JP6735361B2 - 連続インクジェットプリンタにおける、またはこれに関する改善 - Google Patents

Description

発明の技術分野
この発明は、連続インクジェットプリンタに関し、特に、単一ジェットの連続インクジェットプリンタに関する。

発明の背景
連続インクジェット（「ＣＩＪ」）プリンタは、製品上の場所識別コードに幅広く使用される。典型的に、ＣＩＪプリンタは、インクを加圧するためのシステムを含むプリンタハウジングを含む。一度加圧されると、インクは、インク供給ラインを介して、導管を通って、プリントヘッドへと送られる。プリントヘッドにおいて、加圧されたインクは、インクジェットを形成するためにノズルを通して送られる。振動または摂動は、インクジェットに印加され、ジェットが液滴のストリームへと分離することを引き起こす。

プリンタは、選択された液滴を帯電させるための帯電電極、および帯電された液滴をそれらの元の軌道から離れて基板上へと偏向させるための静電手段を含む。液滴上に配置される電荷の量を制御することによって、それらの液滴の軌道は、印刷画像を形成するために制御されることができる。

連続インクジェットプリンタがそのように称されるのは、任意の特別の液滴が印刷のために使用されるかどうかに関わらず、プリンタが液滴の連続ストリームを形成するためである。プリンタは、印刷のために使用されるべき液滴を、その液滴に電荷を印加することによって選択し、それらがノズルから噴射されるのと同じ軌道上を、印刷されない液滴がキャッチャまたはガターへと継続可能とされる。ガター内に集められる印刷されていない液滴は、インクをプリントヘッドに供給する加圧されたインク供給ラインを含むものと同じ導管内に含まれるガターラインを介して、プリントヘッドからプリンタハウジングへと戻される。インクは、混入された空気と一緒に、ガターライン内のポンプによって生成される真空下でプリンタハウジングに概ね戻される。

信頼性のあるＣＩＪプリンタの動作を達成するために、適切な始動およびシャットダウンルーチンが行われなければならない。始動およびシャットダウンのための典型的なルーチンは、欧州特許第０９０８３１６号明細書に概説される。シャットダウンの際に、プリンタのガターラインは、ラインが閉塞されるのを防ぐために、インクを除去されなければならない。異なるインク粘度および異なる導管長さは、ガターラインからインクが常に除去されることを確実にするために異なる動作ルーチンを要するということが理解されるだろう。

ＣＩＪプリンタの１つの欠点は、インクおよび空気をプリンタハウジングに戻すプロセスが、ガターライン内でインクと混入された空気へのインクからの蒸発を通して、インクに含まれる溶媒の一部を消費することである。いくつかの異なる方法は、消費される溶媒の量を削減する試みにおいて使用されてきた。これらの方法は、１）空気をプリントヘッドに再循環させること、２）プリンタハウジング内のインクリザーバから通ずる排気口内でのペルチェ装置の使用、または３）導管内に混入される空気の量の削減を試みること、の３つの主な手法に焦点を当てる。

欧州特許第０５６０３３２号明細書は、導管から戻される空気を再びプリントヘッドへと再循環させることによって、溶媒の消費を削減するシステムを開示する。短い時間の後に、プリントヘッド内の空気は、飽和され、溶媒の損失は、最小限に抑えられる。しかしこの方法は、プリントヘッドへと戻るよりも多くの空気が戻される際にプリンタハウジング内のインクリザーバタンクが過加圧とならないように、空気流の精密なバランスを要する。

同様の手法は、欧州特許第２２９２４３３号においてとられており、これは、溶媒を含む空気がプリントヘッドの偏向電極に凝縮し、故障を引き起こす問題を説明する。概説される解決策は、空気の一部をプリントヘッドに戻すのではなく大気へと排気し、再循環管の出口をガター近傍に配置することを可能とすることである。

