JP4594515B2 - 非対称熱型インクジェットプリンタにおけるインキ液滴の方向違いの防止方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、印字動作の開始時の液滴の流れの正確な方向性を維持する、連続インクジェットプリントヘッドへの電力の供給方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多くの異なるタイプのデジタル制御印字システムが開発され、その中の多くのタイプが現在生産されている。上記印字システムは多様な動作機構と、多様な製造材料と、多用な記録媒体を利用する。現在利用されているデジタル印字システムには、レーザ電子写真プリンタと、ＬＥＤ電子写真プリンタと、ドットマトリックスインパクトプリンタと、サーマルペーパプリンタと、フィルムレコーダと、サーマルワックスプリンタと、色素拡散熱移動プリンタと、インクジェットプリンタとがある。しかしながら、現在、かかる電子印字システムは機械的印刷機に取って代わっていない。もっとも、この従来からの方法には非常に高価な装備が必要であり、特定頁の数千部を印字したくない限り、商業的には殆ど重要ではない。よって、普通紙を用いて、高速度、低コストで高品質のカラー画像を再現させ得るデジタル制御印字の改善されたシステムが要望されている。
【０００３】
例えば、非接触の低ノイズ特性、普通紙の使用及びトナー移動及びその定着の回避可能なため、インクジェット印字は、デジタル制御電子印字領域では卓越した競争相手である。インクジェット印字機構は、連続インクジェット、又はドロップオンデマンドインクジェットの何れかの範疇に分類される。連続インクジェット印字は、少なくとも１９２９年まで遡る。Hansellに発行された米国特許第１,９４１,００１号を参照するとよい。
【０００４】
従来の連続インクジェットは、液滴が流れとして形成される点に密接して載置される静電荷トンネルを利用する。このようにして、個々の液滴が帯電する。帯電液滴は大きな電位差にある偏向板の存在により下方向に偏向される。帯電液滴を遮蔽するために、ガッタ（しばしば、「キャッチャ」と呼ばれる）が利用されるのに対し、未帯電液滴はフリーであり記録媒体に到達する。
【０００５】
連続インクジェットプリンタは、記録媒体の所望の位置に対してインク液滴を偏向させるように、静電荷トンネルに代わり非対称加熱を利用することが提案されている。この新しい装置では、ノズル孔周辺の部分のみと関連する選択的に動作するセクションを有するヒータから形成させる液滴発生器は、各インクノズル孔に備えられている。一列の均一電源パルスを経たヒータ要素の周期的動作により、液滴の流れに非対称に熱が印加され、印字方向と非印字方向との間の流れ方向を制御する。
【０００６】
かかる連続インクジェットプリンタは従来の静電荷トンネルを利用したインジェットプリンタよりも多くに利点があることは証明されているが、発明者らはかかるプリンタが改良された特定の領域も存在することを指摘している。特に、発明者らは印字動作の初期では、印字媒体に指向する第一の数液滴が方向を間違うことを指摘した。かかる液滴の方向違いの原因は全体として理解されていないが、液滴偏向量が液滴温度に直接関係しているので、原則的原因は準平衡（動作）温度に達するインクの非瞬間的応答時間であると、出願人らは推測している。応答時間の継続時間は、ヒータ材料、ヒータ質量、ヒータ及びノズル形状の熱的性質、並びにインキの熱的性質の関数である。かかる方向違いの液滴は、かかる装置からの高画質印字を得る目的により抵触され得る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、印字動作の開始時のインク液滴の方向違いを防止させて、印字解像度を最大限にする連続インクジェットの印字方法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】
