JP5336034B2 - インクジェットプリントヘッド及び当該プリントヘッドを有するインクジェットプリンタ - Google Patents

Description

本発明は、壁によって隔離された2つの実質的に密閉されたインクチャンバを有するインクジェットプリントヘッドに関する。各チャンバは電気機械変換器を有し、当該プリントヘッドの第1チャンバに対応する変換器の作動はクロストークによる第2チャンバの容積変化を引き起こす。本発明はまた、このプリントヘッドを有するインクジェットプリンタにも関する。

この種類のプリントヘッドは特許文献1から既知である。このプリントヘッドは細長いインクチャンバの列を有し、インク導管とも呼ばれ、機械加工技術の適用により、所謂導管板内部に取り付けられている（特許文献1の図1中の要素12を参照）。チャンバは上部を柔軟性薄片で覆われ、実質的に密閉されている。さらに、各チャンバはインクをチャンバに供給するための注入口及び、各チャンバからの個々のインクの液滴を排出するための出口（ノズル）を有する。この目的のために、各チャンバは圧電型の電気機械変換器と、それによって操作されるように接続している。変換器は駆動によって拡張又は縮小する。この運動は柔軟性薄片を通して、この変換器に対応するチャンバに信号として伝え、よって当該チャンバは突然の容積変化を引き起こす。その結果、チャンバ内部で圧力波が発生し、その影響でインクの液滴がチャンバから排出可能となる。
米国特許公開第6161925号明細書

既知のプリントヘッドでは、変換器は個々のブロックに属する。個々のブロックは、2つのチャンバ間の壁の高さで薄片の上に載っている支持要素のみならず、2つの変換器がそれらの対応するチャンバ内で圧力波を発生させるために取り付けられている担体要素を有する。ブロックはチャンバと平行な方向に高い剛性を有し、チャンバに垂直な方向には低い剛性を有する背面板に取り付けられている。この構造はクロストークを防ぐために設計されている。クロストークとは、あるチャンバに対応する変換器の駆動によって生じる現象で、隣接チャンバの容積変化を引き起こす。この（望ましくない）容積変化は圧力波を発生させる可能性がある。この圧力波はこの隣接チャンバにおける液滴排出過程において望ましくない影響を与える恐れがある。しかし、この既知のプリントヘッドでは、クロストークは一般的に起こることである。1つのブロック内部で、たとえば一変換器の変形がほぼ確実に他の変換器の変形を引き起こし、従って隣接導管の容積変化をも引き起こすような中程度のパワークロージャーが起こるかもしれない。隣接チャンバにおける容積変化の他に考えられる原因又は、付加的に起こる原因は、変換器及び付随する圧力波のために圧電素子の伸張方向と平行な方向に、導管板が局所的に伸張することである。これにより、分離されたブロックに対応する2つの導管間のクロストークは既知のプリントヘッドの場合でも生じてしまう。

本発明の目的は、上述の問題を取り除くことである。この目的のため、本明細書前段部に従ったプリントヘッドが発明された。このプリントヘッドは、壁は当該駆動によって変形するように変形することが可能であり、第1の容積変化と同時に同じチャンバで第2の容積変化を発生させ、この第2の容積変化は本質的には同じ量だが、第1の変化と反対である、ことを特徴とする。

本発明は隣接チャンバの容積変化が生じる変換器の駆動を防ぐことは不可能である、という認識に基づいている。この理由は、隣接変換器間の十分な出力密閉の実現とチャンバの伸張の防止を同時に行うことは不可能であるからである。ここで本発明は、チャンバ間の変形可能な壁を有し、前述の容積変化は本質的に当該変形によって十分に補償されている。第1チャンバ内の圧力増加が起こる場合、たとえば、チャンバの局所的な伸張により、隣接チャンバの容積は突然増加するだろう。この容積変化はこの隣接チャンバに向かって壁が曲がることで十分に補償可能である。この曲がりは第1チャンバ内の突然の圧力増加によって引き起こされ、集合体及び壁の配置の正しい選択によって調節可能である。たとえば、強い変形が望ましい場合、剛性材料（たとえばチタン）の非常に薄い壁を選んで良く、当該壁はチャンバ間で曲がりやすいように設けられている。容積変化を引き起こすような効果がお互いを補償しあう場合、当然隣接チャンバの形状変化が起こるが、容積は変化しない（容積変化は、実際には望ましくないクロストークの重要な原因である）。本発明では、正味の容積変化はないということを明記しておきたい。それはつまり、望ましくないクロストークを引き起こす恐れのある容積変化が生じないように、壁の変形による補償効果は起こるということである。裸眼でわかるくらいの印刷アーティファクトが生じるとき、望ましくないクロストークは生じている。これまで試されてきたもので、隣接チャンバの壁の形状変化を防ぐものである既知の解決法とは全く対照的に、本発明は、この形状変化が本質的にこのチャンバの容積変化を防ぐために使用可能であることを示している。そしてこの容積変化は望ましくないクロストークのより重要な原因である。

