JPH071732A - プリントヘッド - Google Patents

プリントヘッド

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JPH071732A
JPH071732A JP4130090A JP13009092A JPH071732A JP H071732 A JPH071732 A JP H071732A JP 4130090 A JP4130090 A JP 4130090A JP 13009092 A JP13009092 A JP 13009092A JP H071732 A JPH071732 A JP H071732A
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JP
Japan
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ink
thin film
printhead
propelling
forming
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Application number
JP4130090A
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English (en)
Inventor
Robert J Miller
ロバード・ジェイ・ミラー
William R Knight
ウイリアム・アール・ナイト
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HP Inc
Original Assignee
Hewlett Packard Co
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14008—Structure of acoustic ink jet print heads
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2002/14322—Print head without nozzle

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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】オリフィス板の無いインクジェット・プリント
ヘッドを提供すること。 【構成】渦アクティエータをもつ基板と、基板に接近配
置されて、該アクティエータの表面上に所定厚のインク
薄膜を提供するインク供給手段をもつ。基板の表面上に
は渦アクティエータに対向する開口をもつカバーが与え
られる。アクティエータが付勢されると、インク中にマ
イクロジェットが発生し、せん断力が発生し、渦巻リン
グが発生する。渦巻リングはインクの自由表面に推進
し、その中心部の高速インクが印刷媒体に発射される。
本発明によればインク噴射の方向性が高まり、印字品質
が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般にインクジェット
・プリンタ用プリントヘッドに関し、更に詳細にはイン
クジェット・オリフィス板を備えていない熱インクジェ
ット（ＴＩＪ）・プリントヘッドに関する。
【０００２】
【従来技術とその問題点】多年、インクジェット・プリ
ンタなどのプリントヘッドを作るのに開発されてきたイ
ンクジェット技術は、特に、隣接する印刷媒体上へのイ
ンク滴のパターンおよびインクの軌跡を制御する出力イ
ンク放出オリフィス板またはノズル板を形成することを
目的としていた。当業者には周知のとおり、これらオリ
フィス板の技術にはシリコンオリフィス板、ガラスオリ
フィス板、プラスチックオリフィス板、および金属オリ
フィス板を作製する技術があり、これら四つに分類した
各形式のオリフィス板は多数の異なる種類の材料から構
成されている。加えて、これら金属（たとえば、ニッケ
ル）オリフィス板の部類には、薄膜プリントヘッド基板
に取付ける形状寸法の小さい精密な構造のオリフィス板
を作るためのマンドレルの製作を含む電鋳や電気めっき
の工程がある。
【０００３】ニッケルオリフィス板を使用している非常
に好結果を示す形式の熱インクジェット・プリントヘッ
ドの一つの例は、長年カリフォルニヤ州パロアルトのヒ
ューレット・パッカード社が大量に販売しているＴｈｉ
ｎｋＪｅｔ使い捨て熱インクジェットペンの組込み部品
であるＳｔ．Ｈｅｌｅｎｓプリントヘッドである。この
プリントヘッドは、二酸化珪素、タンタルアルミニウ
ム、およびアルミニウム・トレースの薄膜層が上面に形
成されてタンタルアルミニウムヒータ抵抗体のパターン
およびそれとの電気的接続を規定するのに使用される珪
素または石英の基板を含む周知の材料の組合せを使用し
ている。この薄膜プリントヘッド構造は更に、タンタル
アルミニウム・ヒータ抵抗体およびこれと接続されたア
ルミニウム導電線の露出表面を覆う窒化珪素および炭化
珪素の表面保護層を備えている。次に重合体（ポリマ
ー）の障壁層が窒化珪素／炭化珪素複合層の表面に写真
平版的に処理されてヒータ抵抗体に対するインク供給溝
およびインク発射室を規定し、次いでニッケルオリフィ
ス板が精密に位置合せされて重合体障壁層に取付けられ
