JP2008173989A - 液滴堆積装置 - Google Patents

Abstract

【課題】埃、乾燥インクあるいは他の異物がノズル内に溜まるのを防ぐインク小滴の射出を可能にする液滴堆積装置を提供する。
【解決手段】液滴堆積装置であって、複数個の流体チャンバからなるアレイと、共通の流体入口マニホルドと共通の流体出口マニホルドとを含む流体導管手段と、流体入口マニホルドに入り、アレイに於けるそれぞれの流体チャンバを通って当該流体出口マニホルドに入る流体の流れを発生させる流体流発生手段と、オリフィスから液滴の噴射を行わせるために流体チャンバと関連付けられているアクチュエータ手段及び、該電気信号を供給するための駆動回路手段とから構成されており、当該駆動回路手段は、熱的接続状態で当該流体導管手段に搭載されており、それによって駆動回路手段から発生された熱の実質的な量が流体導管手段内の流体に移動する様に構成されている液滴堆積装置。
【選択図】図４

Description

本発明は流体の小滴を堆積するための装置に関し、流体チャンバの配列からなり、各チャンバは小滴射出用オリフィス、共通の流体入口マニホルドおよび共通の流体出口マニホルドにつながり、該流体入口マニホルド内に流体を発生させるための部材とともに、配列内の各チャンバを通って、流体出口マニホルド内に流体を送る。さらに詳しくは、本発明は上記構造をもち、流体がインクであるインクジェット・プリントヘッドに関するものである。

上記したようなインクジェット・プリントヘッドは参考文献の国際公開第ＷＯ９１／１７０５１号パンフレットから公知である。図１は該国際公開第ＷＯ９１／１７０５１号パンフレットから取られ、圧電物質のベース１２内に形成されたプリントヘッド・チャネル１１の縦軸に沿う断面を示している。チャネルからのインク射出はカバー６０内のノズル２２を通して行われ、インクはチャネルの各端にある流体マニホルド３２，３３によって供給される。たとえばＥＰ−Ａ−０２７７７０３やＥＰ−Ａ−０２７８５９０から公知のように、圧電アクチュエータ壁は一連のチャネルの間に形成され、各壁の対向側にある電極間に印加される電極によって作動して剪断モードで横に偏向する。その結果、インク内に生じた圧力波によってノズルから小滴が射出する。また公知のように、インクはマニホルド３２，３３の一方のマニホルドに供給され、チャネルを通り、他方のマニホルドから出ると共に、ノズルから射出されるインク流を生じる。これによって、埃、乾燥インクあるいは他の異物がノズル内に溜まるのを防ぎ、インク小滴の射出を可能にする。

ノズル内に異物が集まるのを防ぐのに十分な流量（ｒａｔｅ）でインクが供給される上記プリントヘッドを用いた実験において、小滴射出特性（特に射出小滴の大きさと速度）がアレイに沿って変化することがわかった。この変化は各チャンバ内のインク・メニスカスの残りの位置の変化、および次には各チャンバ内のノズルの静圧の変化の結果であることがわかった。

本発明者らは、圧力のこの変化はインクの連続流、特に全チャネルを通る全インク流に等しいインク流によることを発見した。このようなインク流は、流体入口マニホルドおよび流体出口マニホルドの双方に沿って重大な粘性圧力損をもたらす。この粘性圧力損が、各チャンバに対し入口と出口で静圧に影響を与え、したがってノズルでの静圧にも影響を与える。
更に、上記した形式の液滴堆積装置にあっては、アクチュエータを駆動させる駆動回路から発生される熱の影響によって、インク温度が上昇し、その結果インク粘度が変化するので、プリントヘッドから滴下するインク量が変化し、たとえば小滴の大きさの好ましくない変化をもたらすという問題があった。

好ましい実施態様において、本発明はこれらおよび他の問題の解決法を探る。

本発明は、上記した問題点を解決するものであって、その基本的技術構成は、液滴堆積装置であって、当該液滴堆積装置は、複数個の流体チャンバからなるアレイであって、それぞれの流体チャンバは、当該流体チャンバのオリフィスから液滴の噴射を行わせるために電気信号によって駆動可能な駆動手段を有しているアレイと、共通の流体入口マニホルドと共通の流体出口マニホルドとを含む流体導管手段と、当該流体入口マニホルドに入り、当該アレイに於けるそれぞれの流体チャンバを通って当該流体出口マニホルドに入る流体の流れを発生させる流体流発生手段と、当該オリフィスから液滴の噴射を行わせるために当該流体チャンバと関連付けられているアクチュエータ手段及び、当該電気信号を供給するための駆動回路手段とから構成されており、且つ当該駆動回路手段は、熱的接続状態で当該流体導管手段に搭載されており、それによって、当該駆動回路手段の駆動中に当該駆動回路手段から発生された熱の実質的な量が当該流体導管手段内の当該流体に移動する様に構成されている液滴堆積装置である。
本発明に於いては、上記した基本的な技術態様に加えて、以下に示す様な各構成態様が併用されるものであっても良い。
第１の構成態様においては、本発明は、小滴堆積装置であって、当該小滴堆積装置は、各々の流体チャンバが、小滴射出用オリフィスと、共通の流体入口マニホルドと、共通の流体出口マニホルドとにそれぞれ連結されている、複数の流体チャンバで構成されているアレイ、および該流体入口マニホルド内に入り、該アレイを構成するそれぞれのチャンバを通り、流体出口マニホルド内に入るような流体の流れを発生させるための部材であって、且つ当該チャンバは、当該流体流が当該チャンバを介して流れると同時に当該オリフィスから小滴を射出する為の部材を含んでいる、流体流発生部材と、を含んでおり、当該小滴堆積装置は、更に、少なくとも当該流体入口マニホルドと当該流体出口マニホルドの一方の断面積が、当該各チャンバを流れる当該流体流の流量が、当該オリフィス内に流体内の異物が溜まるのを防止する様に設定されており、且つ当該流体の流れに起因して発生する、当該アレイ内の何れかのチャンバに於ける当該オリフィスでの負の静圧が、任意の２つのチャンバ間に於いて、当該アレイ内における当該２個のチャンバのそれぞれから射出される小滴の液量に可視的な変化を与える様な量よりも少ない量だけ変化する様に設定されている小滴堆積装置を提供する。

