JP2000108339A - 弾道エ―ロゾル印刷装置用プリントヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高画質、高速印刷が可能なプリントヘッドを
提供する。 【解決手段】 印刷装置に用いられるプリントヘッド３
４であって、このプリントヘッド３４では、被印刷体３
８に向かって推進体流が流路中を流れており、インキ、
トナー等の印刷物質を、調節しながら推進体流に導入
し、これらに被印刷体３８に達するのに十分な運動エネ
ルギーを与える。推進体及び印刷物質を方向付けるため
の複数の流路により、高速度、高解像度印刷を可能にす
る。複数の印刷物質を流路に導入し、これらを被印刷体
３８に印刷する前に、流路中で混合し、又は再度見当合
わせをすること無く、被印刷体３８上で混合し又は重ね
合わせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は一般に、印刷装置の
分野、特に、印刷物質を高速の推進体流中に導入するこ
とにより、印刷物質を被印刷体に印刷できる装置の部品
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】インキジェット法は、現在一般的な印刷
技術であり、サーマルインキジェット（ＴＩＪ）、圧電
インキジェットなど、様々なタイプのインキジェット印
刷法がある。この方法は一般に、液状インキの飛沫を、
流路の一方の端に設けたオリフィスより射出するもので
ある。例えばＴＩＪプリンタでは、インキを輸送する流
路中で気泡を爆発的に発生させることにより飛沫を射出
する。気泡は、流路の一方の表面に設けた、抵抗器形の
ヒータによって発生させる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のＴＩＪ及び他の
インキジェット装置には、幾つかの欠点が認められる。
３００スポット／インチ（ｓｐｉ）のＴＩＪ装置では、
インキ飛沫を射出する排出オリフィスは通常、幅約６４
μｍ、流路間隔（ピッチ）約８４μｍであり、また６０
０ｓｐｉの装置では、幅約３５μｍ、ピッチ約４２μｍ
である。排出オリフィスの大きさは、その装置で用いる
液状インキの粘度により制限される。排出オリフィスの
幅を小さくするため、液体（例えば水）の量を多くして
インキを希釈し、その粘度を下げることもできるが、イ
ンキの液体含有率が高くなると、ウィッキング（毛管現
象によるインキのにじみ）や、紙のしわが多くなり、ま
た射出したインキ飛沫の乾燥時間が長くなり、解像度や
画質（例えば、最小スポットサイズ、色間の混合、スポ
ットの形）等に悪影響を及ぼす。スポットサイズは排出
オリフィス幅に関係し、また解像度はスポットサイズに
関係することから、このオリフイス幅の制限によって、
ＴＩＪ印刷の解像度は、例えば良くても９００ｓｐｉま
でである。

【０００４】従来のインキジェット技術の別の欠点は、
グレースケール印刷が難しいことである。つまり、イン
キジェット装置では、被印刷体上に印刷されるスポット
の大きさを変えることは非常に困難である。小さな点を
生じさせるため、より少量のインキを射出しようと推進
力（ＴＩＪ装置では加熱）を小さくしたり、あるいは、
より多くのインキを射出して大きな点を生じさせようと
推進力を大きくすると、射出される飛沫の軌跡が変動し
てしまう。これは正確なドット配置を困難又は不可能に
し、単色グレースケール印刷が不鮮明になるだけでな
く、多色グレースケールインキジェット印刷は不可能と
なる。更に、望ましいグレースケール印刷を得るには、
ＴＩＪの場合と同様に、ドットサイズを変えるのではな
く、サイズは一定に保ったままその密度を変える。

【０００５】一般的なインキジェット装置のもう一つの
欠点は印刷速度である。スポットの印刷に要する時間の
約８０％は、インキジェット流路が毛管現象によりイン
キで補充されるのを待つことに費やされる。インキをよ
り希釈することにより、ある程度までは早く流すことが
できるが、前述のウィッキングや被印刷体のしわ、乾燥
時間等の問題が生じる。

【０００６】射出印刷装置によく見られる問題は、流路
の目詰まりである。水性インキ着色料を用いるＴＩＪ装
置などではこの問題が生じ易く、作動の間、流路を掃除
するための非印刷サイクルを定期的に行う。作動中、通
常インキは射出されるのを待って射出器中に止まってお
り、この間に乾燥が始まって目詰まりが生じるためこの
操作が必要である。

【０００７】本発明の背景として関与する他の技術に
は、静電グリッド、静電射出（いわゆるトーンジェッ
ト）、音響インキ印刷、染料昇華などのある種のエーロ
ゾル（aerosol）及び噴霧装置などが含まれる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の欠点及
び本件で更に述べる他の欠点を解決した、印刷物質を被
印刷体に直接又は間接的に印刷する、新しい装置に用い
られる要素に関するものである。特に本発明は、流路を
流れる推進体と、流路へ調節しながら導入する（つま
り、使用中に変更できる）又は調量供給する印刷物質と
を用い、推進体のエネルギーによって印刷物質を被印刷
体に到達させる方式の装置に用いられる、プリントヘッ
ドに関するものである。推進体は通常、印刷装置が作動
状態（つまり、電源が投入されている又は同様な印刷待
機状態）にある間、流路に常に流れている乾燥気体であ
る。この装置は本質的に、コロイド状ではない固体又は
半固体微細粒子、あるいは液状である印刷物質を被印刷
体に射出することにより印刷を行うことから、“弾道エ
ーロゾル印刷（ballistic aerosol marking）”と呼ば
れる。流路は、推進体と印刷物質とを、平行に（又は収
束させて）被印刷体へ飛ばせるような形をしている。

【０００９】以下の概略及び詳細な説明において、弾道
エーロゾル印刷装置とその使用法の一般的な特徴を多く
述べるが、本発明は、その請求の範囲から明らかなよう
に、本件に含まれる全ての記述を含むものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】この装置では、推進体ポートより
推進体を流路に導入して推進体流を形成する。次に、印
刷物質を、一つ以上の印刷物質注入ポートより推進体流
に導入する。推進体は高速で流路に入るか、あるいは、
推進体を高圧で流路に導入し、流路に高圧の推進体を高
速に変換する構造（例えば、デ ラバル（ｄｅ Ｌａｖ
ａｌ）又は同様の収束／発散型ノズル）を設ける。この
場合、推進体は流路（収束部）の手前側の端に設けられ
たポートより導入し、印刷物質は流路の末端付近（発散
部又はその下流）に設けられた印刷物質ポートより推進
体流に導入する。

【００１１】複数のポートを用いる場合、各ポートは、
異なる色（例えば、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラ
ック）や、印刷前処理物質（印刷物質付着剤など）、印
刷後処理物質（例えばマット又は光沢コーティング等の
被印刷体表面仕上げ剤など）、肉眼では見えない印刷物
質（例えば、磁性粒子付着物質、紫外線蛍光物質等）、
あるいは被印刷体に塗布できるその他の印刷物質のため
に用いられる。印刷物質は推進体流より運動エネルギー
を与えられ、流路の末端に位置する排出オリフィスから
被印刷体に向けて射出される。

【００１２】実施の形態においてこのような流路を一つ
以上備えた構造体を、本件ではプリントヘッドと呼ぶ。
流路の排出（又は射出）オリフィスの幅は、通常２５０
μｍ以下、望ましくは１００μｍ以下である。複数の流
路を用いる場合、隣合った流路の端から端（又は中心か
ら中心）のピッチ又は間隔も、２５０μｍ以下、望まし
くは１００μｍ以下である。あるいは、流路の間隔を小
さくするため、流路をジグザグ配列にする。排出オリフ
ィス及び／又は各流路の一部又は全ては、推進体流の方
向（流路の前後軸）から見て、円形、半円形、楕円形、
正方形、矩形、三角形などの断面の形をしている。

【００１３】被印刷体に塗布する物質を、単なる重力送
り、流体力学、静電気、又は超音波輸送等の様々な方法
のいずれか、又はそれらを組み合わせて、ポートに輸送
する。またこの物質を、輸送装置の制御、又は圧力平
衡、静電気、音響エネルギー、インキジェット等の独立
した装置など、様々な方法によって、ポートから推進体
流に調量供給する。

【００１４】被印刷体に塗布する物質は、トナー又は色
の異なる様々なトナーなどの固体又は半固体微粒子、こ
のような印刷物質をキャリヤに懸濁させたもの、このよ
うな印刷物質を電荷ダイレクタ（ｄｉｒｅｃｔｏｒ）、
相変化物質等と共にキャリヤに懸濁させたものなどであ
る。望ましい実施の形態では、乾燥した又は液状キャリ
ヤに懸濁した、固体又は半固体の微粒子である印刷物質
を用いる。このような印刷物質を、本件では微粒子印刷
物質と呼ぶ。この物質と、本件で一般に液状印刷物質と
述べられている、液状印刷物質、溶解した印刷物質、霧
化した印刷物質、又は同様な微粒子ではない物質とは区
別される。しかし、本件の他の部分で述べているよう
に、本発明のある応用例では、このような液状印刷物質
を用いることができる。

【００１５】更に、様々な印刷物質（例えば、水性印刷
物質に限定されない）が使用できることから、本発明で
は様々な被印刷体に印刷することが可能である。例え
ば、本発明では、ポリマー、プラスチック、金属、ガラ
ス、処理及び仕上げ処理を行った表面などの非多孔性被
印刷体上に直接印刷を行うことができる。ウィッキング
を小さくし、乾燥時間を無くすることにより、紙、繊維
製品、セラミックスなどの多孔性被印刷体への優れた印
刷が得られる。更に本発明は、例えば中間転写ローラ又
はベルトへの印刷、粘着性支持帯フィルムへの印刷、ニ
ップ転写装置などの、間接的印刷に用いることもでき
る。

【００１６】被印刷体上に射出された物質には、例えば
定着又は乾燥、オーバーコート、硬化等の射出後処理を
行う。定着の場合、射出された物質自体が十分な運動エ
ネルギーを持ち、これにより被印刷体との衝突の際に効
果的に融解して被印刷体に融着する。これをより効果的
に行うため、被印刷体を加熱してもよい。印刷物質を被
印刷体に冷定着させるには、圧力ローラを用いる。ま
た、印刷物質が射出されてから被印刷体に到達するまで
の間（飛行中）の相変化（固−液−固）を用いることも
できる。最初の相変化を起こす手段として、粒子経路中
に加熱したワイヤを置く。あるいは推進体の温度を上げ
ることによっても同様な効果が得られる。ある実施の形
態では、レーザーを用いて飛行中の微粒子物質を加熱溶
融し、最初の相変化を起こす。溶融及び定着の際には、
静電気的な補助手段を用いてもよい。つまり、最終的な
所望の位置に溶融、定着させるのに十分な時間、微粒子
物質を所望の位置に保持する。また、微粒子の種類によ
っても、射出後処理は変わる。例えばＵＶ硬化物質は、
飛行中又は物質を保持する被印刷体上に置いてから、Ｕ
Ｖ照射を行って硬化させる。

