JPH023315A - バブルジェット式印字機構 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、バブルジェット式印字機構、より詳細には、
印字動作中に発生した熱を有効に制御できるように構成
した印字ヘッドに関するものである。

発明が解決しようとする課題 バブルジェ“ット印字方式は、熱エネルギーを用いてイ
ンク充満チャンネルの中で気泡を発生させ、その気泡で
インク滴を噴射させるドロップ・オン・デマンド型イン
クジェット印字方式である。インク充満チャンネルの中
に、熱エネルギー発生器（通常は発熱抵抗器）がノズル
から所定の距離に配置されている。インクを瞬時に蒸発
させてインク滴を噴射する気泡を発生させるため、発熱
抵抗器は電流パルスで個別にアドレスされる。気泡が増
大すると、インクはノズルから膨れ出るが、インクの表
面張力のためメニスカスとしてチャンネルの中に止どま
る。気泡が収縮し始めると、チャンネル内のノズルと気
泡間のインクが収縮する気泡の方へ動き始めるため、ノ
ズルにおいてインクの収縮が生し、膨れ出たインクが分
離して滴となる。

気泡が増大する間、インクかノズルの外へ加速されるの
で、記録媒体たとえは紙へ向かって直線方向に、インク
滴に運動量と速度が与えられる。

従来の印字ヘット動作の問題点は、使用中の印字ヘット
の温度上昇である。連続して使用すると、印字ヘッドが
次第に熱くなり、インク滴の直径か増大して、記録媒体
の上の滴の重複が大きくなり過きて、画像の品質が低下
する。印字ヘッドがさらに熱くなると、ノズルにおける
空気の吸込みが滴の形成を完全に阻害するまでインク温
度が上昇する。

これまて、この熱の蓄積を制御し、印字ヘッドを妥当な
温度範囲に維持するいろいろな方法が知られている。

従来の熱管理方法は、印字ヘッドの形状寸法、印字速度
、等の要因によっては、ある種の印字方式には適当でな
いことかある。本発明は、印字ヘッド構造に放熱部材を
組み入れることで熱管理を最適にするように修正された
インクジェット・プリンタに関するものである。印字ヘ
ッドの動作中に発生した熱がいろいろな熱流路をたどる
ことが、印字ヘッドから外へ熱の流れを促進するためカ
ートリッジ型印字ヘッドに施された幾つかの修正の動機
になっている。これらの修正には、印字ヘッド上および
印字ヘッドに接合された電極基板上の最適箇所に、ヒー
トシンク部材を配置する方法がある。また別の修正とし
て、電極基板を貫通し、印字ヘッドで終わるメツキ孔を
設ける方法かある。

さらに別の修正として、印字ヘッドのカートリッジ本体
を金属被覆し、かつカートリッジの表面にヒートシンク
部材を付加することによってカートリッジの放熱性を向
上させ方法がある。

課題を解決するための手段 本発明は、第１の実施例として、以下の特徴を備えたド
ロップ・オン・デマンド型サーマル・インクジェット・
プリンタのバブルジェッ１−式印字機構を提供する。印
字機構は、内部に印字ヘッドが取り付けられたインク供
給カートリッジを備えている。印字ヘッドは複数の平行
チャンネルを有する形式である。各チャンネルにはイン
クが供給され、各チャンネルの開端はインク滴噴射ノズ
ルの働きをする。各チャンネルの内部にはノズルから所
定の距離に発熱体が１個づつ配置されている。

印字機構が受け取ったディジタル・データ信号に応じて
発熱体に電流パルスを選択的に加えると、インク滴がノ
ズルから噴射される。発熱体は、接触しているインクに
熱エネルギーを伝達して気泡を瞬時に発生させ、インク
滴をノズルから噴射させる。本印字機構は、さらに、印
字ヘッドに接着された電極基板を備え、電極基板は少な
くとも１個の放熱機構を有している。

