(57)【要約】【課題】インクジェットプリントヘッドの従来の欠点を克服する。【解決手段】本発明は、実質的に無溶剤のインクを射出するためのインクジェットプリンタに関し、プリンタは、プリントヘッドを備え、プリントヘッドは、インク入口およびインク出口を有するインクチャンバと、インク入口を介してチャンバに流体結合しているインク供給リザーバと、圧力波をインクチャンバ中に生成するために、チャンバに作用的に結合された電気機械トランスデューサと、インクチャンバ内のインクを実質的に一様に加熱するためのヒータとを有し、インク入口は、リザーバからチャンバへ向かう方向における狭窄エレメントにわたる圧力低下が、同一の正味の流体流について、逆方向における前記エレメントにわたる圧力低下よりも小さくなるような狭窄エレメントを備え、且つ狭窄エレメントの長さとこのエレメントの平均直径の比が、１０よりも小さい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に無溶剤のインクを射出するためのインクジェットプリンタであり、該インクジェットプリンタが、プリントヘッドを備え、該プリントヘッドが、インク入口およびインク出口を有するインクチャンバと、インク入口を介してインクチャンバに流体結合しているインク供給リザーバと、圧力波をインクチャンバ内部に生成するために、インクチャンバに作用的に結合された電気機械トランスデューサと、インクチャンバ内のインクを実質的に一様に加熱するためのヒータとを有し、インク入口が、狭窄エレメントを備えているインクジェットプリンタであって、狭窄エレメントは、インク供給リザーバからインクチャンバへ向かう流れ方向における狭窄エレメントにわたる圧力低下が、同一の正味の流体流について、逆方向における前記狭窄エレメントにわたる圧力低下よりも小さくなるようなものであることと、狭窄エレメントの長さと該狭窄エレメントの平均直径の比が、１０よりも小さいことを特徴とする、インクジェットプリンタ。
【請求項２】
狭窄エレメントの長さが、５００マイクロメートルよりも短い、請求項１に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項３】
狭窄エレメントの長さが、１００マイクロメートルよりも短い、請求項２に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項４】
狭窄エレメントの長さとインクチャンバの直径の比が、５よりも小さい、請求項１から３のいずれか一項に記載のインクジェットプリンタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、実質的に無溶剤のインクを射出するためのインクジェットプリンタに関し、インクジェットプリンタは、プリントヘッドを備え、プリントヘッドは、インク入口およびインク出口を有するインクチャンバと、インク入口を介してインクチャンバに流体結合しているインク供給リザーバと、圧力波をインクチャンバ内部に生成するために、インクチャンバに作用的に結合された電気機械トランスデューサと、インクチャンバ内のインクを実質的に一様に加熱するためのヒータとを有し、インク入口は、狭窄エレメントを備える。
【背景技術】
【０００２】
そのようなインクジェットプリンタは、米国特許第４，４１８，３５５号（ＤｅＹｏｕｎｇ、１９８３年）から知られている。このプリンタは、実質的に無溶剤であるインク、すなわち、多量の溶剤を射出されたインクから蒸発させる必要なしに、受容媒体上で乾燥または硬化するインクを、射出するように構成される。典型的には、これらのインクは、最終的な乾燥されたインクに含まれていない１０％未満の材料を含有している。これらのインクの分野における開発により、５％未満または２％未満までも（最終的にゼロ％に近付いている）の、乾燥されたインクに含まれていないであろう材料を含有しているインクでさえも、結果として得られている。ホットメルトインクおよびＵＶ（紫外線）硬化可能なインクは、そのようなインクの典型的な例である。この記述の残りの部分においては、これらのインクが、無溶剤インクと称される。
【０００３】
無溶剤インクは、典型的には、溶剤インクの粘性よりも実質的に高い粘性を有している。それゆえ、インクチャンバの出口（ノズル）からこれらのインクの小さな滴を射出することを可能にするために、インクが高い温度に加熱されることが要求される。安定な射出プロセスを提供するために、インクジェットヘッドは、インクチャンバ内のインクを実質的に一様に加熱する加熱エレメントを備えている。これは、チャンバ内にてインクを局所的に加熱するためのヒータを有している、知られているバブルジェット（登録商標）プリントヘッドとは、全く対照的である。そのような局所加熱は、チャンバ自体に４０℃にまで達する温度勾配を生じさせる可能性がある。従来技術から知られるようなヘッドにおいては、インクチャンバにおける温度勾配は、１０℃未満であろう。平衡状況においては、これは５℃未満であり、ほとんどの場合２℃未満でさえある。
【０００４】