る。ニッケルオリフィス板の中のオリフィス開口すなわ
ち「オリフィイ」（ｏｒｉｔｉｉ）をこうして薄膜プリ
ントヘッド構造体内部にある発射室およびヒータ抵抗体
に対して慎重に位置合せする。上述の薄膜プリントヘッ
ド製造工程の更に詳細な説明については、Ｈｅｗｌｅｔ
Ｐａｃｋａｒｄ Ｊｏｕｒｎａｌ，ｖｏｌ．３８，Ｎ
ｏ．５，Ｍａｙ １９８５を参照することができる。ニ
ッケルオリフィス板の製造それ自身の更に詳細な説明に
ついては、米国特許第４，７７３，９７１号を参照する
ことができる。
【０００４】オリフィス板を形成するための精密な工程
ばかりでなく、オリフィス板を薄膜プリントヘッド構造
体に取付ける複雑で高価な位置合せ法を必要とする、上
述のプリントヘッド製作法に代るものとして、種々な大
きさ、形状、および材料のオリフィス板を伝統的に使用
してきた上述の薄膜インクジェット・プリントヘッドの
代りに「オリフィス無し」プリントヘッドが提案されて
いる。このようなオリフィス無しプリントヘッドの一例
は、米国特許第４，５８０，１４８号に開示されてい
る。この特許に開示されている装置は、インク薄膜をヒ
ータ抵抗体のパターンを備えたプリントヘッドの所定表
面域上に発生させるように動作する。インク薄膜は表面
張力により所定位置に保持され、ヒータ抵抗体はインク
のこの薄膜からインクの小滴を隣接印刷媒体上に放出す
るよう付勢される。
【０００５】しかし、上記米国特許に開示されたプリン
トヘッドの動作には幾つかの欠点がり、その中には薄い
水性のインク膜中に蒸気泡が発生することが含まれてお
り、これは、泡に粗い表面部分を生じ、したがって放出
滴の方向性が良くないという非均一な核を形成すること
が特徴である。したがって、この特許に述べられている
プリントヘッドもこの問題点を修正するのに、静電気力
を導入して放出滴に案内および方向安定性を与えるとい
うような別のレベルの複雑な構成を必要とする。加え
て、この特許で開示されているプリントヘッド装置は、
崩壊する蒸気泡の運動量の保存を独占的に使用するよう
に設計されている。したがって、この特許は、蒸気泡を
含まない、または熱的に駆動されないインクジェット・
プリンタをいかに設計するを開示してはいない。
【０００６】
【発明の目的】本発明の主要目的は、上述の米国特許に
開示された熱インクジェット・プリントヘッドに関連す
る上述の欠点の、全部ではないまでも、大部分を克服す
るよう動作する新しい、改良されたオリフィス無しのイ
ンクジェット・プリントヘッドを作る新規な方法および
技術を提供することである。
【０００７】本発明の他の目的は、気泡核形成特性が改
良され、インク滴軌跡および方向性特性が改良された新
しい、改良されたオリフィス無しインクジェット・プリ
ントヘッドを提供することである。
【０００８】本発明の他の目的は、固相インク系に一層
適合し得る水性の、低表面張力のインクで動作するよう
に独特に適合している新しい、改良されたオリフィス無
しインクジェット・プリントヘッドを提供することであ
る。
【０００９】本発明の他の目的は、インク泡の大きさ対
インク膜厚の比に対する制御が改善され、これにより一
層広範囲の噴射可能インクの使用を可能とする新しい、
改良されたオリフィス無し熱インクジェット・インクヘ
ッドを提供することである。
【００１０】本発明の他の目的は、インクのジェットで
はなく、インクの投射物を形成するように動作し、これ
によりインクジェット印刷の分野に新しい印刷技術を導
入する新しい、改良されたオリフィス無しインクジェッ
ト・プリントヘッドを提供することである。本発明の他
の目的は、熱インクジェット・プリンタ構成に限定され
ないオリフィス無し技術を提供することである。
【００１１】本発明の他の目的は、オリフィス板技術を
使用する伝統的なインクジェット・プリンタ構成に比
し、ラインプリンタでの使用に特に良く適している新し
い、改良されたオリフィス無しインクジェット・プリン
トヘッドを提供することである。
【００１２】
【発明の概要】本発明に従って上述の目的を達成するた
め、本発明によるインクジェット・プリントヘッドは次
のものを含む。 ａ．銅またはプラスチックのような適切な材料から作ら
れ、良好な熱放散特性を備え、基板の主面に隣接して所
定のアレイ状に配設された渦アクチベータとして動作す
る複数のヒータ抵抗体を備えている可撓性プリントヘッ
ド基板。ここに記すような渦巻リング作動はヒータ抵抗
体またはピストン駆動器、または他の同等な、圧電装置
のような、インク駆動機構により発生させることができ
るので、「渦アクチベータ」という用語はここに使用す
る限り幅広く解釈すべきである。渦巻リングは、その中
心に減圧領域を形成し、インク表面まで伝わってそこで
以下に記すように崩壊を生ずる旋回するインクの塊であ
る。 ｂ．一つ以上のスロットまたは開口を有する保護カバー
が基板の最上部に設けられ、インクの渦を作動させ、イ
ンク滴を推進させるヒータ抵抗体を露出させている。 ｃ．可動インク投与手段がプリントヘッド基板の表面に
ヒータ抵抗体に隣接して設置され、ヒータ抵抗体を横切
って連続的に拭き取り、ヒータ抵抗体の表面に調節され
た厚さのインク薄膜を発生させている。このようにし
て、ヒータ抵抗体の付勢によりヒータ抵抗体の表面で泡
の崩壊が生じ、続いてヒータ抵抗体の上に渦巻リングが
