JP2905959B2 - 流体噴射装置及び方法 - Google Patents

流体噴射装置及び方法

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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、インク・ジェット・プ
リント、特に、インク・ジェット・プリント・ヘッドか
ら異なる量のインク滴（流体）を噴射する方法及び装置
に関する。
【０００２】従来のドロップ・オン・デマンド型インク
・ジェット・プリント・ヘッドは、典型的には、単一量
のインク滴を噴射する。このインク滴は、プリント媒体
上に、インク・ドットを発生するが、その大きさ（サイ
ズ）は、１ミリメートル当たり１２ドットの如き所定分
解能で、「一様な満たされた状態（ソリッド・フィ
ル）」ができる程度である。単一ドットの大きさのプリ
ントは、ほとんどのテキストや、「写真」画像品質を必
要としないグラフィック・プリントのアプリケーション
に対して充分である。写真画像品質には、通常、高いド
ット分解能や、画像を形成するドットの反射率（即ち、
グレー・スケール）を変調できる能力が必要とされる。
【０００３】単一ドットの大きさのプリントにおいて、
画像領域の平均反射率は、典型的には、「ディザ」の処
理により変調される。このディザでは、所定のドット密
度にてドット配列を選択的にプリントすることにより、
このドット配列の知覚輝度を変調する。例えば、５０パ
ーセントの局部的反射率が望ましいならば、その配列内
の半分のドットがプリントされる。「チェッカー・ボー
ド」パターンは、最も均一に現れる５０パーセント局部
平均反射率となる。多ディザ・パターン・ドット密度
は、反射率レベルの範囲を広くする。２×２のドット配
列では、４つの反射率レベル・パターンが可能である。
８×８のドット配列では、２５６種類の反射率レベルを
発生できる。無数の適切なディザ配列を所定配置でプリ
ント媒体に配分することにより、利用可能なグレー・ス
ケール画像を達成している。
【０００４】しかし、ディザでは、可能な反射率レベル
の数と、これらレベルを達成するのに必要なドット配列
領域との間で妥協している。１ミリメートル当たり１２
ドット（１インチ当たり３００ドット）の分解能のプリ
ンタにおける８×８ドット配列ディザにより、有効グレ
ー・スケール分解能が１ミリメートル当たり１．５ドッ
ト（１インチ当たり７５ドット）に下がる。しかし、か
かるディザ配列パターンによりプリントしたグレー・ス
ケール画像は、画像品質が良くない。
【０００５】ディザの代わりとしては、インク・ドット
の大きさを変調する方法があるが、これは、インク・ジ
ェット・ヘッドが噴射する各インク滴の量を制御する必
要がある。インク・ドットの大きさの変調（以下、「グ
レー・スケール・プリント」という）は、ディザが必要
ないので、完全にプリンタの分解能を維持する。さら
に、グレー・スケール・プリントにより、より大きな有
効プリント分解能が得られる。例えば、１ミリメートル
当たり１２ドット（１インチ当たり３００ドット）の分
解能で２つのドットの大きさでプリントした画像は、２
ドット・ディザ配列で１ミリメートル当たり２４ドット
（１インチ当たり６００ドット）の分解能の１ドットの
大きさによりプリントした同じ画像よりも一層鮮明であ
る。
【０００６】インク・ジェット・プリンタ・ヘッドから
噴射したインク滴の量を変調する装置及び方法が以前か
ら知られている。１９７６年３月２３日に発行された米
国特許第３９４６３９８号「書込み流体及び滴投影手段
による記録方法及び装置」では、インク滴の量が可変の
ドロップ・オン・デマンド型インク・ジェット・ヘッド
を開示しており、圧電セラミック・トランスジューサ
（変換器：以下「ＰＺＴ」という）によりインク圧力室
内に発生した圧力パルスに応答して、インク滴を噴射す
る。インク滴量の変調には、各圧力パルスを発生するた
めにＰＺＴに供給する電気波形エネルギーの量を変化さ
せる必要がある。しかし、インク滴量を変化させると、
インク滴の噴射速度も変化して、インク滴が間違った位
置に到達する点に留意されたい。よって、一定のインク
滴量が、画像品質を維持する方法とされている。さら
に、インク滴噴射レートは、１秒間当たり約３０００ド
ットに制限されており、このレートは、典型的なプリン
ト速度条件に比較して遅い。
【０００７】１９８３年７月１２日に発行された米国特
許第４３９３３８４号「インク・プリント・ヘッド小滴
噴射技術」は、改良されたＰＺＴ駆動波形を開示してお
り、この駆動波形が、インク・ジェット・オリフィス内
に位置するインク・メニスカスとの相互作用に時を合わ
せた圧力パルスを発生して、インク滴量を変調する。イ
ンク・メニスカス及びプリント・ヘッドが共振するのを
避けるように、そして極端な負圧力の可動域（エクスカ
ーション：excursion ）を防ぐように、駆動波形を整形
するので、高いインク滴噴射レートと、早いインク滴噴
射速度と、改善された精度のインク滴到達位置とを達成
できる。この技術により、インク滴量と噴射速度とを独
立に制御できる。
【０００８】しかし、この小滴噴射技術は、直径がオリ
フィスの直径以上のインク滴が得られるのみである。オ
リフィス直径のインク滴は、プリント媒体への衝突を平
