JP2012162076A - 相変化インクにおける泡及びボイドの低減方法 - Google Patents

Abstract

【課題】相変化インクの泡を低減する。
【解決手段】インクが位相を変えつつある時間中にインクジェットプリンタのインク流路に沿って温度勾配を生成することを含む。温度勾配は、インク流路におけるインクの一部分を液相にさせ、一方でインクの別の部分を固相にさせる。温度勾配は、液体インクがインク流路に沿って移動してボイドを満たしかつ／またはまだ固体であるインク部分におけるエアポケットを押し出すことを可能にする。泡低減プロセスは、インクが固相から液相へ転移している起動動作の間、及び／またはインクが液相から固相へ転移しているパワーダウン動作の間に実装されてもよい。
【選択図】図５

Description

本明細書に開示される実施形態は、インクジェット印刷に用いられる方法及びデバイスに関する。実施形態の中には、インクジェットプリンタのためのプリントヘッドアッセンブリを包含するものがある。このアッセンブリは、インク流路を画定するために流体的に結合される１つまたは複数のコンポーネントを含む。インク流路は、相変化インクのインク流路に沿った通過を可能にするように構成される。インク流路に沿った２つ以上のロケーションには熱素子が位置合わせされ、熱素子はインクを能動的に加熱または冷却するように構成される。このアッセンブリは、インクが位相を変えつつある時間中にインク流路の少なくとも一部に沿って温度勾配を生成すべく熱素子を制御するように構成される制御モジュールを含む。温度勾配は、インク流路におけるインクの一部分を固相にさせ、かつインク流路におけるインクの別の部分を液相にさせる。

シナリオによっては、インクの相変化は固相から液相へと転移していく。シナリオによっては、インクは液相から固相へと転移していく。

アッセンブリは、インクへ圧力を加えるように構成される圧力機構を含んでもよい。例えば、圧力機構は、インクへ圧力を受動的に加えるべくインク流路の少なくとも一部分を傾けるように構成されることが可能である。圧力機構は、インクへ圧力源等から圧力を能動的に加えるように構成されてもよい。インクへ加えられる圧力は、略一定であっても、可変であってもよい。

アッセンブリは、１つまたは複数の温度センサを含んでもよい。温度センサは、インク流路を画定するために流体的に結合されるコンポーネント上へ位置合わせされることが可能である。温度センサは、インクの温度によって変調される電気信号を発生する。制御モジュールは、温度を指示する電気信号を受信するように、かつ温度センサによって発生される電気信号に応答して熱素子の動作を制御するフィードバック制御信号を発生するように構成される。

実施形態の中には、インクジェットプリンタのプリントヘッドアッセンブリの操作方法を包含するものがある。熱エネルギーは、インクジェットプリンタのインク流路における相変化インクに能動的に供給される。熱エネルギーは、インクが位相を変えつつある時間中にインク流路に沿ってインクの温度勾配を維持するように制御される。インクが位相を変えつつある時間中、インク流路におけるインクの一部分は液相であり、かつインク流路におけるインクの一部分は固相である。

インクの温度は、インク流路に沿って配置されるセンサによって検出されてもよい。この実装においては、熱エネルギーの制御は検出されるインクの温度を基礎としてもよい。

事例によっては、圧力はインクへ、インクが位相を変えつつある時間中に加えられる。

熱エネルギーを供給することは、インク流路のゾーン加熱または冷却を包含してもよい。例えば、熱エネルギーは、インク流路に沿った複数のロケーションに、例えばインクリザーバに近い第１のロケーション及びプリントヘッドの方へ近い第２のロケーションに能動的に提供されてもよい。温度勾配は、リザーバにおいてより高い温度かつプリントヘッドにおいてより低い温度を達成するように制御されることが可能である。温度勾配は、リザーバに近い第１のロケーションからプリントヘッドの方に近い第２のロケーションにおけるエアポケット内への液体インクの移動を可能にする。実装によっては、インクへ圧力が能動的に加えられ、リザーバからエアポケット内への液体インクの移動が促進される。

アッセンブリの１つまたは複数の熱素子は、温度勾配を生み出すために制御ユニットによる別々の制御が可能なプリントヘッドヒータとリザーバヒータとを含むことが可能である。制御ユニットは、インク流路の段階的なゾーン加熱を実現するために、プリントヘッドヒータを起動するより前にリザーバヒータを起動してもよい。

実施形態の中には、インクジェットプリントヘッドアッセンブリをパージする方法を包含するものがある。段階的なゾーン加熱は、泡低減動作の間にプリントヘッドアッセンブリ内のインク流路に対して行われる。段階的なゾーン加熱は、インク流路の第１のゾーンを加熱することと、インク流路の第２のゾーンを加熱することを含む。段階的なゾーン加熱は、インク流路内のインクが位相を変えつつある時間中にインク流路に温度勾配を生み出す。温度勾配は、インク流路におけるインクの第１の部分を固相にさせ、かつインク流路におけるインクの第２の部分を液相にさせる。

例えば、第１のゾーンを加熱することは、プリントヘッドアッセンブリのインクリザーバの近くへ位置合わせされるヒータを起動させることを包含してもよい。第２のゾーンを加熱することは、プリントヘッドアッセンブリのプリントヘッドの近くへ位置合わせされるヒータを起動させることを包含してもよい。

泡低減動作の間は、インクへ圧力が加えられてもよい。事例によっては、圧力は、インクジェットプリントヘッドアッセンブリを傾けることによって加えられる。事例によっては、圧力は、圧力源バルブを開くこと等によってインク流路が圧力源へ流体的に結合される際に加えられる。

