JPH0323347B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、非同期的な定容積型小滴インク噴出
プリンタに関し、特にかかるインク噴出プリンタ
用の交換可能なプリントヘツド及びインク供給装
置に関する。

〔従来技術〕

定容積型のインク噴出プリンタは、“定流量”
型インク噴出プリンタの必要条件とは別に又これ
に加えて、特別のインク供給条件を有する。放出
されたインクを補充する再供給機構が単に毛管作
用だけなので、インク供給圧力は、プリントヘツ
ドノズルで生じさせることのできる毛管作用の範
囲内でなければならない。好ましい供給圧力は、
僅かに負であり、多分水柱１〜２センチメーター
ぐらいである。この型のインク供給装置は、米国
特許第3708798号：第3747120号：第3832597号：
及び第3852773号に論じられている。

かかるインク噴出プリンタに対する他の重要な
基準は、上述した低圧条件に帰因する。低い静水
供給圧力をもたらすためインク溜めは、代表的に
はプリントヘツドに直接接続されているので、こ
の装置は、慣性力によりプリントヘツドあるいは
供給管路の運動で生じた、圧力サージ（pressure
surges）を受けやすい。又定容積型インク噴出プ
リンタの通常の構成は、同一のインク供給体に接
続された多数の小滴噴出装置を有しなければなら
ない。従つて個々の噴出装置を独立して作動させ
ることができるようにこれらを互いに隔離するこ
とが必要になる。これは、或る先行技術の装置に
おいては、供給管路の中の圧力サージを吸収しプ
リントヘツドにおいて個々の噴出装置を融離する
ために部分的に空気で満たされたパルストラツプ
室の使用によつて成されている。例えば米国特許
第3708798号参照。或いは先行技術の装置におい
ては、積極的に作動されるバルブが使用されてバ
ルブに対する作動力をもたらす圧力サージそれ自
体を有することによつて、圧力サージの影響を最
小にする。例えば米国特許3852773号参照。更に
他の先行技術の装置においては、圧力吸収機構が
単一のインク噴出エゼクタのめに使用され、その
結果自己発生の共振が最小になり装置の有用な範
囲がより高い小滴噴出速度まで広がる。例えば米
国特許第3832579号参照。

実質的にすべてのインク噴出プリンタ装置は、
インク供給装置あるいはプリントヘツドの中に空
気あるいはガスがないとき、最も良く機能する。
この条件は、気泡が流体の非圧縮特性を妨害し、
定容積機構の適正な働きを妨げるので、定容積型
のプリンタには特にきびしい。いくつかの装置で
は、気泡がプリントヘツドに到達する前に、気泡
をためるための室が設けられている。例えば、米
国特許第3708798号及び第3805276号参照。或る装
置では、空気及びガスが、インク供給体を使用す
る前に、インク供給体から除去される。米国特許
第3346869号参照。

多くの先行技術のインク噴出プリンタ装置が有
する他の問題は、インク噴出プリンタ装置を、
各々プリントヘツドについて独自に調製すること
である。これは欠陥のあるプリントヘツドを素早
く取り替えることを困難にし且つ高価にする。イ
ンク噴出プリントヘツドを取り替えるたびに、装
置を再調整するだけではなく、取り替え工程中に
装置に侵入してたまつた空気をすべてインク供給
管路から流し出さねばならない。

上記の問題、即ちインク供給体の中に適正な圧
力を維持すること、種々のプリントヘツドノズル
に対してインク供給体を隔離すること、気泡を除
去すること、そして更にプリントヘツドを交換可
能にすることは、インク供給体と、インク供給体
と連通する非同時的な定容積型小滴噴出プリント
ヘツドとを有し、プリントヘツドがプリントヘツ
ドと記録媒体との間に相対運動を行うキヤリジに
取り付けられる型式の本発明の改良されたインク
噴出プリンタにより解決される。

〔発明の構成〕

本発明は、ピエゾ電気結晶体に電気信号パルス
を印加して圧力室の容積を変化させ、ノズルから
インク滴を噴射する方式のインクジエツトプリン
タのプリントヘツドにおいて、前記ピエゾ結晶体
を絶縁材で被覆したことを特徴とするインクジエ
ツトプリンタのプリントヘツドを有する。

好ましい態様のプリントヘツドは、インク小滴
の噴出を生ぜしめるため駆動結晶体を含んでい
る。プリントヘツドは、プリントヘツドを損傷か
ら保護する殻形の容器の中に収容されている。駆
動結晶体は、絶縁材料の薄い層で被覆されてお
り、そして防音材の比較的厚い層が、絶縁材料の
薄い層の上に付けてある。殻形のハウジング構造
体は２つに半分に分けられており、そしてこの２
つの半部は、プリントヘツドの両側面上に互いに
圧接されて防音材とともにプリントヘツドを囲
む。防音材は、駆動結晶体、プリントヘツド及び
殻形構造体と物理的な密着をするが、駆動結晶体
の作動を妨げない。

好ましい態様では、プリントヘツドのインクの
流量を計量するために、圧力感知器及びバルブが
プリントヘツドの中に一体に組み込れている。圧
力感知器は、パルストラツプ室の中の流体圧力の
変化を検出し、そして圧力が、プリントヘツドの
ノズルで発生させることのできる最大毛管圧力よ
り小さい、所定レベル以下に減少するとき、バル
ブを作動してインクをパルストラツプ室へ流れさ
せる。このバルブは、プリントヘツドの個々の小
滴噴出室へインクを供給する、プリントヘツドの
パルストラツプ室の中の流体圧力を実質的に一定
に維持する。インク源それ自身はより高い圧力で
あり、そして外部のポンプあるいはばねを必要と
せずに、それ自身の圧力を弾力作用で供給する収
縮可能な弾力性の袋を含んでいる。インク供給装
置の各構成要素、即ち高い圧力源、連結管路およ
びプリントヘツドは、モジユール設計のものであ
り、他の構成要素から容易に分離される。連結装
置は、装置の構成要素を接続あるいは分離すると
き、空気が装置に全然侵入せず、またインクを外
部に漏らさないような装置である。

