JPH0691880A

JPH0691880A - 高温溶融インク制御方法及びシステム

Info

Publication number: JPH0691880A
Application number: JP5208212A
Authority: JP
Inventors: Ross R Allen; ロス・アール・アレン; William J West; ウイリアム・ジェイ・ウエスト
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1992-07-31
Filing date: 1993-07-30
Publication date: 1994-04-05
Also published as: US5406315A

Abstract

(57)【要約】【目的】高温溶融型インク・ジェット・プリントヘッド
内の液化したインクの温度や液面高を、非接触的に検知
して制御する。【構成】センサ１０のキャビティ１２内には、融点以下
で結晶化している状態では光をよく反射し、融点以上の
溶融状態では光を透過する固体結晶材料１４が封入され
ている。従って、この材料１４が溶融状態ではウインド
ウ１６は暗く見え、結晶状態では明るく見える。適当な
融点を持つ材料を選択することによって、センサ１０は
反射項の強度によって温度を測定できる非接触式温度セ
ンサとして使用できる。液面高の測定に当たっては、所
望の液面位置に隣接してこのセンサを置くことにより、
液面がセンサ位置より高ければ高温、低ければ低温が観
測されるという現象を使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の使用分野】本発明は一般に高温の溶融インク
を用いて動作する熱インク・ジェット・プリンタに関す
るものであり、とりわけこのプリンタ用プリント・カー
トリッジ内のこのようなインクの温度とインク・レベル
の両方を制御するための改良された方法及びシステムに
関するものである。

【０００２】

【従来技術及びその問題点】近年、固体が高温で溶融し
たりあるいは相変化するさまざまなタイプのインクが、
熱インク・ジェット・プリンタのプリンタ・ヘッド用の
古い、充分に発達した液体インクに対する代替案として
提案され、また用いられている。当該技術において周知
のように、これらの高温で溶融する固体インクは、予め
定められた高温まで加熱された場合に、固相と液相の間
で相変化を生じるように開発されている。これらの固相
から変化するインクは、最近の多種多様な用紙における
プリント品質の向上、耐水性の向上、及びスループット
の増大の可能性のため、いくつかのタイプのプリント用
途についての、液体インクに対する魅力的な代替案であ
ることが分かった。

【０００３】インク・ジェット・プリントヘッドの高温
溶融インクの送り出し温度は通常は６０〜２００゜Ｃの
範囲内にあり、この範囲内の精確な値はインクの組成に
よって決まる。インク小滴の噴射及びインク小滴の体積
の一様性にとって望ましい物理的特性を維持するため、
インクの送り出し温度は公称値前後の狭い範囲、典型的
には±５゜Ｃあるいはもっとよく制御された範囲内に収
まるように制御しなければならない。この温度の調整
が、高温溶融インクを用いたカラー・インク・ジェット
・プリント・カートリッジに用いるのに適した、正確
で、低コストで、信頼に足る手段を困難なものにしてい
る。

【０００４】従来技術において、この温度制御を行なう
ためのいくつかのアプローチが提案されてきた。これら
のアプローチの例は、Ｖａｕｇｈｔに対して発行された
米国特許第４，４９０，７３１号、ＤｅＹｏｕｎｇに対
して発行された米国特許第４，６６７，２０６号、Ｃｏ
ｏｋｅに対して発行された米国特許第４，６３１，５５
７号、ＤｅＢｏｎｔｅに大して発行された米国特許第
４，６０７，２６６号、及びＬｅｗｉｓに対して発行さ
れた米国特許第４，６０７，２６６号に見られる。しか
しながら、概して言えば、これらの従来のアプローチは
完全に満足できるものではなかった。それは、いろいろ
な理由の中でもとりわけ、コスト及び複雑性が比較的高
い、熱電対、サーミスタ、及び温度感応抵抗器といった
温度センサやそれに付随する回路を用いるためである。
更に、これらの従来技術によるアプローチには、専用の
相互接続パッド、キャリッジ・プリント回路基板、及び
プリント・カートリッジ内の高温溶融インクの供給源に
隣接して配置されたこれら温度センサに低電力のアナロ
グ信号を送るための配線されたケーブルを必要とすると
いう別の欠点がある。

【０００５】

【目的】本発明の一般的な目的及び主要な目的は、高温
溶融インクの温度及びインク・レベルを制御し、上述の
タイプの温度センサの使用に関連した上述の欠点の全て
とはいかなくても、その大部分を克服するための上述の
従来技術の方法に対する新規の代替アプローチを提供す
ることにある。

【０００６】本発明の別の目的は、インク・ジェット・
プリンタ用のプリント・カートリッジ内の温度とインク
・レベルの両方に対する高温溶融インク制御の新規で改
良された方法及びシステムを提供することにある。

【０００７】本発明の別の目的は、高温溶融インクの供
給のためのヒータ電力に必要なもの以外には、システム
に、相互接続パッド、キャリッジ・プリント回路基板、
あるいは配線ケーブルを付加しない、前述のタイプの新
規で改良された方法及びシステムを提供することにあ
る。

【０００８】

【概要】本発明の特徴は、プリント・カートリッジと光
検知器の機械的アラインメントの精度が、システムの走
査軸機構の通常の公差によって確保され、走査軸サーボ
位置を使用して、高温溶融温度及びインク・レベルの両
方の測定を可能にし、識別できるようにする、前述のタ
イプの新規で改良された方法及びシステムを提供するこ
とにある。

【０００９】本発明の別の特徴は、温度センサをインク
・カートリッジ本体内に封止し、熱電対、サーミスタ及
び温度感応抵抗器では必要となるような、電気的相互接
続部を介して低電力アナログ信号を通す必要のない、前
述のタイプの新規で改良された方法及びシステムを提供
することにある。このようにすることによって、本シス
テムのコスト及び複雑性は精密な温度測定を行うための
従来のシステムに比べて大幅に低下させることができ
る。