国際公開第９３／１７８６９号は、インクリザーバからの排気出口におけるペルチェ装置の使用を開示し、ペルチェ装置は、リザーバから排気を通して渡される揮発性有機溶媒を凝縮させる。しかし、この状況でのペルチェ装置の使用は、それが水蒸気並びに再循環されたインクから回収される揮発性有機物を凝集させ、回収された水が多くの連続インクジェットのインクに対する汚染物質であるという点で、問題を有する。米国特許第８，３６０，５６４号は、溶媒蒸気をリザーバの排気から除去するために２段の凝集装置を使用することによって、水の汚染の問題を解決することを試みる。凝集装置は、水蒸気を除去するために水の露点にある第１の冷たい表面と、蒸気から溶媒を除去するための第２の冷たい表面とを有する。

上述の第３の手法の例として、国際公開第９９／６２７１７号は、バルブの使用によって、ガターと吸引ポンプとの間の流体の流れを変化させ、遮断し、脈動させることによって、溶媒消費を減少させるための方法を説明する。この文献は、空気流が遮断された場合にあってもインクが依然として除去されることができるという驚くべき結果を開示する。この特許の開示は、本出願人の経験とは、対照的である。

国際公開第２００９／０８１１１０号は、また、環境状態に応じてガター流を変化させるためにバルブを使用するシステムを説明する。ガターライン内にバルブを有する任意のシステムの欠点は、空気／インク混合物がバルブ上で乾燥しやすくなり、バルブに固着し、信頼性がないことである。

国際公開第２００９／０４７５０３号では、２つ以上のガターポンプを有するシステムが説明される。粘度が高い低温において、両方のポンプが使用され、粘度がより低い高温において、１つポンプのみが作動される。

欧州特許第０８０５０４０号明細書は、停滞流と称される流れレジームよりも低い真空点にあるプリンタ内の流れレジームをガター真空の制御が確立することに焦点を当てる、マルチジェットのＣＩＪプリンタを開示する。停滞流は、インクおよび空気の個々の停滞流によって特徴付けられ、圧力センサによって測定されるときに高いレベルの圧力ノイズを引き起こす。この文献では、バブル流と称される停滞流よりも低いレジームにおいて、プリンタが動作されることが開示される。この教示とは対照的に、本出願人の経験では、ＣＩＪプリンタは、停滞流以下のレジームにおいて、インクが除去されたガターを維持可能ではないため、確実に動作されることができない。この結果、プリント基板への漏出および損傷につながる。

本発明の目的は、上述のシステムの欠点を少なくとも何らかの方法で解決するであろう、または少なくとも新規の発明的な代替策を提供するであろう、連続インクジェットプリンタのガターラインを通る流れを観察および／または制御する１つまたは複数の方法を提供することである。

発明の概要
したがって、本発明は、真空ポンプを使用する単一ジェットの連続インクジェットプリンタのガターラインを通るインクおよび／または空気の流れの制御方法を提供し、上記方法は、上記ガターライン内の環状流と遷移流との間の遷移を識別することと、上記ガターライン内の遷移流を維持するために上記ポンプを制御することとを備える。

好ましくは、上記ガターライン内の環状流および遷移流を識別するステップは、上記ガターライン内の圧力における変動を観察することを備える。

代替的に、上記ガターライン内の環状流および遷移流を識別するステップは、上記ポンプを駆動する電流における変動を観察することを備える。

第２の態様では、本発明は、連続インクジェットプリンタのガターライン内の閉塞を決定する方法を提供し、上記方法は、上記ガターライン内の真空レベルを基準動作真空と比較することを含むことを特徴とする。

第３の態様では、本発明は、連続インクジェットプリンタのインク液滴のジェットとガターとの間の位置ずれを決定する方法を備え、上記方法は、上記プリンタのガターライン内の真空レベルを基準動作真空と比較することを含むことを特徴とする。

好ましくは、上記方法は、始動後のあらかじめ定められた時間内に実行される。
好ましくは、追加的に、上記方法は、通常動作中に適用され、規定された期間にわたる真空における急落は、上記ガターライン内において、上記インク液滴のジェットと上記ガターとの間の位置ずれと解される。

第４の態様では、本発明は、連続インクジェットプリンタにおいてシャットダウンルーチンを行う方法を備え、上記プリンタは、プリントヘッドからプリンタハウジングへとつながるガターラインを有し、上記方法は、上記ガターライン内の真空レベルを監視することと、上記シャットダウンルーチンを完了することとを含むことを特徴とする。