圧力感知器及びバルブ制御装置は、インクの容
積が可成り取り出されるのに伴つて弾性力が小さ
くなると、高い圧力源の圧力の変化を自動的に補
償する。高い圧力源が空になつたとき、制御装置
は、プリンターを止める信号を発し、それによつ
て空気が、不充分なインク供給のために、ノズル
に侵入するのを阻止する。

〔発明の目的〕

本発明は、プリントヘツドを確実にかつ安定に
作動させることを目的とする。

〔実施例〕

本発明の前述の及び他の目的、特徴及び利点
は、添付図面に関連した、本発明の或る好ましい
態様についての以下の詳細な説明を参照すれば、
一層容易に理解されるだろう。

今、特に第１Ａ図及び第１Ｂ図を参照すると、
これらの図には本発明のプリントヘツド装置のイ
ンク供給カートリツジが示してある。インク供給
装置はインクカートリツジ受け１０およびインク
を収容している使い捨てインクカートリツジ１２
を有する。インクカートリツジ１２は、しばし
ば、おそらくプリント装置の寿命までに300回取
り換えられるだろうから、インクカートリツジ受
け１０は、インクの漏れ又は気泡の侵入を阻止し
且つインクの濾過をするように構成されなければ
ならない。カートリツジ受け１０その基本構造と
して、インクカートリツジ１２を受け入れるため
の外側に開口端をもつた円筒型受け口１４を備え
ている。受け口１４の閉鎖端をもつた頚部１５に
は、円筒形の栓１６があり、その中心に、中空針
１８の針先が設けられ、注射針１８は、受け口１
４の長さ方向軸線と一線をなして受け口１４の中
へ延びている。中空針１８は針先において栓１６
の下の中空空間２０を通じ、この空間は、フイル
タ２２で半分に分割されている。フイルタ２２の
他の側における空間２０の一部は出口管２４と連
通している。

栓１６を囲む受け口１４の頚部は中空であり、
そして、この頚部には、栓１６より上に円筒形の
栓２６が摺動自在に嵌めてある。圧縮ばね２８は
固定の栓１６と摺動可能な栓２６との間の空間に
位置していて栓２６を、第１Ａ図でみて上方に付
勢している。ばね２８は、栓１６の上面にある円
形肩部３０のまわりに位置している。注射針１８
は栓１６から上方に廷びる隆起部３２にしつかり
と装置されている。摺動可能な栓２６には弾性体
シール３４が同軸的に設けられ、その結果、針１
８がこれを貫通するようになつている。栓２６
は、受け口１４の内部において、受け口１４がイ
ンクカートリツジ１２の外径部を受け入れるよう
に外方に拡がる個所に設けられた突出肩３８と合
う上部環状凹部３６を有している。環状凹部８６
と肩部８８は、ばね２８が摺動可能な栓２６を受
け口の頚部１５の頂から押し出すのを阻止するス
トツプとして働く。

操作に際し、インクカートリツジを第１Ｂ図に
示すごとく取り外すとき栓２６はばね２８で押し
あげられ、その結果シール３４が中空針１８の端
をおおいこれによつて中空針１８をふさいで出口
管２４に連結されたプリントヘツドからのインク
の損失を阻止し、且つプリントヘツドへの空気の
浸入を阻止する。

インクカートリツジ１２は、出張つた環状の断
続形（途切れ途切れの）肩部４２を有する下部頚
部４０を備えている。受け口１４の突出した肩部
３８もその円周において断続即ち途切れ途切れに
なつており、その結果、インクカートリツジ１２
はず頚部４０でもつてカートリツジ受け１０の中
に差し込み、次にインクカートリツジの肩部４２
が受け口の肩部３８と係合するまでねじり、それ
によつてインクカートリツジを受け口の中に固定
する。

インクカートリツジ１２は２つの機能をもつて
いる。即ち、これらの機能は、インクを大気から
完全に隔離して貯えることと、プリント中パルス
トラツプ圧力をその所定値に維持することができ
るように、インクを十分な圧力の下にインク供給
装置からプリントヘツドのパルストラツプ室６８
へ送り出すことである。

第１Ａ図に最も良く示してあるように、インク
カートリツジの下部頚部４０は、弾力性のインク
収容袋（bladder）４８の内部に通じている通路
４６の喉部に装着された弾性体隔壁（セプタム）
４４を包含する。インクカートリツジ１２を受け
口１４に差し込んで固定するとき、頚部４０の下
面が栓２６をばね２８の作用に抗して押し上げ、
これによつてシール３４を注射針１８に沿つて下
方へ摺動させる。同時に注射針１８の針先が隔壁
４４につきささつてこれを貫通し中空空間２０と
袋４８の内部とを連通させる。

インクカートリツジ１２を受け口１４から取り
外すときにシール３４および隔壁４４によつてイ
ンクがインク収容袋４８から漏れ出すのを阻止
し、同時に針１８をシール３４でおおうことによ
り、装置への空気の導入及び針からのインクの漏
れを阻止する。フイルタ２２はインク中の異物の
通過を阻止するばかりでなく、装置の中へ気泡が
通るのを阻止する。フイルタ２２は、例えば、気
孔の大きさ５ミクロンの直径２cmのものが良い。

フイルタ２２と栓１６とにより形成される中空
空間２０の内径、及びフイルタ２２のメツシユの
有効開口面積は第１図に示すごとく、出口管２４
及びインクカートリツジ１２内の通路４６よりも
大きい。故に、フイルタ２２による流路抵抗は少
なく、インク収容袋４８のインクは安定して導出
される。

