように成した構造体であり、「ディストリビュータ」２２は、２０ａ、２０ｂのようなコンバータによって形成される熱エネルギーを配分し或いは放散させるように成した構造体である。実際的な観点から見れば、コンバータ２０ａ、２０ｂは、それに対して電気エネルギーが加えられる電極であり、ディストリビュータ２２は、一般に熱伝導性の構造体である。
【００１２】
図２Ｂは、図２Ａで示された加熱要素１４の配線略図である。加熱要素１４の全体的な構造は、並列の３つの抵抗体から構成される。コンバータ２０ａ、２０ｂは、図示されたように比較的低い固有抵抗のものであるが、ディストリビュータ２２の構造は、比較的高い固有抵抗のものであり、実際には電気的な絶縁体であることも可能である。両方の図面、図２Ａ及び図２Ｂを検討すると、コンバータ２０ａ、２０ｂは、流路１６内においてディストリビュータ２２によって概ね形成される加熱領域の周辺の各部分の廻りにおける比較的低い固有抵抗の帯域であることが重要である。図２Ｂで示されたように、並列の３つの抵抗体に対して電圧が印加されると、その電力の大部分は、コンバータ２０ａ、２０ｂを介して伝導し、比較的僅かなものだけがディストリビュータ２２を通過することになる。ディストリビュータ２２の機能は、コンバータ２０ａ、２０ｂの機能であるように成した、加えられた電気エネルギーを熱エネルギーに変換することではなく、コンバータ２０ａ、２０ｂによって形成された熱のディストリビュータとして機能することなのである。
【００１３】
サーマル・インクジェット印刷では、１つのエジェクタからの１回の噴射において形成されるインクの特定スポットのサイズは、当該エジェクタから噴射される液体インクの体積に依存する。続いて、各々のエジェクタから噴射されるインク飛沫のサイズは、主として、流路内において蒸発（核生成）されるインクの泡の体積に依存する。核生成される泡のサイズは、主には、参照番号１６のような流路内において利用可能である加熱表面のサイズの関数であり、一般的な観点から見ると、流路１６内における有効加熱表面が大きくなれば、結果として生じる蒸発インクの泡もまた大きくなり、更に、液体インクのより大きな体積が噴射されることになる。本発明の加熱要素の機能は、加熱領域の有効サイズに影響を与えることが可能になることであり、それによって、核生成されるインク泡のサイズの制御を可能にし、結果として、噴射されるインク飛沫の体積を制御することなのである。
【００１４】
図３は、本発明の作動原理を示すグラフである。当該グラフのｘ軸は、コンバータ２０ａからコンバータ２０ｂまで（図２Ａの図面において水平方向に）加熱要素１４を横断する通路に沿った間隔を示すものであり、一方、ｙ軸は、所定の条件の下においてこの通路に沿って生じる温度を示している。ｙ軸に沿ってＴNとして表示された直線は、インクジェット印刷において蒸発インクの所望の泡を形成するために使用される典型的な種類の液体インクに関する沸騰温度即ち核生成温度を示すものである。泡核生成は、局所的な液体インクの温度がＴN以上であるように成した、コンバータ２０ａ及び２０ｂの間におけるそれらの領域内においてのみ発生することになる。
【００１５】
図３において示された３本の曲線は、様々な特定の条件下におけるコンバータ２０ａ及び２０ｂの間の通路に沿った液体インクの局所的な温度を示している。Ａとして表示された曲線では、所定の電圧がコンバータ２０ａ及び２０ｂに対して印加されると、液体インクの温度は、コンバータ２０ａ及び２０ｂに向かって他の場所よりも高くなるが、いかなる場合も、液体インクが必要な泡核生成温度ＴＮを越えることにはならない。しかしながら、曲線Ａの全体的なプロフィールは、ディストリビュータ２２がコンバータ２０ａ、２０ｂからの熱エネルギーをその加熱表面を横断して配分する様式を示している。
【００１６】
曲線Ｂは、コンバータ２０ａ、２０ｂに対して僅かに大きなエネルギーが加えられる場合における温度プロフィールを示している。曲線Ｂの条件下では、コンバータ２０ａ及び２０ｂにおいて放散される電力は、曲線Ｂがコンバータに比較的接近した領域内において泡核生成温度ＴＮを越えるという事実によって示されるように、各々のコンバータに直に隣接する多量のインクが泡核生成することを可能にする十分なものである。曲線Ｂを曲線Ａに比較すると、曲線Ｂの存在を可能にする条件は、曲線Ａと比べてコンバータ２０ａ、２０ｂにおいて電圧が増大されることであり、及び／又は、曲線Ｂの条件の場合の「パルス幅（pulse width）」が長くされ、即ち、すべての噴射の事象に関して、必要な電圧がより長い時間周期に渡ってコンバータ２０ａ、２０ｂに印加されることである。
【００１７】