ある閾値以下に流体入口・出口マニホルドの１つの流れ抵抗を下げることにより、インク循環の結果として生じる粘性圧力損失がアレイの幅にわたる小滴射出特性の均一性に悪影響させなくする。その結果、基板の印刷幅にわたる均一な印字品質がより容易に達成される。

１つの好ましい構成において、流体入口マニホルドはアレイの２つのチャンバ間に重大な小滴射出特性の差を生じる十分な入口間の静圧の変化をもたらすよりも小さな流れ抵抗を有する。

他の好ましい構成では、流体出口マニホルドの流れ抵抗が、入口での圧力が２つのチャンバ間で、小滴射出特性に重大な差をもたらすよりも少なく変化する。

好ましくは、流体入口・出口マニホルドの各流れ抵抗は、オリフィスでの圧力が２つのチャンバ間で、小滴射出特性に重大な差をもたらすよりも少なく変化するように選ばれる。ノズルでの圧力は入口・出口双方での静圧に影響されるので、双方の流体マニホルドの流れ抵抗を適切な閾値以下に減らすことにより、入口圧力も出口圧力もアレイにおける一連のチャンバのノズル間で重大な圧力差を生ずるようには変化しなくなる。したがって、プリントヘッドの幅にわたる印字品質の変動は問題にならないレベルまで低減される。

したがって、第２の構成態様において本発明は各チャンバが小滴射出用オリフィス、共通の流体入口マニホルドおよび共通の流体出口マニホルドにつながっている流体チャンバ・アレイ、および流体入口マニホルド内および各チャンバを通って流体出口マニホルド内に流体の流れを生じるための部材からなり、各チャンバを通る該流体流れが流体内に異物が溜まるのを防ぐのに十分であり、ここで各チャンバはチャンバを通る流体流れと同時にオリフィスから小滴を射出する部材と結合し、流体入口・出口マニホルドの流れ抵抗が、流れによるオリフィスでの静圧が２つのチャンバ間での重大な小滴射出特性の差をもたらすよりも少なく変化するように選ばれる小滴堆積装置を提供する。

１つの好ましい配列において、流体入口・出口マニホルドの少なくとも１つの断面積は、２つのチャンバ間で圧力が小滴射出特性に重大な差をもたらすよりも少なく変化する。

チャンバ・アレイは、各チャンバが所定の間隔を持って配列され、２つのチャンバはアレイ内で互いに隣接して置かれ、あるいはアレイ内で互いに離れて置かれる。

アレイは水平に置かれ、流体入口マニホルドはアレイに平行に配置され、その特性は、流体入口マニホルド内の粘性損失による圧力損失率を重力による静圧の増加率に実質的に合わせるように、アレイに平行な方向に変化する。その結果、印字品質が、アレイの頂チャンバと底チャンバ間にあるインク・ヘッド（液位）の差にもかかわらず、アレイの全高さにわたって均一に保たれる。

したがって、第３の構成態様において本発明は、各チャンバがアレイと平行に伸びる共通の流体マニホルドから小滴流体を供給される、水平に置かれた小滴流体チャンバ・アレイ、およびアレイの各チャンバへ流体流れを生じさせるための部材からなり、ここで流体入口マニホルドの特性が、流体マニホルド内の粘性損失による圧力損失率が重力による静圧増加率に実質的に合うように、アレイに平行な方向で変わる。

好ましい配列において、流体入口マニホルドの断面積はチャンバアレイの縦軸に対して垂直な方向に変化する。

装置はチャンバ・アレイ用の共通の流体出口マニホルドを含む。その場合、流体出口マニホルドの断面積は、チャンバアレイの縦軸に対して垂直な方向に変化する。

好ましい配列において、アレイは実質的に垂直に配列されている。こうして、均一な印字品質はＡ３サイズ基板用の垂直プリントヘッドの場合、１２．６インチ（３２ｃｍ）にわたって伸びる。

上記のような装置において、インクは一般にプリントヘッド上方に配列された容器から供給され、プリントヘッド下方に配列された容器に流れ、ここからポンプによって上方容器にもどされる。プリントヘッドがアイドル状態でポンプのスイッチが切られているとき、インクは上方容器からプリントヘッドを経て下方容器に流れるので、プリントヘッドが再作動するとき、上方容器内のインク・レベルは印刷開始前に再設定されなければならない。これはポンプの大きさにより、いくらか時間をとる。

第４の構成態様において、本発明は少なくとも１つのチャンバの上方に位置する第１流体容器およびチャンバ下方に位置する第２流体容器とつながった少なくとも１つの小滴流体チャンバ、第２流体容器から第１流体容器へ流体を運ぶためのポンプおよびポンプが作動していないとき第１流体容器から第２流体容器への流体の流れを阻止するための部材からなる小滴堆積装置を提供する。

本発明者らは上記のようなインク供給システムを確立し、そのシステムにおいて容器は大気に開放され、各容器内の流体レベルの制御はプリントヘッドの動作に決定的である。上方容器は一般にチャンバ入口とオリフィス間のチャンバ部分のインク流れに対する粘性抵抗に打ち勝つのに十分な静圧を与えるように選ばれる。同時に、ノズルでの圧力がインク・メニスカスの表面張力に打ち勝ち、インクをノズルから「滴らせる」（ｗｅｅｐ）ほど大きくてはいけない。実際、ノズルでのわずかな負圧が好ましい。下方容器はチャンバ出口で十分な負圧を働かせてインクを流すようにしなければならない。しかし、上方容器に関してのように、負圧はノズル内のインク・メニスカスを壊すほど大きくしてはいけない。