上記の目的は、印字動作の開始時にインクジェットプリンタのノズルからインク液滴の初期の流れの制御方法であって、前記プリンタは前記動作中に実質的に一定レベルの電力を供給させる前記インク液滴の流れを導く前記ノズルに隣接した加熱要素を有し、前記初期の液滴の流れの方向違いを回避するように、インク液滴が前記初期に流れる最中に、前記一定動作レベルよりも高いレベルで前記加熱要素に電力を供給する工程を具備する制御方法により達成される。
【０００９】
前記目的を考慮すれば、本発明は特許請求の範囲により限定される。また、上記目的は、ノズルからの第一の数インク液滴の吐出中の正常レベルよりも高レベルで、ノズルに隣接した加熱要素に電力を供給する工程を具備する、本発明の方法により達成される。
【００１０】
通常の印字動作中、各ノズルに隣接する加熱要素へ印加される電源パルスは、一定の振幅、幅及び周波数を有する一列のパルスからなる。本発明の方法では、パルス列の少なくとも一つの電気的特性は、一定の動作レベルよりも高レベルで加熱要素に電力が供給されるように変化する。したがって、初期のパルスまたはパルス列は、印字動作の均衡を取ために利用される電気的パルスより大きな振幅または幅、若しくは異なる周波数を有する。
【００１１】
初期の電気的パルスの振幅が増す方法の実施例では、少なくとも第一の電力パルスは、通常の動作電力パルスの振幅よりも約１０％から６０％の大きな振幅を有する。あるいは、少なくとも第一の電力パルスは動作電力パルスの幅よりも約６０％から３００％である幅を有する。さらに別の方法の実施例では、最初の二つのパルス間の時間間隔は、その後の動作電力パルス間の時間間隔の約２５％から５０％減少させる。全ての好適な実施例では、第一の約４つ以下の電力パルスは、印字動作中に利用される電力パルスの均衡よりも大きな振幅、大きな幅、高い周波数の一つを有する。
【００１２】
第一の電力パルスが動作電力パルスの振幅よりも約１０％から５０％大きい振幅を有する方法の実施例では、第二の電力パルスと第三の電力パルスとの間の時間周期は、動作電力パルスと関連する時間周期よりも約１０％から１００％大きい。
【００１３】
本発明の全ての実施例では、インクジェットプリンタの電源により発生した電力パルスの形若しくは周波数を調製または再プログラム化することにより、方法は単純に実行される。全体として排除しない限り、方法は印字動作の開始時の発生するスプリアスなインク液滴の偏向を、実質的に低減させることができる。よって、最終印字生成物の解像度が改善される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に示す本発明の好適な実施例の詳細な説明は、添付図面を参照して行う。
【００１５】
本発明の方法は、所望のインク液滴偏向を達成させるために、インクジェットノズル周辺への非対称の熱印加を利用する連続インクジェットプリンタシステムにより実行される。前記方法を具体的に理解するために、前記方法の各工程を行うインクジェットプリンタシステム１を、まず第一に説明することにする。
【００１６】
図１を参照するに、非対称熱型連続インクジェットプリンタシステム１は、ラスター画像データ、ページ記述言語の形態のアウトライン画像データ、又はデジタル画像データの他の形態をもたらすスキャナー又はコンピュータのような画像ソース１０を具備する。本画像データは画像処置ユニット１２によりハーフトーンビットマップ画像データに変換され、また、そのユニット１２はメモリに画像データを保存する。ヒータ制御回路１４は画像メモリからデータを読出し、電気パルスをヒータ５０へ印加する。そのヒータ５０はプリントヘッド１６の一部であるノズル孔４６を囲繞する。上記パルスは適正な時間で、適正なノズル孔４６に印加され、連続インクジェット流から形成された液滴は、画像メモリのデータにより指定された適正な位置の記録媒体にスポットを印字する。
【００１７】
