JP4332228B2 - 非対称なオリフィスを有するプリントヘッド - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は一般にインクジェット・プリンタのプリントヘッドに関し、更に詳細にはインクジェット・プリンタのプリントヘッド・オリフィス板に配置された少なくとも１つの非対称軸を備えたオリフィスに関する。
【０００２】
【従来技術及びその問題点】
インクジェット・プリンタは、紙のような媒体を、通常、プリント・カートリッジと言われているプリント機構と協調して、インク滴を媒体上の所要位置に付着させてテキスト文字または画像を作ることができるように位置決めすることにより動作する。プリント・カートリッジは媒体表面を横切って走査つまり往復運動でき、一方、媒体はプリント・カートリッジ走行の方向に垂直な増分だけ送られる。プリント・カートリッジ走行及び媒体前進動作の所与の点で、インクの小滴をプリント・カートリッジから媒体に放出するようインク放出機構に命令が与えられる。インク放出の機構が熱によってインクを沸騰させるものであれば、インク放出機構は小さい発射室内に設けられ選択的に加熱される電気的に動作する多数のヒータ抵抗器から構成され、それによりインクの急速沸騰を生じ、小さい開口つまりオリフィスを通して媒体の方にインクを放出する。
【０００３】
インクジェット式プリンタの通常のプリント・カートリッジは、インク収容容器と、普通、プリントヘッドとして知られているところの、インク滴を制御できる仕方で加熱し放出するインク放出装置を備えている。典型的には、プリントヘッドは、半導体または絶縁体の基体、インク流チャネルによって蜂の巣状になった障壁材料構造、及び直径が人間の髪の毛より細く、インク小滴が放出できるパターンに構成されて配置されている円形ノズルつまりオリフィスが開けられているオリフィス板、を備えた積層構造である。薄膜ヒータ抵抗器が基体の表面または近傍にデポジットされ、通常、１つまたは複数の保護層により腐食及び機械的摩滅から保護されている。薄膜ヒータ抵抗器はプリンタに、基体上のメタライゼーション及びそれに続くコネクタを介して直接に、または多重化回路、メタライゼーション、及びそれに続くコネクタを介して、電気的に結合されている。プリンタのマイクロプロセッサ回路は特定の薄膜ヒータ抵抗器に選択的に電力を供給して、テキスト文字または絵画像を作るのに必要なインク小滴の所望のパターンを発生する。プリンタ、プリント・カートリッジ、及びプリントヘッド構造のこれ以上の詳細はHewlett-Packard Journal, Vol. 36, No.5, May 1985、及びHewlett-Packard Journal, Vol. 45, No.1, February 1994で見いだすことができる。
【０００４】
インクは障壁層及びオリフィス板により各ヒータ抵抗器の周りに形成される発射室に流入し、ヒータ抵抗器に電力が供給されるのを待つ。電流のパルスがヒータ抵抗器に印加されると、発射室内のインクは急速に蒸発し、気泡を形成して一団のインクをヒータ抵抗器及び取り巻く発射室に対応するオリフィスを通して急速に排出する。インク小滴の排出及びインク中の気泡の崩壊の後、インクは発射室を再充填し、オリフィスを跨ぐメニスカスを形成する。インクが発射室を再充填するために流れるチャネルの形態及びその狭窄部によりインクが発射室を再充填する速さ及びインク・メニスカスの動力学が決まる。
【０００５】
プリント・カートリッジの設計者が直面する１つの問題は、高いプリント速度を達成しながら高品位のプリント結果を維持するということに関する。発射室内側のインクの急速な沸騰により小滴がオリフィスから放出されると、放出されたインクの大部分は媒体の方に向かう小滴に集中する。しかし、放出されたインクの一部は小滴からオリフィスの表面開口まで延びている尾に留まっている。尾に留まっているインクの速度は一般に小滴内にあるインクの速度より小さいので、小滴の飛行期間中尾が小滴から切断されることが時々ある。切断された尾の中のインクの幾らかは放出小滴に再接合し、あるいは尾として残ってプリント材料上に粗い縁を形成する。