したがって、好ましい実施態様において、本装置は第１流体容器内の流体レベルに依存してポンプを制御するためのポンプ制御部材を有する。

こうして、第５の構成態様において、本発明は少なくとも１つのチャンバの上方に位置する第１流体容器およびチャンバの下方に位置する第２流体容器につながった少なくとも１つの小滴流体チャンバ、第２流体容器から第１流体容器へ流体を運ぶためのポンプ、および第１流体容器内の流体レベルに依存してポンプを制御するためのポンプ制御部材からなる小滴堆積装置を提供する。

ポンプ制御部材は、第１流体容器内に位置する流体レベルにセンサを有し、該センサからの出力に依存してポンプを制御する。

本装置は、第２流体容器から第１流体容器へ運ばれる流体の温度を制御するための温度制御部材を有する。これにより、インクは最適温度で、したがって周囲温度にかかわらず最適粘度で装置から射出する。

第６の構成態様において、本発明は少なくとも１つのチャンバの上方にある第１流体容器およびチャンバ下方にある第２流体容器とつながった少なくとも１つの小滴流体チャンバ、第２流体容器から第１流体容器に流体を運ぶための部材、および該運ばれた流体の温度を制御するための温度制御部材からなる小滴堆積装置を提供する。

インク温度はプリントヘッドを通り抜けるとき、ヘッドの駆動回路から発せられる熱によって上昇する。したがって、好ましい実施態様では、温度制御部材は第２容器から第１容器に運ばれる流体の温度を下げる部材を含む、これにより、最適温度よりも高温にあるインクはプリントヘッドまで運ばれない。

本装置は、第１流体容器から少なくとも１つの小滴流体チャンバへ流体を運ぶための導管を有し、温度制御部材は該導管内に置かれた温度センサを有し、該センサからの出力に応じて第２流体容器から第１流体容器へ運ばれる流体の温度を制御する。

１つの好ましい配列において、本装置は第１流体容器内の流体レベルが、ある与えられたレベルを越えるとき、第１容器から第２容器へ流体を運ぶための部材を有する。これにより第１容器の「オーバーフロー」を防げる。

したがって第７の構成態様において、本発明は少なくとも１つのチャンバの上方にある第１流体容器およびチャンバ下方にある第２流体容器につながった少なくとも１つの小滴流体チャンバ、第２流体容器から第１流体容器へ流体を運ぶための部材および第１流体容器内の流体レベルが、ある与えられたレベルを越えるとき、第１流体容器から第２流体容器へ流体を運ぶための部材からなる小滴堆積装置を提供する。

第１容器から第２容器へ流体を運ぶための部材は、第１・第２容器間に伸びた導管を有する。

１つの構成態様において、本装置は第２容器に流体を供給するための部材を有し、かつ、第２容器内の流体レベルに応じて第２容器への流体供給を制御するための部材を有する。これにより第２容器はオーバーフローしない。

第８の構成態様において、本発明は少なくとも１つのチャンバの上方にある第１容器およびチャンバ下方にある第２容器につながった少なくとも１つの小滴流体チャンバ、第２容器から第１容器へ流体を運ぶための部材、第２容器へ流体を供給するための部材、および第２容器内の流体レベルに応じて第２容器への流体供給を制御するための部材からなる小滴堆積装置を提供する。

流体供給制御部材は第２容器におかれた流体レベルセンサを有し、該センサからの出力に応じて第２容器への流体供給を制御する。

１つの配列において、本装置は第２容器につながった第３容器、および第２容器内の流体レベルに応じて第３容器から第２容器へ流体を運ぶための部材を有する。

第９の構成態様において、本発明は少なくとも１つのチャンバの上方にある第１容器およびチャンバ下方にある第２容器とつながった少なくとも１つの小滴流体チャンバ、第２容器から第１容器へ流体を運ぶための部材、第２容器とつながった第３容器、および第２容器内の流体レベルに応じて第３容器から第２容器へ流体を運ぶための部材からなる小滴堆積装置を提供する。

本装置は第２容器から少なくとも１つの小滴流体チャンバへ流体を運ぶための部材を有する。

こうして、第１０の構成態様において、本発明は、少なくとも１つのチャンバの上方にある第１容器およびチャンバ下方にある第２容器につながった少なくとも１つの小滴流体チャンバ、第２容器から第１容器へ、および第２容器から少なくとも１つの小滴流体チャンバへ流体を運ぶためのポンプからなる小滴堆積装置を提供する。

好ましい配列において、本装置は第１容器から少なくとも１つのチャンバへ流体を運ぶのを切り替えるための部材を有する。

各チャンバは、それぞれの端を第１・第２容器に接続され、かつ、第１・第２端の中間の点で小滴射出ノズルに接続されたチャネルを有する。

チャネルの回りの流体流れをバイパスするため、チャネルの各端の間に接続された部材を有しうる。

好ましくは、第２容器はその高さに比べて大きな表面積を有し、それにより容器内のヘッド（液深さ）のわずかな変動を伴って流体容積の大きな変化を調整し得る。これにより、チャンバ内に負圧変化を減らし得る。

本発明は、上記のように構成したので、当該液滴堆積装置が駆動している間、当該駆動回路から発生する熱は、常に当該流体導管内を流れるインク流によって吸収されることによりインク温度が適正に制御される事になるので、インク温度が上昇してインクの粘度に変化を及ぼす事が効果的に回避される他、粘性圧力損を改善し、印字品質を良好にすることを可能にした。