一実施例において、第1チャンバに対応する変換器が駆動しても、第2チャンバの直径は本質的には一定である。この実施例では、壁が補償的変形による隣接チャンバにおける正味の容積変化の発生の防止を可能にすることのみならず、変形の結果として、インク排出方向に垂直なチャンバの長さ（長さの軸と垂直）が本質的に一定にできるように、当該壁はプリントヘッド内部に形成及び設置される。この点では、参照されるべきものは、直径の状態ではなく、表面の寸法としての直径である。よって、望ましくないクロストークを防ぐためにさらなる改善がなされるように、隣接チャンバ内での圧力波発生は擬似的に全く除去されることを本実施例の実施は示している。またこの実施例では、隣接チャンバの形状は第1チャンバに対応する変換器の駆動によって大きく変化しても良いが、前記の長さが変化しないので、軸方向におけるインクの置換が本質的に生じない。よって、液滴排出過程に顕著な影響を与えうる圧力波の発生を防ぐことは可能である。

一実施例では、壁は60GPa未満のE係数（ヤング率）を有する。この実施例では、チャンバ間の壁は比較的容易に変形可能な材料で構成される。このことは、壁に変形能を持たせる上では、壁は制限なしに比較的厚くできることを意味する。この利点は、壁で隔離されているチャンバが内部に形成されている要素を比較的単純に製造することである。他の実施例では、壁は本質的にカーボンで構成される。この材料は、チャンバと壁とが一緒になっている要素を形成するのが比較的単純になるような、一般的には14GPaという低い剛性率及び、良好な機械加工性の2つの利点を持ち合わせている。さらに別な実施例では、壁は本質的に同種のカーボンから構成される担体板に取り付けられている。この実施例では、チャンバをミリングすることで、チャンバ及び壁はカーボンの要素から容易に製造することができる。ミリングによって自然にチャンバ間のカーボンの壁は形成される。ある種類のカーボンを選択するとき、壁の厚さ及び高さの要求は、実験又は本発明に従って適用可能なモデルに基づいて決定して良い。

一実施例では、本発明はまた、前述のプリントヘッドを有するインクジェットプリンタにも関する。そのようなプリントヘッドは印刷画像に望ましくない印刷アーティファクトを生成することなく適用可能である。

ここで、本発明について以下の例を参照してさらに説明する。

[図1]
図1はインクジェットプリンタを表す図である。この実施例に従うと、プリンタは、紙やOHPシートのような受領媒体2の支持及び、キャリッジ3に沿った媒体の移動に使用されるローラー1を有する。このキャリッジは、4つのプリントヘッド4a,4b,4c及び4dが取り付けられている担体を有する。各プリントヘッドはそれぞれ独自の色を有する。この場合であれば、順にシアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)及びブラック(K)である。プリントヘッドは、各プリントヘッド4の背面及び担体5に取り付けられている加熱素子9によって加熱される。プリントヘッドの温度は、中央部の制御ユニット10（コントローラ）によって的確なレベルに保持される。

ローラー1は、矢印Aで示されているように軸の周りを回転可能である。この方法では、受領媒体は担体5、従ってプリントヘッド4に対する副走査方向（よくX方向と呼ばれる）に移動可能である。キャリッジ3は適切な駆動機構（図示していない）を使用することでローラー1に平行な矢印Bで示された方向に往復運動可能である。この目的のため、担体5は案内棒6と7に沿って移動する。この方向は一般的には主走査方向又はY方向と呼ばれている。この方法では、受領媒体はプリントヘッド4によって十分に走査されることが可能である。

