JP4447014B2 - 液滴を付着させるための装置 - Google Patents

Description

本発明は、基体への液滴の付着に関する。

インク・ジェット・プリンタは、基体に液滴を付着させるための装置の１つのタイプである。インク・ジェット・プリンタは一般に、インク供給源からノズル通路へのインク通路を備えている。ノズル通路はノズル開口部で終わり、そこからインク液滴が噴射される。インク液滴の噴射は、アクチュエータによりインク通路内のインクを加圧することによって制御される。このアクチュエータは、例えば、圧電デフレクタ、サーマル・バブル・ジェット生成器、または静電偏向要素であってよい。一般的なプリント・アセンブリは、インク通路のアレイを、対応するノズル開口部および関連するアクチュエータと共に有する。各ノズル開口部からの液滴の噴射は、独立して制御することができる。ドロップ・オン・デマンド方式のプリント・アセンブリにおいて、各アクチュエータは、プリント・アセンブリおよび印刷基体が互いに対して動かされながら、画像の１つの特定のピクセル位置で一滴を選択的に噴射するように駆動させられる。高性能プリント・アセンブリでは、ノズル開口部は一般に、５０マイクロメートル以下、例えば、約２５マイクロメートルの直径を有し、１００〜３００ノズル／インチのピッチの間隔にあり、１００から３０００ｄｐｉ以上の解像度を有し、約１から７０ピコリットル（ｐｌ）以下の体積の液滴を提供する。液滴の噴射周波数は一般に１０ｋＨｚ以上である。

ここにその全てを引用する、ホイシントン(Hoisington)等の特許文献１には、半導体本体および圧電アクチュエータを有するプリント・アセンブリが記載されている。この本体はシリコンから製造され、インク・チャンバを画成するようにエッチングされている。ノズル開口部は、シリコン本体に取り付けられる別個のノズル・プレートにより画成される。圧電アクチュエータは、印加された電圧に応答して、幾何学形状を変化させる、または曲がる圧電材料の層を有する。圧電層の曲がりによって、インク通路に沿って配置されたポンピング・チャンバ内のインクが加圧される。圧電インク・ジェット・プリント・アセンブリは、ここにその全てが引用される、フィッシュベック(Fishbeck)等の特許文献２およびハイン(Hine)の特許文献３にも記載されている。

印刷精度は、プリンタにおけるアセンブリのノズルおよび多数のアセンブリ間でのノズルによって噴射される液滴のサイズおよび速度均一性を含む数多くの要因の影響を受ける。液滴のサイズおよび液滴の速度均一性は、転じて、インク通路の寸法均一性、音圧干渉作用、インク流路内の汚染、およびアクチュエータの動作均一性などの要因の影響を受ける。

多くのインク・ジェット・システムにおいて、インクは、供給管を通して、ノズルに繋がったポンピング・チャンバに供給され、圧電要素などの電気機械変換器の動作した結果としてポンピング・チャンバの容積が急激に圧縮されることによって、ノズルから周期的に噴射される。この急激な圧縮には、チャンバ容積の対応する急激な膨張が前後する。インク液滴噴射周期の膨張期間中、ポンピング・チャンバ内のインクの圧力は著しく減少し、チャンバ内のインク中に溶解した任意の空気がチャンバの表面で気泡に成長する傾向を増加させる。気泡は、特に、ガスが保持され得る、鋭角部、微細な亀裂またはピット、もしくはチャンバ表面に付着した異質の粒子などのチャンバ内の核生成部位で、そのような様式で成長する傾向にある。膨張／圧縮周期が十分に高い頻度で生じると、気泡は、ある周期から次の周期へとサイズが増大し、整流拡散を生じ得る。ポンピング・チャンバ内に気泡が存在すると、選択された時間で選択された体積のインク液滴をノズルから噴射させるように所望の様式でインクに圧力を印加することが妨げられ、やがて印刷品質が劣化してしまう。整流拡散は、高品質のインク・ジェット・システムにおいて一層問題となり得る。何故ならば、そのようなシステムは、適切な噴射のために一層高い圧力および周波数を必要とする粘性のインクを使用する傾向にあるからである。