以下、図面を用いて本発明を具体的に説明する。

即ち、図２乃至図５は本発明に係る当該液滴堆積装置の基本的な態様の一具体例の構成を説明する図であって、図２は、本発明の具体例に対応するプリントヘッド１０の構成例を示す。図示しているのは「ページ幅」の装置で、紙の１片の幅（矢印１００の方向）に伸びる２列のノズル２０、３０を有し、これにより１回のパスでページの全幅にわたってインクが堆積される。ノズルからのインクの射出はたとえばＥＰ−Ａ−０２７７７０３、ＥＰ−Ａ−０２７８５９０およびさらに詳しくはＵＫ９７１０５３０、９７２１５５５から公知なように、ノズルとつながったチャンバと結合したアクチュエータへ電気信号を送ることにより達成される。製造を簡単にして効率を上げるため、ノズルの「ページ幅」列が多数のモジュールから構成される。そのうちの１つがモジュール４０に示され、各モジュール４０はチャンバおよびアクチュエータと結合し、たとえばフルキシブル回路６０によって駆動回路（集積回路ＩＣ）５０に接続されている。プリントヘッドへ、およびそれからのインク供給は端キャップ９０内の各穴（図示せず）を通して行われる。

図３は図２の端キャップ９０を取り除いたときの後端からみたプリントヘッドの斜視図で、幅方向に伸びる流体入口マニホルド２２０、流体出口マニホルド２１０、２３０と結合したプリントヘッドの支持構造２００を示す。端キャップ９０の１つにおける穴を通して、インクはプリントヘッドおよび矢印２１５に示すように流体入口マニホルド２２０に入る。通路に沿ってインクが流れると、図４に示すように、インクは各チャンバ内に吐出される。流体入口マニホルド２２０からインクは開口部３２０を経てチャンバの第１・第２列（各３００、３１０）に流入する。

次にインクは開口部３３０、３４０を経て流出し、第１・第２インク出口通路である流体マニホルド２１０、２３０に沿ってインク流に合流する。端キャップ内に形成された共通のインク出口（図示せず）で合流し、それらは入口穴が形成されるプリントヘッドの対向端あるいは同一端に位置する。

チャンバの各列３００、３１０はそれぞれ駆動回路３６０、３７０と結合している。これらの駆動回路は流体導管手段として作用する支持構造２００の部分と実質的に熱接触して装着され、流体導管手段は当該インク流の通路を規定し、それによって、当該駆動回路がその作動中に発生した熱の実質的な量を当該支持構造を介してインクに伝達する事を可能にする。
図４に示す様に、当該駆動回路３６０、３７０は、当該流体導管手段の内の流体出口マニホルド２１０、２３０の外壁部と接触している。

このため、支持構造２００は熱をよく伝える性質の物質からなる。そのような物質は、アルミニウムが押出加工によって容易に安価に作られるので特に好ましい。駆動回路３６０、３７０は次に支持構造２００の外面に位置し、熱接触する。熱伝導パッド又は接着剤を駆動回路と支持構造の間の熱交換に対する抵抗を減らすのに用い得る。
又、本発明に於いては、当該流体入口マニホルドに入り、当該アレイに於けるそれぞれの流体チャンバを通って当該流体出口マニホルドに入る流体の流れを発生させる流体流発生手段を設けるものであって、具体的には、図８に示す様なポンプ２０６０を使用する事が可能である。
更に、本発明に於いては、図５に示す様に、流体チャンバは圧電素子物質のベース８６０内に形成されたチャネル１１の形を取り、ＥＰ−Ａ−０２７７７０３に開示されているように電極を伴って塗布されることによりチャネル壁アクチュエータを形成するように、圧電チャネル壁を区切る。各チャネルは半分がカバー６２０の各部分８２０、８３０によって長手６００、６１０に沿って閉じられ、カバー６２０もそれぞれ流体入口マニホルド２２０、流体出口マニホルド２１０、２３０とつながったポート６４０、６５０、６３０を伴って形成されている。

次に、上記した本発明にかかる当該液滴堆積装置に付加されて構成される幾つかの構成態様の例を以下に説明する。
即ち、本発明に係る当該液滴堆積装置に於いて、インクを循環させることによりチャンバを効果的にきれいにするため、特に埃粒子のようなインク内の異物がノズル内に入らずに、ノズルを通過させるため、チャンバを通るインク流量は高く、たとえばチャネルからのインク最大射出量の１０倍高くなければならない。これはインクをチャンバへ、またチャンバから供給する流体マニホルド内の高い流量を要求する。本発明によれば、流体入口および／または流体出口マニホルドはそのような高いインク流量でも、粘性効果によるチャンバ長さに沿う圧力損失が問題ではないようにさせるに十分な断面積を有している。

上に説明したように、どちらか一方あるいは双方の流体マニホルド内の重大な圧力損失は、当該アレイ中の異なるチャンバ間のノズルでの静圧に重大な差をもたらす。これにより、チャンバ間のインク・メニスカスの位置に重大な差が生じ、したがってチャネル間の体積変化および速度変動をもたらす。公知なように、これらの変動は特に印刷される像に依存して印刷欠陥をもたらす。本発明ではマニホルド特性はそのような欠陥を避けるように選ばれている。たとえば、図２〜４のようなプリントヘッドは一般に５０ｐｌ（ピコリットル）の小滴を生じ、この小滴は一般に約６ｋＨｚの最高射出周波数で、３００ナノリットル／秒の各チャンバのノズルを通る流量に相当する。３６０ドット／インチの標準解像度でページ幅印刷（一般に１２．６インチ）を供給するのに必要な４６０４ノズルを積算すると、約８３ｍｌ／分のプリントヘッドのノズルからの最高射出量になる。

図５のプリントヘッドチャンバとノズルをさらに詳細に述べる。流体チャンバは圧電物質のベース８６０内に形成されたチャネル１１の形を取り、ＥＰ−Ａ−０２７７７０３に開示されているように電極を伴って塗布されることによりチャネル壁アクチュエータを形成するように、圧電チャネル壁を区切る。各チャネルは半分がカバー６２０の各部分８２０、８３０によって長手６００、６１０に沿って閉じられ、カバー６２０もそれぞれ流体入口マニホルド２２０、流体出口マニホルド２１０、２３０とつながったポート６４０、６５０、６３０を伴って形成されている。８１０での電極の途切れによって、チャネルの各半分のチャネル壁が電気信号によって独立に作動する。各チャネルのからのインク射出はベースの対向面につながった開口部８４０、８５０を通して行われる。ノズル８７０、８８０は圧電部材に付属したノズル板８９０内に形成される。