【００１７】推進体は連続的に流路中を流れているた
め、効果的、連続的に流路を清掃して物質の沈着による
流路の目詰まりを減らし又は除去する。更に、装置を用
いない場合に外界から流路を遮断するため、閉鎖構造を
備える。あるいは、プリントヘッドと被印刷体支持体
（例えば、プラテン）とを物理的に接触させ、流路を閉
鎖する。流路の清掃を効率良く行うよう、印刷装置の作
動の開始時と終了時にクリーニングサイクルを組み込
む。装置から除去された廃棄物はクリーニング部に排出
される。一方、ポートを通って貯蔵部の中に流れ込むよ
う推進体流を切り替えて、オリフィスの目詰まりをポー
トから排出することも可能である。

【００１８】このように、本発明及びその様々な実施の
形態は、前述の長所及び後に更に詳しく述べる多くの長
所を提供するものである。

【００１９】図１に、本発明の実施の形態による、弾道
エーロゾル印刷装置１０の略図を示す。ここに示すよう
に、装置１０は、推進体１４が供給される一つ以上の射
出器１２から成るものである。印刷物質１６は、制御２
０の制御下、輸送機構１８によって輸送され、射出器１
２に導入される。（任意の要素は点線で示す。）印刷物
質は、制御２２の制御下、調量手段２１により射出器に
調量供給（つまり調節されながら導入）される。射出器
１２より射出された印刷物質は、必要に応じて装置１０
に備えられた、射出後処理２３で処理される。これらの
各要素については、後に更に詳しく述べる。装置１０
は、例えばコンピュータネットワーク、パーソナルコン
ピュータ等に一般的に接続されるタイプのプリンタ、フ
ァクシミリ装置、複写機、標識装置、あるいはその他様
々な印刷装置に用いられることは明らかである。

【００２０】図１に示す実施の形態は、図２の断面図に
示すタイプの、弾道エーロゾル印刷装置２４により良く
理解されよう。この実施の形態によれば、印刷される物
質は、本件で更に述べるタイプの４色のトナー、例えば
シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、ブラ
ック（Ｋ）であり、これらは混合し又は混合せずに、連
続的に、あるいは他の方法で同時に印刷される。図２及
びそれに関連する記述では、４色（一度に１色ずつ又は
それらを混合して）を印刷する装置を述べているが、そ
れより少ない又は多い色数、あるいは別の又は追加の物
質として、印刷物質粒子を接着するための表面を形成す
る物質（又は、その他の被印刷体表面前処理）、所望の
被印刷体の仕上げ品質（マット、サテン又は光沢仕上げ
あるいは他の被印刷体表面後処理など）、肉眼では見え
ない物質（磁性粒子、紫外蛍光粒子等）、若しくは印刷
された被印刷体に関連する他の物質などを印刷する装置
も、明らかに本件で企図されるものである。

【００２１】装置２４は本体２６から成り、この中に
は、印刷される物質を受ける複数のキャビティ２８Ｃ、
２８Ｍ、２８Ｙ、２８Ｋ（これらを合わせてキャビティ
２８と呼ぶ）が形成されている。本体２６にはまた、推
進体キャビティ３０が形成されている。取り付け部品３
２は、推進体キャビティ３０と、コンプレッサ、推進体
貯蔵部等の推進体源３３とを繋ぐものである。本体２６
は、他の層に囲まれた、支持体３６及び流路層３７を含
む、プリントヘッド３４に接続している。

【００２２】図３に、装置２４の一部分の断面図を示
す。各キャビティ２８には、断面が円形、楕円形、矩形
などの、ポート４２Ｃ、４２Ｍ、４２Ｙ、４２Ｋ（これ
らを合わせてポート４２と呼ぶ）がそれぞれあり、これ
らは前記キャビティと、本体２６に隣接する流路４６と
の間を繋ぐものである。ポート４２の前後軸と、流路４
６の前後軸とはほぼ垂直に交わっているように示されて
いるが、本装置の特定の応用例で適しているように、こ
の角度は９０度以外でもよい。

【００２３】同様に、推進体キャビティ３０にも、前記
キャビティと流路４６の間に、円形、楕円形、矩形等の
断面であるポート４４があり、推進体はこれを通って移
動する。あるいは、推進体を流路４６に導入するため、
支持体３６中にポート４４’を、又は流路層３７中にポ
ート４４”を、あるいはその両方をプリントヘッド３４
に備えることもできる。後に更に述べるように、印刷物
質は、ポート４２を通ってキャビティ２８から排出さ
れ、流路４６を流れる推進体流に流入される。印刷物質
と推進体は、図２に示すように、プラテン４０に支えら
れた、例えば紙である被印刷体３８に向かって、矢印Ａ
の方向に進む。本件に述べる多くの特徴を備えたプリン
トヘッドからの推進体印刷物質流パターンは、１０ｍｍ
の距離までほぼ平行を保ち、最適な印刷距離は１〜数ｍ
ｍ程度であることが実験的に明らかとなった。例えばプ
リントヘッドからの印刷物質流は、排出オリフィスの幅
の少なくとも４倍の距離で、排出オリフィスの幅の２０
％以上、望ましくは１０％以上は逸脱しない。しかし、
プリントヘッドと被印刷体との適当な間隔は、多くのパ
ラメータにより決まるものであり、それ自体は本発明の
一部を成すものではない。

【００２４】本発明のある実施の形態によれば、プリン
トヘッド３４は、支持体３６と、その中に流路４６が形
成される流路層３７とから成る。絶縁層、被覆層等（図
示されていない）の追加の層をプリントヘッド３４の一
部に形成することもできる。支持体３６はガラス、セラ
ミック等の適当な素材から成り、その上に（直接又は間
接的に）、厚い耐久性のあるフォトレジスト（例えば、
液状感光性エポキシ樹脂）及び／又はフィルムを基にし
た乾燥フォトレジストなどの、比較的厚い物質の層を形
成する。この層の中に、エッチング、機械加工、又は他
の方法で、後に述べる特徴を持つ流路を形成する。

【００２５】プリントヘッド３４の横断面図である、図
４を参照するならば、ある実施の形態において、手前側
から、推進体受け部４７、次に収束部４８、発散部５
０、そして印刷物質注入部５２となるよう流路４６を形
成する。収束部４８と発散部５０との間の転移点をスロ
ート５３と言い、収束部４８と発散部５０とスロート５
３とを合わせてノズルと呼ぶ。このような流路の一般的
な形は、デ ラバル膨張管とも呼ばれる。流路４６の先
端には、排出オリフィス５６を設ける。

【００２６】図３及び図４に示す本発明の実施の形態で
は、部分４８は図３の面ではなく、図４の面で収束し、
同様に、部分５０は図３の面ではなく、図４の面で発散
する。通常、これにより排出オリフィス５６の断面の形
が決まる。例えば、図５（ａ）に示したオリフィス５６
の形は、図３及び図４に示す装置に対応する。しかし、
本発明の装置の製造法及び応用例に従い、流路の収束／
発散部は図４の面ではなく図３の面であり（図５
（ｂ））、又はその両方の面であり（図５（ｃ））、あ
るいはその他の面又は面の組み合わせであり、若しくは
全ての面である（図６（ａ）〜６（ｃ）に例示）よう製
造される。

【００２７】図７に示す他の実施の形態では、流路４６
には収束部及び発散部が無く、その軸に沿って断面は一
定である。この流路の断面は、本発明の装置の製造法及
び応用例に従って、矩形又は正方形（図８（ａ））、楕
円形又は円形（図８（ｂ））、あるいはその他の形（図
８（ｃ）、８（ｄ）に例示）である。

【００２８】再度図３を参照するなら、推進体は、流路
４６の長軸に対してほぼ直角に、推進体キャビティ３０
よりポート４４を通って流路４６へ入る。他の実施の形
態では、推進体は、例えば、ポート４４’又はポート４
４”より、あるいは示されていない他の方法で、流路４
６の長軸に対して平行に（又は他の角度で）流路に入
る。推進体は印刷装置が作動状態にある（例えば、“パ
ワー・オン”又は同様な印刷待機状態）間、流路を連続
的に流れている。あるいは本発明の特定の応用例では、
その指定によって、印刷体が射出されるときにのみ推進
体が流路を流れるよう調整される。推進体の調節は、推
進体源３３と流路４６との間に設けたバルブ３１により
行う。又は例えばコンプレッサのスイッチを入／切し、
あるいは推進体を発生する化学反応を選択的に起こし、
更にまた本件には示されていない他の手段により、推進
体の発生を制御することによって推進体の量を調節す
る。

【００２９】印刷物質は、印刷物質注入部５２に設けた
一つ以上のポート４２より、調節しながら流路へ注入す
る。つまり使用の間、推進体流に導入される印刷物質の
量は、スポット毎にゼロから最大まで調節される。推進
体と印刷物質とは、流路４６の手前側の端から、排出オ
リフィス５６を設けた先端へ移動する。

【００３０】プリントヘッド３４は様々な方法で形成さ
れる。例えば、図４１（ａ）〜（ｃ）、図４２（ａ）〜
（ｃ）を参照とするならば、プリントヘッド３４は次の
ように製造される。最初に、例えばガラスなどの絶縁性
支持体又はケイ素などの半絶縁性支持体、あるいは絶縁
層を塗布した任意の支持体である、支持体３６を清浄に
し、また別途リソグラフィの準備を行う。一つ以上の金
属電極５４を、流路４６の底面となる支持体３６の表面
に形成し（例えば、フォトリソグラフィにより）、又は
印刷する。これを図４１（ａ）に示す。

【００３１】次に、支持体のほぼ全面に、通常スピン−
オン（ｓｐｉｎ−ｏｎ）法によりフォトレジストを厚く
塗布する、あるいは層３１０を貼り合わせる。層３１０
は非常に厚く、例えば１００μｍ以上である。これを図
４１（ｂ）に示す。次に、リソグラフィ、イオンミリン
グ等の、既知の方法を用いて、層３１０中に流路４６
を、望ましくは収束部４８、発散部５０、スロート５３
と共に形成する。この時点での構造を図４１（ｃ）の横
断面図に示す。

【００３２】この時、推進体受け部４７の支持体中に、
推進体注入口４４’（図３に示す）を加工してもよい。
これには、用いられる支持体の素材に応じて、ダイヤモ
ンドドリル、超音波ドリル、又はこの技術で既知の他の
方法を用いる。あるいは、層３１０中に推進体注入口４
４”（図３に示す）を形成してもよい。しかしここで
は、推進体注入口４４は、以下に述べるように、次に被
覆される層の中に形成する。

【００３３】層３１０の上に直接、別の比較的厚いフォ
トレジスト又は同様な素材の層３１２を形成する。層３
１２は、望ましくは１００μｍ以上の厚さであり、望ま
しくは積層により被覆するが、スピン−オン又は他の方
法で被覆してもよい。あるいは、層３１２は、層３１０
と接着するガラス又は他の適当な素材でもよい。この時
点での構造を図４２（ａ）に示す。

【００３４】次に、例えばフォトリソグラフィ、イオン
ミリング等により、層３１２にパターンを描き、ポート
４２及び４４を形成する。層３１２はまた、機械加工に
より、あるいは既知の他の方法によりパターン形成され
る。この時点での構造を図４２（ｂ）に示す。

