JPH10157110A - サーマルインクジェット印刷システム - Google Patents

サーマルインクジェット印刷システム

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JPH10157110A
JPH10157110A JP9318571A JP31857197A JPH10157110A JP H10157110 A JPH10157110 A JP H10157110A JP 9318571 A JP9318571 A JP 9318571A JP 31857197 A JP31857197 A JP 31857197A JP H10157110 A JPH10157110 A JP H10157110A
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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
  • Ink Jet (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 永い間印刷していない後でも、最適なジェッ
ト性を維持することができるインクジェット印刷システ
ムを提供する。 【解決手段】 インクジェットプリントヘッドの内部チ
ャネル及びノズルを介してインクを連続的に循環するサ
ーマルインクジェット印刷システムであって、インクの
入口及び出口を有するプリントヘッドと、加熱要素を選
択的に通電して前記関連するノズルを介してインクの液
滴を放出させるための電気回路と、前記プリントヘッド
の前記入口に連結されたインク供給リザーバと、前記イ
ンク供給リザーバと前記キャッチリザーバとの間を接続
するポンプと、及び非排出モードの間にノズルの近くの
インクが安定した凹状のメニスカスを形成してインクを
ノズルから流れ出ないようにインクパスに沿ってフロー
させるように、前記インクパスに沿って前記インクフロ
ーの圧力勾配及び方向を制御するための制御システム
と、を含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、サーマルインクジ
ェットプリンタのインク循環システムに関し、更に詳細
には、プリントヘッドを通る連続パス内でインクを循環
させ、プリントヘッドのインクチャネル及びノズル内に
おける短いインクの待ち時間により生じるマイナス影響
を抑えるシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】サーマルインクジェット印刷は、熱エネ
ルギーを用いてインク充填チャネル内に気泡を生成して
液滴を放出する即時滴下（drop-on-demand）型インクジ
ェット印刷として特徴付けられる。サーマルインクジェ
ットプリントヘッドは熱エネルギー生成装置又は加熱要
素（通常抵抗器）を含み、この熱エネルギー生成装置又
は抵抗器はチャネル内でインク放出ノズルの近くの所定
距離のところに配置されている。抵抗器は入力印刷信号
に応答して電気パルスにより別々にアドレスされ、イン
クを瞬時に蒸発させて気泡を生成し、インクの液滴を放
出する。
【０００３】インクジェットプリントヘッドは、プリン
トヘッドの側面からインクが放出される”サイドシュー
ティング”システム、又はプリントヘッドの頂部からイ
ンクが放出される”ルーフシューター”として特徴付け
られる。サイドシュータープリントヘッドの例は、ホー
キンスらの米国特許Ｒｅ：３２，５７２号及びトーペー
（Torpey）らの米国特許第４，６３８，３３７号に開示
されている。ルーフシューター型プリントヘッドは米国
特許第４，９１０，５２８号に開示されている。いずれ
のタイプのプリントヘッドにおいても、インクはインク
リザーバからノズルに供給される。このインクリザーバ
はインクタンク又はインクバックであってもよく、イン
クチャネルを介してインク放出ノズルに連結されてい
る。インクは毛管作用によって及び所定の負のシステム
圧力のもとにインク源から引き出される。関連する加熱
抵抗器を選択的に通電することによってインクはノズル
を通って連続的に放出される。インクがノズルから放出
されるとほとんど同時に、リザーバからインクが補給さ
れる。
【０００４】従って、従来技術のインク循環は、毛管作
用フローの１つとして特徴付けることができる。加熱抵
抗器に電気パルスが送られて関連するノズルからインク
は放出されるまで、インクはインクチャネル内であって
加熱抵抗器及びノズルの近くに静止したままである。こ
のタイプのインク搬送システムの１つの問題点は、印刷
していない間にチャネル内でインクが停滞し得ることで
ある。この停滞による不都合な結果は、インク内の水分
がある程度蒸発することによってインクが濃くなり、し