ボイド及び泡低減機能を組み込んだインクジェットプリンタの部分を示す内部ビューである。 ボイド及び泡低減機能を組み込んだインクジェットプリンタの部分を示す内部ビューである。 ある例示的なプリントヘッドを示す図である。 ある例示的なプリントヘッドを示す図である。 インク流路におけるボイド及び泡を低減するためのアプローチを組み込んだプリントヘッドアッセンブリを示す図である。 インク流路に沿った温度勾配を示す。 インク流路に沿った温度勾配を示す。 リザーバにおいてインク流路へ加えられる圧力を示す図である。 インク流路へ受動的に圧力を加えるための様々なアプローチを示す。 インク流路へ受動的に圧力を加えるための様々なアプローチを示す。 インクが位相を変えつつある間にインク流路におけるボイド及び泡を低減するためのプロセスを示すフロー図である。 インクが固相から液相へ転移しているプリントヘッドアッセンブリの動作の間にインク内の泡及びボイドを低減するためのプロセスを示すフロー図である。 インクの一部分を固相状態にさせかつインクの別の部分を液相状態にさせる温度勾配の存在を包含した泡低減動作の後の印刷品質と、温度勾配なしの標準的な泡低減の後の印刷品質とを比較したグラフである。 リザーバにおけるインクを液体状態にさせ、一方でプリントヘッドにおけるインクを固体のままにさせる温度勾配の存在を包含する泡低減動作の間にインクジェット及びベントから膨出するインクを示す写真である。 泡低減プロセス後の図１４のプリントヘッドを示す写真である。 インク流路に沿って温度勾配が存在する時間中に圧力の印加を包含する泡及びボイドの低減を示すフロー図であり、温度勾配は、インクの第１の部分を固相状態にさせかつインクの第２の部分を液相状態にさせる。 インク流路に沿った温度勾配の存在及び圧力印加と温度との協調を包含する泡及びボイドの低減を示すフロー図である。 インク流路におけるインクの液相から固相への転移に伴う圧力と温度との協調を示す。 インクが液相から固相へ転移している時間中に圧力を加えかつ圧力と温度とを協調させることによって達成された印刷品質結果を、圧力の印加なしで達成された印刷品質結果と比較したものである。 インク内のボイド及び泡を低減するためにジェットスタック内に生成され得る温度勾配を示す。

インクジェットプリンタは、液体インクの小さい液滴を予め決められたパターンに従って印刷媒体上へ噴出することによって動作する。実装によっては、インクは、用紙等の最終印刷媒体上へ直に噴出される。実装によっては、インクは、例えば印刷ドラムである中間印刷媒体上へ噴出され、次いで中間印刷媒体から最終印刷媒体へ転写される。インクジェットプリンタの中には、インクジェットを供給するために液体インクのカートリッジを使用するものがある。プリンタの中には、室温では固体であって印刷媒体表面へ噴射される前に溶融される相変化インクを用いるものがある。室温で固体である相変化インクは、効果的には、インクが、液体インクの場合に典型的に用いられるパッケージまたはカートリッジなしに固形で移送されかつインクジェットプリンタ内へ装填されることを可能にする。実装によっては、固体インクは、溶融インクを中間ドラム上へページ幅のパターンで噴射するページ幅プリントヘッド内で溶融される。中間ドラム上のパターンは、加圧ニップを介して用紙上へ転写される。

液体状態では、インクは、インクジェット経路の通過を遮る可能性がある泡及び／または粒子を含む場合がある。例えば、泡は、固体インクプリンタにおいて、プリンタがパワーダウンされる際のインクの凝固及びプリンタが使用のためにパワーアップされる際のインクの溶融に伴って発生するインクの凝固−溶融サイクルに起因して形成される可能性がある。インクは、凝固して固体になるにつれて収縮し、インク内には後に空気で充填されるボイドが形成される。固体インクがインク噴射に先行して溶融するとき、ボイド内の空気は液体インク内の泡になる可能性がある。

図１及び図２は、本明細書で論じているようなボイド及び泡低減アプローチを組み込んだインクジェットプリンタ１００の部分を示す内部ビューである。プリンタ１００は、ドラム１２０をプリントヘッドアッセンブリ１３０に対して移動させかつ用紙１４０をドラム１２０に対して移動させるように構成される移送機構１１０を含む。プリントヘッドアッセンブリ１３０は完全に、または部分的にドラム１２０の長さに沿って延びてもよく、かつ例えば１つまたは複数のインクリザーバ１３１、例えば各色毎に１つのリザーバ、と、幾つかのインクジェットを含むプリントヘッド１３２とを含んでもよい。ドラム１２０が移送機構１１０によって回転されるにつれて、プリントヘッド１３２のインクジェットはインクジェット開口を介してインクの液滴をドラム１２０上へ所望されるパターンで溶着する。用紙１４０がドラム１２０の周りを進むにつれて、ドラム１２０上のインクのパターンは加圧ニップ１６０を介して用紙１４０へ転写される。

