JP4130715B2 - 可変接触のインク粒子偏向による連続式インクジェットプリンタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概して、デジタル制御印刷装置に関し、特に、液体インクの流れがその周期的な外乱により小さな粒子に分割される一つの基盤上に複数のノズルを内蔵する連続式インクジェットプリントヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術、及び、発明が解決しようとする課題】
現在までに、多くの異なるタイプのデジタル制御印刷システムが発明されてきて、多くのタイプが現在も生産されている。これら印刷システムは、種々の作動機構、種々の印刷材料、および種々の記録媒体を使用する。現在使用されているデジタル印刷システムの例としては、レーザ電子写真プリンタ、ＬＥＤ電子写真プリンタ、ドットマトリックス衝撃式プリンタ、サーマルペーパープリンタ、フィルム記録装置、サーマルワックスプリンタ、ダイ拡散サーマル転写プリンタ、およびインクジェットプリンタ等がある。しかし、現在のところ、従来の機械式印刷機が多くの高価な設定を必要とし、特定のページを数千枚印刷するのでなければ、商業的に引き合わないにも拘らず、機械式印刷機が依然として使用されていて、前記電子印刷システムは、それに取って代わるほどには普及していない。それ故、例えば、普通紙を使用して、高速で安いコストで高品質のカラー画像を印刷することができる、改良型のデジタル制御印刷システムが求められている。
【０００３】
インクジェット印刷は、例えば、衝撃音がなく、ノイズが少ないという特性を持ち、普通紙を使用することができ、トナー転写および定着を必要としないので、デジタル制御電子印刷の分野での有力な候補であると認められている。インクジェット印刷機構は、連続式インクジェットまたはドロップオンデマンド・インクジェットに分類することができる。連続式インクジェットの歴史は、少なくとも１９２９年の昔に遡る。ハンセルの米国特許第１，９４１，００１号参照。
【０００４】
１９６７年付けのスウィート他の米国特許第３，３７３，４３７号は、印刷用のインク粒子に選択的に電荷を与え、記録媒体の方向に偏向される連続式インクジェットノズルのアレイを開示している。この技術は、２進偏向連続式インクジェットと呼ばれ、エルムジェットおよびサイテックスを含むいくつかのメーカーが使用している。
【０００５】
１９６６年付けのヘルツ他の米国特許第３，４１６，１５３号は、小さな開口部を通過する粒子の数を変調するために、電荷を持つインク滴の流れを静電気により分散させて、連続式インクジェット印刷の印刷した点の光学的濃度を変化させる方法を開示している。この技術は、イーリス社のインクジェットプリンタで使用されている。
【０００６】
１９７４年付けのイートンの米国特許第３，８７８，５１９号は、帯電トンネルおよび偏向プレートによる静電偏向を使用して、液体の流れの中で粒子の形成を同期させるための方法および装置を開示している。
【０００７】
１９８２年付けのヘルツの米国特許第４，３４６，３８７号は、電位勾配を持つ電界内に位置する滴形成点で、圧力が加えられた液体の流れを分解することにより形成された、粒子上の電荷を制御するための方法および装置を開示している。滴の形成は、その形成点で、粒子に与える必要な、予め定めた電荷に対応する電界内の一点で行われる。実際に滴を偏向するには、帯電トンネルの他に偏向プレートが使用される。
【０００８】
従来の連続式インクジェットは、流れの中で滴が形成される点の近くに置かれた、静電帯電トンネルを使用する。この方法の場合、個々の滴に電荷を与えることができる。電荷を持った滴は、その間に大きな電位差を持つ偏向プレートにより、下方に偏向することができる。電荷を持つ滴を途中で捕捉するために、（「捕捉装置」とも呼ばれる）ガターを使用することができ、一方、電荷を持たない滴は、自由に記録媒体に衝突する。本発明の場合には、静電帯電トンネルは必要ない。
【０００９】