記録媒体１８は、記録媒体運搬制御システム２２により、電気的に制御される記録媒体運搬システム２０により、プリントヘッド１６に対して可動し、その制御システム３３はマイクロコントローラ２４により制御される。図１に示す記録媒体運搬システムは模式的であり、多くの異なる機械的配置が可能である。例えば、移動ローラが記録媒体運搬システム２０として利用可能であり、記録媒体１８へのインク液滴の移動を容易にする。かかる移動ローラ技術は本技術分野では周知である。ページ幅プリントヘッドの場合では、固定プリントヘッドに対して通過させて、記録媒体１８を移動させることが最も便利である。しかしながら、走査型プリントシステムでは、ある軸（サブ走査方向）に沿ってプリントヘッドを可動させ、垂直軸（主要走査方向）の沿って、相対的ラスタ移動にて記録媒体を移動させることが、ごく普通である。
【００１８】
インクは圧力下にてインク貯蔵器２８に収納されている。非印字状態では、連続インクジェット液滴流は、液滴流を遮断する（図２（ａ）に示す）インクガッタ１７のために、記録媒体１８に達せず、インクリサイクリングユニット１９により、ある部分のインクはリサイクルされ得る。インクリサイクリングユニットはインクを回収し、再び貯蔵器２８へ送り戻す。かかるインクリサイクリングユニットは本技術分野では周知である。最適動作に適するインク圧力は、ヒータ５０の形状及び熱的性質、及びインクの熱的性質等の数多くの因子に左右される。一定のインク圧力は、インク圧力調節器２６の制御の下で、インク貯蔵器２８へ圧を印加させることにより達成される。
【００１９】
インクはインク通路装置３０により,プリントヘッド１６の背面に分布している。インクは、プリントヘッドのシリコン基板を介して前面にエッチングされたスロット及び/又は穴を通過して流れることが好ましく、その前面には複数のノズル及びヒータが配設されている。シリコンから製造されたプリントヘッド１６により、ヒータ制御回路１４とプリントヘッドとを統合することが可能である。
【００２０】
図２（ａ）は、動作中のノズル孔４６の断面図である。かかるノズル孔４６のアレイは、図１の連続インクジェットプリントヘッドを構成する。複数のノズル孔４６に沿ったインク放出通路４０は、本例ではシリコンである基板４２にエッチングされる。放出通路４０及びノズル孔４６は、ノズル孔を形成するように、ｐ+エッチストッパ層を利用して、シリコンの異方性湿式エッチングにより形成される。放出通路４０中のインク７０は、大気圧以上に圧が印加されており、インク流６０を形成する。ノズル孔４６以上の距離で、その流れ６０は、ヒータ５０により供給される熱により複数の液滴に分割する。
【００２１】
図２（ｂ）を参照するに、ヒータ５０は、ノズル周縁の略半分を覆う単一の半円形部分を有する。別の形状を図２（ｃ）に示す。本形状では、ノズル孔４６は、ほんの僅かな部分５１以外、ヒータ５０により全体的にほとんど囲繞され、その部分５１は、作動回路にするように、接続５９と６１との間を流れる電流は環形の左半分周辺のみ移動する必要があるので、ヒータ５０の略半分のみは電気的に動作するように、電気開放回路として機能する。両実施例とも、電力接続５９及び６１はヒータ制御回路１４からヒータ５０への電気パルスを伝達する。流れ６０は、ヒータ部分５０によりノズル孔の左側に発生させた非対称熱印加により偏向される。本技術は、それぞれの流れから予め分離された帯電液滴の偏向に依存する静電連続流れの偏向プリンタとは区別される。偏向された流れ６０により、液滴６７はインクガッタ１７のようなカットオフ装置により記録媒体１８に達する前に遮断される。別の印字方法では、インクガッタ１７は偏向液滴を遮断するために載置され、未偏向液滴６７が記録媒体１８に達する。
【００２２】
ヒータ５０は約３０オーム/スクエアのレベルでドープされたポリシリコンから製造される。もっとも、他の抵抗ヒータ材料を利用することも可能である。ヒータ５０は熱及び電気絶縁層５６により基板４２から分離しており、基板への熱損失を最小化させている。ノズル孔４６はエッチングされ、絶縁層５６によりノズル吐出オリフィスが画成される。
【００２３】