形成され、このリングは自己推進してヒータ抵抗器の平
面に垂直に液体インク膜の表面に向って移動する。渦巻
リングがインク膜の表面に到達すると、局部的凸面変形
を生じ、この作用により渦巻の中心の高速マイクロジェ
ットがインク膜から隣接印刷媒体に効率良く伝達され
る。
【００１３】本発明の一実施例では、可動インク投与手
段は、滴アクチベータの表面を横断して所定の角度およ
び速さで掃引される一つ以上の抵抗性ワイヤアプリケー
タすなわちブレードを備えている。
【００１４】本発明の第２の実施例では、可動インク投
与手段は、インクの源とインクを流通させ、渦アクチベ
ータを備えた基板表面に隣接して連続的に移動するよう
動作する可動振動コードを備えている。この行動はイン
クジェット・プリントヘッドの動作中基板上の液体イン
クの薄膜を連続的に補充するよう動作する。
【００１５】本発明の第３の実施例では、ヒータ抵抗体
を、液体インクの薄膜内に渦巻リングを生成するのに使
用されるインパクトプリンタの被可動ワイヤのようなピ
ストン式駆動体で置換えることができる。
【００１６】
【実施例】図１を参照すると、図示してあるオリフィス
無し熱インクジェット・プリントヘッドが全般に１０と
記されており、一端に丸い端面１４をもつ放熱体１２を
有しており、該端部には包囲体構成で可撓基板部材１６
が配置されている。放熱体１２は、冷却ファン（図示せ
ず）付きまたは冷却ファン無しで構成することができ、
冷却ファンは基板１６に取付けることができる。好まし
くは、基板部材１６は、その輪郭付き表面上に複数のヒ
ータ抵抗体２０を配置する適切な誘電体材料の薄層（図
示せず）を備えた銅の可撓細長片である。ヒータ抵抗体
２０用の特定の電気接続および表面不動態化（パシベー
ション）層は簡単のため省略してある。これら誘電体層
および関連の電気接続は、たとえば上に記したＨｅｗｌ
ｅｔｔＰａｃｋａｒｄ Ｊｏｕｒｎａｌの論文に記述さ
れているような周知の誘電体層形成工程およびヒータ抵
抗体接続法を用いて行うことができる。これらの工程
は、Ｈｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ Ｊｏｕｒｎａ
ｌ，ｖｏｌ．３９,Ｎｏ．４，Ａｕｇｕｓｔ １９８８
にも開示されている。代りに、金属基板部材１６を、米
国特許第４，７７３，９７１号に開示されている電鋳工
程を利用してニッケルで電鋳することができる。
【００１７】インク供給系２６は、図示のように設置し
てインクを保護カバー３０の細長い開口２８の中に、お
よび可撓基板部材１６の下層インク受け部に供給するこ
とができる。細長いスロット２８を有する薄い保護カバ
ー３０は、可撓銅基板１６の丸いまたは輪郭を成す表面
上に、インク供給系２６に隣接する該基板１６の一方の
側から該基板１６の反対側の丸い端１４まで設置されて
いる。適切なスペーサを使用すれば、保護カバー３０
は、ドクターブレード（ｄｏｋｔｏｒ ｂｌａｄｅ）と
して働くことができ、且つインクの薄膜をインク配給系
２６から保護カバー３０の下へ、更に渦式アクチベータ
として働くヒータ抵抗体２０の表面上へ流すために、約
１００マイクロメートルという小さな距離分離すること
ができる。代りに、インク，供給系２６からヒータ抵抗
体までのインク流路が保護カバー３０の直下になけれ
ば、保護カバー３０を加熱して銅基板１６と密着して設
置するとができる。
【００１８】このインク薄膜のヒータ抵抗体２０までの
厚さおよび連続分布の制御は、１対の抵抗性ワイヤアプ
リケータまたはブレード３４および３６を同時に前後に
動かして行われる。これら加熱可能アプリケータ３４お
よび３６は、ヒータ抵抗体２０の表面を横断して平行に
移動し、新鮮な液体インクをインク供給系２６から連続
的に持込み、同時に抵抗体２０の表面でのこのインク膜
の厚さを、典型的には約５０から１００マイクロメート
ルの範囲内の一様な、所定の厚さに維持するように動作
する。加えて、固体インクは液体インクと同様に使用す
ることができると共に、ワイヤアプリケータ３４および
３６に所定の電流を加えることにより液体状態に加熱す
ることができる。
【００１９】図３Ａないし図３Ｈを参照して以下に一層
詳細に説明するように、ヒータ抵抗体２０は、これに適
切な電気パルスを加えることにより付勢され、最初にこ
れら抵抗体の表面の液体インク膜中に泡が形成される。
この泡が崩壊するとき、渦巻リングが泡が崩壊した場所
に発生し、オリフィス板を備えない液体膜の表面に自身
で推進し、そこで反対極性の渦を発生する。伝播渦巻リ
ングが液体膜の表面に近接するにつれて、液体膜内に生
じた渦は液体膜の表面を粉砕する。一旦液体膜表面が粉
砕されると、渦巻リングの中心における高速流体によ
り、図３Ｈに示したものと同様のインク滴の分離を伴っ
た液体ジェットが発生する。加えて、インク液軌跡、方
向性制御、およびしたがって分解能が向上し、得られる
印刷媒体上の印刷品質も向上する。
【００２０】図２を参照すると、この概略断面図は、銅
基板３８上に設置された誘電体膜４０を備え且つ渦式ア
クチベータとして働く複数のヒータ抵抗列４２および４
４を備えている本発明の第２の、または代りの実施例を
示す。誘電体層４０はＶ字形溝４６を備えており、その
中に振動コード（線）４８が設置され、これは所定の速
さで連続的に前進するように動作する。保護カバー５０
