JP4256487B2 - サーマルインクジェット印刷システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーマルインクジェットプリンタのインク循環システムに関し、更に詳細には、プリントヘッドを通る連続パス内でインクを循環させ、プリントヘッドのインクチャネル及びノズル内における短いインクの待ち時間により生じるマイナス影響を抑えるシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
サーマルインクジェット印刷は、熱エネルギーを用いてインク充填チャネル内に気泡を生成して液滴を放出する即時滴下(drop-on-demand)型インクジェット印刷として特徴付けられる。サーマルインクジェットプリントヘッドは熱エネルギー生成装置又は加熱要素(通常抵抗器)を含み、この熱エネルギー生成装置又は抵抗器はチャネル内でインク放出ノズルの近くの所定距離のところに配置されている。抵抗器は入力印刷信号に応答して電気パルスにより別々にアドレスされ、インクを瞬時に蒸発させて気泡を生成し、インクの液滴を放出する。
【0003】
インクジェットプリントヘッドは、プリントヘッドの側面からインクが放出される”サイドシューティング”システム、又はプリントヘッドの頂部からインクが放出される”ルーフシューター”として特徴付けられる。サイドシュータープリントヘッドの例は、ホーキンスらの米国特許Re:32,572号及びトーペー(Torpey)らの米国特許第4,638,337号に開示されている。ルーフシューター型プリントヘッドは米国特許第4,910,528号に開示されている。いずれのタイプのプリントヘッドにおいても、インクはインクリザーバからノズルに供給される。このインクリザーバはインクタンク又はインクバックであってもよく、インクチャネルを介してインク放出ノズルに連結されている。インクは毛管作用によって及び所定の負のシステム圧力のもとにインク源から引き出される。関連する加熱抵抗器を選択的に通電することによってインクはノズルを通って連続的に放出される。インクがノズルから放出されるとほとんど同時に、リザーバからインクが補給される。
【0004】
従って、従来技術のインク循環は、毛管作用フローの1つとして特徴付けることができる。加熱抵抗器に電気パルスが送られて関連するノズルからインクは放出されるまで、インクはインクチャネル内であって加熱抵抗器及びノズルの近くに静止したままである。このタイプのインク搬送システムの1つの問題点は、印刷していない間にチャネル内でインクが停滞し得ることである。この停滞による不都合な結果は、インク内の水分がある程度蒸発することによってインクが濃くなり、しだいに液滴の放出に悪影響を与えることである。プリントヘッドがかなり長い間動作しないままであると、インクが完全に乾き切ってしまうことがある。
【0005】
このインクの蒸発問題の1つの解決方法は、メンテナンスステーションにインクジェットを定期的に移動させ、プリントヘッドをプライム(迎え液を入れること)してノズルを介してインクをサンプに入れることである。この解決方法はインクを浪費し、印刷システムの処理能力を低下させる。更に、水分が濃縮することによっていくらかのインクの待ち時間が非常に短くなり、プライムステーションに何度も移動しなければならない。
【0006】
米国特許第4,929,963号は、非毛管現象インクフローチャネルを含むルーフシューター型プリントヘッドを開示している。低圧ポンプシステムによってインクはチャネル内を循環する。実際に放出されるインクはフローチャネル内のインクから抽出されるが、インク加熱抵抗器を含む毛管現象チャネル(この特許の図2)に運ばれる。従って、チャネル内のインクは、チャネルを通るインクフローが続いていても、非印刷モードの間は静止している。
【0007】
米国特許第4,809,015号は、ポンプ及びフィルタを含む閉塞ループインク循環システム(この特許の図2)を有するプリントヘッドを開示している。
【0008】
先に引用した参考文献はどれも、インク放出領域(加熱抵抗器及びノズル領域)を介して連続的なインク移動を提供するインク循環システムを開示していない。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の第1の目的は、インクの待ち時間の度合いを変化させて広範囲のインクを受け入れることができるインクジェット印刷システムを提供することである。
【0010】
本発明の第2の目的は、永い間印刷していない後でも、最適なジェット性を維持することができるインクジェット印刷システムを提供することである。
【0011】
本発明の第3の目的は、プリントヘッドの周期的プライミングを必要としないで、インクの待ち時間を維持することである。
【0012】
