JPH0345711B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、非同期的な定容積型小滴インク噴出
プリンタに関し、特にかかるインク噴出プリンタ
用の交換可能なプリントヘツド及びインク供給装
置に関する。

［従来技術］ 定容積型のインク噴出プリンタは、“定流量”
型インク噴出プリンタの必要条件とは別に又これ
に加えて、特別のインク供給条件を有する。放出
されたインクを補充する再供給機構が単に毛管作
用だけなので、インク供給圧力は、プリントヘツ
ドノズルで生じさせることのできる毛管作用の範
囲内でなければならない。好ましい供給圧力は、
僅かに負であり、多分水柱１〜２センチメーター
ぐらいである。この型のインク供給装置は、米国
特許第3708798号：第3747120号：第3832579号：
及び第3852773号に論じられている。

かかるインク噴出プリンタに対する他の重要な
基準は、上述した低圧条件に帰因する。低い静水
供給圧力をもたらすためインク溜めは、代表的に
はプリントヘツドに直接接続されているので、こ
の装置は、慣性力によりプリントヘツドあるいは
供給管路の運動で生じたい圧力サージ（pressure
surges）を受けやすい。又定容積型インク噴出プ
リンタの通常の構成は、同一のインク供給体に接
続された多数の小滴噴出装置を有しなければなら
ない。従つて個々の噴出装置を独立して作動させ
ることができるようにこれらを互いに隔離するこ
とが必要になる。これは、或る先行技術の装置に
おいては、供給管路の中の圧力サージを吸収しプ
リントヘツドにおいて個々の噴出装置を隔離する
ために部分的に空気で満たされたパルストラツプ
室の使用によつて成されている。例えば米国特許
第3708798号参照。或る先行技術の装置において
は、積極的に作動されるバルブが使用されてバル
ブに対する作動力をもたらす圧力サージそれ自体
を有することによつて、圧力サージの影響を最小
にする。例えば米国特許3852773号参照。更に他
の先行技術の装置においては、圧力吸収機構が単
一のインク噴出エゼクタのために使用され、その
結果自己発生の共振が最小になり装置の有用な範
囲がより高い小滴噴出速度まで広がる。例えば米
国特許第3832579号参照。

実質的にすべてのインク噴出プリンタ装置は、
インク供給装置あるいはプリントヘツドの中に空
気あるいはガスがないとき、最も良く機能する。
この条件は、気泡が流体の非圧縮特性を妨害し、
定容積機構の適正な働きを妨げるので、定容積型
のプリンタには特にきびしい。いくつかの装置で
は、気泡がプリントヘツドに到達する前に、気泡
をためるための室が設けられている。例えば、米
国特許第3708798号及び第3805276号参照。或る装
置では、空気及びガスが、インク供給体を使用す
る前に、インク供給体から除去される。米国特許
第3346869号参照。

多くの先行技術のインク噴出プリンタ装置が有
する他の問題は、インク噴出プリンタ装置を、
各々プリントヘツドについて独自に調整すること
である。これは欠陥のあるプリントヘツドを素早
く取り替えることを困難にし且つ高価にする。イ
ンク噴出プリントヘツドを取り替えるたびに、装
置を再調整するだれではなく、取り替え工程中に
装置に侵入してたまつた空気をすべてインク供給
管路から流し出さねばならない。

上記の問題、即ちインク供給体の中に適正な圧
力を維持すること、種々のプリントヘツドノズル
に対してインク供給体を隔離すること、気泡を除
去すること、そして更にプリントヘツドを交換可
能にすることは、インク供給体と、インク供給体
と連通する非同時的な定容積型小滴噴出プリント
ヘツドとを有し、プリントヘツドがプリントヘツ
ドと記録媒体との間に相対運動を行うキヤリジに
取り付けられる型式の本発明の改良されたインク
噴出プリンタにより解決される。

［発明の構成］ 本発明の構成は、一対の基板により形成され
た、ノズル、電気機械変換素子を壁の一部に取り
付けた圧力室、前記ノズルと前記圧力室を連通す
るインク流路とを有するプリントヘツド、前記プ
リントヘツドを覆うヘツドカバー、前記プリント
ヘツドと記録媒体との間に相対運動を行わせ、前
記プリントヘツドを回転可能に支持するキヤリツ
ジ手段、前記キヤリツジ手段に設けられ前記プリ
ントヘツドにインクを供給し、前記ヘツドの回転
軸上に設けられた中空針、前記キヤリツジ手段に
対して調節された位置で前記プリントヘツドを固
定する手段とを有するインクジエツト記録装置で
ある。

好ましい態様では、プリントヘツドと紙との間
の間隔は、プリントヘツドを中空針のまわりに回
転させ、中空針を中心とするプリントヘツドの回
転位置を止めねじで固定することによつて調節す
ることができる。プリントヘツドを電気的に接続
するための第３手段は、プリントヘツドと一体で
あつて且つプリントヘツド構造体の上にスクリー
ンされた多数の薄膜状電気トレースを有する電気
コネクタを含む。第１手段に取り付けられた電気
コネクタ受け口は、プリントヘツドの電気コネク
タの電気トレースと電気接続を確立する。代表的
には、特定のプリントヘツド用に選ばれた所定の
抵抗からなる多数の抵抗体を含んでいる予め調節
された電気信号調節装置と電気コネクタ受け口と
を接続するための手段が設けられている。

好ましい態様のプリントヘツドは、インク小滴
の噴出を生ぜしめるため駆動結晶体を含んでい
る。プリントヘツドは、プリントヘツドを損傷か
ら保護する殻形の容器の中に収容されている。駆
動結晶体は、絶縁材料の薄い層で被覆されてお
り、そして防音材の比較的厚い層が、絶縁材料の
薄い層の上に付けてある。殻形のハウジング構造
体は２つの半分に分けられており、そしてこの２
つの半部は、プリントヘツドの両側面上に互いに
圧接されて防音材とともにプリントヘツドを囲
む。防音材は、駆動結晶体、プリントヘツド及び
殻形構造体と物理的な密着をするが、駆動結晶体
の作動を妨げない。

