JPH10501771A - 印刷ヘッドの温度パルスを正確に制御するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ドロップオンデマンドプリンタアクチュエータに対して熱パルスを発生する方法及び装置。変動電圧パルスが、抵抗ヒータ中で時変電力を発生させるアクチュエータの一部を形成する抵抗ヒータに供給される。電力は下記の段階を含む態様で時間に関して変動する。１）アクチュエータの温度を上昇させるが、総エネルギーが印刷アクチュエータを作動させるには不十分な予熱段階。２）アクチュエータを必要な動作温度に急速に上昇させる電力上昇段階。３）段階（ｂ）の電力より低いが、必要な動作温度に維持するには十分な電力低減段階。４）必要とする動作温度以下に急速に温度が下がる低電力段階またはゼロ電力段階。（印刷ヘッドのノズルチップやドロップオンデマンド印刷ヘッドのような）装置の臨界点の温度履歴の正確な制御は、必要な構造体の動的有限要素シミュレーションに初期電力関数を適用することで、必要とする電力関数を決定し、この電力関数を繰り返し修正することで実現される。

Description

【発明の詳細な説明】 印刷ヘッドの温度パルスを正確に制御するための方法および装置 技術分野 本発明は、コンピュータ制御印刷装置の分野に関し、特に熱作動ドロップオン デマンド（ＤＯＤ）印刷システムの分野に関するものである。 発明の背景 現在まで、多くの異なるタイプのディジタル制御印刷システムが発明され、多 くのタイプのものが現在生産されている。これらの印刷システムは、種々の作動 機構、種々のマーキング剤および種々の記録媒体を使用する。現在使用されてい るディジタル印刷システムの例としては、レーザ電子写真プリンタ、ＬＥＤ電子 写真プリンタ、ドットマトリックスインパクトプリンタ、熱式ペーパープリンタ 、フィルムレコーダ、熱式ワックスプリンタ、染料分散熱式移動プリンタおよび インクジェットプリンタ等がある。しかし、現在のところ、従来の方法が、設定 に非常に費用が掛かり、特定のページを数千枚印刷する場合でなければ、商業的 にほとんど引き合わないにもかかわらず、電子印刷システムが機械的印刷機に取 って代わっているケースはまだまだ少ない。それ故、例えば、普通紙を使用して 、高速、低コストで高品質のカラーイメージを印刷することができる改良型ディ ジタル制御印刷システムが求められている。 インクジェット印刷は、ディジタル制御電子印刷分野での極めて優れた競争相 手とされてきた。何故なら、例えば、インパクト型ではなく、騒音が少なく、普 通紙に印刷でき、トナーの転写や定着を行う必要がないからである。 現在までに、多くのタイプのインクジェット印刷機構が発明されてきた。これ らのインクジェット印刷機構は、連続インクジェット（ＣＩＪ）またはドロップ オンデマンド（ＤＯＤ）インクジェットに分類することができる。連続インクジ ェット印刷の歴史は古く、少なくとも１９２９年には発明されていた。ハンセル の米国特許第１、９４１、００１号参照。 １９６７年のスイート他の米国特許第３、３７３、４３７号は、印刷に使用さ れるインクの粒子が選択的に電荷を与えられ、記録媒体に向けて偏向される、連 続インクジェットノズルのアレーを開示している。この技術は、二進法偏向ＣＩ Ｊとして周知であり、エルムジェットおよびサイテックスのような数社のメーカ ーが使用している。 １９６６年のヘルツ他の米国特許第３、４１６、１５３号は、小さな孔を通る インクの粒子の数を変調するために、電荷を帯びたインクの粒子の流れを静電的 に分散させることによって、ＣＩＪ印刷で印刷した点の濃度を光学的に変化させ る方法を開示している。この技術は、イリスグラフィックス社が製造したインク ジェットプリンタに使用されている。 １９７０年のカイザー他の米国特許第３、９４６、３９８号は、圧電クリスタ ルに高電圧を掛け、クリスタルを曲げ、インクタンクに圧力を掛け、必要に応じ てインクの粒子を噴出させるＤＯＤインクジェットプリンタを開示している。多 くのタイプの圧電ドロップオンデマンドプリンタが次から次へと発明されたが、 これら圧電プリンタは、圧電クリスタルを、曲げモード、押しモード、せん断モ ードおよび絞りモードで使用している。圧電ＤＯＤプリンタは、高温溶融インク （例えば、テクトロニクスおよびデータプロダクトプリンタ）を使用して、商業 的に成功したが、その家庭用およびオフィス用のイメージ解像度は最高７２０ｄ ｐｉであった（セイコーエプソン）。圧電ＤＯＤプリンタは、広い範囲の種類の インクを使用することができるという利点を持っている。しかし、圧電印刷機構 は、通常、複雑な高電圧駆動回路と容積の大きい圧電クリスタルアレーを必要と し、そのため製造が困難であり、性能の上でも不利になっている。 １９７９年の遠藤他の英国特許第２、００７、１６２号は、ノズル内のインク と熱的に接触している電熱トランスジューサ（ヒータ）に、電力パルスを加える 電熱ＤＯＤインクジェットプリンタを開示している。ヒータは、急速に、水をベ ースとしたインクを高温に加熱し、その場合、少量のインクは急速に蒸発しバブ ルを形成する。このようなバブルが形成されると、その結果、圧力波ができ、こ の圧力波はインクの粒子をヒータの基板の縁部にそって、小さな孔部から排出さ せる。この技術は、Ｂｕｂｂｌｅｊｅｔ^TM（日本のキャノン社の登録商標）と呼 ばれ、キャノン、ゼロックスおよびその他のメーカーが製造している多くの種類 の印刷システムで使用されている。 １９８２年のボート他の米国特許第４、４９０、７２８号は、バブルの形成に よって作動する電熱粒子排出システムを開示している。このシステムの場合、粒 子はヒータの上に設置されている孔部を持つ板に形成されているノズルを通して 、ヒータの基板の面に垂直な方向に排出される。このシステムは熱インクジェッ トと呼ばれ、ヒューレット−パッカード社が製造している。本明細書には熱イン クジェットという用語は、ヒューレット−パッカード社のシステムおよびＢｕｂ ｂｌｅｊｅｔ^TMと通常呼ばれているシステムの両方を指すのに使用されている。 熱インクジェット印刷は、通常、一つの粒子を排出するのに約２マイクロ秒中 に約２０マイクロジュールを必要とする。各ヒータが１０ワットの有効電力を消 費するのは、それ自身不利であるうえに、特別なインクを必要とし、ドライバエ レクトロニクスが複雑になり、ヒータ素子の劣化が促進される。 技術文献には、他のインクジェット印刷システムも記載されているが、現在は 商業的には使用されていない。例えば、米国特許第４、２７５、２９０号は、熱 パルスと水圧で、所定の印刷ヘッドノズルのアドレスを一致させることにより、 インクが印刷ヘッドの下を通して、スペーサにより分離されている紙に自由に流 れることができるシステムを開示している。米国特許第４、７３７、８０３号、 第４、７３７、８０３号および第４、７４８、４５８号は、印刷ヘッドノズル内 のインクのアドレスを熱パルスおよび静電誘引フィールドに一致させることによ り、印刷シートにインクの粒子を排出させるインクジェット記録システムを開示 している。 上記各インクジェット印刷システムは、利点と欠点とを持つ。しかし、例えば 、コスト、速度、品質、信頼性、電力利用、簡単な構造と操作、耐久性および消 耗品の点で有利な改良型インクジェット印刷方法が依然として求められているこ とは広く知られている。 発明の概要 「液体インク印刷装置およびシステム」および「同時粒子選択、粒子分離印刷 方法およびシステム」という名称の、本出願と一緒に提出された出願には、上記 の従来技術の問題を克服するための、有意な改良を行うことができる新しい方法 および装置が記載されている。これらの発明は、例えば、粒子の大きさおよび粒 子の印刷場所の正確さ、達成できる印刷速度、電力利用、耐久性および遭遇する 動作上の熱応力および他のプリンタ性能特性、並びに製造が容易であることおよ び有益なインクの特性に関して、重要な利点を持っている。本発明の一つの重要 な目的は、上記出願に開示されている構造および方法をさらに改善し、それによ り印刷技術の進歩に貢献することである。 それ故、本発明の一つの重要な目的は、熱印刷にあたって、より正確な結果を 生ずるプリンタアクチュエーションのための手段および方法を提供することであ る。ある態様において、本発明は、アクチュエーション期間中に与えられる電気 エネルギーに応じ、接触しているインクに対しアクチュエーション周期出力パル スとして熱エネルギーを供給する抵抗ヒータ手段と、上記ヒータ手段に電気的エ ネルギーを与える電力手段とを有する種類の熱ドロップオンデマンド印刷装置に おいて、（ａ）アクチュエーション期間内で上記ヒータ手段に異なるレベルの電 気エネルギーを供給するのに上記電力手段を制御する手段と、（ｂ）アクチュエ ーション期間の特定の段階と供給される特定の電力レベルとについて上記制御手 段に信号を送る論理手段とを有するように改良している。 別の態様において、本発明はドロップオンデマンドプリンタアクチュエータに 対して熱パルスを発生する方法である。この方法は、時間変化する電力を抵抗ヒ ータに発生させアクチュエータの一部を形成する抵抗ヒータに対して、変動電圧 パルスを供給して、以下の段階を含む手法により電力が時間に対して変化させる ステップを有する。 １）アクチュエータの温度を上昇させるが、総エネルギーは印刷アクチュエータ を作動させるには不十分な予熱段階。 ２）アクチュエータ温度を必要な動作温度に急速に上昇させる電力上昇段階。 ３）段階（ｂ）の電力より低いが、温度を必要な動作温度に維持するには十分な 電力低減段階。 ４）必要とする動作温度以下に温度が急速に下がる低電力またはゼロ電力段階。 本発明の好適な態様は、印刷ヘッドが同期力印刷モードで作動することである 。 本発明のさらに好適な態様は、時変電力パルスを発生させるために必要な電源 電圧が印刷ヘッドの動作開始前に計算されて、電子メモリ中にディジタル情報と して記憶されることである。 本発明のさらに好適な態様は、時変電力パルスを発生させるために必要な電源 電圧が印刷密度に対しても補償されることである。 本発明のさらに好適な態様は、時変電力パルスを発生させるために必要な電源 電圧が周囲温度に対しても補償されることである。 本発明のさらに好適な態様は、時変電力パルスを発生させるために必要な電源 電圧が、印刷密度および周囲温度の両方に対しても補償されることである。 本発明のさらに好適な態様は、ヒータ電源電圧が下記式によって決定されるこ とである。 図面の簡単な説明 図１（ａ）は、本発明の一つの例示としての印刷装置の簡単なブロック図であ る。 図１（ｂ）は、本発明のノズルチップの一例の断面図である。 図２（ａ）−図２（ｆ）は、インク粒子選択の流体力学シミュレーションであ る。 図３（ａ）は、本発明の一実施形態の作動中のノズルの有限要素流体力学シミ ュレーションである。 図３（ｂ）は、インク粒子選択および分離の際の継続メニスカス位置である。 図３（ｃ）は、インク粒子選択サイクル中の種々の点における温度である。 図３（ｄ）は、種々のインク添加物に対する測定表面張力対温度曲線である。 図３（ｅ）は、図３（ｃ）の温度曲線を発生させるためのノズルヒータに送ら れる電力パルスである。 図４は、本発明を実施するための印刷ヘッド駆動回路の簡単なブロック図であ る。 図５は、故障許容を使用もしくは使用しない、本発明の特徴を実施するＡ４ペ ージ幅のカラー印刷ヘッド用の予想製造歩留まりである。 図６は、印刷ヘッドを使用する一般化したブロック図である。 図７（ａ）は、好適な一実施形態による４パルスクリアリングサイクル中に、 プリンタヒータに供給される電力である。 図７（ｂ）は、４パルスクリアリング周期中におけるノズル内の種々な点の温 度履歴である。 図８（ａ）−図８（ｅ）は種々の周囲温度における印刷ヘッド動作の温度履歴 である。 図９（ａ）−図９（ｅ）は種々の周囲温度における印刷ヘッドの動作のシミュ レーションの特定の時間ステップでの等温線である。 図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、インク粒子排出サイクル中にヒータ電力 を変化させるための手段および装置である。 図１１はヒータ電力曲線である。 好適な実施形態の詳細な説明 一つの一般的な態様では、本発明は、ドロップオンデマンド印刷機構からなり 、そこでは、印刷に使用されるインク粒子を選択する手段が、選択されたインク 粒子と、選択されていないインク粒子との間の位置関係を変えるが、これはイン ク粒子がインクの表面張力に打ち勝ち、インクの本体から分離するには不十分で あり、さらに、インク本体から選択されたインク粒子を分離させるために別の手 段が使用されている。 インク粒子選択手段をインク粒子分離手段から分離すると、どのインク粒子を 印刷に使用するのかを選択するのに必要なエネルギーが有意に低減する。インク 粒子選択手段だけを、各ノズルに対する個々の信号によって駆動すればよいから である。インク粒子分離手段は、電界または条件に応じて、すべてのノズルに同 時に使用することができる。 インク粒子選択手段は、下記のリストから選択することができるが、リストに 記載されているものだけに限定されるわけではない。 １）圧力が掛けられているインクの表面張力の電熱低減 ２）インク粒子の排出を起こさせるには不十分なバブル体積による、電熱バルブ の発生 ３）インク粒子を排出させるには不十分な容積の変化を持つ圧電 ４）各ノズルに一つの電極を使用する静電吸引 インク粒子分離手段は、下記のリストから選択することができるが、リストに 記載されているものだけに限定されるわけではない。 １）近接（印刷ヘッドに近接している記録媒体） ２）振動インク圧による近接 ３）静電吸引 ４）磁気吸引 「ＤＯＤ印刷技術の目標」テーブルは、ドロップオンデマンド印刷技術のいく つかの望ましい特性を示す。このテーブルはまた、それにより本明細書に記載し たいくつかの実施形態、または本発明に関連する他の出願に記載されているいく つかの実施形態が使用し、それにより従来技術を改良したいくつかの方法を表示 している。 熱的インクジェット（ＴＩＪ）および圧電インクジェットシステムの場合には 、選択したインク粒子が確実にインクの表面張力に打ち勝ち、インク本体から分 離し、記録媒体に吹き付けられるためには、インク粒子の秒速は好適には約１０ メートルであることが好ましい。上記システムの電気的エネルギーを、インク粒 子の運動エネルギーに変換する効率は非常に低い。ＴＩＪシステムの効率は、約 ０．０２％である。このことは、ＴＩＪ印刷ヘッド用の駆動回路は、大電流を切 り替えなければならないことを意味する。