第５の態様では、本発明は、連続インクジェットプリンタの一部を形成するガターポンプの性能を監視する方法を提供し、上記ガターポンプは、インクおよび／または空気を上記プリンタ内のガターラインを通して引き込むように動作し、上記方法は、上記ガターライン内に印加されるべき特徴的真空を確立することと、通常動作中に上記ガターライン内の真空レベルを上記特徴的真空と比較することを含む。

好ましくは、上記方法は、始動後のあらかじめ定められた時間内に実行される。
第６の態様では、本発明は、プリンタハウジングと、
上記プリンタハウジングから離間されたプリントヘッドと、
上記プリントヘッドから上記プリンタハウジングへとインクを戻すように構成されるガターラインと、
上記ガターラインを通してインクおよび／または空気を引き込むように動作するガターポンプと、
上記ガターライン内の真空レベルを測定するように構成される圧力センサとを含む連続インクジェットプリンタを提供し、
上記プリンタは、
上記ガターラインを通る遷移流を維持し、および／または、
上記ガターライン内の閉塞を決定し、および／または、インクノズルと上記プリントヘッド内のガターとの間の位置ずれを決定し、および／または、
上記ガターポンプの性能を監視し、および／または、
上記圧力センサによって検知される真空の測定に応答することを含むシャットダウンルーチンを始めるように動作する制御手段をさらに含む。

本発明を実施することができる方法の多くの変形例は、当業者に明らかになるであろう。以下の記載は、本発明を実施する１つの手段のみを例示することを意図しており、変形例または均等物の記載の欠如は、限定的であるとみなされるべきではない。可能な限り、特定の要素の説明は、現在または将来存在するかどうかに関わらず、その任意のすべての均等物を含むと考えられるべきである。

図面の簡単な説明
本発明は、添付の図面を参照してより詳細に、かつ例として、以下に説明される。

本発明のさまざまな態様を行うために適した、例示的な連続インクジェットプリンタのインク回路の概略を示す。 連続インクジェットプリンタのガターライン内で観察され得る、異なる流れレジームを示す。 連続インクジェットプリンタの始動プロセスを通した、ガターライン真空のプロットを示す。 時間の関数としてのガターライン真空、ガターポンプ制御電圧およびガターノイズのプロットを示す。

実施形態の説明
図１を参照して、連続インクジェットプリンタ、この場合単一ジェットの連続インクジェットプリンタが、図式的に示され、プリンタは、インクリザーバ６からインクを引き込み、リザーバ７から補充液または溶媒を引き込む。リザーバ６および７は、それぞれカートリッジ８および９から補充される。

インクは、リザーバ６から供給ポンプ１０によって引き込まれる。ポンプ１０は、インククーラー３６を通して、そして、細密システムフィルタ１１を通して、インクを押し出す。インクは、そして、供給ライン１３を通して、ダンパー１４を介して、液滴ジェネレータ１２に導かれるか、ジェットポンプ１５を通して、リザーバ６へと再び導かれる。ジェットポンプを通るインク流は、またインクの粘度を決定することを可能とするために、粘度計ループ１６を通して導かれることができる。プリンタが印刷していないスタンバイモードでは、すべてのインクは、ジェットポンプ１５を通して循環され、リザーバ６へと戻される。この状態では、インクの流れが比較的高い一方で、圧力は、比較的低い。

プリントヘッドへの供給経路とリザーバに戻る循環経路との間で流れをバランスさせるために、制限装置が使用される。液滴ジェネレータ１２は、約３バールの高い圧力で５ｍｌ／分のオーダーの低い流量を要する一方、ジェットポンプ１５および粘度計ループ１６は、それよりもかなり低い圧力で８００ｍｌ／分のオーダーのかなり高い流量を要する。液滴ジェネレータ１２における圧力は、ブリードライン１８内に含まれる圧力トランスデューサ１７によって、測定される。

