JP4018202B2 - 改良されたヒータを備えたインキプリント装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概して、ディジタル制御印刷装置に関し、特に単一の基板上に複数のオリフィスを内蔵し、表面張力低減技術により印刷を行うために液体粒子が選択滴下される、液体インクドロップオンデマンド・プリントヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
例えば、衝撃を伴わず、騒音が低く、普通の紙に印刷でき、トナーの転写を起こさず、定着を必要としないので、インクジェット印刷は、ディジタル制御電子印刷の分野において、優れた技術であると認識されてきた。インクジェット印刷機構は、連続インクジェット、またはドロップオンデマンド・インクジェットのどちらかに分類することができる。１９７０年のカイサー他の米国特許第３，９４６，３９８号は、圧電クリスタルに高い電圧を掛け、上記クリスタルを歪ませ、インクタンクに圧力を加え、必要なときにインク粒子を噴出させるドロップオンデマンド・インクジェットプリンタを開示している。他のタイプの圧電型ドロップオンデマンドプリンタは、突出モード、分離モード、および圧写モードで圧電クリスタルを使用している。圧電型ドロップオンデマンドプリンタは、家庭用および事務所用プリンタとして、最高７２０ｄｐｉの映像解像度で商業的に成功を収めている。しかし、圧電印刷機構は、通常、複雑な高電圧駆動回路および大型の圧電クリスタルアレイを必要とするので、この点が製作上および性能上の欠点となっている。
【０００３】
１９７９年の遠藤他の英国特許第２，００７，１６２号は、ノズル内で水をベースとするインクと熱的に接触している電熱ヒータに、電力パルスを供給する電熱式ドロップオンデマンド・インクジェットプリンタを開示している。少量のインクを急速に蒸発させて、バブルを発生させ、このバブルによりヒータの基板の縁部に沿って設置されている小さな孔部からインクの粒子を噴出させる。この技術は、バブルジェット（日本のキャノン社の商標）として知られている。
【０００４】
１９８２年のボート他の米国特許第４，４９０，７２８号は、同様に形成されたバブルにより、ヒータ基板の平面に対して垂直な方向に粒子を噴出する電熱粒子噴出システムを開示している。本明細書においては、「熱インクジェット」という用語は、このシステムおよび通常バブルジェット（商標）と呼ばれるシステムの両方をさす。
【０００５】
熱インクジェット印刷は、通常、各粒子を排出するのに、約２マイクロ秒の間に、約２０マイクロジュールを必要とする。各ヒータが１０ワットの能動電力を消費するのはそれ自身望ましいことではなく、またそのため特殊インクを必要とし、ドライバ回路が複雑になり、ヒータ素子の劣化を促進する。熱プリンタの場合、ヒータは、通常、インク粒子排出部本体内に位置している。米国特許第４，８９４，６６４号；第４，９２２，２６５号；および第５，０９７，２７５号の例を参照されたい。しかし、上記装置の場合には、ヒータはインクの表面から離れた場所に設置されている。その目的がその付近のインクを蒸発させることであるので、その結果得られる蒸気のバブルで、その上のインクは、少し離れたレシーバ媒体の方向に推進される。
【０００６】
シエロ他の米国特許第４，２７５，２９０号は、インクが所定の圧力でタンクに供給され、電気的にエネルギーを与えられる抵抗を持つヒータからの熱により表面張力が低減するまで、表面張力によりオリフィス内にインクが保持される液体インク印刷システムを開示している。このシステムは、温度上昇と共に、表面張力が変化する、好適には大きく変化するようなインクを必要とする。
【０００７】
シエロ他の米国特許第４，１６４，７４５号も、インクが所定の圧力でタンクに供給されるが、インクの粘度が高いために、オリフィスから押し出されない（またはゆっくりとしか押し出されない）関連液体インク印刷システムを開示している。インクを解放したい場合には（または大量のインクを解放したい場合には、）、電気的にエネルギーを与えられる抵抗を持つヒータからの熱によりインクの粘度が低減され、それにより、インクがオリフィスから押し出され、紙のレシーバと接触する。このシステムは、温度上昇と共に、表面張力が変化する、好適には大きく変化するようなインクを必要とする。
【０００８】
シエロ他の米国特許第４，１６６，２７７号も、インクが所定の圧力でタンクに供給され、表面張力によりオリフィス内にインクが保持される関連液体インク印刷システムを開示している。インクオリフィス上にアレイの形で配置されている、一つまたはそれ以上の電極に加えられた電圧により供給された静電力が、表面張力より高くなり、選択したオリフィスからインクが排出され、紙のレシーバに接触する。上記シエロの特許には、排出の程度は、「インクジェット」と比較すると、非常に少なく、紙との接触がインク粒子を印刷するための主な手段である。このシステムは、複数の高電圧を制御し、電極のアレイに伝えなければならないという欠点がある。また、隣接電極間の電界が相互に干渉する。さらに、必要とする電界が、アークの発生を防止するのに必要なレベルより高く、厚さまたは湿気のような紙のレシーバの変化する特性により、加えた電界が変化する恐れがある。
