JPH10114097A - トナージェットプリンター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マイクロエレクトロメカニカルシステムをト
ナージェットプリンターに適用すること。 【解決手段】 トナージェットプリンターは、プリント
セルの２次元セルアレーを有し、各プリントセルは、ト
ナー粒子５０を収容する窪みとノズル１４を有し、該窪
みの下にマイクロアクチュエータ２２を有し、該アクチ
ュエータは引込み状態と解放状態に移動可能なアクチュ
エータ素子４０を有し、さらに該アクチュエータ２２の
下に電極２８を有し、該マイクロアクチュエータ素子の
該引込み状態と解放状態を切り換えるアドレスロジック
２６を有し、該基体Ｐが該セルアレーのフロントサイド
１８に向き合う位置になったときに該アクチュエータ素
子４０を解放状態にすると２次元アレーの１つ以上のプ
リントセルからトナー粒子が射出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】マイクロエレクトロメカニカ
ルシステム（ＭＥＮＳ）技術で作られた２次元プリント
セルアレイを利用して個々のトナー粒子を操作すること
により画像をプリントするために用いられる、トナージ
ェットプリンターおよびその方法に関する。トナー粒子
は各々のプリントセル内に静電力によって配置される。
各々のセルは電子的にアドレスされ、マイクロアクチュ
エータによりコントロールされた機械的力と電気的力と
の組み合わせにより１つのアドレスから１つ以上のトナ
ー粒子が基体に向けて射出される。そのように、静電転
写を補助するために機械的なアシスト（助力）が加えら
れる。プリンタは高速印刷、二次元印刷が可能である。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】周知の
技術として、ＵＳ特許NO. ４７４３９２６、４８１４７
９６、４８６００３６、及び４８７６５６１のようなダ
イレクト静電プリンターが知られているが、これは中間
転写ドラムを排除したものである。これらはすべてスク
ミドリン(Schmidlin) の発明で、本願と同じ出願人に譲
渡されたものである。ノズル、サスペンションビーム
（梁）、ヒンジ及びダイアグラムのような基本的な電気
機械的構造として利用されるマイクロエレクトロメカニ
カルシステム（ＭＥＭＳ）もまた知られている。これら
はＵＳ特許NO．５４１８４１８、５２３９２２２、５３
１３４５１、５４４４１９１、５５２６１７２、５０８
３８５７、５４５７４９３、４９５６６１９に含まれて
いる。これらは実行可能で重要なコンポーネントでの使
用にも十分安心できるものである。近年におけるＭＥＭ
Ｓ技術の急速な進歩により、さまざまな分野での商品が
開発された。これらのうちの一つがインクジェットプリ
ンターである。しかし、今日まで、それらの技術はゼロ
グラフィック（電子写真式）印刷技術には適用されなか
った。

【０００３】

【課題を解決するための手段】この発明は、トナージェ
ットプリンター及び二次元プリントセルを使って個々の
トナー粒子を操作することにより画像印刷を行うために
用いられる方法に関する。トナー粒子は１つ又はそれ以
上のプリントセル内に選択的もしくは非選択的に充填さ
れる。粒子は静電力によってプリントセルに引きつけら
れる。それから、各々のセルが電子的にアドレスされ
て、アドレスされたセルから１つ又はそれ以上のトナー
粒子がバイモルフ素子などのマイクロアクチュエータに
制御される機械的及び電気的な力の組み合わせによって
基体表面へ向かうよう機械的に射出する。すると基体に
加えられた電荷が射出されたトナー粒子を基体に接触す
るよう引きつける。そのようにマイクロアクチュエータ
は、静電転写と協働する効果的な機械的アシストを提供
する。

