JP4592178B2 - 非円形のノズル孔をもつ連続インクジェットシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタル的に制御される印刷装置に関し、特に連続インクジェット印刷ヘッドであって、一つの基板上に複数のノズルを集積し、かつ液体インクストリームを周期的に遮ることによって液体インクストリームのインク滴への分解をもたらす連続インクジェット印刷ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
多くの異なる種類のデジタル的に制御される印刷システムがこれまでに発明され、現在多くの種類が生産されている。これらの印刷システムは、種々の作動機構、種々のマーキング材料、および種々の記録媒体を用いている。実用化されているデジタル印刷システムの例として、レーザ電子写真プリンタ、ＬＥＤ電子写真プリンタ、ドットマトリクスインパクトプリンタ、感熱紙プリンタ、フィルムレコーダ、感熱ワックスプリンタ、色素拡散熱転写プリンタ、およびインクジェットプリンタがある。従来の機械的印刷方法はきわめて高価なセットアップを必要とし、かつ一つのページにつき数千枚のコピーを印刷しない限り商業的に使用不能なものであるが、それにも拘わらず、現在、前記電子的印刷システムは機械的印刷機に顕著には置き換わっていない。そこで、例えば普通紙を用いて高速かつ安価に高品質のカラー画像を作成することのできる、改善されたデジタル的に制御される印刷システムが必要とされている。
【０００３】
インクジェット印刷は、例えば、ノンインパクトで低ノイズの特性、平滑紙を使用できること、およびトナー転写並びに定着が不要といった特徴をもつことから、デジタル的に制御される電子的印刷分野での卓越した競争相手として認められてきた。インクジェット印刷機構は、連続インクジェット方式またはドロップオンデマンドインクジェット方式のいずれかに類別される。連続インクジェット印刷の歴史は少なくとも１９２９年までさかのぼる。Ｈａｎｓｅｌｌに発行された米国特許第１，９４１，００１号を参照することができる。
【０００４】
従来の連続インクジェット印刷は、ストリーム内で滴が形成される箇所に近接して設置された、静電式帯電トンネルを用いている。この方法では、インク滴は個々に帯電される。帯電したインク滴は、大きい電位差を印加された偏向板対があるために下向きに偏向する。ガター(gutter)（「キャッチャ」と呼ばれることもある）を用いて帯電したインク滴を遮り、一方で帯電していないインク滴は遮られずに記録媒体に衝突する。１９７４年にＥａｔｏｎに発行された米国特許第３，８７８，５１９号に、帯電トンネルと偏光板による静電偏向を用いて液体ストリーム内での滴の形成を同期化する方法と装置が開示されている。
【０００５】
英国特許出願第ＧＢ２０４１８３１Ａ号に、デフレクタがコアンダ（ウォールアタッチメント）効果を用いてインクジェットの向きを操作する機構が開示されている。偏向度は、デフレクタの位置を動かすことによって、あるいはジェットの摂動の振幅を変えることによって変化させることができる。
【０００６】
別の種類のインクジェットプリンタには加圧されたインクの供給チャネルが備わり、このチャネルによって、ノズル孔から流出するストリーム中に連続したインク流が形成される。ノズル孔外周の一部のみに付属した選択的に作動する加熱部をもつヒータの作用により、ストリームはヒータから離れた位置で複数の滴に分解する。このヒータ部の作動によってストリームに対する非対称の加熱が生じて、印刷方向と非印刷方向との間でストリームの方向が制御される。また、半導体ＶＬＳＩ製造プロセス並びに装置を用いて、およびノズルと同じシリコン基板上にアドレッシング回路と駆動回路とを組み込むことによって、密集した線形ノズルアレーを作製することができる。この方式のアレーは長尺であると共に多数のノズルを収容することができ、そのため印刷ヘッドをページ端間で走査する必要はない。さらに、インクジェットプリンタに複数のアレーを設けて、それら全てのアレーを同じシリコン基板上に設けることもできる。各アレーは異なる色のインクを放出する。これにより、高画質のカラー印画を高速に印刷することのできる、全幅かつフルカラーのインクジェットプリンタが作製できる。