らにして、オリフィス直径よりも大きいドットを形成す
る。ソリッド・フィル・プリントでは、プリンタの分解
能で接線方向に離れた間隔で、最大量のインク滴の連続
的な流れを噴射する必要がある。したがって、１ミリメ
ートル当たり１２ドットの分解能のプリンタにおいて、
最大ドットは、直径が約１１８ミクロンでなければなら
ない。グレー・スケールのプリントが必要ならば、オリ
フィス直径よりもいくらか大きな直径に制限するのに、
小さなドットが必要である。明らかに、２５ミクロンに
近いオリフィス直径が必要であるが、これは、製造には
非現実的で、詰まり易い直径である。
【０００９】１９９２年６月２３日に発行され、本願出
願人に譲渡された米国特許第５１２４７１６号「ドロッ
プ・オン・デマンド型インク・ジェット・プリント・ヘ
ッドを用いた大きさ可変のインク滴によるプリント方法
及び装置」と、１９８７年１月２７日発行の米国特許第
４６３９７３５号「液体ジェト・ヘッド駆動装置」と
は、インク・ジェットのオリフィス直径よりも小さなイ
ンク滴を噴射するのに適した回路及びＰＺＴ駆動波形を
開示している。しかし、各インク滴の噴射速度はその量
に比例しており、残念なことに、この量により、インク
滴の到達位置にエラーが生じる。
【００１０】１９９２年６月３日に出願され、本願出願
人に譲渡された米国特許出願第０７／８９２４９４号
「電界を用いたドロップ・オン・デマンド型インク・ジ
ェット・プリント・ヘッドによるプリント方法及び装
置」は、インク滴の噴射速度の補償を開示している。時
間的に変化しない電界が、インク滴の量に反比例してこ
のインク滴を加速するので、噴射速度の差による影響が
減る。電界動作の他の観点では、インク・メニスカスが
オリフィスから膨張するのに充分であるが、インク滴噴
射には不十分な波形がＰＺＴを駆動する。電界は、膨張
したメニスカスからのインクの細いフィラメント（糸状
体）を引きつけて、オリフィス直径よりも小さなインク
滴を形成する。残念なことに、この電界は、プリンタを
複雑にし、高価にし、潜在的に危険とし、埃を引き寄
せ、信頼性をなくす。
【００１１】インク滴の量を変調する他の方法は１９８
８年５月２４日に発行された米国特許第４７４６９３５
号「多トーン・インク・ジェット・プリンタ及び動作方
法」に開示されている。この米国特許は、オリフィスの
大きさが多数で、各大きさが特定のインク滴量の噴射に
最適なインク・ジェット・プリント・ヘッドを開示して
いる。もちろん、かかるプリント・ヘッドは、少なくと
も２倍の数のジェットを有する単一オリフィス・サイズ
のプリント・ヘッドよりも非常に複雑であり、最小のイ
ンク滴量を発生するのに非常に小さなオリフィスが必要
である。
【００１２】１９８５年３月５日に発行された米国特許
第４５０３４４４号「高速熱インク・ジェット・プリン
タによるグレー・スケールの発生方法及び装置」や、１
９８５年４月２３日発行の米国特許第４５１３２９９号
「多数のパルス共振インク滴噴射によるスポット・サイ
ズの変調」や、１９８５年発行のＳＩＤダイジェストの
第３２１及び３２２頁に記載のイー・ピー・フォファ著
「ドロップ・オン・デマンド型インク・ジェット技術に
おけるスポット・サイズ変調」は、夫々、多パルスＰＺ
Ｔ駆動波形を用いて、飛行中に一緒になる所定数の小さ
なインク滴を噴射して、単一の大きなインク滴を形成す
ることを開示している。この技術は、インク滴噴射速度
が一定であるという利点があるが、インク・ジェット・
ヘッドのオリフィス直径よりも非常に大きなインク滴を
本来形成する。
【００１３】明らかに、インク・ジェットのインク滴の
形成及び噴射を管理する物理法則は、複雑に相互に関連
している。よって、１９８８年３月８日に発行された米
国特許第４７３０１９７号「インパルス・インク・ジェ
ット・システム」は、インク・ジェットの幾何学的特
徴、ＰＺＴ駆動波形、メニスカス共振、圧力室共振、及
びインク滴噴射特性の間の多くの相互作用について説明
すると共に、特徴つけている。特に、多オリフィス・プ
リント・ヘッドにおいて、ジェット間のクロストーク
が、インク滴量の均一性に影響を与えるので、「ダミー
・チャンネル」及び柔軟性のある室壁を設けて、クロス
トークの影響を最小にする。プリント・ヘッド及び流体
共振を左右するＰＺＴ駆動波形補償技術により、１０キ
ロヘルツのインク滴噴射レートを達成する。しかし、こ
の技術は、インク滴量を均一にしようとしているので、
得られるインク滴の直径は、オリフィスの直径とほぼ同
じである。この従来特許は、インク滴量の変調を認識し
ていないし、グレー・スケール・プリントを目的として
いない。
【００１４】１９９２年１２月８日に発行され、本願出
願人に譲渡された米国特許第５１７０１７７号「インク
・ジェットを動作させて、高品質のプリント及び高速プ
リントを達成する方法」では、特別なエネルギー分布の
ＰＺＴ駆動波形により、支配的なインク・ジェット・ヘ
ッド共振周波数を最小にすることを開示している。よっ
て、一定のインク滴量及び噴射速度が、広範囲のインク
滴繰り返しレートにわたって得られる。しかし、同様
に、米国特許第４７３０１９７号が、均一で最適なイン
ク滴量を開示しており、その結果得られたインク滴直径
は、オリフィス直径とほぼ同じである。また、この特許
は、インク滴量の変調を認識していないし、グレー・ス
