JPH02215540A - インク・ジェット印字装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明はインク・ジェット印字システムに関し、特にイ
ンク・ジェット印字システムが高速モードで制御可能に
動作できるようにする方法と装置とに関する。

〔発明の技術的背景及びその問題点〕

インク・ジェット・プリンタは動作が静かで、迅速であ
り、用紙への印刷品質が高いので極めて普及してきた。

多様なインク・ジェット印字方法が開発されている。

連続ジェット印刷と呼ばれる一つのインク・ジェット印
字方法では、インクは圧力をかけられてプリント・ヘッ
ド内のノズルに給送され、インクの連続的噴射が行われ
る。各噴射は振動によって分離されて小滴の流れになり
、これが帯電され、印字媒体に、又は引き続き再循環さ
れるように収集溝に静電的に偏向される。米国特許第３
．５９６．２７５号はこの方法を開示している。

静電引っ張り（ｐｕｌｌ）印刷と呼ばれる別のインク・
ジェット印字方法では、印字ノルズ内のインクにはゼロ
圧力又は低い正圧がかけられ、静電的にＸ引っ張られて
小滴にされる。小滴は小滴の飛翔方向及び印字媒体上の
所望の位置への沈積を制御するように配置された一対の
偏向電極の間を飛翔する。米国特許第３．０６０．４２
９号はこの方法を開示している。

これらのものよりも更に普及している第３の方法はドロ
ップ・オン・デマンド（需要に応じた滴下）印刷方法と
して知られている。この技術では、インクは大気圧以下
の圧力でペン内に保持され、需要に応じて小滴発生器に
よって、−度に一滴だけ噴出される。これには二つの基
本的な噴射機構が利用される。即ち熱バブ１し及び圧電
波である。

熱バブ１し・システムでは、小滴発生器内の薄膜抵抗体
が加熱され、インクの小部分の突然の気化が誘発される
。急激に膨張するインク蒸気がインクをノズルから移動
させ、インク滴の噴出を引き起こす、米国特許第４．４
９０．７２８号はこのような熱バブル・ドロップ・オン
・デマンド・システムの例である。

ドロップ・オン・デマンド方式では、静止状態ではイン
クが噴射されるまでペン内にインクが保持されるように
、インク溜め内の圧力が大気圧以下であることが必要で
ある。この“低圧″（即ち“部分真空”（ｐａｒｔｉａ
ｌ　ｖａｃｕｕｉｅ））の程度が重要である。低圧が少
なすぎると、又はインク溜めの圧力が正であると、イン
クはインク滴発生器から漏れ出てしまう、低圧が多すぎ
ると、静止状態にあるインク滴発生器に空気が吸引され
てしまう。

（インク滴発生器の高度の毛管現象が空気−インク・メ
ニスカスをインク溜めの部分真空に抗して保持するので
、通常は空気はインク滴発生器には吸引されない、） ドロップ・オン・デマンド方式に必要な低圧は様々な方
法で得ることができる。一つのシステムでは、低圧はイ
ンクの表面のレベルがノイズのレベルよりも僅かに低く
なるようにインク溜めを低下させることによって重力を
利用して得られる。

しかし、インク溜めの位置をこのように定めることは必
ずしも容易には達成されず、印字ヘッドの設計に大きな
制約が生ずる。この重力による低圧技術の例は米国特許
第３．４５２．３６１号である。

必要な低圧を達成する別の技術は米国特許第４．５０９
，０６２号及び１９８７年１０月２８日に出願された係
属中の出願番号第０７／１１５．０１３号に開示されて
おり、双方とも本発明の出願人に譲渡されている。前者
の特許の場合は、低圧はインクがインク溜めから引き出
されると漸次へこむ袋状のインク溜めを使用することに
よって達成される０弾力的な袋の復元力によってインク
溜め内のインクの圧力が大気圧よりわずか低く保たれる
。後者の特許出願に開示されたシステムでは、低圧は、
一端でインク溜め内のインクに浸漬され他端では大気圧
に通じている溢れ排水まず（ｏｖｅｒｆｌｏｗ　ｃａｔ
ｃｈｂａｓｉｎ）に連結された毛管インク溜め通気管を
使用することによって達成される。印字ヘッドがインク
溜めからインクを引き出すと、インク溜めの圧力は外気
圧以下に低下する。この低圧はインクがインク溜めから
噴出すると増す、低圧がしきい値に達すると、それが少
量の空気を毛管を通してインク溜め内に引込み、それに
よって低圧がしきい値を超えることが防止される。

