JP7168668B2 - 滴射出デバイスを作動させる方法 - Google Patents

Description

液滴(droplets of liquid)を射出するように構成された射出ユニットを含み、ノズル面に形成されたのずると、ノズルに接続された液体ダクトと、ダクト内の液体内に音響圧力波を作り出すように構成された電気機械変換器(電気機械トランスデューサ)とを含む、滴射出デバイス(droplet ejection device)を作動させる方法に関する。

より具体的には、本発明は、水性インクを用いたインクジェット印刷に関する。

インクジェットプリンタの射出ユニットの電気機械変換器は、例えば、圧電変換器(圧電トランスデューサ)であってよい。電圧パルスが変換器に印加されると、これは変換器の機械的変形を引き起こす。結果として、音響圧力波がダクト内の液体インク内に作り出され、圧力波がノズルに伝搬すると、インク滴がノズルから放出される。

特許文献１及び特許文献２は、圧電変換器の電気インピーダンスを測定する電子回路を含むインクジェットプリンタを記載している。変換器の本体が変形させられるか或いは外部の機械的ひずみに曝されると、変換器のインピーダンスは変化するので、インピーダンスは、ダクト内の液体が変換器に及ぼす反力の尺度として使用されることができる。結果的に、インピーダンス測定は、変換器によって生成されるか或いは生成された音響圧力波によって引き起こされるインク内の圧力変動をモニタリングするために使用されることができる。

インピーダンス測定は、連続的な電圧パルス間の間隔で実行されてよい。その場合、インピーダンス変動は、滴が放出された後にダクト内で徐々に減衰する音響圧力波を示す。この情報は、例えば、次の電圧パルスの振幅及び／又は形状を適合させるために使用されてきた。

滴射出デバイスが湿気の多い環境中で作動させられると、滴射出プロセスはノズル面上で凝縮する水によって乱されることがある。例えば、インクジェットプリンタが水性インクで作動するならば、画像が印刷されたばかりの媒体シートはインクを硬化させるために頻繁に加熱される。結果として、インク中に存在する水は蒸発させられ、水蒸気の一部はノズル面で凝縮するので、滴射出プロセスは不安定になり、印刷品質が損なわれる。

請求項１の前文に従った方法は、特許文献３に開示されている。

特許文献４は、ノズル面上の水の凝縮によって引き起こされる問題を論じている

湿気の多い環境中で改良された印刷品質を有する滴射出デバイスを作動させる方法を提供することが本発明の目的である。

この目的を達成するために、本発明は、請求項１に特定される方法を提案する。

凝縮水（又は他の低粘性溶媒）がノズルの直ぐ近傍でノズル面に沈降して、射出プロセスが乱されるならば、ノズルオリフィス内のインクは、水で希釈されることになる。液体（インク）の粘度は、その水の含有量に依存し、インクの粘度は、液体ダクト内の音波の減衰パターンに影響を与える重要な要因であるので、変換器によって検出される音波の波形を分析することによって液体中の水の含有量をモニタリングすること、並びに水の含有量が高くなりすぎる場合に噴射プロセスを停止すること及び／又はノズル面上の水の凝縮に対する適切な対策を講じることが可能である。

一般的に、液体ダクト内の音波の波形は、他の要因によって影響を受けることもある。ノズル面が、例えば、時効の故に、その湿潤防止特性を失ったならば、インクのプールがノズルの位置でノズル面上に生じることがあるので、空気と液体との間のメニスカスは、ノズル面に対して外向きにシフトされる。これは、液体ダクトによって形成される音響共振空洞の体積及び長さを変化させるので、液滴の射出後に減衰する音波の波形は変化する。特に、音波の周波数は減少する。ノズルオリフィスにおける凝縮水の存在は、一般的に、音波の周波数に類似の影響を有するが、周波数の減少がインクのプールによって引き起こされる場合は、波形の他のパラメータを分析することによって、凝縮水によって引き起こされる場合から区別されることができる。ノズル面上のインクのプールは、凝縮水よりも大きい音波の振幅の減少を引き起こす。その上、高い粘性を有する液体（インク）においてのみ伝搬する音波は、水で希釈された液体内を伝搬する音波よりも速く減衰させられる。結果的に、音波の遅い減衰、すなわち、大きな減衰時間定数(decay time constant)は、ノズル面上の水のような低粘性液体の存在についての信頼できる指標である。