ケールのプリントにも注意を払っていない。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】よって、性能を犠牲に
することなく、高分解能グレー・スケールのプリントが
できる簡単で、安価なインク・ジェット・プリント・ヘ
ッド・システムが必要とされている。この必要性は、本
発明の装置及び方法に一致する。
【００１６】したがって、本発明の目的の１つは、オリ
フィスの大きさよりも小さくできる制御可能な大きさの
インク滴を高い繰り返しレートで発生できるグレー・ス
ケール・インク・ジェットのプリント方法を提供するこ
とである。
【００１７】本発明の他の目的は、従来のインク・ジェ
ット・ヘッドを駆動して、その性能及び出力生成物の分
解能を改善する方法を提供することである。
【００１８】本発明の更に他の目的は、大形のインク・
ジェット・オリフィスを製造する際の確実さ及び簡単さ
から、小形のインク・ジェット・オリフィスの性能を得
る装置及び方法を提供することである。
【００１９】本発明の他の目的は、ディザ、電界、多く
のジェット及び／又はオリフィスの大きさを必要とせず
に、高分解能のグレー・スケール・インク・ジェット・
プリント装置及び方法を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】本発明によるインク・ジ
ェット装置及び方法は、多くのＰＺＴ駆動波形を与え
て、高分解能のグレー・スケール・プリントを行う。な
お、ＰＺＴ駆動波形の各々は、インク・ジェット・プリ
ント・ヘッドのオリフィスの異なるモーダル（modal）
共振を励起するスペクトラム・エネルギー分布を有す
る。所望の発振モードに関連した周波数でスペクトラム
・エネルギーが集中し、所望モードと競合して他の発振
モードにおけるエネルギーを抑圧する無関係又は寄生周
波数を避けた特定の駆動波形を選択することにより、噴
射されたインク滴の直径は、選択したメニスカス表面の
発振モードの中央エクスカーション（excursion ）の大
きさに比例する。高いオーダーの発振モードの中央エク
スカーションの大きさは、オリフィス直径よりも非常に
小さいので、インク滴の噴射がオリフィス直径よりも小
さくなる。特定のオリフィス直径が必要ないので、従来
のオリフィス製造技術を使用できる。従来と異なる小さ
なオリフィスを必要としないので、噴射性能が改善さ
れ、また、汚染物質がインク・ジェット・オリフィスに
詰まる可能性が低下するという利点がある。
【００２１】他の利点として、本発明は、噴射繰り返し
レートの広い範囲にわたってほぼ同じ噴射速度において
噴射インク滴量を選択できる。
【００２２】
【実施例】本発明の他の目的及び利点は、添付図を参照
した以下の説明より理解できよう。図１は、本発明を用
いるのに適する多オリフィス・インク・ジェット・プリ
ント・ヘッドの一部であるインク・ジェット１０の断面
図である。インク・ジェット１０は、インク多岐管（マ
ニフォルド）１２の境界を定める本体を具えており、こ
のインク多岐管１２を介して、インクがインク・ジェッ
ト・プリント・ヘッドに供給される。本体は、インク滴
形成オリフィス１４と、インク多岐管１２からオリフィ
ス１４へのインク流経路との境界を定める。一般的に、
インク・ジェット・プリント・ヘッドは、インク滴をプ
リント媒体（図示せず）にプリントするのに用いるた
め、互いに密接に離間したオリフィス１４の配列を好ま
しくは含んでいる。
【００２３】典型的なインク・ジェット・プリント・ヘ
ッドは、黒と減算混合の３原色プリントに用いる黒、シ
アン、マゼンタ及びイエロのインクを受ける少なくとも
４個の多岐管を具えている。しかし、かかる多岐管の数
は、プリントを黒インク単独で行うか、色の全範囲未満
で行うかにより、変化する。インクは、多岐管１２か
ら、入口ポート１６、入口チャンネル（溝）１８、圧力
室ポート２０を介してインク圧力室２２に流れる。イン
クは、オフセット・チャンネル・ポート２４を介して、
圧力室２２を離れ、更に、オプションのオフセット室２
６及び出力チャンネル２８を介してノズル１４に流れ
る。このノズル１４からインク滴が噴射される。オフセ
ット・チャンネル２６を除くと、噴射性能が改善され
る。
【００２４】インク圧力室２２は、フレキシブル隔壁
（ダイアフラム）３０が一方の側部となる。ＰＺＴの如
き電気機械トランスジューサ３２は、適切な接着剤で隔
壁３０に固定され、インク圧力室２２に被さる。従来形
式では、トランスジューサ３２は、金属フィルム層３４
を具えており、この金属フィルム層に電気トランスジュ
ーサ駆動器が電気的に接続される。他の形式のトランス
ジューサを用いてもよいが、電圧が金属フィルム層３４
に供給されると、トランスジューサ３２がその形を変化
しようとするような曲がりモードでトランスジューサ３
２が動作する。しかし、トランスジューサ３２は確実且
つ堅固に隔壁３０に取り付けられているので、トランス
ジューサ３２が曲がると、隔壁３０が変形する。よっ
て、インク圧力室２２にインクを供給すると、インクは
通路２６を介してノズル１４に流れる。インク滴が噴射
された後、トランスジューサ３２が逆に曲がり、隔壁３
０も付随的に動くので、インク圧力室２２にインクが再
び供給される。