【０００４】本発明はことに基体に印刷するためのトナ
ージェットプリンターに関する。このトナージェットプ
リンターは、個々にサイズが決められたトナー粒子供給
部を有し、該トナー粒子供給部および画像を受け取る基
体の下に相対的に位置決め可能なプリントセルの２次元
セルアレーを有し、ここで各々のプリントセルは、トナ
ー粒子供給部から１つ又はそれ以上のトナー粒子を収容
できるサイズとされる窪みを該セルアレーのフロントサ
イドに形成するノズルを有し、該窪みの底にオリフィス
を有し、窪みの下方に設置されたマイクロアクチュエー
タを有し、該アクチュエータはオリフィスに隣接して設
けられ、該ノズル窪みの可動底壁を形成する該オリフィ
スを実質的にふさぐサイズとされた可動アクチュエータ
素子を含み、該アクチュエータは引っ込み状態と解放状
態とに移動可能であり、さらに該プリントセルは、該ア
クチュエータの下方に配置される電極を有し、該マイク
ロアクチュエータの該引き込み状態と解放状態との間で
前記マイクロアクチュエータの作動を制御するためのア
ドレスロジックを有し、該基体が該セルアレーのフロン
トサイドに向き合う位置にきたときに該アクチュエータ
素子を解放状態にすることにより２次元アレーの１つ又
はそれ以上のプリントセルからのトナー粒子の射出を制
御する。

【０００５】好適には、マイクロアクチュエータは、片
持ち梁もしくはねじり梁の形状をしたバイモルフ素子で
ある。しかし、ラッチメカニズムを有する水平スプリン
グもまた使用可能である。機械的な力がトナーをプリン
トセルの窪みから十分な高さまで射出させると引き続き
今度は用紙の静電荷がトナーを引っ張るようになる。こ
れは所要静電力を節約し、また適用範囲と効率とを高め
る。さらに、もし十分な力がマイクロアクチュエータに
よって提供されると、静電荷アシストなしでもマイクロ
アクチュエータ単独で射出が達成される。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１のように、本発明によるトナ
ージェットプリンターは、プリントセル１２の２次元ア
レー１０を含む。図２に示すように、各プリントセル１
２は、シリコンもしくはガラス基体１６をバルクマイク
ロマシニングすることで形成される窪みを画定するノズ
ル１４を有する。プリントセルの正面１８は印刷方向及
び基体（用紙）Ｐと向き合う。形成された画像に十分な
濃度をあたえるために、好適にはこのプリントセルの窪
みに複数のトナー粒子が収容できるようセルの大きさを
定めることがよい。しかし、本発明は一つのセルに１ト
ナー粒子のみで実施してもよい。好適には、窪みは各辺
が１０〜２０ミクロン長の四角形で、４つの窪みアレイ
から１画素３００〜６００dpi の画像をマッピングする
ことができる。５〜７ミクロンの典型的なトナー粒子を
使うと、ひとつの窪みに約６個の粒子が収容できる。

【０００７】基体１６の底にはスルーホール２０が形成
されている。プリントセル基体１６の真下にあるマイク
ロアクチュエータアレー２２は、各のプリントセルの窪
み１４の可動底を形成する。マイクロアクチュエータ２
２は、周知のいくつかのマイクロエレクトロメカニカル
システムコンポーネンツの形をとることができるが、好
適には片持ち素子もしくはトーションビーム（ねじりば
り）素子のようなバイモルフ素子を含むことが望まし
い。

【０００８】図中の片持ちばりアクチュエータの適例に
おいて、アクチュエータ２２は、各プリントセル１２ご
とに個別のアドレス回路２６と電極２８を有するベース
基体２４で構成される。該電極２８と基体２４との間に
は絶縁層３０が配置される。スペーサ３２がアクチュエ
ータキャビティ３４を画定し、またスペーサ３２の上に
形成された薄い変形可能金属層３６を電極２８から離間
させるために設けられる。比較的厚い、マスクパターン
形成された金属層３８が薄い金属層３６の上に設けられ
る。各キャビティ３４の上に、可動片持ちばり４０がア
クチュエータ素子として設置されている。この素子は好
適には窪み１４の底壁部分に対応し底壁部分を形成する
サイズとされる。したがって、窪み１４が四角形の底な
らば、片持ちばり４０は窪みの底を実質的にふさぐサイ
ズとされた実質的に四角形である必要がある。

【０００９】片持ちばり４０は、厚い金属層３８の１カ
所もしくはそれ以上のエッジ部４２を選択的に除去して
薄い層３６のみを残すことにより、形成される。この残
った薄い層３６が片持ちばりとして機能する。片持ちば
り４０の残りの部分は厚い層３８が残っているため剛性
が高いままである。薄い層３６を含む片持ちばり４０は
可変空隙キャパシタの可動プレートとして機能する。