ポンピング・チャンバ内の圧力振動の周波数が比較的小さい場合、核生成部位の気泡は、ポンピング・チャンバ内で膨張するが、図１に示すように次の行程の前に再度溶解する。気泡２０が、時間Ｄで膨張行程中に形成される。後に、時間Ｅの圧縮行程中に、気泡２２は、増加した圧力のため、また気泡からのガスのポンピング・チャンバ内の流体中への拡散のために、この時点ではより小さくなっている。この低周波数のシナリオでは、気泡は時間Ｆまでには溶解する。

ポンピング・チャンバ内の圧力振動の周波数が比較的高い場合、気泡には、次の膨張周期にさらされる前の圧縮周期中に、再度溶解する時間がない。図２は、気泡の半径が、多数のポンピング周期に亘りどのように増すかを示している。図３Ａ〜３Ｃは、ポンピング・チャンバにおいて気泡半径を増加させる作用を示している。図２〜３Ｃを参照すると、時間Ｇで、プリント要素３０が、ポンピング・チャンバ３４の圧縮行程中に液滴３２を発射する。ポンピング・チャンバ３４内では、メニスカス３３のときに、気泡３６は半径Ｒ₃₆を有する。後に、時間Ｈで、圧縮行程中、気泡３８（図示せず）は半径Ｒ₃₈を有し、これは、次の膨張行程中にさらに増大する。膨張行程中の時間Ｉで、気泡４０は、メニスカス４２のときに、ポンピング・チャンバ３４内でサイズが増大している。この過程が前述したように続き、半径Ｒ₄₄を持つ気泡４４（図示せず）および半径Ｒ₄₆を持つ気泡４６（図示せず）を生成する。最後に、ポンピング・チャンバ内で大きな体積の気泡４８が形成される。この時点で、液滴の体積および速度は減少するか、または極端な場合には、もっぱら、液滴の噴射を生じるはずのエネルギーは、代わりに気泡を圧縮させるほうに使われてしまうので、噴射が妨げられ得る。
米国特許第５２６５３１５号明細書 米国特許第４８２５２２７号明細書 米国特許第４９３７５９８号明細書

高周波数での発射は、それにより、高いライン・スピードが可能になることによってスループットが増加するので望ましいであろう。駆動周波数に対する主な制限は、ポンピング・チャンバ内の圧力波に関する往復時間により決定されるインク・ジェットの共振周波数である。したがって、ポンピング・チャンバを小さくすると、インク・ジェットの固有周波数が増加し、駆動周波数を高くすることができる。ノズルの直径を小さくすると、高い周波数での駆動に役立つが、これには、より小さな液滴体積も必要になる。圧力が加えられる時間を減少することによって、高い周波数で発射することが可能になるが、高い圧力が必要とされる。一般に、音圧は、膨張行程で周囲圧より約２気圧低い圧力から、圧縮行程中の周囲圧より約２〜３気圧高い圧力までに及ぶ。整流拡散は、より高い発射周波数で一層問題となり得る。

本発明のある態様は、一般に、基体に液滴を付着させるための装置に関する。この装置は、基体のための支持体、ポンピング・チャンバを備えた液滴噴射アセンブリ、制御装置およびポンピング・チャンバ内の整流拡散タイプの気泡が増大するのを防ぐために閾値圧力レベルより高くポンピング・チャンバ内の全圧を上昇させる静圧の供給源を含む。液滴噴射アセンブリは、基体に液滴を付着させるための支持体の上に配置されており、ポンピング・チャンバに加えて、変位部材および液滴を噴射するオリフィスを含む。制御装置は、変位部材に液滴を噴射させる信号を提供する。

ある実施において、静圧は、約１．５絶対気圧より大きい。

ある実施において、信号は、約８０００Ｈｚより大きい周波数で提供される。他の実施において、信号は、約８０００Ｈｚより大きい周波数、および約１．５絶対気圧より大きい静圧で提供される。

