JP7125301B2 - 高充填密度インクジェット印刷ヘッド内の再循環のための流体設計 - Google Patents

Description

本開示は、インクジェット印刷ヘッドに関し、より具体的には、３００ＮＰＩ以上の充填密度を有するインクジェット印刷ヘッドに関する。

一般に、高い顔料負荷インクを噴射し、かつ噴射待ち時間及び堅牢性を改善するためには、インクジェット印刷ヘッドを介するインクの連続流または再循環を有することが望ましい。

印刷ヘッドを介する再循環を可能にするための典型的な方式は、印刷ヘッド内の主要なインク供給路に加えて、インク戻りまたは再循環路を含む。これは、次に、単一ジェット性能、ジェット充填密度、及びウォーターフロントに悪影響を及ぼすだけでなく、印刷ヘッドの流体構造の全体的な複雑さを増大させる可能性がある。印刷ヘッド再循環へのこのアプローチの１つのそのような例は、米国特許第９，６９４，５８２号に記載されている。

本実施形態は、既存のインク供給構造以上の追加のインクマニホールド構造を必要とせずに、単一ジェットを含む印刷ヘッドを介するインクの連続流または再循環を可能にする。

実施形態は、印刷ヘッドであって、インク源であって、インクを供給及び受容するためのインク源と、インク源からインクを受容するためにインク源に接続された第１のチャネルと、インクをインク源に戻すためにインク源に接続された第２のチャネルと、第１のチャネルからインクを受容し、第２のチャネルにインクを戻すために２つのチャネルの間に配置され、それらに接続されたマニホールド構造と、を有する、印刷ヘッドである。

実施形態は、印刷ヘッドを動作させる方法であって、第１の圧力でインク源から第１のチャネルを介して少なくとも１つのフィンガマニホールドにインクを提供することと、フィンガマニホールドに接続された少なくとも１つの単一ジェットの投入口ポートを介してインクを送ることと、単一ジェットを介してフィンガマニホールドに接続された単一ジェットの排出口ポートにインクを移動させることと、単一ジェットの排出口ポートからフィンガマニホールドにインクを戻すことと、フィンガマニホールドから第２のチャネルにインクを導くことと、第２の圧力で第２のチャネルを介してインク源にインクを戻すことと、を含む。

再循環を使用しない印刷ヘッドマニホールド及び単一ジェット構造の先行技術の実施形態を示す。 再循環を使用しないマニホールド及び単一ジェット構造の先行技術の実施形態の部分断面図を示す。 再循環を使用しない単一ジェット構造の先行技術の実施形態を示す。 再循環を使用する印刷ヘッドマニホールド及び単一ジェット構造の実施形態を示す。 再循環を使用するマニホールド及び単一ジェット構造の実施形態の部分断面図を示す。 再循環を使用する単一ジェット構造の実施形態を示す。 再循環を使用する印刷ヘッドの実施形態のマニホールド構造の一部内の流体流路を示す。 再循環を使用する印刷ヘッドの一実施形態のフィンガマニホールドの一部内の流路を示す。 再循環を使用する印刷ヘッドの実施形態の単一ジェットを介する流れを駆動することを意図した圧力差がどのように生じるかを説明する。 再循環を使用する印刷ヘッドの実施形態の単一ジェットを介する流れを駆動することを意図した圧力差がどのように生じるかを説明する。 再循環を使用する印刷ヘッドの一実施形態の単一ジェット内の流れを示す。 再循環を使用する印刷ヘッドの一実施形態の単一ジェットの流量対流れ関数のグラフを示す。

本明細書で使用される「インク」という用語は、インクを受容することが意図されるオブジェクトに適用されたときに液体である任意の材料を指す。異なるタイプのインクのいくつかの例としては、水性インク、油性インク、溶剤系インク、ＵＶ硬化性インク、加熱相変化インクなどが挙げられる。

本明細書で使用する「印刷ヘッド」という用語は、インク液滴を受容することを意図したオブジェクト上にインク液滴を射出するように構成された印刷またはマーキングシステムの構成要素を指す。典型的な印刷ヘッドは、インク液滴を射出するように構成された複数の単一ジェットを含む。単一ジェットは、通常、単一ジェットのアレイに配列され、アレイは、単一ジェットの１つ以上の行及び／または列を含む。

