(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクジェットプリントヘッドの内部チャネル及びノズルを介してインクを連続的に循環するサーマルインクジェット印刷システムであって、
インクの入口及び出口を有するプリントヘッドを含み、前記プリントヘッドの中には前記入口から前記出口まで流体フロー用のインクパスを生成する複数のインクチャネルが形成されており、前記プリントヘッドは複数の加熱抵抗器からなる直線アレイを更に有し、前記各加熱抵抗器は前記ノズルのうち１つと関連しており、
前記加熱抵抗器を選択的に通電して前記関連するノズルを介してインクの液滴を放出させるための電気回路を含み、
前記プリントヘッドの前記入口に連結され大気圧に開放されるインク供給リザーバであって、前記入口の圧力が前記出口の圧力よりも高くかつ前記ノズルのゲージ圧が負となり、かつ非排出モードの間に前記ノズルの近くのインクに安定した凹状のメニスカスを形成してインクを前記ノズルから流れ出ないように前記インクパスに沿ってフローさせるように、前記プリントヘッドに対して配置される前記インク供給リザーバを含み、
前記インク供給リザーバと前記出口との間を接続するポンプを含む、
サーマルインクジェット印刷システム。
【請求項２】
前記インクチャネルの一部がプリントヘッドの正面に形成された溝によって形成され、前記プリントヘッドの正面に前記ノズルが設置された、請求項１に記載のサーマルインクジェット印刷システム。
【請求項３】
プリントヘッドと同じ高度であるスタンバイ位置から低高度にインクリザーバを移動させて必要な圧力勾配を確立し、流体フロー用の前記インクパス内の圧力を気圧以下に確立するためにポンプを起動する、請求項１に記載のサーマルインクジェット印刷システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーマルインクジェットプリンタのインク循環システムに関し、更に詳細には、プリントヘッドを通る連続パス内でインクを循環させ、プリントヘッドのインクチャネル及びノズル内における短いインクの待ち時間により生じるマイナス影響を抑えるシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーマルインクジェット印刷は、熱エネルギーを用いてインク充填チャネル内に気泡を生成して液滴を放出する即時滴下（drop-on-demand）型インクジェット印刷として特徴付けられる。サーマルインクジェットプリントヘッドは熱エネルギー生成装置又は加熱要素（通常抵抗器）を含み、この熱エネルギー生成装置又は抵抗器はチャネル内でインク放出ノズルの近くの所定距離のところに配置されている。抵抗器は入力印刷信号に応答して電気パルスにより別々にアドレスされ、インクを瞬時に蒸発させて気泡を生成し、インクの液滴を放出する。
【０００３】
インクジェットプリントヘッドは、プリントヘッドの側面からインクが放出される”サイドシューティング”システム、又はプリントヘッドの頂部からインクが放出される”ルーフシューター”として特徴付けられる。サイドシュータープリントヘッドの例は、ホーキンスらの米国特許Ｒｅ：３２，５７２号及びトーペー（Torpey）らの米国特許第４，６３８，３３７号に開示されている。ルーフシューター型プリントヘッドは米国特許第４，９１０，５２８号に開示されている。いずれのタイプのプリントヘッドにおいても、インクはインクリザーバからノズルに供給される。このインクリザーバはインクタンク又はインクバックであってもよく、インクチャネルを介してインク放出ノズルに連結されている。インクは毛管作用によって及び所定の負のシステム圧力のもとにインク源から引き出される。関連する加熱抵抗器を選択的に通電することによってインクはノズルを通って連続的に放出される。インクがノズルから放出されるとほとんど同時に、リザーバからインクが補給される。
【０００４】
