(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクジェットプリンタで使用するインク単位体（２１）を溶融する溶融デバイス（１３）であって、溶融室（１４）を備え、インク単位体を前記溶融室に分配するための幅広端（１７）と幅狭端（１８）とを前記溶融室に設け、インク単位体が、溶融の結果として幅広端から幅狭端への方向に移動可能であり、インク単位体が、前記溶融室の１以上の壁（８、９、１０、１１、１２）により前記方向に対して横方向に囲まれ、溶融中、インクが液状になる温度を超える温度まで１以上の壁がそれぞれ加熱され、溶融室に、溶融インクを通すための少なくとも１つの通路口（２０）が幅狭端付近に設けられ、
前記１以上の壁のうちの１つの壁が、溶融インクを通路口に排出する排出手段を備え、前記排出手段が、幅広端から幅狭端へ延在するスロットからなることを特徴とする溶融デバイス。
【請求項２】
インク単位体が重力により移動することを特徴とする請求項１に記載の溶融デバイス。
【請求項３】
前記溶融室の頂角が、６０°よりも小さいことを特徴とする請求項１から２のいずれか一項に記載の溶融デバイス。
【請求項４】
前記頂角が、４０°以下であることを特徴とする請求項３に記載の溶融デバイス。
【請求項５】
前記頂角が、５°以上２５°以下であることを特徴とする請求項４に記載の溶融デバイス。
【請求項６】
前記頂角が、１２°以上１７°以下であることを特徴とする請求項５に記載の溶融デバイス。
【請求項７】
前記スロットが、螺旋状に設けられることを特徴とする請求項１に記載の溶融デバイス。
【請求項８】
前記溶融室が、円錐状のものであることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の溶融デバイス。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の溶融デバイスを備えたインクジェットプリンタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットプリンタで使用するインク単位体（ユニット）を溶融する溶融デバイスであって、溶融室を備え、インク単位体を溶融室に分配するための幅広端と幅狭端とを溶融室に設け、溶融室の１以上の壁により幅広端から幅狭端への方向に対して横方向に囲まれたインク単位体が、溶融すると同じ方向に移動するような形状を溶融室が有する溶融デバイスに関する。本発明はまた、この溶融デバイスを備えたインクジェットプリンタに関する。
【０００２】
【従来の分野】
この溶融デバイスについては、米国特許第５，０３０，９７２号に開示されている。溶融デバイスは、熱溶融インクを用いてインクジェットプリンタのプリントヘッドに液体インクを供給するために使用される。相変化インクとしても知られている熱溶融インクは、平常の周囲条件下では固体であるが、高温では液体であるインクのことである。インクジェットプリンタのプリントヘッドが受入材料にインクを転写できるようにするためには、インクが液体の状態でなければならない。印刷中、液体インクは、受入材料の方向にプリントヘッドにより個々の小滴の形で放出される。このようにして、受入材料上に多数の異なるドットからなる像が形成される。小電力で固体（固形）インクを可能な限り迅速に溶融するために、既知のデバイスでは固体インク単位体をヒータと直接接触させて、プリントヘッドにおいてインクを液状に保つ。これを達成するために、溶融室は、ヒータとしての働きを備えた第１の垂直壁（以下、溶融壁と称す）と、インク単位体を溶融壁と接触させるよう作用し第１の垂直壁と一定の角度に設けられた第２の壁により画定された絞り形状を有する。インク単位体が絞りの幅広端を介して溶融室に分配される場合、インク単位体は２つの壁に包囲される。この位置でインク単位体が溶融されるが、このときインク単位体は、インクが液状になる温度を超える温度まで加熱された垂直溶融壁と接触した状態にある。このように溶融することで、インク単位体の大きさが小さくなるため、溶融インクが排出された後、幅狭端の方向に移動する。このような状況で、溶融インクは溶融壁にある小穴を通して排出される。