インクと接触している層は、保護のために薄層フィルム６４により不動態化され得る。プリントヘッド面は、プリントヘッドの前面にわたりインクの偶発的拡散を防止するように、親水化層６８で塗布されている。
【００２４】
ヒータ制御回路１４は電力を、電気パルス列の形態で、図２（ａ）に示すヒータ５０へ供給する。制御回路１４は、本発明の方法の工程を実行するために、一様な振幅、幅及び周波数の、または振幅、幅、周波数を変化させたパルスの形態で、ヒータ５０の半円形部分に電力を供給するようにプログラム化されている。電力パルスがヒータ５０に供給されるときはいつでも、インク液滴の偏向が発生する。
【００２５】
図３（ａ）は、一様な振幅、周波数及び幅を有する、図の左側に示す６つの電気パルスにより発生した一連の偏向液滴６６を例示する。それらの液滴はガッタ１７に接近するように図示されている。本図では、図２（ａ）に表示されたガッタ１７を囲繞する領域の拡大図とみなす。最小の二つのパルスは第一の液滴を形成することを要する。各追加の液滴は、さらなる電気パルスにより形成される。しかしながら、熱的遅れに起因して、第一の液滴は次の液滴とは離れて偏向されない。本例では、同じことが第二の液滴にも該当するが、もっともその偏向は第一の偏向ほど遅れてはいない。第三の液滴及びその後の液滴は、動作偏向点に達し、同じ量により本来的に偏向される。図３（ａ）から分かるように、最初の二つの液滴はガッタの先端部に衝突するように引かれ、液滴は完全に記録媒体１８に達しない、又は液滴は小さな液滴に分解し、予想不可能な形で記録媒体１８に衝突する。たとえ、全ての液滴が跳ねずに記録媒体１８の達する限り、第一の液滴はその後の液滴とは異なる位置の記録媒体に衝突する。いずれの場合にも、画像の質は低下する。
【００２６】
図３（ａ）は、本発明の方法の数多の実施例の一つにより発生した、図の左側に示す６つの電気パルスにより発生した一連の偏向液滴６６’を例示する。本例では、本発明のパルスは、最初の二つのパルスの大きな振幅または電圧により特徴付けられる。最初の二つのパルスにより初期に運搬された追加の電力は、ノズル及びインクと関連する熱的遅れを解消し、液滴が記録媒体１８へのルートに放出されるので、全ての印字液滴６６’は一様に偏向し、よって図３（ａ）に示す液滴遅れを解消する。本発明の方法によるさまざまなパルスパターンは、図４（ａ）から（ｆ）に関して、以後に詳細に説明する。
【００２７】
図４（ａ）から（ｆ）は、本発明のパルス列のさまざなま好適実施例を例示する。ある場合には（図４（ｂ）及び図４（ｆ）に例示するように）、第一の一つ又は二つのパルスの大きな振幅または大きな幅の結果として、ヒータ５０へ運搬される相対的に大きな電力量は、第一のパルス間の長時間により部分的に相殺される。逆に、僅かに低い振幅または短い幅を所望するなら、第一のパルス間の期間は、図４（ｅ）に示すように短くなるであろう。逆に、本発明の全ての多様な実施例にて、仮に動作電力パルスは初期にヒータに供給されるなら、ヒータ５０へ初期に運搬される電気エネルギーは他よりも多くなる。なお、最善液滴偏向整列及び画像の質をもたらす波形振幅、幅及び周波数の正確な値は、ヒータ形状、及び抵抗、ノズル形状及びインクを含む数多くの因子に左右される。また、特定のプリントヘッド形状及びインクに対して最善であるものは、異なるプリントヘッド形状及びインクに対しては最善ではない。さらに、同じプリントヘッド及びインクの組合せに対する同じ結果が生じる一以上のパルス組が存在する。
【００２８】