放出されたインクうちの尾の中にあったものうちの幾らかはプリントヘッドに戻り、プリントヘッドのオリフィス板の表面にインクの水溜りを形成する。切断された尾にあるインクの幾らかはインク小滴の近傍にランダムに広がるサブ小滴（「スプレー」）を形成する。このスプレーはしばしば媒体に付着して媒体全体に靄状のインク汚れを形成する。スプレーによるこの有害な結果を軽減するため、従来はプリント動作の速さを落とした、これでは所与の時間にプリンタがプリントできるページ数が減少するという問題があった。スプレーの問題は発射室及びそれに対応するインク供給導管の構造または形状を最適にすることによっても取り扱われてきた。しかし、多くの場合には、非常に精密な最適化は、製造プロセスの変化する要素のために効果がない。本発明はプリント速度の低下やインクチャネル構造の精密な最適化をもたらすことなしにスプレー及び制御されない尾の問題を克服している。
【０００６】
【概要】
インクジェット・プリンタのプリントヘッド及びプリントヘッドを製造し、使用する方法は、インク放出器及びインクを放出する少なくとも１つのオリフィスを有するオリフィス番を備えており、このオリフィスはインク放出器に隣接するオリフィス板の第１の表面からオリフィス板の第２の表面まで貫通している。少なくとも１つのオリフィスには少なくとも１本の非対称軸がある。
【０００７】
【好適実施例の説明】
通常のプリントヘッドの断面を図１に示す。薄膜抵抗器101は半導体基板103の表面に作られ、典型的には半導体基板103の表面のメタライゼーション（図示せず）により電気入力に接続されている。これに加えて、化学的なまた機械的な攻撃から保護する各種層をヒータ抵抗器101の上方に設置することができるが、簡単にするため図１には示してない。障壁材料の層105がシリコン基板103の表面に選択的に設置され、それによりヒータ抵抗器101の周りに開口または発射室107を残すので、インクはヒータ抵抗器101が作動して開口またはオリフィス109を通してインクが放出される前に蓄積することができる。障壁層105の障壁材料は、通常は、E. I. Dupont DeNemours and Companyから入手できるParad（商標）または同等の材料である。オリフィス109は、典型的にはニッケル基体材料に金めっきして形成されるオリフィス板111に開けられた孔である。このようなめっき操作はオリフィス板111の外面113からオリフィス板111の内面115まで滑らかな曲がったテーパを生じ、このテーパは発射室107及び発射抵抗器101に面している。オリフィス板111の外面にあるオリフィス出口の半径（従って開口の面積）は発射室107側のオリフィス板開口より小さい。特に金属以外のオリフィス板の場合に、レーザ・アブレーションのような、オリフィスを作る他の方法を使用することができるが、このような他のオリフィス製作法では、破線で示した、側面が真っすぐなオリフィス孔が発生し得る。
【０００８】
図２はプリントヘッドの上平面図（図１はその断面Ａ-Ａ）であり、オリフィス109をオリフィス板111の外面113から見ている。インク供給チャネル201は障壁層105に存在し、インクを大きいインク源（図示せず）から発射室に配給する。
【０００９】
図３はインクがオリフィス109から放出されてから22マイクロ秒後の時刻におけるインク小滴301の中のインクの構成を示している。円形オリフィスを使用している通常のオリフィス板では、インク小滴301がオリフィス板111の後方、少なくともオリフィス109まで延びる尾303を保持している。小滴301がオリフィス板から離れ、小滴を放出したところの蒸発したインクの泡が崩壊した後、毛管力によりインクがインク源からインク供給チャネル201を通して引き出される。弱減衰システムではインクが発射室に非常に急速に突進して戻ってくるので、発射室107を過剰に充填し、それにより膨らんだメニスカスを作る。このときメニスカスは落ち着くまでその平衡位置の周りに数サイクル振動する。膨らんだメニスカスを成す余分のインクは、メニスカスが膨らんでいる間に小滴を放出した場合、インク小滴の体積に加わる。後退メニスカスは、サイクルのこの部分の間に小滴が放出されれば、小滴の体積を減らす。プリントヘッドの設計者はインク再充填チャネルの流体抵抗を増すことによりインク再充填及びメニスカス・システムの減衰を改善し、最適化してきた。典型的には、この改善はインク再充填チャネルを短くし、インク再充填チャネルの断面を小さくし、またはインクの速度を上げることにより行なわれてきた。インク再充填流体抵抗をこのように増大させると、再充填時間が遅くなり、小滴放出の繰返し周波数及びプリント速度が下がることが多くなる。