【００１０】本発明の別の特徴は、温度感応性材料の反
射率の観測を使用し、複数のプリント・カートリッジを
用いる走査キャリッジ式カラー・インク・ジェット・プ
リンタにとりわけ適した、インク温度及びインク・レベ
ル調整を遠隔温度測定に基づいて行なう、前述のタイプ
の新しい、改良された方法及びシステムを提供すること
にある。

【００１１】本発明の別の特徴は、ペン本体のハウジン
グ内の液体レベル及び温度の同時検知を行なう、前述の
タイプの新規な改良された方法及びシステムを提供する
ことにある。これは、ペン本体のハウジング内の液相温
度用と液相レベル用の、別々の相変化材料部品の反射率
を同時に検出することによって行われる。これらの反射
光レベルを処理して、加熱素子に印加し、それによって
固体インクの溶融速度を制御し、更にそれによって、液
相の公称のレベルを維持するための信号を得る。

【００１２】本発明の別の特徴は、フレキシブル回路及
び熱インク・ジェット (TIJ) プリントヘッドが取り付
けられる本体のケーシングを設けた、本願明細書で解説
している新規な原理のペン本体構成及びその実現形態を
提供することにある。フレキシブル回路は、インク温度
センサ、インク・レベル・センサ、バー・コード、及び
黒基準センサを具備したセンサ・アセンブリを受け入れ
るように構成されている。これらのセンサは、閉ループ
・フィードバック・システム内において、 TIJペン本体
のハウジング上の１つまたは複数のヒータに電気光学的
に結合され、以下で更に具体的に説明するやり方で、ペ
ン本体のハウジング内のインク温度とインク・レベルの
両方を制御する。この新規な構成では、第１の内部ヒー
タを用いてハウジング内のインク・レベルを制御し、第
２のブロック・ヒータを用いてペン本体のハウジング内
のインク温度を制御する。これらの２つのヒータは、複
数経路閉ループ・フィードバック・システムで組み合わ
さって同時に動作するように接続されている。

【００１３】本発明の一実施例の方法によれば、上述し
た目的は、以下のａないしｄを設けた、インク・ジェッ
ト・プリンタ用の高温溶融インクの温度を安定化する方
法によって達成される： a. 温度の関数として既知の態様で変化する屈折率を有
する選択された材料を高温溶融インクの供給源に隣接し
て設ける、 b. 選択された材料の表面に光を投射し、これによっ
て、高温溶融インクの液相内の温度レベルに比例した輝
度レベルでそこから光を反射させる、 c. 反射光の輝度レベルを検知し、これに応答して温度
制御信号を発生する、 d. プリント・カートリッジ上の高温溶融インク供給源
に隣接して配置されたヒータ素子への温度制御信号を処
理して、これによって、液相の高温溶融インクの温度が
所定の公差範囲内に精密に制御する。

【００１４】本発明の温度制御のシステムの一実施例に
よれば、以下のような組み合わせが提供される： a. 温度の関数として既知の態様で変化する屈折率を有
する選択された材料を高温溶融インクの供給源に隣接し
て位置決めするための手段、 b. 前記選択された材料の表面に光を投射し、これによ
って高温溶融インクの液相内の温度レベルに比例した輝
度レベルで光をそこから反射させるための手段、 c. 前記選択された材料から反射した光に光学的に結合
されて当該反射光の輝度レベルを検知し、前記反射光の
輝度レベルに応答して温度制御信号を発生するための手
段、 d. 前記反射光を検知する手段に結合され、この検出す
る手段と液相の高温溶融インク供給源に隣接して配置さ
れたヒータ素子の間に接続されて、当該ヒータ素子への
制御信号を処理し、その温度レベルが所望の公差範囲内
に維持されるようにするための手段。

【００１５】本発明のインク・レベルと温度の両方の制
御を行なうシステムの一実施例によれば、以下のような
組み合わせが提供される： a. ペン本体のハウジング内に取り付けられた第１及び
第２の相変化部品：前記第１の相変化部品は液相の高温
溶融インクの温度に応答し、前記第２の相変化部品は液
相の高温溶融インクの所望のインク・レベルの通常位置
近くに配置される、 b. 前記第１の相変化部品に光学的に結合されたインク
温度検出手段、 c. 前記第２の相変化部品に光学的に結合されたインク
・レベル検出手段と、 d. 高温溶融インクの液相の温度を上昇させるように配
置された第１のヒータ素子、及び固相インクを要求に応
じて溶融させるように配置された第２のヒータ素子、 e. インク温度検出手段とインク・レベル検出手段とヒ
ータ素子の間に接続されて、ペン本体のハウジング内の
液相温度及び固相の溶融速度を制御する閉ループ制御手
段。

【００１６】ペン本体のハウジング内のインク温度及び
インク・レベルを同時に制御するための本発明の一実施
例の方法によれば、この方法はペン本体のハウジング内
の液体のレベル及び温度を同時に検知するステップを含
む。これは、ペン本体のハウジング内に配置された複数
の互いに独立した相変化部品の反射率を同時に検出し、
更に詳細に後述するやり方で処理される閉ループ検出信
号を発生することによって行われる。

【００１７】本発明に関する上述の簡単な要約、及びそ
れに付随する目的、特徴、及び関連する利点については
添付の図面に関する以下の説明を参照することによって
一層よく理解できるだろう。

【００１８】

【実施例】ここで、図１(A)を参照すると、本発明の実
施に有用な、反射光温度測定に関する基本原理が示され
ている。図１(A)において、センサ１０は吸光キャビテ
ィ１２を持っている。吸光キャビティ１２は一般に、直
径が２〜４mm、深さが０．４〜０．５mmであり、屈折率
が温度の関数として変化する固体結晶材料１４が充填さ
れている。温度がその溶融点未満のときには固体結晶材
料１４は不透明であり入射光を反射するが、溶融点以上
になると固体結晶材料１４は透明な液体になって光を吸
収する。吸光キャビティ１２は、一方の側がウインドウ
１６によって密封され、入射光源１８によって照射され
る。低温の場合、ウインドウ１６は明るい色にみえる
が、インク送り出し温度あるいはそれよりももっと高温
になると（典型的にはインクの溶融点よりも２０゜Ｃだ
け高温）ウインドウ１６は黒に見える。