【００２５】本発明に利用可能なインク・ジェット・プ
リント・ヘッドの製造を容易にするために、好ましく
は、ステンレス・スチールの如き多くの薄板（薄いプレ
ート）又はシートによりインク・ジェット１０を形成す
る。これらシートを重ね関係で積み重ねる。図１の本発
明の実施例において、これらシート又は板は、隔壁３０
と多岐管１２の一部とを形成する隔壁板４０と；インク
圧力室２２と多岐管１２の一部との境界を定めるインク
圧力室板４２と；入口ポート１６及び圧力室ポート２０
の境界を定め、インク圧力室２２の一方の側部に接し、
出口チャンネル・ポート２４の一部の境界を定める分離
板４４と；入口チャンネル１８と出口チャンネル・ポー
ト２４の一部との境界を定める入口チャンネル板４６
と；出口チャンネル・ポート２４の一部を特定する他の
分離板４８と；出口オフセット・チャンネル２６の境界
を定めるオフセット・チャンネル板５０と；出口チャン
ネル２８の一部の境界を定める分離板５２と；出口チャ
ンネル２８の一部の境界を定める出口板５４と、インク
・ジェットのオリフィス１４の境界を定めるオリフィス
板５６とを含んでいる。
【００２６】図示したものよりも多いか又は少ない板
（プレート）を用いて、インク・ジェット・プリント・
ヘッドの種々のインク流れ経路、多岐管及び圧力室の境
界を定めてもよい。例えば、多数の板を用いて、図１に
示した単一板の代わりに、インク圧力室の境界を定めて
もよい。また、種々の機能の総てに対して、分離した金
属のシート又は層は必要ない。例えば、（化学的エッチ
ングを製造に用いるならば）化学的に金属をエッチング
するためにテンプレートとして用いるホトレジスト内の
パターンは、金属シートの各側部上で異なる。よって、
一層特定した例として、インク入口経路用のパターンを
金属シートの一方の側部上に配置できる一方、圧力室用
のパターンを他の側部にて前から後ろへのレジストレー
ションに配置できる。よって、注意深く制御したエッチ
ングにより、分離したインク入口経路と層を含む圧力室
とを、１つの共通層に組み合わせることができる。
【００２７】組立コストを最小にするために、オリフィ
ス板５６を除いて、インク・ジェット・プリント・ヘッ
ドの総ての金属層を、金属シートに対する比較的安価な
従来の光パターン及びエッチング過程を用いて組立がで
きるようにする。機械加工又は他の金属加工過程は不要
である。オリフィス板５６は、任意の数の過程を用いて
適切に作るが、これらの過程には、硫化ニッケルのバス
による電鋳処理、３００シリーズのステンレス・スチー
ルにおける微小放電機械加工、３００シリーズのステン
レス・スチールにおける打ち抜きがある。最後の２つの
アプローチは、オリフィス自体を除いて、オリフィス板
５６の総ての特徴を光パターン処理及びエッチングする
のに用いる。他の適切なアプローチは、オリフィスに穴
をあけ、標準ブランキング処理を用いて、オリフィス板
に残す任意の特徴を形成する。
【００２８】表１は、図１のインク・ジェットの許容寸
法である。用いる実際の寸法は、インク・ジェット配列
の機能と、特定のアプリケーションに対するパッケージ
とにより決まる。例えば、オリフィス板５６内のオリフ
ィス１４のオリフィス直径は、約２５ミクロンから約１
５０ミクロンの間で可変できる。
【表１】
【００２９】本発明のインク・ジェット・プリント・ヘ
ッド用に選択した電気機械変換機構は、エポキシにより
隔壁板４０に接着されたセラミック・ディスク・トラン
スジューサを具えており、ディスクの各々は、各インク
圧力室２２の中心に位置する。この形式のトランスジュ
ーサ機構にとって、ほぼ円の形で電気機械効率が最高で
あり、所定領域に配置されるピエゾセラミック要素の体
積に関連する。
【００３０】図１に示す如きインク・ジェット・ヘッド
から、制御可能な量のインク滴を噴射するには、トラン
スジューサ・ドライバ３６から多数の選択可能な駆動波
形をトランスジューサ３２に供給する必要がある。トラ
ンスジューサ３２は、インク内に圧力波を誘導すること
により、選択された波形に応答する。この圧力波は、オ
リフィス１４内で、インク表面メニスカスにて、インク
流体の流れ共振を励起する。各選択した波形により、異
なる共振モードを励起し、各共振モードに応答して異な
る量のインク滴を噴射する。
【００３１】図２Ａ、２Ｂ及び２Ｃは、図１のプリント
・ヘッドのオリフィス部分の拡大断面図である。メニス
カス６２を有するインク・コラム（柱）６０がオリフィ
ス１４内に位置している。図２Ａ、２Ｂ及び２Ｃにおい
てモード（形状）０、１及び２と夫々なっている３つの
動作モードにて、メニスカス６２が励起される。図２Ｃ
は、高いオーダの発振モードのメニスカス表面の中央可
動域（エクスカーション）Ｃe を示している。以下の理
論的説明において、本発明の原理は非筒のオリフィス形
状にも等しく適用できるが、オリフィス１４は筒と仮定
する。
【００３２】オリフィス１４内で励起された特定モード
は、内部オリフィスの流れと、メニスカス面の力学との
組合せにより管理される。オリフィス１４が筒なので、
内部及びメニスカス表面の力学は、共に、制御流体力学
方程式のベッセル関数形式の解法に記載されたモード
で、メニスカス６２を発振させるように作用する。
【００３３】図２Ａは、動作モード０を示す。これは、
オリフィス１４の壁６４内のインク・コラム６０の容積