インクは、毛細管力によりこれらの小穴を通して移送される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この種の溶融デバイスには重大な欠点がある。インクジェットのヘッドへと溶融インクが移動する通路は、垂直溶融壁にある小穴の毛細管作用に依存しているため、プリントヘッドに溶融インクが供給される最大速度が比較的遅い。低速のインク供給によるさまざまな問題は、例えば、インクジェットプリンタが、特にカラーのポスターなどのカバレッジが高度なイラストを印刷しなければならない場合など、液体インクへの要求が非常に高い場合に特に顕著となる。溶融インクが十分に供給されなくなると、プリントヘッドの液体インクが空になるため、印刷が所々途切れたものになり、インクジェットプリンタの生産性の面から問題となる。これに関連して生じる別の問題は、液体インクに気泡が含まれることであり、この問題は、プリントヘッドの印刷動作に非常に悪い影響を与える。液体インクが小穴を介して供給される速度が遅いことにより生じるさらなる欠点は、垂直溶融壁と固体インク単位体間に液体インクの薄層が形成されることである。この種の液体インク層が熱障壁となるため、理想的な状況下よりもインクの溶融速度が落ちる。また、溶融インクをプリントヘッドに供給する面からも不利益である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明による溶融デバイスの目的は、これらの欠点を解消することである。これを達成するために、溶融中、インクが液状になる温度を超える温度まで１以上の壁がそれぞれ加熱されることを特徴とする請求項１の前文に記載の溶融デバイスが発明された。驚いたことに、これにより溶融インクの供給が著しく高まることが分かった。溶融室の１以上の壁により固体インク単位体が囲まれているすべての場所で、融点を超える温度まで固体インク単位体が加熱される本発明による溶融デバイスにおいて、高速に溶融インクを排出させる付加的な駆動力が明らかに存在する。このような高速供給が得られる理由は完全には明らかになっていないが、最新の研究によれば、原因となりうるものが多数あることが分かっている。１つの原因として、複数の側面から溶融されたインク単位体が高速に小さくなるため、溶融室の幅狭部の方向にインク単位体が高速に移動するようになる。本発明による溶融デバイスでは、移動方向に対して横方向のみに固体インク単位体が囲まれることにより、すなわち移動方向に垂直な面に何らインク単位体の移動を妨げるものがないことにより、このように移動することが可能となる。これにより、固体インク単位体と溶融壁間の接触面からすでに溶融したインクを押し出す駆動力が発生する。さらに、より高速な移動が実現された結果、通常よりも早い時点でインク単位体が「フレッシュな」溶融壁面と接触することになる。溶融壁の熱伝導率は有限値をもつため、新しい溶融壁面の温度は、そこに到達する前に加熱をすでに止めた溶融壁面よりも高温である。再度述べるが、溶融インクの供給をさらに高めることができるであろう。本発明のさらなる利点は、溶融壁の熱伝導率の値があまり重要ではない点である。互いに高め合う上述した効果に加え、インク単位体が溶融室の１以上の壁により横方向に囲まれる場合、インク単位体にかかる重力よりも大きな力で、固体インク単位体が頻繁に押されて溶融壁表面の少なくとも一部と接触することが分かった。この種の接触圧力の力が強力になるほど、溶融インクが接触表面からより高速に押し出されることになり、この力が、固体インク単位体と溶融壁間の熱障壁を低減させて、すでに溶融したインクと一緒に移送するための付加的な駆動力となる。このような効果は、溶融インクが大量に供給されるように互いに高め合うものと思われる。このような効果に加え、他にも原因となりうるものがあり、このような原因により本発明による溶融デバイスの溶融インクは多量に供給されることになるが、これを理解することは、本発明をうまく適用することに関してあまり重要ではない。
【０００５】