【００１０】特定の適用に従ってたわみ量や速度を確保
するために、該片持ちばり４０の長さ、幅、厚み、材質
及び重量が選択的に調節される。好適には、下方へのた
わみ速度は遅く、上方へのたわみ速度は早くして充填射
出特性を向上する。また、該たわみ速度は、たとえば電
極をアドレスするのに使う波形を制御することによるエ
アギャップに生成された電界によって可変的に制御され
る。ＵＳ特許NO.5,418,418によれば、その全技術が参考
として本明細書に含まれるのだが、のこぎり波を使うと
一方向にゆっくり変形し、反対には素早く変形すること
が開示されている。窪みからトナー粒子を基体Ｐに射出
するのを助けるためにはたわみ量が十分でなければなら
ない。このときの最低必要なたわみ量は、トナー粒子の
大きさと使用された窪みの大きさに依存して変化する。
しかしながら、この構造によれば約１０°のたわみが達
成されると思われる。

【００１１】あるいはまた、図３及び図４に示すよう
に、トーションビーム（ねじりばり）マイクロアクチュ
エータ素子４２が設けられてもよい。これらは片持ちば
り４０と同様に作用し、同じような素子は同じ参照番号
が記されている；しかし、これらのアクチュエータは回
転軸４６について対称的に該素子を支持している。この
ように互いに反対の極性に帯電した２つの電極のうち、
一方の電極は該アクチュエータ素子の一方の側を上方に
反発させ、他方の電極は該アクチュエータ素子の他方の
側を下方へ引きつける。このようなアクチュエータがど
のようにして製造されるかをより理解するために、ＵＳ
特許 NO.5,526,172 、4,956,619 、5,490,009 、及び
5,083,857 の開示を参照すればよい。これらはその全技
術が参考として本発明に含まれている。

【００１２】図５及び６で、プリントセルアレー１０の
各プリントセル１２は確立されたバルクマイクロマシニ
ングの技術によって形成される。図５は、シリコン（Ｓ
ｉ（１００））ウエハ１６上へのプリントセルノズル１
４の製造を示している。該Ｓｉ（１００）ウエハ１６は
裏側に薄いＰ＋層４６を有する。オープニング４８が最
初にフォトリソグラフィーによりエッチングされる。次
に、異方性エッチングにより切頭ピラミッド状の窪み１
４がＰ＋層４６に達するまで形成される。基体１６の底
部からスルーホール２０が露出するようにＰ＋層４６を
除去することができる。あるいは、Ｐ＋層４６をエッチ
ングして、マイクロアクチュエータ２２に対応する大き
さのオリフィス５２を形成することもできる。

【００１３】図６は、ガラス基体１６上のノズル１４の
製造を示している。エッチングストップ層（Ｓｉｎ）５
４が基体１６の裏面に付着されている。該ガラス基体１
６の表面にはエッチングマスク５６が形成される。該エ
ッチングマスク５６に適切な穴５８をあけ、そこからオ
ーバーエッチングにより洞穴状の窪み１４が形成され
る。エッチングストップ層５４は基体１６の底部にスル
ーホール２０を形成するように除去される。あるいはま
た、パターン形成とエッチングでエッチングストップ
（Ｓｉｎ）５４にオリフィス５２を形成してあらかじめ
定まった大きさの窪みの底部がマイクロアクチュエータ
にマッチ（対応）するようにすることができる。

【００１４】組み立てられ機械加工されたプリントセル
は、印刷プレートとして作用する図１に示すような２次
元アレーを形成する。プレート１０のサイズは自由だ
が、好適には一パスで１ページ全部を印刷する大きさが
望まれる。したがって、プレートは少なくとも標準の8.
5"x 11" もしくはＡ４サイズのような特定サイズの用紙
の印刷領域程度の寸法を有していなければならない。

【００１５】マイクロアクチュエータアレー２２は、当
業界で知られているように、トランジスタースイッチ
（能動アドレス）もしくは多重ローコラム（行列）信号
（受動アドレス）により、制御される。図７は、該プリ
ントセルアレー１０を選択的もしくは非選択的にトナー
で充填させるさまざまな方法を図示している。