【００３５】別な方法として、例えばフォトリソグラフ
ィ、イオンミリング等により支持体中に直接流路４６を
形成する。この場合もまた、上記と同様に層３１２を被
覆する。あるいは、プリントヘッドを、アクリル酸樹脂
又は同様な、型に取ることができ、及び／又は機械加工
のできる素材で作り、その中に流路４６を型取り、又は
加工して作成する。この実施の形態では、これに更に、
同じ素材である層３１２を適当な手段で他の構造部分に
接着する。

【００３６】更に、層３１０上に層３１２を被覆する前
に、層３１２上に、矩形、輪状（記載）又は意図する他
の形である、電極３１４及び３１５を予め形成する。こ
の実施の形態では、ポート４２、及び可能ならばポート
４４もまた層３１２を被覆する前に形成する。電極３１
４は、アルミニウム等の適当な金属であり、スパッタリ
ング、リフト−オフ又は他の手法で形成する。誘電層３
１６は、電極３１４を保護し、平らな上側表面３１８と
するために被覆する。第２の誘電層（図示されていな
い）も同様に、電極３１５を保護し、平らな下側表面３
１９とするため、層３１２の下に被覆する。この実施の
形態の構造を図４２（ｃ）に示す。

【００３７】図４〜８では一つの流路を持つプリントヘ
ッド３４を示しているが、本発明によるプリントヘッド
は、任意の数の流路を持ち、その範囲は、一つ又は数個
の流路で幅が数百μｍのものから、数千個の流路でペー
ジ幅（例えば、幅８．５インチ（２１．５９ｃｍ）以
上）のものまであることが理解されよう。各排出オリフ
ィス５６の幅Ｗは、２５０μｍ以下、望ましくは１００
μｍ以下である。隣接する排出オリフィス５６間のピッ
チＰ、又は端から端（あるいは中心から中心）の間隔
は、図９８（ａ）に端面図を示した非ジグザグ配列の場
合、２５０μｍ以下、望ましくは１００μｍ以下であ
る。図９（ｂ）に示すような、二次元のジグザグ配列の
場合のピッチは更に小さい。例えば、表１に、異なる解
像度における、非ジグザグ配列の典型的なピッチと幅を
示す。

【００３８】

【表１】 図１０に示すように、幅広いプリントヘッドの流路配列
には、各流路４６に通じるポート４２を持つ、連続キャ
ビティ２８から印刷物質が供給される。同様に、連続推
進体キャビティ３０からポート４４を通って各流路４６
に推進体が供給される。図１１（ａ）に示すように、ポ
ート４２はキャビティ中の個々の開口部であり、又は図
１１（ｂ）に示すように、全ての配列にわたる連続的な
開口部４３（図では開口部４３Ｃを示す）により形成さ
れる。

【００３９】流路４６の配列では、流路を通る推進体速
度が全く同一又はほぼ同じとなるよう、各流路は同じ大
きさと断面形をしている。あるいは、特定の一つ以上の
流路４６の大きさ及び／又は断面形を異なるものにして
（又は選択的にコーティング等を塗布するなどの手段に
より）、推進体速度の異なる流路とすることもできる。
これは、印刷物質類と他の被印刷体処理剤とを共に用い
る際に、非常に質量の違う異なった印刷物質を用いよう
とする場合、異なる印刷効果を得ようとする場合に有利
であり、また別な方法で、本発明の特定の応用例におい
て適当であることが明らかとなろう。

【００４０】図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示される
実施の形態によれば、装置２４は、クリップ、クラス
プ、留め金、又は既知の他の保持手段（図示されていな
い）などの可能な手段で装置２４に取り付ける、取り外
し交換可能な本体６０を含むものである。図１２（ａ）
に示される実施の形態では、本体６０はプリントヘッド
３４及び装置２４の他の部分から取り外せる。図１２
（ｂ）に示される実施の形態では、本体６０とプリント
ヘッド３４とは、装置２４のマウント部６４から取り外
し交換できるユニットを成す。図１２（ａ）及び図１２
（ｂ）の実施の形態のいずれも、電極及び本体６０中に
ある又は本体６０と結合している他の装置を制御するた
め、本体６０と装置２４の間では電気的接触が保たれて
いる。

【００４１】いずれの場合も、本体６０は、印刷物質と
推進体とを入れた使い捨てのカートリッジである。ある
いは、印刷物質及び／又は推進体キャビティ２８、３０
は補充可能である。例えば、開口部２９Ｃ、２９Ｍ、２
９Ｙ、２９Ｋ（これらを合わせて開口部２９と呼ぶ）
は、印刷物質を各キャビティに導入するためのものであ
る。また、キャビティ３０には、固体状二酸化炭素（Ｃ
Ｏ₂）、圧縮ガスカートリッジ（これもまた二酸化炭素
など）、化学反応物等の推進体源６２があり、これは本
体６０に恒久的、又は取り外し交換でき、あるいは補充
可能なものである。別な方法として、キャビティ３０
に、加圧推進体を発生するための小型コンプレッサ又は
同様な手段（図示されていない）を備える。あるいは、
推進体源は、本体６０と別々に、独立して、取り外し及
び交換可能なものである。更に、本体６０にキャビティ
２８とその関連部品しか搭載されていない場合は、装置
２４に、コンプレッサ、化学反応容器等の推進体発生手
段を備える。

【００４２】本発明による、印刷物質で被印刷体に印刷
を行うプロセス７０を、段階的に図１３に示した。ステ
ップ７２では、推進体が流路に供給される。次にステッ
プ７４で、印刷物質が流路に調量供給される。複数の印
刷物質を被印刷体に射出する流路では、ステップ７６で
印刷物質を流路中において混合し、被印刷体へ印刷物質
混合物を射出する。この方法では、色の見当合わせの必
要のない、単一流路カラー印刷が得られる。別の単一流
路カラー印刷では、プリントヘッド３４と被印刷体３８
の間で一定の見当合わせを保ちながら、複数の印刷物質
を連続的に導入する。全ての印刷で複数の印刷物質を用
いる訳ではないため、このステップは任意であり、点線
矢印７８で示される。ステップ８０では、印刷物質を流
路末端の排出オリフィスより、被印刷体に到達するのに
十分なエネルギーで被印刷体に向って射出する。矢印８
３が示すように、以上のプロセスは、プリントヘッドの
再見当合わせと共に繰り返す。印刷物質の定着、乾燥等
の適当な射出後処理はステップ８２で行うが、これも点
線矢印８４で示すように任意である。これらのステップ
については、各々更に詳細に述べる。前述のように、推
進体の役割は、印刷物質が少なくとも被印刷体に衝突す
るのに十分な運動エネルギーを印刷物質に与えることで
ある。推進体は、プリントヘッド、カートリッジ、又は
印刷装置２４の他の要素と接続した又は独立した、コン
プレッサ、補充可能な又は不可能な貯蔵器、物質の相変
化（例えば、固体状から気体状ＣＯ₂）、化学反応等に
より供給される。いずれの場合も、推進体は、乾燥し、
汚染物質を含まず、まず第一に印刷物質による被印刷体
の印刷を阻害せず、また流路の目詰まりを生じない又は
誘発しないものでなければならない。このため、推進体
源と流路の間に、適当な乾燥機及び／又はフィルタ（図
示されていない）を設ける。

【００４３】ある実施の形態では、よく知られた型のコ
ンプレッサで推進体を供給する。このコンプレッサは、
スイッチを入れるとすぐに安定した圧力の推進体を供給
するものが理想的であるが、作動圧力及び速度である推
進体だけが流路４６に流入するよう、コンプレッサと流
路の間にバルブを用いると良い。

【００４４】これらの実施の形態では、流路を外部コン
プレッサ又は同様な外部の推進体源と接続しているが、
装置２４自体で推進体を発生する必要がある。更に、小
型のデスクトップ型の装置では、小さな推進体源を用い
なければならない。一つの方法は、一般的に入手でき
る、交換可能なＣＯ₂カートリッジを装置に用いること
である。しかし、このようなカートリッジは推進体の量
が比較的少なく、度々交換しなければならない。また、
より大きな加圧推進体容器を用いることもできるが、装
置の大きさ（例えば、小型のデスクトップ型プリンタ）
により推進体容器の大きさは制限される。このことか
ら、自給式で物理的に小さい推進体発生ユニットを用い
ることが望ましい。この実施の形態では、推進体と印刷
物質とを混合した、交換可能なカートリッジを用いるこ
ともできる。

【００４５】他の実施の形態では、反応により推進体を
供給する。この実施の形態の目的は、例えば推進体キャ
ビティ３０中に入るような、小型の推進体源の提供であ
る。液状又は固体状の化学物質又は化合物は、様々な自
発的及び非自発的反応を起こして気体を発生し、またこ
の反応容器は固体又は液体を用いるため比較的小さい。
最も簡単には、反応物をその沸点以上に加熱し、気相の
物質を発生させる。密閉系で反応又は変化を起こすと圧
力変化が生じる。そこで、閉鎖系で一種類の反応が起こ
る場合には、

【数１】 このとき、Ｒは反応物、Ｐ１及びＰ２は圧力であり、Ｐ
２はＰ１より非常に大きい。この反応を起こすため、推
進体キャビティ３０（又は他の反応物を含む容器）中に
加熱要素８７（図３に示すフィラメントなど）を備え
る。

【００４６】これを変形し、非自発的な複数反応物系を
加熱活性化する場合を示すと、

【数２】 このとき、Ｒ₁ 〜Ｒ．．．は反応物であり、Ｐ２はまた
Ｐ１より非常に大きい。

【００４７】しかし、加熱した推進体による印刷物質へ
の影響（例えば、流路中での融解は流路の目詰まりを引
き起こし易い）を避けるため、加熱の必要のない（また
過度に発熱することのない）、次のような反応を用いる
ことがより望ましい。

【００４８】

【数３】 これは、室温における相変化（例えば、固体状から気体
状ＣＯ₂ ）などである。あるいは次のような反応であ
る。

【００４９】

【数４】 このような反応は、この技術において多く知られ、気体
状推進体の発生に用いられる。

【００５０】装置を入／切するための手段と同様に、望
むときに反応を開始／終結できるよう、通常、反応を制
御する。あるいは、推進体流を調整するためのバルブを
経て流路４６と繋がっている、推進体キャビティ中で反
応を起こす。通常、この実施の形態においては、推進体
を所定の操作圧力に調整するためのバルブも備える必要
がある。

【００５１】設定すべき推進体流速及び圧力は、以下に
述べる印刷装置の実施の形態に依る。一般に、適当な推
進体の例としては、ＣＯ₂、清浄で乾燥した空気、Ｎ₂、
気体状反応生成物等が挙げられる。推進体は、無毒なも
のが望ましい（ある実施の形態では、装置を特別のチャ
ンバ等に密閉するなどして、より広範囲の推進体を用い
ることができる）。望ましくは、推進体は室温で気体状
であるが、適当な実施の形態では高温の気体を用いるこ
ともある。