【００１９】本用途に用いるのに適するように、相変化
を起こす固体結晶材料１４は以下のような特性を持って
いるべきである： (a) 明確な溶融点、及び (b) その溶
融点と同じ凝固点。固体結晶材料１４は更に以下のよう
な特性も持っているべきである： (c) 急速な相変化、
特に再結晶化、 (d) 制御を受けている高温溶融インク
に比べて高い熱伝導率と低い溶融熱。固体結晶材料１４
は次のような特性も有することが望ましい： (e) 高度
に不透明かつ結晶性であり、高い反射率を有すること、
(f) 凍結凍解サイクルを何回繰り返しても、また高温
溶融動作温度に継続してさらされても安定しているこ
と。固体結晶材料１４はまた以下のような特性も有する
ことが望ましい： (g) 蒸気圧が低い、 (h) 溶融時の体
積変化が少ない。 (a) 〜 (d) として挙げた特性はヒス
テリシスを減少させ、応答時間を改善するが、一方特性
(e) は良好な光検出のための高いコントラスト比をも
たらす。特性 (f) は信頼性にとって必要になり、一方
特性 (g) 〜 (h) はキャビティ１２内の応力を最小限に
する。

【００２０】１００゜Ｃ近くにおける温度安定化を実証
するため、実際に作られた装置１０でいくつかの固体を
使用した。これらの固体のうちの２つは当該技術におい
て Ketjenflex 及び Kenamide-S として知られている。
実際のセンサの設計においては、先ずインクの組成及び
液体状態のインクの所望の物理的特性、すなわち粘性及
び表面張力に基づいて、送り出し温度を求めなければな
らない。次に、温度による物理的特性の許容可能な変化
によって温度調整公差が求められる。最後に、インク送
り出し温度で相変化を生じ、上述の判定基準を満たす固
体結晶材料１４を用いなければならない。固体結晶相変
化材料と同じ機能を果たす液晶材料を開発することは可
能である。しかし、これらの有機化合物は高温溶融イン
ク・ジェット・プリンタの一般的な動作温度において必
要な安定性を持つことができないかもしれないという懸
念がある。

【００２１】次に図１(B)を参照すると、この平面図
は、吸光キャビティ１２内の材料１４が、液体が溶融点
温度Ｔdより低い温度Ｔで不透明であることを示してい
る。

【００２２】図２(A)及び図２(B)は構造的に夫々図１
(A)及び図１(B)に相当し、キャビティ１２内の材料１４
が、液体が溶融点温度Ｔd以上の温度Ｔで透明であるこ
とを示している。

【００２３】次に、図３を参照すると、ここにはインク
・ジェット・プリンタ用高温溶融インク・タイプのカー
トリッジ中の温度制御の要素を示した走査キャリッジ２
０の概略図が示されている。走査キャリッジ２０にはセ
ンサ１０が取り付けられており、その所定位置に相変化
材料１４及びウインドウ１６が配置されている。このセ
ンサ１０は図１(A)及び図２(A)で既に述べた構成要素に
相当する。センサ１０にはセンサ１０の下側表面２４に
取り付けられたヒータ素子２２が設けられており、ケー
ブル２６によってヒータ電源２８に接続されている。

【００２４】照射源３０が図示の角度で配置されてい
る。照射源３０は、例えば、図示しているように、光ビ
ーム１８をウインドウ１６を通して相変化材料１４に焦
点を結ばせるようににする収束投射レンズ３２と共に用
いられる発光ダイオード（ＬＥＤ）としてもよい。この
光は垂直ではない入射角で与えられるので、直接反射
（正反射）されて光検知器３８に入るのではなく、相変
化材料１４によって拡散反射される。相変化材料１４か
らの反射光線を受けてこの光線３６の焦点を適切な光検
知器３８に合わせるため、図示のように、別の収束投射
レンズ３４が配置されている。

【００２５】光検知器３８は相変化材料１４から反射す
る反射光線３６の照射強度の関数として大きさの変化す
る出力検出信号を発生する働きをする。インク及び相変
化材料の温度が低下するほど、不透明な相変化材料１４
から光検知器３８に反射する光が増大する。逆に、イン
ク温度が所望のインク温度の零点(ink temperature nul
l point)あるいはその少し上まで上昇すると、相変化材
料１４が透明になってＬＥＤ３０からの全ての光を吸収
するので、相変化材料からの反射光３６はほぼゼロまで
減少する。

【００２６】光検知器３８の出力信号は光検知器３８の
微小出力信号を増幅する働きをする適切な増幅電子回路
に印加されてから後段の信号処理ステージ４２に印加さ
れる。この信号処理ステージ４２は、従来の閉ループ・
サーボ機構技術を使って、出力ライン４４を介してヒー
タ電源２８に接続される。

【００２７】投射収束レンズ３２はＬＥＤ光源３０から
の光ビーム１８をキャビティのウインドウ１６に収束さ
せるが、ここでウインドウ１６の表面から光検知器３８
への直接反射は入射角によって最小限になる。反射光を
受ける側の投射収束レンズ３４はウインドウ１６の像を
光検知器３８の上に結像する。７００〜９００nmの波長
の照射がこの用途には好ましい。そのわけは、多くのプ
ラスチックやエポキシの封入材料がこの範囲の波長を透
過するからである。こらラの材料はこの波長範囲で動作
する低価格で高効率の発光ダイオード、及び感度の高い
光検知器の生産にしばしば使用される。

【００２８】結像される物体と光検知器３８の間には物
理的接触がないので、単一の照射源３０及び単一の光検
知器３８によって、複数センサ・キャビティ、並びに黒
レベル基準４６を使用した較正ターゲットを走査するこ
とができる。図３には、温度検知キャビティ及びターゲ
ットを、インク・ジェット・プリンタをシミュレートす
る走査プリントヘッド・キャリッジ２０上にに取り付け
ることによって、固定された照射光源３０と光検知器３
８による各キャビティ及びターゲットの結像がどのよう
にして可能になるかを示している。センサ１０から見た
物体は走査軸サーボ位置から常に明らかであり、キャリ
ッジ位置によって測定を付勢することができる。３０cm
／sec程度の一般的なキャリッジ速度で、上述の寸法の
キャビティ・ウインドウの場合、光検知器３８は各ウイ
ンドウ１６を約１０msecで走査することができる。