【０００７】
したがって、本発明は、普通紙を用いて高速かつ安価に高画質のカラー画像を作成することのできる、改善されたデジタル的に制御される印刷システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
グラフィックアート印刷システムは高品質の画像が期待されるシステムであり、そのためにこのシステムでは、インク滴がきわめて正確に指定位置に被着することが要求される。印刷ヘッドとレシーバ間の気流の乱れすなわち不均一な空気の流れ、およびインク滴の偏向に影響するヒータ抵抗の変動その他の製造欠陥などの、多くの要因がインク滴の被着に影響する。前記システムには、乱気流が解消されたより均一な空気の流れ、より高速のインク滴、およびより均一なヒータ抵抗その他を得るための機構が内蔵されている。
【０００９】
前述の目的の達成を狙いとして、本発明を本明細書に添付した複数の特許請求範囲によって規定する。
【００１０】
したがって、本発明の特徴は、第一に連続インクジェットプリンタにおけるインクの制御装置の提供であり、この装置は、インク供給チャネルと、インク供給チャネル中に開口してストリーム中に連続したインク流を形成させるノズル孔と、個々に選択的に作動する複数の加熱部をもつヒータであって、この加熱部はノズル孔外周のそれぞれ異なる位置に沿って配置される構成のヒータとを含む。アクチュエータは、ゼロ、一つ、または複数のヒータ部を選択的に作動して、それによりノズル孔外周の一部のみに付属したヒータ部が作動して、ストリームへの非対称の加熱が生じ、印刷方向と非印刷方向との間でストリームの方向が制御される。ノズル孔外周の一部のみに付属した種々の数のヒータ部を同時に作動することにより、それに対応したストリームへの異なる非対称の加熱が生じて、ストリームの方向がある特定の印刷方向と別の印刷方向との間で制御される。
【００１１】
ノズル孔は好適には１（unity）よりも大きいアスペクト比を有した開口をもつ。アスペクト比とは、ノズル孔の短軸に対する長軸の比である。あらゆる非円形のノズル孔を想定し得るが、ノズル孔の長軸に対して線対称の形状であることが好ましい。ノズル孔の長軸に対する線対称と併せてノズル孔の短軸に対する線対称もまた想定し得る。
【００１２】
本発明に関連する特徴として、一つの作動部をもつ印刷ヘッドであって、この作動部（ヒータ部）はノズル孔の外周沿いに位置して、ノズル孔外周の一部に沿って隙間が形成されるような印刷ヘッドの提供である。このヒータ部の作動により前記隙間の方向への流体ストリームの偏向が生じる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図面を詳細に参照する。例として図１〜図７に概括して示した装置により本発明を具体的に説明する。本明細書開示の基本概念の範囲内で本装置の構成および細部の変形が可能なことは明らかである。
【００１５】
図１を参照する。連続インクジェットプリンタシステムは、ラスタ画像データ、ページ記述言語書式の概略画像データ、または他の書式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などの画像源（画像データ）１０を含む。この画像データは、画像処理装置１２によって複数レベルの中間調ビットマップ画像データに変換される。また、装置１２は変換された画像データをメモリに格納する働きをする。複数のヒータ制御回路１４が画像メモリからデータを読み取って、印刷ヘッド１６の一部をなすノズルヒータ５０のセットに時間変化する電気パルス信号を印加する。このパルスは適当な時点で適当なノズルに印加され、それにより連続インクジェットストリームから形成されたインク滴による、画像メモリ内のデータによって指定された適当な位置での記録媒体１８上でのスポット形成が行われる。