本発明の一つの目的は、連続式インクジェット法を使用するページ幅印刷を行う高速装置および方法を提供することである。前記装置および方法により、滴の形成および偏向を高速で行うことができる。
【００１０】
本発明の他の目的は、低コストで大量製造することができるシリコン処理技術の利点を使用するプリントヘッドと一緒に内蔵することができる滴偏向手段を持つ、連続式インクジェット印刷を行うための装置および方法を提供することである。
【００１１】
本発明のさらに他の目的は、非常に種々の様々のインクを使用することができる高速印刷を行うための装置および方法を提供することである。
【００１２】
本発明のさらに他の目的は、静電帯電トンネルを必要としない連続式インクジェット印刷を行うための装置および方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明の一つの特徴は、連続したインクの流れがノズルから噴出する連続式インクジェットプリンタでインクを制御するための装置およびプロセスを含む。この場合、インク流発生装置は、前記流れが、前記インク流発生装置から離れた位置で、複数の粒子に分解するように前記流れの中に連続したインク流を形成する。流れ偏向装置は、前記インク流発生装置と、前記流れが複数の粒子に分解される位置との間に、前記流れに隣接している表面を持つ本体を含み、そのため、前記流れは、前記表面と接触し、液体−固体間自由エネルギーに比例して、面に接触する液体の傾向により少なくともその一部が偏向する。前記流れは、液体−固体間自由エネルギーに比例して、面に接触する液体の傾向により、ほぼ全面的に偏向する場合もあるし、または、液体−固体間自由エネルギーに比例して、面に接触する液体の傾向により部分的に偏向する場合もあるし、また、前記流れが前記面と衝突したために面が前記流れに加える反動の力により部分的に偏向する場合もある。
【００１４】
本発明の他の特徴は、電極および滴偏向制御回路が、前記本体に対して、選択的にインクに電位を与えることができ、それにより、印刷方向と非印刷方向との間で前記流れの方向を制御するために、前記インクと前記面との間の単位面積当たりの表面エネルギーを変化させることである。
【００１５】
本発明のさらに他の特徴は、複数の流れ偏向装置をノズル孔部の周囲に配置することができることである。前記本体は、電気的に相互に分離されていて、個々に作動され、それにより一つまたはそれ以上の前記孔部の任意のものに加えられた、選択した電圧により選択的に流れの方向を変えることができる。
【００１６】
本発明、その目的および利点は、下記の好適な実施形態の詳細な説明を読めば、もっとはっきりと理解することができるだろう。
【００１７】
【発明の実施の形態】
下記の本発明の好適な実施形態の詳細な説明においては、添付の図面を参照する。
図１は、本発明の一つの例示としての印刷装置の簡単なブロック図；
図２は、可変接触の湿りによる粒子偏向を持つノズルの一部の断面図；
図３は、図２のノズルの平面図である。
【００１８】
下記説明は、特に本発明の装置の一部を形成する複数の素子、または本発明の装置ともっと直接的に協力する複数の素子に関する。特に図示または説明しない素子は、当業者には周知の種々の形をとることができることを理解されたい。
【００１９】
図１について説明すると、連続式インクジェットプリンタシステムは、ラスタ画像データ、ページ記述語の形での概略の画像データ、または他の形のデジタル画像データを供給する、スキャナまたはコンピュータのような画像源１０を含む。前記画像データは、同様にメモリに画像データを記憶する画像処理ユニット１２により、ハーフトーンのビットマップ画像に変換される。複数の滴偏向制御回路１３は、画像メモリからデータを読み取り、滴偏向手段１５に、時変電気パルスを供給する。前記時変電気パルスは、プリントヘッド１６の一部である、図２の一組のノズルヒータ５０に、電気エネルギーを供給する複数のヒータ制御回路１４に送られる。これらのパルスは、適当な時間に適当なノズルに供給されるので、連続式インクジェットの流れから形成されたインク滴は、記録媒体１８上の前記画像メモリのデータが指定する適当な位置に点を形成する。