好適な実施形態において、固体インク単位体は、重力により溶融室に移動する。このように移動させるには、絞りの幅狭端方向に固体インク単位体上に正味の力がかかる重力場に対して溶融室を配置する。このように、幅狭端方向にインク単位体を移動させるための手段をさらに追加する必要がない。例えば、ばねなどの形態の手段を用いると、溶融デバイスの原価が上がるだけでなく、次の固体インク単位体の分配が困難になるという欠点も生じる。例を挙げると、溶融室の１以上の溶融壁とばね自体の間に新しいインク単位体を配置させるようにばねを押さえ込まなければならない。さらなる好適な実施形態において、溶融チャンバは、幅狭端付近に溶融インクを通すための少なくとも１つの通路口を備える。通路口を設けることにより、重力の作用で幅狭端の方向に移動する溶融インクが溶融室を出ることが可能となる。次いで、溶融インクが移送し始めて、最終的にプリントヘッドに到達する。
【０００６】
さらなる好適な実施形態において、溶融室の頂角は６０°よりも小さい。すなわち、固体インク単位体を溶融中に移動させる方向に平行な溶融室の断面において、壁が６０°よりも小さな角度にある少なくとも１つの面があることを意味する。この実施形態では、１以上の溶融壁に垂直な固体インク単位体にかかる接触圧力がインク単位体にかかる重力よりも大きいという利点を溶融室が備えている。接触圧力が大きくなると、１以上の溶融壁と固体インク単位体間の接触面から高速に溶融インクが除去される。さらに、この種の溶融デバイスでは、固体インク単位体と１以上の溶融壁間の接触面が広くなることで、溶融インクの供給をさらに高めることができる。これら２つの効果を組み合わせることで、この好適な実施形態による溶融デバイスでは、固体インク単位体が溶融される速度が大幅に速くなる。
【０００７】
さらなる別の好適な実施形態において、溶融室の頂角は４０°以下のものである。したがって、接触圧力が高くなり接触表面が広くなる。さらに、比較的ゆっくりと締め付けられるこの種の溶融室において、溶融中に溶融インク単位体が移動する距離が比較的長くなる。すなわち、分配用の新しい個体インク単位体が溶融室で空間を容易に利用できるため、溶融インクの供給がさらに高められることを意味する。
【０００８】
さらなる別の好適な実施形態において、溶融室の頂角は、５°以上２５°以下のものである。頂角が５°以上である場合、固体インク単位体の所与の寸法に対して溶融室が小さくなり、すなわち幅広端と幅狭端間の距離が必ずしも長くなるというものではない。溶融室の所与の長さに対して、頂角が５°以上であれば、大きな寸法にインク単位体を溶融室に分配可能であることを意味する。頂角を２５°以下にすることにより、固体インク単位体は、溶融中、溶融室においてより高速に移動する。
【０００９】
さらなる別の好適な実施形態において、溶融室の頂角は、１２°以上１７°以下のものである。これにより、固体インク単位体が高速に溶融可能であり、さらに溶融室の寸法を過度に大きくせずに、寸法がかなり大きなインク単位体を溶融室に分配可能である最適な溶融室が得られる。
【００１０】
好適な実施形態において、溶融室は、溶融インクを通路口に排出するための手段を備える。これには２つの利点がある。１つは、溶融インクが接触面からさらに高速に除去されるため、溶融壁と固体インク単位体間の熱障壁がさらに小さくなる点である。もう１つは、この手段により、固体インク単位体よりも密度が小さい溶融インクが幅広端方向に押されるのを防ぐ。これを設ける理由は、固体インク単位体が溶融室のプラグとして作用して、多量のインクがプラグの上に集まるためである。これにより、通路口、ひいてはインクジェットヘッドへの溶融インクの流れが一時的に中断するだけでなく、プラグの最後の固体インクが溶融すると、通路口に突然大量の溶融インクが供給されることがある。このような溶融インクの断続的な供給を制御することは困難である。本発明による排出手段、すなわち、１以上の溶融室の壁表面にそれぞれ形成されたリセス、特に、穴、リブ、スロット、溝、ダクトまたは何らかの凹凸を設けることにより、溶融室において溶融インクが通路口へと連続的に流れる。さらなる好適な実施形態において、排出手段は、溶融室の１以上の溶融壁に形成されたスロットを備える。スロットの利点は、スロットが非常に深いため、溶融インク単位体が、スロットが完全に充填されて未溶融インクにより塞がれる状態には実際ならない点である。スロットが螺旋状であれば、溶融固体インク単位体の運動方向に平行に延びないため、溶融インクの排出手段として作用するスロットの障害をさらに防げる。好適な実施形態において、溶融室は実質的に円錐形である。このような形状をもつことにより、溶融させるインク単位体がすべての側面上で囲まれるため、溶融速度がさらに速くなる。さらに、この種の形のものは、射出成形プロセスにより簡単に得られる。
