JPH0764071B2

JPH0764071B2 - バブルジェット式印字機構

Info

Publication number: JPH0764071B2
Application number: JP63330760A
Authority: JP
Inventors: ヴィーデシュパンデナラヤン; アールイームズデイル; エイハーマンソンハーマン; エイニーゼルゲアリー; ジーマーカムロジャー
Original assignee: ゼロックスコーポレーション
Priority date: 1988-01-15
Filing date: 1988-12-27
Publication date: 1995-07-12
Anticipated expiration: 2010-07-12
Also published as: US4831390A; JPH023315A

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じ、膨れ出たインクが分
離して滴となる。気泡が増大する間、インクがノズルの
外へ加速されるので、記録媒体たとえば紙へ向かって直
線方向に、インク滴に運動量と速度が与えられる。

従来の印字ヘッド動作の問題点は、使用中の印字ヘッド
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、インク滴の直径が増大して、記録媒体
の上の滴の重複が大きくなり過ぎて、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。

これまで、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
ないことがある。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ッキ
孔を設ける方法がある。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ト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第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の各印字ヘッド11の中
にインク滴発生チャンネルが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
ャリッジ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だオリフィスすなわ
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
ヘッド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、受け取ったディ
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。印字ヘッド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、一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
せず）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12
と固定して取り付けた電極基板19の間に印字ヘッド11
（点線で１個のみを示す）が挟まれている。印字ヘッド
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
極基板の電極23は、印字ヘッド11の電極33と一対一で対
応し、ワイヤボ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で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。印字ヘッド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は印字ヘッド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ワッ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、2KHz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エレメ
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ワットの平均電力入力
が必要であろう。連続使用すると、印字ヘッドの温度が
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・スポットの直径が増大する。したがって、
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、印字ヘッド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＝l/kA゜/watt ここで、Ｔ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、Ａ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℃/watt）と電極基板（熱
抵抗は約160℃/watt）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、なんらかのメカニズムを
用いて熱の通路（QsまたはQc）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の本体に複数のメッキ貫通孔43を
設けた修正を示す。メッキ貫通孔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.
4mmの場合、各孔につき熱の流れに対する抵抗は約70℃/
watt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
から失われる熱量は、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5/16″
×5/16″のフィンを有する3/8″×3/8″のヒートシンク
と、２″×1.75″のヒート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、カートリッジに熱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、総熱入力の部分QsとQcを決めることができる。下の
表は、匹敵する熱量がヒートシンクとカートリッジに流
れることを示している。

第７図の等価回路を分析して、70℃/watt/孔で並列に合
計15のメッキ孔43があると仮定すると、孔をまさむ熱抵
抗は、メッキ孔なしの場合の160℃/wattに比べて、約５
℃/wattである。このような、ヒートシンクとチップの
間には、８〜10℃/wattの温度差がある。

第９図は、２種類のヒートシンクについて、一定の電力
入力におけるチップ温度対時間を示す。初期の鋭い温度
上昇は、ヒーターチップとヒート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
してある。この構成の場合は、印字ヘッドとヒートシン
ク間の温度下が８〜10℃/wattから約２℃/watt（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、Qs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ルートにおいて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、有効なヒートシンクすなわち
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・インクジェット・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、印字ヘッドの入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、印字ヘッドに
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、カートリッジ
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、 12……インク供給カートリッジ、 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……印字ヘッドの電極、34……発熱抵抗器、 36……ガスケット、40……エポキシ層、 42……銅パッド、43……メッキ貫通孔、 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、60……ヒートシンク、 62……金属クランプ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ハーマンエイハーマンソンアメリカ合衆国ニューヨーク州 14526 ペンフィールドペンフィールドロード 2240 (72)発明者ゲアリーエイニーゼルアメリカ合衆国ニューヨーク州 14580 ウェブスターウッドワールドロード 1819 (72)発明者ロジャージーマーカムアメリカ合衆国ニューヨーク州 14580 ウェブスターチャンピオンアベニュー179

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ドロッブ・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、
１個のヒートシンク部材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
せるものであり、前記ヒートシンク部材は、前記電極基
板の表面に接合され、外気に露出された表面を有してお
り、前記電極基板は、該電極基板自身を貫通して印字ヘ
ッド及び前記ヒートシンク部材と熱的に連絡するように
延びた複数のメッキ貫通孔を有することを特徴とするバ
ブルジェット式印字機構。