図１～図３は、一般に再循環を利用せず、単一ジェット構造全体を介して再循環を提供する能力がない印刷ヘッド流体設計の先行技術の実施形態に関する。図１は、高充填密度インクジェット印刷ヘッドの典型的な非再循環型を表すマニホールド構造１０及び単一ジェットアレイ１２の一部を示す。図１に示す印刷ヘッドのセクションでは、インク源１４が、インクを上部チャネル１６及び下部チャネル１８に供給する。チャネルは、２０のようないくつかのフィンガマニホールドにインクを供給し、これは、次に、単一ジェットのアレイ内の２２などのいくつかの単一ジェットにインクを供給する。

図２は、単一ジェットを介する再循環を可能にしないフィンガマニホールド２０及び単一ジェット２２の部分断面図を示す。インクは、単一ジェット投入口ポート２４を介してフィンガマニホールドから単一ジェットに供給される。

図３は、単一ジェットを介する再循環を可能にしない設計の典型的な単一ジェットの図を示す。投入口ポート２４は、図２で説明したように、フィンガマニホールドからインクを受容する。単一ジェットが作動すると、インクは単一ジェットチャネル２６を介して投入口ポート２４に流れ、アパーチャまたはノズル２８を介して単一ジェットを出る。通常の動作の間、インクは、ジェットが作動している間に単一ジェットのみを介して流れ、非噴射期間中は、投入口ポート２４とアパーチャ２８との間で静止したままである。

以下の実施形態は、印刷ヘッド内の再循環を駆動するために、特に、追加のインク戻しまたは再循環路を必要とすることなく、印刷ヘッド内の個々のジェットを介する再循環を駆動するために、既存のインク供給路内で本質的に利用可能な圧力降下を利用する。

図４～図１２は、再循環を利用し、特に、単一ジェット構造を介して再循環を提供する能力を有する印刷ヘッド設計の実施形態に関する。図４は、再循環を提供する能力を有する高充填密度インクジェット印刷ヘッドを表すマニホールド構造３０及び単一ジェットアレイ３２の一部を示す。

図４に示す実施形態の印刷ヘッドのセクションでは、インク源１４は、下部チャネル３４にインクを供給し、上部チャネル３６からインクを受容することができる。下部チャネルは、３８及び４０のようないくつかのフィンガマニホールドにインクを供給することができ、これは、次に、単一ジェットのアレイ内の４２のようないくつかの単一ジェットにインクを供給することができる。単一ジェットのアレイにインクを供給することができることに加えて、フィンガマニホールドは、インクを上部チャネル３６に供給することもできる。

図５は、単一ジェットを介する再循環を可能にするフィンガマニホールド３８及び４０並びに単一ジェット４２の部分断面図を示す。単一ジェットは、単一ジェット投入口ポート４４を介して３８などのフィンガマニホールドからインクを受容することができる。前述のアーキテクチャとは異なり、各々の単一ジェット４２はまた、４０のようなフィンガマニホールドにインクを戻すことができる単一ジェット出口ポート４６を有する。フィンガマニホールドに戻った後、インクは、単一ジェットのアレイ内の追加の単一ジェットにインクを供給することができるフィンガマニホールドの長さに沿って流れて、上部チャネル３６にインクを供給し、最終的にインク源１４に戻ることができる。

図６は、単一ジェットを介する再循環を可能にする設計の典型的な単一ジェットを示す。投入口ポート４４は、図５で説明したようにフィンガマニホールドからインクを受容することができる。単一ジェットが作動していないとき、インクは、単一ジェット投入口ポート４４に入り、入口チャネル４８を介して、出口チャネル５０を介して、出口ポート４６を出て、フィンガマニホールドに流入することができる。単一ジェットが作動すると、インクはこのように流れ続けることができるが、インクの一部もアパーチャまたはノズル５２を介して単一ジェットから射出される。再循環設計のマニホールド構造は、非再循環設計のものと実質的に同様であることに留意すべきである。

図７の矢印６０で示すように、マニホールド構造３０を介する連続流は、下部チャネル３４の入口と上部チャネル３６の出口との間に圧力差を加えることによって達成することができる。適切なサイズ決定により、各々のチャネルの長さに沿った圧力降下は小さくなり、圧力降下の大部分は、フィンガマニホールドの長さに沿って起こる。このことを考慮すると、３８のような全てのフィンガマニホールドは実質的に同じ流量を有する、下部及び上部チャネルの入口及び出口で加えられる相対圧力を逆転させることによって、流れの方向が逆転され得ることにも留意すべきである。