【００１０】
メニスカス・システムの簡単な解析は図４に示すモデルのようなものであり、ここでは、放出小滴の質量と等価な質量401が、そのばね常数Ｋがオリフィスの有効半径の逆数に比例するばね403により、固定構造404に結合されている。質量401はチャネル流体抵抗及び他のインクチャネル特性に関係する減衰関数405によっても固定構造404に結合されている。好適実施例では、小滴の重量質量401はオリフィスの直径に比例している。従って、メニスカスの特性及び性能を制御したければ、インクチャネルを最適化したりまたは機械的モデル中のばね403のばね常数を調節することにより減衰関数405の減衰係数を調節することができる。
【００１１】
再び図３に戻り、小滴301がオリフィから放出されると、小滴の質量の大部分は小滴301の先頭に立っている頭部に含まれ、この質量部分が最大の速度を有する。残りの尾303にはインク質量の小部分が入っており、尾303の速度分布は、インク小滴の頭部に近い位置のインク小滴の頭部とほぼ同じ速度から、オリフィスに最も近い位置でのインク小滴の頭部の速度より低い速度までの範囲にある。小滴の飛行中のある時点で、尾のインクは尾がちぎれる点まで引き伸ばされる。尾に残っているインクの一部はプリントヘッドのオリフィス板111に戻され、そこで典型的にはオリフィスを囲むインク溜りを形成する。これらのインク溜りは後続のインク小滴を誤った方向へ導くことによりプリント作品の品質を劣化させる。インク小滴の尾の他の部分はインク小滴が媒体に堆積される前にインク小滴の頭に吸収される。最後に、インク小滴の尾に見られるインクの幾らかはプリントヘッドも戻らず、またインク小滴とともに留まったりまたはインク小滴に吸収されたりすることもないが、ランダムな方向に広がる小滴よりも小さいサイズの細かいスプレーを生ずる。このスプレーの幾らかはプリントが行なわれる媒体に到達し、それによりインク小滴により形成されるドットの縁が粗くなり、媒体上に不要のスポットが生じ、所望のプリント作品の明瞭度が下がる。このような望ましくない結果を図６Ａにプリントされたドットの写真で示してある。
【００１２】
オリフィス109の出口面積は放出されるインク小滴の液滴重量を規定することが確認されている。更に、モデルのばね常数Ｋ（メニスカスの復元力）は部分的にはオリフィス孔(orifice bore hole)の開口の縁同士の近接度により決まることが確認されている。従って、メニスカスの剛性を増すには、オリフィス孔の側面及び開口を共に可能なかぎり近付けるべきである。これは、勿論、小滴の所与の液滴重量（オリフィスの出口面積により決まる）を維持する必要性と相反している。かくして、オリフィス孔のその出口を非円形のものにすることが本発明の特徴である。この非円形の形状により与えられるところのメニスカスでの復元力が大きくなると、インク小滴の尾をオリフィス板を出た後これまでよりも早くまたこれまでよりもオリフィス板の近くでちぎり、それによりインク小滴の尾を短くして、スプレーを大きく減らす。このような効果を図５に示してある。図５はオリフィス501から放出されてから22マイクロ秒後のインク小滴を示してある。図３の円形オリフィスのものに比べて、インク小滴の尾503は早期にちぎられ、また、より短い。非円形オリフィスから放出されたインクから生ずるプリント・ドットを図６Bに示す。スプレーはこの得られたサンプルからは本質的に排除されており、縁のぎざぎざは大きく改善されていることが注目される。
【００１３】