【０００９】
陣内他の米国特許第４，２９３，８６５号の場合には、インクオリフィスの下に設けられている、インクチャネル内の電気−機械的変換器に加えられる電圧により、メニスカスが突出されるが、インク粒子を排出させるには十分でない。さらに、電圧がインクオリフィスの上の対向電極に加えられると、静電力により突出したメニスカスからのインクが延びて、オリフィスからインクの粒子が排出され、その後、上記インク粒子は紙のレシーバへ移動する。突出していないメニスカスからのインクは、静電力により排出されない。上記特許は、インク粒子を排出するために、協力して動作する電気−機械的変換器と静電界との種々の組み合わせも開示している。この方法は、上記変換器のアレイを製造するのに費用が掛かり、また困難であるという欠点がある。
【００１０】
斉藤の米国特許第４，７５１，５３１号の場合には、ヒータは、二つの対向する壁部の間に含まれているインクのメニスカスの下に設置されている。上記ヒータは、ヒータの近くに設置されている電極により加えられた静電界と共に、インク粒子を排出させる。複数のヒータ／電極のペアが使用されているが、オリフィスのアレイは使用されていない。インク粒子を排出させるためにインクに加えられている力は、電界によるものであるが、この力だけではインク粒子を排出するには十分でない。すなわち、電界がインク粒子を排出するだけ十分に強くなる前に、ヒータ付近のインクの粘性による付着および／または表面張力を低減するには、ヒータからの熱も必要である。静電界だけを使用した場合には、高電圧が必要になる。それ故、このシステムは、複数の高電圧を制御し、電極のアレイに伝えなければならないという欠点がある。また、オリフィスアレイがないので、排出されたインク粒子の濃度が低くなり、制御もしにくくなる。
【００１１】
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、現在は商業ベースでは使用されていない。例えば、米国特許第４，７３７，８０３号および第４，７４８，４５８号は、プリントヘッドノズル内のインクに、熱パルスと静電誘引電界を同時に加えてインク粒子を印刷シートに対して排出させる、インクジェット記録システムを開示している。
【００１２】
上記各インクジェット印刷システムは、それぞれ利点と欠点を持っている。しかし、例えば、コスト、速度、品質、信頼性、電力利用、構造および動作が簡単であること、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必要とされていることは広く知られている。
【００１３】
図１は、インク粒子のサイズ、印刷位置の正確さ、実行可能な速度、電力利用、耐久性、熱応力、他のプリンタ性能特性、容易に製造できること、および有用なインク特性に関連する従来技術の問題を克服するために、有意の改善を行うことができる液体印刷システムのノズルチップ(nozzle tip)が示されている。圧力を加えられたインク１００は、ヒータ１０３およびノズル先端部１０４を備えて二酸化ケイ素の層１０２から形成されているノズルから突出している。ノズル先端部は、窒化ケイ素により不動態化されている。ヒータは構造が簡単で、流体の流れに関して最適なものである。しかし、ヒータが発生する熱エネルギーのかなりの量は周囲、すなわち、インクタンクおよび基板に奪われる。メニスカスの表面を加熱するのは、上記熱エネルギーのほんの一部である。何故なら、少量のインクにだけ熱が加えられ、インクの蒸発が起こるからである。その結果、ヒータのリップ部分に残留物が残り、最終的にはこの残留物による毛細管現象によりインクの逃げまたはインクの流出が起こる場合がある。
【００１４】
本発明の一つの目的は、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の間に位置の違いを起こさせるとともに、選択されたインク粒子がインクの表面張力に打ち勝ち、プリントヘッドのインクの本体から分離するのには不十分であるようなインク粒子選択機構が設けられ、また、選択したインク粒子を分離させるための別の手段が設けられ、発生する最大の熱エネルギーがインク本体に加えられるようになっている、ドロップオンデマンド・プリントヘッドを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、メニスカスがアドレスされる前の平衡位置にあるときに、表面に近いインクメニスカス本体内にヒータが配設されている。上記ヒータは、表面を加熱し表面張力を低下させる。その後、インクタンクに加えられた圧力により、メニスカスが膨張する。
【００１６】
ヒータがメニスカス本体内に位置していて、動作中、圧力により加熱されたインクが表面の方向に押されるので、大部分のエネルギーは、上昇した温度に表面を維持するのに使用される。このことは動作上望ましいことである。インクの供給源および基板に奪われる熱エネルギーの量は非常に少ない。さらに、熱がインクの量が多いところに加えられるので、インクの蒸発は最小限度ですむ。リップ部分のインクの温度はかなり低いので、リップの表面には残留物は付着せず、インクの逃げまたは流出は起こらない。