本発明のこれら及び他の目的は、非毛管現象チャネルを介してインクリザーバから抵抗器/ノズル領域を過ぎて再びインクリザーバまでループ構造でインクを循環させる、インク流体循環システムを提供することによって達成される。圧力ヘッドを生成し、定圧ポンプを使用することによって、インク流体チャネル内及びノズルに形成されたインクメニスカスに適度な圧力が生成される。
【0013】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明の第1の態様は、インクジェットプリントヘッドの内部チャネル及びノズルを介してインクを連続的に循環するサーマルインクジェット印刷システムであって:インクの入口及び出口を有するプリントヘッドを含み、前記プリントヘッドの中には前記入口から前記出口まで流体フロー用のインクパスを生成する複数のインクチャネルが形成されており、前記プリントヘッドは複数の加熱抵抗器からなる直線アレイを更に有し、前記各加熱抵抗器は前記ノズルのうち1つと関連しており、前記加熱抵抗器を選択的に通電して前記関連するノズルを介してインクの液滴を放出させるための電気回路を含み、前記プリントヘッドの前記入口に連結され大気圧に開放されるインク供給リザーバであって、前記入口の圧力が前記出口の圧力よりも高くかつ前記ノズルのゲージ圧が負となり、かつ非排出モードの間に前記ノズルの近くのインクに安定した凹状のメニスカスを形成してインクを前記ノズルから流れ出ないように前記インクパスに沿ってフローさせるように、前記プリントヘッドに対して配置される前記インク供給リザーバを含み、前記インク供給リザーバと前記出口との間を接続するポンプを含む。
【0014】
本発明の第2の態様は、前記インクチャネルの一部がプリントヘッドの正面に形成された溝によって形成され、前記プリントヘッドの正面に前記ノズルが設置された、上記のサーマルインクジェット印刷システムである。
【0015】
本発明の第3の態様は、プリントヘッドと同じ高度であるスタンバイ位置から低高度にインクリザーバを移動させて必要な圧力勾配を確立し、流体フロー用の前記インクパス内の圧力を気圧以下に確立するためにポンプを起動する、上記のサーマルインクジェット印刷システムである。
【0016】
【発明の実施の形態】
図1及び図2を参照すると、連続的インク循環を有する印刷システムの第一の実施の形態の拡大概略等角図が表されている。プリントヘッド10は、溝の付いた上部基板12を低部加熱基板14に接着させて形成される。上部基板12の中には複数のインクチャネル16が形成されており、これらのチャネル16はインクマニホルド18に接続されている。また、上部基板の低面には複数の溝20が形成されており、この上部基板を低部基板に接着すると、チャネル22が形成される。上部基板の背面にはインクの入口24及びインクの出口26が設けられている。上部基板の正面28には複数の溝30が形成されている。加熱基板14の頂面には複数の加熱抵抗器32が形成されており、各抵抗器はチャネル22の各々の正面端部に位置している。抵抗器は従来技術で公知であるように、チャネル表面上、又は上に被せられた絶縁層の中に形成されたピットの中に形成されてもよい。
【0017】
正面28はにはオリフィスプレート34が接着されている。このプレートの中には複数のノズル36が形成されており、各ノズルはチャネル22内に配置された加熱抵抗器32と操作上関連している。オリフィスプレート34は溝30に被せられており、チャネル31を形成している。ノズル36の表面を含むオリフィスプレート34の内部表面にインクに対する湿潤性を持たせて製造又は改造する一方、オリフィスプレート34の正面をインクに対して非湿潤性であるように製造又は改造することが有利である。
【0018】
インク供給リザーバ38は管40によってインクの入口24に接続されている。ポンプ46は管44によってインクの出口26に接続されている。ポンプ46は管45によってリザーバ38にも接続されている。リザーバ38は、以下に説明する理由のために、プリントヘッドに関して垂直に移動可能である。プリントヘッドの構造の更に詳細な点については、本発明の記述を簡略化するために省いた。当業者には公知であるように、及び上記のサイドシューターについての特許を参照して、エッチング及び/又はダイシング技術を用いてインクフローチャネル及び正面溝を形成する。境界面は良く知られた耐インク性接着材を用いてシールする。抵抗器からドライブ回路まで電気的に接続することが一般的である。
【0019】