従来の方法では、インクは、ノズルバルブ２１の解放の際に、プリントヘッドノズル２０を通して噴射され、ジェットは、それがインクキャッチャまたはガター２２に入るように整列され、ガターライン２３を介してプリンタに戻される。ガターポンプ２４は、ガターライン２３内で真空を引き込み、圧力センサ２５は、ガターライン内の真空を監視するために、ガターポンプ２４の前でガターライン２３に取り付けられる。ガターポンプ２４によって戻されるインクおよび空気の混合物は、ガターフィルタ２６を介して、リザーバ６へと戻るように導かれる。ガターポンプは、好ましくは、電気的に駆動される可変速度ダイヤフラムポンプである。

第１の発明の態様にしたがって、ガターライン内で生成されるノイズは、ガターポンプ２４の動作を制御するために、監視される。この「ノイズ」は、ガターライン２３における圧力変動または電流駆動ポンプ２４における変動を備えてもよい。

図２は、連続インクジェットプリンタのガターライン内で見いだされ得る、異なる流れレジームを示す。高流量では、環状流が観察される。環状流は、空気流がラインの中心を流れるのに対し、インクが環状体としてガターラインを流れ、ラインの内面上の層を形成することによって特徴付けられる。低流量では、停滞流が観察される。停滞流は、インクがゆっくり移動し表面張力によって一緒に引っ張られる停滞を形成することによって、特徴付けられる。停滞流では、インクおよび空気は、混合されずに、インクおよび空気の個々の停滞を形成し流れる。本出願人の経験では、単一ジェットの連続インクジェットプリンタにおいて、停滞流が観察される流量は、ガター内に集まるすべてのインクを除去するのには不十分である。

停滞流と環状流との間にあるのは、遷移流であり、我々は、これを、ガターラインに入るインクのすべてがガターをあふれさせることなくポンプによって除去されることを保障する最小の流量と解する。

図３は、始動プロセス中の真空レベルを図示する。プリンタの始動の際に、ガターポンプ２４は、作動され、空気は、ガターラインに吸い込まれる。Ａと記された期間中に、高い空気流量が選択され、これにより、ガターライン２３を通る流れは、ノズルバルブ２１が開通される直前に、環状の領域において始まり、ガター真空の値は、ガターを通して空気を流すための特徴的真空レベルとして、オペレーティングシステム内に格納される。ノズルバルブ２１は、そして開通され、インクは、ノズル２０から放出され、そしてそのインクは、ガター２２内に集められる。ガターライン２３を通して空気が吸い込まれる際に、システムは、低いノイズを有する低い真空読み取りを初期的に有する。インクは、空気よりも高い粘度を有し、インクがラインに入るときに、ポンプがインクを引き出すにつれて、真空は、増加するだろう。期間Ｂの間に、プリンタは、上記の期間Ａ中に記録されたレベル以上に真空が増加されたことを確実にするためにテストする。インクが存在し、一度環状流が確立されると、真空ライン内のノイズレベルは、点Ｃにおいて特徴付けられる。例示的に、これは、ノズル開通後５〜１０秒の範囲であり、真空は、この時間までに期間Ａ中よりも少なくとも１０％大きいレベルに達するはずである。

図４は、始動プロセス中にプリンタが真空ポンプを制御する方法を図示する。ポンプ速度は、真空ポンプ速度に比例して対応する０〜４Ｖ制御入力によって、制御されることに留意すべきである。図４は、図３上で点Ｄと記された点において開始する。０〜約１７５秒間、ポンプは、４Ｖのポンプ制御電圧によって指定される高い速度において動作し、これは、ガターを始動するために使用される期間であり、言い換えると、ガター内の定常状態のインク流および真空を確立するための期間である。この時間に、大量の空気は、ガターの中心を流れ、一方インクは、管の周縁に押し出され、流れの種類は、環状流として知られる。プリンタは、この時間の移動平均（ｒｏｌｌｉｎｇ ａｖｅｒａｇｅ）真空レベルを決定するだろう。

ガターが始動された後、移動ノイズレベルは、特徴付けられ、ガターポンプを制御するために使用される。例示的な実施では、真空センサは、約２ｋＨｚのレートにおいてサンプリングされ、平均は、毎秒のデータに対して計算される。真空ノイズのための値は、各サンプルを計算された平均真空と比較し残差を決定することによって（すなわち差の二乗を求め、平均真空で割ることによって）、各サンプルに対して計算される。各秒のサンプルの残差の和は、その秒の間の真空ノイズレベルを表すものと仮定される。