ドロップ・オン・デマンド・プリンタの最大印字速度は
インクをインク滴発生器へと供給する毛管の再充填速度
によって限定される。インク滴発生器が、毛管がインク
を供給できるよりも速くインク滴を噴射すると、インク
・ジェットを構成する小滴は不完全に形成され、そのう
ちのある部分は完全に無駄になる。

例えば特に図形画像の印刷のような集約的印刷の用途で
より高速のインク・ジェット・プリンタに対する必要性
は長い間切実であり、かつ増大している。既存のインク
・ジェット・ペンは、例えばインク滴が噴射される速度
を高めるため、インク滴発生器内のインクの振動を利用
することによって、速度を高めるために可能なあらゆる
利点が得られるように最適化されてきた。しかし、さら
に迅速なインク・ジェット・プリンタに対する要求は存
続している。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、二つの動作モード即ち標準速度モード
と高速モードを有するインク・ジェット・ペンを提供す
ることである。

本発明の別の目的は、負圧又は正圧の何れかでインクを
インク滴発生器に選択的に供給できるインク・ジェット
・ペンを提供することである。

本発明の更に別の目的は、正圧がインク溜め内に保持さ
れるようにインク溜め内の通気を自動的に閉鎖できるイ
ンク・ジェット・ペンを供給することである。

〔発明の概要〕

本発明の一実施例によれば、インク溜め内の空気を加熱
するために選択的に付勢され、それによって内部のイン
クへの圧力を増大することが可能な電気加熱素子がイン
ク・ジェット・ペンに備えられる。この正圧が、より急
速に、インク滴発生器にインクを給送する管を通してイ
ンクを駆動し、ペンがより高速に印字できるようにする
。

加熱素子が付勢されないと、インク噴射によってインク
溜めに残った部分真空はバブル発生器のオリフィスを通
した空気の導入によって緩和される。このオリフィスの
サイズは、空気のバブ１ｖがオリフィスを通ってインク
内に引き込まれうる前に、インク溜めが約５インチの水
相当の負圧を要求されるようなサイズになっている。こ
の構成によって、加熱素子が付勢されないとき、インク
溜めの圧力は“バブル圧”で調整される。

インク溜め内の圧力は、加熱素子が付勢されたときも調
整される。インク溜め内の正圧は一般にインクをパブ１
１／発生器のオリフィスから外に押し出そうとする。し
かしながら、本発明ではインクは、インク溜めの圧力が
正のしきい値を超えるまでバブル発生器のオリフィスか
ら排出されるのが阻止される。この圧力を超えると、イ
ンクは強制的に排除される。インクのこの排除によって
インク溜め内に正圧の一部が軽減され、インク溜めの圧
力を正のしきい値以下に保つ。

一実施例では、オリフィスが連通ずる排水まず室内の構
成要素の新規の構成によって、加熱素子が付勢されると
、インクはパフ類し発生器のオリフィスから排出される
ことが阻止される。前記室は該室内に延び、かつバブｌ
し発生器のオリフィスと対向する開口部で終端する通気
管を通して大気と通気される。インクが正圧によってイ
ンク溜めからパフ１フ発生器オリフィスを通って室内へ
と押し出され始めると、インクは通気管内の開口部を密
封し、それによって室を周囲圧力から遮断する。