実施例 第１図に従来のキャリッジ型多色サーマル・インクジェ
ット・プリンタ５を示す、このプリンタは米国特許箱４
，６０１，７７７号に詳しく記載されている。簡単に説
明すると、各インク供給カートリッジ１２の各印字ｌ＼
ラッド１の中にインク滴発生チャンネルか直線に配列さ
れている。案内レール１５の上で矢印１３の方向に前後
に往復運動するキャリ・ンジ１４の上に、１個またはそ
れ以上のインク供給カートリッジ１２が取り付けられて
いる。インク滴発生チャンネルは、キャリッジの往復方
向に直角に、かつ記録媒体のステップ送り方向に平行に
並んなオリフィスすなわちノズルで終わっている。記録
媒体が印字幅に等しい距離だけ矢印１７の方向にステッ
プ送りされ、その後、印字へラド１１が反対方向に動い
て、次の情報の幅を印字する。プリンタの制御器（図示
せず）は、受け収ったディジタルデータ信号に応じて、
印字ヘッド１１のチャンネルの中にノズルから所定の距
離に配置された個々の発熱体を電流パルスで選択にアド
レスし、ノズルからインク滴１８を記録媒体へ向かって
噴射させる。

印字へラド１１の発熱体に流れ、た電流パルスは、発熱
体に接触しているインクを瞬時に蒸発させ、時的に気泡
を発生させ、その気泡の増大によりノズルからインク滴
を噴射させる。上記の代わりに、数個の印字ヘッドを正
確に並置してページ幅のノズル配列を作ることができる
。この構成（図示ぜず）の場合は、ノズルが静止し、紙
がノズルを通過する。

第１図に示すように、数個のインク供給カートリッジ１
２と固定して取り付けた電極基板１９の間に印字ヘット
１１（点線で１個のみを示す）が挟まれている。印字へ
ット１１は電極基板１９に永久的に結合されており、そ
れぞれの電極は一緒にワイヤボンディングされている。

第２図に示す印字ヘッドの１１インク供給穴２５は、カ
ートリッジの開口（図示せず）にぴったり合わせて密封
されているので、プリンタの動作中、インクはカートリ
ッジからマニホルドを通って連続的にインク供給チャン
ネルへ供給される。

第２図は電極基板１９と印字ヘッド１１の平面図である
。電極基板の電［！２３は、印字ヘッド１１の電極３３
と一対一で対応し、ワイヤホンディングされている。基
板１９の反対面にある電極は接続箇所２６て電気的に接
続されている。電極３３は印字ヘッド１１内部の個々の
発熱体すなわち抵抗器３４（そのうちの数個を点線で示
す）に接続されている。各抵抗器３４は滴噴射ノズルに
それぞれ付属している。印字ヘッドおよび製造方法につ
いては、前記米国特許第４，６０１，７７７号に詳しく
記載されている。

第３図は、印字ヘッド１１と電極基板１９の一部とカー
トリッジ１２の一部の断面図である。印字へラド１１は
、個々の抵抗器が入っているヒーター・チップ３０とイ
ンクチャンネル板３１を有する。印字ヘッド１１は、エ
ポキシ層４０と銅パッド４２を介して電極基板１９に接
合されている。ガスケット３６は印字へラド１１をカー
トリッジ１２に密封している。この構成の場合には、発
熱抵抗器を所望の中心温度まで高めるために、約８ワツ
トの電力が必要である。

また電流パルスは２〜５マイクロ秒のパルス持続時間を
用いることができ、処理速度によっては、２　Ｋ１１ｚ
またはそれ以上のパルス周波数が必要である。たとえば
、４８工レメント印字ヘッドの場合には、ベタ領域像情
報のために必要な滴の流れを作るのに、２〜３ワツトの
平均電力入力が必要であろう。連続使用すると、印字ヘ
ットの温度が上昇し始め、インク温度が上昇し、記録媒
体上に生成されるインク・スボッ１への直径が増大する
。

したかって、適当な熱管理方式を用いて、印字ヘッドに
熱が蓄積しないようにしなければならない。

第４図は、第３図の実施例の熱の流れの等価回路である
。図示のように、印字へラド１１内で発生した熱は３つ
のルート、すなわち電極基板１９、キャリッジ１２、お
よびインクに沿って放散する。第４図の回路を構成する
各要素は、熱の流れに熱抵抗を与える。熱抵抗Ｒは、次
式で定義される。