曲線Ｃを検討すると、コンバータ２０ａ、２０ｂに対して加えられるより大きな電力が、曲線をＴＮの上に押し上げることになり、これは、コンバータ２０ａ、２０ｂの近傍において比較的多量の液体インクが泡核生成されることを意味する。比較的多量の泡核生成は、結果として、比較的多量の噴射インク飛沫を生じることになる。簡単に言うと、図３において示された曲線がより高くなれば、流路１６内における蒸気泡が大きくなり、従って、噴射される飛沫も大きくなるのである。
【００１８】
本発明に拠れば、図３においてＡ、Ｂ及びＣで示された様々な曲線（又は当該グラフ内における何らかの潜在的な曲線）は、印加される電圧及び／又はパルス幅に応じて獲得され得るものであり、印加される電圧及び／又はパルス幅がより高くなれば、その噴射行動は、曲線Ｃにより接近して類似することになる。本発明の好適な実施例に拠れば、インクジェット・プリンタ内におけるインク噴射において制御されることが可能である最も有益な変数は、パルス幅であり、印加される電圧は実質的に一定のままに保たれる。従って、図２Ａで示されたような加熱要素１４の構造は、パルス幅が各々の噴射に応じて発生する泡核生成の量を制御すべく変更されることが可能であり、それによって、パルス幅の関数として生じるインク飛沫の体積に関する制御を許容するように成した、システムを可能にするのである。電圧ｖＰ及び／又はパルス幅ｔＰを制御するための手段は、電源３０として示されるものであり、そのような電源の基本的な構造は、当該分野における熟練技術者にとっては明白であろう。
【００１９】
本発明に従えば、飛沫サイズは、理論的には、印刷ヘッドのための電源に関する現在の実際的な設計の大部分において、電圧及び／又はパルス幅の連続的な変動によって連続的に変更され得るものであることになるが、その電圧及びパルス幅は、連続的ではなく一定の増分に従って変更されている。
【００２０】
図２Ａに戻って参照すると、コンバータ２０ａ、２０ｂは、この特殊な実施例では、比較的低い固有抵抗のものである材料から構成される。コンバータ２０ａ、２０ｂのための好適な材料は、高度にドーピングされたポリシリコン又はアルミニウム金属被覆を包含するものであり、必要に応じて腐食を防止する保護層によって被覆されることが可能である。更にコンバータのために有益であるものは、タンタル及び／又はプラチナのような金属によってドーピングされたシリコンのようなケイ化物である。ディストリビュータ２２のための材料は、コンバータ２０ａ、２０ｂと比べて比較的高い固有抵抗のものであるべきであり、それと同時に、ディストリビュータ２２のための材料は、比較的高い熱伝導性のものでもなければならない。ディストリビュータ２２のための好適な材料は、タンタル又は比較的低くドーピングされたポリシリコンを包含する。更にディストリビュータのために有益であるものは、金属又はダイヤモンド状のカーボンであることも可能である。全体像として、コンバータ２０ａ、２０ｂは、電気の良導体であるべきであり、それによって、熱エネルギーに対する電気の転換を容易にするものであるのに対して、流路１６内における露出したディストリビュータ２２の比較的大きな露出表面は、結果として生じる熱エネルギーがそれを介して加熱表面から流路１６内の液体インクに対して放散され得ることになる領域を提供するのである。
【００２１】
図２Ａで示されたような加熱要素１４に関して提案された１つの実際的な実施例では、長さ（図面の視野における縦方向）が２００マイクロメータである加熱要素１４は、夫々に幅（図面の視野における水平方向）がほぼ２マイクロメータであるコンバータ２０ａ、２０ｂを包含するものであり、そのディストリビュータ２２は、幅が１８マイクロメータである。
【００２２】
図４Ａは、本発明の加熱要素１４の代替的な実施例であり且つ何らかの点で好適である実施例に関する平面図であり、図４Ｂは、それに関する配線略図である。図４Ａ及び図４Ｂでは、図２Ａ及び図２Ｂに比較して、同様の参照番号が同様の機能的な要素を示すものではあるが、所定の重要な構造的相違が存在する。図４Ａにおいて示された加熱要素１４では、加熱表面の周辺に沿って２０ａ及び２０ｂのようなコンバータを設ける代わりに、それらのコンバータは、加熱表面を横断して延在するように成した、一連のストリップとして配置される。図４Ｂで示されたように、２０ａ−２０ｄとして表示されたこれらの個別的なストリップは、結局は、上述の実施例における並列とは対照的に、電源３０に対して直列に接続されるのである。
【００２３】