圧電インクジェットヘッド用の駆動回 路は、大電圧を切り替えなければならないか、または大きな容量性の負荷を切り 替えなければならない。ページ幅のＴＩＪ印刷ヘッドの全消費電力は、非常に高 い。１秒間に１つの４カラーブラックイメージを印刷する、８００ｄｐｉのＡ４ 全カラーページ幅のＴＩＪ印刷ヘッド印刷は、約６キロワットの電力を消費する が、その大部分は無駄な熱になる。この熱を除去するのが難しいので、ローコス トで、高速、高解像度の小型のページ幅ＴＩＪシステムの生産がなかなかうまく いかない。 本発明の実施形態の一つの重要な特徴は、印刷に使用するインク粒子の選択に 必要なエネルギーを有意に低減する手段である。上記のエネルギーの低減は、イ ンク粒子を選択するための手段を、選択したインク粒子を確実にインク本体から 分離し、また記録媒体上にドットを形成するための手段から分離することによっ て達成される。インク粒子選択手段だけを、各ノズルに対する個々の信号によっ て駆動しなければならない。インク粒子分離手段は、すべてのノズルに同時に適 用されるフィールド又はコンディションとなる。 「インク粒子選択手段」を示すテーブルには、本発明のインク粒子を選択する ための可能な手段がいくつか表示されている。インク粒子選択手段は、選択され たインク粒子の位置を十分に変化させるのに必要であり、それにより、インク粒 子分離手段は、選択されたインク粒子を、選択されなかったインク粒子から区別 することができるわけである。 他のインク粒子選択手段も、使用することができる。 水をベースとするインク用の好適なインク粒子選択手段は、方法１：「圧力下 のインクの表面張力を電熱により低減する」方法である。このインク粒子選択手 段は、他のシステムと比較すると、多くの利点を持つ。その利点としては下記の ものが含まれる。すなわち、動作電力が低いこと（ＴＩＪの約１％）、ＣＭＯＳ ＶＬＳＩチップ製造法と互換性を持っていること、動作電圧が低いこと（約１ ０Ｖ）、ノズル密度が高いこと、低温で動作できること、および適当なインク組 成の範囲が広いことである。インクの表面張力は、温度の上昇に従って、低下し なければならない。 高温溶融インクまたはオイルをベースとするインク用の好適なインク粒子選択 手段は、方法２：「変動インク圧とともに、インクの粘度を電熱により下げる」 方法である。上記インク粒子選択手段は、温度の上昇と共に、粘度が大幅に低下 するが、表面張力は少ししか低下しないインクと一緒に使用するのに特に適して いる。特に、比較的高い分子量を持つ非極性インクキャリヤの場合に適している 。これは特に、高温溶融インクおよびオイルをベースにしているインクの場合に 適している。 「インク粒子分離手段」を示すテーブルには、選択されたインク粒子をインク 本体から分離し、選択したインク粒子により、印刷媒体上にドットを形成するの に使用することができるいくつかの方法が示されている。インク粒子分離手段は 、選択されなかったインク粒子が、印刷媒体上に絶対にドットを形成しないよう にするために、選択されたインク粒子を選択されなかったインク粒子から区別す る。 他のインク粒子分離手段も使用することができる。 好適なインク粒子分離手段は、用途によって変わる。 ほとんどの用途の場合には、方法１：「静電誘引」または方法２：「交流電界 」が最も適している。平滑なコーティングが行われた紙またはフィルムが使用さ れ、非常な高速が絶対必要ではない場合には、方法３：「近接」が適当である。 高速、高品質を必要とする場合には、方法４：「転送近接」を使用することがで きる。方法６：「磁気誘引」は、印刷媒体が、近接印刷に対してあまりにざらざ らしていて、静電インク粒子分離用に必要な高電圧が望ましくない、ポータブル 印刷システムに適している。すべての用途に適用できるはっきりした「最善の」 インク粒子分離手段はない。 本発明の種々のタイプの印刷システムのより詳細な説明は、その開示が参考文 献として本明細書に記載されている、１９９５年４月１２日付けの下記のオース トラリアの特許明細書に記載されている。すなわち、 「液体インク故障許容（ＬＩＦＴ）印刷機構」（出願番号：ＰＮ２３０８） 「ＬＩＦＴ印刷の際の電熱インク粒子選択」（出願番号：ＰＮ２３０９） 「印刷媒体近接によるＬＩＦＴ印刷の際のインク粒子分離」（出願番号：ＰＮ ２３１０ 「ヘッドと媒体の間の距離を変化させることによる、近接ＬＩＦＴ印刷におけ るインク粒子の大きさの調整」（出願ＰＮ２３１１） 「音響インク波を使用する増大近接ＬＩＦＴ印刷」（出願番号：２３１２） 「ＬＩＦＴ印刷における静電インク粒子分離」（出願番号：ＰＮ２３１３） 「近接印刷における多重同時インク粒子サイズ」（出願番号：ＰＮ２３２１） 「熱作動印刷ヘッドの自己冷却動作」（出願番号：ＰＮ２３２２） 「熱的粘度低減ＬＩＦＴ印刷」（出願番号：ＰＮ２３２３） 図１（ａ）は、本発明の一つの好適な印刷システムの略図である。 イメージ源５２は、スキャナまたはコンピュータからのラスタイメージデータ であってもよいし、ページ記述言語（ＰＤＬ）の形のアウトラインイメージデー タであってもよいし、または他の形のディジタルイメージ表現であってもよい。 このイメージデータは、イメージ処理システム５３によってピクセルマップされ たページイメージに変換される。上記イメージ処理システムは、ＰＤＬイメージ データの場合には、ラスタイメージプロセッサ（ＲＩＰ）かも知れないし、ラス タイメージデータの場合には、ピクセルイメージ操作であるかもしれない。イメ ージ処理ユニット５３によって生じた連続トーンデータは、ハーフトーンである 。ハーフトーン化は、ディジタルハーフトーン化ユニット５４によって行われる 。ハーフトーン化されたビットマップイメージデータは、イメージメモリ７２に 記憶される。プリンタおよびシステム構成によって、イメージメモリ７２は全ペ ージメモリであったり、バンドメモリであったりする。ヒータ制御回路７１は、 イメージメモリ７２からデータを読み取り、印刷ヘッド５０の一部であるノズル ヒータ（図１（ｂ）の１０３）に、時変電気パルスを送る。上記パルスは適当な 時間に、適当なノズルに送られ、その結果、選択されたインク粒子は、イメージ メモリ７２のデータによって指定された、記録媒体５１上の適当な場所に点を形 成する。 記録媒体５１は、マイクロコントローラ３１５によって制御されている、ペー パー移動制御システム６６によって電子的に制御されている、ペーパー移動シス テム６５によって、ヘッド５０に対して移動する。図１（ａ）に示すペーパー移 動システムはその略図にしか過ぎず、多くの異なる機械的構成を使用することが できる。ページ幅印刷ヘッドの場合には、記録媒体５１を、定置型のヘッド５０ に接触させながら移動させるのが最も便宜的な方法である。しかし、走査印刷シ ステムの場合には、相互にラスタ動作が行われるように、普通ヘッド５０を軸（ サブ走査方向）上にそって移動し、記録媒体５１を直行軸（主走査方向）にそっ て移動するのが最も便宜的な方法である。マイクロコントローラ３１５は、また インク圧レギュレータ６３およびヒータ制御回路７１を制御することができる。 表面張力の低減を利用する印刷の場合には、インクは圧力が掛けられた状態で インクタンク６４に収容されている。（インク粒子が排出されない）静止状態の 場合には、インク圧は表面張力に打ち勝って、インク粒子を排出するほどまだ十 分高くない。インク圧レギュレータ６３の制御の下で、インクタンク６４に圧力 を加えることによって、インクに一定の圧力を加えることができる。別の方法と しては、大型の印刷システムの場合には、ヘッド５０上の適当な高さのところに 、インクタンク６４のインク頂面を設定することによって、インク圧を非常に正 確に発生し、制御することができる。インクレベルは、簡単なフロート弁（図示 せず）により調整することができる。 粘度の低減を利用する印刷の場合には、インクはインクタンク６４に収容され ていて、インク圧は振動により与えられる。この振動を発生するための手段とし ては、インクチャネル（図示せず）に実装されている圧電アクチュエータを使用 することができる。 インク粒子分離手段と共に適当に配置すれば、選択されたインク粒子は、記録 媒体５１上に点を形成し、一方、選択されなかったインク粒子はインク本体の一 部として残る。 インクは、インクチャネル装置７５によって、ヘッド５０の背面に分配される 。インクは、好適にはヘッド５０のシリコン基板に彫られたスロットおよび／ま たは孔部を通って、ノズルおよびアクチュエータが設置されている前面に流れる ことが好ましい。熱的選択が行われる場合には、ノズルアクチュエータは、電熱 ヒータである。 本発明のある種のタイプのプリンタの場合には、選択されたインク粒子をイン ク本体から確実に分離し、記録媒体５１の方向に確実に移動させるのに、外部電 界７４が必要になる。インクは容易に電導性を持つことができるので、手ごろな 外部電界７４として、定電界を使用することができる。この場合、ペーパーガイ ドまたはプラテン６７を、電導性の材料で作ることができ、電界を発生する一つ の電極として使用することができる。もう一方の電極としては、ヘッド５０自身 を使用することができる。他の実施形態は、選択されたインク粒子と選択されな かったインク粒子とを区別するための手段として、印刷媒体の近接を使用してい る。 小さなインク粒子の場合には、インク粒子に掛かる重力は非常に小さい。すな わち、表面張力の約１０^-4で、ほとんどの場合、重力は無視することができる。 このため、印刷ヘッド５０および記録媒体５１を、局部的な重力の場に対して任 意の方向に向けることができる。このことはポータブル型のプリンタにとって、 重要な要件である。 図１（ｂ）は、修正ＣＭＯＳプロセスを使用して製造した、本発明の単一の顕 微鏡的ノズルチップの実施形態の断面の詳細な拡大図である。ノズルは基板１０ １に彫られていて、この基板はシリコン、ガラス、金属または他の任意の適当な 材料で作ることができる。基板が半導体でない材料でできている場合には、（無 定型シリコンのような）半導体材料を基板上に配置して、表面に半導体層に集積 駆動トランジスタおよびデータ分配回路を形成することができる。単結晶シリコ ン（ＳＣＳ）基板は、下記に記載する利点を含めて、いくつかの利点を持つ。 １）高性能の駆動トランジスタ、および他の回路をＳＣＳ内に作ることができる 。 ２）標準ＶＬＳＩ処理装置を使用して、現在の施設（工場）で印刷ヘッドを作る ことができる。 ３）ＳＣＳは機械的強度および剛性が高い。 ４）ＳＣＳは高い熱伝導性を持つ。 この例の場合には、ノズルは円筒形をしていて、環状のヒータ１０３を持つ。 ノズルチップ１０４は、ＣＭＯＳ駆動回路の形成過程中に形成された二酸化シリ コン層から作られている。ノズルチップは、窒化シリコン膜で保護されている。 突出しているノズルチップは、印刷ヘッド表面上の圧力が掛かっているインク１ ００の接触点を制御している。印刷ヘッドの表面も、印刷ヘッドの前面を横切っ て、不必要にインクが広がらないように疎水化されている。 多くの他の構成のノズルを使用することができ、本発明のノズルの実施形態の 形、大きさおよび使用材料をいろいろに変えることができる。その上にヒータお よび駆動エレクトロニクスが形成されている基板に彫られたモノリシックなノズ ルは、オリフィス板を必要としないという利点を持つ。オリフィス板を使用しな いですむので、製造およびを組立の際のコストを有意に節減することができる。 オリフィス板を使用しないですむ最近の方法としては、ゼロックスに譲渡された 堂本他の１９８６年の米国特許第４、５８０、１５８号、ヒューレット−パッカ ード社に譲渡されたミラー他の１９９４年の米国特許第５、３７１、５２７号に 記載されている方法のような「渦巻」アクチュエータ等がある。しかし、これら の方法は、動作が複雑で、製造が難しい。本発明の印刷ヘッド用のオリフィス板 を使用しない好適な方法は、アクチュエータの基板内にオリフィスを内蔵させて いる。 このタイプのノズルは、インク粒子を分離するために種々の技術を使用してい る印刷ヘッドに対して使用することができる。 静電インク粒子分離を使用する動作 最初の例として、図２に表面張力の熱による低減および静電式インク粒子分離 を使用する動作を示す。 図２は、米国、イリノイ州所在のフルイドダイナミック社が販売している商業 的な流体の動的シミュレーションソフトウエアパッケージであるＦＩＤＡＰを使 用して行ったエネルギーの移動および流体の動的シミュレーションの結果を示す 。このシミュレーションは、周囲温度が３０℃の場合の、直径が８ミクロンの熱 的インク粒子選択ノズルの実施形態についてのものである。ヒータに供給された 全エネルギーは、２７６ｎＪで、それぞれが４ｎＪのエネルギーを持つ６９のパ ルスによって与えられる。インク圧は、周囲の空気圧より１０ｋＰａ高く、３０ ℃のインクの粘度は１．８４ｃＰｓであった。インクは水をベースとするもので 、温度が上昇するにつれて、表面張力を大きく低下させるために、０．１％のパ ルミチン酸のゾルを含む。図に示すように、ノズルの中心軸から半径方向へのノ ズルチップの断面の長さは４０ミクロンである。シリコン、窒化シリコン，アモ ルファス二酸化シリコン、結晶状二酸化シリコンを含むノズル材料内、および水 をベースとするインク中を流れる熱を、それぞれの密度、熱容量、および熱伝導 性を使用してシミュレートした。シミュレーションの時間的ステップは０．１マ イクロ秒である。 図２（ａ）は、ヒータが作動する直前の静止状態を示す。平衡状態にあり、そ のため静止状態の場合には、インク圧プラス外部電界は、絶対に、周囲温度での 表面張力に打ち勝つことができないので、ノズルからインクが噴出しない。静止 状態の場合には、インクのメニスカスは、印刷ヘッドの表面より有意に突出しな いので、そのため静電界はメニスカスに有意に集中しない。 図２（ｂ）は、ヒータ加熱パルスの供給が開始してから５マイクロ秒後の５℃ 間隔の等温線を示す。ヒータが加熱すると、ノズルチップと接触しているインク は急速に加熱される。表面張力が低下すると、メニスカスの加熱された部分が冷 たいインクのメニスカスに対して急速に膨張する。この状況下では、対流が起こ り、この対流がこの熱をノズルチップのインクの自由面の一部上を通して急速に 移動させる。この場合、熱をインクがヒータと接触していないところを通して分 配しないで、インクの表面上を通して分配する必要がある。なぜなら、固体のヒ ータに対して粘り気のあるインクが伝わると、ヒータと直接接触しているインク が移動できなくなるからである。 図２（ｃ）は、ヒータ加熱パルスの供給が開始してから、１０マイクロ秒後の ５℃毎の等温線を示す。温度が上昇すると、表面張力が低下し、力の平衡状態が 破れる。全メニスカスが加熱されると、インクが流れ始める。 