【００５２】発生させた又は供給した推進体は、いずれ
も流路４６に入り、流路を前後軸方向に移動して排出オ
リフィス５６から排出される。流路４６は、排出オリフ
ィス５６から排出される推進体流が被印刷体に向かって
進むよう指向している。

【００５３】本発明のある実施の形態では、被印刷体の
印刷に、固体状、微粒子印刷物質を用いる。印刷物質粒
子の大きさは、０．５〜１０．０μｍ、望ましくは１〜
５μｍの範囲であるが、この範囲を超える大きさも、特
定の応用例（例えば、粒子が移動するポート及び流路が
より大きい又は小さい）において用いられる。

【００５４】固体状、微粒子印刷物質の使用にはいくつ
かの利点がある。まず、例えば液状インキと比べて流路
の目詰まりが少ない。次に、被印刷体上での印刷物質
（又はそのキャリヤ）のウィッキング及びにじみ、また
印刷物質／被印刷体相互作用が小さい、又は無い。第３
に、液状印刷物質に見られる、排出オリフィスでの表面
張力に起因するスポット位置の問題を回避する。第４
に、表面張力による気泡の付着によって生じる流路の閉
塞を回避する。第５に、次の印刷（例えばピクセル）の
ための流路の汚染を起こす危険なく、複数の印刷物質
（例えば、複数の着色トナー）を、単一流路複数物質
（例えば多色）印刷のための流路へ導入する際に混合す
ることができる。これにより見当合せにかかる経費（装
置、時間、関連する印刷部品等）を無くすことができ
る。第６に、デューティサイクルの流路の補充にかかる
部分（ＴＩＪではデューティサイクルの８０％まで）を
無くすことができる。第７に、液状印刷物質の場合に
は、乾燥時間が必要なため処理速度に制限があったが、
これが不要となる。

【００５５】乾燥微粒子印刷物質には多くの長所がある
が、液状印刷物質、又は液状と乾燥印刷物質とを組み合
わせて用いることが有利な応用例もある。このような例
では、単に固体状印刷物質の代わりに液状印刷物質を用
いる、又は例えば調量装置の変更など、この技術に精通
した者には自明の、あるいは本件に述べる適当な操作及
び装置の変更を行って本発明を用いる。

【００５６】本発明のある応用例では、被印刷体表面に
印刷前処理を行うことが望ましい。例えば、微粒子印刷
物質が所望のスポット配置に定着するのを助けるため、
微粒子印刷物質を保持するよう調製した接着層で被印刷
体表面を予め被覆すると良い。このような物質の例とし
ては、ホモポリマー、ランダム共重合体、又はブロック
共重合体などの、透明及び／又は無色の重合物が挙げら
れ、これらは、低沸点の溶媒に溶解したポリマー溶液と
して被印刷体に塗布する。被印刷体に塗布する接着層の
厚さは、１〜１０μｍ、望ましくは約５〜１０μｍであ
る。このような物質の例としては、直鎖又は分枝のポリ
エステル樹脂、ポリ（スチレン性）ホモポリマー、ポリ
（アクリル酸エステル）及びポリ（メタクリル酸エステ
ル）ホモポリマー及びそれらの混合物、あるいはスチレ
ン性モノマーとアクリル酸エステル、メタクリル酸エス
テル又はブタジエンモノマー及びそれらの混合物とのラ
ンダム共重合体、ポリビニルアセタール、ポリビニルア
ルコール、ビニルアルコール−ビニルアセタール共重合
体、ポリカーボネート及びそれらの混合物等が挙げられ
る。これらの表面前処理物質は、プリントヘッドの前縁
に設けられた、本件に述べられている型の流路より射出
し、これにより、単一流路で前処理物質と印刷物質の両
方を射出する。あるいは、被印刷体の全面に前処理物質
を塗布し、次に別途本件に述べられている印刷を行う。
更に、ある応用例では、更に述べられているように、飛
行中に印刷物質と前処理物質とを混合して、両者を同時
に印刷することが望ましい。

【００５７】同様に、本発明のある応用例では、被印刷
体表面に印刷後処理を行うことが望ましい。例えば、印
刷を行った被印刷体の一部又は全てに光沢仕上げを行う
ことが望ましい。ある例では本件に述べた方法で、別
途、被印刷体に文字と図形の両方を含む印刷を行い、文
字部分を除いて図形部分だけに選択的に光沢仕上げを行
うことが必要とされる。これは、プリントヘッドの後縁
の流路から印刷後処理を行うことにより達成され、これ
により単一流路で印刷と印刷後処理を行うことができ
る。あるいは、被印刷体の全面に適当な印刷を行い、次
に本発明の印刷装置に通して印刷後処理を行う。更にあ
る応用例では、本件に更に述べるように、飛行中に印刷
物質と後処理物質とを混合するなどにより、両者を同時
に塗布することが望ましい。所望の表面仕上げを得るた
めの物質の例としては、直鎖又は分枝のポリエステル樹
脂、ポリ（スチレン性）ホモポリマー、ポリ（アクリル
酸エステル）及びポリ（メタクリル酸エステル）ホモポ
リマー及びそれらの混合物、あるいはスチレン性モノマ
ーとアクリル酸エステル、メタクリル酸エステル又はブ
タジエンモノマー及びそれらの混合物とのランダム共重
合体、ポリビニルアセタール、ポリビニルアルコール、
ビニルアルコール−ビニルアセタール共重合体、ポリカ
ーボネート及びそれらの混合物等が挙げられる。

【００５８】その他の印刷前及び印刷後処理には、肉眼
には見えない印刷物質での印刷の下書き／上書き、文書
の修正防止コーティング、例えば特別の解読器による特
定波長（例えば、赤外又は紫外範囲）でのみ検出でき
る、特有波長染料又は顔料を用いる防護暗号化、等が含
まれる。また別の印刷前及び印刷後処理には、被印刷体
又は表面地質コーティング（例えば、任意に粗い又は滑
らかな被印刷体となるようエンボス効果を与える）、被
印刷体上で物理的又は化学的反応を起こすような物質
（例えば、被印刷体上で混ざると、硬化又は他の方法で
印刷物質を被印刷体に定着する反応を起こす２種類の物
質）等が含まれる。別途記述がない限り、又はこの技術
に精通した者には明らかなように、本件で参照した、印
刷物質の輸送、調量供給、貯蔵などのための装置及び方
法は、印刷前及び印刷後処理物質（及び一般に、他の非
印刷物質）にも同様に用いることができる。

【００５９】先に述べたように、印刷物質は、固体微粒
子物質又は液体のいずれでもよい。しかし、この組み合
わせには幾つかの選択肢がある。例えば、固体粒子の単
なる集合は別として、気体状キャリヤ（つまりエーロゾ
ル）又は液状キャリヤに懸濁した固体状印刷物質であ
る。他の例には、多相物質が含まれる。図３４を参照に
するならば、この物質は、ある固体状印刷物質粒子２８
６を液状キャリヤ媒体２８８の不連続な凝集中に懸濁し
たものである。粒子とそれを取り囲むキャリヤの混合物
は、キャリヤ媒体のプール２９０中にある。キャリヤ媒
体は無色の誘電体で、印刷物質に流動性を与える。固体
状印刷物質粒子２８６は１〜２μｍ程度の大きさで、実
効電荷を持つ。更に次に述べる方法により、荷電印刷物
質粒子２８６は、ポート２９４付近の適当な電極２９２
により生じる電界に引き付けられ、流路２９６に向か
う。補助電極２９８は印刷物質粒子２８６の排出を促
す。ポート２９４の流路側にメニスカス３００が生じ
る。粒子２８６／キャリヤ２８８混合物が、メニスカス
３００を通して引っぱられると、表面張力により粒子２
８６は表面にキャリヤ媒体の薄いフィルムを残しただけ
で、キャリヤ媒体２８８より引き出される。この薄いフ
ィルムは、殆どの種類の被印刷体に粒子２８６を付着さ
せ、特に射出速度が遅い場合には、射出後処理（例えば
定着）前に粒子位置を保つのに有用である。

【００６０】印刷過程の次のステップは通常、印刷物質
を推進体流に調量供給することである。以下では特に印
刷物質の調量供給について述べるが、この記述には前述
の印刷前及び印刷後処理物質などの他の物質の調量供給
も含まれることは明らかであり、以下の参照では記述を
明快にするため、印刷物質についてのみ述べる。このよ
うに調量供給は、本発明の様々な実施の形態で行われ
る。

【００６１】印刷物質の調量供給に関する最初の実施の
形態によれば、印刷物質には静電電荷を運ぶ物質が含ま
れる。例えば、印刷物質には、電荷ダイレクタと共にバ
インダ中に懸濁した顔料が含まれる。電荷ダイレクタ
は、例えば、図３に示す、キャビティ２８中のコロナ６
６Ｃ、６６Ｍ、６６Ｙ、６６Ｋ（これらを合せてコロナ
６６と呼ぶ）で荷電される。別な方法としては、例えば
キャビティ３０中（又はポート４４などの他の適当な位
置）にあるコロナ４５により、推進体ガスを最初から荷
電する。荷電推進体は、流動床８６Ｃ、８６Ｍ、８６
Ｙ、８６Ｋ（これらを合せて流動床８６と呼び、これに
ついては更に後に述べる）を形成し、また印刷物質に電
荷を与えるという二つの目的で、ポート４２を通ってキ
ャビティ２８に注入される。また他の方法としては、キ
ャビティ２８の外部にある他の手段又は他の装置による
摩擦荷電などがある。

【００６２】再度図３を参照として、流路４６の一方、
ポート４２に対向する面にそれぞれ電極５４Ｃ、５４
Ｍ、５４Ｙ、５４Ｋ（これらを合せて電極５４と呼ぶ）
を形成する。キャビティ２８中（又は、ポート４４に又
はその中などの他の場所）に、対応する対電極５５Ｃ、
５５Ｍ、５５Ｙ、５５Ｋ（これらを合せて対電極５５と
呼ぶ）を形成する。電極５４と対電極５５により電界を
生じると、荷電印刷物質は電界に引き寄せられ、キャビ
ティ２８から出てポート４２を通り、流路４６中の推進
体流へほぼ直角に排出される。電極の形状と位置、また
それに印加される電荷が電界の強度を決め、また印刷物
質を推進体流へ注入する力を決定する。一般に、推進体
流の力により印刷物質に与えられる運動量が注入力より
大きく、流路４６中の推進体流に一旦入った印刷物質
が、推進体流と共に被印刷体に向って排出オリフィス５
６より射出されるよう、印刷物質を推進体流に注入する
力を調節する。

【００６３】電極５４及び対電極５５の代わりに又は補
助として、各ポート４２に静電ゲートを備える。図１４
（ａ）及び図１４（ｂ）を参照とするなら、このゲート
は、ポート４２の直径を内径とする、二つの部分から成
る環状又は帯状電極９０ａ、９０ｂであり、接触層９１
ａ及び９１ｂを経て制御可能な切り替えできる電源に接
続している。環状電極により発生する電界は、荷電印刷
物質を引き寄せ又は反発する。層９１ａ及び９１ｂは、
フォトリソグラフィ、機械加工又は他の方法でパターン
を形成し、各々の電極９０ａ、９０ｂのマトリックアド
レス化を行う。