【００１６】
記録媒体１８は、記録媒体移送システム２０の作用により印刷ヘッド１６に対して相対的に動く。システム２０は記録媒体移送制御システム（記録紙移送制御装置）２２によって電子的に制御され、さらにシステム２２はマイクロコントローラ２４によって制御される。図１の記録媒体移送システムは単なる模式図であって、多くの異なる機械的構成があり得る。例えば、転写ローラを記録媒体移送システム２０として用いて、記録媒体１８へのインク滴の転写が容易に行われるようにすることができる。この種の転写ローラ技術は当業者において周知である。ページ幅印刷ヘッドの場合は、記録媒体１８を、固定印刷ヘッドを通過して移動させることがもっとも好都合である。しかしながら、走査印刷システムの場合は、印刷ヘッドを相対ラスタ動作の一軸（副走査方向）に沿って移動させ、記録媒体を同ラスタ動作の直交軸（主走査方向）に沿って移動させることが、一般にもっとも好都合である。
【００１７】
インクは加圧状態でインク容器２８に収容される。非印刷状態では、連続インクジェット滴ストリームはインクガター１７のために記録媒体１８に到達することができない。ガター１７は、ストリームを遮ると共に、インクの一部がインク回収装置１９に回収されるようにする。インク回収装置によってインクは再調整され、容器２８に送り返される。この種のインク回収装置は当業者において周知である。最適動作に適したインク圧力は複数の要因に依存しており、例えば、ノズルの形状並びに熱的性質、およびインクの熱的性質などがある。インク容器２８に加える圧力をインク圧力調整器２６で制御することにより、一定のインク圧力が得られる。
【００１８】
インクは、インクチャネル装置３０によって印刷ヘッド１６の後面に供給される。好適には、インクは印刷ヘッド１６のシリコン基板を貫通してエッチングされた溝および／または穴を通じて、複数のノズルおよびヒータ５０が設置されたヘッドの前面に流れる。印刷ヘッド１６をシリコンで作製することにより、ヒータ制御回路１４と印刷ヘッド１６とを集積することができる。
【００１９】
図２に、本発明の好適な実施形態による、図１の連続インクジェット印刷ヘッド１６を形成するノズルアレー中の一ノズルの断面図を示す。インク供給チャネル４０は、複数のノズル孔４６と共に（本例ではシリコンの）基板４２内でエッチング形成される。供給チャネル４０およびノズル孔４６はシリコンの異方性湿式エッチングによって形成され、ノズル孔４６の形成にはＰ⁺エッチング阻害層が使用される。供給チャネル４０内でインク７０は大気圧以上に加圧され、ストリーム６０を形成する。ノズル孔４６の少し上方で、ストリーム６０は、ヒータ５０から供給される周期的な熱パルスの作用で複数のインク滴６６に分解する。ヒータ５０および基板４２は、伝熱兼絶縁層５６によって分離されて、基板との熱損失が最小になるようにされる。ノズル孔４６をエッチングして、絶縁層５６によりノズル出口の孔を形成する。
【００２０】
図３を参照する。ヒータ５０は二つの加熱部５８ａ，５８ｂをもち、各々はノズル孔４６の外周部の約１／２を覆っている。駆動回路からヒータ５０への電源接続部７２ａ，７２ｂおよびアース接続部７４ａ，７４ｂを併せて示す。ストリーム６０は、ヒータ部５８ａ，５８ｂの両方ではなく一方に電流を供給することによって生じる非対称の加熱により偏向する。この技術は、先行技術の静電式連続ストリーム偏向プリンタシステムとは異なる。すなわち先行のシステムは、対応する各ストリームからあらかじめ分離された帯電インク滴の偏向に基づいて動作する。偏向しないストリーム６０の場合は、図２に示すように、インク滴６６は、インクガター１７などのカットオフ装置によって遮られて記録媒体１８に到達しない。別の印刷方式として、インクガター１７を偏向したインク滴６６を遮る位置に設けて、偏向しないインク滴６７を記録媒体１８に到達させることもできる。