【００２９】光検知器３８の視野はウインドウ１６より
も小さくして、これによって、結像キャビティの縁を排
除し、他方では、中間調レベル分解能が充分にある状態
で安定した測定値を得るのに充分な長さだけ、温度感応
性の材料１４の視域が見えるようにするのが望ましい。
走査キャリッジ２０はまた各プリント・カートリッジ上
に配置してもよいバー・コード（図８）を光学的に検出
できるようにする。これらのバー・コードを使用して、
プリントヘッドの動作エネルギー、インク・カラー、及
びプリンタ・コントローラ（図示せず）によって用いら
れる他のパラメータに関する情報をコード化することが
できる。

【００３０】本発明の自己較正機構に関して説明すれ
ば、照射、反射率、及び光検知器の感度が変化すると、
絶対反射率に基づく信頼性の高い測定のためにはセンサ
・キャビティ１２の黒状態と白状態の間のコントラスト
が高いことが必要になる。相変化検出の信頼性は、キャ
ビティの反射率を、図３に示すキャビティの通常の黒の
値に等しい反射率を有する較正サンプルである黒レベル
基準４６と比較することによって、大幅に向上させるこ
とが可能である。一方、図３の位置８４に示すように、
黒の基準の代わりに白の基準を使用してもよい。

【００３１】本発明によれば、自己較正システムを使用
し、相対的反射率測定やデジタル・コンパレータ（図示
せず）に基づいてもよい。この場合、光検知器３８は黒
の標準及びセンサ・ウインドウを順に結像させ、電圧制
御発振器（図示せず）を使用して、光検知器３８の出力
電流を図３のセンサ１０から受け取った反射光の強度に
比例した周波数を有するパルス列に変換することができ
る。デジタル・プロセッサ（図示せず）を使用して、各
観測によるカウント／サンプル時間を記憶し、１つまた
は複数のセンサ１０からのカウントと黒ターゲット４６
からのカウントを比較して、そのカウントが黒測定に関
する指定範囲内に収まっている場合にはセンサ１０が黒
であるとみなすこともできる。

【００３２】一般的な走査キャリッジ・プリンタの場
合、走査軸往復時間は約１〜２secである。この時間
は、光検知器３８が走査毎に１回ずつキャリッジ２０を
通過する場合、インク温度及びインク・レベル・サーボ
に関するサンプル時間である。この構成を使用すること
によって、各プリント・カートリッジ毎に較正ターゲッ
ト８６及びセンサ・ウインドウ１６の読み取りが順番に
行われ、ヒータ素子２２が、このキャリッジの往復につ
いて必要に応じてオンになったりオフになったりする。
このプロセスは次回の走査において繰り返される。

【００３３】再び図３を参照すると、インク送り出し温
度を制御するヒータ素子２２はまたプリントヘッドによ
るプリントに備えてインクを室温から急速に加熱しなけ
ればならない。高温溶融インク・ジェット・プリンタの
ウォーム・アップ・サイクルは、デスク・トップ・レー
ザ・プリンタに匹敵する４０sec以下でなければならな
い。例えば、高温溶融インクのウォーム・アップのた
め、４０秒間で１００゜Ｃの昇温が必要な場合、この電
力レベルで２秒間にわたってヒータ素子２２を動作させ
ると、インクの温度は５゜Ｃだけ上昇する。この加熱率
を使用した単純なオン／オフによるサンプル時間コント
ローラ（図示せず）は、調整目標値に関する不安定性を
増大させる。従って、明らかに、ヒータ素子２２は２つ
の電力レベル、すなわち、（１）急速なウォーム・アッ
プのための大電力レベルと、（２）温度調整のための低
電力レベルで動作しなければならない。定電源電圧を２
通りの電力を与えるパワー・サーボ・ループで使用し
て、例えば１０％〜５０％といった、サンプル時間の一
部分の時間が経過してからヒータ素子２２をオフにする
ことができ、また例えば１０％〜５０％といったデュー
ティ・サイクルでヒータ電圧をパルス幅変調することが
できる。

【００３４】インク・レベル検出の機能に関して説明す
れば、インク・レベルは、液体インクに接触したキャビ
ティを使用してインク温度を測定するのと同じ手段によ
って測定できる。キャビティ１２はインク・レベルがキ
ャビティ１２の背面と接触するのに充分な高さである場
合に限って加熱される。この場合、高温インクによって
キャビティの状態が黒に変化する。インク・レベルが低
ければ、キャビティ１２は低温であり、白く見える。従
って、センサ１０の状態を使用して、要求に応じてイン
クを溶融する手段を制御して、液体インク・リザーバを
再生する。インクは液体であって、かつインク温度セン
サ１０に影響を与えるのに充分な高温でなければならな
いので、インク・レベル・センサの出力はインク温度と
連係して解釈しなければならない。ここで、２つのセン
サ間の相互作用を最小限に抑えるため、インク・レベル
・センサにはインク温度センサ１０よりも数度低い切換
点を有する材料を用いることが必要になるかもしれな
い。