図２（ｄ）は、ヒータ加熱パルスの供給が開始してから、２０マイクロ秒後の ５℃毎の等温線を示す。インク圧により、インクが新しいメニスカス部分に流れ 、印刷ヘッドから突き出る。静電界は、突き出た電導性のインク粒子によって集 中する。 図２（ｅ）は、ヒータ加熱パルスの供給が開始してから、３０マイクロ秒後の ５℃毎の等温線を示す。ヒータパルスの持続時間は２４マイクロ秒であるので、 この等温線はヒータパルスの終了後６マイクロ秒のものである。ノズルチップは 、酸化層を通しての熱伝導、および流動中のインクへの熱伝導により急速に冷却 する。ノズルチップは、インクにより効果的に水冷される。静電誘引により、イ ンク粒子の記録媒体へ向かっての加速が開始される。ヒータパルスが有意に短く なると（この場合は、１６マイクロ秒以下になると）、インクは印刷媒体の方向 に加速されず、ノズルの方向に戻る。 図２（ｆ）は、ヒータパルスの供給が終了してから、２６マイクロ秒後の５℃ 毎の等温線を示す。ノズルチップの温度は、周囲温度と比較した高さが５℃以下 になる。これにより、ノズルチップ周囲の表面張力が増大する。ノズルからイン クが引き出される速度が、ノズルを通してのインクの流れの粘度による制限値を 超えると、ノズルチップの領域内のインクが「くびれ」を起こし、選択されたイ ンク粒子がインク本体から分離する。その後、選択されたインク粒子は、外部の 静電界の影響を受けながら、記録媒体に向かって移動する。その後、ノズルチッ プのインクのメニスカスは、静止位置に戻り、次の加熱パルスに対して次のイン ク粒子を選択する準備が整う。各加熱パルスに対して、一つのインク粒子が選択 され、分離され、記録媒体上に点を形成する。加熱パルスは電気的に制御されて いるので、ドロップオンデマンドインクジェット動作を行うことができる。 図３（ａ）は、ヒータ加熱パルスの供給が開始されてから５マイクロ秒毎の、 インク粒子選択サイクル中の連続メニスカスの位置を示す。 図３（ｂ）は、メニスカスの中心の点の移動を示す、メニスカスの位置対時間 のグラフである。ヒータパルスはシミュレーションが開始してから１０秒後にス タートする。 図３（ｃ）は、時間の経過中の、ノズルのいろいろな点での温度の合成曲線で ある。グラフの垂直軸は１００℃単位の温度である。グラフの水平軸は、１０マ イクロ秒単位の時間である。図３（ｂ）の温度曲線は、０．１マイクロ秒毎にＦ ＩＤＡＰにより計算したものである。局部的な周囲温度は３０℃である。三つの 点での温度履歴を示す。 Ａ−ノズルチップ：不動態化層、インクおよび空気の間の接触円の温度履歴で ある。 Ｂ−メニスカスの中間点：ノズルチップとメニスカスの中心との間のインクメ ニスカスの中間点上の円である。 Ｃ−チップ表面：ノズルの中心から２０ミクロン離れた、印刷ヘッドの表面上 の点である。温度は数度しか上がらない。このことは、能動回路をノズルに非常 に接近して設置しても、温度上昇による性能または寿命の劣化は起こらないこと を示している。 図３（ｅ）は、ヒータに加えられる電力を示す。最適な動作を行うには、ヒー タパルスの供給が開始されたときに、温度が急速に上昇しなければならず、パル スが持続している時間、温度をインクの沸点より少し低い温度に維持する必要が あり、またパルスの供給が停止された場合には、温度が急速に低下しなければな らない。そうするために、ヒータに供給される平均エネルギーを、パルスの持続 時間中変動させる。この場合、上記変動は、それぞれが４ｎＪのエネルギーを持 つ、０．１マイクロ秒のサブパルスをパルス周波数変調することによって行われ る。ヒータに供給されるピーク電力は４０ミリワットで、ヒータパルスの持続時 間中の平均電力は、１１．５ミリワットである。この場合、サブパルス周波数は ５Ｍｈｚである。この周波数は、印刷ヘッドの動作に有意な影響を与えずに、簡 単に変化させることができる。もっと高いサブパルス周波数を使用すれば、ヒー タに供給される電力をもっと細かく調整することができる。サブパルス周波数と しては、１３．５Ｍｈｚが適当である。何故なら、この周波数はまた無線周波数 の干渉（ＲＦＩ）の影響を最低限度に抑えるのに適しているからである。 負の温度係数の表面張力を持つインク 温度が下降するに従ってインクの表面張力が低下しなければならないという要 件があるからといって、インクの選択が大きな制限を受けることはない。何故な ら、大部分の純粋な液体および多くの混合液は、上記特性を持っているからであ る。任意の液体に対する表面張力対温度の関係を表す式はない。しかし、多くの 液体に対しては、ラムザイとシールドの下記の経験式で十分である。 但し、γ_rは温度Ｔにおける表面張力であり、ｋは定数であり、Ｔ_cは液体の臨 界温度であり、Ｍは液体の分子量であり、ｘは液体の結合の度合いであり、ρは 液体の密度である。この式は、温度が液体の臨界温度に達すると、大部分の液体 の表面張力はゼロに下がることを示している。大部分の液体の場合には、臨界温 度は、大気圧の下での沸点よりかなり高い。そのため、実際の排出温度付近で、 小さな温度変化で、表面張力が大きく変わるようなインクを作るには、界面活性 剤の混合物を使用することを勧める。 界面活性剤の選択は重要である。例えば、熱式インクジェットプリンタ用の水 をベースとするインクは、多くの場合、表面張力を低下させ、急速に乾燥させる ためにイソプロピルアルコール（２−プロパノール）を含んでいる。イソプロピ ルアルコールの沸点は、水の沸点より低い８２．４℃である。温度が上昇すると 、アルコールは水より速く蒸発し、アルコールの濃度が低下し、表面張力が大き くなる。１−ヘクサノール（沸点：１５８℃）のような界面活性剤は、このよう な効果を抑えるために使用することができ、温度が上昇すると、表面張力を少し 下げる。しかし、温度の上昇と共に表面張力が比較的大きく下がるということは 、動作のラチチュードを最大にするために望ましいことである。大きな動作マー ジンを達成するには、好適には、３０℃以上の温度で、表面張力が２０ｍＮ／ｍ だけ減少するのが好ましいが、一方、本発明の印刷ヘッドの動作を行うには、１ ０ｍＮ／ｍ程度の低い表面張力の低下を使用することができる。 大きなΔγ_rを持つインク 温度上昇に従って、表面張力を大きく下げるには、いつくかの方法を使用する ことができる。そのような方法の中の二つを以下に説明する。 １）インクは、周囲温度では固体だが、しきい値温度で溶解する界面活性剤の低 濃度のゾルを含むことができる。粒子サイズは、１，０００Å以下のものが望ま しい。水をベースとするインク用の界面活性剤の望ましい融点は、５０−９０℃ であり、好適には６０−８０℃であることが好ましい。 ２）インクは、転相温度（ＰＩＴ）が最高周囲温度より高いが、インクの沸点よ り低いオイル／水のマイクロ乳剤を含むことができる。安定状態に保持するため に、マイクロ乳剤のＰＩＴは、好適には、インクが遭遇する最大非動作温度より ２０℃またはそれ以上高いことが好ましい。約８０℃のＰＩＴが適当である。 界面活性剤のゾルを含むインク インクを、必要な温度範囲で溶解する小さな粒子の界面活性剤のゾルとして調 製することができる。上記界面活性剤のいくつかの例をあげると、下記の炭素数 が１４−３０のカルボン酸等がある。 粒子サイズが小さいゾルの融点は、普通バルク材料の融点より少し低いので、 必要なインク粒子選択温度より少し高い融点を持つカルボン酸を選ぶのが好まし い。望ましい例としてはアラキジン酸がある。 上記カルボン酸は、高純度、低価格で入手できる。必要な界面活性剤の量は、 非常に少なくてすむので、インク以外のコストは問題にならないほど安い。鎖の 長さが少しずつ違うカルボン酸を、ある温度範囲にわたって融点の範囲を広くす るために使用することができる。そのような混合物のコストは、通常純粋な酸よ り安い。 界面活性剤の選択範囲を、簡単な直鎖のカルボン酸だけに制限する必要はない 。分岐した鎖またはフェニール基、または疎水部分を持っている界面活性剤を使 用することができる。また、カルボン酸を使用する必要もない。多くの高い極性 の部分は、界面活性剤の疎水性の終端部として適している。分散を助け、凝集を 防止する目的で、界面活性剤の粒子の表面を帯電させるために、極性を持つ端部 を水中でイオン化することが望ましい。カルボン酸の場合には、水酸化ナトリウ ムまたは水酸化カリウムのようなアルカリを添加することにより、上記イオン化 を行うことができる。 界面活性剤ゾルを含むインクの調製 界面活性剤ゾルは、別個に高濃度で調製することができ、必要な濃度でインク に添加することができる。 界面活性剤ゾルを調製する例示としてのプロセスは下記の通りである。 １）酸素を含まない空間内で、純化した水にカルボン酸を加える。 ２）混合物を、カルボン酸の融点以上に加熱する。水を沸騰させる。 ３）１００−１，０００Åの範囲の、通常の大きさのカルボン酸の小さな粒子が 得られるまで、混合物に超音波を当てる。 ４）混合物を冷却する。 ５）混合物の頂部から大きな粒子を他に移す。 ６）ＮａＯＨのようなアルカリを加え、粒子の表面において、カルボン酸の分子 をイオン化する。適当なｐＨは約８である。このステップは絶対に必要なもので はないが、ゾルを安定させるのに役立つ。 ７）ゾルを遠心分離する。カルボン酸の密度は水より低いので、より小さな粒子 が遠心分離機の外側に堆積し、大きな粒子が中心に集まる。 ８）５０００Å以上のすべての粒子を除去するために、微小な孔を持つフィルタ を使用して、ゾルをろ過する。 ９）界面活性剤ゾルを、調製したインクに加える。ゾルの濃度は極めて薄いもの であってよい。 調製したインクも、染料または色素、殺菌剤、また静電インク粒子分離を使用 した場合には、インクの電導性を高めるための薬剤、湿潤剤、および必要とした 他の薬剤を含んでいる。 泡消し剤は、一般に必要ではない。何故なら、インク粒子排出プロセス中には バブルは形成されないからである。 陽イオン性界面活性剤ゾル 陰イオン性界面活性剤ゾルで調製したインクは、通常陽イオン性の染料または 色素と一緒に使用するのには適していない。何故なら、陽イオン性の染料または 色素は、陰イオン性の界面活性剤と一緒に使用すると、沈澱や凝集を起こすから である。陽イオン性の染料および色素を使用するためには、陽イオン性の界面活 性剤ゾルが必要である。この目的のためには、アルキルアミン属が適している。 以下の表にこの目的に適している種々のアルキルアミンを示す。 陽イオン性界面活性剤ゾルの調製方法は、本質的には、ｐＨバランスを調製し 、界面活性剤の粒子上の電荷を増大するために、アルカリの代わりに酸を使用す るという点を除けば、陰イオン性界面活性剤ゾルを調製する方法と類似している 。ＨＣｌを使用するｐＨ６が適当である。 マイクロ乳剤をベースとするインク ある種の温度しきい値である表面張力を大きく下げる他の方法は、マイクロ乳 剤上のインクに基づく方法である。必要な排出しきい値温度付近に転相温度（Ｐ ＩＴ）を持つマイクロ乳剤を選ぶ。ＰＩＴ以下の温度では、マイクロ乳剤は水中 にオイルの形（Ｏ／Ｗ）になっているが、ＰＩＴ以上の温度では、マイクロ乳剤 はオイルの中の水の形（Ｗ／Ｏ）になっている。温度が低い場合には、マイクロ 乳剤を形成している界面活性剤は、オイルの周囲の曲率の高い表面に好んで集ま り、温度がＰＩＴより有意に高い場合には、界面活性剤は水の周囲の曲率の高い 表面に好んで集まる。温度がＰＩＴに近い場合には、マイクロ乳剤は、水とオイ ルとが位相的につながっている連続状態の「スポンジ」を形成する。 表面張力を下げるには、二つのメカニズムがある。ＰＩＴ付近では、界面活性 剤は、非常に曲率が低い表面に好んで集まる。その結果、界面活性剤の分子は、 オイル乳剤の曲率より遙かに大きい曲率を持つインク／空気の界面に移動する。 それにより、水の表面張力は下がる。温度が転相温度より高い場合には、マイク ロ乳剤は、Ｗ／ＯからＯ／Ｗに変化し、そのためインク／空気の界面は水／空気 からオイル／空気に変化する。オイル／空気の界面は、低い表面張力を持つ。 マイクロ乳剤をベースとするインクは、非常に種々様々な方法で調製すること ができる。 インク粒子を急速に排出する場合には、好適には、粘度の低いオイルを選択す ることが好ましい。 多くの場合、適当な極性溶媒は水である。しかし、ある場合には、異なる極性 溶媒が必要になる場合がある。これらの場合には、表面張力を大きく下げること ができるように、表面張力の高い極性溶媒が選ばれる。 転相温度が必要な範囲に収まるようにするために、界面活性剤を選ぶことがで きる。例えば、（Ｃ_nＨ_2n+1Ｃ₄Ｈ₆（ＣＨ₂ＣＨ₂Ｏ）_mＯＨという一般化学式のポ リ（オキシエチレン）アルキルフェニルエーテル（エトキシ化アルキルフェノー ル））を選ぶことができる。界面活性剤の親水性は、ｍを大きくすることによっ て増大させることができ、疎水性は、ｎを大きくすることによって増大させるこ とができる。ｍの適当な数値は約１０であり、ｎの適当な数値は８である。 市販の低コストの製剤は、種々の分子比の酸化エチレンとアルキルフェノール を重合させて製造される。これらの市販の製剤で十分であり、特定の数のオキシ エチレン基を持つ非常に純粋な界面活性剤を使用する必要はない。 この界面活性剤の化学式は、Ｃ₈Ｈ₁₇Ｃ₄Ｈ₆（ＣＨ₂ＣＨ₂Ｏ）_nＯＨである（ｎ の平均＝１０）。 類似の界面活性剤は、オクトキシノール−１０、ＰＥＧ−１０オクチルフェニ ールエーテルおよびＰＯＥ（１０）オクチルフェニールエーテルを含む。 ＨＬＢは１３．６であり、融点は７℃であり、曇り点は６５℃である。 この界面活性剤の市販の製剤は、種々のブランド名で販売されている。次の表 にメーカーおよびブランド名を示す。 表に表示した界面活性剤は、大量に低価格（ポンド当たり１ドル以下）で入手 することができ、５％の濃度の界面活性剤を含むマイクロ乳剤を調製する場合、 １リットルに占めるコストは１０セント以下である。 他の適当なエトキシ化アルキルフェニールとしては、以下に記載するものがあ る。 マイクロ乳剤をベースとするインクは、表面張力が制御できる他に種々の利点 を持つ。 １）マイクロ乳剤は、熱力学的に安定で、分離しない。それ故、貯蔵期間が非常 に長い。時々しか使用されない事務所用およびポータブル型のプリンタの場合に は、このことは特に重要である。 ２）特定の粒子サイズのマイクロ乳剤を、容易に作ることができ、乳化したオイ ルの粒の大きさを確実に特定の範囲に制限するために、長くかき混ぜたり、遠心 分離したり、ろ過する必要がない。 ３）インクに含まれているオイルの量を、非常に高くすることができるので、オ イルにまたは水に溶ける染料、または両方に溶ける染料を使用することができる 。