利用することができる非円形オリフィスの幾つかは長軸及び短軸のある細長い開口であり、長軸の寸法は短軸より大きく、両軸ともオリィス板の外面に平行である。このような細長い構造を長方形や平行四辺形に、あるいは楕円と平行辺から成る「競馬場」構造のような長円形にすることもできる。本願出願人から入手できるモデル番号HP51649Aプリント・カートリッジに見いだされるインク、及びHP51649Aカートリッジに見いだされるオリフィス表面開口の面積に等しいオリフィス表面開口面積を使用して、長軸対短軸比が２：１から長軸対短軸比が５：１までの楕円に対する有効動作の範囲が、所望のメニスカス剛性及び尾の短いインク小滴をもたらすと判定された。
【００１４】
図７Ａないし図７Ｄは各種形式のオリフィス孔寸法を示すオリフィス板外面の平面図である。図７Ａは外寸法で半径がｒの円形オリフィス、及び外寸法ｒと発射室の開口の値との間の半径の差ｒ₂を示している。好適実施例では、ｒ＝17.5μｍ、ｒ₂＝45μｍである。これからのオリフィス板外面での開口面積（ｒ²・π）、つまり962μｍ²が得られる。オリフィス外面開口内を端から端まで引かれた矢印は長軸及び短軸を示す。図７Ｂは長軸／短軸比が２：１に等しく、且つ等しい小滴滴重量を維持するために外部表面積が962μｍ²に維持されている楕円の外部オリフィス開口の形態を示す。開口の内部寸法は後の半径増分ｒ₂により更に大きいサイズを維持している。図７Ｃは長軸/短軸比が４：１に等しく且つ外部開口面積が962μｍ²のオリフィスを示している。図７Ｄは長円形「競馬場」オリフィスの外部形態を示しており、ここでは長軸/短軸比が５：１に等しく外部と内部の寸法の差はｒ₂である。図７Ｅは長軸/短軸比が５：１で内側形状と外側形状の間の差が外面オリフィス寸法の周辺からｒ₂である平行四辺形オリフィス外部形状を示す。長軸／短軸比が２：１より大きいこれら開口形態は約30゜(θ＝30゜)回転させて、隣接オリフィス同士が互いに密接して設けることができるようにする必要がある。
【００１５】
次に図８を参照すると、オリフィス板の平面図が示され、ここでは長円形の長軸801が、インク供給チャネル201を経て発射室に入るインクの流れに垂直に向いているような向きになっている長円形オリフィス開口の向きを示している。図９は同じ長円形開口を示しているが、ここでは長軸801がインク供給チャネル201を経て発射室に流入するインクの方向に平行に向いている。長軸/短軸比が２：１より大きく、且つ図８に示すようにインク供給チャネル201からのインク流に垂直に向いている実施例では、オリフィスはθ＝約30゜だけ垂直からずらされた角度に向けられる。この向きにより内部オリフィス803、805、807が互いに接触や干渉せずにオリフィスを密接して設置することができる。垂直からのずれの角度θを本発明の代替実施例では０゜から45゜の範囲にすることができる。金属、たとえば金めっきニッケルから形成され（かつ、外部開口から内部開口まで湾曲して滑らかにテーパの付いたオリフィス内壁を備えている）オリフィス板の好適な非円形オリフィスの向きは、図８に示すもののような、インク供給チャネル201からのインク再充填流の方向に垂直な細長いオリフィスの長軸を備えているものの向きである。オリフィスがレーザ・アブレーションにより作られ（かつ、外部開口から内部開口まで比較的直線状のオリフィス内壁を備え）ているポリイミドに類似の更に軟らかい材料で形成されているもののようなオリフィス板については、好適な非円形の向きは細長いオリフィスの長軸が、図９に示すようにインク供給チャネル201からのインクの流れに平行なものである。
【００１６】
再び図５を参照すると、図５に示す断面は細長いオリフィス孔の長軸に沿うものである。オリフィスから出た後のインク小滴の頭部501は細長いオリフィスの長軸の方向に歪んでいる非球形インク小滴である。インク小滴はその媒体までの飛行経路中振動し、媒体に到達するまでに通常の涙滴形状にもっと近くなる。この小滴は、プリント速度を犠牲にすることなく、またインクチャネルの最適化に極端な製造公差を必要とすることなく、尾がかなり短く、スプレーがかなり減少している。
【００１７】