【００３５】図４を参照すると、この図にはインク・レ
ベルと温度の両方の制御のための簡略化した機能レベル
・ブロック図が示されている。このプロセスにおいて、
本発明の第２の実施例によるインク温度とインク・レベ
ルの両方の制御に関するこのプロセス制御システム及び
方法において、参照番号４８はペン本体のハウジング全
体を示している。このハウジング４８は、固体インクが
充填された上側コンパートメント５０、及び仕切り壁５
６中の通路５４を介して液体インクを受け取る下側コン
パートメント５２を持つタイプである。この仕切壁５６
は上側コンパートメント５０と下側コンパートメント５
２を分離している。理解しておくべきは、図４の機能ブ
ロック図は、ペン本体のハウジングを製造すべき正確な
方法の機械的及び構造的概念を制限することなく、本発
明の一般的な概念を明らかにすることを意図したもので
あるという点である。ただし、ペン本体の構造の現在の
所の最良の態様では、本発明の譲受人に譲渡された、１
９９２年５月２０日に米国出願された "Monolithic The
rmal Ink Jet Printhead For Phase Change Ink And Me
thod of Operation" と題する、発明者が Ross R. Alle
n の出願に開示され特許請求されているペン本体の設計
が部分的に使用される。

【００３６】薄膜プリントヘッドは全体が５８で表示さ
れているが、下側インク・コンパートメント５２の液体
インクは最新のインク送り技法を使用し、カラー・イン
クと黒インクの両方の用途を有する薄膜プリントヘッド
５８に送り込むことができる。カラー・インク・アプリ
ケーションの場合には、例えば複数の加熱抵抗器−オリ
フィス板構成（図示せず）にシアン、黄、マゼンタ、及
び黒の適切なカラー・インクを導くため、液体インク・
コンパートメント５２内に複数のインク送りコンパート
メント及び経路（図示せず）が設けられるのは明らかで
あるが、これは当業者にとって周知のところである。

【００３７】図４に示す本発明を使用した典型的な閉ル
ープ・プロセス制御システムでは、ペン本体のハウジン
グ４８に取り付けられているかあるいはその内部に設け
られているところの、選択された相変化材料の第１のセ
ンサである温度センサ６０と、ペン本体のハウジング４
８またはその内部に取り付けられた同じかまたは異なる
相変化材料の第２のセンサである液体レベル・センサ６
２が設けられている。これら相変化センサ６０及び６２
の下側表面は、ペン本体のハウジング４８内の固体／液
体界面をおおむね形成する、同じ水平面に配置される。
インク温度センサ６０は、好ましくは、コンパートメン
ト５２内の液体インクと常に熱的に接触しているよう
に、ヒート・シンク部材（図示せず）に取り付けられ
る。

【００３８】一方、インク・レベル・センサ６２は、コ
ンパートメント５２内のインク・レベルがその所望の垂
直方向の高さに達した場合に限って、その背面が下側コ
ンパートメント５２内の液体に接触する。コンパートメ
ント内のインクの液体レベルがインク・レベル・センサ
６２のレベルよりも下がると、この動作によってインク
・レベル・センサ６２が冷却されて不透明になる。この
結果、反射率が高くなってインク・レベル用光検知８０
に送り込まれる光が増大し、閉ループ・インク・レベル
制御信号がライン８２を介してプロセス制御論理ステー
ジ７４に伝達される。すると、プロセス制御論理ステー
ジ７４がフィードバック・ライン７６上に出力誤差ゼロ
制御信号を発生する。この信号が内部ペン本体ヒータ素
子７８に印加され、ヒータ素子７８がペン本体のハウジ
ング４８の上部コンパートメント５０内の温度を上昇さ
せるようにする。この動作によって、今度は、通路５４
を通って下側コンパートメント５２に送り込まれる液体
インクの流量が増大し、これにより、下側コンパートメ
ント５２内のインク・レベルが上昇する。この動作によ
って、下側コンパートメント５２内のインク・レベルが
インク・レベル・センサ６２の背面に接触する。これに
よって、センサの反射率が低下して光検知器８０に送り
込まれる信号レベルが低下する。

【００３９】温度センサ６０は下側コンパートメント５
２内の液体インクと常に接触しているヒート・シンクに
取り付けられているので、温度センサ６０はコンパート
メント５２内の液体インクの温度変化に応答して継続的
に動作し、図３に関連して既に述べたように、可変反射
率光信号を発生して温度用光検知器７０に送り込む。図
４の温度用光検知器７０は図３で既に述べた光検知器に
相当し、温度用光検知器７０の出力はライン７２を通し
て第２の入力としてプロセス制御論理ステージ７４に接
続される。すると、プロセス制御論理ステージ７４はイ
ンク温度誤差信号をライン７７上に発生し、この信号は
ペン本体のハウジング４８の底壁近くに配置された温度
制御用ヒータ素子７９に印加される。部材７０、７２、
７４、７７、及び７９を含むこの後者のフィードバック
・ループは、インク・レベル・フィードバック制御ルー
プ８０、８２、７４、７６、及び７８が動作して、ペン
本体のハウジング内のインクのレベルが少なくともイン
ク温度センサと同じ高さになるように保証した後で、ペ
ン本体のハウジング４８内のインクを精密に制御する働
きを持つ。従って、機能的には、図４のヒータ素子７８
及び７９は、夫々更に詳細に後述する図５(A)の内部ヒ
ータ９２及びヒータ・ブロック１００に対応する。

【００４０】従って、図４に示すシステムを使用する場
合、インク・レベルは、液体インクと接触したキャビテ
ィを使用してインク温度と同じ手段で測定される。液体
レベル・センサ６２のためのこのキャビティ（図４には
示されていない）は、インク・レベルがキャビティ背面
を濡らすのに充分な高さの場合に限って加熱される。こ
の場合、高温インクはキャビティ状態を「黒」に変化さ
せる。インク・レベルが低い場合、キャビティは冷却さ
れて「白」になる。この実施例のセンサ６２の状態を使
用して要求に応じてインクを溶融する手段を制御し、仕
切り壁５６中の通路を介してインク・リザーバである下
側コンパートメント５２に再充填する。インクは液体で
あって、かつインク温度センサ１０に影響するのに充分
な高温でなければならないので、図４のインク・レベル
・センサはインク温度と連係して判断しなければならな
い。更に、センサ６０とセンサ６２間の望ましくない相
互作用を最小限に抑えるため、液体レベル・センサ６２
にはインク温度センサよりも数度低い切換ポイントを有
する材料を用いることが必要になる可能性がある。