また、特定の色を得るために、水に溶ける染料、オイルに溶ける他の染料の混 合物を使用することもできる。 ４）オイルの微細な油滴に捕らわれたとき、オイルと混合することができる色素 が、凝集するのを防止することができる。 ５）マイクロ乳剤を使用することによって、印刷媒体の表面で、種々の色の染料 が混じり合うのを、少なくすることができる。 ６）マイクロ乳剤の粘度は、非常に低い。 ７）湿潤剤のための要件を緩やかにすることもできるし、無視することもできる 。 マイクロ乳剤をベースとするインクの染料および色素 水の混合物のオイルの含有量を、４０％まで増やすことができ、それでもＯ／ Ｗマイクロ乳剤を形成することができる。そうすることにより、染料および顔料 の含有量を増やすことができる。 染料と顔料の混合物を使用することができる。染料と顔料の両方を含むマイク ロ乳剤をベースとする一例を以下に示す。 １）水７０％ ２）水溶性染料５％ ３）界面活性剤５％ ４）オイル１０％ ５）オイルと混合できる顔料１０％ 下記の表は、使用することができるマイクロ乳剤のオイル相および水相内の着 色剤の九つの基本的な組み合わせを示す。 着色剤を含まない、９番目の組み合わせは、透明なコーティング、紫外線イン クおよび選択的グロスハイライトに印刷する際に役に立つ。 多くの染料は両親媒性であるので、オイルと水の境界層に大量の染料も溶かす ことができる。何故なら、この層は非常に広い表面積を持っているからである。 また、各相に複数の染料と顔料を含ませることもできるし、各相に染料と顔料 の混合物を含ませることもできる。 複数の染料または顔料を使用する場合には、調製されたインクの吸収スペクト ルは、使用したいくつかの着色剤の吸収スペクトルの加重平均になる。それによ り二つの問題が生じる。 １）両方の着色剤の吸収ピークが平均されると、吸収スペクトルは広くなる傾向 がある。そうなると、色が「濁る」傾向を示す。輝かしい色を出したい場合には 、人間の視覚に感じる色に頼るだけではなく、その吸収スペクトルに基づいて、 染料および顔料を注意深く選択しなければならない。 ２）インクの色は、基質が異なると違って見えることがある。染料と顔料とを組 み合わせて使用すると、吸収力の高い紙の上に印刷したインクの色に対する染料 の色の影響が、低くなる傾向がある。何故なら、染料は紙に吸収されるが、顔料 は「吸収されずに、紙の表面に留まる」傾向があるからである。これはいくつか の状況においては有利なものとして使用することができる。 インク粒子選択温度範囲にクラフト点を持つ界面活性剤 イオン性の界面活性剤の場合には、それ以下の温度では溶解性が非常に低いあ る温度（クラフト点）があり、溶液は本質的にミセルを含んでいない。クラフト 温度点以上の温度においては、ミセルが形成されるようになり、界面活性剤の溶 解性が急速に増大する。臨界ミセル濃度（ＣＭＣ）が、特定の温度で界面活性剤 の溶解性を超えると、どちらかといえば、ＣＭＣのところで溶解性が最大になる ところで、表面張力が最小になる。界面活性剤は、通常クラフト点以下の温度で は効果が非常に低くなる。 この性質は、温度が上昇した場合、表面張力を下げるのに使用することができ る。室温の場合には、界面活性剤の一部だけが溶ける。ノズルヒータをオンにす ると、温度が上昇し、もっと多くの界面活性剤が溶け、表面張力を下げる。 インクの温度が到達する温度範囲の一番高い温度付近にクラフト点がある、界 面活性剤を選ぶべきである。そうすることにより、室温での溶液中の界面活性剤 の濃度と、インク粒子選択温度における溶液中の界面活性剤の濃度との間の、マ ージンを最大にすることができる。 界面活性剤の濃度は、クラフト点におけるＣＭＣに、ほぼ等しいものでなけれ ばならない。このようにすることにより、表面張力の低下が、上昇した温度にお いて最大になり、室温において最小になる。 下記の表は、クラフト点が必要とする温度範囲にある市販のいくつかの界面活 性剤を示す。 インク粒子選択温度範囲内に、曇り点を持つ界面活性剤 ポリオキシエチレン（ＰＯＥ）鎖を使用する非イオン性界面活性剤は、温度が 上昇するにつれて、表面張力が低下するインクを調製するのに使用することがで きる。温度が低い場合には、ＰＯＥ鎖は親水性で、界面活性剤は溶液の状態にな っている。温度が上昇するにつれて、分子のＰＯＥ部分の周囲に形成された水は 分裂し、ＰＯＥ部分は疎水性になる。温度が高くなればなるほど、界面活性剤は ますます水に溶け難くなり、その結果、空気／インク界面の界面活性剤の濃度が 増大し、それにより表面張力が下がる。非イオン性界面活性剤のＰＯＥ部分が親 水性になる温度は、その界面活性剤の曇り点と関連している。ＰＯＥ鎖それ自身 は、特に適してはいない。何故なら、曇り点は一般に１００℃より高いからであ る。 低温における疎水性を増大しないでＰＯＥ鎖の曇り点を下げるために、ポリオ キシプロピレン（ＰＯＰ）を、ＰＯＥ／ＰＯＰブロックコポリマーのＰＯＥと、 結合させることができる。 下記の二つの主な形状を持つ対称的なＰＯＥ／ＰＯＰコポリマーを入手するこ とができる。 １）（一般的に、ＣＡＳ９００３−１１−６）であるポロクサマクラスの界面活 性剤のような、分子の末端部にＰＯＥ部分を持ち、中心部にＰＯＰ部分を持つ界 面活性剤 ２）（一般的にＣＡＳ９００３−１１−６）であるメロクサポールクラスの界面 活性剤のような、分子の末端部にＰＯＰ部分を持ち、中心部にＰＯＥ部分をもつ 界面活性剤 下記の表に、室温で高い表面張力を持ち、曇り点が４０℃以上１００℃以下で ある種々のポロクサメールおよびメロクサポールのうちのいくつかを示す。 他の種類のポロクサメールおよびメロクサポールは、周知の技術により容易に 合成することができる。望ましい特性は、室温での表面張力ができるだけ高いこ と、曇り点が４０−１００℃の範囲にあり、好適には６０−８０℃の範囲にある ことである。 ｘおよびｚの平均が約４であり、ｙの平均が約１５である種々のメロクサポー ル［ＨＯ（ＣＨＣＨ₃ＣＨ₂Ｏ）_x（ＣＨ₂ＣＨ₂Ｏ）_y（ＣＨＣＨ₃ＣＨ₂Ｏ）₂ＯＨ ］が適している。 インクの電導性を高めるために塩を使用する場合には、界面活性剤の曇り点に 対する塩の影響を考慮しなければならない。 ＰＯＥの曇り点は、（Ｉ^-のような）水の構造を破壊するイオンによって高く なり、それによりＰＯＥ酸素の孤立したペアと水素結合を形成するのに使用でき る、水の分子の数がさらに増える。ＰＯＥ界面活性剤の曇り点は、（Ｃｌ^-、Ｏ Ｈ^-のような）水構造を形成するイオンによって下がる。水素結合を形成するの に使用できる水の分子の数が少なくなるからである。臭化物イオンは比較的弱い 効果しか持っていない。ブロックコポリマー界面活性剤のＰＯＥ鎖およびＰＯＰ 鎖の長さを変えることにより、また電導性を高くするために添加される塩（例え ば、Ｃｌ^- Ｂｒ^-、Ｉ^-）を変えることによって、インクの組成を、必要な温度 に合わ せて「調製」することができる。ＮａＣｌは、価格も安く、毒性もないので、イ ンクの電導性を高めるには、最適の塩であるように思われる。ＮａＣｌは、非イ オン性界面活性剤の曇り点を少し下げる。 高温溶融インク インクは室温で液体である必要はない。印刷ヘッドおよびインクタンクをイン クの融点以上に加熱することにより、固体の「高温溶融」インクを使用すること ができる。高温溶融インクは、溶融したインクの表面張力が温度が上昇するに従 って下がるように調製しなければならない。ワックスおよび他の物質を使用する 多くの上記調剤の表面張力は、約通常２ｍＮ／ｍ下がる。しかし、粘度の減少よ りも表面張力の減少を使用する場合には、良い動作マージンを得るためには、表 面張力の低下は約２０ｍＮ／ｍであることが望ましい。 静止状態の温度とインク粒子選択温度との間の温度差は、水をベースとするイ ンクの場合よりも、高温溶融インクの場合のほうが大きい場合がある。何故なら 、水をベースとするインクは水の沸点によって制限を受けるからである。 インクは静止温度で液体でなければならない。静止温度は、印刷されたページ がなるかもしれない最高の周囲温度より高くなければならない。静止温度は、ま た印刷ヘッドを加熱するのに要する電力を少なくし、静止温度とインク粒子排出 温度との間のマージンを最大にするために、できるだけ低くなければならない。 他の温度も使用することができるが、適当な静止温度は、一般に６０−９０℃の 範囲の温度である。また一般に、適当なインク粒子排出温度は、１６０−２００ ℃の範囲の温度である。 温度が上昇するにつれて表面張力を低下を促進するには、いくつかの方法があ る。 １）融点が静止温度より実質的に高いが、インク粒子排出温度より実質的に低い 界面活性剤の分散している微小な粒子を、液相で高温溶融インクに添加すること ができる。 ２）極性および非極性化合物両方の融点より、好適には少なくとも２０℃高いＰ ＩＴを持つ極性／非極性マイクロ乳剤 温度が上昇するにつれて表面張力を大きく下げるには、静止温度の時に、高温 溶融インクキャリヤが比較的高い表面張力（３０ｍＮ／ｍ以上）を持っているこ とが望ましい。この条件だと、ワックスのようなアルカン類は除外される。適当 な材料は、一般に強い分子間引力を持っているが、この分子間引力は、例えば、 融点が８８℃であるヘクサンテトロールのようなポリオールのような多重水素結 合によるものである。 種々の溶液の表面張力の低下 図３（ｄ）は、下記の添加剤を含む種々の水性調剤の表面張力に対する測定効 果を示す。 １）アテアリン酸の０．１％ゾル ２）パルミチン酸の０．１％ゾル ３）プルロン酸１０Ｒ５の０．１％溶液（商標：ＢＡＳＦ） ４）プルロン酸Ｌ３５の０．１％溶液（商標：ＢＡＳＦ） ５）プルロン酸Ｌ４４の０．１％溶液（商標：ＢＡＳＦ） 本発明の印刷システムに適するインクは、その開示内容が参考文献として本明 細書に記載されている下記のオーストラリア特許明細書に開示されている。 「マイクロ乳剤に基づくインク組成物」（１９９５年９月６日出願、出願番号 ：ＰＮ５２２３） 「界面活性剤ゾルを含むインク組成物」（１９９５年９月６日出願、出願番号 ：ＰＮ５２２４） 「インク粒子選択温度ゾルに近いクラフト点を持つ、ＤＯＤプリンタ用のイン ク組成物」（１９９５年１０月３０日出願、出願番号：ＰＮ６２４０） 「マイクロ乳剤をベースとする、インクの染料および顔料」（１９９５年１０ 月３０日出願、出願番号：ＰＮ６２４１） 粘度の低下を使用する動作 二番目の例として、高温溶融インクと組み合わせて、粘度の熱的低下および近 接インク粒子選択を使用する実施形態の動作を以下に説明する。プリンタを作動 する前に、インクタンク６４内で固体のインクの溶融が行われる。インクタンク 、印刷ヘッドへのインクの通路、インクチャネル７５および印刷ヘッド５０は、 インク１００が液状になっているが、比較的粘度が高い（例えば、約１００ｃＰ ）状態に保持される温度に保たれる。インク１００は、インクの表面張力により ノズル中に保持される。インク１００は、温度が上昇するにつれて粘度が下がる ように調製される。インク圧は、ノズルからのインク粒子排出周波数の整数倍の 周波数で変動する。インク圧が変動するので、ノズルチップのインクのメニスカ スは変動するが、インクの粘度が高いのでこの変動は小さい。通常の動作温度で は、この変動はインク粒子を分離させるには不十分な振幅しか持っていない。ヒ ータ１０３をオンにすると、選択されたインク粒子を形成するインクが加熱され 、粘度が好適には５ｃＰ以下であることが好ましい数値まで下がる。粘土が低下 すると、その結果として、インク圧サイクルの高圧部分の間に、インクのメニス カスはさらに移動する。記録媒体５１は、選択されたインク粒子が、記録媒体５ １に接触するには印刷ヘッド５０に十分に近接して配置されているが、選択され なかったインク粒子が、記録媒体５１に接触しないように、十分な距離を置いて 設置されている。記録媒体５１と接触すると、選択されたインク粒子の一部がフ リーズし、記録媒体に付着する。インク圧が下がると、インクはノズルに戻り始 める。インク本体は記録媒体上にフリーズするインクから分離している。その後 、ノズルチップのインク１００のメニスカスは、低い変動振幅に戻る。残りの熱 がバルクインクおよび印刷ヘッドに逃げるので、インクの粘度は静止時のレベル まで上がる。一つのインク粒子が選択され、分離され、各ヒートパルス毎に記録 媒体５１上に点を形成する。ヒートパルスは電気的に制御されているので、ドロ ップオンデマンドインクジェット動作を行うことができる。 印刷ヘッドの製造 本発明のモノリシック印刷ヘッドの製造プロセスは、その開示内容が参考文献 として本明細書に記載されている、１９９５年４月１２日出願の下記のオースト ラリア特許明細書に記載されている。 「モノリシックＬＩＦＴ印刷ヘッド」（出願番号：ＰＮ２３０１） 「モノリシックＬＩＦＴ印刷ヘッド用の製造プロセス」（出願番号：ＰＮ２３ ０２） 「ＬＩＦＴ印刷ヘッド用の自己整合ヒータ」（出願番号：ＰＮ２３０３） 「集積４色ＬＩＦＴ印刷ヘッド」（出願番号：ＰＮ２３０４） 「モノリシックＬＩＦＴ印刷ヘッドでの電力要件の軽減」（出願番号：ＰＮ２ ３０５） 「異方性ウエットエッチングを使用する、モノリシックＬＩＦＴ印刷ヘッドの ための製造プロセス」（出願番号：ＰＮ２３０６） 「モノリシックドロップオンデマンド印刷ヘッドへのノズルの設置」（出願番 号：ＰＮ２３０７） 「モノリシックＬＩＦＴ印刷ヘッド用のヒータ構造体」（出願番号：ＰＮ２３ ４６） 「モノリシックＬＩＦＴ印刷ヘッド用の電源接続」（出願番号：ＰＮ２３４７ ） 「近接ＬＩＦＴ印刷ヘッド用の外部接続」（出願番号：ＰＮ２３４８） 「モノリシックＬＩＦＴ印刷ヘッド用の自己整合製造プロセス」（出願番号： ＰＮ２３４９） 「ＬＩＦＴ印刷ヘッドのＣＭＯＳプロセス互換製造」（１９９５年９月６日出 願、出願番号：ＰＮ５２２２） 「ノズルリムヒータ付き、ＬＩＦＴ印刷ヘッド用の製造プロセス」（１９９５ 年１０月３０日出願、出願番号：ＰＮ６２３８） 「モジューラＬＩＦＴ印刷ヘッド」（１９９５年１０月３０日出願、出願番号 ：ＰＮ６２３７） 「印刷ノズルのパッキング密度を増大する方法」（１９９５年１０月３０日出 願、出願番号：ＰＮ６２３６） 「同時にプリントされるインク粒子間の低減静電相互作用のノズル分散」（１ ９９５年１０月３０日出願、出願番号：ＰＮ６２３９） 印刷ヘッドの制御 本発明のページイメージデータを供給し、印刷ヘッドのヒータ温度を制御する 方法は、その開示内容が参考文献として本明細書に記載されている、１９９５年 ４月１２日出願の下記のオーストラリア特許明細書に記載されている。 