インクが空のとき、インク収容袋４８は、該袋
４８の中に位置し頚部４０から上方に突出するサ
ンシヨンロツド５０によつて緊張状態に保持され
ている。取り扱いを容易にするために、インク収
容袋４８は中空シエル５２の中に入れられてい
る。インク収容袋４８は、代表的には、例えばブ
チルゴムで作られる。というのは、ブチルゴムは
低いガス及び蒸気伝達特性を持つているからであ
る。隔壁４４は、例えばシリコンゴムで作られ
る。というのはかかるゴムがすぐれた密閉特性を
有しているためである。

カートリツジ１２にインクを入れるために、中
空針をまず隔壁４４を通して差し込み、そして袋
の内部に残つている空気をすべて排出する。しか
るのち袋の中に注入すべきインクをまず、真空及
び加熱法で脱気し、それから圧力下でつぶれた袋
の中へ注入する。袋に、脱気及びガス抜き去れた
インクを容量まで満たしたとき、残つている空気
をすべて、中空の充填針で抜き出し、それから中
空の充填針を引き抜く。かくしてカートリツジ１
４を、プリンタ用の、自己加圧形の空気のない使
い捨てインク源として使うことができる。この実
施態様に適したカートリツジは、大体0.5気圧の
圧力で50〜100立方センチメートルのインクを容
れることができ、約６百万字を充分印刷すること
ができる。

インクがカートリツジ１４から出ていくにつれ
て、インクの内部圧力は、第６図の曲線５４は示
されるように変わつていく。第６図に、“締切り
点”として示されている圧力曲線上の点があり、
その点を越えると容器即ちインクカートリツジ１
２は、プリントヘツドへ装置を通してインクを流
さない。その点において、カートリツジ１２を取
り外し、捨てて、新しいカートリツジを取り付け
ねばならない。圧力が、以下に詳細に述べる制御
装置に予定されている、前もつて決められた最小
値以下に下がるので、少量のインク、おそらく全
容積の10％ぐらいのインクは回収されない。袋が
最初に、テンシヨンロツド５０により緊張状態に
あるという事実のために、この最小値圧力におい
て袋の中にあるインクの量はわずかである。

今、特に第２図から第４図までを参照すると、
本装置のプリントヘツド５６が、詳細に描かれて
いる。プリントヘツド５６は、上面にセラミツク
製のカバースリツプ６０をもつたセラミツク製の
基板５８を有し、このカバースリツプ６０は、
別々のノズル６６および頚部６４と連通している
多数のインク噴出室６２を閉鎖するように基板５
８に接着されている。たつた一組のインク噴出
室、頚部、及びノズルだけが、破線で示されてい
るけれども、これは残りの６組を代表しているが
理解されよう。食刻された室を有している基板５
８と違つて、カバースリツプ６０は、たつた二つ
の開口部、即ちパルストラツプ室６８を構成する
大きい開口部とバルブ開口部７０を有する。基板
５８およびカバースリツプ６０の各々は感光性ガ
ラス、例えば、米国、コーニンググラス コーポ
レーシヨンの商品名である。“フオトセラム”等
で作られるのが良い。７つのピエゾ電気結晶体７
１−７７が、カバースリツト６０の上でこれに導
電性ペイント等を用いて接着させてある。ピエゾ
電気結晶体７１−７７の下面は、絶縁性のカバー
スリツプ６０の面上にスクリーン印刷された導電
性電気回路パターンに接着され導通し共通のアー
ス電位を形成している。一方該結晶体７１−７７
の各末端の上面側は、それぞれ前記導電性電気回
路パターンの各ターミナルと公知の接続方法、例
えばワイヤボンデイング等によつて接触されてい
る。

基板５８の下側にインク供給連結用受け部の取
り付け体７８があり、これは基板５８の開口部７
０（第３図）に着されている。チユーブ８０（第
８図）の一端はインク供給体即ちカートリツジ１
２の出口管２４に連結されていて、他端はプリン
トヘツド基板と一体をなす取り付け体７８に連結
する。取り付け体７８に連結するチユーブ８０の
端は中空針１８′を備え、この中空針１８′はチユ
ーブ８０の接続時に取り付け体７８の中に収容さ
れている隔壁４４′を貫通する。チユーブ８０を
取り外すとき、中空針１８′は、隔壁４４′を通し
て引き抜かれ、そして隔壁４４′は穴を再び閉じ
プリントヘツドへの空気の侵入及びプリントヘツ
ドからのインク漏れを完全に阻止する。カバース
リツプ６０の上にはパルストラツプ室６８の開口
部及びバルブ開口部７０が開口していて、これら
開口部はダイヤフラム８４によつて閉止されてい
る。ダイヤフラム８４は、好ましくは、サラン
プラスチツク（ミシガン量州ミドランドのダウケ
ミカル社の商標）のような可撓性材料で作られ
る。ダイヤフラム８４は、パルストラツプ室６８
の上壁を形成する。好ましくはステンレススチー
ル製である圧力調製用フレーム８６が、ダイヤフ
ラム８４の上に横たわつている。フレーム８６
は、一般的には、ダイヤフラム８４の輪郭に一致
する輪郭に作られるかつ有利である。というの
は、フレーム８６とダイヤフラム８４の両方がバ
ルブ開口部７０のみならずパルストラツプ室６８
をも覆い密封するからである。フレーム８６は、
基板５８の開口部７０に対応する部分に打抜き開
口を有し、更に長い舌状片即ちビーム８８を形成
するようにＵ字形に切られたもう１つの開口部を
有する。ビーム８８は、その両側を上向きに折つ
て、長いモーメントアームを有するチヤンネルを
作るように形成される。ビーム８８の上向きの運
動は、フレーム８６に取り付けられたバー８９で
制限される。超過圧力保護用バー８９は、ステン
レススチール合金で作られ、フレーム８６に点溶
接されている。ビーム８８がフレーム８６に連結
しているビーム８８の基部には、その点のひずみ
を測るのに役立つストレーンゲージ９０がある。
該ストレーンゲージ９０に近接してフレーム８６
に取り付けられた第２のストレーンゲージ９２
は、温度補正の基準となる。