は銅基板４０の上面に図示のように設置されているが、
これは傾斜面５２、５４、５６、および５８を有するよ
うに構成され、ヒータ抵抗体４２および４４の列から隔
って設置されている１対の細長いスロット６０および６
２を規定する。これら細長い溝６０および６２の幅は典
型的には１〜５ミリメートルの範囲にあり、スロットの
中心にあるヒータ抵抗体４２および４４の幅は典型的に
は４０〜１００マイクロメートルの範囲にある。
【００２１】傾斜面５２、５４、５６、および５８は約
３５度の臨界角で斜めに切られているが、これは振動コ
ード４８を覆い、Ｖ字形溝４６を埋め、基板面上を約２
５ないし１００マイクロメートルの厚まで広がる液体イ
ンク６４の厚さを制御するように働く。この厚さは保護
カバーの中心細長片６６の下面と、誘電体層４０の上面
に図示のように設置されているヒータ抵抗体列４２およ
び４４の上面との間の距離に等しい。
【００２２】振動コード４８は、ニクロム線のような適
切な吸湿性材料製のもので良く、所定の速さで振動し且
つインク溜め（図示せず）と誘電体膜４０のＶ字形溝４
６全体との間を連続的に移動して、液体インク６４を図
２の断面図に概略示したインク部分に連続的に供給する
ように動作する。その他の点では、図２に示す熱インク
ジェット・プリントヘッド装置は、図１を参照して説明
したものと同じように動作して、ヒータ抵抗体４２およ
び４４の列すなわちパターンが発火するや直ちに液体膜
６４中に発生する蒸気泡が崩壊して、その後、短時間後
にインク膜６４を介してインク渦を作り、そして隣接の
印刷媒体に押し進める。
【００２３】次に図３Ａないし図３Ｈを参照すると、こ
れら八つの図には、ヒューレット・パッカードのＴｈｉ
ｎｋＪｅｔプリントヘッドのインクジェット・ヒータ抵
抗器が約０．３ないし０．５アンペアのしきい値電流に
設定された５マイクロ秒（μｓ）のパルスを加えられて
作動させられてから、八つの異なる時刻（マイクロ秒で
表わす）におけるインク液体膜内部で図３Ａの蒸気泡７
５が崩壊した直後の渦巻リングの形成が示されている。
繰返しの速さは約１００ないし１０００Ｈｚである。こ
れら八つの図は、フラッシュランプの照明により顕微鏡
下で観察した三つの別々の光学的実験から得られたデー
タに基づいている。
【００２４】図３Ａから図３Ｄまでの図により表わした
泡崩壊の一連の事象は、空気境界面の無いイソプロパノ
ールの池に渦巻リング６１（図３Ｄ）を形成することに
なる事象を示している。空気境界面６３は、自由膜内の
この一連の事象を説明するために図３Ａないし図３Ｄに
追加してある。これらの図での速度ベクトル６５は、イ
ソプロパノール内のＢａＳＯ4 の分散を直接挿入法で使
用するとき発生する流れのパターンを表わしている。図
３Ｅないし図３Ｈで表わすジェット形成の連続事象は、
深さ７０マイクロメートルのイソプロパノールの液体膜
からジェット８５（図３Ｈ）を形成することになる事象
を描いている。渦マーカ６９は池および膜構成体の両者
で観察することができ、泡の崩壊の直後に渦巻リング中
に捕えられることになる残存空気泡すなわち空所（ボイ
ド）７１（図３Ｃ）になる可能性が最も大きい。
【００２５】図３Ａでは、ヒータ抵抗体が付勢されてか
ら８マイクロ秒後に、蒸気泡が液体膜内におよび図示し
た全般的に楕円形の断面内に発達する。ここで図３Ａで
発生し、またインク噴霧を最小にすると共に図３Ｂない
し図３Ｈで下に説明する発達中のジェットの方向性を最
大にするほぼ均一な核形成の形態であることに注目する
ことが重要である。このほぼ均一な核形成は、関連する
従来技術を代表する前述の米国特許第４，５８０，１４
８号に開示されているプリントヘッドのヒータ抵抗体の
表面で発生する粗い複数の泡核形成と著るしい対照を成
している。
【００２６】図３Ｂで、蒸気泡７５はこの図で速度ベク
トル６５で示したように９〜１０マイクロ秒後には横向
き（ｓｉｄｌｅ）崩壊を始める。この崩壊は、図３Ｃに
示すように完了まで進行し、図３Ｄの高速流体マイクロ
ジェット６７および捕捉空気すなわちボイド７１を作り
出す。このボイド７１は図３Ｄの渦巻リング６１に対す
る渦マーカとして働く。この点では（図３Ｃ）渦巻リン
グ６１は目で観察されないが、恐らくはマイクロジェッ
トが液体膜に垂直で且つヒータ抵抗体の表面の上方で剪
断することにより形成されるものであろう。液体の流れ
パターンは図示した速度ベクトル６５で示され、また未
だ説明されていない幾つかの理由でわずかな表面沈下７
３が観察されるが、これは恐らくは抵抗体の表面に近い
一次渦巻リングの形成により誘起される反対極性の二次
渦巻によるものであろう。
【００２７】図３Ｄでは、池の中に形成される明確なパ
ターンによりまたは直接挿入法を使用するとき液体内に
描かれる径路線により、抵抗体の付勢後約１７マイクロ
秒で渦巻リング６１が容易に観察される。池の実験か
ら、イソプロパノールを通過する高エネルギ渦巻リング
の速度は毎秒約４〜６メートル（ｍ／ｓ）であり、渦の
高速度の中心部の速度は１０ｍ／ｓ台である。図３Ｅの
渦マーカ６９も適切な光学構成を用いて池実験または自
由膜実験で容易に観察される。自由膜中で渦マーカを観
察するには、フラッシュ源を膜の表面ではなく、抵抗体
の表面で反射させる。
【００２８】図３Ｅで、渦巻リング（渦マーカ６９で示
してある）膜表面に応力を与え、凸面変形７９を生じさ
