JP6949516B2 - インクジェット印字ヘッド内の単一噴射再循環 - Google Patents

Description

本開示は、インクジェット印字ヘッドに関し、より具体的には、印字ヘッド内でのインク流の再循環に関する。

一般に、固体インク印字ヘッドは、点滴供給システムまたはアンビリカル供給システムにより溶解インクが供給される容器を含む。印字ヘッドは、開口のアレイを有するノズルプレートに取り付けられる噴射要素のアレイも含み、その開口を通して、インクが吐出されて印刷面に画像が形成される。印字ヘッドの内部では、一連のチャネルや多岐管を通して容器から噴射要素とノズルプレートにインクが流れる。印字ヘッド内のこれらのチャネルや多岐管は、通常、束ねられて流体構造全体を形成する離散層の組み合わせにより形成される。

通常動作中、ヒータを使用して、印字ヘッド内の固体インクが溶けたり液体になったりするよう印字ヘッドを加熱する。アイドリングの時間が長いときや電源が切れた後はヒータがオフになる。連動して印字ヘッドを冷却することで、印字ヘッド内のインクが凝固・収縮する。これにより、空気が印字ヘッド内のチャネルや多岐管に入り込む。その後電源がオンになると、流体構造体内でこの空気が気泡となって現れる。印字ヘッドが正しく動作するためには、印字ヘッド内部のチャネルや多岐管からこの空気を全て、あるいは、ほとんど全て取り除かなければならない。

なお、「プリンタ」および「印字ヘッド」という用語は、プリンタ、ファクシミリ、フォトプリンタなどの一部として、印刷面にインクを生成する全ての構造体やシステムに適用される。

従来の空気を除去するアプローチでは、システムが回収することができない、あるいは、再使用することができない無駄なインクが発生してしまう。例えば、あるアプローチでは、システムが、チャネルや多岐管に沿って気泡を運び、その気泡を搬送された場所からノズルプレートの一部ではない通気口を通して、印字ヘッドから排出し得る。別のアプローチでは、システムが噴射要素とその関連するノズルを通して空気が押し出される。さらに別のアプローチでは、システムが、噴射要素に関連しない、ノズルプレート内のベントやノズルを通して空気を押し込む。これらの各アプローチでは、気泡とベントや噴射要素との間に閉じ込められるインクも印字ヘッドから排出されてしまう。プリンタはこのインクは、プリンタによって簡単に回収することはできず無駄になる。

省エネルギーへの要求がより厳しくなってきており、プリンタは現在よりも頻繁に電源を切ることが要求される。これに伴い、電源を切っている間、印字ヘッドに入り込む空気を取り除くパージサイクルの必要性も大きくなる。これにより無駄になるインクが増え、印字ヘッドが非効率的となり、ユーザコストが高くなり、顧客満足度が下がる。

本発明の一実施形態では、複数の単一噴射要素を含むインクジェット印字ヘッドが開示され、各単一噴射要素が、噴射中にインクを吐出するよう構成される開口、およびインクを受け取るためのチャネルを含む。この印字ヘッドはまた、チャネルに接続する第１の多岐管構造体と、インクを受け取るためにチャネルに接続する複数の再循環チャネルであって、単一噴射要素と再循環経路のそれぞれの一部を形成する鋼材プレートのうちの１つにハーフエッチングを施すことにより形成される再循環チャネルと、この再循環チャネルに接続する第２の多岐管構造体と、を含む。噴射前の所定の時間の間に、第１の多岐管に負の圧力をかけ、第２の多岐管に低い負の圧力をかける。

別の実施形態では、噴射要素を含むインクジェット印字ヘッドが開示される。この噴射要素は、噴射中インクを吐出するよう構成される開口、およびインクを受け取るためのチャネルを含む。インクジェット印字ヘッドは、チャネルにインクを供給する構造を有する第１の多岐管、および噴射中および非噴射中にインクを受け取るよう構成される再循環経路も含む。各再循環経路は、インクを受け取るためにチャネルに接続する再循環チャネルであって、単一噴射要素と再循環経路のそれぞれの一部を形成する鋼材プレートのうちの１つにハーフエッチングを施すことにより形成される再循環チャネルと、再循環チャネルからインクを受け取る構造を有する第２の多岐管とを含み、非噴射中に噴射要素と再循環経路を通って第１の多岐管から第２の多岐管にインクが流れる。