【００２０】
記録媒体１８は、記録媒体移動システム２０により、プリントヘッド１６に対して移動するが、前記記録媒体移動システムは、記録媒体移動制御システム２２により電子的に制御され、前記記録媒体移動制御システムは、マイクロコントローラ２４により制御される。図１の記録媒体移動システムは略図に過ぎず、異なる多くの機械的構成が可能である。例えば、記録媒体１８へのインク滴の転写を容易にするために、転写ローラを、記録媒体移動システム２０として使用することができる。前記転写ローラ技術は、当業者には周知のものである。ページ幅プリントヘッドの場合には、記録媒体１８を固定プリントヘッドの前を通して、移動させるのが最も好都合である。しかし、走査印刷システムの場合には、相対的ラスタ運動中に、プリントヘッドを一方の軸（サブ走査方向）に沿って移動し、記録媒体を直交軸（主走査方向）に沿って移動させるのが最も好都合である。
【００２１】
マイクロコントローラ２４は、またインク圧レギュレータ２６、滴偏向制御回路１３およびヒータ制御回路１４を制御することもできる。インクは、圧力が加えられた状態で、インクタンク２８内に含まれる。印刷を行っていない場合には、連続式インクジェット滴の流れは、インクガター１７が前記インクの流れを阻止するために、記録媒体１８に届くことができず、インクの一部は、前記インクガターによりインク再使用ユニット１９により回収することができる。前記インク再使用ユニットは、インクの状態を再度調整し、タンク２８に送り返す。前記インク再使用ユニットは、当業者には周知のものである。最適動作に適するインク圧は、ノズルの幾何学的形状および熱特性、およびインクの熱特性を含む多くの要因により違ってくる。インク圧レギュレータ２６の制御下で、インクタンク２８に圧力を加えることによりインク圧を一定にすることができる。
【００２２】
インクは、インクチャネル装置３０により、プリントヘッド１６の背面に移動することができる。インクは、好適には、プリントヘッド１６のシリコン基盤をエッチングにより貫通している複数のスロットおよび／または孔部を通して、複数のノズルおよびヒーターを含むその前面に流れることが好ましい。シリコンから作ったプリントヘッド１６の場合には、プリントヘッドと一緒に滴制御回路１３およびヒータ制御回路１４を内蔵させることができる。
【００２３】
図２は、本発明の好適な実施形態の、図１の連続式インクジェットプリントヘッド１６を形成する、前記チップのアレイの一つのノズルの先端の断面図である。複数のノズル孔部４６と一緒に、インク供給チャネル４０が、この実施形態の場合にはシリコンである基盤４２にエッチングにより形成される。インク供給チャネル４０およびノズル孔部４６は、ノズル孔部を形成するために、ｐ⁺エッチング阻止層を使用することにより、シリコンを異方性湿式エッチングすることにより形成することができる。インク供給チャネル４０の導電インク７０には、大気圧以上の圧力が掛けられ、インクの流れ６０が形成される。ノズル孔部４６の上のある距離のところで、流れ６０は、ヒータ５０からの熱により複数の粒子６６に分解する。
【００２４】
前記流れは、ノズルを離れた後であって、粒子６６に分解する前に、固体の表面の層８０と接触する。前記表面の層８０は、導電性本体８１をカバーする。流れが表面層８０、すなわち、流れの方向にほぼ沿った方向の接触領域と接触すると、偏向が起こる。本発明の優れた特徴は、表面層８０と接触した後で、流れが粒子に分解することである。好適には、ノズルから、表面８０に接触した時、流れが円筒形の形のままで残るようにするために、流れと表面層との間の最も遠い接点までの距離は、ノズルから、ヒータ５０からの熱により流れが粒子に分解する流れの点までの距離より短いか、ほぼ等しいことが好ましい。この技術は、そのそれぞれの流れからすでに分離した滴の偏向を使用する連続流れ偏向プリンタの従来技術のシステムとは異なるものである。
【００２５】