せる。したがって、渦巻リングが７０μｍの膜の表面に
到達するまでの走行時間は約６μｓであり、これは渦巻
リングが抵抗体の表面上方約３０ないし５０μｍで生ず
ることを意味する。次に、図３Ｆで、渦の中心における
液体インクは、図示した軌跡８１を描いて推進される
が、この軌跡は引続き図３Ｇに示すように投射物８３を
高度のエネル伝達効率および液体膜の表面に垂直な方向
性を備えて発生するまで継続する。これはヒータ抵抗体
付勢後約６１マイクロ秒で図３Ｇで生ずる。膜厚の泡の
高さに対する比が１．３より大きければ投射物は安定
で、小滴は形成されない。最後に、図３Ｈで、インク投
射物はこの図で示したように一般的な小滴プロフィル８
５を成して首部を持つようになり始め、ヒータ抵抗体の
付勢後約１１０マイクロ秒でインクの小滴を形成する。
【００２９】今度は他の実施例である図４Ａないし図４
Ｃを参照すると、本発明の衝撃型ピストン駆動プリント
ヘッドの実施例が示されており、これでは適切なプリン
トヘッド基板部材７０は、直径が５〜２５マイクロメー
トルの印字ワイヤ７４を受ける中心穴７２を備えてお
り、このワイヤは伝統的な衝撃型印刷機構または圧電
（ＰＺＴ）水晶で駆動される。基板７０は適切なプラス
チック、金属、またはセラミック材料から作ることがで
き、望ましくは表面にシリコーンゴムのような材料の薄
い膜７６を備えている。この膜は、Ｋｒｕｇｅｒ等に対
して発行された米国特許第４，４８０，２５９号の教示
に従って使用することができる。薄い膜７６は、厚さが
代表的には約１００ないし２００マイクロメートルであ
るインクの薄膜を指示する。
【００３０】渦アクチベータとして働くピストン７４が
時刻ｔ＝０で図４Ｂに示すように突出すると、薄い膜７
６はこの図に示してある位置７９の中に上向きに曲るこ
とになる。この運動により図４Ｃに示す速度ベクトルが
生じ、この速度ベクトルはこの図に示してある渦巻リン
グ８０を形成するように作られる。ここでインク８２の
渦中心は、最初にピストンが動いてから１１０マイクロ
秒後に渦巻リング８０の中心から隣接印刷媒体上に押し
進められている。この実施例で蒸気泡が存在しないこと
は本発明に独特なものである。
【００３１】次にさらに他の実施例である図５Ａないし
図５Ｅを順に参照すると、図５Ａにはガラス、珪素、セ
ラミックはどのような適切な基板８６に取付けられ、そ
の中に少なくとも一つの空洞８８が作られている圧電
（ＰＺＴ）膜部材８４が示されている。ＰＺＴ膜８４は
所定のインクの液体膜９０をその上に受けるように設置
されており、ＰＺＴ膜８４は所定の重合材料または多結
晶材料から構成されていることが望ましい。適切な重合
ＰＺＴ材料の一つはＰｅｎｗａｌｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔ
ｉｏｎから入手できるＫＹＮＡＲの商標名で販売されて
いる。適切な多結晶材料の一つはＰＺＴ−５Ｈの名称で
Ｖｅｒｎｉｔｒｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから販売
されているが、これはジルコニウムチタン酸鉛である。
この材料は半径方向に分極させることができ、利用可能
な無電極堆積法を利用して適切な一組のパルス駆動電極
を設けることができる。図５Ａに示すオフ状態では、空
洞８８は少なくとも２０マイクロメートルの直径および
少なくとも１０マイクロメートルの深さを備えている。
空洞８８の望ましい深さは２５と１００マイクロメート
ルとの間にあり、空洞８８の望ましい直径は２０と１５
０マイクロメートルとの間にある。
【００３２】ＰＺＴ空洞８８との電気接続を行う一つの
有用な方法は、無電解堆積によるような、空洞８８の内
壁に薄い内部電極９２を堆積し、また伝統的なマスキン
グおよび金属堆積の工程を用いて内部電極９２と同軸に
円環形リングの形に外部電極９４を形成することであ
る。この方法によれば、高周波および高電圧の電界をこ
れら内部電極と外部電極との間に作ることができ、これ
により図５Ｂに示す空洞８８の収縮を設けるのに役立つ
ＰＺＴ膜８４に必要な応力が発生する。図５Ａの矢印
は、空洞８８の内壁が電極９２および９４に加えられる
高電圧パルスのエネルギまたは高周波バーストの影響下
で変動し始めるとき空洞８８の内部の液体内に発生する
速度ベクトルを表わす。
【００３３】図示のように内部電極９２を使用する代り
に、下部ＰＺＴ膜面電極（図示せず）をＰＺＴ膜８４の
下面に形成し、ＰＺＴ膜８４の上面の電極と共にパルス
を加えてＰＺＴ膜８４の内部に横方向剪断力を発生させ
ることができ、これにより図５Ｂに示すように空洞８８
の内部に横方向構造を作り出す効果が得られる。したが
って、本発明の範囲内で他の多数の電気的取入れ接続構
成が存在する。
【００３４】今度は図５Ｂを参照すると、渦巻リング９
６がＰＺＴ膜８４の内部の今は収縮されている円筒空洞
８８の頂上近くに形成されており、もう一度この渦巻リ
ング９６は空洞８８の崩壊中に形成された図５Ａのマイ
クロジェット９８により形成される。このマイクロジェ
ット９８は、図３Ａないし図３Ｈを参照して以前に説明
したように液体膜９０を剪断し、一旦形成されると、渦
巻リング９６は図５Ｃに示すように膜面９９に向って自
己推進する。
【００３５】次に、図５Ｄに示すように、投射物１００