好ましい態様では、プリントヘツドのインクの
流量を計量するために、圧力感知器及びバルブが
プリントヘツドの中に一体に組み込まれている。
圧力感知器は、パルストラツプ室の中の流体圧力
の変化を検出し、そして圧力が、プリントヘツド
のノズルで発生させることのできる最大毛管圧力
より小さい、所定レベル以下に減少するとき、バ
ルブを作動してインクをパルストラツプ室へ流れ
させる。このバルブは、プリントヘツドの個々の
小滴噴出室へインクを供給する、プリントヘツド
のパルストラツプ室の中の流体圧力を実質的に一
定に維持する。インク源それ自身はより高い圧力
であり、そして外部のポンプあるいはばねを必要
とせずに、それ自身の圧力を弾力作用で供給する
収縮可能な弾力性の袋を含んでいる。インク供給
装置の各構成要素、即ち高い圧力源、連結管路お
よびプリントヘツドは、モジユール設計のもので
あり、他の構成要素から容易に分離される。連結
装置は、装置の構成要素を接続あるいは分離する
とき、空気が装置に全然浸入せず、またインクを
外部に漏らさないような装置である。

圧力感知器及びバルブ制御装置は、インクの容
積が可成り取り出されるのに伴つて弾性力が小さ
くなると、高い圧力源の圧力の変化を自動的に補
償する。高い圧力源が空になつたとき、制御装置
は、プリンターを止める信号を発し、それによつ
て空気が、不充分なインク供給のために、ノズル
に浸入するのを阻止する。

［発明の目的］ 本発明の目的は、容易にプリントヘツドと記録
媒体の相対位置を調節、修正できるインクジエツ
ト記録装置を提供することにある。さらには、正
確に位置決めが容易に行えることにより、高い印
字品質を可能とするインクジエツト記録装置を提
供することにある。

本発明の他の目的は、容易に交換可能なプリン
トヘツド用のインク供給連結部を有するインク噴
出プリンタ装置を提供するにあり、このインク供
給連結部は、プリントヘツドを取り替えるとき、
インクの損失もプリントヘツドやインク供給装置
への空気の浸入も阻止する。

本発明の他の目的は、プリントヘツドを交換す
ることができ、また各々のプリントヘツドが、プ
リントヘツドと同時に取り除かれ、ヘツドを装置
パラメーターに適合させることのできる、プリン
トヘツド自身の関連した電気回路を有しているよ
うなインク噴出プリンタ装置を提供するにある。

本発明の他の目的は、プリントヘツドのパルス
トラツプ室の中に実質的に一定の流体圧力が維持
されるようなインク噴出プリンタ装置を提供する
にある。

本発明の他の目的は、不十分なインクの供給に
より空気をプリントヘツドノズルに浸入させない
ようにインクの供給が不十分になるときプリント
ヘツドを止めるようにするインク噴出プリンタ装
置を提供するにある。

［実施例］ 本発明の前述の及び他の目的、特徴及び利点
は、添付図面に関連した、本発明の或る好ましい
態様についての以下の詳細な説明を参照すれば、
一層容易に理解されるだろう。

今、特に第１Ａ図及び第１Ｂ図を参照すると、
これらの図には本発明のプリントヘツド装置のイ
ンク供給カートリツジが示してある。インク供給
装置はインクカートリツジ受け１０およびインク
を収容している使い捨てインクカートリツジ１２
を有する。インクカートリツジ１２は、しばし
ば、おそらくプリント装置の寿命までに300回取
り換えられるだろうから、インクカートリツジ受
け１０は、インクの漏れ又は気泡の浸入を阻止し
且つインクの濾過をするように構成されなければ
ならない。カートリツジ受け１０その基本構造と
して、インクカートリツジ１２を受け入れるため
の外側に開口端をもつた円筒型受け口１４を備え
ている。受け口１４の閉鎖端をもつた頚部１５に
は、円筒形の栓１６があり、その中心に、中空針
１８の針先が設けられ、注射針１８は、受け口１
４の長さ方向軸線と一線をなして受け口１４の中
へ延びている。中空針１８は針先において栓１６
の下の中空空間２０に通じ、この空間は、フイル
タ２２で半分に分割されている。フイルタ２２の
他の側における空間２０の一部は出口管２４と連
通している。

栓１６を囲む受け口１４の頚部は中空であり、
そして、この頚部には、栓１６より上に円筒形の
栓２６が摺動自在に嵌めてある。圧縮ばね２８は
固定の栓１６と摺動可能な栓２６との間の空間に
位置していて栓２６を、第１Ａ図でみて上方に付
勢している。ばね２８は、栓１６の上面にある円
形肩部３０のまわりに位置している。注射針１８
は栓１６から上方に延びる隆起部３２にしつかり
と装着されている。摺動可能な栓２６には弾性体
シール８４が同軸的に設けられ、その結果、針１
８がこれを貫通するようになつている。

栓２６は、受け口１４の内部において、受け口
１４がインクカートリツジ１２の外径部を受け入
れるように外方に拡がる個所に設けられた突出肩
３８と合う上部環状凹部３６を有している。環状
凹部８６と肩部８８は、ばね２８が摺動可能な栓
２６を受け口の頚部１５の頂から押し出すのを阻
止するストツプとして働く。

操作に際し、インクカートリツジを第１Ｂ図に
示すごとく取り外すとき栓２６はばね２８で押し
あげられ、その結果シール３４が中空針１８の端
をおおいこれによつて中空針１８をふさいで出口
管２４に連結されたプリントヘツドからのインク
の損失を阻止し、且つプリントヘツドへの空気の
浸入を阻止する。

インクカートリツジ１２は、出張つた環状の断
続形（途切れ途切れの）肩部４２を有す下部頚部
４０を備えている。受け口１４の突出した肩部３
８もその円周において断続即ち途切れ途切れにな
つており、その結果、インクカートリツジ１２を
まず頚部４０でもつてカートリツジ受け１０の中
に差し込み、次にインクカートリツジの肩部４２
が受け口の肩部３８と係合するまでねじり、これ
によつてインクカートリツジを受け口の中に固定
する。

インクカートリツジ１２は２つの機能をもつて
いる。即ち、これらの機能は、インクを大気から
完全に隔離して貯えることと、プリント中パルス
トラツプ圧力をその所要値に維持することができ
るように、インクを十分な圧力の下にインク供給
装置からプリントヘツドのパルストラツプ室６８
へ送り出すことである。