図４（ａ）に例示する方法の第一の実施例では、第一のパルスの電圧は６．０Ｖであり、第二のパルスの電圧は５．０Ｖであり、印字動作の残りを実行するために利用される残余のパルスの電圧は４．０Ｖである。パルスｘ_１間の期間は同じであり、つまり、パルス間の周波数は全ての時間で一定である。各パルスの幅も同じである。実際に、パルス幅は、例えば、１．０から３．０μ秒であり、一方、周波数は、例えば、１５ＫＨｚである。ヒータへ供給されたピーク電力は、第一のパルスに対する略９０ミリワットであり、第二のパルスに対しては６２．５ミリワットであり、その後の各パルスに対しては４０ミリワットである。液滴の流れに及ぶすかかる波形の結果を、図３（ｂ）に例示する。この場合、最初の二つの液滴６６は互いの液滴に対して整列されており、全ての液滴はガッタ１７を完全に通過する。そのため、全ての液滴６６は記録媒体１８に衝突し、液滴の付着ミス、跳ねた液滴若しくは方向違いの液滴に起因する画像品質の劣化を排除する。この状況は図３（ａ）の状況とは対照的である。
【００２９】
図４（ｂ）は、最初の二つのパルスの振幅が同じであり、しかも第二の及び第三のパルス間の期間ｘ_２が、すべての他のパルス間の期間ｘ_１よりも長い、本発明の実施例を示す。期間ｘ_２は、例えば、時間遅延ｘ_１のバランスよりも１０％から５０％大きい。図４（ｂ）は、たった二つの振幅を利用した際に最適な修正を可能にするため、パルス間の時間遅延を変化させることが必要である。
【００３０】
図４（ｃ）は、最初の二つのパルスの幅のみを拡大させた、本発明の実施例を示す。具体的には、最初の二つのパルスの幅は３．０μ秒であるのに対し、第二のパルスの幅は２．０μ秒であり、印字動作中に利用する残余のパルスの幅は１．０μ秒である。各パルス間の期間ｘ_１は同じままである。初期に発生した電力パルスの幅のみを僅かに変化させる本発明の実体態様は、単一電圧の使用によりドライブ回路を単純化させるので、上記パルスの高さを拡大する実施態様よりも好適である。
【００３１】
図４（ｄ）は、振幅及び幅の組合せを変化させて、初期の印字動作のヒータ５０に多くの電力を印加させる、本発明の実施例を示す。第一のパルスの振幅は５．５Ｖまで増加させるのに対し、残余のパルスの振幅は４．５Ｖと同じである。最初の二つのパルスの幅は２．０μ秒と同じであるの対し、その後パルスの幅は１．０μ秒である。なお、第一のパルスを含む各パルスの全体のエネルギーは、図４（ｃ）に示す値から変化させた。さらに、各パルスｘ_１間の期間は図示するように同じである。
【００３２】
図４（ｅ）は、最初の二つのパルスの周波数はその後のパルスのそれよりも大きい、本発明の実施例を示す。具体的には、第一のパルスと第二のパルスとの間の期間ｘ_０は、残余のパルス間の期間とよりも２５％ないし５０％短い。第二のパルスと第三のパルスとの間の期間であるｘ_１は、第一のパルスと第二のパルスとの間の期間ｘ_０よりも長い期間である。本実施例の変動では、第三の期間ｘ_２は、その後の全てのパルスに対して存在する。本基間は期間ｘ_１以下であるが、時間ｘ_０よりも長い。例えば、仮に最初の二つのパルス間の期間が３μ秒であるならば、期間ｘ_１は７μ秒であるのに対し、ｘ_２は５μ秒である。
【００３３】
最後に、図４（ｆ）は、期間の変化とパルス幅の変化とを組合せた方法の実施例を例示する。一般には、双方のパラメータを変化させることは、最適結果には必要なことである。本例の方法では、期間ｘ_０及びｘ_１は、残余のパラメータ間にて利用する期間ｘ_２よりも実際に大きい。期間ｘ_２は７μ秒であるのに対し、期間ｘ_１は６μ秒である。ｘ_２期間は５μ秒である。第一のパルスの幅は３μ秒であるのに対し、第二のパルスの幅は２μ秒である。残余のパルスの幅は１．５μ秒である。さらに、完全には理解されてない理由のため、初期に発生したパルス間の期間を長くすることは、良好の方向性を招来し、最初の二つのパルスの高さ及び幅の何れかを増大させる。
【００３４】
よって、今までに示した例は最初の二つの方向違いの液滴を補正するヒータ５０に波形を印加すると、熱的応答時間は二つ以上の液滴が補正には必要である。この場合には、大きなエネルギーを印加する波形は最初の二つのパルス期間でなく、最初の二つ以上のパルス期間でさえも、同じ技術が適用される。例えば、仮に、最初の４つの液滴に補正は必要ならば、本願で教示したパルス振幅、幅及び期間さまざまな組合せが、前記最初の４つの期間に拡張される。
【００３５】