が液体膜９０の内部に形成され、この投射物１００は、
この図で見るその上向きの動きを図５Ｅに示す小滴の破
断プロフィル１０２を生ずるまで続ける。インクジェッ
ト印刷の用途に充分なエネルギの渦９６を形成するに
は、空洞８８の崩壊速度は毎秒５〜２０メートルの範囲
にあるべきである。ＰＺＴ層８４を覆い、空洞８８を埋
める流体膜９０の液体膜厚は２〜５０マイクロメートル
の範囲内にあるべきであり、望ましい厚さは５〜２０マ
イクロメートルの間である。
【００３６】先に示したとおり、ＰＺＴ空洞８８の半径
方向の変動は、多数の異なる方法で、ＰＺＴ層８４の表
面上の適切な位置の間に高電圧パルスまたはエネルギの
高周波バースのいずれかをこれらパルスまたはバースト
がＰＺＴ重合体または多結晶材料に応力を発生させて図
５Ａないし図５Ｅを参照して上に説明したように空洞の
横方向構造を作り出すように加えるための多数の異な
る、種々な入力接続を用いて、作ることができる。それ
故、ＰＺＴ材料に加えられる「付勢（作動）される」と
いう用語は、ＰＺＴ空洞との入力接続に単一電気パルス
または一連の高周波パルスを加えることを含むよう広く
解釈すべきである。更に、本発明は、所定のインクジェ
ット・プリントヘッドの用途に所定の複数のこれらＰＺ
Ｔ空洞を使用することを包含していることを理解すべき
である。したがって、重合体障壁を最初に写真画定して
インク噴射室を作り、次いで金属オリフィス板をこれら
噴射室に対して精密に位置合せすることを必要とする従
来技術の熱インクジェット・プリントヘッドと比較し
て、この構造は、写真画定された所定の複数の空洞８８
を備えている所定ＰＺＴ材料の単一層８４を有する図５
Ａないし図５Ｅの実施例に従ってすべて置き換えられて
いる。
【００３７】
【発明の効果】上述の米国特許に示された従来技術の噴
射しない、低表面張力、均一核形成の非水性系インクを
使用するプリントヘッドの動作とは対照的に、図３Ｈに
示してあるように高度の方向性および明確な小滴の良好
な破断を達成することが可能であった。また、オリフィ
ス無しインクジェット・プリンタにおいて噴射のための
精密流体素子として渦巻リングを設けることにより、図
４Ａないし図４Ｃおよび図５Ａないし図５Ｅに示したよ
うに、熱インクジェット装置に基かない渦アクチベータ
により渦巻リングを発生する手段が得られた。これらは
本発明の最も重要な特徴であり、インクジェット印刷の
分野に新しい特種の技術を与えるものである。図３Ｈの
ジェットおよび小滴のプロフィルはインクの均一な核形
成性に寄与し、印刷解像度および印刷品質の向上に直接
関係しており、同時にエネルギ伝達効率が伝統的なイン
クジェット・オリフィス板印刷システムと比較してかな
り良くなっている。本発明の精神および範囲から逸脱す
ることなく上述の実施例に対して種々の変更を行うこと
ができる。たとえば、本発明は上述した特定の渦アクチ
ベータ、抵抗体アレイ、抵抗体取付け構成またはヒータ
抵抗体との電気接続に限定されない。加えて、インクの
所定の薄い一様な膜が熱インクジェット印刷動作中に渦
アクチベータの表面に連続して常に確実に存在するよう
に、図１に示す抵抗性ワイヤアプリケータまたはワイパ
・グレードまたは図２に示す振動コードの代りに使用す
ることができる多数の他の適切な方法が存在する。更
に、本発明は、特定のプリントヘッド全体の形状寸法、
輪廓、および保護カバーおよびスロット開口構成、およ
びそのインク配給系によって限定されるものではない。
必要ならば、図１に示すインク供給系２６を熱溜め部材
１２の本体に組込むことができ、これらインク供給系に
は、米国特許第４，５００，８９５号に開示されている
もののような使い捨て袋状形式のインク供給系、米国特
許第４，７７１，２９５号に開示されているもののよう
なフォーム貯蔵インク供給系、米国特許第４，７９１，
４３８号に開示されているもののような平衡毛細管形式
のインク供給系、または米国特許出願第４１４，８９３
号に述べられている形式の膜調節式のインク供給系があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１実施例によるオリフィス
無しプリントヘッドの斜視図である。
【図２】図２は、本発明の第２実施例によるオリフィス
無しプリントヘッドの断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明のプリントヘッドの動作を
説明するための図であり、薄膜液体インク内での渦巻リ
ングの形成およびインク滴の形成の一連の過程を示した
図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明のプリントヘッドの動作を
説明するための図であり、薄膜液体インク内での渦巻リ
ングの形成およびインク滴の形成の一連の過程を示した
図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明のプリントヘッドの動作を
説明するための図であり、薄膜液体インク内での渦巻リ
ングの形成およびインク滴の形成の一連の過程を示した
図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、本発明のプリントヘッドの動作を
説明するための図であり、薄膜液体インク内での渦巻リ
ングの形成およびインク滴の形成の一連の過程を示した