第１Ａ図に最も良く示してあるように、インク
カートリツジの下部頚部４０は、弾力性のインク
収容袋（bladder）４８の内部に通じている通路
４６の喉部に装着された弾性体隔壁（セプタム）
４４を包含する。インクカートリツジ１２を受け
口１４に差し込んで固定するとき、頚部４０の下
面が栓２６をばね２８の作用に抗して押し上げ、
これによつてシール３４を注射針１８に沿つて下
方へ摺動させる。同時に注射針１８の針先が隔壁
４４につきささつてこれを貫通し中空空間２０と
袋４８の内部とを連通させる。

インクカートリツジ１２を受け口１４から取り
外すときにシール３４および隔壁４４によつてイ
ンクがインク収容袋４８から漏れ出すのを阻止
し、同時に針１８をシール３４でおおうことによ
り、装置への空気の導入及び針からのインクの漏
れを阻止する。フイルタ２２はインク中の異物の
通過を阻止するばかりでなく、装置の中へ気泡が
通るのを阻止する。フイルタ２２は、例えば、気
孔の大きさ５ミクロンの直径２cmのものが良い。

フイルタ２２と栓１６とにより形成される中空
空間２０の内径、及びフイルタ２２のメツシユの
有効開口面積は第１図に示すごとく、出口管２４
及びインクカートリツジ１２内の通路４６よりも
大きい。故に、フイルタ２２による流路抵抗は少
なく、インク収容袋４８のインクは安定して導出
される。

インクが空のとき、インク収容袋４８は、該袋
４８の中に位置し頚部４０から上方に突出するテ
ンシヨンロツド５０によつて緊張状態に保持され
ている。取り扱いを容易にするために、インク収
容袋４８は中空シエル５２の中に入れられてい
る。インク収容袋４８は、代表的には、例えばブ
チルゴムで作られる。というのは、ブチルゴムは
低いガス及び蒸気伝達特性を持つているからであ
る。隔壁４４は、例えばシリコンゴムで作られ
る。というのはかかるゴムがすぐれた密閉特性を
有しているためである。

カートリツジ１２にインクを入れるために、中
空針をまず隔壁４４を通して差し込み、そして袋
の内部に残つている空気をすべて排出する。しか
るのち袋の中に注入すべきインクをまず、真空及
び加熱法で脱気し、それから圧力下でつぶれた袋
の中へ注入する。袋に、脱気及びガス抜き去れた
インクを容量まで満たしたとき、残つている空気
をすべて、中空の充填針で抜き出し、それから中
空の充填針を引き抜く。かくしてカートリツジ１
４を、プリンタ用の、自己加圧形の空気のない使
い捨てインク源として使うことができる。この実
施態様に適したカートリツジは、大体0.5気圧の
圧力で50〜100立方センチメーターのインクを容
れることができ、約６百万字を充分印刷すること
ができる。

インクがカートリツジ１４から出ていくにつれ
て、インクの内部圧力は、第６図の曲線５４で示
されるように変わつていく。第６図に、“締切り
点”として示されている圧力曲線上の点があり、
その点を越えると容器即ちインクカートリツジ１
２は、プリントヘツドへ装置を通してインクを流
さない。その点において、カートリツジ１２を取
り外し、捨てて、新しいカートリツジを取り付け
ねばならない。圧力が、以下に詳細に述べる制御
装置に予定されている、前もつて決められた最小
値以下に下がるので、少量のインク、おそらく全
容積の10％ぐらいのインクは回収されない。袋が
最初に、テンシヨンロツド５０により緊張状態に
あるという事実のために、この最小値圧力におい
て袋の中にあるインクの量はわずかである。

今、特に第２図から第４図までを参照すると、
本装置のプリントヘツド５６が、詳細に描かれて
いる。プリントヘツド５６は、上面にセラミツク
製のカバースリツプ６０をもつたセラミツク製の
基板５８を有し、このカバースリツプ６０は、
別々のノズル６６および頚部６４と連通している
多数のインク噴出室６２を閉鎖するように、基板
５８に接着されている。たつた一組のインク噴出
室、頚部、及びノズルだけが、破線で示されてい
るけれども、これは残りの６組を代表しているの
が理解されよう。食刻された室を有している基板
５８と違つて、カバースリツプ６０は、たつた二
つの開口部、即ちパルストラツプ室６８を構成す
る大きい開口部とバルブ開口部７０を有する。基
板５８およびカバースリツプ６０の各々は感光性
ガラス、例えば、米国、コーニンググラス コー
ポレーシヨンの商品名である。“フオトセラム”
等で作られるのが良い。７つのピエゾ電気結晶体
７１−７７が、カバースリツプ６０の上でこれに
導電性ペイント等を用いて接着させてある。ピエ
ゾ電気結晶体７１−７７の下面は、絶縁性のカバ
ースリツプ６０の面上にスクリーン印刷された導
電性電気回路パターンに接着され導通し共通のア
ース電位を形成している。一方該結晶体７１−７
７の各末端の上面側は、それぞれ前記導電性電気
回路パターンの各ターミナルと公知の接続方法、
例えばワイヤボンデイング等によつて接触されて
いる。