【００６４】また別の印刷物質の調量供給法の実施の形
態を図１５に示す。この実施の形態は、流路４６中の推
進体流の方向とほぼ平行に伸びた、一つ以上の流路部１
３６から成る。各流路部１３６は、間にスペーシング層
として層１４０を挟んだ、本体２６（又は適当な上の
層）と層１３８の間に形成する。各層は、適当な、厚
い、エッチングしたフォトレジスト、機械加工したプラ
スチック又は金属、あるいは本発明の特定の応用例によ
り規定される他の素材である。流路部１３６の長さ（印
刷物質の移動する方向に）は１００μｍまで又はそれ以
上である。流路部１３６の、本体２６と層１３８の表面
に、ほぼ平行に向かい合った板状電極１４２及び１４４
をそれぞれ設ける。

【００６５】このような開口部配列の場合、様々な電極
を行又は列のいずれかの線でアドレス化し、マトリック
アドレス化スキームを用いられるようにする。ある実施
の形態では、電極が、印刷物質の調量供給のための静電
ゲートを形成する。

【００６６】通常、また特に図１５に示すような平行板
状電極の場合には、荷電印刷物質又は非荷電印刷物質を
用いる。非荷電印刷物質を用いる場合、印刷物質は、空
気及び推進体の両者より相当高い誘電率を持つものであ
る。このような場合、電極対には反対の（＋／−）の電
荷を与える。非荷電印刷物質は、本質的に二つの電極が
コンデンサを形成する、平行板状電極間の電界により分
極する。電極間に生じる電界により、印刷物質は選択的
にこの電界中に（つまり、電極間がエネルギー的により
有利な位置である）留まる。このようにして印刷物質の
ポートからの排出を防ぐ。電極に印加しないと、通常、
背圧、圧力バースト等により、印刷物質はポートを通っ
て推進体流中へ排出される。印刷物質の沈着を防止する
ため、電極には交流電流を流す。

【００６７】荷電印刷物質の場合、“オン”状態では一
方の電極が印刷物質を引き付け（他方は反発する）、印
刷物質が推進体流に入るのを防ぐ。“オフ”状態では、
電極は印刷物質を通過させ、例えば背圧、圧力バース
ト、又は印刷物質の電荷と反対の極性に印加した電極５
４などの第３の電極の作用によって、印刷物質は推進体
流に流入する。印刷物質の電荷は、どちらの極性（正又
は負）でもよい。

【００６８】本発明の他の実施の形態では、例えば音響
インキ射出器で、液状印刷物質をその源から推進体流へ
射出することにより調量供給を行う。図１６に、この実
施の形態の略図を示す。図１６の実施の形態１５４で
は、流路４６は、例えば液状インキなどの液状印刷物質
である印刷物質のプール１５６の液面の上にある。実施
の形態１５４は、薄層フィルム状ＺｎＯトランスデュー
サなどの、平面状圧電トランスデューサ１５８を含む。
これは水晶、ガラス、シリコン等の音響的に平坦な板な
どの適当な音響伝導性支持体の背面に被覆した、又は別
な方法で結合させたものである。支持体１６０の反対側
又は前面の、上又はその中に、フレネルレンズ、球面音
響レンズ、又はその他の収束手段１６２の同軸相の形を
形成する。トランスデューサ１５８にｒｆ電圧をかける
ことにより音響ビームを発生し、これをプール１５６の
表面に焦点を合わせて飛沫１６４をプールから推進体流
へ射出する。グレースケール印刷をするには、飛沫１６
４の大きさ（音響ビーム強度の調整により）、短時間に
射出される飛沫の数などを調整して、推進体流中に射出
される印刷物質の量を調節する。

【００６９】更に別の実施の形態１６６では、液状印刷
物質の推進体流への調量供給に、ＴＩＪ装置１６８など
のインキジェット装置を用いる。図１７にこの実施の形
態の略図を示す。実施の形態１６６によれば、ＴＩＪ射
出器１６８を流路４６に隣接して設置し、射出器１６８
からの印刷物質１７０は、流路４６のポート１７２より
射出される。ここでもまた印刷物質１７０は、液状イン
キなどの液状物質であり、キャビティ１７４に貯蔵され
ている。印刷物質１７０を加熱要素１７６と接触させ
る。加熱すると加熱要素は泡１７７を生じ、この泡はＴ
ＩＪ装置１６８中の流路１７８から押し出される。泡１
７７の動きにより一定量の印刷物質が流路に押し出され
（既知の他の方法と同様に）、印刷物質の飛沫１８１の
形となって推進体流に入る。本発明の単一弾道エーロゾ
ル印刷流路と共に、複数のこのようなＴＩＪ射出器を用
いることにより、印刷速度、グレースケールに優れ、ま
たその他の従来の技術を越えた長所を持つ、印刷装置及
び方法が得られる。

【００７０】液状印刷物質の射出には、他にも様々な可
能な実施の形態（加圧射出、機械的バルブ調節など）が
あるが、前述の実施の形態でもこのような印刷物質を用
いることができるのは明らかである。例えば図３に示す
装置では、印刷物質の粘度に合せてポート４２の大きさ
を決め、ポート４２に液体のメニスカスを形成させる
と、良好に作動する。このメニスカスと、対応する電極
５４とは、本質的に平行なコンデンサのプレートを形成
する。電極５４に適当な電荷を印加すると、飛沫がメニ
スカスから流路４６へ押し出される。この方法は、イン
キ類、被印刷体前処理及び後処理物質等の伝導性（及び
ある程度までは非伝導性）の液体で、良好に作用する。
これは、トーンジェットとして知られる技術と同じで、
この技術も本発明の調量供給装置及び方法として用いる
ことができる。

【００７１】本件に述べる実施の形態を更に効果的に行
うため、印刷物質をキャビティ２８から排出して推進体
流に注入する、圧力の噴出又は一様な力を用いることが
望ましい。この圧力噴出は、図１８に示すように、各キ
ャビティ２８中に設けた、圧電トランスデューサ／振動
板６８Ｃ、６８Ｍ、６８Ｙ、６８Ｋ（これらを合せてト
ランスデューサ／振動板６８と呼ぶ）などの、様々な装
置により供給される。トランスデューサ／振動板６８の
ひとつ以上は、補助調量供給装置と連動し又は独立し
て、アドレス化手段６９Ｃ、６９Ｍ、６９Ｙ、６９Ｋ
（これらを合わせてアドレス化手段６９と呼ぶ）により
個々にアドレスすることができる。ゲートで制御した推
進体源からの圧力など、様々な他の別の方法も用いるこ
とができる。

【００７２】本発明の、推進体流への印刷物質の調量供
給には、また別の手法も用いることができる。例えば、
前述のトナージェットと呼ばれる技術を用いる。この技
術は、例えば公開特許出願ＷＯ ９７ ２７ ０５８
（Ａ１）に述べられており、その内容は本件に援用され
る。あるいは、ミクロミスト装置を用いてもよい。

【００７３】本発明による印刷物質の調量供給に関する
多くの実施の形態では、可動部分は用いられていない。
このため調量供給は、例えば１０ｋＨｚ以上と、非常に
高い切り替え速度で行われる。更に機械的可動部分が無
いことにより、調量供給装置の信頼性はより高くなる。

【００７４】用いられる調量供給装置の制御には、多く
の簡単なアドレス化スキームを用いることができる。そ
のスキームの一つを図１９に示す。ここでは、印刷物質
を流路４６に調量供給する、調量供給装置２０２Ｃ、２
０２Ｍ、２０２Ｙ、２０２Ｋ等（これらを合わせて調量
供給装置２０２と呼ぶ）の配列２００の各“行”は、例
えば接地している共通線路２０６を経由して相互に結合
している。各“列”は、印刷物質の単一流路４６への導
入を共に制御する調量供給装置２０２から成る。各列の
各調量供給装置は、例えば関連する調量供給装置をマル
チプレクサ２１０などの制御機構と接続する配線２０８
で、それぞれアドレス化する。例えば５μｍ程度の幅で
ある配線２０８を形成するために十分な広さを持つよ
う、各“列”の幅は、例えば８４μｍ程度であることに
留意すべきである。図２０に示す別の実施の形態では、
共通線路２０６の代わりに、調量供給装置２０２の各
“行”をそれぞれアドレス化するもの、例えばマルチプ
レクサ２１２を用いて、調量供給装置を完全にマトリッ
クスアドレス化する。

【００７５】本発明のある実施の形態の実現には、いく
つかの機構が有用でありまた必要である。例えば、再度
図３を参照するなら、キャビティ２８から流路４６への
印刷物質の流れをスムーズにし、またポート４２の目詰
まりを防止する必要がある。この解決法として、少量の
推進体をキャビティ２８に逆流させる。そのためには、
キャビティ中の圧力が流路より僅かに低くなるよう、流
路とキャビティの圧力を釣り合わせなければならない。
圧力バランスを行うための配置を図２１に示した。図２
１は、ある実施の形態のキャビティ２１４を示したもの
で、キャビティの一方の壁には、キャビティ２１４中の
印刷物質を流路４６に（図示されていない、調量供給装
置の制御下）排出するための、流路４６に通じたポート
４２がある。キャビティ２１４の一方の壁には、印刷物
質が漏れない程度の粗さのフィルタ２２０を備えた開口
部がある。フィルタ２２０は、配管２２２を経て、回路
構成要素２２６で制御されるバルブ２２４と繋がってい
る。また回路構成要素２２６は、キャビティ２１４中の
圧力センサ２２８、及び流路４６中の、例えばその収束
部（図示していない）直前に置かれた圧力センサ２３０
にも繋がっている。キャビティ２１４中の圧力を、圧力
センサ２２８で測定し、圧力センサ２３０で測定する流
路中の圧力と比較する。装置の作動開始時、流路４６の
圧力が上昇するまで、バルブ２２４は閉じている。作動
圧力が定常状態に達すると、バルブ２２４は制御を受け
て開く。回路構成要素２２６は、制御可能な調節バルブ
２２４により、キャビティ２１４中の圧力を、流路４６
よりわずかに低く保つ。この圧力差で、流路よりキャビ
ティに逆流する推進体量を調節する。

【００７６】再び図３を参照として、前述のように（又
は他の手段により）ポート４２を通ってキャビティ２８
に入った推進体は、ポート４２の近くで印刷物質の局所
的な混乱を生じる。適度な塑性、充填密度、磁性等であ
り、適当な大きさと形に成形された粒子である印刷物質
を用いた場合、擾乱（つまり、推進体が印刷物質を通り
抜けることによる）により粒子間の摩擦及び他の結合力
が十分小さくなり、印刷物質は擾乱部分で液体様の性質
を持つ。この状態で、印刷物質の流動化した部分８６
Ｃ、８６Ｍ、８６Ｙ、８６Ｋ（これらを合せて流動床８
６と呼ぶ）が生じる。ここに述べた方法で流動床８６を
生じることにより、印刷物質は均一な流れとなり、粘性
の少ない液体様の物質を生じ、また逆流する推進体でポ
ート４２を、効果的、連続的にクリーニングする。これ
によって、正確なスポットサイズ、位置、色等が得られ
る。