信頼性を考慮すると、プリントヘッドを通るインクの循環量が射出量よりも約１０倍程度大きいことを要する。これにより、異物をインク内に閉じ込めてノズル詰まりを減らす。その結果、プリントヘッドを通る全流量は８３０ｍｌ／分のオーダーになる。ノズルからのインク射出は、プリントヘッドに流入するインク量に対して流出するインク量を減らす。しかし、この差は全インク循環量に比べて小さめで、各チャンバを通る流量は実質的に一定と言い得る。

端キャップ９０から離れるにつれて、流体入口マニホルドに沿う流量は、アレイに沿って距離とともに減る。同様に、流体出口マニホルド内の流量はインクを消耗するチャネルの数がふえると、アレイに沿って距離とともにふえる。

アレイ内の異なるチャネルによって印刷された印字品質の重大な変動なく流体入口・出口マニホルド双方で最高流量にするため、流体入口・出口マニホルドはそれぞれ１．６×１０^−４ｍ^２および１．２×１０^−４ｍ^２の断面積をもつ。これにより、流体入口マニホルドの長手にわたって１３６Ｐａのオーダーの全圧力降下を与える。流体出口マニホルドでの圧力降下は１６１Ｐａのオーダーである。最高流量および最大圧力降下は、それぞれ流体入口・出口マニホルドの入口・出口接続部で生じる。実施例では、これらの位置での圧力降下は一連のチャネル間の印字品質の差が重大になるレベルを越えなかった。

図２〜４の配列の利点はさらに、流体マニホルドの実質的に長方形の断面積により、十分な流れ面積を与えることで、基板の横方向（小滴射出方向およびチャネルアレイ方向双方に直交する）にプリントヘッドをより広くさせないことである。

図６は、本発明に係る当該液滴堆積装置に於ける第２実施例の断面図である。図４の第１実施例と同様にプリントヘッドの支持構造９００はヘッドの幅方向に伸びるインク流通路９１０、９２０と合体している。インクはプリントヘッドに入り、９１５で示すようにインク供給通路９２０に入る。通路に沿ってインクが流れると、支持構造９００内に形成された開口部９３０を通って各インク・チャンバ９２５内に吐出される。チャンバを通って流れたインクは開口部９４０、９５０を通って９３５で示すように、インク流通路９１０に沿ってインク流と合流する。

フラットなアルミナ基板９６０は、アルミナ介挿層９７０を介して支持構造９００に装着されている。アルミナ介挿層９７０は約１００μｍ厚みの熱伝導接着剤を使って支持構造９００に結合されるのが好ましい。

駆動回路のＩＣチップ９８０は低密度フレキシブル回路板９８５上に実装されている。プリントヘッドの製造を容易にし、かつ安価にするため、ＩＣチップ９８０を載せる回路板の各部はアルミナ基板９６０の表面に直接実装される。駆動回路の過熱を避けるため、抵抗器９９０のような他の熱発生部品は導管として作用する支持構造９００と実質的に熱伝導接触で実装され、抵抗器９９０によって発生する熱を支持構造９００を通してインクに移させる。

アルミナ基板およびアルミナ介挿層に加え、アルミナ板９９５が支持構造９００の下側に設けられてこの位置で支持構造９００の膨張を制限することにより、熱膨張による支持構造９００の歪みを実質的に防止する。

図７は小滴流体チャンバのリニア・アレイが水平方向に対して、０℃でない角度で配列されている本発明の他の面をさらに説明するものである。明確にするため、チャンバの単一リニア・アレイを矢印１０００で示す。しかし、以下の解析は、図２〜図５に示す単一の流体入口マニホルド１０１０および二つの流体出口マニホルド１０２０の配列に基づいて行う。流体入口マニホルド１０１０には、接続１０３０でインクが供給され、流体出口マニホルド１０２０は、接続１０４０でインクを排出する。

テーパ形状の介挿材１０５０、１０６０がそれぞれ流体入口・出口マニホルド内に設けられ、アレイの頂部で流体入口マニホルドに入るインクは流体マニホルドの一部の断面のみを介挿物によって阻止される。インクが流体入口マニホルドを下へ通るとき、その幾らかはチャネル１０００を通って流体出口マニホルド１０２０へ流れ、アレイの底部に達する時間によって、流体入口マニホルドにはインク流がなく、介挿材は流れのために何の断面も残さない。流体出口マニホルドに達するインクもさらにテーパ形状の介挿材によって底部に向かって増す断面を通って下に流れる。アレイの底部では、全インクが介挿材による大きなスペース内を流れる。

各流体マニホルドにおいて、アレイを下る長さ当たりの粘性圧力降下は各点で流れを利用できる断面を調整することにより、重力による圧力増加に対してバランスされる。チャンバ・アレイの長さをＬ、ノズル列当たりのノズル解像度をｒとすると、図２−５の２列プリントヘッド内の全ノズル数は２ｒＬで、プリントヘッドに対する全インク射出量は２ｒＬＶｆである。ここでＶとｆはそれぞれ、小滴射出の体積と最高周波数である。一方、プリントヘッドを通る全流量は上記のようにクリーニングを考慮することにより射出量よりもｎ倍（典型的には１０倍）大きいことを要する。

図７のテーパ状介挿材は、流体入口マニホルド内での流速を２ｒＶｆｎｘ（ここでｘはアレイ底部からの距離）に従って減らし、各流体出口マニホルド内ではｒＶｆｎ（Ｌ−ｘ）に従って増やす。

一般に長方形断面の流体マニホルドと組み合わせて、当該流体マニホルドは、当該アレイに沿ったそれぞれの位置における当該インク流が利用しえる断面形状を提供する事になる。その際の断面形状は、矩形であり、その寸法は、当該流体入口マニホルド部では、（Ｗ−Ｔ（ｘ））、であり、当該流体出口マニホルドでは、（ｗ−ｔ（ｘ））である。ここで、Ｗは、流体入口マニホルド１０１０の幅、Ｔ（ｘ）は、テーパ状介挿材１０５０の幅であり、又、ｗは、流体出口マニホルド１０２０の幅、ｔ（ｘ）は、テーパ状介挿材１０６０の幅である。