その後、空気の加熱により発生したインク溜め内の正圧
は、印字中、より高速でインクを印字ノズルへと押しや
ることによって低減される。

加熱素子が付勢されず、かつインク溜め内の圧力が環境
条件によって周囲圧以上に上昇した場合は、前述の通気
阻止機構は作動せず、インク溜め内の正圧はインクを排
水まず内に排出することによって低減される。

本発明の前述の、及びその他の目的、特徴及び利点は添
付図面を参照した以下の詳細な説明によって明らかにさ
れよう。

〔発明の実施例〕

第１図及び第２図を参照すると、本発明の一実施例によ
るインク・ジェット・ペン１０はインクをインク滴発生
器１４に供給するインク溜め１２を備えている。インク
溜め１２の上部にはワイヤ２０によってペン１０の外側
の接点１８に接続された抵抗性加熱素子１６が配設され
ている。接点１８に適宜の電圧を印加することによって
抵抗加熱素子１６が付勢されると、インク溜めの上部の
空気が加熱され、理想気体の法則に従って膨張しようと
する。インク溜めは後述するように実質的に密封されて
いるので、加熱された空気は膨張することができず、そ
の代わりに加圧される。この正圧がインク溜め内のイン
クにかかり、インクを管に押しやり、それによってイン
クはインク滴発生器に供給される。このように加圧され
たインクが毛管を通って供給されることによって、イン
ク滴発生器は小滴形成における不純さ夏なしに、従来技
術よりも高速で動作することができ、ひいては印字速度
も高まる。

二のような高速印字モードが必要でなくなると、抵抗性
加熱素子１６への電圧の供給は中断される。

その後、空気の対流、放射、伝導及び空気膨張がペン内
の空気を冷却し、ペンをインク溜めが低圧で動作する標
準印字速度モードに戻す。

標準印字速度モードでは、インク溜め１２からのインク
の噴射はインク溜め内の部分真空状態を保ち、これは単
数又は複数のバブル発生器オリフィス２２（第１Ａ図）
を通してインク溜め内に空気バフ１しを時折導入するこ
とによって緩和される。オリフィス２２のサイズは空気
のバブルがオリフィスを通してインク内に引き込まれう
る前にインク溜めの圧力が約５インチの水相当の負圧を
有するようなサイズになっている０図示した実施例では
、バブル発生器オリフィスの直径は０．００７８インチ
である。インク溜め内の部分真空が５インチの水圧（“
バブル圧”）を超えるたびに、別の空気バブルがインク
溜め内に導入され、内部の圧力はそれに対応して低減す
る。このような小さなオリフィスを使用することによっ
て、標準印字モード中はインク溜め内の圧力は大気圧に
まで到達することが妨げられ、代わりに“バフ１し圧”
に調整される。

高速印字モードの場合において要求されるように、イン
ク溜め１２を正圧で動作させるには、バブル発生器オリ
フィス２２を何とかして動作させないようにしなければ
ならないことが理解されよう。

そうしないと、オリフィスは、インクがインク溜め１２
から漏出し、内部の正圧が低減してしまうのを妨げない
、好適な実施例では、この動作停止機能はオリフィスが
連通ずる室２４（″排水まず”とも呼ばれる）内の部品
の新規の構成によって行われる。室２４は第１Ａ図に示
すように、室内に延びバブル発生器オリフィスから僅か
な間隔を隔てた位置にある面取り開口部２８で終端する
通気管２６を経て周囲大気と通風される。

高速印字モードでは、急激に増大するインク溜めの圧力
がインク小滴をバブル発生器オリフィス２２を通して、
通気管２６の外表面と通気管の周囲で下方に延びるカラ
ー（ｃｏｌｌａｒ）３６の内表面との間に形成された環
状調整領域（ａｎｎｕｌａｒ　＊ｅｔｅｒｉｎｇ　ａｒ
ｅａ）２７へと押しやる。バブル発生器オリフィス２２
を通した小滴の急激な分泌によって間もな（この狭い環
状経路２７は閉塞し、かつ排水まず２４への低圧密封状
態を形成し、この室をインク溜めから遮断する。バブル
発生器オリフィス２２を通して継続して分泌されたイン
ク小滴は、前記密封上に集積し、やがて通気管の頂部の
面取り開口部２８を浸水する地点にまで上昇する。