Ｒ＝　　Ｔ／Ｑ　　＝　ｆ／ｋＡ°／ｕ＋ａｔｔここで
、■は要素における温度変化、Ｑは要素を通って流れる
熱、ｌは熱が流れなければならない長さ、八は熱が流れ
る断面積、ｋは材料の熱伝導率である。熱Ｑｓは、エポ
キシ層４０（熱抵抗は約２°Ｃ／ｕ＋ａｔｔ）と電極基
板（熱抵抗は約１６０°Ｃ／ｕ＋ａｔｔ）を通って空気
へ失われる。エポキシ層４０は高い熱伝導率のものが選
ばれ、薄い層状に塗布されるものを理解されたい。銅パ
ッド４２の熱抵抗は無視できる。この回路の分析から、
なんらがのメカニズムを用いて熱の通路（ＱｓまたはＱ
ｃ　）の熱抵抗を小さくすれば、放熱性を高めることが
できる。

第３図の実施例に対し、この２つの値を増加させるよう
に幾つかの修正を施すことが可能であり、以下に、それ
らの修正を開示する。

第５図に、電極基板１９の本体に複数のメツキ貫通孔４
３を設けた修正を示す。メツキ貫通孔４３は、ヒーター
チップ３０から電極基板１９を通して熱を伝導させるこ
とにより、基板１９の熱抵抗を小さくする働きをする。

孔の直径が０．４　ｍｍの場合、答礼につき熱の流れに
対する抵抗は約７０’Ｃ／ｕ＋ａｔｔである。

第６図は、銅パッド４６とエポキシ層４８を介して電極
基板１９にヒートシンク部材４４を接着した第５図の構
造の修正態様である。第７図は、この構造の等価回路で
ある。ヒートシンク部材４４は、熱をより大きな面積に
広げて、効率良く周囲へ放散させる働きをする。熱は自
然対流と放射によって周囲の空気へ散逸する。ヒートシ
ンク部材４４がら失われる熱量は、露出した表面積で決
まる。２つの異なる寸法形状を有するヒートシンク、す
なわち５７１６″Ｘ　５／１Ｂ″のフィンを有する３／
８”　×３／８″のヒートシンクと、２″Ｘ　１．７５
″のし−Ｉヘシンクについて計算をした。第８図は、２
つのヒートシンクについて、ヒートシンク温度の計算値
と測定値を、ヒートシンクに対する熱入力の関数として
示す。

測定値と計算値の差は、カー１ヘリツジに熱Ｑｃが流れ
るためである。計算はヒートシンクに流れる熱Ｑｓの効
果のみを示す。ヒートシンク温度の実験値と理論値を比
較して、地熱入力の部分ＱｓとＱｃを決めることができ
る。下の表は、匹敵する熱量がピー１−シンクとカート
リッジに流れることを示している。

カートリッジ　ヒートシンク ヒートシンク　への熱（％）　への熱（％）３７８″×
３７８″６７　　　　　　３１２″Ｘ　１．７５″４５
　　　　　　５５第７図の等価回路を分析して、７０°
Ｃ／ｕ＋ａｔｔ／孔で並列に合計１５のメツキ孔４３が
あると仮定すると、孔をまさむ熱抵抗は、メツキ孔なし
の場合の１６０’Ｃ／ｕ＋ａｔｔに比へて、約５６Ｃ／
ｕ＋ａｔｔである。このように、ヒートシンクとチップ
の間には、８〜１０°Ｃ／四ａｔｔの温度差がある。

第９図は、２種類のし−ｌ〜シンクについて、定の電力
入力にお（するデツプ温度対時間を示す。

初期の鋭い温度上昇は、ヒーターチップとビー１ヘシン
クの間の熱抵抗の効果である。本発明の別の特徴に従っ
て、ヒートシンクを印字ヘッドに直かに取り付ければ、
この初期上昇を下げることが可能である。第１０図に、
その実施例を示す。この特定装置に適した寸法の露出表
面５２を有するヒートシンク５０は、エポキシ層４０で
印字ヘッド１１に直かに接着しである。この構成の場合
は、印字ヘッドとヒートシンク間の温度差が８〜１０’
Ｃ／ｌｌ１ａｔｔがら約２°Ｃ／ｕ＋ａｔｔ　（これは
エポキシ層４０の抵抗である）に減少する。