表面層８０は、液体−固体間の自由エネルギーに比例して、固体面に接触する流れの液体インク７０の傾向により流れ６０を偏向する働きをする。面と接触している静的液体のプロファイルの特性についての当業者には周知のこの現象を本発明に適用することにより、面と接触している液体の流れの運動のプロファイルを容易に知ることができる。液体−固体間の自由エネルギーに対しては特定の影響はないが、運動する液体を使用することによって、その後で分離した滴の位置を制御することができる。本体８１および表面層８０が流れから引き離された場合、図２に示すように、流れは、流れがそうでなければ向けられた流れの方向より、大きく偏向する。この実施形態の場合には、その形が固体面との接触により変形している静的液体の場合と同じように、インク７０と流れが表面層８０と接触する表面層８０との間の物理的接触によるシステムの自由エネルギーの増加により、流れは表面層８０の方向に偏向される。偏向の他のモードは、導電性の本体８１を流れの中心により近いところ（図２の左の方向）に位置させ、それにより流れを接触領域とは反対側の方向に偏向させることによって行うことができる。この場合、偏向は表面自由エネルギー効果により部分的にのみ行われ、また前記流れが前記面と衝突したために表面層が前記流れに加える反動の力によっても行われる。
【００２６】
本発明の流れ６０の選択的な偏向は、インク７０と表面層８０との間の、表面エネルギーの電気的誘導による変化を変え、それにより流れの偏向の大きさを変えることにより行われる。表面エネルギーのこの変化は、導電性本体８１と、インク７０と電気的に接触している電極８３との間に電位差を選択的に加えることにより起こすことができる。前記電位差は、滴偏向制御回路１３により制御される。図２は、インク７０の電位を制御するために、孔部４６またはその近くに設置された電極８３を示す。別の方法としては、その電位を制御するためのインクとの電気的接触を、インク供給チャネル４０の壁部として使用することができる金属面のような導電性の面を使用して行うことができる。また、静電学の当業者なら周知のように、誘電体フィルム（図示せず）により、電極８３がインクから完全に分離している場合のように、容量結合によりインク７０の電位を制御することも好ましいことである。偏向の大きさは、液体と表面層８０との間の単位面積当たりの表面エネルギーに加えられる電位、および表面層８０の幾何学的形状による変化の大きさにより決まる。表面層８０が薄い場合には、液体インクの流れと表面層８０との間の表面自由エネルギーを変化させるのに必要な電位の数値は、好都合なことに大きくない。例えば、表面層８０は、好適には、１００ から１μｍの厚さであることが好ましい。液体−固体接触角度の研究から周知のように僅か数ボルトを掛ければ、電位が掛けられていない場合、自由エネルギーの少なくとも１０％の自由エネルギーの電荷を与えることができる。表面自由エネルギーの変化は、インク７０および導電性本体８１に誘導された電荷により、またインク７０と表面層８０との間のインターフェースのところに化学薬剤を吸収させることにより起こすことができる。
【００２７】
表面層８０の幾何学的形状は、液体−固体間の自由エネルギーが変化した時起こる流れと表面層との接触面積の変化の大きさを決定し、また最初の流れの偏向の変化の大きさも決定する。この幾何学形状は、必要な範囲の滴偏向が起こるように有利に選択することができる。本発明の場合には、流れは何時でも偏向していて、最終的な偏向は、偏向を選択的に変調することによって決まるということを認識することが重要である。
【００２８】