だいに液滴の放出に悪影響を与えることである。プリン
トヘッドがかなり長い間動作しないままであると、イン
クが完全に乾き切ってしまうことがある。
【０００５】このインクの蒸発問題の１つの解決方法
は、メンテナンスステーションにインクジェットを定期
的に移動させ、プリントヘッドをプライム（迎え液を入
れること）してノズルを介してインクをサンプに入れる
ことである。この解決方法はインクを浪費し、印刷シス
テムの処理能力を低下させる。更に、水分が濃縮するこ
とによっていくらかのインクの待ち時間が非常に短くな
り、プライムステーションに何度も移動しなければなら
ない。
【０００６】米国特許第４，９２９，９６３号は、非毛
管現象インクフローチャネルを含むルーフシューター型
プリントヘッドを開示している。低圧ポンプシステムに
よってインクはチャネル内を循環する。実際に放出され
るインクはフローチャネル内のインクから抽出される
が、インク加熱抵抗器を含む毛管現象チャネル（この特
許の図２）に運ばれる。従って、チャネル内のインク
は、チャネルを通るインクフローが続いていても、非印
刷モードの間は静止している。
【０００７】米国特許第４，８０９，０１５号は、ポン
プ及びフィルタを含む閉塞ループインク循環システム
（この特許の図２）を有するプリントヘッドを開示して
いる。
【０００８】先に引用した参考文献はどれも、インク放
出領域（加熱抵抗器及びノズル領域）を介して連続的な
インク移動を提供するインク循環システムを開示してい
ない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の第１
の目的は、インクの待ち時間の度合いを変化させて広範
囲のインクを受け入れることができるインクジェット印
刷システムを提供することである。
【００１０】本発明の第２の目的は、永い間印刷してい
ない後でも、最適なジェット性を維持することができる
インクジェット印刷システムを提供することである。
【００１１】本発明の第３の目的は、プリントヘッドの
周期的プライミングを必要としないで、インクの待ち時
間を維持することである。
【００１２】本発明のこれら及び他の目的は、非毛管現
象チャネルを介してインクリザーバから抵抗器／ノズル
領域を過ぎて再びインクリザーバまでループ構造でイン
クを循環させる、インク流体循環システムを提供するこ
とによって達成される。圧力ヘッドを生成し、定圧ポン
プを使用することによって、インク流体チャネル内及び
ノズルに形成されたインクメニスカスに適度な圧力が生
成される。
【００１３】
【課題を解決するための手段】従って、本発明の第１の
態様は、インクジェットプリントヘッドの内部チャネル
及びノズルを介してインクを連続的に循環するサーマル
インクジェット印刷システムであって、：インクの入口
及び出口を有するプリントヘッドを含み、このプリント
ヘッドの中には前記入口から前記出口まで流体インクフ
ローパスを生成する複数のインクチャネルが形成されて
おり、前記プリントヘッドは更に複数の加熱抵抗器から
なる直線アレイを有し、各抵抗器は前記ノズルのうち１
つと関連しており；加熱要素を選択的に通電して前記関
連するノズルを介してインクの液滴を放出させるための
電気回路を含み；前記プリントヘッドの前記入口に連結
されたインク供給リザーバを含み；前記インク供給リザ
ーバと前記出口との間を接続するポンプを含み、及び；
非排出モードの間にノズルの近くのインクが安定した凹
状のメニスカスを形成してインクをノズルから流れ出な
いようにインクパスに沿ってフローさせるように、前記
インクパスに沿って前記インクフローの圧力勾配及び方
向を制御するための制御システムを含む。
【００１４】本発明の第２の態様は、前記インクチャネ
ルの一部がプリントヘッドの正面に形成された溝によっ
て形成され、前記プリントヘッドの正面に前記ノズルが
設置された、上記のサーマルインクジェット印刷システ
ムである。
【００１５】本発明の第３の態様は、プリントヘッドと
同じ高度であるスタンバイ位置から低高度にインクリザ
ーバを移動させて必要な圧力勾配を確立し、流体フロー
ライン内の圧力を気圧以下に確立するためにポンプを起
動する、上記のサーマルインクジェット印刷システムで
ある。
【００１６】
【発明の実施の形態】図１及び図２を参照すると、連続
的インク循環を有する印刷システムの第一の実施の形態
の拡大概略等角図が表されている。プリントヘッド１０
は、溝の付いた上部基板１２を低部加熱基板１４に接着
させて形成される。上部基板１２の中には複数のインク
チャネル１６が形成されており、これらのチャネル１６
はインクマニホルド１８に接続されている。また、上部
基板の低面には複数の溝２０が形成されており、この上
部基板を低部基板に接着すると、チャネル２２が形成さ
れる。上部基板の背面にはインクの入口２４及びインク