音波の波形の変化が一方ではインクによって引き起こされる場合と、他方では水によって引き起こされる場合との間を区別することは、特定の対策を講じることを許容する。例えば、凝縮水が検出されるならば、適切な対策は、ノズル面を加熱するか或いはプリントヘッドを越えて搬送される媒体シート間の間隔を増加させ、それによって、ノズル面上の凝縮水が再び蒸発する時間として、ノズル面が高濃度の水蒸気に曝されない時間間隔を増加させることを含んでよい。他方、インクのプールがノズル面上に検出されるならば、ノズル面を拭くために印刷プロセスを中断させることがより適切であろう。

ノズル面がインクによって湿らされるようになる印刷法も提案されるので、インクプールが故意に形成される。しかしながら、その場合には、変換器に印加される作動パルスのパターンを適切に制御することによってインクプールの深さを制御することが必要である。おそらく、このタイプの印刷プロセスは、インクプールが水で希釈されるようになる可能性が高いので、ノズル面上の水蒸気の凝縮に特に敏感である。従って、本発明に従った方法は、ノズル面上の制御されたインクプールで作動する印刷プロセスにとって特に有益である。

本発明の有用な詳細及び更なる発展は、従属項に示されている。

次に、図面と共に、本発明の実施形態の例を記載する。

本発明に従った滴射出デバイスを制御し且つモニタリングする電子回路と一緒の本発明に従った滴射出デバイスの機械的部分の断面図である。 滴射出デバイスの液体ダクト内の音響圧力波の波形を例示する時間図である。 凝縮水が滴射出デバイスのノズル面に存在する場合に得られた波形を例示する時間図である。 本発明のある実施形態に従った方法の本質的なステップを示すフロー図である。 ２つの異なる動作状態にある印刷システムを示している。 ２つの異なる動作状態にある印刷システムを示している。

インクジェットプリントヘッドの単一の射出ユニット(ejection unit)が図１に示されている。プリントヘッドは、本発明に従った滴射出デバイス(droplet ejection device)の一例を構成している。デバイスは、薄い可撓性の膜１４(flexible membrane)の両側に結合された、ウェハ１０及び支持部材１２を含む。

インクダクト１６を形成する凹部が、膜１４と係合するウェハ１０の面、例えば、図１の底面に形成される。インクダクト１６は、本質的に矩形の形状を有する。図１の左側にある端部分は、インク供給ライン１８に接続されており、インク供給ライン１８は、ウェハの厚さ方向にウェハ１０を通じて進み、インクダクト１６に液体インクを供給する働きをする。

図１の右側にあるインクダクト１６の反対側の端は、膜１４にある開口を通じて、チャンバ２０に接続されており、チャンバ２０は、支持部材１２に形成されており、支持部材１２の底面を構成するノズル面２４に形成されたノズル２２内に開口している。

膜１４に隣接し、チャンバ２０から分離されて、支持部材１２は、膜１４に結合された圧電アクチュエータ２８を収容する別のキャビティ２６を形成している。

ここには示されていないインク供給システムは、インクがノズル２２を通じて漏れ出るのを防止するために、インクダクト１６内の液体インクの圧力を大気圧よりも僅かに下に維持する。

ノズル面２４は、接着力がノズル２２の周囲のノズル面２４にインクのプール３０が形成させるように、インクによって湿潤される材料で作られるか或いは被覆される。プール３０は、メニスカス３２ａによって外側（底）で境界付けられている。

圧電変換器２８(圧電トランスデューサ)は、図１の下部に示した電子回路に接続された電極３４を有する。図示の例では、変換器の１つの電極が、線３６及び抵抗３８を介して接地されている。変換器の別の電極が、フィードバックネットワーク４２を介してフィードバック制御される増幅器４０の出力に接続されているので、変換器に印加される電圧Ｖは、増幅器の入力線４４上の信号に比例する。入力線４４上の信号は、ローカルデジタルコントローラ４８からのデジタル入力を受信するＤ／Ａコンバータ４６(Ｄ／Ａ変換器)によって生成される。コントローラ４８は、プロセッサ５０に接続されている。