図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは、本発明のプリントヘッドの動作を
説明するための図であり、薄膜液体インク内での渦巻リ
ングの形成およびインク滴の形成の一連の過程を示した
図である。
【図３Ｆ】図３Ｆは、本発明のプリントヘッドの動作を
説明するための図であり、薄膜液体インク内での渦巻リ
ングの形成およびインク滴の形成の一連の過程を示した
図である。
【図３Ｇ】図３Ｇは、本発明のプリントヘッドの動作を
説明するための図であり、薄膜液体インク内での渦巻リ
ングの形成およびインク滴の形成の一連の過程を示した
図である。
【図３Ｈ】図３Ｈは、本発明のプリントヘッドの動作を
説明するための図であり、薄膜液体インク内での渦巻リ
ングの形成およびインク滴の形成の一連の過程を示した
図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の第３実施例によるオリフ
ィス無しプリントヘッドの動作を示した断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の第３実施例によるオリフ
ィス無しプリントヘッドの動作を示した断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明の第３実施例によるオリフ
ィス無しプリントヘッドの動作を示した断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の第４実施例によるオリフ
ィス無しプリントヘッドの動作を示した断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の第４実施例によるオリフ
ィス無しプリントヘッドの動作を示した断面図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本発明の第４実施例によるオリフ
ィス無しプリントヘッドの動作を示した断面図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、本発明の第４実施例によるオリフ
ィス無しプリントヘッドの動作を示した断面図である。
【符号の説明】
３８：銅板、４０：誘電体層、４２：ヒータ抵抗体、５
０：保護カバー、４８：振動コード、６４：液体イン
ク、７０：基板、７２：開口、７４：プリントワイヤ
【手続補正書】
【提出日】平成５年５月２６日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１実施例によるオリフィス
無しプリントヘッドの斜視図である。
【図２】図２は、本発明の第２実施例によるオリフィス
無しプリントヘッドの断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明のプリントヘッドの動作を
説明するための図であり、薄膜液体インク内での渦巻リ
ングの形成およびインク滴の形成の一連の過程を示した
図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明のプリントヘッドの動作を
説明するための図であり、薄膜液体インク内での渦巻リ
ングの形成およびインク滴の形成の一連の過程を示した
図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明のプリントヘッドの動作を
説明するための図であり、薄膜液体インク内での渦巻リ
ングの形成およびインク滴の形成の一連の過程を示した
図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、本発明のプリントヘッドの動作を
説明するための図であり、薄膜液体インク内での渦巻リ
ングの形成およびインク滴の形成の一連の過程を示した
図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは、本発明のプリントヘッドの動作を
説明するための図であり、薄膜液体インク内での渦巻リ
ングの形成およびインク滴の形成の一連の過程を示した
図である。
【図３Ｆ】図３Ｆは、本発明のプリントヘッドの動作を
説明するための図であり、薄膜液体インク内での渦巻リ
ングの形成およびインク滴の形成の一連の過程を示した
図である。
【図３Ｇ】図３Ｇは、本発明のプリントヘッドの動作を
説明するための図であり、薄膜液体インク内での渦巻リ
ングの形成およびインク滴の形成の一連の過程を示した
図である。
【図３Ｈ】図３Ｈは、本発明のプリントヘッドの動作を
説明するための図であり、薄膜液体インク内での渦巻リ
ングの形成およびインク滴の形成の一連の過程を示した
図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の第３実施例によるオリフ
ィス無しプリントヘッドの動作を示した断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の第３実施例によるオリフ
ィス無しプリントヘッドの動作を示した断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明の第３実施例によるオリフ