噴射される液滴は、インクであっても、他の適切な液滴形成材料であってもよい。基体は、紙であっても、どのような他の適切な基体であってもよい。

圧力源は、加圧ガスを含んでよい。このガスは、粒状物質を除去するために濾過しても差し支えない。水分または気化溶媒をガスに加えてもよい。ガスは、空気であっても、またはどのような他の適切なガスであってもよい。

本発明の別の態様は、基体のための支持体、ポンピング・チャンバを備えた液滴噴射アセンブリ、制御装置、外囲構造体およびポンピング・チャンバ内の整流拡散タイプの気泡が増大するのを防ぐために閾値圧力レベルより高くポンピング・チャンバ内の全圧を上昇させる静圧の供給源を含む装置に関する。液滴噴射アセンブリは、支持体上の基体に液滴を付着させるための支持体の上に配置されている。液滴噴射アセンブリは、ポンピング・チャンバに加えて、変位部材および液滴を噴射するオリフィスを含む。制御装置は、変位部材に液滴を噴射させる信号を提供する。外囲構造体は、支持体と一緒になって、外囲領域を画成し、液滴がこれを通って基体に噴射される。外囲構造体は、支持体と一緒になって、入口間隙および出口間隙を画成し、基体はそこを通って移動する。入口間隙は、約０．０５ｍｍから１ｍｍ（約０．００２インチから約０．０４インチ）であってよい。出口間隙は、約０．０５ｍｍから１ｍｍ（約０．００２インチから約０．０４インチ）であってよい。

本発明の１つ以上の実施の形態の詳細が、添付の図面と以下の説明に述べられている。本発明の他の特徴、目的、および利点は、その説明と図面、および特許請求の範囲から明らかであろう。

図４は、基体（例えば、紙）にインク液滴を連続的に付着させるための装置５０を示している。基体５２は、供給スタンド５６に取り付けられたロール５４から引き出され、複数の異なる色の液滴を基体５２に配置するための一連の液滴付着ステーション５８に供給される。各液滴付着ステーション５８は、基体５２に液滴を付着させるための、基体５２の上に位置する液滴噴射アセンブリ６０を有する。各付着ステーション５８における基体５２の下には、基体支持構造体６２（例えば、非多孔質プラテン）がある。基体５２は、最後の付着ステーション６４から排出された後に、前加工ステーション６６に向かう。前加工ステーション６６は、基体５２を乾燥させるために用いてもよい。また、前加工ステーション６６は、基体５２の紫外線または他の放射線による硬化のために用いてもよい。次に、基体５２は仕上げステーション６８に移動し、ここで、折り重ねられ、完成製品７０に切断される。基体の供給速度は、約０．２５〜５．０ｍ／秒以上である。液滴噴射アセンブリは、インクの液滴を噴射してよい。このアセンブリは、放射線硬化性材料または液滴として送達可能な他の材料を噴射してよい。