したがって、各マニホルド内の流れの速度Ｖは，アレイに沿って、流体入口マニホルドに対しては２ｒＶｆｎｘ／（Ｗ−Ｔ（ｘ））、そして、流体出口マニホルドに対してはｒＶｆｎ（Ｌ−ｘ）／（ｗ−ｔ（ｘ））のように変化する。

テーパ形状の循環しないチャネルに沿う流れと結合した圧力降下は、流速ｖおよびインク濃度ｐによってＫｐｖ^２／２に従って決まる。ここでＫは、抵抗係数ｆ（ｄｘ）／Ｄで、ｄｘは薄層摩擦係数ｆ＝６４／レイノルズ数をもつパイプの短い長さ、Ｄは水力直径で、長方形断面の場合は、小径の約２倍、すなわち流体入口マニホルドに関しては２（Ｗ−Ｔ（ｘ））であり、流体出口マニホルド関しては２（ｗ−ｔ（ｘ））に等しい。

本発明のこの態様によれば、長さの短要素ｄｘにわたる粘性圧力降下はその長さにわたる重力による静ヘッドの増加とバランスし、ｐｇ（ｄｘ）に等しい。ここでｇは重力加速度である。

このバランスを粘性損失に対して当てはめると、流体入口マニホルドに対して次式のようになる。

（Ｗ−Ｔ）^３＝１６ｎｒｆＶｘμ／ｐｇｄ
また、各流体出口マニホルドに対しては
（ｗ−ｔ）^３＝８ｎｒｆＶ（Ｌ−ｘ）μ／ｐｇｄ
となる。これは流体入口マニホルド内の介挿材がｘ^１/３のように変わるインクに対して通路幅を残すようにテーパ形状になる必要があり、流体出口マニホルド内の介挿材は同様にテーパ状になる必要があるが、アレイの反対側からである。この変化は、実際上達成するのが難しく、特に介挿材が機械加工されるときはそうで、その場合、たとえば一連のくさび形詰め木によって得られる近似の変化が受け入れられる。

図２〜４のような、本発明の第１〜第３の態様に関するプリントヘッドに対する典型的な値は、流体入口マニホルド１０１０の入口端で（Ｗ−Ｔ）＝１．４６ｍｍ、および流体出口マニホルドの各出口端で（ｗ−ｔ）＝１．１６ｍｍである。これらの値はマニホルド深さｄ＝４０ｍｍ、インク濃度ｐ＝９００ｋｇ／ｍ^３、およびインク粘度μ＝０．０１Ｐａ・ｓを前提としている。また、インク射出による２つのマニホルド間のいかなる差も無視し、チャネルを通る流れが実質的に一定であるとしている。

上記発明により、適切に流体マニホルドを用いて、水平に対しいかなる角度に配列されたプリントヘッドのアレイに対しても均一な射出特性が得られる。それは「ページ幅」設計にのみ限定されず、アレイにわたる静圧の変化が大きいという可能性がある場合にもそうである。流れ抵抗の変動が流れエリアにおける変動によって実施例では生じたが、これは唯一のメカニズムではない。上記パラメータの他のもの、特に抵抗係数Ｋはたとえばマニホルド内のコーティングの凹凸によるインク流変動によって変化し得る。さらに、たとえば国際公開第ＷＯ９７／０４９６３号パンフレットから公知のように、この概念は単一アレイ内で一度以上使われ得る。本発明はまた、インク循環をするシステムにのみ限定されない。実質的に一定のインク流は実質的に常時インクを射出している実質的に全インク・チャンバからも得られる。

図８はスルーフロー・プリントヘッド２０１０を使うのに適するインク供給システム２０００を示している。プリントヘッド２０１０は、チャネルが水平にアレイし、ノズル２０２０が下方に向いているが、本システムはすでに説明した非水平配列にも等しく適用できる。

インクはエアフィルタ２０４１を経て大気に開放されている上方容器２０４０からプリントヘッドの中央流体入口マニホルド２０３０に入り、ポンプ２０６０によって下方容器２０５０からインクを供給される。ポンプ２０６０は上方容器内のセンサ２０７０によって、ノズルの面Ｐの上にあるノズルの面Ｐからの一定の高さＨＵに流体レベル２０８０を維持するように制御される。制限器２０９０によって過度の流量が防止されるので、ポンプ循環は自由面２０８０によって作られた圧力を乱さない。フィルタ２０９５によって、特に貯蔵タンクを経てインク供給内に入り得る異物がトラップされる。約５０ｐｌ体積の小滴を射出するプリントヘッドは一般に、８μｍ以上の粒子をトラップするフィルタを要し、それにより約２５μｍの最小外径をもつノズルを詰まらせないようにする。たとえば、いわゆる「マルチパルス」印刷用に使われるより小さな小滴は、より小さなノズル（一般に２０μｍ径）およびより密なフィルタを要する。

下方容器２０５０において、流体レベル３０００はインク貯蔵タンク（図示せず）に接続されたポンプ３０３０を制御するセンサ３０１０によってノズル面Ｐの下にあるノズルの面Ｐからの一定の高さＨＬに保たれる。フィルタ３０２０と制限器３０４０は上方容器の場合と同じ目的に使われる。下方容器２０５０はプリントヘッドの流体出口マニホルド２０３５につながれている。

下方容器により流体出口マニホルドに加えられる負圧とともに、上方容器により流体入口マニホルドに加えられる正圧によって、チャンバ・アレイを通って、ノズルに不適当な圧力を加えることなく異物の滞留を防止するのに十分な流れを生じる。上記のプリントヘッドを使うと、ＨＵが約２８０ｍｍ、ＨＬが３２０ｍｍで、ノズルに約−２００Ｐａの圧力を与える。このようなわずかな負圧によってインク・メニスカスは壊れず、正圧パルスの場合でさえそうである。種々のポンプを制御して自由面レベルを一定に保つ部材がそのような操作に役立つ。