【００７７】図２２を参照するならば、線２４０は、図
２１のポート４２付近の流路４６における圧力を、時間
に対してプロットしたものである。線２４２は、図２１
のセンサ２３０での圧力（Ｐ₂₃₀）（つまり、流路４６
のノズル部直前の圧力）を示す。線２４４は、キャビテ
ィ２１４が保たれる、設定圧力（Ｐ_set）を示す。流路
中の圧力が定常状態となり、流路４６とキャビティ２１
４の間が所望の圧力平衡に達するまでには多少時間がか
かるため、目詰まりや印刷物質の漏れなどを防止するに
は、より早く圧力を平衡させることが望ましい。このた
め、例えば、図２１に示されるキャビティ２１４中の開
口部２３２より、推進体源からの加圧推進体をキャビテ
ィに導入する（又は他の方法で、キャビティ２１４を加
圧する）。

【００７８】図２３に、流動床を備えた別な配置２６０
を示す。この実施の形態では、電極及び印加装置は、流
動床を生じるだけでなく、調量供給にも用いられる。概
念的には、この実施の形態は３つの部分に分割でき、こ
れらは相補的に、印刷物質の“バウンド”、“調量供
給”、“射出”を行う。ドナーロール、ベルト、ドラム
等の印刷物質キャリヤ２６２（これには、従来の磁気ブ
ラシ２８３で印刷物質を供給する）が、本体２６６中に
形成されたキャビティ２６４（前述のキャビティ２８）
からわずかに離れたところに置かれる。本体２６６の基
部には、キャビティ２６４と、流路４６とを繋ぐ、例え
ば円筒形の開口部であるポート２６８が形成される。本
体２６６は、一体構造、又は、例えば半導体層２７２
（ケイ素など）と絶縁層２７４（プレキシグラスなど）
から成る多層構造である。キャビティ２６４の壁は、必
要に応じて、絶縁境界を適度に滑らかにするため、誘電
体（テフロンなど）でコーティングする。むろん、この
コーティングは、本件に述べる他の実施の形態にも用い
ることができる。

【００７９】ポート２６８のキャビティ側には、第１電
極２７６を形成する。これは構造内に置かれた連続的な
金属層、又はこのようなポート配列の各ポート２６８毎
に対応したパターンを形成したものである。ポート２６
８の流路側には、第２電極２７８を形成する。これは通
常、ポート２６８と同心円の環状である。必要に応じ
て、キャビティ２６４からの印刷物質の排出を助けるた
め、流路中に補助電極５４を形成する。

【００８０】配置２６０中の各点における電圧を適当に
選ぶことにより、所望の３つの機能を得ることができ
る。例えば表２に、可能な電圧の例を示す。

【００８１】

【表２】 配置２６０では、印刷物質２８２は、例えば摩擦帯電又
はイオン荷電により荷電され、このためキャリヤ２６２
に保持される。キャビティ２６４中のＡＣ電圧のため、
荷電トナーはキャリヤと第１電極２７６の間で“バウン
ド”する。ＤＣバイアスは、キャリヤ２６２と印刷物質
輸送ロール２８４の間に保たれる電位差であり、印刷物
質溜め２８７から印刷物質を連続的に供給する。粒径と
荷電−直径比（Ｑ／ｄ）分布の狭い印刷物質では、バウ
ンドはＡＣ周波数に同期する。最適なＡＣ周波数は、キ
ャリヤ２６２と第１電極２７６間の印刷物質の通過時間
により決まる。すなわち、周期Ｔは通過時間τの２倍で
ある。

【００８２】ゲート調整電圧は、ポート２６８を開
（“オン”）及び閉（“オフ”）する。“オン”状態で
は、電圧の極性は荷電印刷物質の極性と正反対であり、
このため印刷物質は第１電極２７６と第２電極２７８間
の電界にそれぞれ引き寄せられる。最終的に、補助電極
５４により射出電圧に達すると、荷電印刷物質粒子は流
路４６に射出され、ここで推進体流により被印刷体へ向
けて運ばれる。

【００８３】印刷物質をポート４２へ、特に、速度、精
度及び正確なタイミングに制御して移動させることが必
要である。この過程を印刷物質輸送と呼び、様々な手法
で行うことができる。

【００８４】この手法の一つとして、静電輸送波を用い
て各々の印刷物質粒子を移動させる。図２４を参照とす
るなら、この方法では、各ポート４２の近くに設けた、
等間隔に置いた電極８８のグリッド１４８に、同期した
ＤＣ高電圧波をかける。グリッド１４８は、フォトリソ
グラフィによりキャビティ内部にアルミニウムで形成す
る、又はキャビティ内に取り付けた、取り外しできるキ
ャリヤ上に形成する。

【００８５】図２５に、印刷物質を調量供給するため、
静電輸送波のための電極８８を、電極１４２（記載され
ていない）と１４４と共に備えた実施の形態を示す。し
かし、様々な他の輸送及び調量供給法の組み合わせも、
本発明の範囲に含まれることは理解されよう。

【００８６】電極８８の表面を保護し、また既知の時定
数で迅速に電荷を散逸させて、グリット１４８に沿い印
刷物質を移動させるため、電極８８の上に防護層及び緩
和層を被覆する。また適当なコーティングは、印刷物質
の移動方向の制御を助け、電極間に捕えられる印刷物質
を減らし、電極の酸化及び腐食を小さくし、電極間のア
ーク放電を少なくする。

【００８７】本件に述べる輸送及び調量供給機能は、単
一の装置で行い、また単一ステップに集約されることが
明らかである。しかし、本発明による印刷物質の輸送及
び／又は調量供給法は、単独に又は共に用いても、従来
の技術に見られた多くの課題を解決するものである。例
えば、印刷物質はほぼ即時に推進体流に射出することが
できる。これはインキジェット装置に一般的な、流路の
充填に要する待ち時間の問題を解決する。更に、印刷物
質が推進体流に入ってから被印刷体上に印刷されるまで
の速度は、従来の技術で得られるものより格段に早く、
実際、いくつかの実施の形態では連続的に供給できる。

【００８８】例として、６００ｓｐｉに配置した流路を
用いるページ幅（８．５インチ（２１．５９ｃｍ））配
列のプリントヘッドを考える。スポットサイズは排出オ
リフィスの直径の１．５倍であると仮定する（簡単にす
るため、排出オリフィスの断面は円形であるとする）。
このときスポット面積は、オリフィスの２．２５倍とな
る。また印刷物質は、直径１μｍの固体微粒子トナー
で、紙である被印刷体の全面を、単色で、粒子５個分の
厚さに覆うとする。これには、推進体中に、２．２５×
１０粒子×１μｍ、又は２２．５μｍの長さの印刷物質
を供給する必要があることを意味するが、余裕を見て、
長さを１５μｍとする。

【００８９】目詰まりを防ぐため、更に印刷物質の供給
速度を、推進体速度よりひと桁以上低いと仮定する。推
進体速度が約３００ｍ／秒（ｍ／ｓ）の場合の印刷物質
の供給速度を１ｍ／ｓ（ＴＩＪ飛沫の射出速度はほぼ１
０ｍ／ｓ）とする。１ｍ／ｓでは、１５μｍの長さの印
刷物質の供給に２５μｓかかる。言い換えれば、スポッ
ト印刷時間は、約２５μｓ／スポットである。

【００９０】この配列では、８．５×１１インチ（２
１．５９×２７．９４ｃｍ）の紙に完全に印刷を行うの
に、１１インチ（２７．９４ｃｍ）×６００ｓｐｉ×２
５μｓ／スポット、又は１６５ミリ秒（ｍｓ）かかる。
理論的には、これは約３６０ページ／分に相当する。Ｔ
ＩＪ装置では、最大約２０ページ／分であることと比較
されたい。処理量のこの向上の理由の一つは、印刷物質
の連続供給が可能なことである。つまり、ＴＩＪ装置で
は印刷時間（印刷物質射出時間）が、デューティサイク
ルのようやく２０％（ＴＩＪデューティサイクルの８０
％までが流路にインキを補充するための待ち時間に費や
される）であるのに比べ、この装置ではデューティサイ
クルにおける印刷時間の割合が１００％に近い。

【００９１】ある実施の形態では、キャビティ中に流動
床を生じるにもかかわらず、印刷物質がキャビティの隅
などの停滞部に集まる傾向があり、流動床を減衰させ、
印刷物質の流路への射出を妨害する恐れがある。その例
を図２６（ａ）に示す。この問題を解決し、また更に印
刷物質の輸送を促すため、キャビティ中の塊状となった
印刷物質を激しく掻き混ぜる。図２６（ｂ）に、このよ
うな撹拌を行うための実施の形態２５０を示す。キャビ
ティ２８の少なくとも一方の壁２５４に圧電物質２５６
を形成し、キャビティ２８中に機械的及び圧力撹拌を生
じさせる。この撹拌により、キャビティ２８中の印刷物
質を動的状態に保ち、停滞部の発生を防ぐ。

【００９２】フルカラー印刷機など、多数の印刷物質を
用いる装置では、２種以上の印刷物質を、被印刷体上に
射出する前に流路中で混合する。（以下の記述もまた、
印刷前処理及び印刷後処理物質などの他の物質を含むも
のである。）この場合、各印刷物質はそれぞれ流路に調
量供給する。これには各印刷物質の調量供給の独自な制
御が必要であり、また必要なアドレス化及び他の調量供
給により、処理速度が制限される。例えば図２７に、各
流路４６に１色以上の印刷物質を供給する多色印刷装置
を示す。流路４６への印刷物質の流れを制御するため、
例えば前述の型の調量供給装置１０４を、前述のように
行アドレス導線１０６と列アドレス導線１０８により、
マトリックス型にアドレス化する。受動的にアドレス化
される行アドレス導線１０６の、８インチ（２０．３２
ｃｍ）長の組に関連するＲＣ時定数により、これらの配
線の達成可能な最小シグナル立ち上がり時間は、数マイ
クロ秒に制限される。我々はこれを５ｋＨｚで２μｓと
想定した。これより、調量供給装置の最小“オン”時間
は、約５μｓとなる。ｎビットグレースケール印刷で
は、各色の全てをカバーするのに、２×５ⁿμｓ／スポ
ットかかる。このため、６００ｓｐｉでのページ全面の
印刷には、１１インチ（２７．９４ｃｍ）×６００ｓｐ
ｉ×（２×５ⁿ）μｓ／スポット、又は約３３×２ⁿｍｓ
を要する。これは、約１８００×２^-nページ／分に相当
する。流路当たり５ビットのグレースケール（ｎ＝５）
では、この装置は、フルカラーで５６ページ／分まで処
理でき、フルカラー（ＣＭＹＫスペクトルを用いる場
合）は、単一流路の各スポットに用いられる。例えば２
ビット以上のグレースケールで３００ｓｐｉ以上と、比
較的高いスポット密度を提供し、スポットの大きさをあ
まり変えずに様々なレベルのグレースケールを得ること
が本発明の主眼であることに留意すべきである。つま
り、スポットサイズを、例えば１２０μｍと一定にした
まま、印刷物質の濃度を変化させ、スポット毎に異なる
レベルのグレー又は色を得るものである。