今、説明されるように、ストレーンゲージ９０
はパルストラツプ室６８の中の圧力を感知する。
インクが圧力のもとにパルストラツプ室６８へ流
れると、インクは、ダイヤフラム８４及びその上
のビーム８８を上昇させる。ビーム８８が上昇す
ると、パルストラツプ室６８の圧力を電気的に示
すのに役立つストレーンゲージ９０に、ひずみを
生じさせる。第２のストレーンゲージ９２からの
信号は、温度補正の基準信号として使われ、単に
ストレーンゲージの温度変化で生じたいかなる見
せかけの信号をも相殺する。ストレーンゲージ９
０が、圧力変化に相当するひずみを示しとき、ス
トレーンゲージ９０は電気信号を発生する。この
電気信号は、以下に詳細に説明されているよう
に、感知された圧力に関係してゲートバルブを開
かせる。ゲートバルブは、開口部７０を通るイン
クの流量を調節する。装置を適確に機能させ、最
良のインク流量制御を提供するために、プリント
ヘツドにインクを供給するゲートバルブは、いく
つかの厳しい基準を満足しなければならない。ゲ
ートバルブは、素早く作用し、そして閉じられた
とき、漏れを完全に阻止しなければならない。ゲ
ートバルブを横切る圧力降下はたいへん小さく、
そしてバルブの動きをそれ自体は極端に小さい。
第２図及び第３図に示されているバルブの構造
は、密封力を容易に調節するようなピエゾ電気作
動形片持ち梁を使用して、こられの基準を達成す
る。ゲートバルブは、バルブビーム９６に取り付
けられたガラスの半球のプラグ９４、ダイヤフラ
ム８４およびバルブシール８２から成る。シール
８２の真下にバルブシート９８があり、バルブオ
リフイス１００は、このバルブシート９８を貫通
している。バルブシート９８は、インク注入口取
付け体７８に含まれている。好ましくは、このシ
ートは、ルビーのような極端に堅い、耐食性材料
で作られる。バルブシール８２は、好ましくはシ
リコンゴムのような比較的柔らかい材料で作ら
れ、バルブの運動に順応する可撓性ダイヤフラム
８４に取り付けられている。この柔らかいバルブ
シール８２は、非常に小さな力でインクの漏れを
完全に阻止する。又バルブシート９８は、接触面
の小さいそしてバルブシート８２を切断する恐れ
のあるシヤープなコーナをもたないように構成さ
れている。

ガラス半球のプラグ９４は、可撓性ダイヤフラ
ム８４の頂に位置している。この半球９４は、バ
ルブビーム９０とバルブシート９８との間の僅か
な回転不整列にも順応する。ガラス半球に及ぼさ
れる小さな上向きの力は、バルブを開き、そして
小さな下向きの力は、バルブを閉じる。シート９
８とシート８２の表面が、不完全状態ではなく、
正しく整列していれば、開閉力は１グラム程度で
ある。バルブオリフイスは小さい（約0.02cm）か
ら、バルブ要素はすべて小さくかつ質量も小さく
迅速な作動を容易に達成する。

開閉力は、金属のベースフレームの突出舌状片
１０２に接着されたピエゾ電気結晶体１０４から
成る、片持ち梁状のバルブビーム９６で提供され
る。舌状片１０２は、ガラス半球のプラグ９４を
収容するための直径の小さい穴を有している。バ
ルブが組み立てられるとき、プラグ９４はエポキ
シでビームに接着されている。バルブシール８２
及びダイヤフラム８４が透明なので、フレーム８
６の穴を通してみることにより、バルブシート９
８を視覚で検査することができる。

電圧をピエゾ電気結晶体１０４にかけると、片
持ち梁状のバルブビーム９６の曲りが変化し、そ
してプラグ９４が取り付けられているバルブビー
ム９６の端は上昇し、バルブを開く。電圧を取り
除くとバルブはその通常の閉位置にもどる。プラ
グ９４をバルブシール８２から上昇させると、オ
リフイス１００からダイヤフラム８４の下のパル
ストラツプ室６８の中へインク円流すことができ
る。好ましくはバルブビーム９６は、各端が基板
５８に直接取り付けられているステンレススチー
ルの反動プレートである。ビーム９６は、バルブ
から最も遠いバルブビームの端に、基板５８に関
してばねヒンジのような作用する湾曲した弾力性
部分９７を有する。バルブ調節ねじ１０１が、ビ
ーム９６にねじ込まれていて、バルブビーム９６
の反対側の端の垂直位置をバルブシール８２に関
し調節できるように、カバースリツプ６０を当た
つている。これにより、通常の閉位置におけるバ
ルブの密封力を調整することができる。調節ねじ
１０１からフレーム８６の回転点までの距離は、
バルブシール８２から回転点までの距離よりはる
かに大きく、調節の敏感な手段を提供する。調節
ねじ１０１は、１インチにつき80のねじを有し回
転点からバルブシール８２までの距離の約３倍遠
くに位置しているのが有利である。従つて調節ね
じ１０１を一回転させる毎に、バルブは約0.01cm
動く。フレーム８６の端にある湾曲したばねルー
プをなす弾力性部分９７は、調節ねじ１０１とプ
リントヘツドの本体との接触を確実にし、フレー
ム８６の要求されていない運動を阻止する。フレ
ーム８６は、0.012cmの厚さのスチールで作られ
ており、そしてピエゾ電気結晶体１０４も同じ厚
さである。バルブビーム９６の片持ち梁の長さが
0.8cmであれば、端を0.02cmたわませることがで
きる。要求される運動は、ほんの0.002cmである
ので、調節ねじ１０１を締め付けると、バルブビ
ーム９６はその通常の閉じた位置において0.018
cmたわみ、数グラムの閉じる力を提供することが
できる。第２図に示されるように、片持ちの梁の
固定端を、バルブオリフイルスからみて回転点の
反対側に構成することによつて、バルブビーム全
体的な一層コンパクトに作られる。