図４に見られるように、残差真空ノイズの値は、あらかじめ定められた閾値レベルまたはトリガ値と比較され、それがトリガ値以下であれば、真空速度は、低下される。これは、段階的に実施される。トリガ値は、図４の左手または垂直スケールの５０付近において、水平な線によって示される。この値は、多くのシステム上で環状流と遷移流との間の遷移点の開始を表すことが経験的に決定される。代替的に、プリンタは、遷移値を決定するために較正レジームに通されることができる。ポンプ速度における各変化に対して応答するための時間を制御システムに与えるため、プリンタは、ポンプ速度を再び変更する前に計１５秒間データを収集する。システムは、初めの３秒のデータを破棄するが、これは、ポンプの速度変更の影響がこの時点で測定結果を損なうためである。次の１２秒分のデータは、使用され、それら自体が平均されトリガ値と比較される。図４のグラフにおいて、１７５秒〜約６５０秒の範囲は、このアルゴリズムを良好に図示し、ポンプ速度が、約１５秒ごとに階段状に下げられることを示す。

図４の最後の部分である、６５０秒〜１４００秒の範囲は、遷移点においてガターポンプを制御するプリンタを示す。ポンプ速度が下がるにつれてガターノイズが徐々に増加するという直感的な結果が当てはまらないということが容易に見られる。代わりに、環状流を特徴付ける残差真空ノイズよりも著しく高いノイズレベルの急激な変化がある。ポンプ速度は、残差値がトリガ値の上下にあることにそれぞれ応答して、上下に動かされる。このようにして、ガターを効果的にきれいにするために、最低量の空気がガターに引き込まれるように、ガターポンプが制御される。

流れレジームは、システムの特性であり、上述のように我々は、プリンタの特定の実施形態に普遍的に適用される、環状流と遷移流との間の圧力振幅制御閾値を決定した。システムの許容誤差または構築標準偏差は、１つの流れの相から別の流れの相への真の遷移を測定する制御システムによって、自動的に補償される。ガター流および真空に影響を及ぼす要因は、ガターラインの内径、ガターの長さ、インク粘度（ガター内で周囲温度において）、ポンプ効率、ポンプ速度、およびノズル直径（インク流量）を含む。

一例として、ガターポンプが弱い場合、システムは、ポンプをより高速で駆動することによって、圧力振幅制御を維持するように補償する。ガターラインの長さを、たとえば標準の３ｍの長さから６ｍの長さに増やすと、システムは、制御点を維持するためにガターポンプをより高速で作動させる。

プリンタシステムが異なる温度環境で動作するとき、インクの粘度が温度と共に変化するので、ガターをきれいするために異なるポンプ速度が必要とされるだろう。ガターラインの動作位置が、環状流から遷移流領域への粘度に依存する遷移に基づくので、システムは、環境条件とは無関係にガターをきれいにするように、ガターポンプを設置するための適切な点を見つけるだろう。

したがって、システムは、ガターラインを通る空気の流れを最小限に抑え、確実な動作を保証する点を見つけることができる。空気流は、溶媒消費に直接関連するので、本発明にしたがって動作されるプリンタは、したがって、溶媒消費を大幅に低減し動作することができる。

本発明の別の態様では、ノズル２０がガター２２と正確に整列されているかどうか、このためノズルから吐出されたインクがガターに入ったかどうかを検出する方法を提供する。インクジェットがガターをはずし基板を汚す可能性が最も高いシナリオは、始動時である。すでに述べたように、始動時に、プリンタは、ガターを通る空気の流れを特徴付けるベースライン真空レベルおよび真空ノイズレベルを確立する。システムが始動され、ノズルからインクが放出されると、真空レベルが上昇することが予想される。指定された期間、たとえば７秒以内にこのことが検出されない場合、プリンタは、インクがガターに入らなかったと推定し、ジェットをシャットダウンし、このため基材のさらなる汚れを防止する。例示的に、１０％の変化が求められる。