【００１６】充填は、プレート１０をトナー粒子５０の
供給源（単なるトナーホッパー５８で良い）の下に相対
的に位置合わせすることにより行われる。好適な非選択
的充填の実施の形態においては、各アクチュエータが引
き込められ、各セルが１つもしくは複数のトナー粒子で
充填される。充填は、静電力が粒子を窪みに落とそうと
する力によって達成される。しかし、軽くて小粒なトナ
ー粒子が静電力によりプリントセルの表面１８に付着す
るトラブルを避けるため、プリントセルを充填する際に
図７に示すように従来のトナーキャリアミキサ６０と磁
気ブラシ６２が使われることができる。磁気トナー粒子
を使うと、残留粒子は周知のゼログラフィック磁気ブラ
シでクリーニングされることができる。あるいはまた、
セルアレー上を真空クリーナを備えるトナー雲チャンバ
を通過させることによってトナー粒子の充填及びクリー
ニングを行うことができる。

【００１７】トナー供給部を固定してプリントセルアレ
ーを可動にしても、その反対に設定してもどちらでもか
まわない。しかし、位置合わせするためには、プリント
セルアレーを固定してトナー供給部をプリントセルアレ
ーに対して可動にすることが好適である。このためには
プリントセルアレー１０を固定設置して、トナー供給部
を可動キャリッジ（図７）にとりつければよい。もしく
は、図８のように、一部６８にトナー供給部を含む割り
出し（indexing) エンドレス搬送ベルト７２、及び別の
部分７０には基体Ｐ搬送メカニズム７４を設ければよ
い。

【００１８】作動中は、搬送ベルト７２は、トナー供給
部６４の下にトナー部６８がくるように前進する。ベル
トに加えられた静電荷により、ベルト上のトナーは一定
の高さを保つ。あるいは、周知のドクター／メータリン
グ（計量）ブレードを利用してトナー高さを調節するこ
ともできる。次にベルト７２は、トナー部分６８がプリ
ントセルアレー１０に隣接し、その上になるように回転
される。

【００１９】すべてのプリントセルのマイクロアクチュ
エータが起動（アドレス）されると、以下２つの作業が
行われる：１）図２の下半分に示されるように、静電引
力により可動アクチュエータ部材が下げられ；２）図２
に示すように、静電引力によってトナー粒子５０がベル
トの６８部分のベルト表面７２からプリントセルアレー
１０の個々の窪み１４の中へ引きつけられ保持される。
それから、ベルト７２は再び回転されて用紙Ｐが搬送メ
カニズム７４からベルト７２の７０部分へ送り込まれ
る。一方、該用紙Ｐがベルト７２へ受け取られる前に、
ベルト７２は帯電デバイス７６によって、あらかじめ定
まった電荷（たとえば陽極電荷）に帯電される。このよ
うにして帯電された用紙Ｐを載せた帯電ベルトが回転さ
れてプリントセルアレーの真上の位置で静止される（図
８）。

【００２０】印刷されるべき所望の画像に対応する特定
のプリントセルにはアドレスされた対応アクチュエータ
が配備され、引き込まれたアクチュエータが解放されて
図４に示すようにプリントセルの窪み内のトナー粒子が
基体Ｐに射出される。（アクチュエータの）解放は、バ
イモルフ素子の実施形態（図９）において電極２８に印
加される電圧の極性を反転することによって達成され
る。さらに後者の有利なことに、この解放によって発生
される静電荷がトナー粒子と同極であるため、トナー粒
子の物理的な射出を補助することである。画像が形成さ
れると、クリーナが、アレーに残留する不要粒子を除去
するか、あるいは起動されなかったセルの残留トナー粒
子が、次の充填までこれらのセルに保留される。下流に
配置されたフューザにより、トナーが用紙に永久的に固
着される。

【００２１】あるいはまた、印刷したい画像に対応する
プリントセルをアドレスすることによって充填を選択的
に行うことができる。こうしてこれらのプリントセル内
においてのみ、選択アクチュエータ素子を引き込み静電
荷を発生させることができる。該アレーの上を真空クリ
ーナ６６もしくは磁気ブラシが通過することにより、非
選択セルの全トナー粒子を含む余分なトナーが除去され
る。続いて用紙Ｐがアレー上を通過するときにはすべて
のマイクロアクチュエータがアドレスされて起動され、
解放される。しかし選択されたセルのみにトナー粒子が
配置されている場合、やはり所望の画像が得られるので
ある。