図５は、実質的な整流拡散を避けるように構成された高周波数液滴付着ステーション５８の各部材を示している。この装置において、ポンピング・チャンバ内のインクの全圧は、膨張行程中に達成される最小全圧が、ポンピング・チャンバ内で整流拡散タイプの気泡の増大を防ぐのに十分に高くなるように上昇させられる。このことは、ポンピング・チャンバ９２およびインク容器９８を含むプリント・ヘッドを外囲器８０内に取り囲み、マニホールド８２からスリット８４を通して供給される加圧空気により外囲器８０を高圧レベルに維持することによって、図５に示したポンピング・チャンバ９２および液滴噴射領域８６内の圧力を増加させることにより達成される。マニホールド８２は、例えば、ワンタッチ式コネクタ（図示せず）によりコンプレッサに連結される。液滴噴射アセンブリ５８は基体５２（例えば、紙）の上に位置している。静圧の供給源が、マニホールド８２からスリット８４を通して外囲器８０内に設けられる。このようにして加えられる静圧によって、取り囲まれた領域８６内とその周りの乱流が減少する。乱流は、中心のインク液滴とより小さな関連する周りの液滴が乱流空気によって方向を誤ることがあるので、印刷品質が不十分になり得る。基体５２は、基体支持構造体６２（例えば、非多孔質プラテン）の頂部にある入口間隙８８および出口間隙９０を通過する。このプラテンは非多孔質であることが好ましい。何故ならば、多孔質プラテンだと、高圧下の基体５２がプラテンを通り過ぎるときに、過度の抗力が生じるかもしれないからである。入口間隙８８および出口間隙９０は、基体５２の上で測定して、約０．０５ｍｍから１ｍｍ（約０．００２インチから約０．０４インチ）である。間隙が大きすぎると、電力要件が制限的となるかもしれず、間隙が小さすぎると、画像がこすれて不鮮明になったり、紙詰まりが生じるかもしれない。圧力が低すぎると、整流拡散が潜在的に起こり得、圧力が高すぎると、外囲器８０の構造要件が極端に厳しくなるであろう。静圧は約１．５絶対気圧から約１０絶対気圧（大気圧より０．５〜９気圧高い）であることが好ましい。液滴噴射アセンブリ５８は、インク通路９４が連結されたポンピング・チャンバ９２を含む。インク通路９４は、インク入口９６を介して、インク１００を貯蔵するインク容器９８に連結されている。インク容器９８全体は静圧に維持されている。このことは、インク容器９８の小さな開口１０３により達成される。ポンピング・チャンバ９２に対するインク容器の高さの差によるポンピング・チャンバ９２内の軽微な差（例えば、約６９０〜２０７０Ｐａ（０．１〜０．３ｐｓｉ））は、ポンプ１０２（例えば、小さな遠心ブロワ型ポンプ）により補正される。ノズル内の乾燥を抑制するために、水または他の溶媒をガスに加えてもよい。ガスは、空気であっても、インクの老化を遅くするために、酸素含有量が空気に対して減少していてもよい。酸素含有量を空気に対して増加させると、紫外線硬化性インクの硬化を遅くし得る。さらに、ガスは、粒状物質および過剰の水分を除去するために、例えば、ＨＥＰＡフィルタによって濾過してもよい。