基板５８の下側にインク供給連結用受け部の取
り付け体７８があり、これは基板５８の開口部７
０（第３図）に着されている。チユーブ８０（第
８図）の一端はインク供給体即ちカートリツジ１
２の出口管２４に連結されていて、他端はプリン
トヘツド基板と一体をなす取り付け体７８に連結
する。取り付け体７８に連結するチユーブ８０の
端は中空針１８′を備え、この中空針１８′はチユ
ーブ８０の接続時に取り付け体７８の中に収容さ
れている隔壁４４′を貫通する。チユーブ８０を
取り外すとき、中空針１８′は隔壁４４′を通して
引き抜かれ、そして隔壁４４′は穴を再び閉じプ
リントヘツドへの空気の侵入及びプリントヘツド
からのインクの漏れを完全に阻止する。カバース
リツプ６０の上にはパルストラツプ室６８の開口
部及びバルブ開口部７０が開口していて、これら
開口部はダイヤフラム８４によつて閉止されてい
る。ダイヤフラム８４は、好ましくは、サラン
プラスチツク（ミシガン州ミドランドのダウケミ
カル社の商標）のような可撓性材料で作られる。
ダイヤフラム８４は、パルストラツプ室６８の上
壁を形成する。好ましくはステンレススチール製
である圧力調整用フレーム８６が、ダイヤフラム
８４の上に横たわつている。フレーム８６は、一
般的には、ダイヤフラム８４の輪郭に一致する輪
郭に作られるかつ有利である。というのは、フレ
ーム８６とダイヤフラム８４の両方がバルブ開口
部７０のみならずパルストラツプ室６８をも覆い
密封するからである。フレーム８６は、基板５８
の開口部７０に対応する部分に打抜き開口部を有
し、更に長い舌状片即ちビーム８８を形成するよ
うにＵ字形に切られたもう１つの開口部を有す
る。ビーム８８は、その両側を上向きに折つて、
長いモーメントアームを有するチヤンネルを作る
ように形成される。ビーム８８の上向きの運動
は、フレーム８６に取り付けられたバー８９で制
限される。超過圧力保護用バー８９は、ステンレ
ススチール合金で作られ、フレーム８６に点溶接
されている。ビーム８８がフレーム８６に連結し
ているビーム８８の基部には、その点のひずみを
測るのに役立つストレーンゲージ９０がある。該
ストレーンゲージ９０に近接してフレーム８６に
取り付けられた第２のストレーンゲージ９２は、
温度補正の基準となる。

今、説明されるように、ストレーンゲージ９０
はパルストラツプ室６８の中の圧力を感知する。
インクが圧力のもとにパルストラツプ室６８へ流
れると、インクは、ダイヤフラム８４及びその上
のビーム８８を上昇させる。ビーム８８が上昇す
ると、パルストラツプ室６８の圧力を電気的に示
すのに役立つストレーンゲージ９０に、ひずみを
生じさせる。第２のストレーンゲージ９２からの
信号は、温度補正の基準信号として使われ、単に
ストレーンゲージの温度変化で生じたいかなる見
せかけの信号をも相殺する。ストレーンゲージ９
０が、圧力変化に相当するひずみを示すとき、ス
トレーンゲージ９０は電気信号を発生する。この
電気信号は、以下に詳細に説明されているよう
に、感知された圧力に関係してゲートバルブを開
かせる。ゲートバルブは、開口部７０を通るイン
クの流量を調節する。装置を適確に機能させ、最
良のインク流量制御を提供するために、プリント
ヘツドにインクを供給するゲートバルブは、いく
つかの厳しい基準を満足しなければならない。ゲ
ートバルブは、素早く作用し、そして閉じられた
とき、漏れを完全に阻止しなければならない。ゲ
ートバルブを横切る圧力降下はたいへん小さく、
そしてバルブの動きをそれ自体は極端に小さい。
第２図及び第３図に示されているバルブの構造
は、密封力を容易に調節するようなピエゾ電気作
動形片持ち梁を使用して、これらの基準を達成す
る。ゲートバルブは、バルブビーム９６に取り付
けられたガラスの半球のプラグ９４、ダイヤフラ
ム８４およびバルブシール８２から成る。シール
８２の真下にバルブシート９８があり、バルブオ
リフイス１００は、このバルブシート９８を貫通
している。バルブシート９８は、インク注入口取
付け体７８に含まれている。好ましくは、このシ
ートは、ルビーのような極端に堅い、耐食性材料
で作られる。バルブシート８２は、好ましくはシ
リコンゴムのような比較的柔らかい材料で作ら
れ、バルブの運動に順応する可撓性ダイヤフラム
８４に取り付けられている。この柔らかいバルブ
シール８２は、非常に小さな力でインクの漏れを
完全に阻止する。又バルブシート９８は、接触面
の小さいそしてバルブシール８２を切断する恐れ
のあるシヤープなコーナをもたないように構成さ
れている。

ガラス半球のプラグ９４は、可撓性ダイヤフラ
ム８４の頂に位置している。この半球９４は、バ
ルブビーム９０とバルブシート９８との間の僅か
な回転不整列にも順応する。ガラス半球に及ぼさ
れる小さな上向きの力は、バルブを開き、そして
小さな下向きの力は、バルブを閉じる。シート９
８とシール８２の表面が、不完全状態ではなく、
正しく整列していれば、開閉力は１グラム程度で
ある。バルブオリフイスは小さい（約0.02cm）か
ら、バルブ要素はすべて小さくかつ質量も小さく
迅速な作動を容易に達成する。

開閉力は、金属のベースフレームの突出舌状片
１０２に接着されたピエゾ電気結晶体１０４から
成る、片持ち梁状のバルブビーム９６で提供され
る。舌状片１０２は、ガラス半球のプラグ９４を
収容するための直径の小さい穴を有している。バ
ルブが組み立てられるとき、プラグ９４はエポキ
シでビームに接着されている。バルブシール８２
及びダイヤフラム８４が透明なので、フレーム８
６の穴を通してみることにより、バルブシート９
８を視覚で検査することができる。

電圧をピエゾ電気結晶体１０４にかけると、片
持ち梁状のバルブビーム９６の曲りが変化し、そ
してプラグ９４が取り付けられているバルブビー
ム９６の端は上昇し、バルブを開く。電圧を取り
除くとバルブはその通常の閉位置にもどる。プラ
グ９４をバルブシール８２から上昇させると、オ
リフイス１００からダイヤフラム８４の下のパル
ストラツプ室６８の中へインクを流すことができ
る。好ましくはバルブビーム９６は、各端が基板
５８に直接取り付けられているステンレススチー
ルの反動プレートである。ビーム９６は、バルブ
から最も遠いバルブビームの端に、基板５８に関
してばねヒンジのように作用する湾曲した弾力性
部分９７を有する。バルブ調節ねじ１０１が、ビ
ーム９６にねじ込まれていて、バルブビーム９６
の反対側の端の垂直位置をバルブシール８２に関
して調節できるように、カバースリツプ６０に当
たつている。これにより、通常の閉位置における
バルブの密封力を調整することができる。調節ね
じ１０１からフレーム８６の回転点までの距離
は、バルブシール８２から回転点までの距離より
はるかに大きく、調節の敏感な手段を提供する。
調節ねじ１０１は、１インチにつき８０のねじを
有し回転点からバルブシール８２までの距離の約
３倍遠くに位置しているのが有利である。従つて
調節ねじ１０１を一回転させる毎に、バルブは約
0.01cm動く。フレーム８６の端にある湾曲したば
ねループをなす弾力性部分９７は、調節ねじ１０
１とプリントヘツドの本体との接触を確実にし、
フレーム８６の要求されていない運動を阻止す
る。フレーム８６は、0.012cmの厚さのスチール
で作られており、そしてピエゾ電気結晶体１０４
も同じ厚さである。バルブビーム９６の片持ち梁
の長さが0.8cmであれば、端を0.02cmたわませる
ことができる。要求される運動は、ほんの0.002
cmであるので、調節ねじ１０１を締め付けると、
バルブビーム９６はその通常の閉じた位置におい
て0.018cmたわみ、数グラムの閉じる力を提供す
ることができる。第２図に示されているように、
片持ち梁の固定端を、バルブオリフイスからみて
回転点の反対側に構成することによつて、バルブ
ビーム全体的な一層コンパクトに作られる。