インク滴がノズル２２から放出されるとき、プロセッサ５０は、コントローラ４８にコマンドを送信し、コントローラ４８は、Ｄ／Ａコンバータ４６及び増幅器４０に作動パルスを変換器２８に印加させる、デジタル信号を出力する。この電圧パルスは、変換器を曲げモードにおいて変形させる。より具体的には、変換器２８は、下向きに撓まされるので、変換器２８に結合された膜１４も下向きに撓まされ、それによって、インクダクト１６の容積を増加させる。結果として、追加的なインクが、供給ライン１８を介して吸い込まれる。次に、電圧パルスが再び下がると、膜１４は撓んで元の状態に戻るので、正の音響圧力波がダクト１６内の液体インク内に生成される。この圧力波は、ノズル２２に伝搬し、インク滴を放出させる。次に、圧力波は、メニスカス３２ａで反射され、図１のダクト１６の左端とメニスカスとの間に形成されたキャビティ内で振動する。振動は、インクの粘性の故に減衰する。更に、変換器２８は、作動パルスとは反対の極性を有するクエンチパルス(quench pulse)で通電され、減衰振動が破壊的干渉によって更に抑制されるようにタイミング調整される(timed)。

変換器２８の電極３４は、変換器に亘る電圧降下を測定し、抵抗器３８に亘る電圧降下も測定し、それによって、変換器を通じて流れる電流を暗黙のうちに測定する、Ａ／Ｄコンバータ５２にも接続される。対応するデジタル信号Ｓは、コントローラ４８に転送され、コントローラ４８は、これらの信号から変換器２８のインピーダンスを導出することができる。測定された電気応答（電流、電圧、インピーダンスなど）は、プロセッサ５０に信号で伝えられ、プロセッサ５０で、電気応答は更に処理される。

図２は、インクダクト１６内で減衰する圧力変動の典型的な波形５４ａを示しており、圧力変動は、時間ｔの関数Ｐ（ｔ）で表される。図１に示す電子回路は、これらの圧力変動に対する変換器２８の応答を測定することができるので、プロセッサ５０は、関数Ｐ（ｔ）を記録して分析することがある。

圧力変動の周波数ｆは、液体インクの密度及び粘性に依存し、共振空洞の寸法にも依存する。プール３０がより大きくなるので、プールが図１の破線で示すメニスカス３２ｂによって境界付けられるならば、圧力変動の周波数は、図２の波形５４ｂによって示すように、僅かにより低い。図２の波形５４ａ及び５４ｂの周波数の差を視覚化するために、それぞれの波形の周期Ｔの６倍に対応する時間間隔６Ｔａ及び６Ｔｂをこの図に示している。

更に、振動するインク体積(volume)の質量の増加の故に、圧力変動の振幅、結果的に、それらの全エネルギ含有量がより小さくなる。よって、変換器によって現在検出されている波形５４ａ又は５４ｂの特性パラメータ、特に周波数ｆ及び振幅又はエネルギから、インクプール３０の深さを推定することが可能である。

デバイスの安定的な滴射出挙動を得るためには、プール３０の深さが一定に保たれることが必須である。ここでは、図３に示す波形５４ａは、プール３０の標的深さに対応すると推定されるものとする。周波数の偏差が、波形５４ｂによって表されるように、プールの深さが大きくなりすぎていることを示すならば、コントローラは、アクチュエータに印加される作動パルスの形状を変化させる。これらのパルスは、上昇逃げ面の高さが下降逃げ面の高さよりも小さい、或いは、換言すれば、逃げ面比が１よりも小さいという意味において、非対称なことがある。この非対称性は、後続のクエンチパルスにおける対応する非対称性によって補償される。作動パルスの非対称性の効果は、より少ないインクが上昇逃げ面の間に吸い込まれ、より多くのインクが下降逃げ面の間にノズル２２を通じて押し出されることである。この増加した量のインクの大部分は、インク滴の生成によって消費される。膜１４がクエンチパルスの終わりに非偏向状態に戻ると、インクダクトにはインクの不足があり、インクはプール３０からインクダクト内に引き出されるので、プール３０が収縮し、その深さが減少する。このようにして、プールの深さは、標的値に戻される。