第２図の基本印字機構１０に対する上記の諸修正は、Ｑ
ｓの値を増大させて、印字ヘッドから空気への熱の流れ
を増大させる働きをする。熱の流れの改良は、第４図の
等価回路のＱｃルートにおいも可能であることがわかっ
た。第４図の等価回路において、Ｒｃｃはカートリッジ
から空気への対流熱損失に対する熱抵抗である。熱抵抗
Ｒｃａｒｔを有するカートリッジは、有効なし−１〜シ
ンクすなわち対流放熱器として機能する。その放熱効率
は熱抵抗を小さくすることによって高めることができる
。１つの方法は、セラミック（たとえば、アルミナまた
は硝酸アルミニウム）などの熱伝導率の大きな物質また
は粉末アルミニウムなどの金属をカートリッジを製作す
るときに用いるプラスチック溶、融液に添加する方法で
ある。もう１つの方法は、第１１図に示すように、カー
トリッジの表面に直かにヒートシンク部材を張り付ける
方法である。

この実施例の場合は、カートリッジ１２の表面にヒート
シンク部材６０を接着している。カートリッジをしっか
り保持するために用いた金属クランプ６２も、ヒートシ
ンク６０からの熱伝導を増大させるであろう。ヒートシ
ンク６０とクランプ６２は、良好な熱接触が得られるよ
うに接続しなければならない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のサーマル・インクジエ・ｙ　）−プリ
ンタ、 第２図は、第１図に示した印字機構の平面図、第３図は
、第２図の印字機構の部分断面図、第４図は、第３図の
印字機構の等価回路、第５図は、本発明の第１の特徴に
従って、電極基板に熱伝導貫通孔を設けた第３図の印字
機構の修正態様の部分断面図、 第６図は、本発明の第２の特徴に従って、電極基板にヒ
ートシンクを付加した第５図の印字機構の部分断面図、 第７図は、第６図の印字機構の等価回路、第８図は、印
字ヘッドのみ力電力に対する印字ヘッド・ヒートシンク
温度の測定値と計算値を示すグラフ、 第９図は、印字ヘッドの温度上昇を時間の関数で示した
グラフ、 第１０図は、本発明の第３の特徴に従って、印字ヘラＩ
・に直かにヒートシンクを接着した第３図の印字機構の
修正態様の部分断面図、 第１１図は、本発明の第４の特徴に従って、カー１〜リ
ツジにヒートシンクを接着した第３図の印字機構の修正
態様の部分断面図である。 符号の説明 ５・・・従来のサーマル・インクジェット・プリンタ、
１０・・・印字機構、　　　　１１・・印字ヘッド、１
２・・・インク供給カー１〜リツジ、１３・・・移動方
向、　　　　１４・・・キャリッジ組立体、１５・・・
案内レール、　　　１６・・・記録媒体、１７・・・移
動方向、　　　　１８・インク滴、１９・・・電極基板
、　　　　２３・・・電極基板の電極、２５・・・イン
ク供給孔、　　２６・・接続箇所、３０・・・ヒーター
チップ、　３１・・・インクチャンネル板、３３・・印
字ヘットの電極、３４・・発熱抵抗器、３６・・・カス
ゲット、　　　４０・・・エポキシ層、４２・・銅パッ
ド、　　　　４３・・・メツキ貫通孔、４４・・・ヒー
トシンク部材、４６・・銅パッド、４８・・・エポキシ
層、　　　　５０・・・ヒートシンク、５２・・・露出
表面、 ６２・・・金属クランプ。 ６０・・・ヒートシンク、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ドロップ・オン・デマンド型サーマル・インクジェット
   ・プリンタのバブルジェット式印字機構であって、 （ａ）内部に印字ヘッドが取り付けられたインク供給カ
   ートリッジと、 （ｂ）前記印字ヘッドに接合され、少なくとも１個の放
   熱機構を有する電極基板を備え、前記印字ヘッドは複数
   平行チャンネル形式であり、前記各チャンネルにはイン
   クが供給され、前記各チャンネルの開端はインク滴噴射
   ノズルの働きをし、前記各チャンネルの内部には前記ノ
   ズルから所定の距離に発熱体が１個づつ配置され、受け
   取ったディジタル・データ信号に応じて前記発熱体に電
   流パルスが選択的に加えられると、前記発熱体が、接触
   しているインクに熱エネルギーを伝達し気泡を瞬時に発
   生させてインク滴をノズルから噴射させることを特徴と
   するバブルジェット式印字機構。