バルブ制御回路の機能は、パルストラツプ室６
８の圧力を調整することであり、その結果インク
は、印刷速度、温度、インクの粘度及び他の装置
パラメータに関係なく、一定の圧力状態で駆動結
晶体の作用で圧力室に供給される。印刷中インク
がノズル６６から噴出されるとき、ノズルの毛管
力が、パルストラツプ室６８からインクを引き出
して噴出されたインクに代わる。

パルストラツプ室６８の容量のこの減少で圧力
が僅かに下がり、そして圧力感知用バルブビーム
９６を下方に引き、少し抵抗を増しているストレ
ーンゲージ９０のひずみを増大させる。この圧力
感知装置は、非常に敏感でまた精密であり、水柱
0.01インチあるいは大体2/100000気圧程度の圧力
変化に応答することができる。この装置は、圧力
感知用ビーム９６の運動を制限する超過圧力保護
用バー８９によつて、大体水柱±10cmあるいは、
約1/100気圧に相当している過剰な圧力による損
傷から保護される。１気圧位の過剰圧力を、この
装置を傷めることなしに短時間加えることができ
る。

今、特に第５図を参照すると、バルブ用の制御
システムが描かれている。大体５ボルトの基準電
圧が、ストレーンゲージに加えられており、スト
レーンゲージは、第５図に示されているブリツジ
回路１０６の一方の側として、直列に電気接続さ
れているブリツジ回路の他方の側は、２つの基準
抵抗１０８，１１０及び中間の調節ポテンシヨメ
ータ１１２の直列接続によつて作られ、このポテ
ンシヨメータ１１２は、パルストラツプ室６８に
正味の圧力がなく従つて圧力感知用ビーム９６が
たわんでいないとき、ブリツジをバランスさせる
ようにセツトされている（圧力変化による）ブリ
ツジ回路のいかなるアンバランスも、ポテンシヨ
メータ１１２の可動接点とストレーンゲージ９０
及び９２の共通の接続点との間に差信号としてあ
らわれ、これは、増幅器１１４で増幅されそして
高周波数ノイズを除去するために、ローパスフイ
ルタ１１６で濾波される。

濾波されそして増幅されたストレーンゲージ信
号（ブリツジのアンバランスによる）は、電圧コ
ンパレータ１１８に送られて電源１２０からの調
節可能な限界電圧と比較される。プリントヘツド
が小滴を噴出すると、パルストラツプ圧力は着実
に降下しそしてゲージ信号は比較的に下がる。ゲ
ージ信号が、限界電圧から電源１２２からのヒス
テリシス電圧をひいた電圧以下に下がるとき、電
圧コンパレータはバルブドライバ１２４に信号を
送り、バルブ用ピエゾ電気結晶体１０４に適正な
電圧を加えて、パルストラツプ室６８のバルブを
開く。

バルブが開かれると、インクは、ノズル６６か
ら噴出されるより速く、インクカートリツジ１２
からパルストラツプ室６８の中へ流れ、圧力及び
ゲージ信号を上昇させる。ゲージ信号が限界電圧
にヒステリシス電圧を加えた電圧を越えると、電
圧コンパレータ１１８はバルブドライバ１２４に
信号を送り、バルブを閉じる。この方法で駆動用
ピエゾ電気結晶体７１−７７の下のインク噴出室
６２には、噴出されたインクにかわる厳密に正確
な量のインクが常に補給される。限界圧力電源１
２０を任意の値にセツトすることができ、従つて
パルストラツプ室６８の圧力を、プリンタの物理
的拘束の範囲で任意にセツトすることができる。
同じく、制御システムの安定性で決定される下限
の範囲内で、ヒステリシス圧力電源１２２を任意
の値にセツトすることができる。限界圧力及びヒ
ステリシス圧力の都合のよい値は、それぞれ−５
cmH₂O及び0.1cmH₂Oである。

流量が非常に小さく、バルブが素早く作動しな
ければならないので、バルブオリフイス１００も
また小さい（約0.002cm）。かかる小さな開口部を
通る流量は、通常粘度により制限される。即ちバ
ルブにおける流体速度は、粘性力が、インクカー
トリツジ１２で生じた圧力駆動力と釣合うような
限界値に、素早く到達する。それ故バルブを通る
全流量は、インクカートリツジ１２の中の圧力に
比例する。

第６図の曲線１２６で示されるように、インク
カートリツジ１２の中の圧力が減少するにつれ
て、バルブを通る流量が減少し、そしてパルスト
ラツプ室６８を補充するのに必要な時間が増す。
インクの供給源であるインクカートリツジ内が空
になつた特別の場合には、バルブはずつと開かれ
たままである。もしプリントヘツドがこの状態で
作動すると、パルストラツプ室６８の圧力は、ノ
ズル６６の負の最大毛管圧力に等しい値に達する
までに降下し続ける。その点では、ノズル６６
は、もはやパルストラツプ室６８から補給され
ず、空気がノズル６６に入り、小滴の噴出を妨げ
る。かかる故障は直すのが困難であり、これは、
インクカートリツジを、圧力がそのような低いレ
ベルまで下がる前に、取り替えれば避けることが
できる。