図３及び図４は、ある例示的なプリントヘッドアッセンブリを示すさらなる詳細図である。当初リザーバ１３１（図２）内に含まれる溶融インクの経路は、ポート２１０を介してプリントヘッドのメインマニホールド２２０へ流入する。図４において最も良く分かるように、事例によっては、１つのインクカラーにつき１つのマニホールド２２０の方式で４つのメインマニホールド２２０が重ね合わされて存在し、かつこれらのマニホールド２２０は各々編み込まれたフィンガマニホールド２３０へ接続する。インクは、フィンガマニホールド２３０を通過して、インクジェット２４０内へ進む。図４に示されているマニホールド及びインクジェットの幾何学的配置は矢印の方向へ反復され、所望されるプリントヘッドの長さ、例えばドラム全幅が達成される。事例によっては、プリントヘッドはインク液滴を噴出させるために圧電トランスデューサ（ＰＺＴ）を用いるが、インク液滴を噴出させる他の方法も既知であって、このようなプリンタもまた本明細書に記述されているボイド及び泡低減アプローチを用いてもよい。

図５は、本明細書において論じられるボイド及び泡低減アプローチのうちの幾つかを示す、ある例示的なプリントヘッドアッセンブリ５００の断面図である。プリントヘッドアッセンブリ５００は、相変化インクを含むように構成されるインクリザーバ５１０を含む。リザーバは、ジェットスタックを含むプリントヘッド５２０へ流体的に結合される。ジェットスタックは、先に論じたようにマニホールド及びインクジェットを含んでもよい。図５に示されているプリントヘッドアッセンブリ５００において、インク流路は、リザーバ５１０、サイホン５１５、プリントヘッド吸込路５１７及びプリントヘッド５２０等のプリントヘッドアッセンブリ５００の様々なコンポーネントによって画定されるインクの流体経路である。プリントヘッドはジェットスタック５２５を含み、かつプリントヘッド５２０内部のインク流路はこのジェットスタック５２５を含む。インク流路はリザーバ５１０を横断し、サイホン５１５、プリントヘッド吸込路５１７、プリントヘッド５２０、ジェットスタック５２５を介してプリントヘッドの自由表面５３０へ至る。プリントヘッドアッセンブリ５００は、２つの自由表面５３０、５３１を有する。一方の自由表面５３１は、リザーバ５１０におけるインク流路の入力側に存在する。もう一方の自由表面５３０は、ジェットスタック５２５のベント及び／または噴射口におけるインク流路の出力側に存在する。プリントヘッドアッセンブリ５００内にインク流路を形成する１つまたは複数の流路構造体は、流路構造体間にある程度の熱減結合を達成するために、空隙５４０または他の絶縁物によって互いから分離されてもよい。

プリントヘッドアッセンブリ５００は、インク流路に沿ってインクを加熱及び／または冷却するように構成される１つまたは複数の熱素子５４３−５４７を含む。図５に描かれているように、第１の熱素子５４６はリザーバ５１０上またはその近くに位置合わせされてもよく、かつ第２の熱素子５４７はプリントヘッド５２０上またはその近くに位置合わせされてもよい。熱素子５４３−５４７は、例えばインク流路を能動的に加熱または能動的に冷却するユニットである能動的な熱素子５４６、５４７であってもよく、かつ／または例えばパッシブヒートシンク、パッシブヒートパイプ等である受動的な熱素子５４３−５４５であってもよい。実装によっては、熱素子５４３−５４７は、制御ユニット５５０によって起動、停止かつ／または別途制御されてもよい。制御ユニットは、例えば、マイクロプロセッサベースの回路ユニット及び／またはプログラム可能論理アレイ回路または他の回路エレメントを備えてもよい。制御ユニット５５０は、プリンタの制御ユニットに統合されてもよく、スタンドアロンユニットであってもよい。実装によっては、制御ユニット５５０は、プリントヘッドアッセンブリの泡低減動作の間にインク流路へ加えられる温度及び圧力を制御するように構成される制御ユニットを備えてもよい。泡の低減は、プリンタの起動時、停止時または運転中の他の任意の時間に発生してもよい。

能動的な熱素子５４６、５４７の場合、制御ユニット５５０は能動的な熱素子５４６、５４７を起動しかつ／または停止することができ、かつ／または制御ユニット５５０はその他、所望される設定温度を達成するために能動的な熱素子５４６、５４７のエネルギー出力を修正してもよい。能動的な熱素子はシステムに熱エネルギーを能動的に供給し、かつ冷却エレメントであっても、加熱エレメントであってもよい。能動的な冷却は、例えばガスまたは液体等の冷却材の流れを制御することによって、かつ／または圧電冷却器の使用を介して達成されてもよい。能動的な加熱は、抵抗加熱または誘導加熱によって達成されてもよい。幾つかの受動的な熱素子５４５の場合、制御ユニット５５０は、受動的な熱素子５４５を起動、停止かつ／または別途制御してもよい。例えば、受動的な熱素子５４５の制御は、制御ユニット５５０により、ヒートシンクフィンを散開または引っ込める信号を発生することによって達成されてもよい。実装によっては、プリントヘッドアッセンブリ５００は、制御ユニット５５０によって制御されない１つまたは複数の熱素子５４３、５４４も含んでもよい。プリントヘッドは、例えば１つまたは複数の断熱性の熱素子５４３によって断熱されてもよい。

場合により、プリントヘッドアッセンブリ５００は、インク流路に沿って、またはプリントヘッドアッセンブリ５００上の他の場所に位置合わせされる１つまたは複数の温度センサ５６０を含んでもよい。温度センサ５６０は、インク（またはインク流路を形成するコンポーネント５１０、５１５、５１７、５２９、５２５）の温度を検出し、かつ検出された温度によって変調された電気信号を発生することができる。事例によっては、制御ユニット５５０は、熱ユニット５４５−５４７の動作を制御するために、センサ信号を用いて熱ユニット５４５−５４７へフィードバック信号を発生する。