【００１１】
以下の例を参照して本発明をより詳細に説明する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、インクジェットプリンタを示す。この実施形態では、インクジェットプリンタは、被印刷物２を支持し、４つのプリントヘッド３に沿って供給するローラ１を備え、４つのプリントヘッドの色はそれぞれ、シアン、マゼンタ、イエロー、黒である。ローラ１は、矢印Ａで示されているように軸を中心に回転可能である。走査キャリッジ４が４つのプリントヘッド３を運んで、ローラ１に平行な双方向矢印Ｂで指し示されている方向に往復運動する。このように、プリントヘッド３は、受け入れる被印刷物２、例えば、紙を走査できる。キャリッジ４は、ロッド５および６を案内されて、目的に合った適切な手段（図示せず）により駆動される。
【００１３】
図１に示されている実施形態において、各プリントヘッドは、ローラ１の軸に垂直の列に並べて形成されたノズル７をそれぞれがもつ８個のインクダクトを備える。印刷装置の実際の実施形態の多くは、プリントヘッド当たりのインクダクトの数が多い。各インクダクトには、インクダクトを作動させるための手段（図示せず）と、関連する電気駆動回路（図示せず）が設けられる。このように、インクダクト、インクダクト作動手段および駆動回路により、ローラ１の方向にインク小滴を放出するように作用するユニットが形成される。インクダクトが像方向に作動されると、被印刷物２上にインク小滴が重なった像が形成される。
【００１４】
この例では、各プリントヘッド３に、本発明による溶融デバイス（図示せず）が設けられる。各溶融デバイスは、対応するプリントヘッドに一体化される。プリンタは、例えば、インクペレット状の固体インク単位体の供給部を含む。プリントヘッドが溶融インクを必要とすれば、固体インク単位体が既知の手段により分配ステーションを介して溶融デバイスの溶融室に分配される。インクが溶融した後、インクダクトへとさらに運ばれる。
【００１５】
図２は、図２ａおよび図２ｂからなる。図２ａは、頂角αをもつ溶融室の２つの溶融壁８および９により横方向に囲まれた固体インク単位体２１を示す図である。分かりやすくするために、溶融室は直立させて設けている。固体インク単位体には重力Ｆｚがかかる。静止状態では、例えば、インク単位体が移動しない場合、重力は他の力により平衡化される。インク単位体と壁との間の摩擦力が無視でき、これが固体インク単位体と壁との間に溶融インクの薄層が位置する状況下で許容可能であると仮定すると、重力は、壁８および９がインク単位体にかける２つの法線力Ｆｎにより平衡化される。
【００１６】
図２ｂは、これに関連する力のつりあいを示す。同図から、各壁が固体インク単位体にかける法線力には、重力の半分に等しい縦軸成分があることが分かる。
このように、固体インク単位体にかかる正味の力はゼロになる。
【００１７】
図２ｂから、法線力と重力との関係は以下の式で導き出される。
【００１８】
ｓｉｎ（１／２・α）＝（１／２・Ｆｚ）／Ｆｎ      （１）
これにより、
Ｆｎ＝（１／２・Ｆｚ）／ｓｉｎ（１／２・α）      （２）
この関係から、頂角αが６０°よりも小さければ、所与の条件下で法線力は重力よりも大きいことになる。法線力はインク単位体が各溶融壁８および９を押す力に等しいため、溶融室の絞りの頂角が６０°よりも小さければ、接触圧力が重力に対して大きいことを意味する。
【００１９】
このように接触圧力が大きくなることで生じる利点は、接触圧力手段をさらに用いる必要がなく、インク単位体と溶融壁間の接触表面から溶融インクがより高速に除去されることである。
【００２０】