この図で示された実施例に従うと、各プリントヘッド4は各々の出口（ノズル）を有する多数の内部インクチャンバ（図示していない）を有する。この実施例でのノズルはローラー1の軸に垂直なプリントヘッドあたりの1列を形成する（つまり列は副走査方向へ拡張する）。インクジェットプリンタの実際の実施例においては、プリントヘッドあたりのインクチャンバの数は何倍もの多さであり、ノズルは2より多い列で構成される。各インクチャンバは圧電変換器（図示していない）を有する。この圧電変換器はインクチャンバ内に圧力波を発生させることが可能である。それは、インク液滴が受領媒体の方向に、関連したチャンバのノズルから排出されるようにするためである。変換器は、中心部の制御ユニット10の適用によって関連する電気駆動回路（図示していない）を介して画像の方向に駆動可能である。この方法で、インク液滴で構成される画像は受領媒体2上で生成可能となる。

インク液滴がインクチャンバから排出されるようなプリンタを用いて受領媒体を印刷する場合、この受領媒体又はその一部は仮想的に複数の固定された場所に分割される。それらの場所は、画素の行及び列の決まった領域を形成する。一実施例に従うと、画素の列は画素の行に垂直である。よって生成される個々の位置は、それぞれが1つ以上の液滴で提供されても良い。画素の列及び行に平行な方向の単位長さあたりの場所の数は印刷画像の解像度と呼ばれ、たとえば400×600d.p.i（”1インチあたりのドット数”）と表される。プリントヘッドノズルの列をインクジェットプリンタ画像の方向に駆動させることで、担体5が移動するように列が受領媒体に対して移動する場合、インク液滴から構成される画像又はその一部は、受領媒体上又は少なくともノズルの列の長さと同じ幅の一片内に生成される。

[図2]
図2は本発明が適用可能なインクジェットプリンタヘッド4を図示している。このプリントヘッドは、表面21aを有する担体21を有する。2つの圧電変換器24aと24bは表面21a上に取り付けられている。これらの変換器24aと24bはそれぞれ電極25aと25bを介した電気パルスをかけることで駆動可能である。さらに担体は支持要素21bを有する。この支持要素は柔軟性薄片26の運搬に関わる。インクチャンバ構造は柔軟性薄片26上に取り付けられている。この薄片は圧電変換器の上部29aと29bに取り付けられている。この概念的な実施例において、2つのインクチャンバ27aと27bのみが変形可能な壁22によって隔離されたインクチャンバ構造として図示されている。インクチャンバはノズル8a及び8bに通じている。チャンバは板23によって密閉されていて、当該板はチャンバにインクを供給するのに使用可能な注入口23aを有する。

[図3]
図3は本発明が実施されているインクジェットプリントヘッドの異なる実施例を図示している。図は、インクジェットプリントヘッド40の断面図を示している。この実施例では、プリントヘッドは支持素子31bのみならず、変換器34aと34bを上に設けている担体31を有する。担体は1mmの厚さyを有し、Thomit600（商標）から構成される。Thomit600とは、アルミと酸化物を含むセラミックス材料で、マルクトレッドヴィッツ（独国）のセラムテック社（商標）を起源とする。要素31及び34は高さxが650μmで厚さmが85μmの多層の圧電素子（一般にはPZT材料が適用される）である。柔軟性薄片36はこの上に取り付けられている。この実施例において薄片は10μmの厚さを有するユーピレックス（商標）ポリミド薄片（E係数9GPa）である。幅lが200μmで高さzが140μmのインクチャンバ37a及び37bが図示されている。これらのチャンバは、2mmのカーボン板33をミリングし、140μmの厚さkを有する内壁32を作製することで形成される。これらの壁はカーボンで構成されるため、Dで示された方向と平行な方向に変形可能である。選択された厚さkは、板33の構成要素としての壁の配置とともに、チャンバ内部の圧力が変化する場合、比較的容易に変形することを意味する。