図1及び図2を参照すると、プリントヘッド10を通るインクフローパスはチャネル16、チャネル31及びチャネル22によって形成された矩形通路を通っている。矩形チャネルを通して粘性流体を定常フローさせるには、フロー方向に負の圧力勾配を必要とする。これは、チャネル16への入口にかかる圧力が、流体がプリントヘッドから出るチャネル22の端部にかかる圧力よりも高くなければならないことを意味する。更に、オリフィスでのインクのゲージ圧が最適にはやや負(−1/4インチH2 O〜−5インチH2 O)であることが公知である。この圧力及びインク供給システムの粘性抵抗を超えるのに必要な圧力は、大気圧によりインク供給リザーバ38を開閉したり、印刷するときにリザーバをプリントヘッド10に関して適当な高さに配置することによって、提供される。図2に表されたように、プリントヘッド及びインク供給リザーバは、スタンバイのときは本質的に同じ高さである。印刷が必要なとき、又は印刷ができる状態が起動されたとき、適度な圧力(所与のインクフローのためのインク供給システムの残りの圧力降下を含む)になるように、インク供給リザーバが上昇される。作動要素、ポンプ46は作動し、プリントヘッドから供給リザーバへインクをくみ上げたりプリントヘッドに戻したりする。次に、メニスカスとリザーバとの間の圧力ヘッド(圧力水頭)により、インクをプリントヘッドからリザーバに逆輸送する。この方法は、クラッドフィードバック又はインクモニタリングのみが必要であるように、充分な許容範囲(自由度)を提供する。正面28上の溝30を通してインクを移動させるのに必要な最大圧力差は5.4インチH2 Oのみであり、インク供給システムの他の部分をより大きくして好ましくは多くのジェットを供給することができるので、高度変更はプリンタの制限内で簡単に行うことができる。
【0020】
本発明の原則に従って、他のインク循環パスの実施の形態が可能である。図3は、図2のバリエーションを表し、ここではプリントヘッド10のチャネル22の下のヒータ基板14には更にチャネル50が形成されている。この実施の形態のインクパスは、入口51からチャネル16、31及び50を通り、出口52が出口になっている。従って、第一の実施の形態のようにチャネル22を通るフローはない。
【0021】
図4は、図2のようなプリントヘッド構造を有するが、圧力ヘッドを備えた他の実施の形態を表す。インクは供給部38から入口26’(図2では出口26)にくみ上げられる。フローパスはチャネル22、31及び16を通り、出口24’(図2では入口24)が出口になっている。
【0022】
幾つかのサーマルジェットの実施の形態において、オリフィスプレート34は使用されず、ノズルの機能を果たすためにチャネルが作られる。図5を参照すると、先述の実施の形態と同様、プリントヘッドの正面は、インクに対して非湿潤性である。このような場合、溝30(複数)がこの正面に製造されており、この溝の片側が空気に触れるように開いている。この溝30の内側面(表面30A、30B、30C(図6))は、インクに対して湿潤性である。従ってこれらの溝はインクが流れるときに通るトレンチである。このフローはこのフロー方向に沿った圧力勾配に正比例する。オリフィスプレート34のないチャネル、例えば溝30の片側の壁が空気に触れるように開いていれば、メニスカス33(図7)はインク内に確立された他の圧力差(この場合気圧とインク内の圧力との差)を支えなければならない。最後に、インクメニスカスの耐荷力によって、開いたチャネル内で支えられ得る最大フローが決まる。流体に湿潤性のある壁表面を有するチャネルがチャネルから溢れ出ないように支える得る最大フローは1つであるため、入口での流体中の圧力は気圧に等しい(高圧力ではフローはチャネルからこぼれ出る)が、出口での流体内の圧力は、メニスカスが支え得る最低負ゲージ圧力である。流体内の圧力はフロー方向に沿ってゆっくりしか変化しないので、任意の地点のメニスカスの形状は円筒形表面の部分に近く、最低出口圧力は、
【数1】
である。式中σはインクの表面張力であり、aはチャネル幅である。このような状況は、図6及び図7(A)、図7(B)に図示されている。このような場合、出口のメニスカスの半径はa/2である。
【0023】
図7(A)及び図7(B)に図示された開いたチャネル内のフローの良い近似は、以下の分析により得られる。まず、幅a、深さbを有する矩形断面を有する均等なフローによってフローを近似することが適当である(bは均等フローの断面が実際のチャネルの入口及び出口のフロー断面の平均に等しくなるように選択される)。これは図7(C)に図示されている。均等チャネル内のフローは固体表面(solid surface )YY、UU、VV及び自由表面WWによって画定される。このようなチャネルにおいて、固体表面YY,UU,VVはフローに対して粘性低抗を示し、自由表面WWはフローを全く妨害しない。図7(D)からは、全てが4つの固体表面に囲まれており、高さが2b(均等矩形の開いたチャネルの深さbの2倍に等しい)である矩形チャネルの各半分内には、この場合の対称性により、同じ粘性フローが確立されることがはっきり分かる。閉鎖矩形チャネルを通る定常体積流量Qは分析的に解くことができ、
【数2】
で表される。ここでAは断面領域であり、μはインク粘性、dp/dzは圧力勾配、及び係数Fは、
【数3】
の数列で表される。ηは矩形断面のアスペクト比である。
【0024】