本発明のこの実施例に拠れば、各々のストリップ２０ａ−２０ｄの抵抗は、図示されたようにコンバータの間に挿入されるように成したディストリビュータ２２を形成する表面に比べて比較的高いものである。そのような構造体は、例えば、ディストリビュータ領域２２を形成するポリシリコンに比べて、コンバータ２０ａ、２０ｂに対応する領域内においてポリシリコンの低いドーピングを設けることによって、形成されることが可能である。再び、この実施例でもまた、コンバータ２０ａ−２０ｄの機能は、それに対して印加された電圧を熱エネルギーに変換することであり、ディストリビュータ２２に対応する領域の機能は、コンバータによって形成された熱を配分することである。再び、ここでもまた、各々の噴射に応じてコンバータに対して加えられる電圧及び／又はパルス幅が大きくなれば、必要な泡核生成温度ＴＮの大きな領域が加熱要素１４によって形成される加熱表面に存在して、より大きな蒸気泡が生じることになる。
【００２４】
図４Ａで示された概略的な設計の加熱要素１４を有するエジェクタに関して提案された１つの実施例では、２００マイクロメータの全長（図面の視野における縦方向）を有する加熱要素は、夫々に２マイクロメータの幅（図面の視野における縦方向）の５つのコンバータ２０ａ、２０ｂなどを包含する。それらのコンバータの幅は、ディストリビュータの幅の２５％より小さいか又はそれと等しいものであるべきである。
【００２５】
図２Ａ−図２Ｂ及び図４Ａ−図４Ｂの両方の実施例では、個別的な蒸気泡の個数は、各々の噴射に応じて、概ねすべてのコンバータについて１つの泡を産み出すものであることが留意されることになる。インクジェット印刷のための加熱要素に関する先行技術の大部分の設計では、１つのみの蒸気泡を各々の噴射に応じて形成する手段を設けることが典型的である。複数の蒸気泡が各々の噴射に応じて形成され得るという事実は、エジェクタの全体的な性能に実質的な影響を有するものではないが、一般に、各々の噴射に応じて生じる蒸気泡のすべてがほぼ同じサイズであって、その結果、各々の噴射に応じて生じる複数の蒸気泡の１つが他のものを超越するものではないことが好適である。比較的大きな蒸気泡を形成する場合には、いずれにしても、複数の同時発生的な蒸気泡は、飛沫を噴射する過程において融合する傾向を有することになる。
【００２６】
本発明は、開示された構造体に関連して説明されてきたが、それは、記載された細部に対して限定されるものではなく、添付請求項の範囲の中に包含され得るような修正又は変更をもカバーするものとして意図されるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明と共に使用されることになるようなサーマル・インクジェット・エジェクタの基本的な要素を示す、簡略化された斜視図である。
【図２】２Ａは、本発明の１つの実施例に従った加熱要素に関する平面図であり、２Ｂは２Ａの加熱要素に関する配線略図である。
【図３】加熱要素からの距離の関数として、図２Ａで示されたような加熱要素において様々な条件下で生じる温度を示すグラフである。
【図４】４Ａは、本発明のもう１つの代替的な実施例に従った加熱要素に関する平面図であり、４Ｂは４Ａの加熱要素に関する配線略図である。

Claims

インクジェット印刷装置であって、
多量の液体インクをその内部に保持するための流路を画成する構造体と、
流路に隣接する加熱要素とを含んで成り、
当該加熱要素は、それに対して加えられる電気エネルギーを熱エネルギーに変換する第１及び第２の抵抗体を含むコンバータと、
流路の内部であって前記第１の抵抗体と第２の抵抗体との間に加熱表面を画成するディストリビュータとを含み、ディストリビュータは、コンバータからの熱エネルギーを加熱表面を介して流路の中に放散させる基本機能を有し、これによって流路内の液体インクの中に泡を核生成するものであり、ディストリビュータは、コンバータよりも高い固有抵抗を有する材料を含み、
さらに、コンバータの第１の抵抗体は、コンバータの第２の抵抗体と並列に接続され、加熱要素は、電源とアースとの間に接続さている、インクジェット印刷装置。
インクジェット印刷装置であって、
多量の液体インクをその内部に保持するための流路を画成する構造体と、
流路に隣接する加熱要素とを含んで成り、
当該加熱要素は、それに対して加えられる電気エネルギーを熱エネルギーに変換するコンバータと、
加熱表面を流路の内部に画成するディストリビュータとを含み、ディストリビュータは、コンバータからの熱エネルギーを加熱表面を介して流路の中に放散させる基本機能を有し、これによって流路内の液体インクの中に泡を核生成するものであり、ディストリビュータは、コンバータよりも高い固有抵抗を有する材料を含み、
さらに、コンバータは、加熱表面を横断して延在する第１ストリップの内部及び加熱表面を横断して延在する第２ストリップの内部に配置され、第１ストリップ及び第２ストリップは、電気的に直列に直接接続され、加熱要素は、電源とアースとの間に接続さている、インクジェット印刷装置。