従って、従来技術のインク循環は、毛管作用フローの１つとして特徴付けることができる。加熱抵抗器に電気パルスが送られて関連するノズルからインクは放出されるまで、インクはインクチャネル内であって加熱抵抗器及びノズルの近くに静止したままである。このタイプのインク搬送システムの１つの問題点は、印刷していない間にチャネル内でインクが停滞し得ることである。この停滞による不都合な結果は、インク内の水分がある程度蒸発することによってインクが濃くなり、しだいに液滴の放出に悪影響を与えることである。プリントヘッドがかなり長い間動作しないままであると、インクが完全に乾き切ってしまうことがある。
【０００５】
このインクの蒸発問題の１つの解決方法は、メンテナンスステーションにインクジェットを定期的に移動させ、プリントヘッドをプライム（迎え液を入れること）してノズルを介してインクをサンプに入れることである。この解決方法はインクを浪費し、印刷システムの処理能力を低下させる。更に、水分が濃縮することによっていくらかのインクの待ち時間が非常に短くなり、プライムステーションに何度も移動しなければならない。
【０００６】
米国特許第４，９２９，９６３号は、非毛管現象インクフローチャネルを含むルーフシューター型プリントヘッドを開示している。低圧ポンプシステムによってインクはチャネル内を循環する。実際に放出されるインクはフローチャネル内のインクから抽出されるが、インク加熱抵抗器を含む毛管現象チャネル（この特許の図２）に運ばれる。従って、チャネル内のインクは、チャネルを通るインクフローが続いていても、非印刷モードの間は静止している。
【０００７】
米国特許第４，８０９，０１５号は、ポンプ及びフィルタを含む閉塞ループインク循環システム（この特許の図２）を有するプリントヘッドを開示している。
【０００８】
先に引用した参考文献はどれも、インク放出領域（加熱抵抗器及びノズル領域）を介して連続的なインク移動を提供するインク循環システムを開示していない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の第１の目的は、インクの待ち時間の度合いを変化させて広範囲のインクを受け入れることができるインクジェット印刷システムを提供することである。
【００１０】
本発明の第２の目的は、永い間印刷していない後でも、最適なジェット性を維持することができるインクジェット印刷システムを提供することである。
【００１１】
本発明の第３の目的は、プリントヘッドの周期的プライミングを必要としないで、インクの待ち時間を維持することである。
【００１２】
本発明のこれら及び他の目的は、非毛管現象チャネルを介してインクリザーバから抵抗器／ノズル領域を過ぎて再びインクリザーバまでループ構造でインクを循環させる、インク流体循環システムを提供することによって達成される。圧力ヘッドを生成し、定圧ポンプを使用することによって、インク流体チャネル内及びノズルに形成されたインクメニスカスに適度な圧力が生成される。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明の第１の態様は、インクジェットプリントヘッドの内部チャネル及びノズルを介してインクを連続的に循環するサーマルインクジェット印刷システムであって：インクの入口及び出口を有するプリントヘッドを含み、前記プリントヘッドの中には前記入口から前記出口まで流体フロー用のインクパスを生成する複数のインクチャネルが形成されており、前記プリントヘッドは複数の加熱抵抗器からなる直線アレイを更に有し、前記各加熱抵抗器は前記ノズルのうち１つと関連しており、前記加熱抵抗器を選択的に通電して前記関連するノズルを介してインクの液滴を放出させるための電気回路を含み、前記プリントヘッドの前記入口に連結され大気圧に開放されるインク供給リザーバであって、前記入口の圧力が前記出口の圧力よりも高くかつ前記ノズルのゲージ圧が負となり、かつ非排出モードの間に前記ノズルの近くのインクに安定した凹状のメニスカスを形成してインクを前記ノズルから流れ出ないように前記インクパスに沿ってフローさせるように、前記プリントヘッドに対して配置される前記インク供給リザーバを含み、前記インク供給リザーバと前記出口との間を接続するポンプを含む。
【００１４】
本発明の第２の態様は、前記インクチャネルの一部がプリントヘッドの正面に形成された溝によって形成され、前記プリントヘッドの正面に前記ノズルが設置された、上記のサーマルインクジェット印刷システムである。