バルブ制御回路の機能は、パルストラツプ室６
８の圧力を調整することであり、その結果インク
は、印刷速度、温度、インクの粘度及び他の装置
パラメータに関係なく、一定の圧力状態で駆動結
晶体の作用で圧力室に供給される。印刷中インク
がノズル６６から噴出されるとき、ノズルの毛管
力が、パルストラツプ室６８からインクを引き出
して噴出されたインクに代わる。

パルストラツプ室６８の容量のこの減少で圧力
が僅かに下がり、そして圧力感知用バルブビーム
９６を下方に引き、少し抵抗を増しているストレ
ーンゲージ９０のひずみを増大させる。この圧力
感知装置は、非常に敏感でまた精密であり、水柱
0.01インチあるいは大体２／100000気圧程度の圧
力変化に応答することができる。この装置は、圧
力感知用ビーム９６の運動を制限する超過圧力保
護用バー８９によつて、大体水柱±10cmあるい
は、約１／100気圧に相当している過剰な圧力に
よる損傷から保護される。１気圧位の過剰圧力
を、この装置を傷めることなしに短時間加えるこ
とができる。

今、特に第５図を参照すると、バルブ用の制御
システムが描けれている。大体５ボルトの基準電
圧が、ストレーンゲージに加えられており、スト
レーンゲージは、第５図に示されているブリツジ
回路１０６の一方の側として、直列に電気接続さ
れているブリツジ回路の他方の側は、２つの基準
抵抗１０８，１１０及び中間の調節ポテンシヨメ
ータ１１２の直列接続によつて作られ、このポテ
ンシヨメータ１１２は、パルストラツプ室６８に
正味の圧力がなく従つて圧力感知用ビーム９６が
たわんでいないとき、ブリツジをバランスさせる
ようにセツトされている（圧力変化による）ブリ
ツジ回路のいかなるアンバランスも、ポテンシヨ
メータ１１２の可動接点とストレーンゲージ９０
及び９２の共通の接続点との間に差信号としあら
われ、これは、増幅器１１４で増幅されそして高
周波数ノイズを除去するために、ローパスフイル
タ１１６で濾波される。

濾波されそして増幅されたストレーンゲージ信
号（ブリツジのアンバランスによる）は、電圧コ
ンパレータ１１８に送られて電源１２０からの調
節可能な限界電圧と比較される。プリントヘツド
が小滴を噴出すると、パルストラツプ圧力は着実
に降下しそしてゲージ信号は比較的に下がる。ゲ
ージ信号が、限界電圧から電源１２２からのヒス
テリシス電圧をひいた電圧以下に下がるとき、電
圧コンパレータはバルブドライバ１２４に信号を
送り、バルブ用ピエゾ電気結晶体１０４に適正な
電圧を加えて、パルストラツプ室６８のバルブを
開く。

バルブが開かれると、インクは、ノズル６６か
ら噴出されるより速く、インクカートリツジ１２
からパルストラツプ室６８の中へ流れ、圧力及び
ゲージ信号を上昇させる。ゲージ信号が限界電圧
にヒステリシス電圧を加えた電圧を越えると、電
圧コンパレータ１１８はバルブドライバ１２４に
信号を送り、バルブを閉じる。この方法で駆動用
ピエゾ電気結晶体７１−７７の下のインク噴射室
６２には、噴出されたインクにかわる厳密に正確
な量のインクが常に補給される。限界圧力電源１
２０を任意の値にセツトすることができ、従つて
パルストラツプ室６８の圧力を、プリンタの物理
的拘束の範囲で任意にセツトすることができる。
同じく、制御システムの安定性で決定される下限
の範囲内で、ヒステリシス圧力電源１２２を任意
の値にセツトすることができる。限界圧力及びヒ
ステリシス圧力の都合のよい値は、それぞれ−５
cmH₂O及び0.1cmH₂Oである。

流量が非常に小さく、バルブが素早く作動しな
ければならないので、バルブオリフイス１００も
また小さい（約0.002cm）。かかる小さな開口部を
通る流量は、通常粘度により制限される。即ちバ
ルブにおける流体速度は、粘性力が、インクカー
トリツジ１２で生じた圧力駆動力と釣合うような
限界値に、素早く到達する。それ故バルブを通る
全流量は、インクカートリツジ１２の中の圧力に
比例する。

第６図の曲線１２６で示されるように、インク
カートリツジ１２の中の圧力が減少するにつれ
て、バルブを通る流量が減少し、そしてパルスト
ラツプ室６８を補充するのに必要な時間が増す。
インクの供給源であるインクカートリツジ内が空
になつた特別の場合には、バルブはずつと開かれ
たままである。もしプリントヘツドがこの状態で
作動すると、パルストラツプ室６８の圧力は、ノ
ズル６６の負の最大毛管圧力に等しい値に達する
までに降下し続ける。この点では、ノズル６６
は、もはやパルストラツプ室６８から補給され
ず、空気がノズル６６に入り、小滴の噴出を妨げ
る。かかる故障は直するが困難であり、これは、
インクカートリツジを、圧力がそのような低レベ
ルまで下がる前に、取り替えれば避けることがで
きる。