通気管２６の設計はそこに捕捉されたインク滴の表面張
力が所望の正圧を支持し、それによって通気管を、ひい
てはオリフィス２２を有効に密封するようにされている
。

図示した実施例では、この構成には面取りされた開口部
から直径が大きい孔３２へと繋がる直径が小さい孔３０
が設けられている。

円周方向に延びるポケット、即ち切り込み３４は、直径
の小さな孔３０が直径の大きい孔３２と交わる地点のす
ぐ近くの直径の大きい孔３２の頂部の周りに延びている
。このポケット３４はインクが面取り開口部２８内に誘
導されたとき、インクで満たされる。

インクの表面張力はインクをこの位置に保持し、通気管
から閉塞物を除去するのに必要な圧力を増大する。

面取りされた開口部が閉塞された後、インク溜め内の正
圧は最早通気管２６を通して低減されることはできない
０代わりに、インク溜めの圧力はインクをより迅速にイ
ンク・ノズルを通して印字媒体へと押し出すことによっ
てのみ低減され、その結果印字密度が高まる。

（図示した通気構造によって更に、これを圧力安全弁と
して利用し、インク溜めの圧力が所望の最大値を超えた
とき、開口部を閉塞するインクを通気管を通して吹き出
すようにすることができる。

加熱抵抗体１６が初めに付勢されるとき、これは高電流
で付勢されて、ペンを急速にその高速印字モードにする
０通気管２６が一旦閉塞され、ペンかっ 所望液正圧状態で動作すると、抵抗体加熱電流は高速動
作の継続期間中、より低い値に低減されることができる
。抵抗体はプリント・バッファが高速モードで印字され
るデータで満たされている間、このより低い電流で付勢
され続ける。

プリント・バッファが一旦、高速で印字されるデータで
いっばいでなくなると、加熱抵抗への電流は中断される
。ペンはプリント・バッファのデータを空にするのに必
要な期間だけ増大した印字密度で動作し続ける０次にペ
ンは、少量のインクがプリント・ノズルから流出してト
ラフ又は吸取紙に吸収されることによってインク溜め内
の残りの正圧が低減される“つば吐き”ステーションに
移動される。

次にペンは“サービス・ステーション”に移動しそこで
、はぼ周囲温度まで冷却されるまで休止する。この冷却
間隔中、インク溜め内の圧力は大気圧以下、即ち約３乃
至４インチの水の圧力まで低下する０面取り開口部２８
又は通気管２６内にトラップされたインクは環状調整領
域２７のインクと同様に、インク溜め内の部分真空によ
ってバブル発生器のオリフィス２２を通ってインク溜め
内に引き込まれる０通気管２６を塞ぐ液体メニスカスが
解放されると、インク溜めはバブル発生器の設定点、即
ち５インチの水の負圧に対する圧力と再び拮抗する。そ
こでペンは標準印字モードで印字を再開できる状態に電
る。

インク溜めの圧力は高速印字モードではわざわざ周囲圧
より高くされるが、同様の圧力変化は周囲温度の上昇又
は高度の上昇のような環境の作用によっても起こり得る
。しかし、これらの後者の条件では、発明の好適な実施
例に従うペンは高速モードと同じ態様では動作しない０
代わりに、そのような大気の変化を補償し、かつ正圧を
インク溜めから放出できるように動作する。