図６は、図５の装置において外囲器８０の下で静止した湾曲支持体６２を置き換える、印刷基体５２の下の回転ドラム１０４を用いた代わりの実施の形態を示している。

図７は、印加された音圧場に対する相対濃度（Ｃｉ／Ｃ０）のグラフであり、１００ｋＨｚの圧力場における様々な平衡気泡半径および様々な静圧に関して印加された音圧場に対する気泡の増大を防ぐのに要求される空気の相対濃度を示している。Ｃｉは、インク中の空気の濃度であり、Ｃ０は、飽和したときのインク中の空気の濃度である。量１００（Ｃｉ／Ｃ０）はパーセントの飽和を表す。インクが長期間に亘り空気と接触したままになっていると、Ｃｉ／Ｃ０比は１００％の飽和に達する。多くのインク・ジェット・システムにおいて、気泡問題を防ぐために、インクは使用前に脱気される。インクを脱気することによって相対濃度値が低下し、気泡を増大させずに、印加されたより高い音圧場で動作させることが可能になる。静圧を増加させても、気泡を増大させずに、印加されたより高い音圧場での動作が可能になる。このグラフにおいて、Ｐ０は静圧である。ｘ軸は音圧場の振幅を示している。所定のサイズの気泡は、所定の静圧、印加された音圧場、およびインク中の空気の相対濃度で増大するかまたは収縮する。静圧を増加させること、インク中の空気の相対濃度を減少させること、および振動する印加された圧力場の振幅を減少させることが、気泡を収縮させる方向に状況を動かす。例として、Ｒｎ＝５マイクロメートル：Ｐ０＝１気圧と表示された曲線は、５マイクロメートルの平衡半径（すなわち、音圧場が印加されていないときの半径）を有する気泡および１気圧の静圧に関するものである。この曲線は、（±）４０，０００パスカルの音圧場を印加すると、相対濃度が１００％（Ｃｉ／Ｃ０＝１）の場合でさえ、気泡は増大しないことを示している。この気泡を、（±）１００，０００パスカルの音圧場でも増大させたくなかったら、相対濃度を約２７％まで減少させる必要がある。別の例として、Ｒｎ＝０．２マイクロメートル：Ｐ０＝５気圧と表示された曲線は、０．２マイクロメートルの平衡半径（すなわち、音圧場が印加されていないときの半径）を有する気泡および５気圧の静圧に関する。曲線の上の状況では、気泡は時間が経てば増大し、曲線の下の状況では、気泡は収縮する。図７に示した状況の全ての内で、Ｒｎ＝０．２マイクロメートル：Ｐ０＝５気圧の曲線が、整流拡散による気泡増大を最も受けにくい。この場合、空気が飽和した（Ｃｉ／Ｃ０＝１）インク中の気泡は、印加される音圧場が４５００００パスカルを超えるまで増大しない。インクを０．２の相対濃度まで脱気することによって、気泡を増大させずに、５８００００パスカルを超える音圧場を印加することができる。図７は、相対濃度Ｃｉ／Ｃ０の影響は制限的であることを示している。例えば、Ｒｎ＝１からＲｎ＝５マイクロメートルの核生成部位のサイズについて、噴射に印加できる最大音圧場は、難しいことであるがＣｉ／Ｃ０を１％まで減少させた場合でさえも、約１５０，０００パスカルである。反対に、静圧を増加させることによって、気泡を増大させずに、４倍高い音圧場を印加することができる。ヘンリーの法則には、液体中の気体の溶解度は、液体と接触している気体の圧力に正比例することが記載されている。したがって、インクの上の空気圧が１から５気圧に増加したときに、相対濃度は１／５に減少する。１気圧で１００％飽和しているインクを、５気圧である容器中にポンプで送り込む場合、Ｃｉ／Ｃ０＝２０％である。もちろん、インクが、１００％の飽和状態に再平衡せずに、ポンピング・チャンバ中に入るように手段が講じられる。再平衡は、空気と接触している噴射流体の表面積を最小にすることによって、および／または再平衡を防ぐのに十分に早い速度で流体を噴射することによっ、避けることができる。

本発明の実施の形態を多数記載してきた。それでもなお、本発明の精神および範囲から逸脱せずに、様々な改変を行ってよいことが理解されるであろう。例えば、付着させる液滴は、インクまたは他の材料であって差し支えない。例えば、付着させる液滴は、紫外線または他の放射線硬化性材料もしくは液滴として送達できる他の材料であってよい。例えば、上述した装置は、精密分配システムの一部であって差し支えない。したがって、他の実施の形態も特許請求の範囲に含まれる。

低い周波数の場合のインク圧力対時間のグラフ 高い周波数の場合のインク圧力と気泡半径対時間のグラフ 理想化されたプリントヘッド内の気泡の増大を示す概略図 基体に印刷するための装置の側面図 図４の装置のプリント・ステーションの側面図 代わりの実施の形態の側面図 相対濃度対印加された音圧場のグラフ

符号の説明

５０ 装置
５２ 基体
５４ ロール
５６ 供給スタンド
５８ 液滴付着ステーション
６０ 液滴噴射アセンブリ
６２ 支持構造体
７０ 最終製品
８０ 外囲器
８８ 入口間隙
９０ 出口間隙
９２ ポンピング・チャンバ
９４ インク通路
９８ インク容器

Claims (22)