前方変位に対応する。従来は、インク・ジェット及び駆
動波形がモード０の動作を基本にしていた。壁６４に関
連したインク表面の張力及び粘性境界層の影響により、
メニスカス６２は、高いオーダ・モードの欠如を示す形
の丸くなった特性となる。モード０の自然な共振周波数
は、インク・ジェット内側のインクの圧力と相互作用す
るインクの集合の容積の動きにより（即ち、ヘルムホル
ツ発振器のように）、主に決まる。総て図１に示すチャ
ンネル１８、２６、２８、多岐管１２、部品１６、２
０、２２及び圧力室２２の如く、流体的に結合した種々
のインク・ジェットの要素の幾何学的寸法は、オリフィ
ス発振モードと相互作用する不要又は寄生共振周波数を
避けるように設定される。
【００３４】したがって、インク滴の量の変調に適する
ように駆動波形を設定するには、オリフィス及びメニス
カス・システム要素の自然周波数（他に影響されず、そ
れ自体が有する固有の共振周波数）を知ることが更に必
要である。よって、所望モードの自然周波数付近の周波
数にエネルギーを集中させ、他のモードの自然周波数
や、所望モードのエネルギーと競合する不要又は寄生共
振周波数で、エネルギーを抑圧するように波形を設定で
きる。これら不要及び寄生共振周波数は、インク滴の大
きさやインク滴の速度、又はオリフィスから噴射された
インク滴がプリント媒体に到達するのにかかる時間に限
定されないが、これらを含んだいくつかの事項におい
て、インク・ジェット・オリフィスからのインク滴の噴
射に不利な影響を与える。
【００３５】インク・メニスカス表面力学は、代表的な
オリフィス内の流体圧力流の解析により、モデル化す
る。以下に示す方程式は、流体力学及び境界条件を制御
する。制御方程式は、
【数１】 中心線境界の条件は、
【数２】 壁の外の境界条件は、
【数３】 底部の境界条件は、
【数４】 自由面境界条件は、
【数５】
【００３６】時間をラプラス変換し、変数を２つの空間
次元ｚ及びｒに分離して解法を得る。なお、ｚは軸方向
の距離であり、ｒはオリフィス１４内の半径（ラジア
ル）方向の距離である。半径方向の解法は、第１種のベ
ッセル関数である。
【数６】
【００３７】境界条件を一致させると、許容できるモデ
ル発振周波数が求まる。
【数７】
【数８】
【数９】
【数１０】 なお、Ｋ1 ＝３．８３２、Ｋ2 ＝７．０１６、Ｋ3 ＝１
０．１７４、ｈ＝０．１〜２．０（０．２ステップ）、
σ＝２５、ρ＝０．８５、Ｒ＝０．００３８センチメー
トルである。
【００３８】図３は、典型的なインク・ジェットの寸法
に対して、オリフィスのアスペクト比の関数である計算
したモード１、２及び３の周波数を示す。最も一般的な
オリフィスのアスペクト比に対して、モード１、２及び
３の周波数は、夫々３０、６５及び１２０キロヘルツで
ある。モード３については、図２に示していない。
【００３９】図４は、図３に示すモード１、２及び３に
対応する計算したラジアル・モード形状をグラフ的に示
す。データは、次式を用いて計算する。
【数１１】 なお、Ｊ0 は、第１種及び０番目のオーダのベッセル関
数である。
【００４０】上述の分析は、オリフィスにおける粘性の
動きの影響を無視した基本的な表面モードを示す。粘性
オリフィスの流れを考慮すると、モード形用の簡略化し
た制御式は次のようになる。
【数１２】
【００４１】周波数ω＝２πｆの周期駆動圧力波を仮定
すると、次の複素ベッセル微分方程式を計算することに
より、ラジアル・モード形Ｒを決定する。
【数１３】
【００４２】図５Ａ〜５Ｆは、種々の周波数でのモード
形の得た実数成分及び虚数成分をグラフ的に示す。いく
つかの注意すべき現象を列記する。１）１及び２０キロ
ヘルツ間の１次応答の位相シフト、２）２０キロヘルツ
以上の実数の応答におけるオーバーシュート、３）３５
キロヘルツ以上の実数及び虚数の両方の応答における中
央モード。
【００４３】内部及び表面力学の独立した解析により、
ドット量変調を行うのに用いるオリフィスの流れモード
を確認する。図６及び図７は、米国ニューメキシコ州ロ
ス・アラモスのフロー・サイエンス社製フロー３Ｄコン
ピュータ化流体力学ソフトウェアを用いて作成したナビ
ェ・ストークスのシミュレーションである。これら図６
及び図７は、それぞれモード０及び２を励起するトラン
スジューサ駆動波形に応答して生じたオリフィスの流れ
及びインク滴の構成を示す。図６Ｂは、モード２の励起
がインク噴射コラム９０を発生し、その直径が図７Ａ及
び７Ｂに示すモード２のインク噴射コラム９２よりも非
常に大きいことを示す。図６Ｂは、直径がオリフィス１
４とほぼ等しい大きさのインク滴９４を形成する状態を
示している。図７Ｂは、オリフィス１４から大きなイン
ク滴を噴射するには充分でない量で、残ったモード０の
エネルギーを表す膨張したメニスカス９６を示す。
【００４４】上述の原理を、図１のインク・ジェットの
実施に適用する。図８Ａ、８Ｂ及び８Ｃは、トランスジ
ューサ・ドライバ３６（図１）が発生した典型的な電気
波形を示す。これら波形では、異なるモードの各々の周
波数範囲内にエネルギーが集中する一方、他の競合モー
ドでは、エネルギーが抑圧される。
【００４５】図８Ａは、モード０を励起するのに適する
２極波形１００を示す。波形１００では、＋２５ボルト
で７マイクロ秒のパルス成分１０２と、−２５ボルトで