図３ａ、図３ｂおよび図３ｃは、絞り内に形成可能な溶融室の複数の例を示す。図３ａは、絞りが頂角α（楔の傾斜角νに対応）をもつように、溶融壁８および９で絞りが形成された楔形溶融室を示す。側面では、溶融室は壁１０および１１で閉じられる。このようにして溶融室が形成されると、固体インク単位体が楔の幅広端で分配され、その後、インク単位体は溶融壁８および９により横方向に囲まれる。この場合、インク単位体が幅広端付近で溶融壁８および９によりすでに固定されるように、固体インク単位体に合った大きさを選択することが好ましい。インクが液状になる温度を超える温度まで溶融壁８および９を加熱して、溶融壁８および９と固体インク単位体を接触させて溶融させることにより、インク単位体は迅速に楔状になる。溶融プロセス中、溶融インクは、溶融壁８および９上の固体インク単位体によりかけられた圧力により接触表面からすぐに離れるため、固体インク単位体は楔の幅狭端方向に移動する。溶融室の実際の実施形態では、幅狭端付近に少なくとも１つの通路口を設けて、溶融インクをインクジェットヘッドに供給する。固体インク単位体が十分に溶融されると、すなわち、次の固体インク単位体用の空間が溶融室にできるように、幅狭端方向に一定距離進むとすぐに、次のインク単位体が分配されてよい。
【００２１】
図３ｂは、第１の切頭角錐１２と、頂角αをもつ第２の角錐からなる溶融室を示すもので、第２の角錐は、壁８、９、１０および１１により形成される。この構造において、溶融デバイスの壁８、９、１０および１１が加熱されて、第２の角錐が溶融室を形成する。第１の角錐は、例えば、固体インク単位体を分配しやすくするための分配ステーションとして機能させてよい。
【００２２】
図３ｃは、溶融室の形状が壁８により形成される頂角αをもつ円錐状である溶融デバイスの第３の可能な形態を示す。この種のチャンバに分配される固体インク単位体は、壁８に囲まれる。壁が加熱されると、インクが溶融し、インク単位体が円錐の幅狭端方向に移動する。
【００２３】
上述した形態は、例示的目的のみで挙げたものである。インク単位体を囲む壁が加熱されてインク単位体が溶融される溶融室が絞りを形成する形状をもつものであれば、いずれの形態も本発明の一部となる。したがって、角柱または角錘台、回転放物線や楕円面などの形状の溶融室も可能である。特に、１つの頂角を形成するような絞りを設ける必要もない。固体インク単位体の運動方向に平行な断面において１つの壁（円錐状の場合）または複数の壁（角錘状の場合）により形成される角度が、溶融室の幅広端から幅狭端へと延びて連続的（回転放物線の場合）または断続的（図３ｂに示す二段構造の角錘の場合）に変化する可能性も十分にある。
【００２４】
図４は、固体インク単位体（２１）が配置された円錐溶融室を示す線図である。固体インク単位体が幅広端を介して溶融室内に分配された時点で、インク単位体は球状のものである。円錐を形成する溶融室の加熱された溶融壁（８）と接触させることにより、球状のインクペレットが次第に速度を増して円錐状になるため、インクペレットと壁との間の接触面Ａが広くなる。このように表面が比較的広くなると、インクペレットの溶融速度は速くなる。角度νが大きくなるにつれ、溶融インクペレットも溶融室の幅狭端方向により速く移動することにより、新しいインクペレットを分配するためのさらなる空間ができる。このような溶融室の実際の実施形態では、円錐の先端が除去されて通路口が形成されてよい。
【００２５】
図５は、本発明による溶融デバイスの一実施形態の例である。図５ａは、部品８ａおよび８ｂからなる溶融デバイス１３を示す。溶融デバイスの部品８ａは、図５ｂに示される。この実施形態では、溶融デバイスは、一体にして円錐状の溶融室１４の壁を形成する２つの同一の部品８ａおよび８ｂからなる。この例では、部品８ａおよび８ｂは、アルミニウムなどの熱伝導性材料から全体が形成される。溶融デバイスには、インクを溶融させるためにインクの融点よりも高い温度まで部品８ａおよび８ｂを加熱する加熱手段（図示せず）が設けられる。これらの手段は、従来技術においてよく知られているものであるため、本願明細書においてさらに説明をする必要はない。
【００２６】