こういう故障をおこさないために、プリンタは
インクがなくなることによるプリントヘツドの故
障を防ぐ電気回路を備えている。最大許容バルブ
パルス長さは経験的に決定され、そしてこの値
は、バルブが開くたびに実際のバルブパルスと電
気的に比較される。第５図において、バルブパル
スが電圧コンパレータ１１８で発生するとき、ワ
ンシヨツトマルチバイブレーター１２８が同時に
トリガされ、コンパレータ信号もまた、Ｄ型のフ
リツプフロツプ１３０のＤ入力に供給される。ワ
ンシヨツトは、最大許容パルス長さに等しい遅延
時間にセツトされる。この遅延の終わりに、フリ
ツプフロツプ記憶素子１３０の状態は、フリツプ
フロツプ出力をCP（クロツプパルス）入力に供給
することによつてチエツクされ、そしてこのCP
入力は、バルブ信号がＤ入力に依然として加えら
れているならば正確に作動して、バルブが開かれ
たままかどうかを示す。もしバルブが開かれてい
ればエラー信号が“ローインク”インデイケータ
ー１３２に生じる。エラー信号はいくつかの異な
つた方法で作用させることができるが、しかし必
要な条件は、最大印刷速度を著しく減少させるべ
きことである。例えば、もし印刷速度（それ故に
バルブを通る流量）が通常の値の1/3に減少した
ならば、バルブパルス長さは最大許容パルス長さ
以下にまで落ち、この遅い速度での印刷は或る時
間続き、操作者はインクカートリツジを取り替え
るのに都合のよい時間を選ぶことができる。別の
やり方として、もし印刷を直ちに停止させれば、
インクカートリツジを取り替えるまで、印刷すべ
き情報をたくわえなければならない。

本発明の一つの好ましい態様において、上記に
述べられたパラメータの代表的に値は次の通りで
ある。

代表的なインク供給装置のパラメータ インク容器又は カートリツジ容積 100c.c. 最初の圧力 0.4atm “締切り”圧力 0.1atm バルブパルス長さ 10ミリセコンド 開き時間 １ミリセコンド “締切り”パルス長さ 50ミリセコンド 最大開き 0.002cm パルストラツプ圧力 −５cmH₂O ヒステリシス圧力 0.1cmH₂O ヒステリシス容積 0.0002c.c. インク粘度 ６センチポイズ 表面張力 50dyne／cm ノズル毛管圧力 15cmH₂O 比較的高圧のインク源と調節バルブと超過圧力
保護手段を有する圧力感知装置とからなる本発明
のインク供給装置は又、衝撃、振動あるいは他の
悪作用によりプリントヘツドに入る気泡を除去す
るのにうまく適合する。バルブの平均衝撃係数
は、代表的には低い圧力の締切り点においてすら
極めて小さい。従つてもしバルブが完全に開かれ
るならば、ノズル６６を通る全流量は、小滴噴出
過程中よりずつと多くなり、そしてバルブトラツ
プ室６８からノズル６６に向かつて常に一方向で
ある。それ故に、気泡を除去するために、バルブ
を最初に比較的長時間（数秒）完全に開き、比較
的多量のインクをプリントヘツドを通して流れさ
せて気泡を流し出す。ノズル６６を通つて流れた
インクを、集めて処分し、ヘツドの元の“印刷準
備の整つた”状態にもどす。

今、特に第２図、第７図及び第８図を参照する
と、本発明のプリントヘツド５６が論じられてい
る。電気パルス発生器（図示せず）は、電気コネ
クタ１３４とフラツトケーブル１３６を通してプ
リントヘツド５６にパルスを送る。パルス発生器
から電気パルスを受けとると、プリントヘツド５
６は、1974年７月19日に出願され、本出願の同一
の譲受人に譲渡された米国特許出願第489985号に
より完全に説明されているように、印刷流体の単
一に分離している小滴をオリフイスから放出し
て、射出する。各々の電気パルスは、先のいかな
る信号にも影響されずに、単一の小滴を作り出
す。プリントヘツド５６は、７つの小滴噴出手
段、即ち垂直な列に、独立に作動させることので
きる代表的には７つの噴出口を有する。電気パル
ス発生器は共振周波数で作動せず、むしろ印刷す
べき所定のパターンに応じて小滴を要求する。

記録媒体１３８の上に情報を正確に記録するた
めに、インク小滴用の実質的にまつすぐな弾道が
プリントヘツド５６のノズル先端から記録媒体１
３８まで続いている。この方法において、装置に
関して記録媒体１３８を注意深く位置決めする
と、電気パルス発生器で発生され、印刷すべき情
報で決定される信号に従つて予言できるパターン
に小滴が衝突する。情報を最も良く記録するため
に、小滴は正確でかつ予言できる形状と容積のも
のでなければならない。即ち等間隔の一様な信号
が、等間隔の一様な小滴を作り出すように、各小
滴は電気パルス発生器からの電気信号に続いて厳
密に追従しなければならない。

小滴は、インク噴出室６２の中の容積の急激な
減少により、プリントヘツド５６から放出され
る。この容積の急激な減少は、小滴を作るに十分
な量のインクを移動させるように、室の中へプレ
ート（図示せず）をたわませることによつて達成
される。プレートのたわみは、上記の米国特許出
願に一層完全に説明されているように、ピエゾ電
気結晶体７１−７７のうちの１つの作動で引き起
こされる。たわみは、流体の一部を脱出速度以上
に加速するのに十分な運動エネルギーをノズル６
６の中の流体に及ぼすほど急激でなければならな
い。脱出速度は、ノズル６６から延びているイン
クのプラグをノズルから分離させて自由な小滴を
形成させる最小の速度である。

この小滴噴出のプロセスは、プリントヘツド５
６が完全にインクで満たされそして気泡がプリン
トヘツド５６の中に全然入つていないということ
に大いに依存する。その上気泡は、インクの入り
口からもノズルからもはいることはできない。イ
ンク供給装置は、上記で一層完全に説明されてい
るように、空気がこの装置の中へ全然入りこまな
いことの最大の保証に応ずるように設計されてい
る。