たとえば、圧電素子34aが駆動される場合、隣接チャンバ37bは、Cで示された方向（この方向に圧電素子は伸張する）にこのチャンバが伸張する結果生成される圧力波による容積変化に従う。しかし、駆動はまた、チャンバ37a内部の圧力を増加させ、壁32をチャンバ37bに向かって変形させる。選択された配置は、チャンバ37b内での容積変化を引き起こすような配置である。この容積変化は、チャンバが伸張する結果であるチャンバ37bにおける上述の容積変化によって（擬似的に）十分補償される。そのようなものとして、チャンバ37bは変換器34aの駆動による正味の容積変化の影響は受けない。本発明の実施はまた、この実施例において変換器34aが駆動される場合、チャンバ37bの直径が変化しないことを示している。これは本質的には、クロストークを排除するように、チャンバ37b内の圧力波の発生を防いでいる。

一実施例では、より強い剛性を有する材料が壁として選択される場合、適切な変形能を保持するように、材料を薄くする及び/又は、従来の剛性を有する材料とは異なった配置にすることが必要になる。壁の設計はまた、担体要素31を介して圧電変換器間の十分な出力密閉が存在するか否かに依存する。十分な出力密閉が存在しない場合、あるチャンバに対応する変換器の駆動は隣接チャンバの容積変化を引き起こす。この容積変化は出力密閉（の特性）が悪化するに従って増加する。この容積変化を補償するため、壁は従って、駆動時にかなりの程度変形する必要がある。

インクジェットプリンタを図示している。 集合体になっている導管板の斜視図。 寸法及び、変形（効果、曲げ及び伸張）の説明が付随する集合体の断面図。

符号の説明

1 ローラー
2 受領媒体
3 キャリッジ
4a プリントヘッド
4b プリントヘッド
4c プリントヘッド
4d プリントヘッド
5 担体
6 案内棒
7 案内棒
8 出口（ノズル）
9 加熱要素
10 中心部の制御ユニット
8a ノズル
8b ノズル
21 担体
21a 担体表面
21b 支持要素
22 可変壁
23 板
23a 注入口
24a 圧電変換器
24b 圧電変換器
25a 電極
25b 電極
26 柔軟性薄片
27a チャンバ
27b チャンバ
29a 圧電変換器上部
29b 圧電変換器上部
31 担体
31b 支持要素
32 内部壁
33 カーボン板
34a 変換器
34b 変換器
36 柔軟性薄片
37a インクチャンバ
37b インクチャンバ
40 インクジェットプリントヘッド
l インクチャンバの幅
z インクチャンバの高さ
k 板33の厚さ
m 圧電変換器要素の厚さ
x 圧電変換器要素の高さ
y 担体の厚さ

Claims (5)

1. 壁で隔離された2つの実質的に密閉されたインクチャンバを有するインクジェットプリントヘッドであって、
   各前記チャンバは、第1インクチャンバに対応する第1電気機械変換器及び第2インクチャンバに対応する第2電気機械変換器を有し、
   前記プリントヘッドの前記第1インクチャンバに対応する前記変換器の駆動はクロストークによって前記第2インクチャンバ内における第1の容積変化を引き起こし、
   前記第1の容積変化は、前記第2電気機械変換器の変形による第1方向での前記第2インクチャンバの伸張の結果生じ、
   前記壁は、前記駆動によって前記第1方向に対して垂直な第2方向に変形するように変形可能であり、同時に前記第2インクチャンバ内で第2の容積変化を発生させ、
   前記第2の容積変化は本質的には、同じ量だが前記第1の変化とは大きさが反対である、
   ことを特徴とするインクジェットプリントヘッド。
2. 請求項1に記載されたインクジェットプリントヘッドであって、
   前記壁は60GPa未満のE係数を有することを特徴とするインクジェットプリントヘッド。
3. 請求項1又は2に記載されたインクジェットプリントヘッドであって、
   前記壁は本質的に、カーボンから構成されることを特徴とするインクジェットプリントヘッド。
4. 請求項３に記載のインクジェットプリントヘッドであって、
   前記壁は、本質的には同種のカーボンから構成される担体板上に取り付けられていることを特徴とするインクジェットプリントヘッド。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッドを有するインクジェットプリンタ。

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