【００１７】
本発明およびその目的および利点は、下記の好適な実施の形態の詳細な説明を読めば、さらに明らかになるであろう。
【００１８】
【発明の実施の形態】
添付の図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態を以下に詳細に説明する。
図１は、従来技術のノズル先端部を示す断面図である。
図２は、本発明の例示としての印刷装置を示す簡単なブロック図である。
図３は、本発明の好適な実施の形態のドロップオンデマンド・インクジェットノズルチップを示す平面図である。
図４は、図３のノズルチップを示す断面図である。
図５は、本発明の他の好適な実施の形態のドロップオンデマンド・インクジェットノズルチップを示す平面図である。
図６は、図５のノズルチップを示す断面図である。
【００１９】
以下に、本発明の装置の要素構成部品、または本発明の装置に直接的に協働する部品を重点的に説明する。特に図示または説明しない要素は、当業者にとっては周知の種々の形態をとることができることを理解されたい。本発明の一つの重要な特徴は、印刷に使用するインク粒子を選択するのに必要なエネルギーを有意に低減するための新規の機構である。この機構は、選択したインク粒子を確実にインク本体から分離し、記録媒体上に画素を形成するための機構を、インク粒子を選択するための機構から分離することにより形成することができる。インク粒子選択機構だけを、各ノズルに対する個々の信号により駆動しなければならない。インク粒子分離機構は、すべてのノズルに同時に適用する電界または条件であってもよい。インク粒子選択機構は、この機構により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ことができるように、選択されたインク粒子の位置に十分な変化を起こさせるためだけに必要なものである。
【００２０】
「インク粒子分離手段」という表題の下記表示は、インク本体から選択されたインク粒子を分離し、選択されたインク粒子が、確実に印刷媒体上に画素を形成するための実行可能ないくつかの方法を示す。インク粒子分離機構は、選択されなかったインク粒子が決して印刷媒体上に画素を形成しないように、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。
【００２１】
【表１】

【００２２】
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、目的とする用途によって違ってくる。ほとんどの用途の場合には、方法１である「静電誘引」、または方法２である「ＡＣ電界」が最も適している。平滑なコーティングが行われている紙またはフィルムが使用される場合、および非常な高速が必要な用途の場合には、方法３である「近接」が適している。高速と高品質を必要とするシステムの場合には、方法４である「転写近接」を使用することができる。方法６である「磁気誘引」は、印刷媒体の表面が近接印刷には粗すぎ、静電インク粒子分離に必要な高電圧を使用したくない、ポータブル型の印刷システムに適している。すべての状況に使用することができるハッキリとした「最善の」インク粒子分離手段は存在しない。
【００２３】
図２は、本発明の好適な印刷システムの簡単な略図である。プリントヘッド１０および記録媒体１２は、画像ソース１４と関連しているが、この画像ソースは、スキャナまたはコンピュータからのラスタ画像データであってもよいし、ページ記述語によるアウトライン画像データであってもよいし、他の形のディジタル画像表現であってもよい。上記画像データは、画像処理ユニット１６により、ピクセル−マップページ画像に変換される。ページ記述語による画像データの場合には、上記画像処理ユニットは、ラスター画像であってもよいし、ラスタ画像データの場合には、ピクセル画像操作であってもよい。画像処理ユニット１６により作られた連続調データは、ディジタル階調化ユニット１８により階調化される。階調化されたビットマップ画像データは、全ページまたはバンド画像メモリ２０に記憶される。制御回路２２は、画像メモリ２０からデータを読出し、時間と共に変化する電気パルスを、プリントヘッド１０の一部である選択されたノズルに供給する。上記パルスは適当な時間に、適当なノズルに供給され、その結果、選択されたインク粒子が、画像メモリ２０のデータにより指定された記録媒体１２上の適当な位置に画素を形成する。
【００２４】
記録媒体１２は、媒体移送システム２４により、プリントヘッド１０を通って移動する。この媒体移送システムは、媒体移送制御システム２６により電子的に制御され、この媒体移送制御システムは、マイクロコントローラ２８により制御される。ページ幅プリントヘッドの場合には、固定プリントヘッドの前を記録媒体を移動させるのが最も簡単な方法である。しかし、走査印刷システムの場合には、相対ラスタ運動により、一つの軸（副走査方向）に沿ってプリントヘッドを移動させ、直行する軸（主走査方向）に沿って記録媒体を移動させるのが、通常最も簡単な方法である。マイクロコントローラ２８は、またインク圧調整器３０および制御回路２２を制御することもできる。