場合により、プリントヘッドアッセンブリ５００は、インク流路に沿った１つまたは複数の位置でインクへ圧力を加えるように構成される加圧ユニット５５５を含む。加圧ユニット５５５は、少なくとも１つの圧力源と、インク流路へアクセスするために結合される１つまたは複数の入力ポート５５６と、インク流路へ加えられる圧力を制御するために使用されることが可能な１つまたは複数のバルブ５５７とを含んでもよい。圧力源は、例えば圧縮空気または圧縮インクを含んでもよい。加圧ユニット５５５は、制御ユニット５５０によって制御可能であってもよい。実装によっては、制御ユニット５５０は、温度センサの信号及び／または検出された圧力信号を基礎として加圧ユニットを制御するためにフィードバック信号を発生してもよい。

ボイド及び泡を低減するアプローチの中には、インクが位相を変えつつある時間中にインク流路に沿って温度勾配を生成することを包含するものがある。インクは、液相から固相へ、または固相から液相へと位相を変えていてもよい。インクが液相から固相へ転移する場合、インクは収縮し、固相インク内にボイドを残す。これらのボイドは、最終的に空気で満たされる場合があり、これにより、インクが固相から液相へ転移する際にインク内に気泡が形成される。インクが温度勾配の存在下で位相を変える間、インク流路の第１の領域におけるインクの第１の部分は液相にあってもよく、一方でインク流路の第２の領域におけるインクの第２の部分は固相にある。

インクが液相から固相へ変わる際のインク流路に沿った温度勾配は、インクが凝固する間に形成されるボイドの数を減らすために生成されてもよい。例えばプリントヘッドに近い第１の領域においてインクの第１の部分を固体に保持し、かつ例えばリザーバに近い第２の領域においてインクの別の部分を液体に保持することは、相転移の間に形成されるボイドの数を低減するためにリザーバ領域からの液体インクが凝固フロントに近いインク部分へ流れ込むことを可能にする。

インクが固相から液相へ変わりつつあるときのインク流路に沿った温度勾配は、凝固インク内に存在する空気を除去するために、例えばパージプロセスの間に用いられてもよい。インク内のボイドは、凝固の間に、液体インクのポケットが凝固インクによって取り込まれる際に形成される。液体インクのポケットが凝固するにつれて、インクは収縮し、ボイドが形成される。ボイドは、ボイドをプリントヘッドアッセンブリの自由表面へ繋ぐインク内のマイクロチャネルを介して空気で満たされる可能性がある。温度勾配は、インクが固相から液相へ変わりつつある時間中にインク流路内で生成されることが可能である。温度勾配は、リザーバにおける、かつリザーバに近いインクは液体であって、プリントヘッドの方に近いインクは固体であるといったものであってもよい。温度勾配は、リザーバの方に近い液相インクからの液体インクが固相インク内のエアポケットへと流れ込み、空気を凝固インクからプリントヘッドアッセンブリの自由表面の１つへと繋がるマイクロチャネルを介して押し出すことを可能にする。

図６は、プリントヘッドアッセンブリ内に温度勾配を生成するように制御ユニット（不図示）によって制御可能な複数の熱素子６４５を含むプリントヘッドアッセンブリ６００を示す。図６に描かれているように、複数の熱素子６４５は、リザーバ６１０、サイホン６１５及び／またはプリントヘッド入口６１７を含むインク流路部分に沿って位置合わせされてもよい。或いは、または追加的に、熱素子６４５は、例えばジェットスタックのマニホールドの内部、上またはその近くを含むプリントヘッド６２０の内部、上またはその近くに位置合わせされる場合もある。

図６が示すように、複数の熱素子６４５は、インク流路に沿って生成される温度勾配のゾーン制御を可能にするようにインク流路に沿って配置されることが可能である。複数の熱素子６４５を用いるゾーン別の熱制御は、インク流路の様々な領域の制御された加熱または冷却を包含し、かつインク流路に沿った温度勾配のより正確な制御を可能にする。事例によっては、温度勾配は、図６の矢印が示すように、リザーバ６１０において、またはその近くでより高いインク温度、Ｔ_Ｈを達成し、かつプリントヘッド６２０において、またはその近くでより低いインク温度、Ｔ_Ｌを達成するように制御される。このシナリオでは、リザーバ６１０における、またはリザーバ６１０の方に近いインクの温度はインクの融点より上に保持されることが可能であり、よってこのゾーンにおけるインクは液体である。プリントヘッド６２０における、またはプリントヘッド６２０の方に近いインクの温度はインクの融点より低く、よって凝固される。図６は、リザーバ６１０におけるより高い温度からプリントヘッド６２０におけるより低い温度へ転移する温度勾配を示しているが、代替実装におけるゾーン別の熱制御は、リザーバにおけるより低い温度からプリントヘッドにおけるより高い温度へ転移する温度勾配を生成してもよい。

図７は、二股に分けられたもう１つの温度勾配を生成するためのゾーン別熱制御に用いられてもよい複数の熱素子７４５を示す。図７に描かれているように、インク流路の第１の領域における第１の温度勾配は、リザーバの自由表面７３１に近いリザーバ７１０内のゾーンにおけるより高い温度、Ｔ_Ｈ１からサイホンエリア７１５内の第１のゾーンにおけるより低い温度、Ｔ_Ｌ１へ転移する。第２の温度勾配は、サイホンエリア７１５内の第２のゾーンにおけるより高い温度、Ｔ_Ｈ２からプリントヘッド７２０の自由表面７３０に近いより低い温度、Ｔ_Ｌ２へ転移する。サイホン７１５の第２のゾーンは、通気孔（図７には示されていない）へ繋がるより大きい容量の領域であってもよい。例えば図７に示されているような二股に分けられた温度勾配は、液体インクをプリントヘッドアッセンブリの複数の自由表面へ向かって移動させることに役立つ場合がある。