こういう故障をおこさないために、プリンタは
インクがなくなることによるプリントヘツドの故
障を防ぐ電気回路を備えている。最大許容バルブ
パルス長さは経験的に決定され、そしこの値は、
バルブが開くたびに実際のバルブパルスと電気的
に比較される。第５図において、バルブパルスが
電圧コンパレータ１１８で発生するとき、ワンシ
ヨツトマルチバイブレータ１２８が同時にトリガ
され、コンパレータ信号もま、Ｄ型のフリツプフ
ロツプ１３０のＤ入力に供給される。ワンシヨツ
トは、最大許容パルス長さに等しい遅延時間にセ
ツトされる。この遅延の終りに、フリツプフロツ
プ記憶素子１３０の状態は、フリツプフロツプ出
力をCP（クロツクパルス）入力に供給するとによ
つてチエツクされ、そしてこのCP入力は、バル
ブ信号がＤ入力に依然として加えらているならば
正確に作動して、バルブが開かれたままかどうか
を示す。もしバルブが開かれていればエラー信号
が“ローイング”インデイケーター１３２に生じ
る。エラー信号はいくつかの異なつた方法で作用
させることができるが、しかし必要な条件は、最
大印刷速度を著しく減少させるべきことである。
例えば、もし印刷速度（それ故にバルブを通る流
量）が通常の値の１／３に減少したならば、バル
ブパルス長さは最大許容パルス長さ以下にまで落
ち、この遅い速度での印刷は或る時間続き、操作
者はインクカートリツジを取り替えるのに都合の
よい時間を選ぶことができる。別のやり方とし
て、もし印刷を直ちに停止させれば、インクカー
トリツジを取り替えるまで、印刷すべき情報をた
くわえなければならない。

本発明の一つの好ましい態様において、上記に
述べられたパラメータの代表的な値は次の通りで
ある。

代表的なインク供給装置のパラメータインク容
器又は カートリツジ容積 100cc 最初の圧力 0.4atm “締切り”圧力 0.1atm バルブパルス長さ 10ミリセコンド 開き時間 １ミリセコンド “締切り”パルス長さ 50ミリセコンド 最大開き 0.002cm パルストラツプ圧力 −５cmH₂O ヒステリシス圧力 0.1cmH₂O ヒステリシス容積 0.0002cc インク粘度 ６センチポイズ 表面張力 50dyne／cm ノズル毛管圧力 15cmH₂O 比較的高圧のインク源と調節バルブと超過圧力
保護手段を有する圧力感知装置とからなる本発明
のインク供給装置は又、衝撃、振動あるいは他の
悪作用によりプリントヘツドに入る気泡を除去す
るのにうまく適合する。バルブの平均衝撃係数
は、代表的に低い圧力の締切り点においてすら極
めて小さい。従つてもしバルブが完全に開かれる
ならば、ノズル６６を通る全流量は、小滴噴出過
程中よりずつと多くなり、そしてパルストラツプ
室６８からノズル６６に向かつて常に一方向であ
る。それ故に、気泡を除去するために、バルブを
最初に比較的長時間（数秒）完全に開き、比較的
多量のインクをプリントヘツドを通して流れさせ
て気泡を流し出す。ノズル６６を通つて流れたイ
ンクを、集めて処分し、ヘツドを元の“印刷準備
の整つた”状態にもどす。

今、特に第２図、第７図及び第８図を参照する
と、本発明のプリントヘツド５６が論じられてい
る。電気パルス発生器（図示せず）は、電気コネ
クタ１３４とフラツトケーブル１３６を通してプ
リントヘツド５６にパルスを送る。パルス発生器
から電気パルスを受けとると、プリントヘツド５
６は、米国特許第4189734号により完全に説明さ
れているように、印刷流体の単一に分離している
小滴をオリフイスから放出して、射出する。各々
の電気パルスは、先のいかなる信号にも影響され
ずに、単一小滴を作り出す。プリントヘツド５６
は、７つの小滴噴出手段、即ち垂直な列に、独立
に作動させることのできる代表的には７つの噴出
口を有する。電気パルス発生器は共振周波数で作
動せず、むしろ印刷すべき所定のパターンに応じ
て小滴を要求する。

記録媒体１３８の上に情報を正確に記録するた
めに、インク小滴用の実質的にまつすぐな弾道が
プリントヘツド５６のノズル先端から記録媒体１
３８まで続いている。この方法において、装置に
関して記録媒体１３８を注意深く位置決めする
と、電気パルス発生器で発生され、印刷すべき情
報で決定される信号に従つて予測できるパターン
に小滴が衝突する。情報を最も良く記録するため
に、小滴は正確でかつ予測できる形状と容積のも
のでなければならない。即ち等間隔の一様な信号
が、等間隔の一様な小滴を作り出すように、各小
滴は電気パルス発生器からの電気信号に続いて厳
密に追従しなければならない。

小滴は、インク噴出室６２の中の容積の急激な
減少により、プリントヘツド５６から放出され
る。この容積の急激な減少は、小滴を作る十分な
量のインクを移動させるように、室の中へプレー
ト（図示せず）をたわませることによつて達成さ
れる。プレートのたわみは、上記の米国特許第
4189734号に一層完全に説明されているように、
ピエゾ電気結晶体７１−７７のうちの１つの作動
で引き起こされる。たわみは、流体の一部を脱出
速度以上に加速するのに十分な運動エネルギーを
ノズル６６の中の流体に及ぼすほど急激でなけれ
ばならない。脱出速度は、ノズル６６から延びて
いるインクのプラグをノズルから分離させて自由
な小適を形成させる最小の速度である。

この小適噴出のプロセスは、プリントヘツド５
６が完全にインクで満たされそして気泡がプリン
トヘツド５６の中に全然入つていないということ
に大いに依存する。その上気泡は、インクの入り
口からもノズルからもはいることはできない。イ
ンク供給装置は、上記で一層完全に説明されてい
るように、空気がこの装置の中へ全然入りこまな
いことの最大の保証に応ずるように設計されてい
る。

即ち、プリントヘツド５６は、第２図に示され
るように、そのインク流路となるインク噴出室６
２、頚部６４のいずれのチヤネルもノズル６６に
向かつて上向きとなるよう設けられていて、ノズ
ル６６はインク導入口であるバルブオリフイス１
００より高い水位を保つている。かくしてノズル
６６からの気泡の進入や、ノズル６６から内部の
インクの漏出等が防止される。また、ノズル６６
が気泡等により目詰りを生じたとき、ノズルの外
方から吸気してインクとともに排出する（パー
ジ）場合にも、上記のインク流路傾斜は有効に作
用する。