流れのアレイは本発明の実施には必要ではないが、流れのアレイを有する装置は印字速度を増大させるためには望ましい。この場合には、個々の流れの偏向及び調整は、単純で、且つ、物理的にコンパクトな方法で単一の流れを説明するように達成される。なぜならば、かかる偏向は僅かな電位に印加のみにより、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実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一の典型的な印字装置の単純化させたブロック模式図である。
【図２（ａ）】動作中の非対称加熱偏向のあるノズルの断面図である。
【図２（ｂ）】異なるタイプの非対称ヒータを有するノズルの平面図である。
【図２（ｃ）】異なるタイプの非対称ヒータを有するノズルの平面図である。
【図３（ａ）】本発明の方法を利用しないときの初期に放出された液滴の軌跡を表わす図である。
【図３（ｂ）】本発明の方法を利用したときの初期に放出された液滴の軌跡を表わす図である。
【図４（ａ）】本発明の方法を具現化させるパルス列を表わす図である。
【図４（ｂ）】本発明の方法を具現化させるパルス列を表わす図である。
【図４（ｃ）】本発明の方法を具現化させるパルス列を表わす図である。
【図４（ｄ）】本発明の方法を具現化させるパルス列を表わす図である。
【図４（ｅ）】本発明の方法を具現化させるパルス列を表わす図である。
【図４（ｆ）】本発明の方法を具現化させるパルス列を表わす図である。
【符号の説明】
１ プリンタシステム
１０ 画像ソース
１２ 画像処理ユニット
１４ ヒータ制御回路
１６ プリントヘッド
１７ インクガッタ
１８ 記録媒体
１９ インクリサイクリングユニット
２０ 運搬システム
２２ 運搬制御システム
２４ マイクロコントローラ
２６ インクジェット圧力調節器
２８ インク貯蔵器
３０ インク通路装置
４０ インク放出通路
４２ 基板
４６ ノズル孔
５０ ノズルヒータ
５１ メニスカス
５６ 電気絶縁層
５９ コネクタ
６０ 流れ
６１ コネクタ
６４ 薄層不動態膜
６６ （偏向された）液滴
６７ 未偏向液滴
６８ 親水化層
７０ インク
７５ ＣＯＭＳ回路
７７ シフトレジスタ
７９ ラッチ回路
８１ ラッチクロック
８３ イネーブルクロック
８４ ＡＮＤゲート
８５ ドライバートランシスタ
８７ ドライバートランジスタ
８９ ＡＮＤゲート
９１ マイクロコントローラのメモリ回路

Claims (3)

1. 液滴の連続流を形成し、液滴の連続流の選択された液滴を偏向する際に、非対称な加熱を利用する、連続式のインクジェットプリンタのノズルからのインク液滴の初期の流れを制御する方法であって、
   前記プリンタは、前記インク液滴の流れを偏向するため、前記ノズルの一部分に対してのみ関連付けられた加熱要素を有し、
   前記動作の間、前記加熱要素には、実質的に一定のレベルの電力が供給され、
   当該方法は、
   印刷動作の開始時に、前記一定のレベルよりも高いレベルで、前記加熱要素に電力を供給するステップを有し、
   一連のインク液滴の最初のインク液滴の数滴の形成の間、液滴は、前記最初の液滴流の誤方向誘導を回避するように偏向されることを特徴とする方法。
2. 前記印刷動作の間、一定の強度、幅、および周波数の一連の電気パルスの形態で、前記加熱要素に電力が供給され、
   前記ステップは、最初に、前記一定の振幅、幅、または周波数よりも大きな振幅、幅、または周波数のうちの少なくとも一つを有するパルスの形態で、電力を供給するステップを有することを特徴とする請求項１に記載のインク液滴の初期の流れを制御する方法。
3. 第４のパルス以前のパルスのうち、少なくとも第１のパルスは、前記一定の幅、振幅、および周波数よりも大きな幅、振幅、および周波数のうちの少なくとも一つを有することを特徴とする請求項２に記載のインク液滴の初期の流れを制御する方法。

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