逆に、圧力変動の周波数の増加が、プール３０の深さが小さくなりすぎていることを示すならば、作動パルスの形状は、逃げ面比が１よりも大きくなるように修正されるので、過剰なインクはプール３０内にポンピングされ、プールが再び成長する。

作動パルスにおける非対称性は、射出されたインク滴のサイズに対するそれらの影響を無視できるが、それにも拘わらず、プール３０の深さを数回の射出サイクルで標的値に戻すことができるように、制御されてよい。

水性インクを用いた印刷用途のような特定の用途では、滴射出デバイス１０の近傍における水蒸気の生成の増加がノズル面２４上の水の凝縮を引き起こすことがある。これは、ノズル２２に形成されたプール３０が高い粘性を有するインクだけで構成されるのでなく、むしろ有意により低い粘性を有する水で主に構成されるという結果を有することがある。これは、図３に示すように、圧力変動の修正(modified)波形５４ｃをもたらす。比較のために、「通常(regular)」波形５４ａも図３に示している。

水のプールは、インクのプールと本質的に同じ周波数ｆの減少を引き起こすが、水のより低い粘性（及び密度）の故に、圧力変動の振幅及びエネルギは、波形５４ｂ（図２）の場合よりも高いので、初期振幅は、波形５４ａの場合とほぼ同じぐらい高いことが、図３から分かる。その上、水のより低い粘性は、圧力変動がよりゆっくりと減衰させられるという効果を有する。図３の破線５６は、波形５４ｃの包絡線(envelope)であり、指数関数減衰関数Ｃ×ｅｘｐ（－ｔ／τ）のグラフにほぼ対応し、ここで、Ｃは、（変動の初期振幅を示す）定数であり、τは、減衰時間定数(decay time constant)である。図３に示すように、波形５４ｃの減衰は、波形５４ａの減衰よりもずっと遅く、それは波形５４ｃが有意により大きな減衰時間定数τを有することを意味する。

結果的に、「高い振幅(high amplitude)」及び「遅い減衰(slow decay)」という基準は、プール３０内に有意な量の水が存在することを示すものとみなされることができる。よって、プロセッサ５０は、プール３０内の許容できないほど大量の水を検出することもでき、水の含有量(content of water)が過度になるならば、滴射出プロセス（印刷プロセス）を停止することができる。

図４は、本発明に従った方法の一例の必須のステップを例示するフロー図である。

インクジェットプリントヘッドは、ステップＳ１で印刷を開始する。プリントヘッドは、図１に示すタイプの複数のノズル及びアクチュエータ構成を有し、以下に記載される後続のステップは、ノズル及びアクチュエータの各ペアについて別々に実行されることが理解されるであろう。

ステップＳ２において、プロセッサ５０は、圧力変動を表す関数Ｐ（ｔ）を測定し、記録された波形の周波数ｆ、並びに対応する減衰関数のパラメータＣ及びτを決定する。

ステップＳ３では、周波数ｆが下限ｆ＿ｍｉｎ及び上限ｆ＿ｍａｘによって定義される許容周波数範囲内にあるかどうかが確認される。ステップＳ３において結果が肯定的（Ｙ）であるならば、これはプール３０の深さが標的値に十分近いので、印刷プロセスが作動パルス及びクエンチパルスの現在の形状で継続することができることを意味する。

ステップＳ３の結果に拘わらず、圧力変動の振幅又はエネルギの尺度であるパラメータＣも下限Ｃ＿ｍｉｎ及び上限Ｃ＿ｍａｘによって定義される許容範囲内にあるかどうかがステップＳ４及びステップＳ５において確認される。図２及び図３に示すように、パラメータＣは、プール３０が主にインクで構成されるならば、周波数ｆの減少と共に有意に減少するはずであるのに対し、プールが水を含むならば、パラメータＣはより大きい。よって、上限Ｃ＿ｍａｘは、プール３０が所望に主にインクで構成される場合と、プール３０が許容できない量の水を含む場合との間を区別するように選択されて、より高い値Ｃをもたらす。パラメータＣと下限Ｃ＿ｍｉｎとの比較は任意的であり、他のタイプの誤動作を検出するのに役立つことがある。