ボイド及び泡を低減するアプローチの中には、インクが位相を変えつつある時間中に圧力源からの圧力をインクに加えることを含むものがある。圧力源は、例えば加圧されたインク、空気または他の物質であってもよい。圧力は、インク流路に沿った任意のポイントにおいて加えられることが可能であり、かつ制御ユニットによって制御されることが可能である。事例によっては、制御ユニットは、圧力の印加をインクの温度と協調して制御する。例えば、圧力は、システムの熱力学を基礎としてインクがある特定の温度であることが予期される時点で、または温度センサによりインク流路のある特定のロケーションにおけるインクが予め決められた温度に達していることが示される時点で加えられることが可能である。事例によっては、圧力の量及び／またはロケーションは、例えばインク流路のゾーン別加熱または冷却によって達成される温度勾配と協調して適用されることが可能である。

図８は、インクが位相を変えつつある時間中のインクへの圧力８７０の印加を示す。例えば、事例によっては、リザーバ８１０内のインクをインクの溶融温度を超える温度、例えば９０゜Ｃを超える温度にするために、リザーバヒータ８４５のみが起動される。リザーバヒータ８４５はリザーバ８１０内のインクが溶融するに足る高さの設定温度にまで到達されるが、設定温度はこのように高く、よって／またはプリントヘッド８２０内のインクも溶融するほど長くは保持されない。リザーバ８１０内のインクとプリントヘッド８２０内のインクとの十分な温度差は、リザーバ８１０内のインクは液体でありながらプリントヘッド８２０内のインクを凝固したままにするように保たれる。例えば、使用されるインク及びプリントヘッドアッセンブリのジオメトリに依存して、リザーバが９０゜Ｃであるとき、リザーバ温度とプリントヘッド温度との温度差が約５゜Ｃから約１５゜Ｃまでの範囲内であれば、リザーバインクが液体でありながらプリントヘッドインクは凝固して保たれる。リザーバ内のインクが液体でありかつプリントヘッド内のインクが凝固したままである間、圧力８７０は、例えばリザーバの自由表面８３１に加えられる。圧力８７０は、液体インクのリザーバ８１０から凝固インク内のボイド及びエアポケットへの移動を促進する。液体インクのボイド及びエアポケットへの移動はボイドを除去し、かつ凝固インク内に存在するマイクロチャネル（亀裂）を介して空気をプリントヘッドの自由表面８３０から押し出させる。

図９及び図１０は、インク流路におけるインクへの圧力を受動的に増大させるためのアプローチを示す。図９に描かれているように、インク流路の全てまたは一部はインクへの圧力を高めるために傾斜されてもよい。プリントヘッドアッセンブリ９００のコンポーネントは、プリントヘッドアッセンブリ９００のインク流路全体が図９において傾斜されているように傾けられる。他の実施形態では、インク流路の一部を画定するコンポーネントのみが傾斜されてもよい。プリントヘッドアッセンブリ９００は、この傾斜を達成すべくプリントヘッドアッセンブリ９００のコンポーネントを方向づけるように構成される配向機構９７５を含むことが可能である。実装によっては、プリントヘッドアッセンブリ９００のコンポーネントは、インク流路内のインクに対する圧力を高めるために、インク相変化の間に１つの位置に方向づけられてもよい。コンポーネントは、例えばプリンタの運転中である他の時間期間中に別の位置に方向づけられてもよい。事例によっては、プリントヘッドの配向機構は、制御ユニットにより、例えばインク流路の温度、圧力及び／または温度勾配を基礎として制御されることが可能である。図９に示されているようなリザーバ９１０の傾斜は、インク内の泡をリザーバ９１０の自由表面まで上昇させるように実装される場合もある。

図１０は、インクへ加える圧力を高めるためのプロセスの別の例を描いている。この例において、リザーバ１０１０は先の、または通常のインクレベル１０７６を超えて過度に満たされ、これにより、プリントヘッドアッセンブリ１０００のインク流路に沿って圧力が増大される。事例によっては、過充填インク１０７７は、プリンタのパワーアップシーケンスの間にリザーバ１０１０へ追加されてもよい。或いは、過充填インク１０７７は、プリンタのパワーダウンシーケンスの間にリザーバ１０１０へ追加されてもよい。