別の実施形態では、印字ヘッド内の圧力を制御する方法が開示される。この方法には、インクを所望の温度に加熱するステップと、所望の温度に加熱されてから所定の時間の間に、チャネルに接続する第１の多岐管に負の圧力をかけ、かつ、再循環チャネルに接続する第２の多岐管に低い負の圧力をかけるステップと、所定の時間が経過した後、開口を通してインクを吐出するステップと、が含まれる。

図１は、単一噴射要素の流体分配サブ組立体の一例を示す図である。 図２は、固体インクが加熱された後に気泡が発生している状態の単一噴射要素を示す図である。 図３は、インクが内部で再循環している状態の単一噴射要素を示す図である。 図４は、気泡が取り除かれた状態で単一噴射要素がインクを吐出している様子を示す図である。

いくつかの流体分配組立体は、ローカル流体供給および流体分配サブ組立体を含むも。ローカル流体供給は、容器組立体内の１つ以上の容器チャンバ内に存在し得る。流体分配サブ組立体は、いくつかの構成要素を有して見ることができる。第１に、ドライバ要素は、流体をサブ組立体から排出させる圧電変換器などのトランデューサ、その上でトランデューサが動作する隔膜、および圧力チャンバを形成する本体プレートまたは複数のプレートにより構成される。第２に、入口要素は、多岐管から圧力チャンバに流体を誘導するチャネルで構成される。次に、出口要素は、圧力チャンバから開口に流体を誘導する。最終的に、開口自体が、流体を印字ヘッドから分配する。

噴射積層体が流体分配サブ組立体として動作することにより、印字ヘッドは流体分配組立体の一例として機能する。この噴射積層体は、通常、１つに束ねられた一連のプレートで構成される。印字ヘッド／噴射積層体の例では、ドライバ、入口、出口、および開口の４つの構成要素の働きがより明らかとなる。入口により多岐管から圧力チャンバにインクが誘導され、出口により圧力チャンバから開口プレートにインクが誘導される。圧力チャンバ内のインクの上でドライバが動作し、これにより流体が開口プレートを通して噴射積層体から吐出される。噴射積層体の例では、開口により流体が噴射積層体に入れられ、最終的には印字ヘッドから吐出させる。

本明細書で使用されるプリンタという用語は、トランデューサのある種の動作に応じて、流体の滴が１つの開口を通して押し出される、全てのタイプのドロップ・オン・ディマンド型イジェクタまたはシステムに適用される。これには、サーマルインクジェットプリンタなどのプリンタや有機電子回路製造、バイオアッセイ、３次元構造構築システムなどの用途に使用される印字ヘッドが含まれる。用語「印字ヘッド」は、プリンタに適用されることのみを意図せず、そのような制限を示唆しない。プリンタという用語には上記の例も含まれ、噴射積層体はプリンタの印字ヘッド内に存在する。

開示する技術により、インク流経路内の気泡を取り除く際にインクが無駄になるという問題が解決される。図１には、印字ヘッド内の噴射積層体の一例が示されている。この例では、１つに束ねられた一連のプレートで構成される噴射積層体１００が、議論に用いられる。なお、これは単なる例であり、本明細書で記載される本発明の用途や実装形態を限定するものではない。さらに詳しく議論される通り、用語「プリンタ」および「印字ヘッド」には、あらゆる目的で流体を分配するシステム内の全てのシステムおよび構造体が含まれ得る。同様に、理解を容易にするために噴射積層体について議論されるが、全ての流体分配サブ組立体が関連し得る。流体分配サブ組立体または流体分配本体は、一連のプレート（本明細書で議論される）、好適なチャネルを有する型成形体、トランデューサ、開口、機械成形体などで構成され得る。実施形態のいくつの様態では、噴射積層体内にプレート以外に付加的な構造体が含まれるため、一連のプレートは流体分配サブ組立体内の流体分配本体と呼ばれ得る。

上述した通り、噴射積層体１００は、複数のプレート１０００〜１０２４で構成される。複数のプレート１０００〜１０２４は、それぞれステンレス鋼のプレートであることが好ましい。プレート１０００には、噴射中にインクの吐出を容易にする圧電要素（図示せず）が取り付けられている。これらの複数のプレート１０００〜１０２４により積層が形成されるとき、上流多岐管１０２、空気間隙１０４、下流多岐管１０６、粒子フィルタ１０８、チャネル１１０、および開口１１２が形成されるよう各プレート１０００〜１０２４は化学的なエッチングが施される。