1. 基体に液滴を付着させるための装置において、
   前記基体のための支持体、
   前記支持体上の前記基体に前記液滴を付着させるための、該支持体の上に位置した液滴噴射アセンブリであって、ポンピング・チャンバ、変位部材および前記液滴を噴射するオリフィスを備えた液滴噴射アセンブリ、
   前記変位部材に液滴を噴射させる信号を提供するための制御装置、および
   前記ポンピング・チャンバ内で整流拡散タイプの気泡の増大を防ぐために、該ポンピング・チャンバ内の全圧を閾値圧力レベルより上昇させるための静圧の供給源、
   を有してなる装置。
2. 基体に液滴を付着させるための装置において、
   前記基体のための支持体、
   前記支持体上の前記基体に前記液滴を付着させるための、該支持体の上に位置した液滴噴射アセンブリであって、ポンピング・チャンバ、変位部材および前記液滴を噴射するオリフィスを備えた液滴噴射アセンブリ、
   前記変位部材に液滴を噴射させる信号を提供するための制御装置、
   前記液滴がそこを通って前記基体上に噴射される外囲領域を前記支持体と一緒になって画成すると共に、前記基体がそこを通って移動する入口間隙および出口間隙を前記支持体と一緒になって画成する外囲構造体、および
   前記ポンピング・チャンバ内で整流拡散タイプの気泡の増大を防ぐために、該ポンピング・チャンバ内の全圧を閾値圧力レベルより上昇させるための静圧の供給源、
   を有してなる装置。
3. 前記入口間隙が０．０５ｍｍから１ｍｍ（０．００２インチから０．０４インチ）であることを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 前記出口間隙が０．０５ｍｍから１ｍｍ（０．００２インチから０．０４インチ）であることを特徴とする請求項２または３記載の装置。
5. 前記静圧が１．５絶対気圧よりも高いことを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の装置。
6. 前記信号が、８０００Ｈｚより大きい周波数で提供されることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の装置。
7. 前記液滴がインクを含むことを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の装置。
8. 前記基体が紙を含むことを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載の装置。
9. 連続的に移動する支持体をさらに含むことを特徴とする請求項１から８いずれか１項記載の装置。
10. 前記静圧の供給源が加圧ガスを含むことを特徴とする請求項１から９いずれか１項記載の装置。
11. 粒状物質を除去するための前記加圧ガスを濾過する手段をさらに含むことを特徴とする請求項１０記載の装置。
12. 前記加圧ガスの供給源に水分を加える手段を含むことを特徴とする請求項１０または１１記載の装置。
13. 前記加圧ガスの供給源に溶媒を加える手段を含むことを特徴とする請求項１０または１１記載の装置。
14. 前記加圧ガスが空気であることを特徴とする請求項１０から１３いずれか１項記載の装置。
15. 前記加圧ガスが、空気の酸素含有量未満の酸素含有量を有することを特徴とする請求項１０から１３いずれか１項記載の装置。
16. 前記加圧ガスが、空気の酸素含有量より大きい酸素含有量を有することを特徴とする請求項１０から１３いずれか１項記載の装置。
17. 請求項１から１６いずれか１項記載の装置を用いて基体に液滴を付着させる方法であって、
    ポンピング・チャンバの全圧を閾値圧力レベルより高く上昇させながら変位部材を駆動させてポンピング・チャンバから液滴を噴出させ、ポンピング・チャンバ内の整流拡散タイプの気泡の増大を低減することを特徴とする方法。
18. 前記ポンピング・チャンバ内の全圧を閾値圧力レベルより上昇させるために１．５絶対気圧よりも高い静圧を加えることを特徴とする請求項１７記載の方法。
19. 前記ポンピング・チャンバ内の全圧を閾値圧力レベルより上昇させるための静圧の供給源として加圧ガスを用いることを特徴とする請求項１７または１８記載の方法。
20. 前記加圧ガスを濾過して粒状物質を除去する工程を含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。
21. 前記加圧ガスに水分を加える工程を含むことを特徴とする請求項１９または２０記載の方法。
22. 前記加圧ガスに溶媒を加える工程を含むことを特徴とする請求項１９または２０記載の方法。

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