上述された米国特許の図３から明らかなように、インクチャンバ２００は、狭窄エレメント２１４を備える入口を介してインクリザーバ２１２に結合されている。このように、電気機械トランスデューサ２０４（図１を参照）を作動させることによって生成される圧力波が、リザーバを介して隣接するインクチャンバに伝播するのが、実質的に防止される。そのような伝播は、すなわちクロストークおよびおそらくはプリントアーティファクトを誘発する。
【０００５】
しかしながら、知られているプリントヘッドは、重大な不都合を有している。無溶剤インクは、比較的高い粘性を有している（プリントヘッドの動作温度においてさえも、それらは典型的には１０ｍＰａ・ｓ（パスカル秒）から１５ｍＰａ・ｓである）という事実に起因して、入口における制限部は、リザーバからインクチャンバへのインクの自由流動に対して固有の高い抵抗を構成する。それゆえ制限部は、特に、インクの実際の粘性、および電気機械トランスデューサの駆動周波数に応じる、一定の最小寸法に束縛される。このことは、圧力波の伝播に対する抵抗は最適でないことを意味する。ノズルの集積化密度がより高くされるとき、そして駆動周波数が５ｋＨｚよりも高くなるときはなおさら、この不都合はさらに著しくさえなる。
【特許文献１】米国特許第４，４１８，３５５号明細書
【特許文献２】米国特許第４，６８８，０４８号明細書
【非特許文献１】Ｋａｚｕａｋｉ  Ｕｔｓｕｍｉら、「ｔｈｅ  ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＩＭＣ  ｈｅｌｄ  ｉｎ  Ｋｏｂｅ，Ｍａｙ  ２８−３０，ｉｎ  １９８６」、３６ページから４２ページ
【非特許文献２】「Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ）Ａ４６−４７（１９９５年）」、５４９ページから５５６ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、この問題を克服しあるいは少なくとも軽減することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このために、プリアンブルに従ったインクジェットプリントヘッドが工夫されており、狭窄エレメントが、リザーバからチャンバへ向かう方向における狭窄エレメントにわたる圧力低下が、同一の正味の流体流について、逆方向における前記エレメントにわたる圧力低下よりも小さくなるようなものであり、且つ狭窄エレメントの長さとこのエレメントの平均直径の比が、１０よりも小さい。
【０００８】
驚くべきことに、このように狭窄エレメントを通るインクの流れは、従来技術から知られているような真っ直ぐな狭窄エレメントと比較されたとき、インクジェットプリントヘッドが、非常に小さな寸法を有するインクチャンバを有し、且つ５ｋＨｚよりもかなり高い周波数で動作されるときでさえも、実質的に一層妨げられないことがわかった。明らかに、本発明によるインクジェットプリントヘッドにおいては、狭窄エレメントが、何らかの形で、リザーバからインクチャンバへの流れ誘導効果を誘発している。このことは、リザーバからインクチャンバへのインクの不十分な供給を誘発することなしに、非常に小さな寸法を有する狭窄が選定され得ることを意味している。圧力低下における相違とアスペクト比が、本明細書で請求される通りであると仮定される限り、多くの異なる形状が、狭窄エレメントとして工夫され得ることは明らかであろう。明らかに、１０よりも少ないアスペクト比は、インクの流れに付加的な好ましい効果を呈し、この効果は、インクジェットプリントヘッドの寸法的および動作的限界に到達したときだけに、注目に値するように見える。この点における平均直径は、実際の狭窄エレメントと同一の長さおよび容積を有する完全な円筒の直径を意味することに留意されたい。
【０００９】
本発明によって適切に使用され得る形状は、それら形状が、流れの方向に非対称、例えば末広コンジットであることとに共通性を有している。末広コンジットの形状については、幾何学的形態に２つの主要なタイプ、すなわち円錐形および平坦壁がある。円錐形コンジットは、インク流の方向に増大する円形断面を有するのに対して、平坦壁タイプは、４つの平面壁を有する矩形断面を有し、それら４つの平面壁のうちの２つが、概して平行であり、且つ２つが末広である。狭窄エレメントのタイプの選択は、特に、プリントヘッドの製造プロセスのタイプに応じる。
【００１０】
「１９８６年５月２８日から３０日に神戸で行われた、ＩＭＣの講演集（ｔｈｅ  ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＩＭＣ  ｈｅｌｄ  ｉｎ  Ｋｏｂｅ，Ｍａｙ  ２８−３０，ｉｎ  １９８６）」、３６ページから４２ページ（ＮＥＣ  ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＫａｚｕａｋｉ  Ｕｔｓｕｍｉらによって講演された）による、平坦壁タイプの末広インクチャンバ入口を有するインクジェットプリントヘッドが知られていることに留意されたい。しかしながら、開示されたインクジェットプリントヘッドは、無溶剤インクジェットインクの使用のために構成されていない。インクチャンバ内のインクを実質的に一様に加熱する加熱手段は何も存在しない。米国特許第４，６８８，０４８号によれば、末広インクチャンバ入口狭窄を有するインクジェットプリントヘッドも知られている。しかしながら、示された入口は、インク流の方向に対称であり、したがってインクチャンバの方向に正味のインク流を何ら誘発しない。それは別にして、示されたプリントヘッドは、無溶剤性インクの使用のために工夫されてはいない。