噴射積層体の種々の構成要素を作成するために、これらの複数のプレート１０００〜１０２４には、片面または両面で化学的なエッチングが施される。上述した通り、プレート１０００〜１０２４が１つに積層されるとき、プレート１０００〜１０２４の化学的なエッチングを施される部分により、噴射積層体の種々の構成要素が形成される。開口１１２は、プレート１０２４を貫通する穴である。チャネル１１０を形成するために、プレート１０００〜１０２４がエッチングされる。しかし、再循環チャネル１１４を作成するために、プレート１０２２には片面だけエッチングが施されて、下流多岐管１０６に繋がる半エッチングチャネルが形成される。この再循環チャネル１１４は、全長が１．６５ｍｍ〜４．４４５ｍｍ、幅が０．０７６ｍｍ〜０．１５２ｍｍ、深さが０．０３８１ｍｍ〜０．１０１６ｍｍであることが好ましい。しかし、このチャネル１１４は、この長さ、幅、および深さには限定されず、各噴射要素に関して必要なサイズでよい。

この噴射積層体は、容器（図示せず）から、粒子フィルタ１０８を有する上流多岐管１０２を通してインクを受け取る。流体は、粒子フィルタ１０８を通りチャネル１１０に流れる。このチャネル１１０により、開口１１２と再循環チャネル１１４に液体が誘導される。この粒子フィルタ１０８により、大きな粒子がチャネル１１０に流れ込み、開口１１２から吐出されること、あるいは、下流多岐管１０６に送られることを防ぐ。アクチュエータすなわちトランデューサ（図示せず）が起動すると、隔膜プレートが曲がり、これにより、インクが開口１１２から流れ出る。開口１１２から吐出されたインク滴により、印刷画像の一部が形成される。粒子フィルタ１０８、上流多岐管１０２、チャネル１１０、および開口１１２を含むインク経路の部分を「単一噴射要素」と呼ぶ。再循環経路は、再循環チャネル１１４および下流多岐管１０６で構成される。この再循環チャネル１１４は、チャネル１１０に接続する。

アクチュエータすなわちトランデューサが起動しない場合、チャネル１１０内のインクは、開口１１２から吐出されることなく、再循環チャネル１１４と下流多岐管１０６に流れ込むが、これについては後程詳しく議論する。これにより、インクは吐出されることなく流れ続け、インクの停滞を防ぐことができる。

非噴射中、チャネル１１０を通り、開口１１２と再循環チャネル１１４にインクが流れる。しかし、上述した通り、非噴射中は圧力が開口１１２内のインクのメニカスを破るのに十分でないため、その圧力により、インクは下流多岐管１０６に流れて再循環する。これにより、非噴射中にインクが吐出されないときでも、インクは上流多岐管１０２および下流多岐管１０６ならびに単一噴射要素２００を通って流れ続けることができる。すなわち、非噴射中でも、インクは単一噴射要素２００内を絶えず循環する。これにより、インクの停滞がなくなり、インク内で粒子が浮遊することを防ぐことができる。上流多岐管１０２と下流多岐管１０６の間に好適な圧力差が生じることにより、これが実現される。

インクが開口１１２ではなくチャネル１１０の半エッチング部に流れるために必要な圧力の範囲は、流体の表面張力と粘度の関数である。この圧力差は、上流多岐管１０２と下流多岐管１０６の間の流れを維持するのに十分なだけ大きく、かつ、開口１１２のメニカスの破裂を防ぐのに十分なだけ低くなければならない。

図２には、インク内に気泡が入り込んだ噴射積層体１００の一部の例が示されており、この部分を流体構造体と呼ぶ。この流体構造体は、容器から１つ以上の噴射要素とそれらに関連するノズルに流体を搬送する全ての構造体で構成され得る。理解を容易にするために、ここでの議論では、印刷システム内の印字ヘッドに焦点を当てているが、本明細書の実施形態は、全ての流体構造体に適用可能である。特定の流体構造体に限定しないことが意図され、示唆されることはない。

この例では、流体構造体が、チャネル１１０を含み、その中を流体２０６（すなわちインク）が流れる。いくつかの例では、容器に圧力がかけられ、これにより、流体がチャネル１１０を通って流体構造体１００内の再循環チャネル１１４に流れる。

上記で議論した通り、印字ヘッドの電源を切るサイクルの間に流体構造体に空気が入り込む可能性がある。なお、特定の環境では、通常動作中であっても、流体構造体内に空気が入り込む可能性がある。

図２では、チャネル１１０内に閉じ込められた気泡（気泡２０２などの）を見ることができる。システムは、通常動作を行う前に、パージサイクルを用いてこれらの気泡を取り除かなければならない。システムが通常動作を行う前に気泡を取り除かなければ、これらの気泡により、流体構造体の動作に悪影響が及ぶ。現在の流体構造体では、これらの気泡は、通常、ノズルプレート外のベント、ノズルプレート内のベント、または噴射要素自体を通して直接外に押し出される。これらの各アプローチでは、気泡とベントまたは噴射要素との間に閉じ込められたインクも印字ヘッドから排出される。こういった無駄になったインクは、プリンタにより簡単に回収することはできない。