部品は、この例では、部品８ａおよび８ｂに形成された穴１６の寸法に合わせたスタッドと、それと協働するナットとからなる固定手段１５により内部接続される。円錐状の溶融室には、幅広端１７と幅狭端１８が設けられる。実際の溶融室のすぐ外側の幅広端付近に、分配ステーション（図示せず）が位置する。例えば、球状のインクペレット形状のような固体インク単位体が幅広端に分配されて、２つの部品８ａおよび８ｂで形成された加熱壁と接触する。これにより、インク単位体の一部が溶融する。溶融インクが受ける接触圧力の力が比較的大きいことから、インク単位体と壁の間から溶融インクが押し出されて、この例では部品８ａおよび８ｂにある２つのスロットで形成された排出手段１９に到達する。溶融インクは、幅狭端方向にスロットを介して移動した後、通路口２０に到達する。液体インクは、この通路口を解して溶融デバイスを離れる。溶融プロセス中、固体インク単位体の大きさはさらに小さくなり、幅狭端の方向に移動する。幅狭端に到達すると、インクペレットの残りの部分がさらに溶融して、溶融インクが通路口を介して溶融デバイスを離れる。
【００２７】
表１は、本発明による複数の溶融チャンバを用いて行った溶融実験の結果を示す。この実験では、頂角が３０°の第１の溶融室から頂角が５°の第７の溶融室まで、頂角がそれぞれ異なる７つの円錐状溶融室を用いた。溶融室は、２つの同一の部品（図５に示されている例と類似したもの）からなるアルミニウム製のものであり、温度を１２５℃で一定に保つように加熱手段が設けられる。溶融室は直立に設けられ、内部に長手方向に４つのスリットがそれぞれ設けられて、角円錐の先端を除去して形成した通路口に供給する。その結果得られた通路口の断面は、約１ｍｍのものである。質量が約１グラムで、密度が約１．１ｇ／ｃｍ３の溶融可能な混合物からなる丸いインクペレットを各溶融室に常に分配して、溶融実験が行われた。約７０℃で混合物の溶解が始まる。各溶融室の下にマスバランスがあり、溶融インクの出力が正確に決定される。前に分配されたインクペレットが実際に完全に溶融すれば常に次のインクペレットが分配される状態で、実験が行われた。
【００２８】
このようにして、各溶融室の可能な溶融出力が決定された。得られた値を表１に示す。２列目には、対応する溶融室の頂角を示す。３列目には、毎分あたりのグラムで測定した溶融出力を示す。４列目には、測定した最大溶融出力を１００単位体としてそれに従って標準化された溶融出力を示す。最後に、５列目には、式２に従って計算された各溶融室の接触圧力の力を示す。この場合、接触圧力の力の値も、最小の頂角をもつ溶融室を１００単位体として標準化されている。
【００２９】
表から明らかなように、得られた溶融出力は、図２により導き出される接触圧力の力の計算値とある程度類似したものである。
【００３０】
【表１】
0004768135.tif 000002
【図面の簡単な説明】
【図１】インクジェットプリンタの一例である。
【図２ａ】２つの溶融壁により横方向に囲まれたインク単位体を示す線図である。
【図２ｂ】２つの溶融壁により横方向に囲まれたインク単位体を示す線図である。
【図３ａ】実行可能な溶融室を示す線図である。
【図３ｂ】実行可能な溶融室を示す線図である。
【図３ｃ】実行可能な溶融室を示す線図である。
【図４】固体インクの溶融単位体が位置する円錐状の溶融室を示す線図である。
【図５ａ】本発明の好適な実施形態による溶融室の一例である。
【図５ｂ】本発明の好適な実施形態による溶融室の一例である。
【符号の説明】
１  ローラ
２  被印刷物
３  プリントヘッド
４  キャリッジ
５、６  ロッド
７  ノズル
８、９、１０、１１  溶融壁
８ａ、８ｂ  部品
１２  切頭角錐
１３  溶融デバイス
１５  固定手段
１６  穴
１７  幅広端
１８  幅狭端
１９  排出手段
２０  通路口
２１  固体インク単位体
【図１】
0004768135.tif 000003
【図２ａ】
0004768135.tif 000004
【図２ｂ】
0004768135.tif 000005
【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
0004768135.tif 000008
【図４】
0004768135.tif 000009
【図５ａ】
0004768135.tif 000010
【図５ｂ】
0004768135.tif 000011