【００９３】より早くアドレス化を行い、これによりよ
り迅速な印刷が可能となる他のアドレス化スキームが知
られている。例えば、平行アドレス化スキーム（つま
り、行アドレス線を持たない）を用いると、シグナル立
ち上がり時間はひと桁小さくなる。最小調量供給装置
“オン”時間が１μｓである装置では、フルカラーグレ
ースケール印刷を、約２８０ページ／分行うことができ
る。

【００９４】処理量と色深度／グレースケール間には兼
ね合いがあるため、これらの特性のいずれか又は両方が
最適となるよう装置を設定することができる。表３に、
上記の仮定に基づいた、処理量と色深度／グレースケー
ルマトリックス、及び必要な印刷物質供給速度をまとめ
た。

【００９５】

【表３】 色深度と処理量が、装置により固定されないことは注目
に値する。これらの値は、ユーザにより、印刷装置の設
定時に調整できる。

【００９６】また、印刷される色数は、スポットサイズ
／密度に対し、ほぼガウス分布に分布することが注目さ
れる。図２８に、４色、２ビットグレースケール装置で
の値を示す。

【００９７】印刷物質のスポット位置の正確な制御は、
推進体速度に影響される。スポットの大きさと形状もこ
の速度に関わる。一方、用いられる推進体速度は、印刷
物質粒子の大きさと質量によってある程度決まる。更
に、スポット位置、大きさ及び形状は、全開した推進体
がどの程度平行に保たれているか（つまり、排出オリフ
ィスの直径の何倍か）による。図２９に、被印刷体のほ
ぼ真上から見た、推進体／被印刷体相互作用の概念図を
示す。流線１１０は、円筒形の推進体流が被印刷体の表
面で、印刷物質スポット１１２の円盤から離れる流れの
形となることを示している。

【００９８】通常、印刷物質粒子は、推進体より与えら
れた慣性力（垂直運動量）によって、被印刷体上に配置
される。しかし、その被印刷体上の位置は、図３０に示
す、推進体／被印刷体界面に生じる、流体力学的力の横
方向へ成分によって、中心から逸らされる。より質量の
小さい粒子（推進体速度に関して）は推進体流の中心か
ら、また更にスポット中心から逸らされる。この結果、
スポットは、図３０にも示す、ガウス密度分布１１４と
なる。

【００９９】図３１を参照として、推進体／被印刷体界
面効果（いわゆる被印刷体表面での横方向への牽引）に
よる印刷物質粒子の偏向の最も甚だしい推定例を示す。
このとき、幅Ｌ／２の（つまり、図３に示す排出オリフ
ィス５６の幅はＬ／２）推進体流１１８中で、密度ρ_p
の粒子１１６が、完全に平らな被印刷体３８に、速度ｖ
で垂直に向かうとする。被印刷体の表面には、厚さＬの
横方向への推進体流１２０があり、またその速度は、被
印刷体に衝突した推進体によって、速度ｖであるとす
る。つまり最も甚だしい場合、推進体速度は被印刷体表
面で完全に横方向の流れに変換される。

【０１００】横方向への牽引力による印刷物質粒子１１
６の横方向への偏位ｘを、異なる粒径Ｄについて計算す
る。レイノルズ数の方程式より、

【数５】 このとき、ρ_g＝１．３ｋｇ／ｍ³、μ_g＝１．７×１０
^-5ｋｇ−ｓ／ｍ²である。粒径３μｍ、流速ｖ＝３００
ｍ／ｓでは、レイノルズ数は７０である。これは牽引定
数（ＣＤ）２．８に相当する。牽引力ＦＤは次の式で与
えられる。

【０１０１】

【数６】 この横方向への牽引力は、垂直に入射する粒子１１６の
軌線を逸らせ、慣性求心力Ｆ_i の式により決まる、曲率
Ｒの半径を持つ軌線を描かせる。

【０１０２】

【数７】 Ｒを得るには、

【数８】 得られる偏位ｘは、次の式で与えられる。

【０１０３】

【数９】 又は、もし垂直推進体流の直径Ｌ／２を、配列ピッチの
半分とするなら、

【数１０】 様々な条件での、流速ｖ、粒径Ｄ、与えられた配列密
度、及び粒子密度１０００ｋｇ／ｍ³で、得られる偏位
ｘを、表４に示す。

【０１０４】

【表４】 進体流幅（つまり、排出オリフィスの大きさ）２１μｍ
での、最も甚だしい場合のスポットの大きさは次のとお
りである。

【０１０５】

【数１１】 スポットサイズの広がりは、推進体流／被印刷体界面で
の横方向への牽引により生じるものである。これは最も
甚だしい場合であることに留意されたい。つまり、
（１）停滞部がなく、完全に展開した横断流であり、
（２）摩擦損失と被印刷体の位相を無視し、横断流速度
は推進体流速度に完全に等しいとし、（３）牽引力は、
被印刷体からジェットの直径の２倍の距離まで減衰する
ことなく作用し、それ以上離れると消失するとする。ま
た、レイノルズ数は、特徴的な長さのスケールのため非
常に小さく、微小流体流理論によれば、乱流は発生でき
ないことにも注目すべきである。つまり、粒径が小さく
なるとＲは増大し、ある点でＲは厚さ２Ｌの横方向への
推進体流に近づく。こうなると印刷物質粒子はスポット
中心から大きく逸れ、遂には被印刷体に達しない。以上
のことから、これは（ここで行った仮定に基づき）１０
０ｎｍ以下の粒径の印刷物質で起こることが示された。

【０１０６】これは、満足のいくスポットサイズと位置
制御を示すだけでなく、仮定された条件下では、推進体
流から印刷物質を抽出し、被印刷体上に配置するため
に、特別な機構を必要としないことを例証するものであ
る。

【０１０７】しかし、被印刷体表面における推進体流か
らの印刷物質粒子の抽出を更に高めたい場合（例えば、
流速／粒径が小さい等）には、静電気的に増強した粒子
抽出法を用いる。被印刷体又はプラテン（用いる場合）
を、印刷物質粒子の電荷と反対に荷電し、粒子と被印刷
体／プラテン間の引力により、粒子の抽出を増強する。
このような実施の形態１７８を図３３に示す。ここで
は、実効電荷を受け、保持することのできるプラテン１
８０の近くに、本体２６を置く。プラテン１８０上の電
荷は、ベルト１８４又は他の手段でプラテン１８０と共
に動く、ドナーローラ１８２により、あるいは既知の他
の方法（摩擦帯電ブラシ、圧電コーティングなど）によ
り供給される。

【０１０８】ある例では、ドナーローラ１８２よりプラ
テン１８０に、正の実効電荷を供給する。印刷物質粒子
１８８には、例えば図３に示す、コロナ、又は他の手段
で、負の実効電荷を与える。被印刷体（例えば紙）を、
印刷物質源とプラテン間のプラテン側に置く。印刷物質
１８８とプラテン間の引力により、印刷物質はプラテン
に向かって加速され、この引力が十分に強ければ、特に
推進体の速度が比較的遅い実施の形態では、横方向への
推進体の牽引による印刷物質のスポット中心からのずれ
に打ち勝つことができる。更にこの引力は、“跳ね返
り”と呼ばれる、被印刷体からのバウンドによる印刷物
質の飛散、及び、射出後処理（例えば、加熱及び／又は
圧力ロール１８６による定着）前の、被印刷体の目的と
しない部分への付着や被印刷体以外の場所への付着など
の問題の解決を助ける。これは特に、後述の運動エネル
ギー融着を用いることができない場合に有益である。

【０１０９】一旦被印刷体上に射出された印刷物質は、
被印刷体へ接着又は定着しなければならない。本発明に
よる定着法は多くあるが、一つの簡単な方法は、印刷物
質粒子の運動エネルギーを用いるものである。これに
は、印刷物質粒子が、被印刷体との衝突時、衝突の塑性
変形による運動エネルギーで粒子が融解するのに十分な
速度Ｖ_cでなければならない（被印刷体は無限に固いも
のと仮定する）。融解（液又はガラス相への完全な相変
化あるいは同様な、一時的な可逆的相変化）の後、粒子
は再固化し（又は他の方法で元の相に戻り）、これによ
り被印刷体に定着する。

【０１１０】運動エネルギー融着を行うには次の要件が
必要である。（１）粒子の運動エネルギーが、粒子の弾
性限界を超えるのに十分大きい。（２）運動エネルギー
が、粒子がその軟化点を越えて相変化を起こすのに必要
な熱より大きい。図３５は、本発明の典型的な実施の形
態の、運動エネルギーに対する、印刷物質粒子数のプロ
ット１９０であり、運動エネルギー融着が起こる一般的
条件を示したものである。ある一定の運動エネルギー値
より下では、粒子は被印刷体に融着するには不十分なエ
ネルギーしか持たず、この値より上では、粒子は融着に
十分な運動エネルギーを持つ。このある一定の運動エネ
ルギー値を、運動エネルギー融着しきい値と呼び、図３
５では、境界線１９２で示す。本質的に、運動エネルギ
ーが１９４の部分にある粒子では加熱が不十分なため融
着せず、１９６の部分のエネルギーを持つ粒子は融着す
る。融着する印刷物質粒子の割合を上げるには二つの方
法がある。まず第１に、運動エネルギー融着のしきい値
を下げることである。これは本質的に印刷物質の質に関
係するものである。第２に、例えば、推進体速度を上げ
ることにより、運動エネルギー曲線全体をシフトさせ
る。

【０１１１】速度ｖ、密度ρ、直径ｄである球状粒子の
運動エネルギーＥ_kは、次の式で与えられる。

【０１１２】

【数１２】 直径ｄ、熱容量Ｃ_p、密度ρである球状粒子を、室温Ｔ₀
からその軟化点Ｔ_s以上に加熱するのに必要なエネルギ
ーＥ_mは、次の式で与えられる。

【０１１３】

【数１３】 直径ｄ、ヤング率Ｅである粒子を、その弾性限界σ_eを
越え、塑性変形領域に至るまで変形させるのに必要なエ
ネルギーＥ_pは、次の式で与えられる。

【０１１４】

【数１４】 塑性変形を起こすための極限速度ｖ_cpは次の式で与えら
れる。

【０１１５】

【数１５】 つまり、運動エネルギー融着を生じるための極限速度ｖ
_cmは、次の式で与えられる。

【０１１６】

【数１６】 Ｃ_p＝１０００Ｊ／ｋｇＫ、Ｔ_s＝６０℃、Ｔ_o＝２０℃
である、熱可塑性物質の場合、運動エネルギー融着を生
じるのに必要な極限速度は、２８０ｍ／ｓである。これ
は、先に行った仮定と一致する。この値が、粒径と密度
に依存しないことは注目すべきである。