図８の矢印６２で示すように、３８及び４０などのフィンガマニホールドを介する連続流は、圧力差によっても生じる。これにより、フィンガマニホールドの長さに沿って連続的な圧力勾配が生じる。追加のマニホールド構造を必要とせずに、単一ジェットのアレイ内の各々の単一ジェットを介する流れを発生させるために、ここでの実施形態は、個々のフィンガマニホールド間の絶対圧力差ではなく、フィンガマニホールド構造の長さに沿った圧力勾配に起因する各々の単一ジェットが経験する差圧を利用する。このようにして、単一ジェットのアレイ内の各々の単一ジェットは、その即時供給マニホールド構造と平行に延びる、かつその即時供給及び戻りマニホールド構造に対して垂直ではない、流体路として挙動する。

図９及び図１０に示すように、各々の単一ジェットの入口及び出口間の圧力差は、フィンガマニホールドの単位長さ当たりの圧力降下に、フィンガマニホールド上に平行に投影される各々の単一ジェットの入口及び出口ポート間の距離を乗算したもの等しい。

図１１の矢印６４は、各々の単一ジェットの入口ポート４４と出口ポート４６との間の圧力差の結果として、４２などの各々の単一ジェットを介して生じる流れを示す。各々の単一ジェットを介する流量は、単一ジェット入口と出口ポートとの間の圧力差に比例し、２つのポート間の単一ジェット抵抗に反比例する。

ここで、Ｌ_１及びＲ_１は、投入口チャネル４８の長さ及び抵抗であり、Ｌ_２及びＲ_２は、出口チャネル５０の長さ及び抵抗である。このように、単一ジェットを介する流量は、圧力勾配、並びに投入口及び出口チャネルの長さ及び断面を調節することによって、適合させることができる。これは、図１２においてＣＦＤの結果とともに示される。

この方法では、既存のインク供給構造以上の追加のインクマニホールド構造を必要とすることなく、印刷ヘッド単一ジェットアレイ内の単一ジェットを含む印刷ヘッドを介するインクの連続再循環を行うことが可能である。

上記で開示された変形及び他の特徴及び機能、またはそれらの代替物は、多くの他の異なるシステムまたは用途に組み合わされ得ることが理解されるであろう。当業者であれば、現在予知しない、または予期しない種々の代替、変更、変形、または改良を後で行うことができ、これらもまた以下の特許請求の範囲によって包含されることが意図される。

Claims (5)

1. 印刷ヘッドであって、
   インク源であって、インクを供給及び受容するためのインク源と、
   前記インク源からインクを受容するために前記インク源に接続された第１のチャネルと、
   前記インク源にインクを戻すために、前記インク源に接続された第２のチャネルであって、前記第１及び第２のチャネルが圧力差を有する、第２のチャネルと、
   前記第１のチャネルからインクを受容し、前記第２のチャネルにインクを戻すために、前記２つのチャネルの間に配置され、かつそれらに接続されたマニホールド構造と、を備え、
   前記第１及び第２のチャネル間の前記圧力差が、前記マニホールド構造の長さに沿った圧力勾配をもたらし、前記圧力勾配が、前記マニホールド構造に沿った流れを引き起こし、
   複数の単一ジェットのアレイが、前記マニホールド構造に接続され、前記アレイ内の各々の単一ジェットが、投入口ポート、出口ポート、及びノズルを有し、
   前記マニホールド構造の長さに沿った前記圧力勾配が、それぞれの単一のジェットの投入口ポートと排出口ポートとの間の特定の第２の圧力差をもたらす、印刷ヘッド。
2. 各々の単一ジェットが、前記ジェット投入口ポートを介して前記マニホールド構造からインクを受容し、前記ジェット出口ポートを介して前記マニホールド構造にインクを戻し、前記ジェットノズルを介してインクを分配するように配列される、請求項１に記載の印刷ヘッド。
3. 各々の単一ジェットを介する流体路が、各々の単一ジェットが接続される前記マニホールド構造の流体路と平行に動作する、請求項１に記載の印刷ヘッド。
4. 前記第２の圧力差が、前記マニホールド構造の単位長さ当たりの圧力降下に、各々の単一ジェット投入口ポートと排出口ポートとの間の距離を乗算したものに等しい、請求項１に記載の印刷ヘッド。
5. 前記第２の圧力差が、各々の単一ジェットを介する流れをもたらし、前記流れが、前記マニホールド構造内の流れと平行に作用する、請求項１に記載の印刷ヘッド。

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