パラメータＣが許容範囲（Ｎ）内でないことがステップＳ４又はステップＳ５において見出されるならば、ステップＳ６においてエラー信号が生成される。後述のように、エラー信号は、プリンタを停止させることがあり、且つ／或いは、操作者に適切な対抗措置を取るように促すことがあり、或いはそのような対抗措置を自動的に始動させることがある。

単純な実装において、上限Ｃ＿ｍａｘは、一定であってよい。しかしながら、圧力変動の振幅は、プール３０の深さの増大に伴って減少し、結果的に、周波数ｆを減少させることが観察される。従って、より詳細な実施形態において、振幅範囲の上限Ｃ＿ｍａｘは、検出された周波数ｆに依存して作られることがある。

ステップＳ４又はステップＳ５における結果が「イエス」（Ｙ）であったならば、減衰時間定数τが特定の上限τ＿ｍａｘより下であるかどうかが、ステップＳ７及びステップＳ８においてそれぞれ確認される。そうでない場合（Ｎ）、これはプール内の水の量が高すぎることの指標であり、再度、ステップＳ６においてエラー信号が発せられる。

さもなければ、ステップＳ３において、またステップＳ５及びステップＳ８において、結果が「はい」（Ｙ）であったならば、プール３０が所望の状態にあることを決定することができ、プロセスはステップＳ３に戻る一方で、印刷プロセスは何ら変更されることなく継続される。

実際の実施形態において、ステップＳ３、Ｓ５、及びＳ８によって構成されるループは、例えば、１００ｍｓ毎に反復されてよい。

否定的な結果（Ｎ）がステップＳ３において得られ、肯定的な結果（Ｙ）がステップＳ４及びＳ７において得られたならば、これは、プール３０の含水量は許容されるが、プールの深さは標的値から有意に異なることを意味する。結果的に、プール３０の標的深さを回復するために、作動パルスの逃げ面比がステップＳ９において修正され、然る後、プロセスはステップＳ３に再び戻る。

本発明は、インクプールがノズル面に形成され且つインクプールの深さが制御される印刷プロセスに限定されない。凝縮水は、ノズル面が湿潤防止コーティングを有し且つインク／空気メニスカスがノズルオリフィスの内側に形成される印刷プロセスにおいて問題となることもある。その場合、凝縮水は、ノズルオリフィス内のインクを依然として希釈することができ、それは印刷プロセスに有害なことがある。しかしながら、ノズルオリフィス内のインクの希釈は、上述したような圧力波の波形に対して、特に減衰時間定数τに対して類似の効果を有するので、水又は他の低粘性液体の存在を依然として検出することができる。

図５は、入力区画５８と、本体６０とを含む、印刷システムの一例を示している。本体６０は、シート搬送経路６４に配置されたプリントヘッド６２と、電子制御ユニット６６と、ユーザインタフェース６８とを含む。

制御ユニット６６は、プリントヘッド６２の射出ユニットと関連付けられた電子回路（図１）を含む、印刷システムの全ての機能的構成要素に接続されており、ユーザインタフェース６８に更に接続されている。

入力区画５８は、複数のホルダ７０を含み、それらの各々は、特定の媒体タイプの媒体シート７２の供給、例えば、スタックを収容する。入力区画５８は、個々のシート７２をホルダ７０のうちの選択された１つから分離し、それらをシート搬送経路６４に１枚ずつ供給するように構成された、送り機構７４を更に含む。

印刷プロセスが開始させられると、制御ユニット６６は、送り機構７４を制御して、シートをスケジュール通りに順々にシート搬送経路６４に供給し、制御ユニット６６は、各シートの上面に画像を印刷するようにプリントヘッド６２を制御する。