ペンがこれからの二つの同様の条件に別個に応答できる
理由は、インク溜めの圧力が上昇する速度の差である。

大気によって誘発される変化は抵の 抗χ加熱によって誘発される変化よりもゆっ（りと起き
るので、インクは、高速度では浸水して密封を形成する
のが必要となる環状調整領域には押し込まれない０代わ
りに、バブル発生器オリフィス２２を通って押し込まれ
るインクは環状調整領域を形成するプラスチック材料を
湿らせ、その表面エネルギによって作用を受け、かつ調
整領域を降下して排水ます２４の低部へと移動する。排
水ますの底に溜まったインクは、やがて、排水ますの大
部分を満たす、インクを通気管から押し出す泡２９と接
触する。インク溜めの圧力を更に上昇させる大気状態の
継続する変化はインクがインク溜めから出て、環状調整
領域２７を降下し、排水ますの泡２９に入ることによっ
て継続して緩和される。環状調整領域はこの緩慢な過程
中は決して閉塞されず、従って通気管２６は決して閉塞
されない、このようにインク溜めはいずれの正圧をも周
囲圧まで下げるように流出でき、又、ペンの動作によっ
てインク溜めの圧力は更にバブル圧力まで低下する。

図面では２つのバブル発生器オリフィスを図示している
が、その数はそれ以上でもそれ以下でもよい、一実施例
では、６つのオリフィスが通気管の頂部を中心に対称に
配設されている。高速印字モードでは、オリフィスの全
てがインクを流出させ、これが環状調整領域を密封し、
通気管を閉塞する。しかし、標準印字モードでは、通常
は一つのオリフィス、即ち直径が最大のオリフィスだけ
が動作する。（製造公差によって、各オリフィスの直径
は僅かに異なる。バブルはそれが抵抗が最小の経路なの
で、最大の直径のオリフィスを通っ速印字モード中、バ
ブル発生器（単数又は複数）を通るインクの流れを制御
自在に停止するための弁４４が設けられている。この弁
４４は加熱素子１６を作動するのと同じ制御線から電気
的に作動される。

その結果、弁４４は加熱素子が付勢される毎に遮断され
る。弁４４が遮断されると、インク溜め内の圧するため
圧力安全システムを備えることが望ましい、このような
圧力安全装置は各種のものが公知であり、この用途に利
用可能である。

更に別の実施例では、ヒータがサーモスタット空気を周
囲温度よりも３０°Ｆだけ高く加熱することによって、
高速印字モードで必要である５インチの水の正圧が達成
可能である。（勿論この値はインク溜め内の空気の容積
に左右される。）インク溜め内にサーミスタ又は他の熱
電エネルギー変換器を配設することによって、インク溜
め内部の温度をモニターでき、加熱素子への電力の供給
を制御するために利用できる。

第３図は匹敵する従来型のインク・ジェット・ペンによ
って達成される印字品質を、高速印字モードの本発明に
よって達成可能な印字品質と、印字速度の関数として比
較したグラフである。図示されている通り、双方のシス
テムとも、印字品質は印字速度が一定値を超えると許容
範囲以下に低下する。しかし、本発明では、この値は従
来のものよりも高い、従来型の場合、印字速度が毎秒約
５５００滴を超えると許容範囲を超える。本発明に基づ
く高速印字モードでは、毎秒８５００滴の印字速度が、
許容される品質で達成可能である。

本発明を利用することによって可能な、より高速の印字
速度を得るため、インク・ジェット・ペンを印字媒体に
対して移動するキャリッジはそれに見合った高速で移動
しなければならない、即ち、ペン・キャリッジはペンが
動作する印字モードに応じて、ペンを異なる速度で移動
しなければならない、あるいは、キャリフジはペンの動
作−ドにかかわりなく、皿主産皮で移動することもでき
る。

この場合は、第二のモードで増大するのは印字密度であ
る。何故ならば、ペンより速い密度でインクを噴出し、
それゆえ印字媒体の面積単位当たりに供給されるインク
滴の数が増すからである。

最後の実施例では、２モード・システム（加熱素子がオ
ンまたはオフの何れか）ではなく、加熱素子には！制御
電流が供給されるので、インク溜め内の圧力は所望の任
意の正圧に設定することができる。この実施例では、印
字密度は、対応して変調された電気信号を加熱素子に供
給することによって変更することができる。このように
して印字された出力のアナログのグレー・スケーリング
を達成可能である。