７マイクロ秒のパルス成分１０４と、これらパルス成分
を分離する８マイクロ秒の待ち期間１０６とから構成さ
れる。パルス成分１０２及び１０４の総ての立上り時間
及び立下り時間は、３マイクロ秒である。波形１００に
より、モード０で発生したインク滴がオリフィス１４か
ら噴射する。
【００４６】図８Ｂは、モード１を励起するのに適する
２重パルス波形１１０を示す。波形１１０は、８マイク
ロ秒の待ち期間１１６で分離され、＋４０ボルトで１０
マイクロ秒の１対のパルス成分１１２及び１１４を有す
る。パルス成分１１２及び１１４の総ての立上り時間及
び立下り時間は、４マイクロ秒である。波形１１０によ
り、モード０のインク滴の３分の１の量のモード１のイ
ンク滴を、オリフィス１４から噴射させる。このモード
１のインク滴は、プリント媒体に、モード０のプリント
・ドットの約６０パーセントの直径のドットをプリント
する。
【００４７】図８Ｃは、モード２を励起するのに適する
３重パルス波形１２０を示す。波形１２０は、６マイク
ロ秒の待ち期間１２８で分離され、＋４５ボルトで５マ
イクロ秒の３個のパルス成分１２２、１２４及び１２６
を有する。パルス成分１２２、１２４及び１２６の総て
の立上り時間及び立下り時間は、４マイクロ秒である。
波形１２０により、モード０のインク滴の６分の１の量
のモード２のインク滴を、オリフィス１４から噴射させ
る。このモード２のインク滴は、プリント媒体に、モー
ド０のプリント・ドットの約４０パーセントの直径のド
ットをプリントする。
【００４８】図９Ａ、９Ｂ及び９Ｃは、波形１００、１
１０及び１２０の夫々の時間領域のスペクトラム・エネ
ルギーの分布を示す。特に、図９Ａは、モード０を励起
するのに必要な１８キロヘルツ以上の周波数に集中して
いる波形１００のエネルギーを示す。図９Ｂは、３２キ
ロヘルツ付近に集中している波形１１０のエネルギーを
示すが、この周波数はモード１を励起するのに必要であ
る。しかし、波形１１０のエネルギーは、約１８キロヘ
ルツで最小となり、モード０の励起を抑圧する。図９Ｃ
は、５０キロヘルツ付近に集中している波形１２０のエ
ネルギーを示すが、この周波数はモード２を励起するの
に必要である。しかし、波形１２０のエネルギーは、約
１８キロヘルツ及び約３５キロヘルツで最小となり、モ
ード０及び１の励起を抑圧する。
【００４９】図１０は、図８の波形１００、１１０及び
１２０を発生するのに適するトランスジューサ・ドライ
バ３６（図１）を表す装置のブロック図である。任意の
適切な波形発生器を使用できる。波形発生器１５０は、
電圧増幅器１５２に電気的に接続される。この電圧増幅
器１５２は、トランスジューサ３２の金属フィルム層３
４を駆動するのに適する出力信号を発生する。
【００５０】図１１Ａ、１１Ｂ及び１１Ｃは、インク・
ジェット１０のオリフィス１４からモード０のインク滴
１７０を発生する際の時間経過を示し、実際のインク滴
のビデオ・スチールフレーム画像を写真撮影して求めた
ものである。図１１Ａは、オリフィス１４から出てきて
インク滴１７０に発達し始め、その直径がオリフィス１
４で決まるモード０の容積の流れ１７２を示す。図１１
Ｂは、尾１７４を生じるにつれ、オリフィス１４に引っ
込む容積の流れを示す。図１１Ｃは、ほぼ発達した大き
なインク滴１７０と、オリフィス１４から取れ始めた尾
１７４とを示す。この実際のモード０のインク滴の発達
状態は、図６Ａ、６Ｂ及び６Ｃに示したシミュレーショ
ンのモード０のインク滴の発達状態にほぼ匹敵する。
【００５１】図１２Ａ、１２Ｂ及び１２Ｃは、インク・
ジェット１０のオリフィス１４からモード１のインク滴
１８０を発生する際の時間経過を示し、実際のインク滴
のビデオ・スチールフレーム画像を写真撮影して求めた
ものである。図１２Ａは、オリフィス１４から出てきて
図１２Ｃのインク滴１８０に発達し始め、その直径がオ
リフィス１４より小さいモード１の流れ１８２を示す。
図１２Ｂは、尾１８６を生じるにつれ、オリフィス１４
から現れるオリフィス直径の膨らみ１８４を示す。この
膨らみ１８４は、モード０の残りのエネルギーの存在を
示す。図１２Ｃは、ほぼ発達したモード１のインク滴１
８０と、膨らみ１８４から取れ始めた尾１８６とを示
す。図７を参照して説明した如く、膨らみ１８４にエネ
ルギーは、大きなインク滴を形成するには不充分であ
る。
【００５２】図１３Ａ、１３Ｂ及び１３Ｃは、インク・
ジェット１０のオリフィス１４から、図１３Ｃのモード
２のインク滴１９０を発生する際の時間経過を示し、実
際のインク滴のビデオ・スチールフレーム画像を写真撮
影して求めたものである。図１３Ａは、オリフィス１４
から出てきてインク滴１９０に発達し始め、その直径が
オリフィス１４より小さいモード２の流れ１９２を示
す。モード２の流れ１９２の直径は、モード１の流れ１
８２よりも小さく、これは、高いオーダのモードの励起
エネルギーの存在を示している。図１３Ｂは、尾１９４
を生じるにつれ、オリフィス１４から再び出てくるオリ
フィス直径の膨らみ１８４を示す。再び、膨らみ１８４
の存在は、モード０の残余エネルギーの存在を示す。図
１３Ｃは、ほぼ発達したモード２のインク滴１７０と、
膨らみ１８４から取れ始めた尾１９４とを示す。モード
１のインク滴形成と同様な方法では、大きなインク滴を
形成するには、膨らみ１８４のエネルギーは不充分であ