「ＬＩＦＴ印刷ヘッドの集積駆動回路」（出願番号：ＰＮ２２９５） 「液体インク故障許容（ＬＩＦＴ）印刷用のノズル清掃手順」（出願番号：Ｐ Ｎ２２９４） 「ＬＩＦＴ印刷システムの温度に対するヒータ電力補償」（出願番号：ＰＮ２ ３１４） 「ＬＩＦＴ印刷システムの熱的遅れに対するヒータ電力補償」（出願番号：Ｐ Ｎ２３１５） 「ＬＩＦＴ印刷システムの印刷密度に対するヒータ電力補償」（出願番号：Ｐ Ｎ２３１６） 「印刷ヘッドの温度パルスの正確な制御」（出願番号：ＰＮ２３１７） 「モノリシックＬＩＦＴ印刷ヘッドのデータ分配」（出願番号：ＰＮ２３１８ ） 「ＬＩＦＴ印刷システム用のページイメージおよび故障許容ルーティング装置 」（出願番号：ＰＮ２３１９） 「ＬＩＦＴ印刷ヘッド用の取り外し可能な圧力下の液体インクカートリッジ」 （出願番号：ＰＮ２３２０） 印刷ヘッド用のイメージ処理 本発明の印刷システム一つの目的は、オフセット印刷を使用して印刷した、人 々が高品質のカラー刊行物で見慣れているのと、同じ高品質の印刷を行うことで ある。この目的は、約１，６００ｄｐｉの印刷解像度を使用することによって、 達成することができる。しかし、１，６００ｄｐｉ印刷は、印刷が難しく、高価 である。シアンおよびマジェンタに対して、ピクセル当たり２ビットを使用し、 黄および黒に対してピクセル当たり１ビットを使用して、８００ｄｐｉ印刷を使 用すれば、同じような高品質の印刷を行うことができる。本明細書では、このカ ラーモデルをＣＣ’ＭＭ’ＹＫと呼ぶ。高品質のモノクロイメージの印刷が必要 な場合には、黒に対して、ピクセル当たり２ビットを使用することができる。本 明細書では、このカラーモデルをＣＣ’ＭＭ’ＹＹＫ’と呼ぶ。本発明のシステ ムおよび他の印刷システムに適するカラーモデル、ハーフトーン化、データ圧縮 、およびリアルタイム拡張システムは、その開示内容が参考文献として、本明細 書に記載されている、１９９５年４月１２日出願の下記のオーストラリア特許明 細書に記載されている。 「２レベルカラー印刷用の４レベルインクセット」（出願番号：ＰＮ２３３９ ） 「ページイメージ用の圧縮システム」（出願番号：ＰＮ２３４０） 「圧縮ページイメージ用のリアルタイム拡張装置」（出願番号：ＰＮ２３４１ ） 「ディジタルカラープリンタ用の大容量圧縮文書イメージ」（出願番号：ＰＮ ２３４２） 「テキスト存在中の改良ＪＰＥＧ圧縮」（出願番号：ＰＮ２３４３） 「圧縮ページイメージ用の拡張およびハーフトン化装置」（出願番号：ＰＮ２ ３４４） 「イメージのハーフトーン化の改良」（出願番号：ＰＮ２３４５） 本発明の印刷ヘッドを使用する出願 本発明の印刷装置および方法は、下記の広い範囲の用途に適しているが、（こ れに限定されない）。オフィスでのカラーおよびモノクロ印刷；短期間のディジ タル印刷；高速ディジタル印刷；プロセスカラー印刷；スポットカラー印刷；オ フセットプレス補足印刷；走査印刷ヘッドを使用する低コストプリンタ；ページ 幅の印刷ヘッドを使用する高速プリンタ；ポータブル型のカラーおよびモノクロ プリンタ；カラーおよびモノクロ複写機；カラーおよびモノクロファクシミリ； プリンタ、ファクシミリおよび複写機一体型マシン；ラベル印刷；大型書式プロ ッタ；写真複写；ディジタル写真処理用プリンタ；ディジタル「インスタント」 カメラに組み込まれたポータブルプリンタ；ビデオ印刷；光学ＣＤイメージの印 刷；「個人用ディジタルアシスタント」用ポータブルプリンタ；壁紙印刷；室内 看板印刷；掲示板印刷；および布地印刷 本発明の印刷システムは、その開示内容が参考文献として、本明細書に記載さ れている、１９９５年４月１２日出願の下記のオーストラリア特許明細書に記載 されている。 「大容量ディジタルページイメージ記憶装置を備えた、オフィス用高速カラー プリンタ」（出願番号：ＰＮ２３２９） 「大容量ディジタルページイメージ記憶装置を備えた、短期間ディジタルカラ ープリンタ」（出願番号：ＰＮ２３３０） 「ＬＩＦＴ印刷技術を使用するディジタルカラー印刷機」（出願番号：ＰＮ２ ３３１） 「モジュラディジタル印刷機」（出願番号：ＰＮ２３３２） 「高速ディジタル布地プリンタ」（出願番号：ＰＮ２３３３） 「カラー写真コピーシステム」（出願番号：ＰＮ２３３４） 「ＬＩＦＴ印刷システムを使用する、高速カラー写真複写機」（出願番号：Ｐ Ｎ２３３５） 「ＬＩＦＴ印刷技術を使用する、ポータブルカラー写真複写機」（出願番号： ＰＮ２３３６） 「ＬＩＦＴ印刷技術を使用する、写真処理システム」（出願番号：ＰＮ２３３ ７） 「ＬＩＦＴ印刷システムを使用する、普通紙ファクシミリ」（出願番号：ＰＮ ２３３８） 「内蔵プリンタ付きの写真ＣＤシステム」（出願番号：ＰＮ２２９３） 「ＬＩＦＴ印刷技術を使用する、カラープロッタ」（出願番号：ＰＮ２２９１ ） 「内蔵ＬＩＦＴ印刷システムを備えた、ノートブックコンピュータ」（出願番 号：ＰＮ２２９２） 「ＬＩＦＴ印刷システムを使用する、ポータブルプリンタ」（出願番号：ＰＮ ２３００） 「オンラインデータベース質問、およびカスタム化されたマガジン印刷付きの ファクシミリ」（出願番号：ＰＮ２２９９） 「ミニアチュアポータブルカラープリンタ」（出願番号：ＰＮ２２９８） 「ＬＩＦＴ印刷システムを使用する、カラービデオプリンタ」（出願番号：Ｐ Ｎ２２９６） 「ＬＩＦＴ印刷システムを使用する、内蔵プリンタ、複写機、スキャナおよび ファクシミリ」（出願番号：ＰＮ２２９７） 環境条件に対する印刷ヘッドの補償 ドロップオンデマンド印刷システムのインク粒子は、一定で予測することがで きる大きさと位置を持っていることが望ましい。インク粒子の大きさおよび位置 が不必要な変動を起こすと、それにより印刷の光学的密度が変動し、目に映る印 刷の品質が劣化する。上記変動は通常のインク粒子の量およびピクセルの間隔に 関して、それぞれ小さなものでなければならない。 インク粒子の量および位置に影響を与える恐れのある多数の要因がある。ある 場合には、この変動は、ヘッドの設計を改善することによって最小限度に止める ことができる。他の場合には、上記変動は能動回路で補償することができる。 １）周囲温度：周囲温度が変動すると、静止メニスカス位置およびヒータパルス により上昇した温度が、影響を受ける恐れがある。静止メニスカス位置の変動は 、インク圧または外部電界または磁界の強さを変化させることによって、補償す ることができる。ヒータパルスによって上昇した温度の変化は、ヒータに供給さ れる電力を変化させることによって、補償することができる。 ２）ノズル温度：各ノズルの温度を個々に補償するのは実用的ではない。ヘッド を信頼できるように動作させるには、ノズル温度と基板で測定した周囲温度との 差が小さくなければならない。このことは、高い熱伝導性を持つ基板（例えば、 シリコン）を使用し、パルス間に適当な時間的間隔をおいて、廃熱を発散させる ことによって実現することができる。 ３）ノズル半径：単一のインクタンクからインク粒子の供給を受けるノズルの半 径の変動は、最低限度に抑えなければならない。何故なら、一本一本のノズルに 対して、異なる電界強度またはインク圧を供給することは困難だからである。都 合の良いことに、ノズル半径の変動は、近代の半導体製造装置を使用して、容易 に０．５ミクロン以下に抑えることができる。 ４）印刷密度：各サイクル中に、異なる数のインク粒子が排出される場合がある 。その結果、ヘッドの負荷抵抗は大きく急速に変動し、電源および配線の抵抗に は限りがあるので電圧の変動が起こる。上記電圧変動は、各サイクル中に排出さ れるインク粒子の数を決定し、負荷抵抗の変動を補償するために、電源電圧を変 化させるディジタル回路によって、正確に補償することができる。 ５）インク汚染因子：インクは、相互にくっつき、ノズルを詰まらせる恐れのあ る、約５ミクロンより大きい汚染因子を含んでいてはならない。このことは、イ ンクタンクとヘッドとの間に、絶対値が５ミクロンのフィルタを挿入することに よって達成することができる。 ６）インクの表面張力特性：インクの最も重要な要件は、表面張力特性である。 インクは、その表面張力が、設計の範囲内の周囲温度において、ノズル内にイン クを保持するのに十分な大きさであり、ヒータによって達成できる温度において 、排出しきい値以下に下がるように調製しなければならない。多くのインクの処 方はこの基準を満足しているが、表面張力に影響を与える汚染因子を除去するよ うに注意しなければならない。 ７）インクの乾燥：ノズルからの各排出の間の時間的間隔が余り長くなりすぎる と、露出メニスカスの部分のインクが乾燥して、インク粒子の排出が影響を受け たり、妨害されたりする。このことは、各印刷ページの間に各ノズルから一つま たはそれ以上のインク粒子を排出し、使用しないときには印刷ヘッドにキャップ をかぶせることによって補償することができる。 ８）パルス幅：ヒータパルス幅は、正確に制御することができ、最小パルス幅に 非常に近い数値に設定することができる。パルス幅を最小値からかなり広く設定 することによって、より高い信頼性を達成することができる。本明細書に記載し た水をベースとするインクを使用する、７ミクロンのノズルの場合には、最小の パルス幅は約１０ミクロンである。通常のパルス幅は、広い動作マージンを与え るために、１８ミクロンに設定される。パルス幅はインク粒子の大きさにほとん ど影響を与えない。 ９）詰まったノズルまたは欠陥ノズル：多くの場合、詰まったノズルは、ヒータ に急速な一連のパルスを供給し、インクを沸点以上に加熱することによって清掃 することができる。このようにして形成された蒸気のバブルにより、乾燥したイ ンクの「こびりつき」を除去することができる。頑固に詰まったノズルは、溶媒 で周期的に清掃することができる。欠陥ノズルまたは永久に詰まってしまったノ ズルは、集積故障許容を使用して、冗長ノズルと交換することができる。 １０）ざらざらした印刷媒体：この問題は、ざらざらした媒体が印刷ヘッドと印 刷媒体との間の間隔を有意に変動する恐れがある、近接印刷の場合に特に重要で ある。紙媒体から突き出している繊維が、インク粒子を意図したよりも速く紙の 中に染み込ませるい場合があり、その結果、紙に印刷されたインクの量が少なく なり、インク粒子のサイズがより小さくなる。この問題は、コーティングした紙 を使用したり、印刷する前にローラで紙の繊維を圧縮したり、および／または印 刷する直前に紙にコーティングしたり、湿らせたりすることによって補償するこ とができる。 ノズル温度制御 ノズルの性能は、温度およびノズルチップに供給される熱パルスの持続時間に よって大きく影響される。 ヒータに供給されるエネルギーが小さすぎると、ノズルチップの温度は、割り 当てられた時間内に、インク粒子を排出させるのに十分な速さで上昇しないか、 排出されたインク粒子の大きさが必要とする大きさよりも小さくなる場合がある 。ヒータに供給されるエネルギーが多すぎると、排出されるインクの量が多すぎ 、インクが沸騰し、印刷ヘッドが使用するエネルギーが必要とするエネルギーよ り多くなる。その後、このエネルギーは、自己冷却動作中に制限値を超えてしま う恐れがある。ノズルを作動させるのに必要なエネルギーの量は、ノズルの動的 有限要素分析によって決定することができる。この方法により、種々の静的およ び動的環境条件の下で、ノズルがインク粒子を排出するのに必要なエネルギーを 決定することができる。 印刷ヘッドの最適温度分布には、ノズルチップの能動領域の排出温度へ瞬間的 に上昇させること、パルス期間中、この領域の温度をインク粒子排出温度に維持 すること、この領域の温度を周囲温度まで瞬間的に下げることに影響を与える。 この最適な温度分布は、ノズルの製造に使用されている種々の材料の蓄積熱容 量および熱伝導性のために達成することができない。しかし、印刷ヘッドの有限 要素シミュレーションを、反復修正によって得ることができる曲線を使用して、 電力パルスを整形することによって性能を改善することができる。正確な結果を 得るためには、自由面のモデル化による遷移流体動的シミュレーションを行う必 要がある。何故なら、インク内の対流およびインクの流れが、特定の電力曲線に より達成した温度に有意の影響を与えるからである。 補償技術 多くの環境変数の影響を無視することができる程度にまで低減するために、そ れら環境変数を補償することができる。ノズルヒータに供給される電力を変化さ せることによって、いくつかの要因の能動的補償を行うことができる。 印刷ヘッドの最適温度分布は、ノズルチップの能動領域の排出温度へ瞬間的に 上昇させること、パルス期間中、この領域の温度をインク粒子排出温度に維持す ること、この領域の温度を周囲温度まで瞬間的に下げることに影響を与える。 この最適な温度分布は、ノズルの製造に使用されている種々の材料の蓄積熱容 量および熱伝導性のために達成することができない。しかし、印刷ヘッドの有限 要素シミュレーションを反復修正することによって得ることができる曲線を使用 して、電力パルスを整形することにより、性能を改善することができる。ヒータ に供給される電力は、下記のものを含むが、それに限定されない種々の技術によ って時間変化することができる。 １）ヒータに供給される電圧の変化 ２）一連の短いパルスの幅の変調（ＰＷＭ） ３）一連の短いパルスの周波数の変調（ＰＦＭ） 正確な結果を得るためには、自由面のモデル化による遷移流体動的シミュレー ションを行う必要がある。何故なら、インク内の対流およびインクの流れが、特 定の電力曲線により達成した温度に有意の影響を与えるからである。 印刷ヘッド基板上に適当なディジタル回路を組み込むことによって、各ノズル に供給される電力を実際に個々に制御することができる。この制御を行う一つの 方法は、印刷ヘッドチップを横切って、種々の異なるディジタルパルストレイン を「広く伝播し」、多重化回路を使用して、各ノズルに対して適当なパルストレ インを選択するという方法である。 以下の「環境要因に対する補償」表に、補償することができる環境要因の一例 を示す。この表は、（合成多重チップ印刷ヘッド内の各チップに対して）チップ 毎、およびノズル毎の、（印刷ヘッド全体に対して）どの環境要因が全体として 最もよく補償することができるかを示す。 大部分の用途の場合、これら変数全体を補償する必要はない。ある変数の持つ 影響は少なく、非常に高いイメージの品質が必要な場合にだけ、補償する必要が ある。 印刷ヘッド駆動回路 図４は、印刷ヘッド駆動回路の電子的な動作を示すブロック図である。この図 は、ＣＣ’ＭＭ’ＹＫカラーモデルを使用して、プロセスカラーを印刷する８０ ０ｄｐｉページ幅印刷ヘッドを使用する、システムのブロック図を示す。印刷ヘ ッド５０は、全部で７９、４８８のノズルを持ち、そのうち３９、７４４は主ノ ズルであり、３９，７４４は冗長ノズルである。主ノズルおよび冗長ノズルは、 六つの色に分けられ、各色は８の駆動相に分けられる。