放出されたインク小滴の尾は予測し得る位置でちぎれることが望ましい。オリフィス板表面から見て、オリフィスに、尖端つまりかなり曲率半径の小さな個所が設けられているのが本発明の特徴である。このような尖端付きオリフィス孔の例を図１０のオリフィス板平面図に示してある。オリフィス板外面にあるオリフィス孔の開口1001には少なくとも１つの非対称軸があり、それによりオリフィスの一端に他より鋭いつまり小さい曲率半径を持つ部分が設けられる。非対称で非円形オリフィス孔にはインク再充填チャネルの上方のオリフィスの向きに関係なくインクジェットの尾を引き付ける局部的に小曲率半径の個所（尖端）がある。下に説明するように、オリフィスの尖端を図１０ではある１つの方向に向けて示してあるが、他の方向に向けることができ、実際、向けられるであろう。
【００１８】
本発明に係る尖端付きオリフィス孔の実施例を図１１のオリフィス板外面平面図に示してある。２つの尖端が付いた形状のオリフィス1101は三日月形であって、薄膜抵抗器上方に配置されている。上述の設計のように、この形状は、製造しやすくするため、オリフィスの内壁の長手方向に渡って維持されている。図１０及び図１１に示す孔の内壁部分は標準のポリイミド・レーザ・アブレーション法または微小成形(micromolding)により製作することができる。図１０の内壁部分は、円形カーバイド・ボタンを非円形形状で置き換えて、通常のニッケルめっき法を使用しても製作することができる。
【００１９】
尖端付きオリフィスの長所は、オリフィス板の表面113と紙のような媒体シート1201との間のインクジェット・プリンタの小さい領域の斜視図である図１２に関連して理解することができる。オリフィス板を尖端付きオリフィス1203、1205、1207、及び1209を設けて製造することができる。インク小滴1211はオリフィス1203から+z方向に放出されており、インク小滴1213はオリフィス1215からやはり+z方向に放出されている。インクの尾が放出された小滴に追随している。
【００２０】
インク小滴の尾のｘ及びｚ軸方向の速度の大きさは、尾よりも大きくて速い主液滴に比べて小さい。円形オリフィスを使用する前述の装置では、この低エネルギーの尾は、オリフィス板外面上のオリフィス孔の周辺にあるインク溜りによってしばしば引き付けられ、このため尾の軌道が主液滴の周りのスプレーになるように変わる。しかし、滴を尖端付き孔から放出すると、インク溜りが存在しても、その尾はオリフィス孔の尖端における高表面張力を持つ局所領域に一貫して引き付けられる。この引き付け及び尾の切断は発射室上方で孔がどちらを向いているかによって変わることはない。
【００２１】
通常のインクジェット・プリンタでは、プリントヘッドは媒体1201に対し+/-x方向に送られ、オリフィスの下にある抵抗器の選択された１つが付勢されてインクがオリフィスから放出される。このようにしてインク・ドットのパターンが媒体の上に作られる。プリントヘッドがその走査範囲の端に到達すると、プリントヘッドはその送り経路を反対のｘ方向に戻り、インクを他のオリフィスから放出し（それにより前にプリントしたドットの間の隙間を埋める）または媒体をｙ方向（ｘ軸及びｚ軸の双方に垂直）に１増分送ってドットのプリントを反対のｘ方向に向けて開始することができる。勿論、+または-のx方向の一方の方向だけでドット・プリントを行なってもよい。
【００２２】
プリントヘッドを+x方向に送ると、小滴1211のうちのオリフィス開口の尖端に一貫して引かれるところの（z方向に）相対的にゆっくりと移動する尾は、媒体1201上のインク小滴の頭部よりも後に着地することがわかる。しかし、尖端付きオリフィスにより小滴のわずか前方に引かれる小滴1213の相対的にゆっくりと移動する尾は小滴1213により形成されるドットの上に付着し、媒体1201の上に丸い、尾のないスポットを生ずる。
【００２３】
プリントされるページ上に尾の部分がどのように着地するかは、図１３に示すように、オリフィスの尖端の向きとキャリッジ速度との調和による影響を受ける。プリントされたドット1301は、小滴1211に対応する尾の変位から生ずるところの、引き伸ばされ、また汚れている液滴構成及びスプレーを露呈している。媒体にプリントされた、小滴1213に対応するドット1303は、尾及びそれに関連するスプレーがインク小滴の頭部により形成されたドットの内部に落ちた場合には、きれいな輪郭が得られることを示している。従って、インクジェット・プリンタからのプリント品質は少なくとも１つの非対称軸を備えたオリフィスがプリントヘッド移動の方向と調和するとき、更に改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のプリントヘッドの断面図。