上述したように、プリントヘツド５６のインク
連結取付け体７８は、細かいメツシユのフイルタ
９９およびエラストマーの隔壁４４′を有してい
る。プリントヘツド５６を取り付けるとき、イン
ク供給用中空針１８′は隔壁４４′を貫通し、連結
取り付体７８の中へインクを給送する。小さな気
泡が、取り付け中に不注意によつて入り込んで
も、細かいメツシユのフイルタ９９が気泡がプリ
ントヘツド５６に入るのを阻止する。フイルタ９
９に都合のよい穴の大きさは、５ミクロン（５×
10^-6メーター）である。気泡がインク供給装置に
入らないことを更に確実にするために、この装置
をまず、CO₂で洗浄して空気を除去する。次に
CO₂を吸収するためにこの装置を苛性ソーダで浄
化する。しかる後この装置を、苛性ソーダを除去
するインク（染料を有せず）で浄化する。

プリントヘツド５６を容易に取り替け可能にす
ることが望まれるから、この装置は、一対のレー
ル１４２の上を水平に走行し且つ記録媒体１３８
から間隔へだてたキヤリツジ取付け体１４０に取
り外し自在に取り付けられる。キヤリツジ取付け
体１４０は、歯付きの駆動ベルト１４４でレール
１４２に亘つて動かされる。キヤリツジ取付け体
１４０は、プリントヘツド５６が小滴を噴出し、
記録媒体の上に文字を形成するにつれて、紙面を
横切つて移動する。キヤリツジ取付け体１４０に
はプリントヘツド５６のインク供給取付け体７８
のための受け口１４６が取り付けられている。受
け口１４６は、破線で示されているような、プリ
ントヘツドの隔壁４４′を貫通する小さな中空針
１８′を囲む。中空針１８′は、隔壁４４′の損傷
を避け、しかもインクカートリツジ１２からの流
体に対する抵抗を小さくするためできるだけ小さ
くするべきである。１ミリメーターの外径の針が
よいことが知られている。上述したように、取付
け体７８を受け口１４６に差し込んでプリントヘ
ツド５６をキヤリツジ取付け体１４０に取り付
け、中空針１８′が隔壁４４′を貫通した後、プリ
ントヘツド５６を互いに嵌り合つた取付け体７８
と受け口１４６を介して中空針１８′のまわりに
キヤリツジ取付け体１４０に対して回転させて、
プリントヘツド５６を記録媒体１３８との間の間
隔を調節する。正確な間隔が得られたら、キヤリ
ツジ取付け体１４０の拡大穴１５０を貫通して、
プリントヘツド５６の穴１５２′にねじ込まれる
ねじ１４８のような機械的取付部品で、プリント
ヘツド５６をキヤリツジ取付け体１４０に関して
正しく固定する。この方法によれば、中空針１
８′にも隔壁４４′にも応力は伝わらない。

上述したように、キヤリツジ取付け体１４０の
受け口１４６は可動シール兼ばね（図示せず）を
含み、このシール兼ばねは、プリントヘツド５６
が取り外されるとき中空針１８′の先端に位置す
る。このシール兼ばねは、中空針１８′を汚染か
ら保護し、インクの漏れを阻止し、更に空気の装
置への侵入を阻止する。シールは、隔壁４４′の
エラストマー材料と類似の要求のため、多くのエ
ラストマー材料で作ることができる。ウレタンゴ
ムあるいはブチルゴムが特に適することが知られ
ている。

中空針１８′は、インクカートリツジ１２から
プリントヘツド５６までインクを導く可撓性のイ
ンク供給管路８０に接続されている。管路８０の
材料は、プリンタの寿命まで、最大インク供給圧
力（大体0.5気圧）に耐えなければならない。こ
の管路８０または、蒸発、霧及び潜在的な気泡の
発生を最小にするため低い蒸気伝達特性を有して
いなければならない。管路８０は又、固定された
インクカートリツジ１２と移動するヘツド取り付
け体１４０との間の接続リングとなるので、可撓
性を持続しなければならない。特に大体１ミリメ
ーターの内径を有する“タイゴン”管材が良いこ
とが知られている。“タイゴン”はオハイオ州ア
クロンのノートンカンパニーの商標であり、可塑
化ポリ塩化ビニールの押し出し管材である。

プリントヘツド５６に電気接続をするために、
プリントヘツド５６は突出部１４８′を備え、こ
の突出部１４８′はプリントヘツド５６と一体で
あつて、プリントヘツド５６の一方の側の廷長部
を構成する。多数の電気トレース１５０′が突出
部１４８′の上にスクリーン印刷されており、そ
してインク噴射室６２、圧力感知機構及びバルブ
の解放機構を制御する多数のピエゾ電気７１−７
７，１０４１結晶体に、印刷回路方法で接続され
ている。突出部１４８′は、キヤリツジ取付け体
１４０で支えられる対応する電気受け口即ち電気
コネクタ１３４に収容されるプラグを構成する。
フラツトケーブル１３６が電気受け口１３４とプ
リントヘツド５６を操作するための電気回路との
間を接続する。この方法によれば、プリントヘツ
ド５６は、容易に取り外しできる機械的な流体連
結部及び電気的接続体により、キヤリツジ取り付
け体１４０において交換できる。

この開示に従つて構成されたプリントヘツド５
６は、大体７グラムの重さであり、容易に取り付
けられ、更に確実な運転を提供する。しかしなが
らいくつかの構成要素は極めて精巧で、損傷しや
すい。更に、電気接続に大変都合の良いプリント
ヘツドの平らな形状は、ピエゾ電気結晶体の振動
に対する増幅器として作用し、騒々しい。これら
の問題は、構造上の振動を消散させ、プリントヘ
ツドを損傷から保護する容器の中に、ヘツドを入
れることで解決される。プリントヘツドの容器の
構造は、第７図、第８図、及び第９図に示されて
いる。