【００１５】
本発明の第３の態様は、プリントヘッドと同じ高度であるスタンバイ位置から低高度にインクリザーバを移動させて必要な圧力勾配を確立し、流体フロー用の前記インクパス内の圧力を気圧以下に確立するためにポンプを起動する、上記のサーマルインクジェット印刷システムである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１及び図２を参照すると、連続的インク循環を有する印刷システムの第一の実施の形態の拡大概略等角図が表されている。プリントヘッド１０は、溝の付いた上部基板１２を低部加熱基板１４に接着させて形成される。上部基板１２の中には複数のインクチャネル１６が形成されており、これらのチャネル１６はインクマニホルド１８に接続されている。また、上部基板の低面には複数の溝２０が形成されており、この上部基板を低部基板に接着すると、チャネル２２が形成される。上部基板の背面にはインクの入口２４及びインクの出口２６が設けられている。上部基板の正面２８には複数の溝３０が形成されている。加熱基板１４の頂面には複数の加熱抵抗器３２が形成されており、各抵抗器はチャネル２２の各々の正面端部に位置している。抵抗器は従来技術で公知であるように、チャネル表面上、又は上に被せられた絶縁層の中に形成されたピットの中に形成されてもよい。
【００１７】
正面２８はにはオリフィスプレート３４が接着されている。このプレートの中には複数のノズル３６が形成されており、各ノズルはチャネル２２内に配置された加熱抵抗器３２と操作上関連している。オリフィスプレート３４は溝３０に被せられており、チャネル３１を形成している。ノズル３６の表面を含むオリフィスプレート３４の内部表面にインクに対する湿潤性を持たせて製造又は改造する一方、オリフィスプレート３４の正面をインクに対して非湿潤性であるように製造又は改造することが有利である。
【００１８】
インク供給リザーバ３８は管４０によってインクの入口２４に接続されている。ポンプ４６は管４４によってインクの出口２６に接続されている。ポンプ４６は管４５によってリザーバ３８にも接続されている。リザーバ３８は、以下に説明する理由のために、プリントヘッドに関して垂直に移動可能である。プリントヘッドの構造の更に詳細な点については、本発明の記述を簡略化するために省いた。当業者には公知であるように、及び上記のサイドシューターについての特許を参照して、エッチング及び／又はダイシング技術を用いてインクフローチャネル及び正面溝を形成する。境界面は良く知られた耐インク性接着材を用いてシールする。抵抗器からドライブ回路まで電気的に接続することが一般的である。
【００１９】
図１及び図２を参照すると、プリントヘッド１０を通るインクフローパスはチャネル１６、チャネル３１及びチャネル２２によって形成された矩形通路を通っている。矩形チャネルを通して粘性流体を定常フローさせるには、フロー方向に負の圧力勾配を必要とする。これは、チャネル１６への入口にかかる圧力が、流体がプリントヘッドから出るチャネル２２の端部にかかる圧力よりも高くなければならないことを意味する。更に、オリフィスでのインクのゲージ圧が最適にはやや負（−１／４インチＨ2 Ｏ〜−５インチＨ2 Ｏ）であることが公知である。この圧力及びインク供給システムの粘性抵抗を超えるのに必要な圧力は、大気圧によりインク供給リザーバ３８を開閉したり、印刷するときにリザーバをプリントヘッド１０に関して適当な高さに配置することによって、提供される。図２に表されたように、プリントヘッド及びインク供給リザーバは、スタンバイのときは本質的に同じ高さである。印刷が必要なとき、又は印刷ができる状態が起動されたとき、適度な圧力（所与のインクフローのためのインク供給システムの残りの圧力降下を含む）になるように、インク供給リザーバが上昇される。作動要素、ポンプ４６は作動し、プリントヘッドから供給リザーバへインクをくみ上げたりプリントヘッドに戻したりする。次に、メニスカスとリザーバとの間の圧力ヘッド（圧力水頭）により、インクをプリントヘッドからリザーバに逆輸送する。この方法は、クラッドフィードバック又はインクモニタリングのみが必要であるように、充分な許容範囲（自由度）を提供する。正面２８上の溝３０を通してインクを移動させるのに必要な最大圧力差は５．４インチＨ2 Ｏのみであり、インク供給システムの他の部分をより大きくして好ましくは多くのジェットを供給することができるので、高度変更はプリンタの制限内で簡単に行うことができる。