【００２１】
いずれの印刷方式においても、重要なシステムパラメータはインク流体の偏向角である。この角度を図２にθで示す。この角度は、電気的絶縁層（伝熱兼絶縁層）５６表面のノズル孔４６の中心と偏向したインク滴とをつなぐ線、およびノズル孔４６の中心に位置した電気的絶縁層５６の法線との間に形成される角度である。インク滴の偏向が大きい程、より確実なシステムが得られる。偏向角θが大きい程、インクガター１７を印刷ヘッド１６に接近させて設置することができ、その結果印刷ヘッド１６を記録媒体１８により接近させて設置することができる。このときの距離を図２にＤで示す。一般に、インク滴の走行距離Ｄが短くなると、インク滴の被着誤りが減少し、より高画質の画像が得られる。インクガター１７から印刷ヘッド１６までの距離を固定した場合、偏向角θが大きくなる程、偏向したインク滴６６からインクガター１７までの間隔（図２にＳで示す）は大きくなる。偏向したインク滴６６からインクガター１７までの間隔が大きくなる程、インクガター１７の印刷ヘッド１６に対する位置合わせ公差を大きくすることができる。また、偏向角θが大きくなると、（意図しない）偏向したインク滴６７の方向間違いの許容量を増すことができる。偏向しないインク滴の方向間違いは、例えば、ノズル毎の製造ばらつき、あるいはノズル孔４６内またはその周囲に付着する可能性のある埃、残骸、および堆積物などによって生じる。
【００２２】
図４および図５に、本発明によるノズル孔７６，７８の好適な実施形態を概括して示す。ノズル孔７６，７８はあらゆる非円形の形状をとり得るが、長軸（ａで表す）に対して線対称であることが好適である。ノズルの長軸に対する線対称と併せて、ノズル孔の短軸（ｂで表す）に対する線対称もまた想定し得る。非円形のノズル孔により、そのノズル孔から流出する流体ストリーム６０の偏向角θを大きくすることができる。ノズル孔７６，７８は、１．０よりも大きいアスペクト比で、好適には約２．０以上のアスペクト比を有した開口をもつ。したがって、ノズル孔７６，７８の開口は、数学的には方程式：ａ／ｂ＞１．０で総括的に記述され、好適な実施形態によるノズル孔７６，７８は、数学的には方程式：ａ／ｂ＞２．０で総括的に記述される。このアスペクト比は、短軸「ｂ」の長さに対する長軸「ａ」の長さの比で定義される。例えば、図４に示すノズル孔７６は楕円形であり、図５に示すノズル孔７８は方形である。
【００２３】
ヒータ５０′は加熱部８０ａ，８０ｂをもち、各々はノズル孔７６の外周の約１／２に適合し、ヒータの長軸「ａ」に対して線対称である。同様に、ヒータ５０″は加熱部８２ａ，８２ｂをもち、各々はノズル孔７６の外周の約１／２に適合し、ヒータの長軸「ａ」に対して線対称である。実験結果から、ａ／ｂ＝２の楕円形ノズル孔７６における流体ストリームの偏向の性能指数は、通常の円形断面をもつノズル孔４６よりも約１．９倍大きいことがわかった。また、実験結果から、ａ／ｂ＝２の方形ノズル孔７８における流体ストリームの偏向の性能指数は、通常の円形断面をもつノズル孔４６よりも約３．５倍大きいことがわかった。この結果から、１よりも大きいアスペクト比をもつノズル孔によって、より大きいインク滴の偏向角が得られ、結果的により確実な印刷システムが得られることがわかった。
【００２４】