弁３０５０、３０６０がインク供給ラインに配列されている。ポンプ２０６０、３０３０およびセンサ２０７０、３０１０とともにプリントヘッド制御器に電気的に接続され、プリントヘッドの作動中、弁は開いているが、ヘッドが停止すると弁は閉じて上方容器から下方容器へインクが逆流するのを防ぐ。その結果、次にプリントヘッドが作動したとき、印刷が速やかに再開される。逆止弁３０７０がポンプ２０６０への供給ラインに設けられている。

図９ａは図８のインク供給配列の変形を示している。ポンプ２０６０を連続運転させることにより制御回路が簡略化され、容器内の流体レベルが出口レベル４０００を越えるとインクは下方容器にもどる。気密のインク貯蔵タンク４０１０が下方容器２０５０の上方に装着され、供給パイプ４０２０によって接続されている。さらにパイプ４０３０の一端がタンク上部のエアスペース４０４０につながり、他端は所望のインクレベルＡの高さに位置している。下方容器内の実際のインクレベル３０００がレベルＡよりも下がると、パイプ４０３０の前記他端がインクレベルよりも上に現れるので、空気がエアスペース４０４０内に流れ込み、チューブ４０２０を経てタンクからインクが流出して下方容器内に入るので、インクレベルは所定レベルＡにもどる。図８のように、常閉弁と逆止弁により印刷の急速展開が可能になる。

図９ａのより簡略された変形を図９ｂに示す。単一の大径チューブ４０１２が封止容器４０１０と下方容器２０５０の間に伸びている。このチューブはどの部分も水平でなく、好ましくは先端を角度を切られている下端４０１４が下方容器内の流体と接している。インクレベルはこの目的で設定される。まず、スペース４０４０内が真空になるまでインクが封止容器４０１０から流出する。下方容器からインクが少なくなるとチューブの下端４０１４が露出し、空気を封止容器まで流し上げ、そこの真空度合を減らす。次にインクは、真空度合がインクヘッドを保つに十分な以前のレベルまで増すまで封止容器から下に流れる。

図８、９の装置において、プリントヘッドの流体入口マニホルドは上方容器によってインクを供給される。しかし、初期のインク供給は容易でない。第一に、プリントヘッド内の空気が下方に流出させられなければならない。第二に、空気がプリントヘッド内にトラップされ、下方容器内の「サイフォン」効果の設定を妨げる。

インク系から空気をすっかり排出することが正および負の流体圧力を発生させるのに重要で、インク系を空（から）から充填するとき、プリントヘッド・マニホルドおよびチューブから大量の空気を出さなければならない。このため、図１０ａ、１０ｂに示す２つの方法を開発した。これらは一緒に、あるいは単独で使われる。

図１０ａ、１０ｂにおいて、図６のようにプリントヘッド２０１０は単一の流体入口マニホルド２０３０および単一の流体出口マニホルド２０３５をもつように示されている。これらの流体マニホルドはバイパス弁５０１２を有するバイパス５０１０によってつながれている。

通常の印刷の間、インクはエアフィルタ２０４１を経て大気に開放された上方容器２０４０から流体入口マニホルド２０３０に入る。弁５０１２は閉じているので、インクは流体入口マニホルドからチャネルに入り、流体出口マニホルドに入って、下方容器に運ばれる。上方容器はポンプ２０６０によって下方容器２０５０からインクを供給される。図９のシステムのように、ポンプ２０６０は連続運転され、上方容器の流体レベルがレベル４０００を越えた時、下方容器にインクがもどされる。フィルタ２０９５は異物をトラップする。

インクはフィルタ２０９５から２つの位置の１つを選択する転換弁５０００に流れる。転換弁５０００は通常印刷の間、図１０ａの第１位置５００２を取るので、インクは上方容器２０４０に供給される。

プリントヘッドの初期充填の間、弁３０５０は閉じ、転換弁５０００は図１０ｂの第２位置５００４を取る。これにより、プリントヘッドは、ポンプアップされたインクを下方容器の底から充填する。その間、バイパス弁５０１２は開いている。開くと、この弁は流体入口・出口マニホルドを接続パイプの対向端で接続し、チャネルを介さずに、互いにインクと空気を通させる。これは、抵抗がより低い通路なので、より高い流体速度で流体を通し、空気も通過させる。

図８で説明したように、弁３０５０、３０６０はインク供給ラインに配置され、印刷の間開いたままで、弁３０５０は充填操作の間、閉じてインクがプリントヘッドから下方容器内に排出するのを防ぐ。弁３０５０、３０６０は接続パイプの穴と等しい穴を有し、気泡が弁入口に溜まるのを防ぐ。逆止弁も供給ラインに設けられる。

バイパス弁５０１２は上方容器２０４０からプリントヘッドを有効に充填するために用いられる。ポンプ２０６０を運転させ、上方容器を充満させて、弁３０５０を閉じ、バイパス弁５０１２と弁３０６０を開ける。流体はプリントヘッド内に流入し、空気を下方接続パイプ内に圧縮する。これが生じると、弁３０５０は開き、インクの高流量によって空気が排出される。空気がすべて除かれると、バイパス弁は閉じ、プリントヘッドは作動準備に入る。

バイパス弁を使うことの利点は、プリントヘッドが充填の間、ノズルからインクを滴下しないことである。

他の利点は、少量の空気がバイパス弁５０１２を瞬間的に開けることにより、容易に排出されることである。

亦、他の利点は、バイパス弁５０１２を開けてプリントヘッドをつないだ後、チャネルを流れる異物を除くように一掃することである。

さらに他の利点は、供給パイプに結合してバイパス弁５０１２を使うことで、許容できる圧力降下を両立する最小の内部穴を有する。これにより、高い速度が得られ、気泡を下方に運ぶのに便利である。