プリントヘツド組み立て工程において、完成さ
れたプリントヘツド５６の表面すなわち電気機械
変換素子の取りつけられている面にワニスの薄い
絶縁層を被覆する。次にヘツドの背面を真空グリ
ースのような非常に粘つけのある非揮発性の化合
物で、ヘツドカバーベース１５２に取り付けられ
る。ヘツドのインク入口である取り付け体７８
を、ヘツドカバーベース１５２に設けられた穴１
５４に挿入する。次いでプリントヘツドの駆動結
晶体領域を適正な防振材の比較的厚い層（厚さ約
0.05cm）で被覆する。

次にヘツドカバー前部１５６を嵌めて防音材と
密着させる。ヘツドカバー前部１５６およびベー
ス１５２を、シリコン密閉材を使つて互いに密閉
する。出来上がつたプリントヘツド組み立て体
は、プリントヘツド５６に取り付けられている敏
感な構成要素に対して損傷の危険なしに容易に取
り扱うことができ、そしてプリントヘツドは操作
中ほとんどノズルを出さない。プリントヘツド５
６の電気接続リツプ即ち突出部１４８′から電気
コネクタ１３４を抜き、またヘツド受け口１４６
およびインク入口針１４６かなプリントヘツド５
６を引込めることにより、プリントヘツド５６を
プリンタかな容易に取り外せる。この取り付け／
取り外し過程は、保守行為において関節を必要と
せずに、繰り返し行うことができる。

各々プリントヘツドユニツトを他のプリントヘ
ツドユニツトと完全に交換できるようにするため
に、ある電気調節をしなければならない。米国特
許第4189734号に、駆動用ピエゾ電気結晶体の
各々に対する直列電気抵抗体の適当な選択によつ
て、７つのインク噴射チヤンネルの各々からの小
滴の速度を等しくする方法が述べられている。従
つて７つの抵抗体を、小滴速度のバランスをとる
ように設けなければならない。

上述したように、ストレートゲージの抵抗及び
機械的な組み立て体の公差の変化は、バルブが正
確な圧力レベルで開くようにするために、電気的
調整をなすべきであることを要求する。この調節
は、第５図に調節可能な抵抗として示してある。
一旦この抵抗の値を決めてしまつたら、バルブ圧
力の限界を固定するように別個の抵抗体を選択す
る。

組み立て体の公差の変化もまた、駆動結晶体へ
の駆動パルスの幅を各々のプリントヘツドに対し
て個々に選択することを要求する。典型的には任
意所定のヘツド中の結晶体の間の変化は小さいか
ら、７つの結晶体すべてを同一のパルス幅で駆動
してもよい。パルス幅は種々の手段で制御するこ
とができ、その手段のうちの大部分は、特定の抵
抗値を選ぶことにより調節できる。

従つてプリントヘツドへの電気入力を調節する
のに必要な９の別個の抵抗体がある。プリントヘ
ツド５６及び９つの別個の抵抗体からなるプリン
トヘツドユニツトは、他の任意のプリントヘツド
ユニツトと完全に交換できる。この９つの抵抗体
は、都合よく電気受け口１３４のモジユールの中
に入れられる。この抵抗体内蔵モジユールは、そ
の要求された機能を提供するために、プリントヘ
ツド、プリントヘツド駆動エレクトロニクスある
いは接続ケーブルに、電気的にかつ取り外し可能
に接続される。

本発明は上述の構成により、 電圧印加に際して、高速で振動するピエゾ結晶
体に設けられた電極のはがれ、変形、さらには、
それに起因する結晶体の不作動、破損を防止でき
る。これによりプリントヘツドの信頼性および耐
久性を向上させることができる。

ここで使われた用語及び表現は、制限されな
い、記述のための用語として使われており、かか
る用語及び表現の使用に際し、図示されかつ本文
に記載されているいくつかの特徴又はその一部の
均等物を除外するものではなく、むしろ本発明の
特許請求の範囲内で種々の修正が可能であること
が認められる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は、本発明の１つの態様に従つて組み
立てられたインク供給装置の部分的面図である。
第１Ｂ図は、第１Ａ図に描されたインク供給装置
を分解したときの、部分的断面図である。第２図
は、本発明の１つの態様に従うプリントヘツドの
側面図である。第３図は、大体第２図の３−３線
に沿つて切つた断面図であり、バルブ及びインク
注入口を詳細に示している。第４図は、大体第２
図の４−４線に沿つて切つた断面図であり、圧力
感知ビームの詳細を示めしている。第５図は、バ
ルブの操作を制御し、“インク切れ”の制御信号
を発生する図式的な回路図である。第６図は、イ
ンクを供給するための、圧力とバルブパルス長さ
の関係を同じに示している図である。第７図は、
キヤリツジ組み立て体に取り付けられている本発
明のプリントヘツドの、拡大斜視図である。第８
図は、第７図に描かれたプリントヘツドの第２の
拡大斜視図である。第９図は、第７図及び第８図
に描かれた、プリントヘツド及び取り付け用構造
体の、分解部品配列斜視図である。第１０図は、
プリントヘツドとキヤリツジ取付け体との取り付
け状態を示す概略断面図である。 １０……インクカートリツジ受け、１２……イ
ンクカートリツジ又はインク供給体、１８，１８
……中空針、５６……プリントヘツド、６６……
噴射ノズル、７８……取り付け体、２２，９９…
…フイルタ、１３８……記録媒体、１４０……キ
ヤリツジ手段又はキヤリツジ取り付け体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ピエゾ電気結晶体に電気信号パルスを印加し
   て圧力室の容積を変化させ、ノズルからインク滴
   を噴射する方式のインクジエツトプリンタのプリ
   ントヘツドにおいて、前記ピエゾ結晶体を絶縁材
   で被覆したことを特徴とするインクジエツトプリ
   ンタのプリントヘツド。