る。この実際のモード２のインク滴の発達状態は、図７
Ａ及び７Ｂに示したシミュレーションのモード２のイン
ク滴の発達状態にほぼ匹敵する。
【００５３】表２は、インク滴量、プリント・ドットの
大きさ、遷移時間（オリフィス１４から約０．８１ミリ
メートル離れたプリント媒体までの時間）及びインク滴
噴射速度を比較した実験データを示す。
【表２】
【００５４】異なるインク滴の大きさに対する遷移時間
は、ほぼ同じであり、等価な速度を生じるのに充分な初
期運動エネルギーを有する異なる大きさのインク滴を発
生できる点を証明している。インク滴の速度を充分にし
て、インク滴の到達の精度及び高品質のドット形成を確
実にする。
【００５５】実験データを集めて得られた予期せぬ結果
では、インク滴の量及びインク滴の噴射速度が相対的に
独立している。好適な増幅による駆動波形１００、１１
０及び１２０の振幅変化は、インク滴の量を変えること
なく、インク滴の噴射速度を変化させる。この結果によ
り、異なるインク滴量の噴射速度を一致させるのに有用
な調整の程度が判る。インク滴の量を決める際にモード
の形の支配的な役割も立証される。
【００５６】表２のデータは、２キロヘルツのインク滴
繰り返しレートで駆動される図１のインク・ジェット１
０を用いて集めたものである。インク・ジェット１０
は、カラー・イメージ配列プリント・ヘッドの単一の代
表的なジェトである。インク・ジェット１０の直径は表
１に示すが、これは、本発明が用いるのに適する典型的
なＰＺＴ駆動インク・ジェット・プリント・ヘッドの代
表例である。
【００５７】１０キロヘルツに近づいたインク滴の繰り
返しレートは、より最適化したインク・ジェットの設計
により可能となる。かかるインク・ジェットの設計は、
インク滴量の変調に必要なオリフィス共振モードの励起
の要求に近い内部共振周波数を除去しなければならな
い。インク滴量の変調は、適切に最適化したインク・ジ
ェットの設計により達成することができ、少なくとも約
２０キロヘルツ程度の高いインク滴繰り返しレートでの
汎用プリント目的を満足する。
【００５８】本発明の別の実施例では、例えば、種々の
色の水性及び相変化インクに限定されないが、これらイ
ンクを含んだ種々の流体形式の噴射にも適用できる。
【００５９】同様に、本発明が上述したモード１、２及
び３よりも高いモードを励起するのに有用であり、筒状
オリフィス内のこれらモードを励起するのに限定されな
いことが、当業者には理解できよう。
【００６０】波形１００、１１０及び１２０以外も所望
の結果を得ることができる。また、所望オリフィスの幾
何学状態、流体形式、トランスジューサ形式での特定オ
リフィス共振モードを励起する波形を整形しながら、ス
ペクトラム・アナライザを用いて、得たエネルギー・ス
ペクトラムを観察してもよいことが、当業者には理解で
きよう。
【００６１】改善された画像品質及びインク滴到達精度
を達成するために、ディザや、電界インク滴加速などの
種々の従来技術と組み合わせるのに、本発明は有用であ
る。
【００６２】要約すれば、本発明は、多くの流体ジェト
駆動機構に適用できると共に、適切なオリフィス及びそ
の流体メニスカス表面に必要な駆動波形エネルギー分布
を行える。
【００６３】上述は、本発明の好適な実施例について説
明したが、本発明の要旨を逸脱することなく種々の変形
変更が可能である。例えば、上述のＰＺＴ曲がりモード
形式以外の電気機械トランスジューサを用いることもで
きる。切り取りモード、環状抑制、電気ひずみ、磁界、
磁歪などのトランスジューサも適切に利用できる。同様
に、トランスジューサを駆動する電気エネルギー波形の
観点から上述したが、音響又はマイクロ波エネルギーに
限定されるものではないが、これらを含んだ任意の他の
エネルギーを用いてトランスジューサを励起できる。ま
た、電気波形を用いる場合、単極又は双極の対又はグル
ープのパルスにより、同様に波形を形成できる。よっ
て、本発明は、インク・ジェット・プリンタ以外の流体
インク滴の大きさを変調するアプリケーションにも適用
できる。
【００６４】
【発明の効果】上述の如く本発明によれば、単一のイン
ク・ジェット・ヘッドを用い、このオリフィスの大きさ
よりも小さく、制御可能な大きさのインク滴を、高い繰
り返しレートで発生できる。。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いる典型的なインク・ジェット配列
プリント・ヘッド内のＰＺＴ駆動インク・ジェットの断
面図である。
【図２】図１のプリント・ヘッドのオリフィス部分の拡
大断面図である。
【図３】オリフィスのアスペクト比に対するメニスカス
面の波形モード周波数を示す図である。
【図４】オリフィスの半径方向の距離とモード数との関
数としての数式的にモデル化したメニスカス面波モード
の偏差を表す図である。
【図５】１、１０、２０、３５、５０及び１００キロヘ
ルツの励起周波数に対する内部慣性及び粘性オリフィス
速度モード形状を表す図である。
【図６】オリフィスに形成されｔモード０のインク滴を
異なる時点でコンピュータでシミュレーションした図で
ある。
【図７】オリフィスに形成されｔモード１のインク滴を
異なる時点でコンピュータでシミュレーションした図で
ある。
【図８】本発明により、多い、中位及び少ない量のイン