このシステムは転換弁５０００あるいはバイパス弁５０１２の一方、もしくは双方を用いる。インク温度は、たとえば周囲温度およびプリントヘッド作動条件によって変動する。それにより、インク粘度が変化するので、プリントヘッドから滴下するインク量が変化し、たとえば小滴の大きさの好ましくない変化をもたらす。したがって、インク温度を制御することが望ましい。

図１１は、インク温度調整配置を示す。図１０と同様だが、説明上、転換弁５０００、バイパス５０１０およびバイパス弁５０１２を省いてある。

図１１のシステムは、上方容器２０４０内のインクを加熱するためのヒーター６０００を有する。ヒーター６０００は、たとえば上方容器２０４０を囲むように配置される。その出力は制御器（図示せず）によって制御され、温度センサ６０２０からの出力によって温度指示を受ける。

たとえば周囲温度が１５℃から３０℃に変化するならば、プリントヘッドが最適温度４０℃で作動すると仮定すると、ヒーターはインクを２５℃だけ加熱しなければならない。しかし、プリントヘッドの作動の間、それを通る流体も加熱されるので、インク温度は１０℃上昇する。これにより、下方容器から上方容器に流れる熱が最適温度よりも上がる。したがって、制御可能な冷却用熱交換器６０１０がポンプ２０６０とフィルタ２０９５の間に設けられ、流体温度を下げる。

本明細書および図面に開示された各特徴は、他の特徴とは独立して、本発明の中に含まれる。

たとえば、図８〜１１に開示された特徴は、いかなる適切な配列とも一緒になり得る。また、図１１の加熱・冷却配列は、図８、９のシステム内に用いられ得る。同様に、図１０の下方容器２０５０を用いるプリントヘッド充填用配列は、図８、９のシステム内に用いられ得る。

従来技術によるプリントヘッドの断面図である。 本発明の第１の面による「ページ幅」プリントヘッドの斜視図である。 図２のプリントヘッドの後部および頂部からの斜視図である。 図２、３のプリントヘッドの断面図である。 図１のプリントヘッドのチャネルに沿う断面図である。 本発明の第２実施例のプリントヘッドの断面図である。 本発明のプリントヘッドの概略説明図である。 図１〜７のプリントヘッドに適する流体供給システムの説明図である。 図１〜７のプリントヘッドに適する流体供給システムの説明図である。 図１〜７のプリントヘッドに適する流体供給システムの説明図である。 図１〜７のプリントヘッドに適する流体供給システムの説明図である。

符号の説明

１０： プリントヘッド
２０、３０： ノズル
２２０： 流体入口マニホルド
２１０、２３０： 流体出口マニホルド
９００： 支持構造
９２５： インク・チャンバ
１０００： 単一リニア・アレイ
１０１０： 流体入口マニホルド
１０２０： 流体出口マニホルド
１０５０： 介挿材
２０００： インク供給システム
２０１０： プリントヘッド
２０３０： 流体入口マニホルド
２０３５： 流体出口マニホルド
２０４０： 上方容器
２０５０： 下方容器
４０００： 出口レベル
４０１０： インク貯蔵タンク
５０００： 転換弁
５０１０： バイパス
５０１２： バイパス弁
６０００： ヒーター
６０１０： 冷却用熱交換器

Claims (10)

1. 液滴堆積装置であって、当該液滴堆積装置は、
   複数個の流体チャンバからなるアレイであって、それぞれの流体チャンバは、当該流体チャンバのオリフィスから液滴の噴射を行わせるために電気信号によって駆動可能な駆動手段を有しているアレイと、
   共通の流体入口マニホルドと共通の流体出口マニホルドとを含む流体導管手段と、
   当該流体入口マニホルドに入り、当該アレイに於けるそれぞれの流体チャンバを通って当該流体出口マニホルドに入る流体の流れを発生させる流体流発生手段と、
   当該オリフィスから液滴の噴射を行わせるために当該流体チャンバと関連付けられているアクチュエータ手段及び、
   当該電気信号を供給するための駆動回路手段
   とから構成されており、且つ当該駆動回路手段は、熱的接続状態で当該流体導管手段に搭載されており、それによって、当該駆動回路手段の駆動中に当該駆動回路手段から発生された熱の実質的な量が当該流体導管手段内の当該流体に移動する様に構成されている事を特徴とする液滴堆積装置。
2. 当該アクチュエータ手段は、当該流体の流れがそれぞれの流体チャンバ内を流れる間に当該液滴の噴射を実行する様に駆動可能に構成されている事を特徴とする請求項１に記載の液滴堆積装置。
3. 当該駆動回路手段は、実施的な熱的接続状態で当該流体出口マニホルドに搭載されている事を特徴とする請求項１又は２に記載の液滴堆積装置。
4. 液滴堆積装置は、更に、当該流体導管手段を提供する単一の支持構造体を含んでいる事を特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の液滴堆積装置。
5. 当該流体チャンバからなるアレイは、当該アレイの方向に延展されており、その使用に際しては、当該流体導管手段を通して流れる当該流体の流れは、実質的に当該アレイ方向と平行である事を特徴とする請求項４に記載の液滴堆積装置。
6. 当該流体チャンバからなる当該アレイは、フラットな基板上に搭載されている事を特徴とする請求項５に記載の液滴堆積装置。
7. 当該フラットな基板は実質的にアルミナで構成されている事を特徴とする請求項６に記載の液滴堆積装置。
8. 当該支持構造体は、実質的にアルミニウムで構成されている事を特徴とする請求項６又は７に記載の液滴堆積装置。
9. 当該駆動回路手段は、当該支持構造体に熱伝導性接着材によって接着されている事を特徴とする請求項４に記載の液滴堆積装置。
10. 当該アクチュエータ手段は、圧電素子材料内に形成されたチャネルを含んでいる事を特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載の液滴堆積装置。