上記に議論した通り、図２には、チャネル１１０および再循環チャネル１１４内に気泡２０２が入り込んだ状態の単一噴射要素１００の実施形態が示されている。また、単一噴射要素１００は、開口１１２も含む。インクの噴射中、開口１１２を通ってインク２０６が吐出される。上記で議論した通り、噴射中にインク２０６内に気泡２０２が入り込んだ場合、噴射を行うことができない。

図３には、再循環チャネル１１４内を移動する気泡が示され、これらの気泡は開口１１２から吐出されないでチャネル１１０から取り除かれる。非噴射中、インク２０６と気泡２０２は、矢印Ａの方向に、チャネル１１０から単一噴射要素１００の本体内を通って再循環チャネル１１４に流れる。インクが再循環して気泡２０２を取り除くと、開口１１２内のインクのメニカス１１６が維持される。したがって、この処理中に開口１１２からはインク２０６は吐出されない。再循環チャネル１１４からのインク２０６は、下流多岐管１０６に戻る。インク２０６は、気泡２０２のない状態で、上流多岐管１０２からチャネル１１０に拍出し続ける。

所定の時間の間、インク２０６は、開口１１２から吐出されずに出口経路１１４に流れる。図４に示される通り、所定の時間が経過した後、インク２０６は吐出され始める。図４には、気泡２０２が取り除かれた後の単一噴射要素１００が示されている。この時点で、インク２０６は開口１１２から吐出されて、インク滴３００となり、このインク滴により印刷基材上に画像が形成される。

上流多岐管１０２と下流多岐管１０６の間に圧力差が生じることにより、この再循環処理が行われる。噴射中、開口１１２での圧力は、出口経路１１４での圧力より低い。これにより、インクは開口１１２を通って印刷媒体上に吐出され得る。

印刷動作が開始される前に、単一噴射要素１００内のインク２０６が、印刷するための所望の温度に加熱される。上記で議論した通り、インク２０６は固化しているため、加熱すると、インク２０６内に気泡２０２が形成される。開口１１２を通してインクを吐出する前に、上流多岐管１０２に負の圧力をかけ、かつ、下流多岐管１０６に低い負の圧力をかける。所定の時間の間、インク２０６は、上流多岐管１０２から再循環チャネル１１４と下流多岐管１０６に流れる。上記で議論した通り、これにより、気泡２０２を取り除くことができる。所定の時間が経過した後、気泡２０２が存在しない状態で、開口１１２を通して噴射を行うことができる。噴射中、上流多岐管１０２と下流多岐管１０６の間の圧力差は維持され得る。一般に、噴射中、約１気圧の圧力をかけると、開口１１２内のインク２０６のメニカス１１６を破ることができる。この圧力は、バキューム、負の圧力ヘッドなどのあらゆる手段を用いてかけることができる。

気泡を再循環チャネル１１４に押し出すために必要な圧力は、以下の式を用いて算出できる。：

なお、「Ｐ」は圧力、「Ｔ」はインク２０２の表面張力、「ｗ」はチャネルの幅、「ｄ」はチャネルの深さを表す。再循環経路１１４に関する上記のチャネルの幅と深さを用いると、気泡を再循環経路に押し出すのに必要な圧力の範囲は、インク２０６の表面張力２７ダイン／ｃｍに基づいて、３．６インチ〜８．５水柱インチである。すなわち、再循環経路１１４の入口での圧力差は、上記の式（１）を用いて算出される圧力以上でなければならない。

これにより、印刷の前に事前の吐出動作を行わないで、単一噴射要素１００内でインクを再循環させて、気泡２０２を取り除くことができる。インク２０６は再循環して容器（図示せず）戻るため、インクを無駄にすることはない。気泡２０２が入り込んだインク２０６は、印刷中に容器に流れる際、閉塞を引き起こす心配がなく、気泡２０２を取り除こうとしている間にインク２０６が無駄にはならない。

上記では単一噴射要素１００について議論されているが、印字ヘッドは複数の単一噴射要素１００を含む。各単一噴射要素１００は、上記で議論した通り構成される。例えば、図１に示される通り、さらに、各単一噴射要素１００は、上流多岐管１０２と下流多岐管１０６に接続し、この下流多岐管がインク２０６を保持し、そこからインク２０６が単一噴射要素１００内に拍出される。