の出口２６が設けられている。上部基板の正面２８には
複数の溝３０が形成されている。加熱基板１４の頂面に
は複数の加熱抵抗器３２が形成されており、各抵抗器は
チャネル２２の各々の正面端部に位置している。抵抗器
は従来技術で公知であるように、チャネル表面上、又は
上に被せられた絶縁層の中に形成されたピットの中に形
成されてもよい。
【００１７】正面２８はにはオリフィスプレート３４が
接着されている。このプレートの中には複数のノズル３
６が形成されており、各ノズルはチャネル２２内に配置
された加熱抵抗器３２と操作上関連している。オリフィ
スプレート３４は溝３０に被せられており、チャネル３
１を形成している。ノズル３６の表面を含むオリフィス
プレート３４の内部表面にインクに対する湿潤性を持た
せて製造又は改造する一方、オリフィスプレート３４の
正面をインクに対して非湿潤性であるように製造又は改
造することが有利である。
【００１８】インク供給リザーバ３８は管４０によって
インクの入口２４に接続されている。ポンプ４６は管４
４によってインクの出口２６に接続されている。ポンプ
４６は管４５によってリザーバ３８にも接続されてい
る。リザーバ３８は、以下に説明する理由のために、プ
リントヘッドに関して垂直に移動可能である。プリント
ヘッドの構造の更に詳細な点については、本発明の記述
を簡略化するために省いた。当業者には公知であるよう
に、及び上記のサイドシューターについての特許を参照
して、エッチング及び／又はダイシング技術を用いてイ
ンクフローチャネル及び正面溝を形成する。境界面は良
く知られた耐インク性接着材を用いてシールする。抵抗
器からドライブ回路まで電気的に接続することが一般的
である。
【００１９】図１及び図２を参照すると、プリントヘッ
ド１０を通るインクフローパスはチャネル１６、チャネ
ル３１及びチャネル２２によって形成された矩形通路を
通っている。矩形チャネルを通して粘性流体を定常フロ
ーさせるには、フロー方向に負の圧力勾配を必要とす
る。これは、チャネル１６への入口にかかる圧力が、流
体がプリントヘッドから出るチャネル２２の端部にかか
る圧力よりも高くなければならないことを意味する。更
に、オリフィスでのインクのゲージ圧が最適にはやや負
（−１／４インチＨ2 Ｏ〜−５インチＨ2 Ｏ）であるこ
とが公知である。この圧力及びインク供給システムの粘
性抵抗を超えるのに必要な圧力は、大気圧によりインク
供給リザーバ３８を開閉したり、印刷するときにリザー
バをプリントヘッド１０に関して適当な高さに配置する
ことによって、提供される。図２に表されたように、プ
リントヘッド及びインク供給リザーバは、スタンバイの
ときは本質的に同じ高さである。印刷が必要なとき、又
は印刷ができる状態が起動されたとき、適度な圧力（所
与のインクフローのためのインク供給システムの残りの
圧力降下を含む）になるように、インク供給リザーバが
上昇される。作動要素、ポンプ４６は作動し、プリント
ヘッドから供給リザーバへインクをくみ上げたりプリン
トヘッドに戻したりする。次に、メニスカスとリザーバ
との間の圧力ヘッド（圧力水頭）により、インクをプリ
ントヘッドからリザーバに逆輸送する。この方法は、ク
ラッドフィードバック又はインクモニタリングのみが必
要であるように、充分な許容範囲（自由度）を提供す
る。正面２８上の溝３０を通してインクを移動させるの
に必要な最大圧力差は５．４インチＨ2 Ｏのみであり、
インク供給システムの他の部分をより大きくして好まし
くは多くのジェットを供給することができるので、高度
変更はプリンタの制限内で簡単に行うことができる。
【００２０】本発明の原則に従って、他のインク循環パ
スの実施の形態が可能である。図３は、図２のバリエー
ションを表し、ここではプリントヘッド１０のチャネル
２２の下のヒータ基板１４には更にチャネル５０が形成
されている。この実施の形態のインクパスは、入口５１
からチャネル１６、３１及び５０を通り、出口５２が出
口になっている。従って、第一の実施の形態のようにチ
ャネル２２を通るフローはない。
【００２１】図４は、図２のようなプリントヘッド構造
を有するが、圧力ヘッドを備えた他の実施の形態を表
す。インクは供給部３８から入口２６’（図２では出口
２６）にくみ上げられる。フローパスはチャネル２２、
３１及び１６を通り、出口２４’（図２では入口２４）
が出口になっている。
【００２２】幾つかのサーマルジェットの実施の形態に
おいて、オリフィスプレート３４は使用されず、ノズル
の機能を果たすためにチャネルが作られる。図５を参照
すると、先述の実施の形態と同様、プリントヘッドの正
面は、インクに対して非湿潤性である。このような場
合、溝３０（複数）がこの正面に製造されており、この
溝の片側が空気に触れるように開いている。この溝３０