【図２】従来のプリントヘッドをオリフィス板の外面から見た平面図。
【図３】従来のプリントヘッドの断面図。
【図４】本発明の特徴を理解するのに役立つ小滴/メニスカス・システムの理論的モデルを示す図。
【図５】本発明を採用することができるプリントヘッドの断面図。
【図６Ａ】プリント媒体上のスプレー及び細長い尾の有害な効果を示す写真。
【図６Ｂ】スプレーの減少を示すプリント媒体の写真。
【図７Ａ】オリフィス板を外面から見た平面図。
【図７Ｂ】オリフィス板を外面から見た平面図。
【図７Ｃ】オリフィス板を外面から見た平面図。
【図７Ｄ】オリフィス板を外面から見た平面図。
【図７Ｅ】オリフィス板を外面から見た平面図。
【図８】オリフィス板を外面から見た平面図。
【図９】オリフィス板を外面から見た平面図。
【図１０】オリフィス板を外面から見た平面図。
【図１１】オリフィス板を外面から見た平面図
【図１２】オリフィス板の外面とインクジェット・プリンタにある媒体シートとの間の領域の斜視図。
【図１３】媒体シート上にプリントされた２つのドットを示す図。
【符号の説明】
101：ヒータ抵抗器
103：半導体基板
105：障壁部材
107：発射室
109：オリフィス
111：オリフィス板
201：インク供給チャネル
301：インク小滴
401：質量
403：ばね
405：減衰関数
1001：開口
1101：２カスプ形態オリフィス
1201：媒体
1211：インク小滴
1301：プリント・ドット

Claims (4)

1. インクを放出するオリフィスを備えたオンデマンド型インクジェットプリンタ用のプリントヘッドであって、
   インク放出器と、
   該インク放出器に対向するオリフィス板の内面から該オリフィス板の外面まで前記オリフィス板を貫いて延びる少なくとも１つのインク放出オリフィスを有するオリフィス板とを備え、
   前記少なくとも１つのインク放出オリフィスは、曲線のみによって画成され、かつ、他の曲線部に比べて小さい曲率半径の２つの尖端を有するとともに前記２つの尖端の中間を通る１つの対称軸を有する三日月形状の幾何学的領域で構成され、前記対称軸に垂直な軸について非対称であり、かつ前記両軸が前記外面に平行である、プリントヘッド。
2. 前記外面における前記少なくとも１つのインク放出オリフィスの開口面積が、前記内面における前記少なくとも１つのインク放出オリフィスの開口面積よりも小さく、かつ前記外面における開口の幾何学的形状が前記内面における開口の幾何学的形状と実質的に同じである請求項１に記載のプリントヘッド。
3. インクを放出するオリフィスを含むオンデマンド型インクジェットプリンタ用のプリントヘッドを製造する方法であって、
   インク放出器を基板に配置するステップと、
   該基板にオリフィス板を重ねるステップと、
   前記インク放出器に対向する前記オリフィス板の内面から前記オリフィス板の外面まで、少なくとも１つのインク放出オリフィスを、前記オリフィス板を貫いて延ばすステップであって、前記少なくとも１つのインク放出オリフィスは、曲線のみによって画成され、かつ、他の曲線部に比べて小さい曲率半径の２つの尖端を有するとともに前記２つの尖端の中間を通る１つの対称軸を有する三日月形状の幾何学的領域で構成され、前記対称軸に垂直な軸について非対称であり、かつ前記両軸が前記外面に平行であるようなオリフィス板貫通ステップと、
   を含むプリントヘッド製造方法。
4. 前記オリフィス板貫通ステップは、前記オリフィス板の内面における開口よりも領域が小さく、かつ該開口と幾何学的形状が実質的に同じである開口を前記オリフィス板の外面に有するインク放出オリフィスを形成するステップをさらに含む請求項３に記載のプリントヘッド製造方法。

Images