【００４１】次に図５(A)及び図５(B)を参照すると、こ
れらの図には、図４が概略的な図面であり、図５(A)及
び図５(B)の方は詳細な図面であると言う性質上の相違
から、図４に示す参照番号に対応する参照番号はない。
すなわち、図５(A)には、全体が４８で表示されたペン
本体のハウジング以外に、主要部品として、外側シェル
つまりケーシング８４が含まれている。図５(A)の他の
主要部品にはフレキシブル回路８６、接着シーラ８８、
及びセンサ・アセンブリ９０が含まれている。インク・
コンテナ・ケーシング８４は上述の米国特許出願の開示
に従って構成してもよく、図示のように、ケーシング８
４の背壁９４に取り付けられた内部ヒータ素子９２を含
んでいる。

【００４２】図示のように、ケーシング８４の下側壁９
８とヒータ・ブロック１００の間には適切な絶縁材９６
が配置されている。ヒータ・ブロック１００には、イン
ク・コンテナ・ケーシング８４から既知の構造の熱イン
ク・ジェット・プリントヘッドにインクを送る、インク
供給経路１０２が設けられている。

【００４３】全体にＬ字形構造のフレキシブル回路８６
はその水平表面１０６に熱インク・ジェット・プリント
ヘッド１０４が取り付けられており、フレキシブル回路
の相互接続パターン１０８は、外部発生源からの駆動信
号を熱インク・ジェット・プリントヘッド１０４に供給
するように、既知のやり方で形成されている。フレキシ
ブル回路８６の前部表面１１０には夫々、既に述べたよ
うに、液体／固体界面に、及びインク・コンテナ・ケー
シング８４内またはこれに隣接して配置された、インク
・レベル・センサ（１２４及び６２）及び温度センサ
（１２２及び６０）とアラインメントが取られた一対の
円筒形ウインドウ１１２及び１１４が含まれている。こ
れらのウインドウ１１２及び１１４は更に、センサ・ア
センブリ９０をフレキシブル回路８６の前部壁１１０に
対して封止する働きをする接着シーラ８８中の対応する
ウインドウ１１６及び１１８とアラインメントが取られ
る。

【００４４】センサ・アセンブリ９０には、基準黒ター
ゲット部材１２０、温度センサ１２２、及びインク・レ
ベル・センサ１２４が含まれている。従って、温度セン
サ１２２及びレベル・センサ１２４は、夫々接着シーラ
８８のウインドウ１１８、１１６及びフレキシブル回路
８６のウインドウ１１４、１１２とアラインメントが取
られる。センサ・アセンブリ９０には更に、センサ・ア
センブリの左手側に配置されたバー・コード１２６が含
まれており、このバー・コード１２６は熱インク・ジェ
ット・ペンの各種パラメータを識別する働きをする。

【００４５】動作について説明すれば、温度センサ１２
２及びレベル・センサ１２４は夫々、図４に関して既に
述べた機能的に同等である温度センサ６０及びレベル・
センサ６２に対応する。インク供給経路１０２のインク
・レベルが低くなりすぎると、レベル・センサ１２４が
冷却されて不透明になり、この結果内部ヒータ素子９２
に印加されるフィードバック信号のレベルが上昇する。
内部ヒータ素子９２（図４のレベル検出用のヒータ素子
７８に対応する）によって加熱レベルが高まると、イン
ク供給経路１０２内のインク・レベルが、夫々、インク
・レベル・センサ１２４及びインク温度センサ１２２の
両方のレベルまで上昇する。ここで、インク温度センサ
１２２は、図４の機能上は温度制御を行なうヒータ７９
に対応するヒータ・ブロック１００に制御信号を印加す
ることによって、ペン本体のハウジング内のインク温度
を精密に制御することができる。

【００４６】図５(A)及び図５(B)に示すペン構造は、矩
形の断面形状を持ち、最新式の熱インク・ジェット・キ
ャリッジに簡単にはめ込むことができるユニークでコン
パクトなハウジングを表している。当該技術分野では、
本願出願人であるヒューレット・パッカード社が出願し
た多くの特許を含めて、フレキシブル回路及び薄膜抵抗
器タイプのプリントヘッド１０４の一般的構造に対する
数多くの参考文献がある。従って、本願明細書ではこれ
らの構造的な詳細についてこれ以上の解説は行わないも
のとする。

【００４７】ここで図６(A)、図６(B)及び図６(C)を順
次参照すると、これらの図は、図３の光検知器３８の出
力に現れる、結晶を充填したキャビティ１２の光電流の
温度についての関数を、垂直軸を任意の単位で表わし横
軸に温度を取って表わした３つのプロットである。図６
(A)には、結晶材料 Kenamide-S を充填したキャビティ
１２２の加熱及び冷却が緩やかに行われた際の、光検知
器３８の出力における光電流の温度についての関数とし
ての典型的な応答が示されている。図６(A)の光電流
が、室温と高温溶融インクの溶融点の間で単調な関数で
あるという点に特に注意されたい。この現象によって、
高溶融インク・プリンタのウォーム・アップ・ヒータ
が、インク送り出し温度に達する前に、インクが加熱さ
れていることを確認できるようにするメカニズムが得ら
れる。また、この特徴によって、プリンタがこのプロセ
スの進行をモニタし、その適正な動作を確認するための
手段が得られる。

【００４８】次に、図６(B)を参照すると、 Kenamide-
S はそれが溶融する温度より低い温度で凝固するので、
図６(B)の光電流のヒステリシスはその溶融点の回りで
起こっているという点に注意されたい。この事実によっ
てこのシステムの安定化角度が制限される。その理由
は、温度は光検知器３８からの光電流についての複数の
値をとる関数であるからである。

【００４９】図６(B)及び図６(A)を比較すると分かるよ
うに、このヒステリシスの特性は速度に影響され易く、
図６(C)に示すように、加熱及び冷却の速度が上昇する
につれて、応答の劣化が生じる。