各駆動相は、ヘッド制御 ＡＳＩＣ４００からのシリアルデータを、ヒータ駆動回路をイネーブルするため のパラレルデータに変換する、シフトレジスタを持つ。全部でシフトレジスタの 数は９６であり、各シフトレジスタは、８２８のノズルに対してデータを供給す る。各シフトレジスタは、８２８のシフトレジスタ段２１７からなり、その出力 は、ＮＡＮＤゲート２１５によって、相イネーブル信号と論理的に論理積される 。ＮＡＮＤゲート２１５の出力は、反転用バッファ２１６を駆動し、反転バッフ ァは、駆動トランジスタ２０１を制御する。駆動トランジスタ２０１は、電熱ヒ ータ２００を作動させるが、この電熱ヒータとしては、図１（ｂ）に示すヒータ １０３を使用することができる。イネーブルパルス中、シフトしたデータを有効 に維持するには、シフトレジスタへのクロックを停止し、イネーブルパルスがク ロックストッパ２１８により能動状態になる。図面を簡単にするために、このク ロックストッパは単一のゲートで図示してあるが、好適には、任意の範囲の周知 のグリッチを起こさないクロック制御回路であることが好ましい。シフトレジス タのクロックを停止させることは、印刷ヘッド内のパラレルデータラッチの必要 性をなくすが、ヘッド制御ＡＳＩＣ ４００内の制御回路が少し複雑になる。デ ータは、故障状態バスの適当な信号の状態次第で、データルータ２１９によって 、主ノズルまたは冗長ノズルのどちらかに送られる。 図４に示す印刷ヘッドは、単純化したもので、ブロック故障許容のような生産 性を改善するための種々の手段は図示されていない。異なる構成の印刷ヘッド用 の駆動回路は、本明細書に開示してある装置から容易に作ることができる。 記録媒体上に印刷するドットのパターンを表すディジタル情報は、図１（ａ） のイメージメモリ７２と同じものであってもよい、ページまたはバンドメモリ１ ５１３内に記憶される。単色のドットを表す３２ビット語内に含まれるデータは 、アドレスマルチプレクサ４１７によって選ばれたアドレスおよびメモリインタ フェース４１８が発生した制御信号により、ページまたはバンドメモリ１５１３ から読み出される。上記アドレスは、アドレス発生装置４１１により発生し、こ のアドレス発生装置は、「パーカラー回路」４１０の一部を形成し、６色の構成 部分のそれぞれに対して一つの回路が使用されている。アドレスは、印刷ヘッド に対するノズルの位置に基づいて発生する。ノズルの相対的な位置は、印刷ヘッ ドが異なると違ってくるので、アドレス発生装置４１１は、好適にはプログラム 可能であることが好ましい。アドレス発生装置４１１は、通常主ノズルの位置に 対応するアドレスを発生する。しかし、欠陥のあるノズルがある場合には、欠陥 を持つノズルのブロックの位置を、欠陥マップＲＡＭ４１２内にマークすること ができる。欠陥マップＲＡＭ４１２は、ページが印刷されるときに読み出される 。メモリがノズルのブロックに欠陥があることを示している場合には、アドレス 発生装置４１１が、冗長ノズルの位置に対応するアドレスを発生するように、ア ドレスの変更が行われる。ページまたはバンドメモリ１５１３から読みき出され たデータは、ラッチ４１３によりタッチされ、マルチプレクサ４１４によって四 っのシーケンシャルなバイトに変換される。これらのバイトのタイミングは、Ｆ ＩＦＯ４１５により、他の色を表すデータのタイミングと整合するように調整さ れる。その後、このデータは、バッファ４３０によりバッファされ、印刷ヘッド ５０への４８ビットの主データバスを形成する。印刷ヘッドが、ヘッド制御ＡＳ ＩＣから比較的遠い場所に位置している場合、データはバッファされる。欠陥マ ップＲＡＭ４１２からのデータも、ＦＩＦＯ４１６に対する入力を形成する。こ のデータのタイミングは、ＦＩＦＯ４１５のデータ出力と整合され、バッファ４ ３１によってバッファされ、欠陥状態バスを形成する。 プログラム可能な電源３２０は、印刷ヘッド５０に対して電力を供給する。電 源３２０の電圧は、ＲＡＭとＤＡＣとの組み合わせ（ＲＡＭＤＡＣ）３１６の一 部を形成している、ＤＡＣ３１３によって制御される。ＲＡＭＤＡＣ３１６は、 二重ポートＲＡＭ３１７を含む。二重ポートＲＡＭ３１７の内容は、マイクロコ ントローラ３１５によってプログラムされる。温度は、二重ポートＲＡＭ３１７ の内容を変更することによって補償される。上記数値は、熱センサ３００によっ て感知された温度に基づいて、マイクロコントローラ３１５によって計算される 。熱センサ３００からの信号は、アナログ−ディジタルコンバータ（ＡＤＣ）３ １１に送られる。ＡＤＣ３１１は、好適にはマイクロコントローラ３１５内に設 置することが好ましい。 ヘッド制御ＡＳＩＣ４００は、熱的遅れ補償および印刷密度に対する制御回路 を含む。熱的遅れの補償を行うには、ヘッド５０への電源電圧は、ヒータに対す るイネーブルパルスと同期している急速な時変電圧でなければならない。このこ とは、上記電圧を発生するためのプログラム可能な電源３２０を、プログラムす ることによって行われる。アナログ時変プログラミング電圧は、二重ポートＲＡ Ｍ３１７から読み出されたデータに基づいて、ＤＡＣ３１３が発生する。データ は、カウンタ４０３が発生したアドレスに従って読み出される。カウンタ４０３ は、一つのイネーブルパルスの周期の間に、アドレスの一つの完全なサイクルを 発生する。同期は確実に行われる。何故なら、カウンタ４０３は、システムクロ ック４０８によってクロック制御され、カウンタ４０３の最大の数値はイネーブ ルカウンタ４０４を、クロック制御するのに使用されるからである。その後、イ ネーブルカウンタ４０４からのカウントは、デコーダ４０５によって解読され、 バッファ４３２によってバッファされ、ヘッド５０に対するイネーブルパルスが 発生する。カウントの状態の数が、一つのイネーブルパルス中のクロック周期の 数より少ない場合には、カウンタ４０３が、プリスケーラを含む場合がある。ヒ ータの熱的遅れを正確に補償するには、１６の電圧状態を使用するのが適当であ る。上記１６の電圧状態は、カウンタ４０３と二重ポートＲＡＭ３１７との間の 、４ビットの接続を使用して指定することができる。しかし、これらの１６の電 圧状態は、時間間隔を直線的にとることはできない。これら電圧状態の時間的間 隔を非直線的にしてもよいように、カウンタ４０３は、自らが非直線的にカウン トすることができるように、ＲＯＭまたは他の装置を含むことができる。他の方 法としては、１６以下の電圧状態を使用することもできる。 印刷密度を補償するために、各イネーブル周期中に、（「オン」ピクセル）イ ンク粒子が印刷されるピクセルの数をカウントして、印刷密度が検出される。「 オン」ピクセルは、オンピクセルカウンタ４０２によってカウントされる。８の イネーブル相のそれぞれに対して、一つのオンピクセルカウンタ４０２が使用さ れる。ヘッド内の相の数は、設計によって違ってくる。相の数が２の累乗である 必要はないが、よく使用される数は４、８および１６である。オンピクセルカウ ンタ４０２は、１ニブルのデータのビットの中のいくつがオンになっているかを 判断する、組み合わせ論理ピクセルで構成することができる。その後、この数字 は、加算器４２１およびアキュミュレータ４２２によって累算される。ラッチ４ ２３は、イネーブルパルスの持続時間中、累算された数値を有効に保持する。マ ルチプレクサ４０１は、イネーブルカウンタ４０４によって決定された、現在の イネーブル相に対応するラッチ４２３の出力を選択する。マルチプレクサ４０１ の出力は、二重ポートＲＡＭ３１７の一部を形成する。「オン」ピクセルの数の 正確なカウントは必要ではなく、このカウントの最上位の四つのビットで十分で ある。 熱的遅れ補償アドレスの４ビットと、印刷密度補償アドレスの４ビットとを組 み合わせるということは、二重ポートＲＡＭ３１７は、８ビットのアドレスを持 つことを意味する。このことは、二重ポートＲＡＭ３１７は、二次元のアレーで ある２５６の数字を含むことを意味する。これら二つの次元は、（熱的遅れ補償 に対する）時間と、印刷密度である。第三の次元、温度を含めることもできる。 印刷ヘッドの周囲温度は、ゆっくりとしか変化しないので、マイクロコントロー ラ３１５は、現在の温度で熱的遅れおよび印刷密度を補償する２５６の数字のマ トリックスを計算するのに十分な時間がある。周期的に（例えば、１秒間に数回 ）、マイクロコントローラは、現在の印刷ヘッドの温度を感知し、このマトリッ クスを計算する。 下記の式は、二重ポートＲＡＭ３１７内に記憶する数字のマトリックスを、計 算するのに使用される。 但し、 Ｖ_ps：プログラム可能な電源３２０に指定された電圧 Ｒ_out：印刷ヘッド５０への接続を含む、プログラム可能な電源３２０の出力抵 抗 Ｒ_H：単一ヒータの抵抗 ｐ：マルチプレクサ４０１によって供給された、現在のイネーブル周期中にオン になっているヒータの数を表す数字 ｎ：ｐの最下位ビットによって表される、ヒータの数に等しい定数 ｔ：単一のイネーブルパルスの周期の間の、ステップの数に分割された時間 Ｐ（ｔ）：インク粒子の排出を改善するために必要な、単一ヒータへの電力入力 を定義する関数であり、この関数は、ノズルの特定の幾何学的形状および材質、 並びにインクの種々の特性によって変わる。この関数の一番よい決定方法は、実 験と一緒に広範囲なコンピュータシミュレーションを行うことである。 Ｔ_E：℃で表示したインク粒子を排出するのに必要な温度 Ｔ_A：℃で表示した温度センサにより測定した印刷ヘッドの「周囲」温度 実行時間を短縮し、マイクロコントローラに対するプログラミングを簡単にす るために、大部分またはすべての要因を予め計算することができ、マイクロコン トローラのＲＯＭ内に記憶されている表を、参照することができる。 熱的インクジェット技術との比較 「熱的インクジェットと本発明との比較」の表には、本発明による印刷の種々 の態様と熱的インクジェット印刷技術との比較が行われている。 本発明と熱的インクジェット技術とを直接比較したのは、両方とも熱的アクチ ュエータおよび液体インクを使用して動作するドロップオンデマンドシステムで あるからである。両者は類似しているように見えるが、二つの技術は異なる原理 により動作している。 熱的インクジェットプリンタは、下記の基本的な動作原理を使用している。電 気抵抗加熱により発生した熱インパルスにより、液体インク中にバブルが突発的 に形成される。急速で継続的なバブルは、インクを過熱することによって形成さ れ、その結果、バブルの形成が完了する以前に十分な熱がインクに伝えられる。 水をベースとするインクの場合には、インクの温度は約２８０−４００℃でなけ ればならない。バブルが形成されると、圧力波が発生し、この圧力波によりイン ク粒子は高速で開口から落下する。その後、バブルは壊れ、インクタンクから流 れ出るインクによりノズルは再び満たされる。ノズルの密集度が高く、信頼度の 高いＩＣ製造技術の使用により、熱インクジェット印刷は商業的に非常な成功を 収めた。しかし、熱インクジェット印刷技術は、多くの部分を精密に製造しなけ ればならないとか、装置の歩留まり、イメージの解像度、「ペッパー」ノイズ、 印刷速度、駆動トランジスタ電力、無駄な電力消費、余分なインク粒子の形成、 熱応力、不均一な熱膨張、キャビテーション、修正拡散およびインク調整が難し いことなどのかなり困難な技術的な問題に当面することになる。 本発明の印刷は、熱インクジェット印刷の多くの利点を持ち、熱インクジェッ ト技術の特有の問題の多くを完全または実質的に解決している。 歩留まりおよび故障許容 ほとんどの場合、製造時に完全に機能しない時には、モノリシック集積回路は 修理することができない。ウェーハから生産される動作装置の動作する百分率を 歩留まりと呼ぶ。歩留まりは製造コストに直接影響する。歩留まりが５％の装置 は、歩留まりが５０％である同じ装置と比較すると、その生産コストは１０倍で ある。 歩留まりの測定法は多きく分けて三つある。 １）製造歩留まり ２）ウェーハ選別歩留まり ３）最終試験歩留まり 大型のダイの場合は、全歩留まりに最も重大な影響を持つ、ウェーハ選別歩留 まりが通常使用される。本発明の全ページ幅カラー印刷ヘッドは、通常のＶＬＳ Ｉ回路と比較すると非常に大きい。ウェーハ選別歩留まりがよいということが、 上記印刷ヘッドの製造のコストパフォーマンスに非常に重要なことである。 図５は、本発明のモノリシック全幅カラーＡ４ヘッドの実施形態の、ウェーハ 選別歩留まり対欠陥密度のグラフである。この印刷ヘッドは、長さが２１５ミリ 、幅が５ミリである。非故障許容歩留まり１９８は、広く使用されている歩留ま り予測法であるマーフィー法を使用して計算する。欠陥密度が、１平方センチ当 たりの欠陥が一つであるという場合には、マーフィー法による歩留まりの予測は １％以下である。このことは製造した印刷ヘッドの中の９９％を廃棄しなければ ならないことを意味する。このような低い歩留まりは非常に望ましくない。何故 なら、印刷ヘッドの製造コストは、非常に高いからである。 マーフィー法は、欠陥の不均一の分布の影響を近似する。図５は、また欠陥ク ラスタ化係数の導入により、欠陥の集合をはっきりとモデル化する非故障許容歩 留まり１９７のグラフである。欠陥クラスタ化係数は、製造の際に制御すること ができるパラメータではなく、製造プロセスに特有なものである。製造プロセス に関する欠陥クラスタ化係数は、約２であると予想することができ、この場合、 歩留まりの予測部分はマーフィー法とよく一致する。 歩留まりが低い場合の解決法は、チップ上に、欠陥のある機能ユニットと交換 するために使用する、冗長機能ユニットを設置することによって、故障許容を導 入する方法である。 メモリチップおよび大部分のウェーハスケール集積（ＷＳＩ）装置の場合には 、チップ上の冗長サブユニットの物理的な位置は重要ではない。しかし、印刷ヘ ッドの場合には、冗長サブユニットは、一つまたはそれ以上の印刷アクチュエー タを含むことができる。これらアクチュエータは、印刷中のページに対して空間 的に固定された位置関係に設置されていなければならない。欠陥を起こしたアク チュエータの印刷位置と同じ位置に、ドットを印刷させるためには、冗長のアク チュエータを、走査方向でない方向に移動させてはならない。しかし、欠陥のあ るアクチュエータの代わりに、走査方向に移動する冗長アクチュエータを使用す ることができる。冗長のアクチュエータが、欠陥のあるアクチュエータと同じ場 所にドットを必ず印刷するために、走査方向への移動を補償する目的で、冗長ア クチュエータへのデータタイミングを変えることができる。 すべてのノズルを交換することができるようにするためには、完全な一組の冗 長ノズルがなければならない。これは冗長度が１００％であるということである 。