【００２２】前述したどの実施形態においても、印刷は
一回のパスで行えるが、さらに厚く濃い画像を形成する
ための多数パスも使えることが望ましい。さらに、最も
単純な形式における本発明のトナージェットプリンター
はモノクロ印刷であるが、同じセルアレーがハイライト
印刷もしくはフルカラー印刷をすることができるので、
複数の色も使える。これは第一の色で上述のように印刷
することにより、実現される。それから、該アレーはク
リーナで清掃されて別のカラートナーで充填される。こ
の充填、清掃および印刷プロセスが何度も繰り返される
ことにより、同じセルアレーを使った多数のパスによる
フルカラー印刷が実現する。

【００２３】あるいはまた、選択されたプリントセルア
レーのサブセットを異なるカラーのトナー粒子でシーケ
ンシャルに充填し１回のパスにより印刷する、マルチカ
ラー印刷も行える。この実施の形態によれば ２×２マ
トリックスのプリントセルが１つの画像ピクセルにマッ
ピングされる。各々のマトリックスはシアン、イエロ
ー、マゼンタおよびブラック（ＣＹＭＫ）の各々のため
のセルを含む。第一のトナー（たとえばシアン）による
第一のパスでトナーはセルを充填でき、クリーニングに
よって起動されたシアンピクセル以外のすべてのセルか
らトナー粒子が除去される。起動セルは静電荷を帯びて
アクチュエータを引き込まれた状態に保持し、選択され
た窪み内にトナー粒子を保持させる。こうして第一のカ
ラーが選択的に充填される。このプロセスが他の各色
（ＹＭＫ）についても繰り返される。一旦充填されたセ
ルは静電荷によりその充填が維持されるため、他のカラ
ートナーがパスしても影響を受けない。すべてのカラー
が充填されると、一回のパスで印刷することができるよ
うになる。これは、極性を変えることで選択セルを起動
し、マイクロアクチュエータが解放されてトナーが選択
プリントセルから射出される前述の実施形態と同じであ
る。

【００２４】本発明はこうした好適な実施形態に関して
記載しているがこれらは例示であって本発明を制限する
ものではない。特許請求の範囲に定義される本発明の精
神と範囲の範疇においてさまざまな変更を行うことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】印刷プレートを形成する多数のプリントセルか
らなる２次元プリントセルアレーの図である。

【図２】本発明による個々のトナージェットプリントセ
ル構造の側面断面図である。

【図３】別のプリントセルの実施形態の側面断面図であ
る。

【図４】図３のプリントセル実施形態の平面図である。

【図５】プリントセルのノズルおよびオリフィスの製造
方法を図示したものである。

【図６】プリントセルのノズルおよびオリフィスの別の
製造方法を図示したものである。

【図７】該印刷プレートの個々のプリントセルを充填す
る適例実施形態を図示したものである。

【図８】本発明によるプリントセルアレーを使った充填
および印刷の適例実施形態を図示したものである。

【図９】印刷プレートを使った選択印刷の実施の形態を
図示したものである。

【符号の説明】

１０ ２次元アレー １２ プリントセル １４ ノズル ２２ マイクロアクチュエータ ２８ 電極

フロントページの続き (72)発明者 スコット エルロッド アメリカ合衆国 78703 テキサス州 オ ースティン クリアービュー ドライブ 2705

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体に印刷するためのトナージェットプ
   リンターであって、 個々にサイズが決められたトナー粒子供給部を有し、 該トナー粒子供給部および画像を受け取る基体の下に相
   対的に位置決め可能なプリントセルの２次元セルアレー
   を有し、 ここで各プリントセルは、 トナー粒子供給部から供給される１つ以上のトナー粒子
   を収容できるサイズとされた窪みを該セルアレーの前側
   に形成するノズルを有し、 該窪みの底にオリフィスを有し、 窪みの下に設置されたマイクロアクチュエータを有し、
   該アクチュエータはオリフィスに隣接し該オリフィスを
   実質的にふさぐサイズとされた可動アクチュエータ素子
   を含み、該可動アクチュエータ素子は該ノズル窪みの可
   動底壁を形成し、該アクチュエータは引っ込み状態と解
   放状態に移動可能であり、 さらに該プリントセルは、該アクチュエータの下に配置
   される電極を有し、 該引っ込み状態と解放状態の間で該マイクロアクチュエ
   ータの作動を制御するためのアドレスロジックを有し、
   該基体が該セルアレーのフロントサイドに向き合う位置
   にきたときに該アクチュエータ素子を解放状態にすると
   ２次元アレーの１つ以上のプリントセルからのトナー粒
   子の射出を制御する、 トナージェットプリンター。