【００５０】次に、図７(A)〜図７(D)を参照すると、単
一パッケージ内温度測定用キャビティ、インク・レベル
測定用キャビティ及び黒基準マークを組み込むセンサ設
計が示されている。これらのキャビティは、捕獲された
気泡を光検知器３８によって結像されるウインドウの部
分から分離するため、オブラウンド（obround、両端が
半球状の円筒形）にすることができる。この気泡によっ
て、カプセル材料にあまり応力を生じさせないようにし
て、相変化に応じて光の反射材料の体積を変化させるの
に必要な、体積コンプライアンスが得られる。これらの
材料は一般に、溶融時には約１０〜１５％膨張するが、
使用中にはこの気泡はチャンバの上部に浮揚する。平坦
な底のキャビティを使用して、最良の結果が観測され
た。気泡トラップがもっと浅ければ、キャビティの下側
領域で形成される気泡は深・浅推移部で捕獲される。も
っと深い気泡トラップは完全に解ける (thaw) ことがで
きず、これもチャンバの上部より下で気泡を捕獲する。

【００５１】図７(A)〜図７(D)に示すオブラウンドなキ
ャビティ１３０及び１３２は厚さが約０．４〜１．０mm
の金属板１３４に形成される。金属板１３４を陽極処理
または化学処理して黒の表面仕上げを行うのが望まし
く、金属板のスロット１３６及び１３８は各キャビティ
を断熱し、封入材料の接着性を向上させる働きをする。
ブレーク・オフや支持タブ１４０、１４２、１４４、及
び１４６のような金属板の形状は、圧印及び押し抜きで
安価に作成することができ、メッキ厚に影響する寸法は
センサの性能にはあまり影響を与えないので、金属板１
３４は経済的に電鋳で作成することができる。

【００５２】図７(A)に示すオブラウンドなキャビティ
１３０及び１３２は、図７(B)に示すように、相変化材
料１４８及び１５０が充填され、図７(C)に示すように
赤外線透過材料１５２によって封入される。図７(C)で
は図７(B)の基板１３４が反転されて、熱感応性の材料
１４８及び１５０を充填したオブラウンドなキャビティ
１３０、１３２は、下に向けて、赤外線透過材料１５２
の封入層の上部表面に押しつけられる。封入に当たって
キャビティ１３０及び１３２に気泡を捕獲することが重
要であるが、望むのならば、膨張できるようにするた
め、キャビティ１３０及び１３２に通気孔を設けること
もできる。ただし、後者の設計は望ましい実施例ではな
い。それは、キャビティ材料が液体である間に装置の向
きを変えると、キャビティ材料が失われるかもしれない
からである。

【００５３】金属キャビティ１３０及び１３２の背面１
５４は、測定対象のプロセスとの熱的接触を良好にする
ため、封入材料から顔を出している。これを図７(D)に
示す。

【００５４】図７(A)〜図７(D)に示すセンサは、プリン
ト・カートリッジ本体の液相リザーバ内にあるインクに
熱を伝導するヒート・スプレッダ（図示せず）に接触し
て配置されている。スプレッダに流入する熱はインク温
度安定器によって制御され、インク・レベル・センサの
背面には液体インクを充填したギャップが設けられてい
る。前述したように、このギャップ内のインクの液面が
低くなると、インク・レベル・センサが不透明になり、
更に多くの固相インクを溶融させるためのペン本体のハ
ウジング内の内部ヒータへのフィードバック信号の増大
を要求する。

【００５５】次に、図８を参照すると、この図には、イ
ンク温度及びインク・レベルを遠隔的に検知するために
本発明の方法及びシステムを用いた、高温溶融熱インク
・ジェット・プリント・カートリッジ１５６に関する設
計が示されている。図８の参照番号は図５(A)中で同様
な部品を示す参照番号に対応している。センサ・キャビ
ティ及び黒基準はカートリッジ１５６本体及びフレキシ
ブル回路テープ８６の穴を通して見る。図８のウインド
ウ１２０、１２２、及び１２４は分かりやすくするため
誇張されているが、これらのウインドウの実際の直径
は、導電体との干渉を最小限にとどめるため、約２〜４
mmである。

【００５６】図８に示すように、図４の光検知器３８に
よって読み取り可能なバー・コード１２６がプリント・
カートリッジ１５６に設けられている。バー・コード１
２６は、例えばプリントヘッドの駆動エネルギー、イン
クのカラー、あるいはプリント・カートリッジ１５６に
関する他の動作パラメータについての情報を含むことが
できる。センサとバー・コードは違う面に乗っているの
で、フレキシブル回路面上の光検知器の視界によって、
バー・コードの線と間隔に空間周波数の制限が加えられ
る。

【００５７】従って、遠隔温度測定を使用して、相変化
インク・ジェット・プリンタの温度及びインク・レベル
を安定化することを含めて、本発明のかなりの数にのぼ
る新規の特徴について説明を行ってきた。絶対温度基準
（材料の相変化）を使用した自己較正温度検知方式が提
示されたが、反射光温度センサは相変化温度インジケー
タとして現在のところ使用されていない材料を用いてい
る。インク温度制御サーボとインク・レベル制御サーボ
の両方のために、マルチパス光検知器及び信号処理回路
が設けられており、また複数のプリント・カートリッジ
を有するプリンタのインク温度制御サーボとインク・レ
ベル制御サーボのために、夫々単一の光検知器及び単一
の処理回路が設けられている。この遠隔熱測定では、中
間調レベル情報を使用して、動作温度に達する以前には
プリント・カートリッジがウォーミング・アップ中であ
ることを判定することができる。更に、遠隔温度測定制
御に用いられるのと同じセンサで、プリントヘッド駆動
エネルギーを制御するためのバー・コードを検出するこ
とができる。