一つの導電性本体８１による一つの方向の流れの変化により本発明を説明してきたが、一般的には、印刷される対象物上のインク滴の位置の誤差を修正するために、任意の方向に流れの向きを変える必要がある。それ故、本発明の範囲は、一方の方向に流れを変化させることに限定されず、図３の平面図に示すように、相互に、ある角度、例えば、９０度に配置した一つ以上の方向変更手段を設置することにより複数の方向に流れの方向を変える手段を含む。図３においては、相互に電気的に分離している四つの導電性本体８１は、前記導電性本体８１の任意の一つに掛けられた電圧に対応する四つの方向の中の任意の方向に流れの向きを変えることができるように配置される。例えば、隣接する導電性本体８１に同時に電圧を掛けることにより、導電性本体８１の間の任意の方向に、流れの向きを変えることができる。例えば、図３は、この図の矢印で示す方向に流れを変更させるために、各導電性本体８１に掛けられている電圧Ｖ₁およびＶ₂を示す。好都合なことに、電圧Ｖ₁およびＶ₂の記号は違っていてもよい。何故なら、任意の一つの導電性本体８１の偏向方向は、掛ける電圧の記号に左右されないからである。このように選択することにより、流れに起こる全電荷を最小限度まで少なくすることができる。何故なら、反対の記号の電荷が、第一および第二の導電性本体の近くの流れの中に起きるからである。
【００２９】
本発明を実行する際には流れのアレイは必要ないが、印刷速度を速くするためには、流れのアレイを備える装置が望ましい場合もある。その場合、一本の流れのところで説明したように、簡単で物理的にコンパクトな方法で、個々の流れの偏向および変調を行うことができる。何故なら、前記偏向は、例えば、ＣＭＯＳ技術のような、従来の集積回路技術により容易に供給することができる低い電位を掛けるだけで行うことができるからである。
【００３０】
特に好適な実施形態を参照しながら、本発明を詳細に説明してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなしに種々の変更および修正を行うことができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの例示としての印刷装置の簡単なブロック図である。
【図２】可変接触の湿りによる粒子偏向を持つノズルの一部の断面図である。
【図３】図２のノズルの平面図である。
【符号の説明】
１０ 画像源
１２ 画像処理ユニット
１３ 滴偏向制御回路
１４ ヒータ制御回路
１５ 滴偏向手段
１６ プリントヘッド
１７ インクガター
１８ 記録媒体
１９ インク再使用ユニット
２０ 記録媒体移動システム
２４ マイクロコントローラ
２６ インク圧レギュレータ
２８ タンク
３０ インクチャネル装置
４０ インク供給チャネル
４２ 基盤
４６ ノズル孔部
５０ ノズルヒータ
６０ インクの流れ
６６ 粒子
８０ 表面
８１ 導電性本体
８３ 電極

Claims (2)

1. 連続したインクの流れがノズルから噴出する連続式インクジェットプリンタでインクを制御するための装置であって、
   前記ノズルから連続したインクの前記流れを形成し、前記ノズルから離れた場所で当該流れが複数の粒子に分解するインク流発生装置と、
   前記ノズルと直接隣接して位置する表面を有する導電性の本体を有し、前記流れが前記ノズルから出るとすぐに前記表面と接触して前記流れが前記粒子に分解される位置に到達するまで前記表面と接触し続け、インクの前記流れと導電性の前記本体の前記表面との間における表面エネルギーの電気的な変化を生じさせることにより、前記流れが少なくとも部分的に偏向される流れ偏向装置とを備える装置。
2. 連続したインクの流れがノズルから噴出する連続式インクジェットプリンタでインクを制御するためのプロセスであって、
   連続するインクの前記流れを前記ノズルから形成し、該ノズルから離れた場所で前記流れが複数の粒子に分解するステップと、
   前記ノズルと直接隣接して位置する表面を有する導電性の本体に前記流れを接触させ、前記流れが前記ノズルから出るとすぐに前記表面を接触して前記流れが前記粒子に分解する位置に到達するまで前記表面と接触し続けるステップと、
   インクの前記流れと前記導電性本体の前記表面との間における前記表面エネルギーを電気的に変化させることにより、前記流れを偏向させ、これにより、前記流れの偏向量を偏向するステップとを備えるプロセス。

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