【００２０】
本発明の原則に従って、他のインク循環パスの実施の形態が可能である。図３は、図２のバリエーションを表し、ここではプリントヘッド１０のチャネル２２の下のヒータ基板１４には更にチャネル５０が形成されている。この実施の形態のインクパスは、入口５１からチャネル１６、３１及び５０を通り、出口５２が出口になっている。従って、第一の実施の形態のようにチャネル２２を通るフローはない。
【００２１】
図４は、図２のようなプリントヘッド構造を有するが、圧力ヘッドを備えた他の実施の形態を表す。インクは供給部３８から入口２６’（図２では出口２６）にくみ上げられる。フローパスはチャネル２２、３１及び１６を通り、出口２４’（図２では入口２４）が出口になっている。
【００２２】
幾つかのサーマルジェットの実施の形態において、オリフィスプレート３４は使用されず、ノズルの機能を果たすためにチャネルが作られる。図５を参照すると、先述の実施の形態と同様、プリントヘッドの正面は、インクに対して非湿潤性である。このような場合、溝３０（複数）がこの正面に製造されており、この溝の片側が空気に触れるように開いている。この溝３０の内側面（表面３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ（図６））は、インクに対して湿潤性である。従ってこれらの溝はインクが流れるときに通るトレンチである。このフローはこのフロー方向に沿った圧力勾配に正比例する。オリフィスプレート３４のないチャネル、例えば溝３０の片側の壁が空気に触れるように開いていれば、メニスカス３３（図７）はインク内に確立された他の圧力差（この場合気圧とインク内の圧力との差）を支えなければならない。最後に、インクメニスカスの耐荷力によって、開いたチャネル内で支えられ得る最大フローが決まる。流体に湿潤性のある壁表面を有するチャネルがチャネルから溢れ出ないように支える得る最大フローは１つであるため、入口での流体中の圧力は気圧に等しい（高圧力ではフローはチャネルからこぼれ出る）が、出口での流体内の圧力は、メニスカスが支え得る最低負ゲージ圧力である。流体内の圧力はフロー方向に沿ってゆっくりしか変化しないので、任意の地点のメニスカスの形状は円筒形表面の部分に近く、最低出口圧力は、
【数１】
0004256487.tif 000002
である。式中σはインクの表面張力であり、ａはチャネル幅である。このような状況は、図６及び図７（Ａ）、図７（Ｂ）に図示されている。このような場合、出口のメニスカスの半径はａ／２である。
【００２３】
図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に図示された開いたチャネル内のフローの良い近似は、以下の分析により得られる。まず、幅ａ、深さｂを有する矩形断面を有する均等なフローによってフローを近似することが適当である（ｂは均等フローの断面が実際のチャネルの入口及び出口のフロー断面の平均に等しくなるように選択される）。これは図７（Ｃ）に図示されている。均等チャネル内のフローは固体表面（solid surface ）ＹＹ、ＵＵ、ＶＶ及び自由表面ＷＷによって画定される。このようなチャネルにおいて、固体表面ＹＹ，ＵＵ，ＶＶはフローに対して粘性低抗を示し、自由表面ＷＷはフローを全く妨害しない。図７（Ｄ）からは、全てが４つの固体表面に囲まれており、高さが２ｂ（均等矩形の開いたチャネルの深さｂの２倍に等しい）である矩形チャネルの各半分内には、この場合の対称性により、同じ粘性フローが確立されることがはっきり分かる。閉鎖矩形チャネルを通る定常体積流量Ｑは分析的に解くことができ、
【数２】
0004256487.tif 000003
で表される。ここでＡは断面領域であり、μはインク粘性、ｄｐ／ｄｚは圧力勾配、及び係数Ｆは、
【数３】
0004256487.tif 000004
の数列で表される。ηは矩形断面のアスペクト比である。