先に論じたように、インク流路における温度勾配、インクの加圧及び／または温度、温度勾配及びボイド及び／または泡低減用圧力間の協調の使用は、インクが固相から液相へ転移しているとき、例えばプリンタのパワーアップシーケンスの間に行われてもよい。図１１は、インクが固相から液相へ転移している時間中にボイド及び／または泡を低減するためのある例示的な泡低減プロセスを示すフロー図である。図１１に示されているプロセスは、例えばプリンタのパワーアップに伴ってインク流路からボイド及び／または泡をパージするために用いられてもよい。１１１０、１１２０において、リザーバ及びプリントヘッドは位相シーケンスで加熱される。プリントヘッドの方へ近いインクがインクを凝固したままにする温度に保持されながら、まずリザーバがリザーバ内のインクを溶融する温度にまで加熱される。リザーバ内のインクとプリントヘッド内のインクとの間の温度勾配は、プリントヘッド自由表面におけるシステムの通気及びインク噴射口を介するインクフローシステムの減圧を促進する。１１０５における、リザーバ及びプリントヘッドの位相シーケンスでの加熱により生成される温度勾配は、ボイド内へのインクの半制御式移動及び泡の低減をもたらす。リザーバ及び／またはプリントヘッドの温度上昇速度は、ボイド／泡の最適な低減を達成するように制御される。１１０５においてインク流路沿いに温度勾配が生成された後、１１３０では、場合により、ボイド及び泡低減をさらに増進させるためにインクへ圧力が加えられてもよい。例えば、圧力の印加は、本明細書に記述されているもの等の１つまたは複数の能動的及び受動的加圧技法によって達成されてもよい。

図１２のフロー図には、上述のプロセスのさらに詳細なシーケンスが示されている。１２１０において、リザーバヒータは、約１００゜Ｃの設定温度で起動される。１２２０において、リザーバは約８分で１００゜Ｃに達するが、この時点でプリントヘッドの温度は約８６゜Ｃである。次に、１２３０において、リザーバの設定温度が約１１５゜Ｃまで高められ、１２４０では、リザーバにおいてこの温度が約１０分後に到達される。この時点で、プリントヘッドは約９３゜Ｃである。この時点で、１２５０においてプリントヘッドヒータが起動される。１２６０では、プリントヘッドヒータの起動から約１２分後に、例えば約４ｐｓｉｇから１０ｐｓｉｇまでのパージ圧力がインクへ加えられる。このプロセスの実装により、泡低減動作の間にプリントヘッドからインクが滴ることが回避される。プリントヘッドヒータの起動前は、インクジェットにインクワックスの小玉が現出し、かつパージベントではインクワックスのより大きい玉が泡立ってガスの逃げを示している。プリントヘッドヒータの起動後は、インクワックスの玉はプリントヘッド内へ引っ込み、プリントヘッドの表面は清浄になる。図１２に記述されているプロセスは、溶融範囲を有する混合体であるインクに適用可能である。事例によっては、インクは約８５゜Ｃで完全に液体であってもよい。約１２゜Ｃより大きい温度勾配は、リザーバ内のインクが液体であるときにプリントヘッドにおけるインクを凝固状態に保つ。

図１２に関連して記述されたプロセスによって生成される温度勾配は、ボイド／泡がインクシステムから押し出されることを可能にする。これに対して、温度勾配が存在しない場合、即ち、リザーバ及びプリントヘッドの双方が略同時に略同一温度まで加熱される場合、リザーバとプリントヘッドとの流体結合部、例えばプリントヘッドアッセンブリのサイホンエリアに空気が捕捉される可能性がある。インクが、例えば起動動作の間に固体状態から液体状態へ転移するとき、幾分かのインクはプリントヘッドから押し出されることがある。インクは、室温（２０゜Ｃ）から１１５゜Ｃへの温度上昇の間に、インクの膨張（約１８％）及びインクへの圧力を増大させるガスの膨張に起因してプリントヘッドの外へ押し出される。「ドルーリング」と呼ばれる場合もあるプリントヘッドからのインクの垂れ落ちは望ましくなく、またインクを無駄にする。ドルーリングは、典型的には、プリントヘッドからの気泡の一掃に効果的に寄与せず、かつ多色プリントヘッド上では、ドルーリングは異なるカラーインクによるノズルの交差汚染を引き起こす可能性がある。

これに対して、インク流路に沿って温度勾配を生成する制御された温度上昇は、インクジェット及びプリントヘッドベントから滴下するインクを最小限に抑えてボイド及び泡がシステムから発散されることを可能にする。図１１及び図１２に示されているプロセスは、気泡を追い出すために固相インク内に形成されるマイクロチャネルを用いる。制御されたインクの流れ及び温度上昇からの加圧は、ボイドを排除しかつプリントヘッドを介してエアポケットを追い出す働きをし、よって印刷動作の間にインク内に存在する泡が低減される。

インク内の泡は、間欠的なインク噴射、弱いインク噴射及び／または印刷できない噴射をもたらすインクジェットによって引き起こされる印刷欠陥に繋がる、という理由で望ましくない。泡がインクジェットに取り込まれれば、ジェットは適正に発射せず、印刷欠陥に繋がる。これらの望ましくない印刷欠陥を、本明細書では間欠的な、弱い、または欠落したイベント（ＩＷＭ）と称する。本明細書において論じられる様々な泡低減プロセスは、インク内の泡に起因するＩＷＭ率を減じることに役立つ。ＩＷＭ率は、泡低減方法の有効性の指針である。

図１２に関連して論じられているようなインクの段階的加熱による温度勾配の生成を包含する泡低減プロセスの有効性を、リザーバ及びプリントヘッド内のインクが同時に加熱される一般的なプロセスと比較した。泡の低減の間の段階的加熱及び同時的加熱の双方で、プリントヘッドアッセンブリは角度約３３度で傾斜された。これらの試験において、間欠的な、弱い、または欠落した印刷イベント（ＩＷＭ）の割合が泡低減プロセスの間にインクジェットから出射したインク質量の関数として決定された。望まれることは、低い出射インク質量及び低いＩＷＭ率の双方を達成することにある。図１３は、試験の結果を比較したものである。図１３から認識できるように、大部分の事例において、標準的な同時加熱による泡低減プロセスよりも、図１２に描かれている段階的加熱による泡低減プロセスを用いる方が、少ない出射インク質量で所望されるＩＷＭ率を達成することが可能である。