【００１１】
ある実施形態においては、狭窄エレメントの長さは、５００マイクロメートルより短い。この実施形態は、本発明によるプリントヘッドのさらなる改良であるように思われる。その理由は、完全に明確ではないが、より短い狭窄エレメントが、本来、流体流に対してより低い抵抗を有しているという事実に関連している可能性がある。さらなる実施形態においては、狭窄エレメントの長さは、１００マイクロメートルより短く、それは、本発明による狭窄エレメントの流れ促進効果を著しく改善する。
【００１２】
さらに他の実施形態においては、狭窄エレメントの長さとインクチャンバの直径との比が、５よりも小さい。これは、本発明によるプリントヘッドのさらなる改良であるように思われる。この点でインクチャンバの直径は、実際のインクチャンバと同一の長さおよび容積を有する、完全な円筒の直径を意味していることに留意されたい。
【００１３】
さて、本発明は、以下に与えられる例に関連してさらに説明されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（図１）
図１は、インクジェットプリンタを概略的に図示している。この実施形態において、プリンタは、ローラ１を備え、ローラ１は、受容材料２、例えば１枚の紙または透明シートを支持し、その受容材料２を走査キャリッジ３に沿って移動させる。このキャリッジは、支持部材５を備え、支持部材５の上に、４個のプリントヘッド４ａ、４ｂ、４ｃ、および４ｄが固定される。各プリントヘッドには、その独特の色、この場合、それぞれシアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、およびブラック（Ｋ）のインクが提供されている。プリントヘッドは、無溶剤インクを射出するために特別に構成されている。これを可能とするために、ヘッドは、各プリントヘッド４の背後で且つ支持部材５上に配置された加熱手段９を備える、ヒータによって加熱される。これらの加熱手段は、プリントヘッドの温度が、インクチャンバ内のインクの適切な（低）粘性を与えるのに、十分に高いことを確実にする。プリントヘッド自体は、ヒータが、インクチャンバ（図示せず）内のインクを十分に一様に加熱することが可能となるように、少なくとも部分的に優秀な熱伝導性を有する材料で作られる。温度センサ（図示せず）も設けられる。プリントヘッドは、制御ユニット１０を介して正確な温度に維持され、制御ユニット１０によって、加熱手段が、センサによって測定された温度に応じて個別に作動されることができる。プリントヘッドは、多くの加熱および冷却サイクルにさらされるので、プリントヘッドが作られる材料は、それらの熱膨張係数に関して良好に適合される。これに続いて、全ての機械的結合は、温度変化に起因する張力に抗し得るべく構成される。
【００１５】
ローラ１は、その軸のまわりで、矢印Ａによって示されるように回転可能である。このようにして、受容材料は、支持部材５に対して、したがってプリントヘッド４に対しても、副走査方向（Ｘ方向）に移動され得る。キャリッジ３は、適切な駆動手段（図示せず）によって、二重矢印Ｂによって示されるローラ１に平行な方向に、往復運動で移動され得る。この目的のために、支持部材５は、ガイドロッド６および７上で移動される。この方向は、主走査方向またはＹ方向と称される。このようにして、受容材料は、プリントヘッド４で完全に走査され得る。図に示されたような実施形態において、各プリントヘッド４は、多数のプリントエレメントを備え、各プリントエレメントに、それら自体のノズル８を有するインクチャンバ（図示せず）が設けられる。この実施形態において、ノズルは、各プリントヘッドについて、ローラ１の軸に垂直（副走査方向）に延びる１列を形成している。インクジェットプリンタの実際の実施形態においては、プリントヘッドあたりのインクチャンバの数は、何倍も大きく、分配されるノズルも２列以上であろう。各インクチャンバには、電気機械トランスデューサ（図示せず）が設けられ、それによってインクダクトにおける圧力は、インク滴が、受容材料の方向へ結合されるチャンバのノズルを通して射出されるように、急激に増大され得る。この種の手段は、例えば、圧電エレメントを備えている。これらの手段は、結合される電気駆動回路（図示せず）を介して画像通りに通電され得る。このようにして、インク滴から作り上げられる画像が、受容材料２上に形成されることができる。プリントエレメントによってインク滴が射出される、この種のプリンタにて、受容材料がプリントされるとき、前記受容材料またはその一部は、画素行と画素列の規則的なフィールドを形成する固定された位置に（仮想的に）分割される。一実施形態において、画素行は、画素列に対して直角をなす。結果として得られる分割された位置には、各々１つ以上のインク滴が提供され得る。画素行および画素列に平行な方向の単位長あたりの位置の数は、例えば４００×６００ｄ．ｐ．ｉ．（インチ当りドット数）として示される、プリントされる画像の分解能と称される。インクジェットプリンタのプリントヘッドの１列のノズルを、画像通りに作動させることによって、列が、受容材料に対して、支持部材５の変位によって移動するとき、インク滴から作り上げられる（部分）画像が、受容材料上に、少なくともノズル列の長さの幅のストリップで形成する。