【００５８】上述の新規の特徴に加えて、本発明は絶対
温度基準及び自己較正手段を提供する。単一光源及び単
一光検知器で複数のプリント・カートリッジを取り扱う
ことが可能であり、この方法ではヒータの電力に必要な
製品以外の製品には、相互接続パッド、キャリッジのプ
リント・カートリッジ基板回路、あるいは引き出しケー
ブルを追加しない。プリント・カートリッジと光検知器
の機械的アラインメントの精度はシステムの走査軸機構
内の通常の公差によって確保され、走査軸サーボ位置を
使用して、測定を付勢し、またどの測定を行っているか
の識別を行なうことができる。熱電対、サーミスタ、及
び温度感応性の抵抗器が必要とする低電力のアナログ信
号が電気的相互接続を通らないように、温度センサをカ
ートリッジ内に密封することができる。更に、システム
のコスト及び複雑さは従来の手段が精密な温度測定に必
要とするよりも大幅に低下する。

【００５９】本発明の精神及び範囲を逸脱することな
く、上述の実施例にさまざまな修正を施すことが可能で
ある。これらには例えば、上述の相変化材料に取って代
わる液晶材料の使用、及び図７(D)の金属ベース板に取
って代わるフレキシブル支持材料の使用がある。従っ
て、以上の及びその他の設計、システム、方法、及び装
置の修正は本願特許請求の範囲内にあるものと理解しな
ければならない。

【００６０】

【効果】以上詳細に説明したように、本発明によれば、
高温溶解インクの温度制御や液面制御を高精度かつ簡単
な構成で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における温度検知の原理を説明する図。

【図２】本発明における温度検知の原理を説明する図。

【図３】本発明の第１の実施例を表す機能的な概略ブロ
ック図。

【図４】本発明の第２の実施例を示す機能的な概略ブロ
ック図。

【図５】図４中のペン本体の分解図及び断面図。

【図６】図３中のキャビティの状態を検出する光検知器
の出力電流と温度との関係をプロットした図。

【図７】図３及び図４中で使用されるセンサの構造を示
す図。

【図８】本発明の一実施例の高温溶融インク・プリント
・カートリッジの外観を示す図。

【符号の説明】

１０：センサ１２：吸光キャビティ１４：固体結晶材料１６：ウインドウ１８：光ビーム２０：走査キャリッジ２２：ヒータ素子２４：下側表面２６：ケーブル２８：ヒータ電源３０：照射源３２、３４：収束投射レンズ３６：反射光線３８：光検知器４０：増幅器４２：信号処理ステージ４４：出力ライン４６：黒レベル基準５０：上側コンパートメント５２：下側コンパートメント５６：仕切壁５８：薄膜プリントヘッド６０：温度センサ６２：液体レベル・センサ７０：温度用光検知器７４：プロセス制御論理ステージ７８：レベル検出用ヒータ素子７９：温度制御用ヒータ素子８０：インク・レベル用光検知器８４：ケーシング８６：フレキシブル回路８６：較正ターゲット８８：接着シーラ９０：センサ・アセンブリ９２：内部ヒータ素子９４：背壁９６：絶縁材９８：下側壁１００：ヒータ・ブロック１０２：インク供給経路１０４：熱インク・ジェット・プリントヘッド１０６：水平表面１０８：相互接続パターン１１０：前部表面１１２、１１４：円筒形ウインドウ１２０：基準黒ターゲット部材１２２：温度センサ１２４：インク・レベル・センサ１２６：バー・コード１３０，１３２：キャビティ１３４：金属版１３６、１３８：スロット１４８、１５０：相変化材料１５２：赤外線透過材料１５４：背面１５６：高温溶融熱インク・ジェット・プリント・カー
トリッジ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０１Ｎ 21/17 Ｚ 7370−2Ｊ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】以下のステップ(a)ないし(d)を設け、熱イ
ンク・ジェット・プリンタのための高温溶融インクの温
度を安定化する方法： (a)反射率が温度の関数として既知の態様で変化する選
択された材料を高温溶融インクの供給源に隣接して設け
る； (b)前記選択された材料の表面上に光を投影し、これに
よってそこから光を前記高温溶融インク内の温度レベル
に応じた強度レベルで反射させる； (c)前記反射された光の強度のレベルを検知して、それ
に応答して温度制御信号を生成する； (d)前記高温溶融インクのための加熱素子への前記温度
制御信号を処理して、その温度を安定化させる。
【請求項２】以下の(a)及び(b)を設け、ペン本体ハウジ
ング内の固体インクが溶融した液体のレベルと温度を同
時に検知する方法： (a)前記ペン本体ハウジング内あるいはそれに隣接して
設けられた別々の相変化材料部品の反射率を同時に検出
する； (b)前記別々の検出によって前記別々の部品から前記ペ
ン本体に隣接して位置する１つまたは複数のヒータへ向
かう別々の検出信号を処理して、前記固体インクの溶融
速度を制御する。
【請求項３】以下の(a)ないし(e)を設け、ペン本体ハウ
ジング内の液体／固体境界の液体インクの温度とレベル
を同時に制御するシステム： (a)前記液体／固体境界に隣接した前記ペン本体ハウジ
ング内部あるいはそれの隣接位置にマウントされた第１
及び第２の相変化センサ部品； (b)前記第１の相変化部品に光学的に結合されたインク
温度検知手段； (c)前記第２の相変化部品に光学的に結合されたインク
・レベル検知手段； (d)前記ペン本体ハウジング及びその中の固体インクに
隣接してマウントされた１つまたは複数のヒータ素子； (e)前記温度検知手段と前記インクレベル検知手段の出
力と前記１つまたは複数のヒータ素子の間に結合され、
前記第１及び第２の相変化部品の反射率の変化に応答し
て前記ヒータ素子に閉ループ制御信号を供給する閉ルー
プ制御手段。
【請求項４】以下の(a)ないし(c)を設けた、高温溶融イ
ンクを分与するのに有用なインク・ジェット・ペン： (a)インク含有ケーシング； (b)前記インク含有ケーシングの底壁に置かれ、前記底
壁をヒータ・ブロックから分離する絶縁部材； (c)前記インク含有ケーシングに取り付けられ、前記イ
ンク含有ケーシング内のインクから受信した光学的信号
に応答して動作し、これにより前記ケーシング内のイン
クのレベルと温度を制御するインク温度センサとインク
・レベル・センサを有するセンサ・アセンブリ手段。