また、段階的加熱によるアプローチは、起動動作の間にプリントヘッドからインクが滴下することも回避する。図１４の写真に描かれているように、プリントヘッドヒータの起動前、プリントヘッドのインクは９３゜Ｃである。インクジェットにはインクの小玉が現出し、かつパージベントにはインクワックスのより大きい玉が泡立ってガスの逃げを示している。図１５の写真は、プリントヘッドヒータが起動され、かつプリントヘッド内のインク温度が約１１５゜Ｃまで上昇された後のプリントヘッドを示している。インク玉はプリントヘッド内へ引っ込み、プリントヘッドの表面は清浄である。

アプローチの中には、インクが液相から固相へ変わりつつある時間中にインクへ圧力をかけることを包含するものがある。図１６のフロー図は、このプロセスを例示している。１６１０では、インクが液相から固相へ転移している時間中に、インク流路に沿って温度勾配が存在する。例えば、温度勾配は、流路のある領域におけるインクは液体であり、一方で流路の別の領域におけるインクは固体である、という類のものであってもよい。１６２０では、インクが液相から固相へ変わりつつある時間中にインクへ圧力が加えられる。圧力は、インクが溶融する際に気泡となる可能性もあるインク内のボイドを減じる働きをする。

ボイド／泡を低減するアプローチの中には、インクが位相を変えつつある時間中の温度と印加圧力との協調を包含するものがある。インクは、固相から液相へ変化していても、液相から固相へ変化していてもよい。インクが位相を変えつつある時間中、インク流路の第１の領域におけるインクの一部は液体であり、一方でインク流路の第２の領域におけるインクの別の部分は固体である。液体インクの加圧はインクをボイド内へと押しやり、かつ凝固インク内のチャネルを介して気泡を押し出す。印加圧力とインク温度との協調の実装は、インク流路に沿って温度勾配を生成するゾーン加熱を伴う場合も伴わない場合もある。

図１７のフロー図は、例えばプリンタの電源遮断シーケンスの間である、インク流路におけるインクが液相から固相へと位相を変えつつある時に、インク内のボイド／泡を低減するためのプロセスを示している。プロセスは、１７１０においてインクの温度を決定（または推定）することと、１７４０において温度と協調して圧力を加えることに依存する。事例によっては、インクの温度は、インクの温度を検出するために流路に沿って配置される温度センサを用いて決定される。事例によっては、インクの温度は、熱素子の設定温度及びプリントヘッドアッセンブリの熱応答関数を知ることによって推定されてもよい。場合により、１７２０において、インク流路に沿って温度勾配を生成しかつ／または保持するためにゾーン加熱／冷却が用いられてもよい。１７３０において、検出されたインク温度が予め決められた温度まで低下すれば、１７４０においてインクへ圧力が加えられる。

実装によっては、インクへ可変圧力が加えられ、印加される圧力はインクの温度及び／またはインク流路の温度勾配と協調される。図１８は、インクが液相から固相へ転移している時間中のリザーバの温度、プリントヘッドの温度及びインクへ加えられる圧力を含む３つのグラフを描いている。時間ｔ＝０では、プリントヘッド及びリザーバの双方でインク温度は１１５゜Ｃであり、かつインクはインク流路全体に渡って液体である。時間ｔ＝０において、リザーバとプリントヘッドとの間のインク流路内に温度勾配を生成するために、プリントヘッドヒータの設定温度は８１．５゜Ｃへ調節され、リザーバヒータの設定温度は僅かに高い温度に調節される。インクが冷却するにつれて、リザーバ内のインクとプリントヘッド内のインクとの温度差は増大し、最終的に約１２分で設定温度８７゜Ｃ（リザーバ）及び８１．５゜Ｃ（プリントヘッド）に到達する。約１２分において、リザーバにおけるインクに約０．５ｐｓｉの圧力が加えられる。プリントヘッド及びリザーバの温度が徐々に下がるにつれて圧力は増大されるが、プリントヘッドとリザーバとの間の温度勾配は保たれる。約１６分では、リザーバの温度は８６゜Ｃであって、プリントヘッドの温度は８０゜Ｃであり、かつ圧力は８ｓｐｉに増大される。プリントヘッド及びリザーバのヒータは止められ、圧力は、プリントヘッド及びリザーバの継続的な冷却に伴って約８分間、約８ｐｓｉに保持される。

図１８に示されているような圧力と温度との協調を含むプロセスの有効性を、インクが凝固していく間にインクを加圧しない、または温度と圧力とを協調させない標準的な冷却プロセスと比較した。これらの試験では、間欠的な、弱い、または欠落した印刷イベント（ＩＷＭ）の割合によって決定されるような泡形成の低減が、出射するインク質量の関数として決定された。望まれることは、低い出射インク質量及び低いＩＷＭ率の双方を達成することにある。図１９は、試験の結果を比較したものである。図１８から認識できるように、泡低減プロセスの間にインクへ圧力を加えることによって、少ない出射インク質量（即ち、パージ質量）で所望されるＩＷＭ率を達成することが可能である。この試験における装置は、約０．８ｇのインクを含むインクジェット及びフィンガマニホールド及び約１．４グラムのインクを含むインクジェットスタックを含んでいたことに留意されたい。冷却中に印加される圧力を用いた試験では、ＩＷＭ率は、約１．２グラムのパージ質量の後に約１９％から２％未満まで低下した。１．４グラムパージの後は、８ジェットが欠落したグループは存在しなかった。この試験は、出射するインクの量がジェットスタックの容量に等しいことから、サイホン領域の泡の低減における加圧凝固処置の有効性を例証している。ジェットスタック内のインクのみがパージされることから、これは、ＩＷＭ印刷試験にサイホンからのインクが用いられることを意味する。サイホンからの泡の取り込みは、ＩＷＭイベントを引き起こす。取り込みは全く観察されないことから、これは、サイホンにほぼ泡が存在しないことの証拠である。