即ち、プリントヘツド５６は、第２図に示され
るように、そのインク流路となるインク噴出室６
２、頚部６４のいずれのチヤンネルもノズル６６
に向かつて上向きとなるよう設けられていて、ノ
ズル６６はインク導入口であるバルブオリフイス
１００より高い水位を保つている。かくしてノズ
ル６６からの気泡の進入や、ノズル６６から内部
のインクの漏出等が防止される。また、ノズル６
６が気泡等により目詰りを生じたとき、ノズルの
外方から吸気してインクとともに排出する（パー
ジ）場合にも、上記のインク流路傾斜は有効に作
用する。

上述したように、プリントヘツド５６のインク
連結取付け体７８は、細かいメツシユのフイルタ
９９およびエラストマーの隔壁４４′を有してい
る。プリントヘツド５６を取り付けるとき、イン
ク供給用中空針１８′は隔壁４４′を貫通し、連結
取り付体７８の中へインクを給送する。小さな気
泡が、取り付け中に不注意によつて入り込んで
も、細かいメツシユのフイルタ９９が気泡がプリ
ントヘツド５６に入るのを阻止する。フイルタ９
９に都合のよい穴の大きさは、５ミクロン（５×
10^-6メーター）である。気泡がインク供給装置に
入らないことを更に確実にするために、この装置
をまず、CO₂で洗浄して空気を除去する。次に
CO₂を吸収するためにこの装置を苛性ソーダで浄
化する。しかる後この装置を、苛性ソーダを除去
するインク（染料を有せず）で浄化する。

プリントヘツド５６を容易に取り替え可能にす
ることが望まれるから、この装置は、一対のレー
ル１４２の上を水平に走行し且つ記録媒体１３８
から間隔へだてたキヤリツジ取付け体１４０に取
り外し自在に取り付けられる。キヤリツジ取付け
体１４０は、歯付きの駆動ベルト１４４でレール
１４２に亘つて動かされる。キヤリツジ取付け体
１４０は、プリントヘツド５６が小滴を噴出し、
記録媒体の上に文字を形成するにつれて、紙面を
横切つて移動する。

キヤリツジ取付け体１４０にはプリントヘツド
５６のインク供給取付け体７８のための受け口１
４６が取り付けられている。受け口１４６は、破
線で示されているような、プリントヘツドの隔壁
４４′を貫通する小さな中空針１８′を囲む。中空
針１８′は、隔壁４４′の損傷を避け、しかもイン
クカートリツジ１２からの流体に対する抵抗を小
さくするためできるだけ小さくするべきである。
１ミリメーターの外径の針がよいことが知られて
いる。上述したように、取付け体７８を受け口１
４６に差し込んでプリントヘツド５６をキヤリツ
ジ取付け体１４０に取り付け、中空針１８′が隔
壁４４′を貫通した後、プリントヘツド５６を互
いに嵌り合つた取付け体７８と受け口１４６を介
して中空針１８′のまわりにキヤリツジ取付け体
１４０に対して回転させて、プリントヘツド５６
と記録媒体１３８との間の間隔を調節する。正確
な間隔が得られたら、キヤリツジ取付け体１４０
の拡大穴１５０を貫通して、プリントヘツド５６
の穴１５２′にねじ込まれるねじ１４８のような
機械的取付部品で、プリントヘツド５６をキヤリ
ツジ取付け体１４０に関して正しく固定する。こ
の方法によれば、中空針１８′にも隔壁４４′にも
応力は伝わらない。

上述したように、キヤリツジ取付け体１４０の
受け口１４６は可動シール兼ばね（図示せず）を
含み、このシール兼ばねは、プリントヘツド５６
が取り外されるとき中空針１８′の先端に位置す
る。このシール兼ばねは、中空針１８′を汚染か
ら保護し、インクの漏れを阻止し、更に空気の装
置への侵入を阻止する。シールは、隔壁４４′の
エラストマー材料と類似の要求のため、多くのエ
ラストマー材料で作ることができる。ウレタンゴ
ムあるいはブチルゴムが特に適することが知られ
ている。

中空針１８′は、インクカートリツジ１２から
プリントヘツド５６までインクを導く可撓性のイ
ンク供給管路８０に接続されている。管路８０の
材料は、プリンタの寿命まで、最大インク供給圧
力（大体0.5気圧）に耐えなければならない。こ
の管路８０はまた、蒸発、霧及び潜在的な気泡の
発生を最小にするため低い蒸気伝達特性を有して
いなければならない。管路８０は又、固定された
インクカートリツジ１２と移動するヘツド取り付
け体１４０との間の接続リンクとなるので、可撓
性を持続しなければならない。特に大体１ミリメ
ーターの内径を有する“タイゴン”管財が良いこ
とが知られている。“タイゴン”はオハイオ州ア
クロンのノートンカンパニーの商標であり、可塑
化ポリ塩化ビニールの押し出し管材である。

プリントヘツド５６に電気接続をするために、
プリントヘツド５６は突出部１４８′を備え、こ
の突出部１４８′はプリントヘツド５６と一体で
あつて、プリントヘツド５６の一方の側の延長部
を構成する。多数の電気トレース１５０′が突出
部１４８′の上にスクリーン印刷されており、そ
してインク噴射室６２、圧力感知機構及びバルブ
の解放機構を制御する多数のピエゾ電気７１−７
７，１０４１結晶体に、印刷回路方法で持続され
ている。突出部１４８′は、キヤリツジ取り付け
体１４０で支えられる対応する電気受け口即ち電
気コネクタ１３４に収容されるプラグを構成す
る。フラツトケーブル１３６が電気受け口１３４
とプリントヘツド５６を操作するための電気回路
との間を接続する。この方法によれば、プリント
ヘツド５６は、容易に取り外しできる機械的な流
体連結部及び電気的接続体により、キヤリツジ取
り付け体１４０において交換できる。

この開示に従つて構成されたプリントヘツド５
６は、大体７グラムの重さであり、容易に取り付
けられ、更に確実な運転を提供する。しかしなが
らいくつかの構成要素は極めて精巧で、損傷しや
すい。更に、電気接続に大変都合の良いプリント
ヘツドの平らな形状は、ピエゾ電気結晶体の振動
に対する増幅器として作用し、騒々しい。これら
の問題は、構造上の振動を消散させ、プリントヘ
ツドを損傷から保護する容器の中に、ヘツドを入
れることで解決される。プリントヘツドの容器の
構造は、第７図、第８図、及び第９図に示されて
いる。