ィス無しプリントヘッドの動作を示した断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の第４実施例によるオリフ
ィス無しプリントヘッドの動作を示した断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の第４実施例によるオリフ
ィス無しプリントヘッドの動作を示した断面図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本発明の第４実施例によるオリフ
ィス無しプリントヘッドの動作を示した断面図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、本発明の第４実施例によるオリフ
ィス無しプリントヘッドの動作を示した断面図である。
【図５Ｅ】図５Ｅは、本発明の第４実施例によるオリフ
ィス無しプリントヘッドの動作を示した断面図である。
【符号の説明】 ３８：銅板、４０：誘電体層、４２：ヒータ抵抗体、５
０：保護カバー、４８：振動コード、６４：液体イン
ク、７０：基板、７２：開口、７４：プリントワイヤ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】薄膜インクの中に渦巻リングを形成するこ
    と、前記渦巻リングの中心部を隣接する印刷媒体に向っ
    て推進させてインクを該印刷媒体に付着させることを含
    むインクジェット印刷方法。
  2. 【請求項２】薄膜インクをその上に支持する基板と前記
    インクを覆うオリフィス板を持たないインクジェット・
    プリントヘッドにおいて、前記薄膜インク中に渦巻リン
    グを形成するための手段と、前記渦巻リングの中心部を
    隣接する印刷媒体に向って推進させる手段とを含むプリ
    ントヘッド。
  3. 【請求項３】薄膜液体インクの中に気泡を崩壊するこ
    と、高速の低エネルギーのマイクロジェットを形成し、
    よって低速の高エネルギーの渦巻リングを前記インク中
    に形成すること、前記渦巻リングの中心部を前記インク
    の自由表面を介して隣接する印刷媒体に向かって推進さ
    せることを含むインクジェット印刷方法。
  4. 【請求項４】インクジェット・プリントヘッドの表面に
    配置された薄膜液体インクの中で気泡を崩壊する手段
    と、前記気泡が崩壊された領域に渦巻リングを形成し、
    前記薄膜液体インクの自由表面を介して前記渦巻リング
    を推進させ、前記渦巻リングの中心部の高速流体を隣接
    する印刷媒体に与える手段とを含むプリントヘッド。
  5. 【請求項５】表面基板上にヒータ抵抗体を配置するこ
    と、前記抵抗体上に薄膜液体インクを与えること、前記
    抵抗体を付勢して薄膜液体インク内での気泡の崩壊を発
    生させ、前記抵抗体上に渦巻リングを形成し、前記渦巻
    リングを前記薄膜液体インクの自由表面に向って推進さ
    せ、前記自由表面に応力を与え、前記渦巻リングの中心
    部の高速流体を印刷媒体に与えることを含むインクジェ
    ット印刷方法。
  6. 【請求項６】複数個のヒータ抵抗体を有する可撓性プリ
    ントヘッド基板と、前記抵抗体を露出させるための開口
    を有する保護カバーと、前記抵抗体の表面上に所定厚の
    薄膜液体インクを連続的に供給するために、前記基板の
    表面に前記抵抗体に隣接して配置された可動インク供給
    手段と、前記抵抗体を付勢して前記表面での気泡の崩壊
    を発生させ、前記抵抗体上に渦巻リングを形成し、前記
    渦巻リングを前記薄膜液体インクの自由表面に向って推
    進させ、前記自由表面に応力を与え、前記渦巻リングの
    中心部の高速流体を印刷媒体に与える手段とを含むオリ
    フィス無しプリントヘッド。
  7. 【請求項７】基板上に配置され、インクが満たされる複
    数個の空洞部を有する圧電層と、前記空洞部の内壁を偏
    位させて前記空洞部内のインクに横方向の力を与え、前
    記インクを隣接する印刷媒体に向って推進する手段とを
    含むオリフィス無しプリントヘッド。
  8. 【請求項８】複数個のインク用空洞部を有する圧電層上
    に薄膜液体インクを供給すること、前記空洞部の内壁を
    偏位させて前記空洞部内のインクに横方向の力を与え、
    前記インクを隣接する印刷媒体に向って推進することを
    含むオリフィスを使用しないインクジェット印刷方法。
JP4130090A 1991-04-25 1992-04-23 プリントヘッド Pending JPH071732A (ja)

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US691132 1991-04-25

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JP4662664B2 (ja) * 2001-09-20 2011-03-30 株式会社リコー 液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置

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