これまで本発明の原理を好適な実施例及びその幾つかの
変形例で説明し、図示してきたが、本発明はかかる原理
から逸脱することなく構成と細部を変更できることが明
らかであろう０例えば、本発明はインク溜めの上部床に
配置されていたバブル発生器／通気管を参照して説明し
てきたが、別の実施例ではこれらの部材は及びこれに類
する部材は、第２図の符号５０で示すように、インク滴
発生器の近傍のインク溜めの上部から下方に延びる深溝
の床部に設けることもできる。同様に、本発明はインク
溜め内部の空気を加熱することによってインク溜めの圧
力を上昇するための抵抗性素子を参照して説明したが、
別の実施例ではインク溜めの容積を物理的に縮減する装
置のような、別の従来型の圧力上昇機構を利用すること
もできる。

最後に、本発明は環境要因に起因する正のインク溜め圧
力がインク溜めからインクを流出させることによって低
減される実施例を参照して説明してきたが、別の実施例
では同じ安全圧力が通気することによって達成可能であ
る。

本発明の原理が応用できる広範な実施例を考慮すると、
説明し、図示した装置は例示のためだけであり、発明の
範囲を限定することを意図するものではないことが理解
されよう。

〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明を用いることにより、高速
印字を行うことができる。また、印字出力のアナログ・
グレー・スケーリング化が容易に達成でき、さらに、大
気の変化等の周囲環境変化をも容易に補償することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるインク・ジェット・ペ
ンの断面図である。 第１Ａ図は第１図の装置に用いられるインク溜め通気装
置の拡大詳細図である。 第２図は本発明の別の実施例によるインク・ジェット・
ペンの断面図である。 第３図は本発明のインク・ジェット・ペンと従来のイン
ク・ジェット・ペンとを比較した図である。 １２：インク溜め、　　　１４ニインク滴発生器１６：
抵抗性加熱素子、１８：接点 ２０：ワイヤ ２２：バブル発生器オリフィス ２４：排水ます、　　　２６：通気管 ２７：環状調整領域、　２９：泡 ３４：ポケット、　　　　３６：カラー出願人　ヒユー
レット・パラカード・カンパニー代理人　弁理士　　長
谷用　次男

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）インク室と、 前記インク室に結合されたインク滴発生器と、第１及び
   第２動作モードを有し、前記第１モードで動作する場合
   は前記インク室内の圧力を雰囲気圧より低くし、前記第
   ２モードで動作する場合は前記インク室内の圧力を雰囲
   気圧より高くするモード圧力制御手段と、 を備えて成るインク・ジェット印字装置。
2. （２）前記モード圧力制御手段が、 前記インク室にオリフィスによって結合されて前記モー
   ド圧力制御手段が前記第１モードにある場合は雰囲気圧
   で動作する補助室と、 前記第１モードにおいて、圧力差に応じて前記補助室か
   ら前記インク室に空気を引き込む時の経路を確立する前
   記オリフィスと、 前記第１モードにおいて、前記インク室内の圧力が前記
   補助室の雰囲気圧に完全に達しないように前記オリフィ
   スを通る空気の流れを制限する圧力調整手段と、 を備えている請求項（１）記載のインク・ジェット印字
   装置。
3. （３）前記モード圧力制御手段が、前記インク室を通気
   するオリフィスと、前記第２モードにおいて、前記オリ
   フィスを塞いで正圧が前記インク室内で保持されるよう
   に自動的に動作可能な手段とを備えている請求項（１）
   記載のインク・ジェット印字装置。
4. （４）前記モード圧力制御手段が、前記第２モードにお
   いて、前記インク室内の圧力を制限するように動作する
   圧力開放手段を備えている請求項（１）記載のインク・
   ジェット印字装置。
5. （５）変調電気信号を供給する段階と、 前記信号に応答してインク溜め内の圧力を変える段階と
   、 を備えて成るインク・ジェット印字装置における印字密
   度変調方法。