１００％の冗長度を達成するには、通常二倍以上のチップ面積を必要とするが 、この場合、冗長ユニットを置き換える前の一次歩留まりが非常に大きく低下し 、故障許容の利点の大部分が失われてしまう。 しかし、本発明の印刷ヘッドの実施形態を使用すれば、印刷ヘッドチップの最 小の物理的寸法は、印刷されるページの幅、印刷ヘッドチップの脆さ、およびイ ンクをチップの裏面に供給するインクチャネルの製造上の制限によって決まる。 Ａ４サイズの紙を印刷するための全幅、フルカラーヘッドの最小の実用サイズは 、約２１５ミリ ｘ ５ミリである。１．５ミクロンのＣＭＯＳ製造技術を使用 すれば、チップ面積を有意に増大しないで、１００％の冗長度を達成することが できる。それ故、一次歩留まりを有意に下げないで、高いレベルの故障許容を実 現することができる。 装置に故障許容を導入した場合、標準の歩留まりの式を使用することはできな い。上記式をそのまま使わずに、故障許容の機構および程度を、特別に分析し、 歩留まりの式に導入しなければならない。図５は、種々の形の故障許容を含む全 幅カラーＡ４印刷ヘッドに対する故障許容選別歩留まり１９９である。そのモデ ル化は歩留まりの式に含まれている。このグラフは、欠陥の頻度および欠陥の集 中の関数としての予測歩留まりである。図５に示す歩留まりの予測は、故障許容 を完全に実行すると、ウェーハ選別歩留まりを、同一の製造条件の下で、１％以 下から９０％以上へと改善することができることを示している。このように歩留 まりを改善することにより、製造コストを係数１００だけ下げることができる。 数千の印刷ノズルを含む印刷ヘッドの歩留まりと信頼性を改善し、それにより ページ幅の印刷ヘッドを実用化するために、故障許容を導入を強く勧める。しか し、故障許容が本発明の本質的な部分であるとは考えてほしくない。 ドロップオンデマンド印刷システム内の故障許容は、その開示内容が本明細書 に参考文献として記載されている、１９９５年４月１２日出願の下記のオースト ラリア特許明細書に記載されている。 「印刷機構の集積故障許容」（出願番号：ＰＮ２３２４） 「集積印刷ヘッドのブロック故障許容」（出願番号：ＰＮ２３２５） 「集積印刷ヘッドの故障許容用二重ノズル」（出願番号：ＰＮ２３２６） 「印刷ヘッドの欠陥ノズルの検出」（出願番号：ＰＮ２３２７） 「大容積印刷ヘッドの故障許容」（出願番号：ＰＮ２３２８） 印刷システムの実施形態 図６は、本発明の印刷ヘッドを使用する電子印刷システムの略図である。この 図は、記録媒体５１上に多数のインク粒子からなるイメージ６０を印刷する、モ ノリシック印刷ヘッド５０である。上記媒体は、通常紙であるが、上向き透明フ ィルム、クロス、またはインク粒子を受けつける多くの他の実質的に平らな面で もよい。印刷されるイメージはイメージ源５２によって供給されるが、このイメ ージとしては、ピクセルの二次元アレーに変換できる任意のタイプのものを使用 することができる。通常のイメージ源は、イメージスキャナ、ディジタル的に記 憶されたイメージ、アドービポストスクリプト、アドービポストスクリプトレベ ル２またはヒューレット−パッカード ＰＣＬ５のようなページ記述言語（ＰＤ Ｌ）でコード化されたイメージ、アップルクイックドロウ、アップルクイックド ロウ ＧＸまたはマイクロソフト ＧＤＩのような手続き呼出に基づくラスタ化 装置によって発生したページイメージ、またはＡＳＣＩＩのような電子形式のテ キストである。その後、イメージデータはイメージ処理システム５３によって、 特定の印刷システムに適するピクセルの二次元アレーに変換される。このイメー ジはカラーの場合もあり、モノクロの場合もあり、データは、通常イメージ源お よび印刷システムの仕様に従って、ピクセル当たり１−３２ビットを持っている 。ソースイメージがページ記述である場合には、イメージ処理システムは、ラス タイメージプロセッサ（ＲＩＰ）を使用することができ、ソースイメージがスキ ャナからのものである場合には、二次元イメージ処理システムを使用することが できる。 連続トーンイメージが必要な場合には、ハーフトーン化システム５４が必要で ある。適当なタイプのハーフトーン化は、分散形ドット配列ディザまたはエラー 拡散に基づいている。この目的に適しているものとしては、通常確率的スクリー ニングまたは周波数変調スクリーニングと呼ばれる、上記ハーフトーン化システ ムの種々のタイプのものがある。オフセット印刷に通常使用されるハーフトーン 化システム、すなわち、集合形ドット配列ディザは適していない。何故なら、こ の技術を使用すると、有効なイメージ解像度が不必要に無駄になるからである。 ハーフトンー化システムの出力は、本発明による印刷システムの解像度を持つ、 二進法のモノクロまたはカラーイメージである。 二進法のイメージは、データシフトレジスタ５６に、正しい順序でピクセルデ ータを供給する（図４のヘッド制御ＡＳＩＣ４００に内蔵できる）データ位相回 路５５によって処理される。ノズルの配置および紙の動きを補償するためには、 データを正しい順序に並べなければならない。データがシフトレジスタ５６にロ ードされると、そのデータはヒータ駆動回路５７に並列に送られる。正しいタイ ミングで、駆動回路５７は、対応するヒータ５８を、パルス整形回路６１および 電圧レギュレータ６２によって発生した電圧パルスに電子的に接続する。ヒータ ５８は、ノズル５９の先端を加熱し、インクの物理的な特性を変化させる。イン ク粒子６０は、ヒータ駆動回路に供給されたディジタルインパルスに対応するパ ターンで、ノズルから排出される。インクタンク６４内のインクの圧力は、圧力 レギュレータ６３によって調整される。選択されたインク粒子６０は、選択され たインク粒子分離手段によって、インク本体から分離され、記録媒体５１と接触 する。印刷中、記録媒体５１は、紙移送システム６５によって、印刷ヘッド５０ に対して連続的に移動する。印刷ヘッド５０が、記録媒体５１の印刷領域全体を カバーする幅を持っている場合には、記録媒体５１を一つの方向だけに移動させ るだけでよく、印刷ヘッド５０を固定しておけばよい。もっと小型の印刷ヘッド ５０が使用される場合には、ラスタ走査システムを実行する必要がある。このこ とは、通常記録媒体５１を長手方向に移動させながら、印刷ヘッド５０を横方向 に走査することによって行うことができる。 正確な温度パルス制御のための要件 多くの印刷ヘッドは、物理的印刷機構を作動させる熱パルスを電気的に発生す ることによって動作する。 これらシステムの中の多くは、温度、持続時間、および印刷アクチュエータに 供給される熱パルスのエネルギーを制御する必要がある。制御が不適当であると 、下記のような印刷ヘッドに関する問題が頻繁に起きる。すなわち、必要とする よりも多いか若しくは必要とするよりも少ない量の印刷材料によるドットの生成 、信頼性のないドット生成、サテライト（satellite）ドットの印字、過度のア ッシュ（ash）の形成（コゲーション(kogation)）、印刷ヘッドの寿命の短縮、 および過度の電力消費である。これらの問題のいくつか、特に過度の電力消費は 、広い温度範囲にわたって確実に印刷ドットを形成できるようにするには、駆動 マージンを与えておく必要があるためである。 これらの問題のいくつかは、周囲温度に応じて、ヒータに供給するエネルギー を制御することで軽減できる。 上述した本発明の同期力印刷システムのような或る種の印刷システムの場合に は、閾値動作温度よりもわずかに上の温度マージンの温度パルスを印刷材料に供 給するという利点がある。このマージンは、印刷アクチュエータの或るものに影 響を与える恐れがあるパラメータの範囲に対して信頼性のある動作を確実に行わ せるために必要である。このマージンを可能なかぎり小さくすることは、印刷ヘ ッドの電力消費を減らすのに有利である。 このことは、上記の同期力印刷ヘッドに特に有利であって、電力消費の低減に よって印刷ヘッドが自己冷却動作モードになり、インク粒子を排出させるために ヒータに通電することで発生する熱と排出されたインク粒子によって運び去られ る熱との間が平衡状態になる。 最適温度分布は、インクメニスカスを排出温度へ瞬間的に上昇させること、パ ルスの持続期間中にこの温度を維持すること、メニスカスを周囲温度まで瞬間的 に冷却することを含んでいる。 実際にはこの最適な温度分布は、ノズルの製造に使用されているインクおよび 種々の材料の熱容量および熱伝導性のために達成することができない。 ヒータ、誘電層および不動態化層すべては、インクが閾値温度に達する前に排 出温度よりも上に上昇させなければならない。その後は、メニスカス上の温度を 対流および伝導で移動させなければならない。 最適のインク粒子排出を行うためにはインクをその沸点よりも上の温度に上昇 させてはならない。 図７（ａ）は通常の簡単な電気制御パルスを示している。制御できるパラメー タはパルスの持続時間とパルス電力だけである。「オン」になっている間はパル ス電力は一定である。この場合、５０ミリワットで１８マイクロ秒のパルスが供 給される。このパルスのエネルギーは９００ｎＪで図３（ａ）の９３０ｎＪより わずかに小さい。 図７（ｂ）は、図７（ａ）の電力パルスを供給した場合におけるノズルの流体 力学およびエネルギー輸送シミュレーションの結果である。曲線Ａはヒータの中 心の温度履歴である。曲線Ｂはノズルチップの温度履歴である。曲線Ｃはノズル チップとメニスカスの中心の途中にあるメニスカス上の一点の温度履歴である。 曲線Ｄはヒータから２３ミクロンの印刷ヘッド２３の前面上の一点の温度履歴で ある。曲線Ｂのピーク温度は１０２℃を超えており、ほぼインク圧での水の沸点 である。 温度を上昇させるのに十分なエネルギーを供給し、それによりインクの沸点を 超えることなくインク粒子を分離させるのに十分なだけ表面張力を低下させるよ うな持続時間の短い矩形パルスを発生させるのは困難である。インクの沸点を超 えると蒸気のバブルが形成される場合がある。これらの蒸気バブルはノズルチッ プ内の顕微鏡的な欠陥に凝集する傾向にあり、非対称且つ位置の予測ができない バブルを生成する。非対称なバブルの形成によってインクに与えられた運動量は 、インク粒子の飛跡に影響を与え、印刷されたイメージ上のドットの位置がわず かに不規則なものとなる。これは画質を劣化させる。 温度遷移の正確な制御 （印刷ヘッドのノズルチップのような）装置における臨界点での温度遷移の正 確な制御は、必要な構造体の動的有限要素シミュレーションに対して初期の電力 関数を適用することで必要とする電力関数を決定し、この電力関数を繰り返し修 正することによって実現できる。 有限要素分析により、周知の遷移エネルギー源を持つ構造体の温度履歴をシミ ュレーションすることができる。この場合、必要な温度履歴は分かっているがエ ネルギー源の波形は分かっていない。適切なエネルギー源波形は反復的な有限要 素分析により生成できる。この手順は単純であり下記のステップを含んでいる。 １）エネルギー波形の初期予測 ２）与えられたエネルギー波形を用いた構造体のシミュレーション ３）シミュレーションされた温度履歴と必要な温度履歴の間の違いの分析 ４）エネルギー波形の調整 ５）シミュレーションされた温度履歴と必要な温度履歴の間の差が容認できる限 度内になるまでステップ２）から４）を繰り返す シミュレーションされる装置の物理的特性に関する知見をステップ４）中の知 能的な調整に適用することで、急速な収束が得られる。 図１１は、局部的な周囲温度が３０℃の場合におけるノズル半径が７ミクロン のノズルのヒータの電力関数Ｐ（ｔ）を示している。この電力関数は反復的な有 限要素分析によって決定した。 このグラフはエネルギー供給パルスの四つの期間を示している。第一の期間は 予熱期間６１５である。この期間の機能はピーク電力６１８が容認できる限界を 超えなくても、電力ピーク６１８が急峻な温度遷移を作り出せるようにすること である。 予熱期間６１５の後に急速電力ピーク６１８が続き、インクメニスカスのとこ ろに急速な温度遷移を起こさせる。この後は、ノズルチップをインクの沸点より ほんの少し低い一定温度に維持するための電力減衰６２１が続く。ヒータ電力は 所定の時点でゼロ電力６２２に急速に減少する。 印刷ヘッドヒータが必要とする最適の電力量は、インク粒子排出プロセス中に おいて時間の経過と共に変化する。ここでは、この最適電力要件を電力関数Ｐ（ ｔ）と呼ぶ。 最適電源電圧および最適電力関数の実際の計算は複雑であり、下記の要因によ り影響を受ける。 １）最適インク粒子排出のためのノズルチップにおける必要な温度分布 ２）インク内の対流 ３）パルスのス始まりでの熱分布 ４）同様に電力の供給を受けている隣接ヒータからの熱伝導 ５）インクに動的に伝導される熱の量 ６）ノズルの製造に使用された材料の寸法および幾何学的形状 ７）ノズルの製造に使用された材料の熱伝導度 ８）ノズルの製造に使用された材料の熱容量 ９）ノズルの製造に使用された材料の密度 １０）インクの比熱、密度、熱伝導度、粘度、表面張力および沸点 １１）ヒータの薄膜抵抗 １２）駆動トランジスタのオン抵抗 １３）トランジスタのターンオン時間 １４）相互接続されたワイヤの抵抗 １５）電源の立ち上り時間 １６）印刷ヘッド上のディジタル回路との干渉を防止するための電源のスルーレ ートの制限 １７）ＦＣＣおよびＶＤＥのような規制団体による標準を満足するのに必要な無 線周波干渉の制限 電力関数Ｐ（ｔ）を決定するためにコンピュータシミュレーション技術を使用 できる。これらは、熱的有限要素分析（ＦＥＡ）、計算流体力学（ＣＦＤ）、表 面張力計算、および（「Ｓｐｉｃｅ」のような）アナログ回路シミュレーション 等がある。これらのシミュレーション結果は実験によっても検証できる。しかし 、コンピュータシミュレーションを使用すれば、測定器による摂動を除去でき、 測定精度を向上することができ、他の方法ではアクセスすることができないシス テム内の箇所を測定でき、一般には遙かにコストを安くできる。一般には、最も 有望な構成だけのプロトタイプの構造体を使用して多くのシミュレーションを行 う必要がある。 ヒータ電力関数Ｐ（ｔ）は純粋に実験だけでも決定することができる。しかし この方法は推奨できない。何故なら、最適解に近づけれるには多くの実験を行わ なければならないからである。 フルイドダイナミックスインターナショナルインクが開発したＦＩＤＡＰと呼 ばれる有限要素分析および流体力学シミュレーションパッケージを使用して、印 刷ヘッドノズルの広範なコンピュータシミュレーションを行った。 種々の周囲温度での温度履歴および等温線 図８（ａ）−図８（ｅ）は、種々の周囲温度での上記印刷ヘッドノズル動作の 温度履歴である。