Claims (10)

1. インクジェット印字ヘッドであって、
   複数の単一噴射要素であって、各単一噴射要素が、
   噴射中インクを吐出するよう構成される開口と、
   インクを受け取るためのチャネルと、を含む複数の単一噴射要素と、
   前記チャネルに接続する第１の多岐管構造体と、
   インクを受け取るために前記チャネルに接続する複数の再循環チャネルであって、前記単一噴射要素と再循環経路それぞれの一部を形成する鋼材プレートのうちの１つにハーフエッチングを施すことにより形成される再循環チャネルと、
   前記再循環チャネルに接続する第２の多岐管構造体と、を含み、
   前記噴射前の所定の時間の間に、前記第１の多岐管には負の圧力がかけられ、前記第２の多岐管には低い負の圧力がかけられ、
   気泡を前記再循環チャネルに押し出すときの前記再循環チャネルの入口での圧力差を、Ｔを前記インクの表面張力とし、ｗを前記再循環チャネルの幅とし、ｄを前記再循環チャネルの深さとするとき、Ｔ×［（２／ｗ）＋（２／ｄ）］で算出される値以上にする、インクジェット印字ヘッド。
2. 前記所定の時間が経過した後、前記噴射により前記開口からインクが吐出される、請求項１に記載の印字ヘッド。
3. 前記再循環チャネルが、１．６５ｍｍ〜４．４４５ｍｍの全長、０．０７６ｍｍ〜０．１５２ｍｍの幅、および０．０３８１ｍｍ〜０．１０１６ｍｍの深さを有する、請求項１に記載の印字ヘッド。
4. 前記インクの表面張力が、２７ダイン／ｃｍで、前記再循環チャネルの入口の前記圧力が３．６〜８．５水柱インチである、請求項３に記載の印字ヘッド。
5. インクジェット印字ヘッドであって、
   噴射要素であって、
   噴射中インクを吐出するよう構成される開口と、
   インクを受け取るためのチャネルと、を含む噴射要素と、
   前記チャネルにインクを供給する構造を有する第１の多岐管と、
   前記噴射中かつ非噴射中にインクを受け取るよう構成される再循環経路であって、各再循環経路が、
   インクを受け取るために前記チャネルに接続する再循環チャネルであって、単一噴射要素と前記再循環経路のそれぞれの一部を形成する鋼材プレートのうちの１つにハーフエッチングを施すことにより形成される再循環チャネルと、
   前記再循環チャネルに接続する第２の多岐管構造体と、を含む、再循環経路と、を含み、
   非噴射中に前記噴射要素と前記再循環経路を通って、前記第１の多岐管から前記第２の多岐管に前記インクが流れ、
   気泡を前記再循環チャネルに押し出すときの前記再循環チャネルの入口での圧力差を、Ｔを前記インクの表面張力とし、ｗを前記再循環チャネルの幅とし、ｄを前記再循環チャネルの深さとするとき、Ｔ×［（２／ｗ）＋（２／ｄ）］で算出される値以上にする、インクジェット印字ヘッド。
6. 非噴射中に前記インクジェット印字ヘッド内を前記インクが絶えず流れる、請求項５に記載の印字ヘッド。
7. 前記第１の多岐管には負の圧力がかけられ、前記第２の多岐管には低い負の圧力がかけられ、これにより、前記第１の多岐管と前記第２の多岐管の間に圧力差が生じる、請求項５に記載の印字ヘッド。
8. 前記第１の多岐管と前記第２の多岐管の間の前記圧力差が噴射中に維持される、請求項７に記載の印字ヘッド。
9. 印字ヘッド内の圧力を制御する方法であって、
   所望の温度にインクを加熱するステップと、
   前記インクが所望の温度に加熱されてから所定の時間後に、チャネルに接続する第１の多岐管に負の圧力をかけ、再循環チャネルに接続する第２の多岐管に低い負の圧力をかけるステップと、
   前記所定の時間が経過した後、開口を通してインクを吐出するステップと、を含み、
   気泡を前記再循環チャネルに押し出すときの前記再循環チャネルの入口での圧力差を、Ｔを前記インクの表面張力とし、ｗを前記再循環チャネルの幅とし、ｄを前記再循環チャネルの深さとするとき、Ｔ×［（２／ｗ）＋（２／ｄ）］で算出される値以上にする、方法。
10. 前記インクの表面張力が２７ダイン／ｃｍで、前記第２の多岐管の前記圧力が３．６〜８．５水柱インチである、請求項９に記載の方法。
    

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