ここでは、プリントヘッド６２は、水性インクで作動するインクジェットプリントヘッドであると仮定されている。プリントヘッドを越えて移動し、画像を受け取ったシート７２は、シートが排出される前にインクを硬化させるためにヒータ７６を用いて加熱される。硬化プロセスにおいて、インク内に含まれる水の大部分は蒸発するので、湿気の多い環境がプリントヘッド６２の環境内に作り出される。結果として、凝縮水がプリントヘッドのノズル面に形成されることがある。

プリントヘッド６２の個々の射出ユニットと関連付けられるプロセッサ又は複数のプロセッサ５０が、少なくとも特定の数のノズル２２において凝縮水の存在を示す信号を送信すると、制御ユニット６６は、送り機構７４に指示して、シート７２がシート搬送経路６４に送られる周波数を減少させるので、シート６２は、図６に示すように、より大きな間隙７８によって分離される。これは、水の蒸発速度が低減され、次のシート７２がプリントヘッド６２に到着する前に、ノズル面に凝縮した水が再び蒸発することがあるので、高い印刷品質を保証することができ、印刷プロセスが継続されることがある、という効果を有する。代替として、シートが搬送経路６４を通じて搬送される速度が低減されてよい。

ノズル面上の水の凝縮を継続的にモニタリングすることができるので、プリントヘッドの温度のような動作条件が変化するとしても、プリンタの生成速度をノズル面上の凝縮水の量に自動的に適合させることができる。

欧州特許出願公開第１３７８３５９Ａ１号明細書 欧州特許出願公開第１３７８３６０Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２０１２／２２９５４３Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２０１６／３６８２７１Ａ１号明細書

Claims (5)

1. インクの滴を射出するように構成される射出ユニットを含み、ノズル面に形成されるノズルと、該ノズルに接続される液体ダクトと、該液体ダクト内の液体内に音響圧力波を作り出すように構成される電気機械変換器とを含む、滴射出デバイスを作動させる方法であって、
   許容できない量の凝縮水が前記ノズルの位置で前記ノズル面にあるインクのプール内に存在する場合を検出するステップと、前記許容できない量の凝縮水が前記ノズルの位置で前記ノズル面にある前記インクのプール内に存在する場合を、前記許容できない量の凝縮水が前記ノズルの位置で前記ノズル面にある前記インクのプール内に存在しない場合から区別するステップとを含み、前記検出するステップは、滴の射出後に前記液体ダクト内で減衰する音響圧力変動の減衰時間定数及び振幅を分析するステップを含み、該音響圧力変動は、前記電気機械変換器の応答を引き起こし、前記電気機械変換器から得られる信号によって表され、前記許容できない量の凝縮水が前記インクのプール内に存在する場合にエラー信号が発せられることを特徴とする、
   方法。
2. 前記検出するステップは、滴の射出後に前記液体ダクト内で減衰する圧力変動の周波数を分析するステップを含み、該圧力変動は、前記電気機械変換器の応答を引き起こす、請求項１に記載の方法。
3. 液体の滴を射出するように構成される多数の射出ユニットを含む、
   滴射出デバイスであって、
   各射出ユニットは、ノズル面に形成されるノズルと、該ノズルに接続される液体ダクトと、該液体ダクト内の液体内に音響圧力波を作り出すように構成される電気機械変換器とを含み、
   前記多数の射出ユニットのうちの少なくとも１つは、請求項１に記載の方法を遂行するように構成されるプロセッサと関連付けられる、
   滴射出デバイス。
4. 水性インクでインクジェット印刷するように構成される、請求項３に記載の滴射出デバイス。
5. インクジェットプリントヘッドとしての請求項３に記載の前記滴射出デバイスと、前記インクジェットプリントヘッドを越えて媒体シートを搬送するシート搬送経路と、シートを前記シート搬送経路に送るように構成される送り機構と、前記ノズル面上の凝縮水の存在が前記インクジェットプリントヘッドの少なくとも所定の数の射出ユニットによって検出されるときに、前記シートが前記インクジェットプリントヘッドに送られる速度を減少させるように構成される、制御ユニットとを含む、印刷システム。
   
   

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