300spi印刷が可能なプリンタでは、妥当なチャネル幅は60ミクロンで、深さ75ミクロンである。インクの表面張力を40mN/mとすると、この最低ゲージ圧力は−5.4インチH2 O(−1,330パスカル)である。入口の断面は1.25a2 であり、aは60μmに等しい。出口の断面は入口の断面よりπa2 /8だけ小さい。平均断面をとると、先に決定された圧力勾配によって動くフローの計算のために、近似フローはaに等しい深さbを有する均一断面を有する。先に提示した分析を参照すると、このチャネル内のフローは、幅は同じaだが高さが2aである矩形閉鎖チャネル内のフローのちょうど半分に等しく、アスペクト比ηはここでは2に等しい。インクの粘性=2cpoiseとして計算すると、オープンチャネルを通る体積流量Qopen、
【数4】
又はドロップ量が100plだとすると、
【数5】
が得られる。300spiで21kHzのドロップ生成は、一般的なサーマルインクジェットプリンタが送出する必要がある生成量よりも非常に多い。従って、プリントヘッドを通るインクの定常フローの概念が実証された。正面28上の溝30にインクを通すのに必要な最大圧力差は、5.4インチH2 Oだけでよく、インク供給システムの他の部分を大きくして好ましくはジェットの数を多くすることができるので、高度変更は、プリンタの制限内で簡単に行うことができる。
【0025】
図1、図2、図4及び図5は、プリントヘッドの側面に形成されたノズルを通してインクを排出する”サイドシューター”プリントシステムとして参照される。本発明の概念は、米国特許第4,910,528号に開示されたタイプの”ルーフシューター”プリントヘッドにも適用可能である。
【0026】
図8は、ルーフシュータープリントヘッド58の簡略図を表す。プリントヘッド基板には再循環チャネル60、62、64が形成されている。オリフィスプレート70の中に形成されたノズル68の近くにはヒータ要素66が配置されている。
【0027】
本明細書に記載された実施の形態は好適なものであるが、当業者によりこの教示から様々な代替品、修正品、或いは改良品が作られることができることが分かるであろう。例えば、再循環されたインクは、再循環中にプリントヘッドの外側のインク循環パスにフィルタを設置することによって効果を上げることができる。或いは、インク製剤を再構成することができる。
【0028】
インクを循環させるによって印刷動作の間にプリントヘッドを冷却することができることも、本発明の更なる望ましい利点である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の連続的インク循環システムの1つの実施の形態を表すプリントヘッドの部分的略等角図である。
【図2】図1のライン2−2で切り取ったプリントヘッドの断面図である。
【図3】図1及び図2に表されたプリントヘッドの第二の実施の形態の断面図である。
【図4】図1及び図2に表されたプリントヘッドの第三の実施の形態の断面図である。
【図5】オリフィスプレートのない、図2に表されたプリントヘッドの断面図である。
【図6】図5に表されたインク循環チャネルの拡大図である。
【図7】(A)、(B)、(C)及び(D)は、インクチャネルの断面図である。
【図8】本発明のインク循環パスを用いたルーフシュータープリントヘッドの断面図である。
【符号の説明】
10 プリントヘッド
16、22、31、50、 インクチャネル
36 ノズル
38 インク供給リザーバ
46 ポンプ
Claims (3)
- インクジェットプリントヘッドの内部チャネル及びノズルを介してインクを連続的に循環するサーマルインクジェット印刷システムであって、
インクの入口及び出口を有するプリントヘッドを含み、前記プリントヘッドの中には前記入口から前記出口まで流体フロー用のインクパスを生成する複数のインクチャネルが形成されており、前記プリントヘッドは複数の加熱抵抗器からなる直線アレイを更に有し、前記各加熱抵抗器は前記ノズルのうち1つと関連しており、
前記加熱抵抗器を選択的に通電して前記関連するノズルを介してインクの液滴を放出させるための電気回路を含み、
前記プリントヘッドの前記入口に連結され大気圧に開放されるインク供給リザーバであって、前記入口の圧力が前記出口の圧力よりも高くかつ前記ノズルのゲージ圧が負となり、かつ非排出モードの間に前記ノズルの近くのインクに安定した凹状のメニスカスを形成してインクを前記ノズルから流れ出ないように前記インクパスに沿ってフローさせるように、前記プリントヘッドに対して配置される前記インク供給リザーバを含み、
前記インク供給リザーバと前記出口との間を接続するポンプを含む、
サーマルインクジェット印刷システム。 - 前記インクチャネルの一部がプリントヘッドの正面に形成された溝によって形成され、前記プリントヘッドの正面に前記ノズルが設置された、請求項1に記載のサーマルインクジェット印刷システム。
- プリントヘッドと同じ高度であるスタンバイ位置から低高度にインクリザーバを移動させて必要な圧力勾配を確立し、流体フロー用の前記インクパス内の圧力を気圧以下に確立するためにポンプを起動する、請求項1に記載のサーマルインクジェット印刷システム。
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