図６および図７に、本発明によるヒータ８４，８６の別の実施形態を概括して示す。ヒータ８４，８６は一つの加熱部を含み、この加熱部はそれぞれノズル孔７６，７８の外周のほぼ全域に適合する。ヒータ８４，８６の加熱部はそれぞれノズル孔７６，７８の外周の周囲で閉じておらず、ヒータ８４，８６はそれぞれヒータ部内に形成された一つの隙間８８，９０を含む。隙間８８，９０は、それぞれノズル孔７６，７８の長軸「ａ］に沿った一面に隣接して設けられる。電流がヒータ８４，８６に供給されると、ノズル孔７６，７８から流出する流体ストリームは、それぞれ隙間８８，９０の方向に偏向する。
【００２５】
以上の説明には多くの限定が含まれているが、それらは本発明の範囲を制限するものでなく、単にいくつかの本発明の好適な実施形態を例示するものである。したがって、本発明の範囲は、添付した特許請求の範囲および法的にそれと同等の内容によって規定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による印刷装置の簡略化した模式的ブロック図である。
【図２】非対称の加熱による偏向をもたらすノズル孔の断面図である。
【図３】非対称の加熱による偏向をもたらす円形ノズル孔を、対向する二つの加熱部をもつヒータと共に示す上面図である。
【図４】非対称の加熱による偏向をもたらす楕円形ノズル孔を、対向する二つの加熱部をもつヒータと共に示す上面図である。
【図５】非対称の加熱による偏向をもたらす方形ノズル孔を、対向する二つの加熱部をもつヒータと共に示す上面図である。
【図６】非対称の加熱による偏向をもたらす楕円形ノズル孔を、一つの加熱部をもつヒータと共に示す上面図である。
【図７】非対称の加熱による偏向をもたらす方形ノズル孔を、一つの加熱部をもつヒータと共に示す上面図である。
【符号の説明】
１０ 画像源、１２ 画像処理装置、１４ ヒータ制御回路、１６ 印刷ヘッド、１７ インクガター、１８ 記録媒体、１９ インク回収装置、２０ 記録媒体移送システム、２２ 記録紙移送制御装置、２４ マイクロコントローラ、２６ インク圧力調整器、２８ インク容器、３０ チャネル装置、４０ インク供給チャネル、４２ 基板、４６，７６，７８ ノズル孔、５０，５０′，５０″，８４，８６ ヒータ、５６ 絶縁層、５８ａ，５８ｂ，８０ａ，８０ｂ，８２ａ，８２ｂ ヒータ部、６０ 流体ストリーム、６６，６７ インク滴、７０ インク流体、７２ａ，７２ｂ 電源接続部、７４ａ，７４ｂ アース接続部、８８，９０ 隙間、ａ 長軸、ｂ 短軸。

Claims (5)

1. 連続した流体を指向させる装置であって、
   通過していく流体ストリームを放出する非円形のノズル孔であって、前記ノズル孔は長軸と短軸とを含み、前記短軸に対する前記長軸の比は１よりも大きい非円形のノズル孔と、
   前記ノズル孔に適合し、それにより前記ノズル孔の長軸に沿った加熱が生じるようにされたヒータであって、当該ヒータは前記長軸に関し非対称に前記液体ストリームを加熱して、この液体ストリームを偏向させる、ヒータと、
   を含むことを特徴とする連続した流体を指向させる装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、前記ヒータは二つの部分を有し、前記二つの部分のうち一方は、前記ノズル孔の、前記長軸により二分された一方の周に対応し、前記二つの部分のうちの他方は、前記ノズル孔の、前記長軸より二分されたもう一方の周に対応し、
   前記ヒータの二つの部分のうち一方のみにより加熱を行い、液体ストリームを偏向させる、
   装置。
3. 請求項１に記載の装置であって、前記ヒータは、
   前記ノズル孔の周の大部分に沿って配置された単一の部分であって、当該単一の部分は、前記ノズル孔の長軸に関して一方の側において隙間によって断たれている、単一の部分を有する、
   装置。
4. 請求項１に記載の装置であって、前記ノズル孔は、前記長軸に関して線対称の形状を有する、装置。
5. 請求項４に記載の装置であって、前記ノズル孔は、前記短軸に関して線対称の形状を有する、装置。

Images