の内側面（表面３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ（図６））は、
インクに対して湿潤性である。従ってこれらの溝はイン
クが流れるときに通るトレンチである。このフローはこ
のフロー方向に沿った圧力勾配に正比例する。オリフィ
スプレート３４のないチャネル、例えば溝３０の片側の
壁が空気に触れるように開いていれば、メニスカス３３
（図７）はインク内に確立された他の圧力差（この場合
気圧とインク内の圧力との差）を支えなければならな
い。最後に、インクメニスカスの耐荷力によって、開い
たチャネル内で支えられ得る最大フローが決まる。流体
に湿潤性のある壁表面を有するチャネルがチャネルから
溢れ出ないように支える得る最大フローは１つであるた
め、入口での流体中の圧力は気圧に等しい（高圧力では
フローはチャネルからこぼれ出る）が、出口での流体内
の圧力は、メニスカスが支え得る最低負ゲージ圧力であ
る。流体内の圧力はフロー方向に沿ってゆっくりしか変
化しないので、任意の地点のメニスカスの形状は円筒形
表面の部分に近く、最低出口圧力は、
【数１】 である。式中σはインクの表面張力であり、ａはチャネ
ル幅である。このような状況は、図６及び図７（Ａ）、
図７（Ｂ）に図示されている。このような場合、出口の
メニスカスの半径はａ／２である。
【００２３】図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に図示された開
いたチャネル内のフローの良い近似は、以下の分析によ
り得られる。まず、幅ａ、深さｂを有する矩形断面を有
する均等なフローによってフローを近似することが適当
である（ｂは均等フローの断面が実際のチャネルの入口
及び出口のフロー断面の平均に等しくなるように選択さ
れる）。これは図７（Ｃ）に図示されている。均等チャ
ネル内のフローは固体表面（solid surface ）ＹＹ、Ｕ
Ｕ、ＶＶ及び自由表面ＷＷによって画定される。このよ
うなチャネルにおいて、固体表面ＹＹ，ＵＵ，ＶＶはフ
ローに対して粘性低抗を示し、自由表面ＷＷはフローを
全く妨害しない。図７（Ｄ）からは、全てが４つの固体
表面に囲まれており、高さが２ｂ（均等矩形の開いたチ
ャネルの深さｂの２倍に等しい）である矩形チャネルの
各半分内には、この場合の対称性により、同じ粘性フロ
ーが確立されることがはっきり分かる。閉鎖矩形チャネ
ルを通る定常体積流量Ｑは分析的に解くことができ、
【数２】 で表される。ここでＡは断面領域であり、μはインク粘
性、ｄｐ／ｄｚは圧力勾配、及び係数Ｆは、
【数３】 の数列で表される。ηは矩形断面のアスペクト比であ
る。
【００２４】３００ｓｐｉ印刷が可能なプリンタでは、
妥当なチャネル幅は６０ミクロンで、深さ７５ミクロン
である。インクの表面張力を４０ｍＮ／ｍとすると、こ
の最低ゲージ圧力は−５．４インチＨ2 Ｏ（−１，３３
０パスカル）である。入口の断面は１．２５ａ2 であ
り、ａは６０μｍに等しい。出口の断面は入口の断面よ
りπａ2 ／８だけ小さい。平均断面をとると、先に決定
された圧力勾配によって動くフローの計算のために、近
似フローはａに等しい深さｂを有する均一断面を有す
る。先に提示した分析を参照すると、このチャネル内の
フローは、幅は同じａだが高さが２ａである矩形閉鎖チ
ャネル内のフローのちょうど半分に等しく、アスペクト
比ηはここでは２に等しい。インクの粘性＝２cpoiseと
して計算すると、オープンチャネルを通る体積流量Ｑ
open、
【数４】 又はドロップ量が１００plだとすると、
【数５】 が得られる。３００ｓｐｉで２１ｋＨｚのドロップ生成
は、一般的なサーマルインクジェットプリンタが送出す
る必要がある生成量よりも非常に多い。従って、プリン
トヘッドを通るインクの定常フローの概念が実証され
た。正面２８上の溝３０にインクを通すのに必要な最大
圧力差は、５．４インチＨ2 Ｏだけでよく、インク供給
システムの他の部分を大きくして好ましくはジェットの
数を多くすることができるので、高度変更は、プリンタ
の制限内で簡単に行うことができる。
【００２５】図１、図２、図４及び図５は、プリントヘ
ッドの側面に形成されたノズルを通してインクを排出す
る”サイドシューター”プリントシステムとして参照さ
れる。本発明の概念は、米国特許第４，９１０，５２８
号に開示されたタイプの”ルーフシューター”プリント
ヘッドにも適用可能である。
【００２６】図８は、ルーフシュータープリントヘッド
５８の簡略図を表す。プリントヘッド基板には再循環チ
ャネル６０、６２、６４が形成されている。オリフィス
プレート７０の中に形成されたノズル６８の近くにはヒ
ータ要素６６が配置されている。
【００２７】本明細書に記載された実施の形態は好適な
ものであるが、当業者によりこの教示から様々な代替
品、修正品、或いは改良品が作られることができること