通常動作モードでは、プリンタは、インクと空気の混合物がガターラインを通過している状態で動作する。本発明のさらに別の態様によれば、圧力センサ２５がガター真空レベルの突然の低下を検出した場合、空気のみがガターに入り、インクジェットは、何らかの理由でガターともはや整列していないことを推測できる。したがって、プリンタは、ジェットをシャットダウンし、起こり得る基板の汚れを防止するように構成されることができる。例示的に、プリンタは、ガターの真空レベルの移動平均を実行し、現在測定された真空を、短時間前に確立された移動平均と比較することによって、このことを達成する。好ましい実施形態では、これは、約４０秒前である。プリンタは、真空レベルが４０％以上低下していないことを確認する。

さらに別の態様では、本発明は、ガターラインが閉塞されているかどうかを判定する方法を提供する。この態様によれば、圧力センサ２５が真空レベルの上昇を検出した場合、プリンタは、ガターまたはガターラインが閉塞されていると推定することができる。例示的には、プリンタは、ガターの真空レベルの移動平均を実行し、現在測定された真空を、短時間前に確立された移動平均と比較することによって、これを達成する。好ましい実施形態では、これは、約４０秒前である。プリンタは、真空レベルが８０％以上低下していないことを確認する。

本発明のさらに別の態様では、プリンタシステムは、ガターポンプが意図したとおりに動作しているかどうかを確認するために、ポンプ速度の測定値を使用し、これを始動時の真空レベルと比較する。図３に示す期間Ａ内に予想された真空レベルが観測されない場合、プリンタは、ガターポンプが意図したとおりに動作していないと推測する。

本発明の別の態様は、プリンタの効率的なシャットダウンに関する。シャットダウン時にジェットを閉じた後、乾燥し閉塞を起こすインクがガターラインに残らないことを確実にするために、ガターラインは、きれいにされなければならない。連続インクジェットプリンタの現在の実施は、ガターラインがきれいにされることを確実にするために、ガターラインを通して、空気、インク、および溶剤を、特定の（長い）期間にわたって圧送することである。この時間は、環境仕様の最低部で動作し、結果として、シャットダウンに非常に時間がかかり得る最悪のシナリオを考慮して設定されなければならない。

本発明のこの態様によれば、プリンタシステムは、ガターラインを介して空気およびインク混合物をあらかじめ定められた時間圧送するように構成されるのではなく、システムは、センサ２５を用いてガターライン内の真空レベルを観察している間ガターポンプを作動させるように構成される。圧送は、ガターを単独で通過する空気に対応する真空レベルへと真空が再び到達するまで、継続される。この時点で、ポンプは、停止され、シャットダウンは、完了される。全体の清掃を確保するために、さらなる時間がかかる。

Claims (2)

1. 真空ポンプを用いる単一ジェットの連続インクジェットプリンタのガターラインを通るインクおよび／または空気の流れを制御する方法であって、前記方法は、前記ガターライン内の遷移流を識別することを備え、遷移流は、前記真空ポンプを、前記ガターラインを通してインク及び空気の環状流を確立するのに十分な速度で動作させることによって、環状流と停滞流との間で発生し、前記環状流では、インクが管状体として前記ガターラインを流れて前記ガターラインの内面上の層を形成し、前記停滞流では、インクおよび空気は混合されずに、前記ガターラインにおいてインクおよび空気の個々の停滞を形成して流れ、前記方法はさらに、前記ガターラインにおける真空ノイズの値を決定することと、真空ノイズの値を、所定の閾値と比較することと、真空ノイズの値が前記所定の閾値を上回るまで前記真空ポンプの速度を低下させることと、真空ノイズの値を、所定の閾値と比較することによって、前記ガターライン内の遷移流を維持するために前記ポンプを制御することと、
   真空ノイズの値が前記所定の閾値を下回る場合に、前記真空ポンプの速度を低下させること、または、真空ノイズの値が前記所定の閾値を上回る場合に、前記真空ポンプの速度を上昇させることと、を備える、方法。
2. 連続インクジェットプリンタであって、真空ポンプと、ガターライン内の真空の値を測定するように動作可能な圧力センサと、請求項１に記載の方法を実行するように前記真空ポンプを制御するように動作可能な制御手段とを備える、連続インクジェットプリンタ。