ク滴を発生するのに用いるＰＺＴ駆動波形の電圧及び時
間の関係を示す波形図である。
【図９】図８に示すＰＺＴ駆動波形の周波数を関数とし
たスペクトラム・エネルギーを示す図である。
【図１０】ＰＺＴ駆動波形を発生するのに用いる装置の
ブロック図である。
【図１１】本発明により、オリフィスから噴射される多
量のインク滴の時間経過に伴った拡大図である。
【図１２】本発明により、オリフィスから噴射される中
位の量のインク滴の時間経過に伴った拡大図である。
【図１３】本発明により、オリフィスから噴射される少
量のインク滴の時間経過に伴った拡大図である。
【符号の説明】
１０ インク・ジェット １２ 多岐管 １４ インク滴形成オリフィス １６ 入口ポート １８ 入口チャンネル ２０ 圧力室ポート ２２ 圧力室 ２４ オフセット・チャンネル・ポート ２６ オフセット室 ２８ 出力チャンネル ３０ フレキシブル隔壁 ３２ 電気機械トランスジューサ ３４ 金属フィルム層 ３６ トランスジューサ・ドライバ ４０ 隔壁板 ４２ インク圧力室板 ４４ 分離板 ４６ 入口チャンネル板 ４８ 分離板 ５０ オフセット・チャンネル板 ５２ 分離板 ５４ 出口板 ５６ オリフィス板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ディビッド・エー・テンス アメリカ合衆国オレゴン州97070 ウィ ルソンビル ローズ・レーン 29945 ナンバー・セブンティー・シックス (72)発明者 ヒュー・ピー・リ アメリカ合衆国オレゴン州97077 ビー バートン サウス・ウェスト ヘンダー ソン・コート 16567 (72)発明者 ロナルド・エル・アダムス アメリカ合衆国オレゴン州97132 ニュ ーバーグ ノース・イースト アールウ ッド・ロード 7260 (72)発明者 ジョン・シー・マトン アメリカ合衆国オレゴン州97267 ポー トランド サウス・イースト リバー・ ロード 18330 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B41J 2/015 B41J 2/205

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 オリフィスから流体を噴射する装置であ
    って、 上記オリフィスに結合し、上記オリフィスに上記流体の
    メニスカスを形成させる圧力室と、 トランスジューサを作動させるエネルギーを発生するト
    ランスジューサ・ドライバとを具え、該トランスジューサ・ドライバは、上記トランスジュー
    サを作動させる第１エネルギーを発生し、該第１エネル
    ギーのスペクトラム・エネルギー分布に応じて、第１中
    央可動域を有する上記メニスカスを励起させて、直径が
    上記オリフィスの直径よりも小さい上記流体の第１滴を
    第１噴射速度で上記オリフィスから噴射し、 上記流体の第１滴を噴射した後、上記トランスジューサ
    ・ドライバは、上記トランスジューサを作動させる第２
    エネルギーを発生し、該第２エネルギーのスペクトラム
    ・エネルギー分布に応じて、第２中央可動域を有する上
    記メニスカスを励起させて、直径が上記流体の第１滴と
    異なる上記流体の第２滴を、上記第１噴射速度とほぼ等
    しい第２噴射速度で上記オリフィスから噴射することを
    特徴とする流 体噴射装置。
  2. 【請求項２】 オリフィスから流体を噴射する方法であ
    って、 上記オリフィスにメニスカスを形成し、 第１エネルギーを発生し、該第１エネルギーに応じて、
    第１中央可動域を有する上記メニスカスを励起させ、 上記第１エネルギーを整形して、上記メニスカスを充分
    に励起し、第１直径の上記流体の第１滴を第１噴射速度
    で上記オリフィスから噴射し、 第２エネルギーを発生し、該第２エネルギーに応じて、
    第２中央可動域を有する上記メニスカスを励起させ、 上記第２エネルギーを整形して、上記メニスカスを充分
    に励起し、上記第１直径と異なる第２直径の上記流体の
    第２滴を、上記第１噴射速度とほぼ等しい第２噴射速度
    で上記オリフィスから噴射する ことを特徴とする流体噴
    射方法。
  3. 【請求項３】 流体インク・ジェット・プリンタのオリ
    フィスから噴射されるインク滴の直径を制御する方法で
    あって、 （ａ）トランスジューサにより上記流体インクに伝える
    エネルギーの形状を選択して、上記インクに圧力波を供
    給し、上記オリフィス内で対応するインク表面メニスカ
    スにて、上記インクの流れに共振を励起するステップ
    と、 （ｂ）上記エネルギーの形状の選択に応じた各共振に応
    答して、上記オリフィスから流体インク滴を噴射するス
    テップとを具え、 上記インク滴の各々は、上記共振の各々に応答して、ほ
    ぼ等しい噴射速度であるが、異なる直径のインク滴とし
    て噴射され、 上記インク滴の直径の少なくとも１つは上記オリフィス
    の直径よりも小さいことを特徴とするインク滴の直径の
    制御方法。
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