プリントヘツド組み立て工程において、完成さ
れたプリントヘツド５６にワニスの薄い絶縁層を
被覆する。次にヘツドの背面を真空グリースのよ
うな非常に粘りけのある非揮発性の化合物で、ヘ
ツドカバーベース１５２に取り付けられる。ヘツ
ドのインク入口である取り付け体７８を、ヘツド
カバーベース１５２に設けられた穴１５４に挿入
する。次いでプリントヘツドの駆動結晶体領域を
適正な防振材の比較的厚い層（厚さ約0.05cm）で
被覆する。

次にヘツドカバー前部１５６を嵌めて防音材と
密着させる。ヘツドカバー前部１５６およびベー
ス１５２を、シリコン密閉材を使つて互いに密閉
する。出来上がつたプリントヘツド組み立て体
は、プリントヘツド５６に取り付けられている敏
感な構成要素に対して損傷を危険なしに容易に取
り扱うことができ、そしてプリントヘツドは操作
中ほとんどノイズを出さない。プリントヘツド５
６の電気接続リツプ即ち突出部１４８′から電気
コネクタ１３４を抜き、またヘツド受け口１４６
およびインク入口針１４６からプリントヘツド５
６を引込めることにより、プリントヘツド５６を
プリンタから容易に取り外せる。この取り付け／
取り外し過程は、保守行為において関節を必要と
せずに、繰り返し行うことができる。

各々のプリントヘツドユニツトを他のプリント
ヘツドユニツトと完全に交換できるようにするた
めに、ある電気調節をしなければならない。米国
特許出願489985号に、駆動用ピエゾ電気結晶体の
各々に対する直列電気低抗体の適当な選択によつ
て、７つのインク噴射チヤンネルの各々からの小
滴の速度を等しくする方法が述べられている。従
つて７つの抵抗体を、小滴速度のバランスをとる
ように設けなければならない。

上述したように、ストレーンゲージの抵抗及び
機械的な組み立て体の公差の変化は、バルブが正
確な圧力レベルで開くようにするために、電気的
調整をなすべきであることを要求する。この調節
は、第５図に調節可能な抵抗として示してある。
一旦この抵抗の値を決めてしまつたら、バルブ圧
力の限界を固定するように別個の抵抗体を選択す
る。

組み立て体の公差の変化もまた、駆動結晶体へ
の駆動パルスの幅を各々のプリントヘツドに対し
て個々に選択することを要求する。典型的には任
意所定のヘツド中の結晶体の間の変化は小さいか
ら、７つの結晶体すべてを同一のパルス幅で駆動
してもよい。パルス幅は種々の手段で制御するこ
とができ、その手段のうちの大部分は、特定の抵
抗値を選ぶことにより調節できる。

従つてプリントヘツドへの電気入力を調節する
のに必要な９つの別個の抵抗体がある。プリント
ヘツド５６及び９つの別個の抵抗体からなるプリ
ントヘツドユニツトは、他の任意のプリントヘツ
ドユニツトと完全に交換できる。この９つの抵抗
体は、都合よく電気受け口１３４のモジユールの
中に入れられる。この抵抗体内蔵モジユールは、
その要求された機能を提供するために、プリント
ヘツド、プリントヘツド駆動エレクトロニクスあ
るいは接続ケーブルに、電気的にかつ取り外し可
能に接続される。

本発明は上述のように構成されているから、プ
リントヘツドをキヤリツジから取り外すことなく
記録媒体との位置の調整が行える。さらには、調
整時にインク供給を行う中空針を取り外す必要が
ないため、容易でかつ空気の侵入をゆるすことな
くプリントヘツドと記録媒体の位置を調整でき
る。それにより、高い印字品質を常に保つことが
できる。

ここで使われた用語及び表現は、制限されな
い、記述のための用語として使われており、かか
る用語及び表現の使用に際し、図示されかつ本文
に記載されているいくつかの特徴又はその一部の
均等物を除外するものではなく、むしろ本発明の
特許請求の範囲内で種々の修正が可能であること
が認められる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は、本発明の１つの態様に従つて組み
立てられたインク供給装置の部分的断面図であ
る。第１Ｂ図は、第１Ａ図に描かれたインク供給
装置を分解したときの、部分的断面図である。第
２図は、本発明の１つの態様に従うプリントヘツ
ドの側面図である。第３図は、大体第２図の３−
３線に沿つて切つた断面図であり、バルブ及びイ
ンク注入口を詳細に示している。第４図は、大体
第２図の４−４線に沿つて切つた断面図であり、
圧力感知ビームの詳細を示めしている。第５図
は、バルブの操作を制御し、“インク切れ”の制
御信号を発生する図式的な回路図である。第６図
は、インクを供給するための、圧力とバルブパル
ス長さの関係を同じに示している図である。第７
図は、キヤリツジ組み立て体に取り付けらけてい
る本発明のプリントヘツドの、拡大斜視図であ
る。第８図は、第７図に描かれたプリントヘツド
の、第２の拡大斜視図である。第９図は、第７図
及び第８図に描かれた、プリントヘツド及び取り
付け用構造体の、分解部品配列斜視図である。第
１０図は、プリントヘツドとキヤリツジ取り付け
体との取り付け状態を示す概略断面図である。 １０……インクカートリツジ受け、１２……イ
ンクカートリツジ又はインク供給体、１８，１
８′……中空針、５６……プリントヘツド、６６
……噴射ノズル、７８……取り付け体、２２，９
９……フイルタ、１３８……記録媒体、１４０…
…キヤリツジ手段又はキヤリツジ取り付け体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 一対の基板により形成された、ノズル、電気
   機械変換素子を壁の一部に取り付けた圧力室、前
   記ノズルと前記圧力室を連通するインク流路とを
   有するプリントヘツド、前記プリントヘツドを覆
   うヘツドカバー、前記プリントヘツドと記録媒体
   との間に相対運動を行わせ、前記プリントヘツド
   を回転可能に支持するキヤリツジ手段、前記キヤ
   リツジ手段に設けられ前記プリントヘツドにイン
   クを供給し、前記ヘツドの回転軸上に設けられた
   中空針、前記キヤリツジ手段に対して調節された
   位置で前記プリントヘツドを固定する手段とを有
   するインクジエツト記録装置。