【００１６】
（図２）
図２は、圧電的に駆動されるインクジェットプリントヘッド３の一部分を概略的に示している。図２に描画されている部分は、動作状態においてプリントインク、この場合、適切に液化されたホットメルトインクを収容する、４個のインクチャンバ１１を備えている。インクチャンバの一端には、インクチャンバとインクジェットヘッドの前端１３に設けられるノズル８との間に延びる、出口１７が設けられる。他端では、インクチャンバ１１が、インクチャンバに新しいインクを供給するように作用する、インク供給リザーバ１４に連結される。個々のインクチャンバは、狭窄エレメントとして形成される入口１５を介して、インク供給リザーバに連結される。狭窄エレメントの上流側端１２は、インク供給リザーバ１４の直径（３００μｍ）、インクチャンバ自体（１００μｍ）、およびノズル開口（３０μｍ）と比較したときに、非常に小さな開口（平均直径５μｍ）を有している。各インクチャンバ１１は、圧電トランスデューサに結合されている。このトランスデューサは、作動されたとき、それが収縮しまたは膨張するように作動され得る。このように、その運動を対応するインクチャンバ内のインクに伝えることによって、圧力波が、インク内に生成され得る。これらの圧力波の結果として、インクの小滴が、ノズルから射出され得る。その後に、同一量のインクが、インクリザーバ１４から対応するインクチャンバへ送り込まれる。入口１５の小さな開口１２は、生成された圧力波が、共通のインク供給リザーバを介して隣接するインクチャンバに伝播するのを、ほとんど完全に防止する。それにもかかわらず、リザーバ１４から各インクチャンバ１１へのインクの供給は、入口１５の小さな開口１２によって妨げられないように思われる。対照的に、狭窄入口の特別な構成、すなわち入口開口１２からノズル８への方向におけるこのエレメントにわたる圧力低下が、逆方向における前記エレメントにわたる圧力低下よりも小さい構成は、リザーバからインクチャンバへの非常に良好なインク供給を提供することが明らかである。狭窄エレメントにわたる圧力低下は、例えば、「センサとアクチュエータ（Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ）Ａ４６−４７（１９９５年）」５４９ページから５５６ページに明確に記述されているように、流体力学の技術における共通の一般的な知識に従って容易に計算され得る。
【００１７】
（図３）
図３においては、本発明によるプリントヘッドに使用され得る狭窄エレメントの２つの例が与えられている。両方の狭窄エレメントは、９０μｍの示されたような長さｌを有している。エレメント１５Ａは、円錐状に形成されており（その長さの軸のまわりで対称）、スパウトとして形成された円形の入口１２を有している。この入口は、６μｍの最小の直径を有している。エレメント１５の出口２０は、４０μｍの直径を有している。エレメント１５Ａのアスペクト比（平均直径で割った長さ）は、それゆえ、ほぼ４である。エレメント１５Ｂは、その２つの末広壁２１と２２が視認可能である平坦壁エレメントである。２つの平坦な平行壁（図示せず）が、エレメント１５Ｂを閉じ、そして狭窄において２０μｍの高さが提供される。開口１２’は、４μｍの幅を有している（したがって開口１２’の実際の寸法は、４×２０μｍである）。開口２０’は、３０μｍの幅を有している（したがって開口２０’の実際の寸法は、３０×２０μｍである）。エレメント１５Ｂのアスペクト比は、それゆえほぼ５である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】インクジェットプリンタを概略的に図示している。
【図２】ヘルムホルツタイプのインクチャンバを有する、圧電的に駆動されるインクジェットプリントヘッドの一部分を示している。
【図３】本発明によるプリントヘッドに使用され得る種々のタイプの狭窄エレメントを示している。
【符号の説明】
【００１９】
１  ローラ
２  受容材料
３  走査キャリッジ
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ  プリントヘッド
５  支持部材
６、７  ガイドロッド
８  ノズル
９  加熱手段
１０  制御ユニット
１１  インクチャンバ
１２  上流側端
１２’、２０’  開口
１３  前端
１４  インク供給リザーバ
１５  入口
１５Ａ、１５Ｂ  エレメント
２１、２２  末広壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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