【００２４】
３００ｓｐｉ印刷が可能なプリンタでは、妥当なチャネル幅は６０ミクロンで、深さ７５ミクロンである。インクの表面張力を４０ｍＮ／ｍとすると、この最低ゲージ圧力は−５．４インチＨ2 Ｏ（−１，３３０パスカル）である。入口の断面は１．２５ａ2 であり、ａは６０μｍに等しい。出口の断面は入口の断面よりπａ2 ／８だけ小さい。平均断面をとると、先に決定された圧力勾配によって動くフローの計算のために、近似フローはａに等しい深さｂを有する均一断面を有する。先に提示した分析を参照すると、このチャネル内のフローは、幅は同じａだが高さが２ａである矩形閉鎖チャネル内のフローのちょうど半分に等しく、アスペクト比ηはここでは２に等しい。インクの粘性＝２cpoiseとして計算すると、オープンチャネルを通る体積流量Ｑopen、
【数４】
0004256487.tif 000005
又はドロップ量が１００plだとすると、
【数５】
0004256487.tif 000006
が得られる。３００ｓｐｉで２１ｋＨｚのドロップ生成は、一般的なサーマルインクジェットプリンタが送出する必要がある生成量よりも非常に多い。従って、プリントヘッドを通るインクの定常フローの概念が実証された。正面２８上の溝３０にインクを通すのに必要な最大圧力差は、５．４インチＨ2 Ｏだけでよく、インク供給システムの他の部分を大きくして好ましくはジェットの数を多くすることができるので、高度変更は、プリンタの制限内で簡単に行うことができる。
【００２５】
図１、図２、図４及び図５は、プリントヘッドの側面に形成されたノズルを通してインクを排出する”サイドシューター”プリントシステムとして参照される。本発明の概念は、米国特許第４，９１０，５２８号に開示されたタイプの”ルーフシューター”プリントヘッドにも適用可能である。
【００２６】
図８は、ルーフシュータープリントヘッド５８の簡略図を表す。プリントヘッド基板には再循環チャネル６０、６２、６４が形成されている。オリフィスプレート７０の中に形成されたノズル６８の近くにはヒータ要素６６が配置されている。
【００２７】
本明細書に記載された実施の形態は好適なものであるが、当業者によりこの教示から様々な代替品、修正品、或いは改良品が作られることができることが分かるであろう。例えば、再循環されたインクは、再循環中にプリントヘッドの外側のインク循環パスにフィルタを設置することによって効果を上げることができる。或いは、インク製剤を再構成することができる。
【００２８】
インクを循環させるによって印刷動作の間にプリントヘッドを冷却することができることも、本発明の更なる望ましい利点である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の連続的インク循環システムの１つの実施の形態を表すプリントヘッドの部分的略等角図である。
【図２】図１のライン２−２で切り取ったプリントヘッドの断面図である。
【図３】図１及び図２に表されたプリントヘッドの第二の実施の形態の断面図である。
【図４】図１及び図２に表されたプリントヘッドの第三の実施の形態の断面図である。
【図５】オリフィスプレートのない、図２に表されたプリントヘッドの断面図である。
【図６】図５に表されたインク循環チャネルの拡大図である。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）は、インクチャネルの断面図である。
【図８】本発明のインク循環パスを用いたルーフシュータープリントヘッドの断面図である。
【符号の説明】
１０    プリントヘッド
１６、２２、３１、５０、  インクチャネル
３６    ノズル
３８    インク供給リザーバ
４６    ポンプ
【図１】
0004256487.tif 000007
【図２】
0004256487.tif 000008
【図３】
0004256487.tif 000009
【図４】
0004256487.tif 000010
【図５】
0004256487.tif 000011
【図６】
0004256487.tif 000012
【図７】
0004256487.tif 000013
【図８】
0004256487.tif 000014