【００２５】
インクは、圧力が加えられた状態でインクタンクに収容されている。静止状態の場合には（インク粒子が排出されていない場合には）、インク圧は、インクの表面張力に打ち勝って、インク粒子を排出するほど十分高くない。一定のインク圧は、インク圧調整器３０の制御の下で、インクタンク３２に圧力を加えることにより与えることができる。別の方法としては、大型の印刷システムの場合には、インクタンク３２の表面を、プリントヘッド１０の上方の適当な距離のところに位置されることにより、インク圧を非常に正確に発生させ、制御することができる。このインクレベルは、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。
【００２６】
インクは、インクチャネル装置３４により、プリントヘッド１０の背面に分配される。インクは、好適には、プリントヘッドのシリコン基板にエッチングにより形成されたスロットおよび／または孔部を通して、ノズルおよびアクチュエータが設置されている前表面に流れることが好ましい。
【００２７】
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１２の方へ移動させるのに、外部電界３６が必要である。簡単な外部電界３６としては、インクが容易に導電性になるような、定電界がある。この場合、ペーパーガイド（またはプラテン）３８は、導電性の材料で作ることができ、電界を発生させる一つの電極として使用することができる。他の電極としては、プリントヘッド１０それ自身を使用することができる。他の実施の形態は、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する。
【００２８】
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である。それ故、ほとんどの場合、重力は無視することができる。これにより、プリントヘッド１０および記録媒体１２は、局部重力範囲から見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の場合には、重要なことである。インク粒子分離装置に対して適当に配置した場合、選択されたインク粒子は移動して記録媒体１２上に画素を形成し、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。
【００２９】
図３および図４は、それぞれ、本発明の好適な実施の形態のドロップオンデマンド・インクジェットプリントヘッド１０の簡単な平面図および断面図である。インク供給チャネル４０が、オリフィスプレート４２の下に形成されている。オリフィスプレート４２は、ドーピングされたシリコン基板４４、二酸化ケイ素の中間層４６および窒化ケイ素の表面層４８から形成されている。
【００３０】
オリフィスプレート４２は、そこを通ってインクがインク供給チャネル４０から通過することができる複数のオリフィス５０を含む。オリフィス５０は、またノズルとも呼ばれ、必要な場合には、オリフィスプレートの頂部の上を延びるリップ５２を持つことができる。
【００３１】
図４は、選択が行われる前のインクメニスカス５４である。供給チャネル４０内のインクには、何時でも大気圧より高い圧力が掛けられていて、それ故、インクメニスカス５４は何時でもオリフィスプレート４２の上に少し突出している。インク粒子を内部に保持しようとする表面張力の力は、インク粒子をオリフィスから押し出そうとするインクの圧力と釣りあっている。
【００３２】
ヒータ５６は、オリフィス５０の中央に位置していて、ポリシリコン・フィルムからなる薄い導体５８および６０と、二酸化ケイ素４６および窒化ケイ素４８の薄い支持フィルムとから構成されているブリッジ構造体により支持されている。ヒータ５６は、軽度にドーピングされたポリシリコンで作ることができ、導体５８および６０は重度にドーピングされたポリシリコンで作ることができる。プリントヘッドがシリコン基板からＣＭＯＳプロセスを用いて製造されている場合には、このようなヒータは容易に製造することができる。
【００３３】
ヒータ５６が作動する前の周囲温度においては、インク圧と、外部静電界およびインクの表面張力とは平衡状態にあり、そのためインクはノズルから排出されない。この静止状態の場合には、インクのメニスカス５４は、プリントヘッドの表面から有意に突出しないので、静電界は、インク粒子を分離するために、メニスカスのところに有意に集中しない。
【００３４】