シミュレーション毎に周囲温度は変化しているので、ヒータへ の電力パルスはノズルチップのところで最適に近い温度分布が得られるように調 整され、静電力は静止表面張力の差を補償するように調整される。インク特性、 ノズル寸法、ノズル材特性およびインク圧を含む他の全てのパラメータは一定に 保たれる。 図８（ａ）は周囲温度が１０℃の場合の上記の印刷ヘッドノズルの温度履歴の シミュレーションである。 図８（ｂ）は周囲温度が２０℃の場合の上記の印刷ヘッドノズルの温度履歴の シミュレーションである。 図８（ｃ）は周囲温度が３０℃の場合の上記の印刷ヘッドノズルの温度履歴の シミュレーションである。 図８（ｄ）は周囲温度が４０℃の場合の上記の印刷ヘッドノズルの温度履歴の シミュレーションである。 図８（ｅ）は周囲温度が５０℃の場合の上記の印刷ヘッドノズルの温度履歴の シミュレーションである。 図８（ａ）−図８（ｅ）において各グラフには４本の曲線がある。曲線Ａはヒ ータ中心の温度履歴である。曲線Ｂはインクメニスカスとノズルチップとの間の 接触円の温度履歴である。曲線Ｃはノズルチップとメニスカスの中心の間の途中 にあるインクメニスカス上の円の温度履歴である。曲線Ｄはヒータから２３ミク ロンの印刷ヘッド表面上の一点の温度履歴である。 図９（ａ）は周囲温度が１０℃の場合のＬＩＦＴノズル動作の流体力学および エネルギー輸送シミュレーションである。図示の時間的間隔は、ヒータ通電パル スの開始後６４マイクロ秒である。第一の等温線は１５℃である。その後の等温 線は５℃間隔になっている。 図９（ｂ）は周囲温度が２０℃の場合の印刷ヘッドノズル動作の流体力学およ びエネルギー輸送シミュレーションである。図示の時間的間隔は、ヒータ通電パ ルスの開始後６４マイクロ秒である。第一の等温線は２５℃である。その後の等 温線は５℃間隔になっている。 図９（ｃ）は周囲温度が３０℃の場合の上記ノズル動作の流体力学およびエネ ルギー輸送シミュレーションである。図示の時間的間隔は、ヒータ通電パルスの 開始後６４マイクロ秒に設定してある。第一の等温線は３５℃である。その後の 等温線は５℃間隔になっている。 図９（ｄ）は周囲温度が４０℃の場合の上記ノズル動作の流体力学およびエネ ルギー輸送シミュレーションである。図示の時間的間隔は、ヒータ通電パルスの 開始後６４マイクロ秒である。第一の等温線は４５℃である。その後の等温線は ５℃間隔になっている。 図９（ｅ）は周囲温度が５０℃の場合の上記ノズル動作の流体力学およびエネ ルギー輸送シミュレーションである。図示の時間的間隔は、ヒータ通電パルスの 開始後６４マイクロ秒である。第一の等温線は５５℃である。その後の等温線は ５℃間隔になっている。 温度履歴および流体力学のシミュレーションの比較結果は、インク粒子のサイ ズおよび／またはインク粒子のタイミングを少し変えさえすれば、上記のノズル を広範な周囲温度にわたって動作させられることを示している。このことは、ヒ ータエネルギーパルスとインク圧若しくは外部電界強度の何れか又は両方を変え ることで実現できる。 Ｐ（ｔ）実現手段 本発明は、インク粒子の排出前および排出中において、時間の経過に従ってヒ ータ電力を変化させる手段を必要とする。このことは図１０（ａ）に示すように して実現される。 この装置は、全パルス持続時間に比例し、ヒータ通電パルス中の経過時間量を 表す数値を与えるカウンタ（４０３）を含んでいる。カウンタ４０３の出力は、 パルスの開始に対する現在の時間に基づく適切な電源電圧を決定する電圧算出処 理３１０に接続されている。この計算結果は、Ｖ^-に対して電圧Ｖ⁺を発生させる プログラム可能な電源３２０を制御するのに使用される。この電圧は印刷ヘッド ５０に接続されており、ヒータを通電するのに使用される。 最適なＰ（ｔ）を決定するための実際の計算は複雑であり、ヒータが通電中で あるために実時間で行うのは実用的でない。しかし、ノズル材およびその幾何学 的な形状は製造時に決まっており、高い精度で製造できるため、これは必ず必要 というわけではない。それ故、これらの計算の大部分は各ノズルの幾何学的形状 に対して１回だけ行えばよく、生産の際は許容限度内に固定できる。これら計算 結果は表ｋ［ｔ］内に記憶でき、必要な場合にはいつでも「調べる（look-up） 」ことができる。 但し、 Ｐ（ｔ）はヒータに必要な時間に対する最適電力関数であり、 ｋ［ｔ］は、電子メモリに記憶するのに適した電力関数の標本化された近似値 である。 これに対する一つの例外は、パルスの始まりにおける熱分布である。これは、 最適な熱計算に有意な影響を与えるが、都合の悪いことに動的なものである。任 意の熱パルスの初期条件は、ヒータに最後に通電されてからどのくらい時間が経 っているかによって異なる。連続するヒータ通電期間の間で、ヒータ領域のため に十分な「冷却」期間をおくことで、この影響を少なくできる。ヒータがいつ最 後に加熱されたかによって異なるＰ（ｔ）関数を与えることで、この要因を電子 的に補償できる。しかし、ほとんどの状況においてこのことは実用的でない。何 故なら、同時に通電される異なるノズルに対して異なるＰ（ｔ）関数を同時に与 えるには、多数の電源を必要とするからである。 もう一つの例外は、同様に加熱されている隣接ヒータからの熱伝導である。こ の影響は、ＬＩＦＴヘッドの設計の際に、同時に通電されるヒータ間の距離を最 大とすることで軽減できる。 図１０（ｂ）は、標本化された電力関数ｋ［ｔ］を含む情報がＲＯＭのような 電子メモリ３１８に記憶されているシステムを示している。この情報は、マイク ロコントローラ３１５によってメモリ３１８から読み出され、二重ポートＲＡＭ ３１７に書き込まれる。カウンタ４０３は二重ポートＲＡＭ３１７に対するアド レスを発生し、電力関数Ｐ（ｔ）の近似を取り入れた方法で計算される情報を出 力する。これはディジタル−アナログコンバータ（ＤＡＣ）３１３に接続してい る。ＤＡＣの出力は、ＬＩＦＴヘッド５０に電力を供給するプログラム可能な電 源３２０を制御する。 このように、本発明は、抵抗ヒータ中で時変電力を発生させるアクチュエータ の一部を形成する抵抗ヒータに変動電圧パルスを供給することを含めドロップオ ンデマンドプリンタアクチュエータに熱パルスを発生する方法を提供するもので あって、電力は時間に対して以下の態様で変化する。 １）アクチュエータの温度を上昇させるが、総エネルギーが印刷アクチュエータ を作動させるには不十分な予熱段階。 ２）アクチュエータ温度を、必要な動作温度に急速に上昇させる電力上昇段階。 ３）段階（ｂ）の電力よりも低いが、必要な動作温度に維持するには十分な電力 低減段階。 ４）必要とする動作温度以下に温度が急速に下がる間の低電力またはゼロ電力段 階。 （同期力印刷ヘッド内のノズルチップのような）装置の臨界点の温度履歴の正 確な制御は、必要な構造体の動的有限要素シミュレーションに初期電力関数を適 用することで、必要とされる電力関数を決定し、この電力関数を反復的に修正す ることで実現できる。 本発明のいくつかの好適な実施形態を説明してきた。本発明の範囲から逸脱し ないで種々の修正を行うことができることは、当業者には自明であろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．作動期間中に供給される電気エネルギーに応じ、アクチュエーション期間 出力パルスとして、接触しているインクに熱エネルギーを供給する抵抗ヒータ手 段と、上記ヒータ手段に電気エネルギーを供給する電力手段とを有する種類の熱 ドロップオンデマンド印刷装置において、 （ａ）アクチュエーション期間内において、上記ヒータ手段に異なるレベルの 電気エネルギーを供給して上記電力手段を制御する手段と、 （ｂ）アクチュエーション期間の特定の段階と供給される特定の電力レベルに ついて上記制御手段に信号を送る論理手段と を含むように改良した熱ドロップオンデマンド印刷装置。 ２．上記論理手段が、アクチュエーション期間内の時間シーケンスを追跡して 信号を発するカウンタ手段と、上記カウンタ手段に応答して上記制御手段に電力 制御信号を出力するメモリ手段とを有する請求項１に記載の発明。 ３．上記メモリ手段がアクチュエーション期間中のおいて （１）アクチュエーションレベル以下の予熱エネルギーレベルと、 （２）アクチュエーションエネルギーレベルと、 （３）低減した保持エネルギーレベルと、 （４）遮断エネルギーレベルと を書き取る請求項２に記載の発明。 ４．上記装置はさらに、 （ａ）複数のインク粒子噴出ノズルと、 （ｂ）上記ノズルに関連するインク本体と、 （ｃ）少なくともインク粒子選択および分離期間中において、上記インク本体 内のインクに対して、周囲の圧力より少なくとも２％高い圧力を加える加圧手段 と、 （ｄ）所定のノズルを選択し、選択されたノズルと選択されなかったノズル内 のインクの間のメニスカス位置に違いを生じるさせるインク粒子選択手段と、 （ｅ）選択されなかったノズル内にインクを維持しながら、選択されたノズル からのインクをインク粒子としてインク本体から分離するインク粒子分離手段と を有する請求項１に記載の発明。 ５．上記装置はさらに、 （ａ）複数のインク粒子噴出ノズルと、 （ｂ）上記ノズルに関連するインク本体と、 （ｃ）所定のノズルを選択し、選択されたノズルと選択されなかったノズル内 のインクの間のメニスカス位置に違いを生じさせるインク粒子選択手段と、 （ｄ）選択されなかったノズル内にインクを維持しながら、選択されたノズル からのインクをインク粒子としてインク本体から分離するインク粒子分離手段と を備え、 上記インク粒子選択手段は、上記インク粒子分離手段が存在しない場合に、メ ニスカス位置に上記違いを生じさせることの可能な請求項１に記載の発明。 ６．上記装置はさらに、 （ａ）複数のインク粒子噴出ノズルと、 （ｂ）上記ノズルに関連し、３０℃を超える温度範囲で少なくとも１０ｍＮ／ ｍの表面張力の低下を示すインクのインク本体と、 （ｃ）所定のノズルを選択し、選択されたノズルと選択されなかったノズル内 のインクの間のメニスカス位置に違いを生じさせるインク粒子選択手段と、 （ｄ）選択されなかったノズル内にインクを維持しながら、選択されたノズル からのインクをインク粒子としてインク本体から分離するインク粒子分離手段と を有する請求項１に記載の発明。 ７．ドロップオンデマンドプリンタアクチュエータに対して熱パルスを発生す る方法であって、該方法は、抵抗ヒータ中で時変電力を発生させるアクチュエー タの一部を形成する抵抗ヒータに変動する電圧パルスを供給するステップを含み 、上記電力は時間に対して以下の （ａ）上記アクチュエータの温度を上昇させるが、総エネルギーが上記印刷ア クチュエータを作動させるには不十分な予熱段階と、 （ｂ）上記アクチュエータを必要な動作温度に急速に上昇させる電力上昇段階 と、 （ｃ）段階（ｂ）の電力より低いが、必要な動作温度に維持するには十分な電 力低減段階と、 （ｄ）必要とする動作温度以下に上記温度が急速に下がる低電力またはゼロ電 力段階と を含む態様で変化するドロップオンデマンドプリンタアクチュエータに対して 熱パルスを発生する方法。 ８．上記印刷ヘッドが同期力印刷モードで動作する、請求項７に記載のドロッ プオンデマンドプリンタアクチュエータに対して熱パルスを発生する方法。 ９．上記時変電力パルスを発生させるために必要な電源電圧が、印刷ヘッドの 動作開始前に計算されて電子メモリ中にディジタル情報として記憶される、請求 項７に記載のドロップオンデマンドプリンタアクチュエータに対して熱パルスを 発生する方法。 １０．上記時変電力パルスを発生させるために必要な電源電圧が印刷密度に対 しても補償される、請求項７に記載のドロップオンデマンドプリンタアクチュエ ータに対して熱パルスを発生する方法。 １１．上記時変電力パルスを発生させるために必要な電源電圧が周囲温度に対 しても補償される、請求項７に記載のドロップオンデマンドプリンタアクチュエ ータに対して熱パルスを発生する方法。 １２．上記時変電力パルスを発生させるために必要な電源電圧が印刷密度およ び周囲温度の両方に対しても補償される請求項７に記載のドロップオンデマンド プリンタアクチュエータに対して熱パルスを発生する方法。 １３．ヒータ電源電圧が、下記式 によって決定される請求項１２に記載のドロップオンデマンドプリンタアクチュ エータに対して熱パルスを発生する方法。 １４．請求項７記載のドロップオンデマンドプリンタアクチュエータに対して 熱パルスを発生する方法であって、該プリンタが、 （ａ）複数のインク粒子噴出ノズルと、 （ｂ）上記ノズルに関連するインク本体と、 （ｃ）少なくともインク粒子選択期間およびインク粒子分離期間において、イ ンク本体内のインクに対して周囲の圧力より少なくとも２％高い圧力を加える加 圧手段と、 （ｄ）所定のノズルを選択し、選択されたノズルと選択されなかったノズル内 のインクの間のメニスカス位置に違いを生じさせるインク粒子選択手段と、 （ｅ）選択されなかったノズル内にインクを維持しながら、選択されたノズル からのインクをインク粒子としてインク本体から分離するインク粒子分離手段と を有するドロップオンデマンドプリンタアクチュエータに対して熱パルスを発 生する方法。 １５．請求項７記載のドロップオンデマンドプリンタアクチュエータに対して 熱パルスを発生する方法であって、該プリンタが、 （ａ）複数のインク粒子噴出ノズルと、 （ｂ）上記ノズルに関連するインク本体と、 （ｃ）所定のノズルを選択し、選択されたノズルと選択されなかったノズル内 のインクの間のメニスカス位置に違いを生じさせるインク粒子選択手段と、 （ｄ）選択されなかったノズル内にインクを維持しながら、選択されたノズル からのインクをインク粒子としてインク本体から分離するインク粒子分離手段と を有し、 上記インク粒子選択手段は、上記インク粒子分離手段が存在しない場合に、メ ニスカス位置に上記違いを生じさせることの可能なドロップオンデマンドプリン タアクチュエータに対して熱パルスを発生する方法。 １６．請求項７記載のドロップオンデマンドプリンタアクチュエータに対して 熱パルスを発生する方法であって、該プリンタが、 （ａ）複数のインク粒子噴出ノズルと、 （ｂ）上記ノズルに関連し、３０℃を超える温度範囲で少なくとも１０ｍＮ／ ｍの表面張力の低下を示すインクのインク本体と、 （ｃ）所定のノズルを選択し、選択されたノズルと選択されなかったノズル内 のインクの間のメニスカス位置に違いを生じさせるインク粒子選択手段と、 （ｄ）選択されなかったノズル内にインクを維持しながら、選択されたノズル からのインクをインク粒子としてインク本体から分離するインク粒子分離手段と を有するドロップオンデマンドプリンタアクチュエータに対して熱パルスを発 生する方法。