図１８に示されているプリントヘッドアッセンブリの冷却の温度／温度勾配／圧力プロファイルは、圧力と温度及び／またはプリントヘッドアッセンブリの温度勾配との協調の１つの例示である。圧力、温度及び温度勾配の値は、温度及び圧力の他の協調プロセスにおけるプリントヘッドアッセンブリの特性に従って他の値が選択されることも可能である。

本明細書では、ボイド／泡を低減するための温度勾配の使用を示す例を、リザーバとプリントヘッドとの間に温度勾配を生成することに関連して論じた。或いは、または追加的に、ボイド／泡を低減するためにプリントヘッドまたはジェットスタック内の温度勾配が実装されてもよい。例えば、図２０を参照すると、プリントヘッドのジェットスタック２０２１内に１つまたは複数の温度勾配が生成されてもよい。例えば、温度勾配は、ジェットスタックの縁へ向かってより高い温度、Ｔ_Ｈを、かつインク噴射口及びベントが位置決めされるジェットスタックの中心へ向かってより低い温度、Ｔ_Ｌを含んでもよい。所定のプリントヘッド設計では、温度勾配をジェットスタックのｚ方向に沿って生成することが可能である場合もある。しかしながら、多くのプリントヘッドのジェットスタック設計はｚ方向に薄く、かつインク流路は主としてｙ方向である。温度勾配は、例えば、ジェットスタックの異なる部分における例えばヒートシンク及び／または断熱材である別々の受動的な熱素子を使用することにより、能動的な加熱または冷却エレメントを用いて生成されてもよい。

Claims (10)

1. インクジェットプリンタのためのプリントヘッドアッセンブリであって、
   インク流路を画定するために流体的に結合される１つまたは複数のコンポーネントであって、前記インク流路は前記インク流路に沿った相変化インクの通過を可能にするように構成される１つまたは複数のコンポーネントと、
   前記インク流路に沿って２つ以上のロケーションに位置合わせされる、インクを能動的に加熱または冷却するように構成される熱素子と、
   インクが位相を変えつつある時間中に前記インク流路の少なくとも１つの部分に沿って温度勾配を生成するために前記熱素子を制御するように構成される制御モジュールとを備え、前記温度勾配は、前記インク流路内のインクの一部分を固相にさせ、かつ前記インク流路内のインクの別の部分を液相にさせるプリントヘッドアッセンブリ。
2. 前記相変化は固相から液相への転移を包含する、請求項１に記載のアッセンブリ。
3. 前記相変化は液相から固相への転移を包含する、請求項１に記載のアッセンブリ。
4. インクへ圧力を加えるように構成される圧力機構をさらに備える、請求項１から請求項３までの任意の請求項に記載のアッセンブリ。
5. 前記インク流路を画定するために流体的に結合される前記コンポーネント上に位置合わせされる、インクの温度によって変調される電気信号を発生するように構成される１つまたは複数の温度センサをさらに備え、かつ、
   前記制御モジュールは、前記電気信号を受信し、かつ前記温度センサにより発生される前記電気信号に応答して前記熱素子の動作を制御するフィードバック制御信号を発生するように構成される、請求項１から請求項４までの任意の請求項に記載のアッセンブリ。
6. インクジェットプリンタのプリントヘッドアッセンブリを動作する方法であって、
   前記インクジェットプリンタのインク流路内のインクの位相を変えるために能動的に熱エネルギーを供給することと、
   インクが位相を変えつつあって前記インク流路内のインクの一部が液相でありかつ前記インク流路内のインクの一部が固相である時間中に、前記インク流路に沿ってインクの温度勾配を保持するように前記熱エネルギーを制御することを含む方法。
7. インクの温度を検出することをさらに含み、前記熱エネルギーを制御することは、前記検出されるインクの温度を基礎として前記熱エネルギーを制御することを含む、請求項６に記載の方法。
8. インクが位相を変えつつある時間中にインクへ圧力を加えることをさらに含む、請求項６から請求項７までの任意の請求項に記載の方法。
9. 前記熱エネルギーを能動的に供給することは、前記熱エネルギーを前記インク流路に沿った複数のロケーションで能動的に供給することを含み、前記複数のロケーションは、インクリザーバの方へ近い第１のロケーションと、プリントヘッドの方へ近い第２のロケーションとを含み、
   前記温度勾配を制御することは、前記リザーバにおいてより高い温度を達成しかつ前記プリントヘッドにおいてより低い温度を達成するように前記温度勾配を制御することを含み、前記温度勾配は、前記第１のロケーションから前記第２のロケーションにおけるエアポケットへの液体インクの移動を可能にする、請求項６から請求項８までの任意の請求項に記載の方法。
10. インクへ圧力を能動的に印加することをさらに含み、前記圧力は、前記リザーバから前記エアポケットへの前記液体インクの移動を促進するように設定される、請求項９に記載の方法。