ヒータにエネルギーが供給されると、ヒータ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、低温のインクのメニスカスに比べて、急速に膨張する。対流がノズルチップのところのインクの自由面の一部を通って、この熱を急速に移動させる。この熱が、インクがヒータと接触している部分だけでなく、インク表面全体にわたって分配されることが望ましい。何故なら、固体のヒータにインクが粘性により付着すると、直接接触しているインクの動きが阻害されるからである。温度が上昇すると、表面張力が低下し、力の均衡が破れる。メニスカスが加熱されると、加えられた圧力によりメニスカスは膨張を始め、インクが流れ始める。インクは、新たに増大するより大きなメニスカスを形成し、そのメニスカスはプリントヘッドから突出する。静電界は、突出している導電性のインク粒子に集中する。
【００３５】
加えられた熱エネルギーが十分大きい場合には、メニスカスは臨界サイズより膨張し、その後、熱の供給が中断されても、成長を続ける。熱パルスが十分大きくない場合には、メニスカスは臨界サイズ以下にしか成長しないで、熱の供給が行われなくなると、その静止位置に引っ込む。その臨界サイズ以上に成長したメニスカスの場合には、静電誘引により、インク粒子は、記録媒体の方向に加速され始める。
【００３６】
インクがノズルから引き出される速度が、ノズルの中を流れるインクの流れの粘性によって制限される速度を超えた場合には、ノズルの真上のインクはくびれ始め、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、外部静電界により、記録媒体の方に移動する。その後、ノズルチップのところのインクのメニスカスは、その静止位置へ戻り、次のインク粒子を選択するために次の熱パルスの準備をする。それぞれの熱パルスに対して、一つのインク粒子が選択され、分離されて、記録媒体上に画素が形成される。熱パルスが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が行われる。
【００３７】
図５および図６について説明すると、ヒータ６６はカンチレバー・ビーム６８の端部に設置されている。Ｓｉ₃Ｎ₄層４８は、合成体が必要な形に切断される前に、組み込み引っ張り応力と共に、酸化層４６上に形成される。Ｓｉ₃Ｎ₄層が収縮すると、ヒータを保持しているカンチレバー・ビームの先端が、図示のように、上方に曲がる。そのため、メニスカスの表面をさらに効率的に加熱し、インク粒子をより迅速に形成できるようになる。上記カンチレバー・ビームの先端は、図示のように上にではなく、下に曲げることもできる。さらに、カンチレバービーム６８の全長にわたって複数のヒータを設置することができる。
【００３８】
本発明の装置の製造方法の特定の好適な実施の形態を詳細に説明してきたが、多くの方法を本発明の方法に代えることができ、それは当業者なら容易に行うことができることを理解されたい。同様に、本発明の装置の性質および動作原理から逸脱しないで、装置の構成を種々に変更でき、そのような変更は本発明の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術のノズル先端部を示す断面図である。
【図２】 本発明の例示としての印刷装置を示す簡単なブロック図である。
【図３】 本発明の好適な実施形態のドロップオンデマンド・インクジェットノズルチップを示す平面図である。
【図４】 図３のノズルチップを示す断面図である。
【図５】 本発明の他の好適な実施の形態のドロップオンデマンド・インクジェットノズルチップを示す平面図である。
【図６】 図５のノズルチップを示す断面図である。
【符号の説明】
１０ プリントヘッド
１２ 記録媒体
１４ 画像ソース
１６ 画像処理ユニット
１８ ディジタル階調化ユニット
２０ バンド画像メモリ
２２ 制御回路
２４ 媒体移送システム
２６ 媒体移送制御システム
２８ マイクロコントローラ
３０ インク圧調整器
３２ インクタンク
３４ インクチャネル装置
３６ 外部電界
３８ ペーパーガイド
４０ インク供給チャネル
４２ オリフィスプレート
４６ 二酸化ケイ素
４８ 窒化ケイ素
５０ オリフィス
５４ インクメニスカス
５６，６６ ヒータ
５８，６０ 導体
６８ カンチレバー・ビーム

Claims (1)

1. 複数のインク粒子射出オリフィスを有する基板と、該オリフィスにインクを供給するためにそれぞれのオリフィスに接続されているインクチャネルと、該インクチャネル内のインクに周囲圧より高い圧力をかけて前記オリフィスにインクメニスカスを形成する圧力手段とを有して構成されるドロップオンデマンド印刷用のインクジェットプリントヘッドにおいて、インク粒子選択手段により、選択された幾つかのオリフィスに供給されるインクに対して、選択的に熱が供給され、これにより、選択されたオリフィスのインクと選択されなかったオリフィスのインクとの間で、メニスカスの位置に差異が生じ、前記インク粒子選択手段は、前記オリフィスの開口内であって前記オリフィスの内面から離間した位置に配置されるヒータを有し、該ヒータにより、メニスカスが加熱され、選択された前記オリフィスにおいて、選択されない前記オリフィスと比べてメニスカスの表面張力が低減され、これによりインクチャネル内の圧力が表面張力に打ち勝ってインクが吐出されることを特徴とするインクジェットプリントヘッド。

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