が分かるであろう。例えば、再循環されたインクは、再
循環中にプリントヘッドの外側のインク循環パスにフィ
ルタを設置することによって効果を上げることができ
る。或いは、インク製剤を再構成することができる。
【００２８】インクを循環させるによって印刷動作の間
にプリントヘッドを冷却することができることも、本発
明の更なる望ましい利点である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の連続的インク循環システムの１つの実
施の形態を表すプリントヘッドの部分的略等角図であ
る。
【図２】図１のライン２−２で切り取ったプリントヘッ
ドの断面図である。
【図３】図１及び図２に表されたプリントヘッドの第二
の実施の形態の断面図である。
【図４】図１及び図２に表されたプリントヘッドの第三
の実施の形態の断面図である。
【図５】オリフィスプレートのない、図２に表されたプ
リントヘッドの断面図である。
【図６】図５に表されたインク循環チャネルの拡大図で
ある。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）は、インク
チャネルの断面図である。
【図８】本発明のインク循環パスを用いたルーフシュー
タープリントヘッドの断面図である。
【符号の説明】
１０ プリントヘッド １６、２２、３１、５０、 インクチャネル ３６ ノズル ３８ インク供給リザーバ ４６ ポンプ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 インクジェットプリントヘッドの内部チ
    ャネル及びノズルを介してインクを連続的に循環するサ
    ーマルインクジェット印刷システムであって、 インクの入口及び出口を有するプリントヘッドを含み、
    このプリントヘッドの中には前記入口から前記出口まで
    流体インクフローパスを生成するインクチャネル（複
    数）が形成されており、前記プリントヘッドは複数の加
    熱抵抗器からなる直線アレイを更に有し、各抵抗器は前
    記ノズルのうち１つと関連しており、 加熱要素を選択的に通電して前記関連するノズルを介し
    てインクの液滴を放出させるための電気回路を含み、 前記プリントヘッドの前記入口に連結されたインク供給
    リザーバを含み、 前記インク供給リザーバと前記出口との間を接続するポ
    ンプを含み、 非排出モードの間にノズルの近くのインクが安定した凹
    状のメニスカスを形成してインクをノズルから流れ出な
    いようにインクパスに沿ってフローさせるように、前記
    インクパスに沿って前記インクフローの圧力勾配及び方
    向を制御するための制御システムを含む、 サーマルインクジェット印刷システム。
  2. 【請求項２】 前記インクチャネルの一部がプリントヘ
    ッドの正面に形成された溝によって形成され、前記プリ
    ントヘッドの正面に前記ノズルが設置された、請求項１
    に記載のサーマルインクジェット印刷システム。
  3. 【請求項３】 プリントヘッドと同じ高度であるスタン
    バイ位置から低高度にインクリザーバを移動させて必要
    な圧力勾配を確立し、流体フローライン内の圧力を気圧
    以下に確立するためにポンプを起動する、請求項１に記
    載のサーマルインクジェット印刷システム。
JP31857197A 1996-11-22 1997-11-19 サーマルインクジェット印刷システム Expired - Lifetime JP4256487B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/754,906 US5818485A (en) 1996-11-22 1996-11-22 Thermal ink jet printing system with continuous ink circulation through a printhead
US754906 1996-11-22

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH10157110A true JPH10157110A (ja) 1998-06-16
JP4256487B2 JP4256487B2 (ja) 2009-04-22

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP31857197A Expired - Lifetime JP4256487B2 (ja) 1996-11-22 1997-11-19 サーマルインクジェット印刷システム

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