【０１１７】推進体流を２８０ｍ／ｓ以上に保つには、
幾つかの方法がある。一つは、装置の構造によって、比
較的高い圧力（例えば、ある例では、数大気圧程度）の
推進体を、収束部４８と発散部５０とを持つ流路、例え
ば図４に示す、いわゆるデ・ラバルノズルの収束部に供
給し、推進体圧力を速度に変換するものである。ある例
では、推進体は、流路の全ての部分で亜音速（例えば３
３１ｍ／ｓ以下）である。他の例では、推進体は、収束
部４８で亜音速であり、発散部５０で超音速であり、収
束部と発散部との間のスロート５３において音速又はそ
れに非常に近い速度である。

【０１１８】図３６は、断面が各辺８４μｍの正方形で
ある、流路４６（約３００スポット／インチに相当）で
の推進体圧力に対する、排出オリフィス５６での推進体
速度ｖを示したものである。これから分かるように、ノ
ズルのある、又は無い流路のいずれでも、中程度の圧力
で、２８０ｍ／ｓは容易に達成できる。

【０１１９】上記では、被印刷体を無限に堅いものと仮
定したが、多くの場合にはそうではない。被印刷体の弾
性効果は、物質の降伏強さを減じることなく、その見掛
けのＥ係数を小さくする（つまり、物質の降伏応力を得
るためにより多くのエネルギーが必要であり、塑性変形
を行うためにより多くのエネルギーが必要である、また
Ｖ_cpが増大する）。つまり、運動エネルギーが、粒子の
溶融に必要なエネルギーより大きいにもかかわらず、衝
突が弾性的であると、粒子をバウンドさせ、加熱が不十
分となる恐れがある。このように、ある装置では（被印
刷体の弾性による）、印刷物質粒子の衝突前速度をより
高くし、又は補助溶融装置を用いなければならない。

【０１２０】補助溶融を必要とする場合（つまり、被印
刷体が弾性を持つ、印刷物質粒子の速度が小さい、等）
には、多くの手段を用いることができる。例えば、射出
ポート５４（図４に示す）の付近に一つ以上の加熱した
フィラメント１２２を備える。これにより、印刷物質粒
子の溶融に必要な運動エネルギーを減らし、あるいは実
際、飛行中の印刷物質粒子の少なくとも一部を溶融す
る。同様な効果をもたらすため、フィラメント１２２の
代わりに、あるいはそれに加えて加熱したフィラメント
１２４を被印刷体３８の近く（これも図４に示す）に設
置する。

【０１２１】溶融過程を補助する他の方法は、印刷物質
をレーザービームなどの、強力で平行な光のビーム中を
通過させるものであり、これにより印刷物質粒子の溶融
に必要な運動エネルギーを減らし、あるいは飛行中の粒
子の少なくとも一部を溶融するのに十分なエネルギーを
粒子に与える。この実施の形態を図３７に示す。これ
は、印刷物質粒子の流れ１３０が被印刷体３８に向かう
途中、レーザー１３４より発したレーザービーム１３２
などの強力で平行な光の中を通過するものである。むろ
ん、レーザー１３４以外の光源でも、同様な結果が得ら
れる。

【０１２２】図３２に示すように、密度ρ、質量ｍ、直
径ｄ、熱容量Ｃ_p、軟化点Ｔ_sである粒子が、速度ｖで、
幅Ｌ₁、高さＬ₂のレーザービーム中を通過すると仮定す
る。この粒子の、入熱ΔＱによる温度変化ΔＴは、次の
式で与えられる。

【０１２３】

【数１７】 レーザー出力密度ｐは、次のように、レーザー出力Ｐを
楕円の面積で割ることにより求められる。

【０１２４】

【数１８】 単位時間当りに粒子に吸収されるエネルギーは、レーザ
ー出力密度×照射される粒子の面積（πｄ²／４）×吸
収係数αにより与えられる。

【０１２５】

【数１９】 粒子がビーム中を移動する間に粒子に吸収されるエネル
ギーは、次の式で与えられる。

【０１２６】

【数２０】 これにより、温度変化は次の式で与えられる。

【０１２７】

【数２１】 粒子の初期温度をＴ₀ とした場合、粒子を、そのガラス
転移温度以上に加熱するのに必要なレーザー出力は、次
の式で与えられる。

【０１２８】

【数２２】 例として、次の値を仮定した。

【０１２９】

【表５】 この例によれば、印刷物質粒子の溶融に必要なレーザー
出力は、１．９ワットである。これは、連続ビーム、フ
ァイバーで結合したレーザーダイオードアレイなどの、
市販のレーザー装置の通常の出力範囲である。

【０１３０】図３８は、様々な粒子速度での、粒径に対
する粒子の溶融に必要な光源の出力をプロットしたもの
であり、例えば、レーザーダイオードによる飛行中溶融
が可能な粒径及び速度を示している。飛行中溶融が有利
であるのは、嵩のない物質が加熱されることである（嵩
のある印刷物質でも被印刷体でもない）。このため、飛
行中溶融は様々な印刷物質供給パッケージ（例えば、固
定設置及び取り外し可能な印刷物質容器等）に用いるこ
とができ、粒子温度が比較的高いにも関わらず、印刷物
質のエンタルピーが低い（つまり、熱質量が低い）た
め、様々な被印刷体に用いることができる。

【０１３１】また、本発明の特定の応用例によれば、他
の融解過程を補助する方法も用いることができる。例え
ば、推進体自体を加熱する。推進体の熱が印刷物質粒子
を融解させると流路の汚染と目づまりを引き起こすた
め、結果的には望ましくないが、十分な熱エネルギーを
粒子に与えて溶融時間を短くし、衝突融着に要する運動
エネルギーを少なくする。被印刷体（又はプラテンなど
の被印刷体キャリヤ）は、運動エネルギー融着を補助す
るために、又は実際に印刷物質粒子を融解するために十
分加熱される。あるいは、現在の電子写真装置で用いる
定着法と同様に、熱、圧力、又はこの二つを組み合わ
せ、装置の分離部で定着を行う。印刷物質として、ＵＶ
硬化物質を用いる場合、飛行中又は被印刷体上でＵＶ照
射を行い、定着又は硬化させる。

【０１３２】本発明の重要な点は、ピクセル毎に相変化
及び定着を行えることであることは明らかである。つま
り、従来の技術の多くは、液状インキ又は液状キャリヤ
中のトナーなど、嵩のある液相の印刷物質に限られてい
た。本発明では、非常に解像度に優れた、ピクセル毎に
複数印刷物質又は複数の色を用いる単一流路印刷を行う
ことができる。

【０１３３】本発明のある実施の形態では、印刷装置が
作動している間、推進体は連続的に流路を流れている。
これには、装置が被印刷体に印刷できる速度を最大に保
つ（一定の待機状態）、流路に蓄積する印刷物質を常に
取り除き、また流路への汚染物質（紙の繊維、埃、外界
の湿気からの水分等）の侵入を防ぐなど、いくつかの目
的がある。

【０１３４】装置の電源が切られているなどの非作動状
態では、推進体は流路中を流れていない。この状態での
汚染物質の侵入を防ぐため、図３９に示す、閉鎖構造１
４６を、プリントヘッド３４の面、特に排出オリフィス
５６と接触させる。閉鎖構造１４６は、ゴム板、又は他
の、流路を外界より密閉できる不浸透性の素材である。
あるいは、プリントヘッド３４が印刷装置中で可動であ
る場合は、ＴＩＪ及び他の印刷装置中で一般的に用いら
れるように、印刷装置中の保守部へ移動させる。また、
プラテン、ローラ等で支えられているシート状媒体に印
刷を行う印刷装置で、更に、プラテン、ローラ等がゴム
などの適当な素材でできている場合には、プリントヘッ
ド３４を、プラテン、ローラ等と接するまで移動して流
路を密閉する。あるいは図４０に示すように、プラテ
ン、ローラ等を移動してプリントヘッド３４と接触させ
る。

【０１３５】ポート４２と、それに繋がる流路１３６、
及び電極１４２、１４４を、前述の流動床を形成する推
進体流により清掃する。あるいは、流路と印刷物質キャ
ビティとの間の圧力平衡を調整して、印刷物質が流路に
注入されないときに前記のポートなどに推進体を流すこ
とにより清掃を行う。

【０１３６】別な実施の形態３２０を図４３に示す。実
施の形態３２０では、プリントヘッド３２２に推進体流
を逆流させることが不可欠である。流動床３２４を、バ
ルブ３２６又は同様な手段の制御下、推進体源３３から
の推進体などの適当な気体によって形成する以外は、本
件での記述の多くはこの実施の形態にも同様に適用され
る。エーロゾル部３２８は流動床３２４の上に、流動床
３２４と同じく気体又は他の手段で形成する。エーロゾ
ル部３２８からの印刷物質は推進体流へ調量供給され
る。

【０１３７】以上のように、本件では、弾道エーロゾル
印刷装置及びその部品の様々な実施の形態を開示してい
ることが明らかとなった。これらの実施例には、加圧推
進体を供給するための一体化した貯蔵部及びコンプレッ
サ、補充可能な又は同等の離れたところにある印刷物質
貯蔵部、運動エネルギー融着のための高い推進体速度
（超音速と同等）を持ち、一種又はそれ以上の幅広く様
々な被印刷体に、非常に高い処理量、又は非常に大きい
面積に迅速に印刷を行うよう設計された、大規模な装置
から、印刷物質と推進体を充填した交換可能なカートリ
ッジを備え、紙に高画質、高速の印刷（カラー又は単
色）ができるよう設計された、小規模な装置（例えば、
デスクトップ型、ホームオフィス用等）までが包含され
る。本件に述べられ、言及された実施の形態では、単一
印刷物質、単一流路フルカラー印刷物質の印刷、肉眼に
は見えない物質の印刷、印刷前処理物質、印刷後処理物
質等の印刷が可能であり、このとき実質的に全ての印刷
物質を、被印刷体上に印刷する前に装置の流路中で混合
することができ、あるいは再度見当合わせをすることな
く、被印刷体上で混合することができる。しかし、本件
の記述は単に例示であって、本発明の範囲やその請求の
範囲を制限しようとするものではないことも明らかであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による、被印刷体に印刷を行う装置の
略図である。

【図２】 本発明の実施の形態による、印刷装置の断面
図である。

【図３】 本発明の実施の形態による、印刷装置の別の
断面図である。

【図４】 図３に示す印刷装置の、ノズルを持つ流路の
横断面図である。

【図５】 本発明による数例の流路の縦方向の断面図で
ある。

【図６】 本発明による数例の流路の縦方向の断面図で
ある。

【図７】 本発明による印刷装置の、ノズルを持たない
流路の横断面図である。

【図８】 本発明による別な数例の流路の、縦方向の断
面図である。

【図９】 本発明による、非ジグザグ配列及び２次元型
ジグザグ配列の流路の端面図である。

【図１０】 本発明の実施の形態による装置の、流路配
列の平面図である。

【図１１】 本発明による二つの実施の形態におけるポ
ートの、図１０に示す流路配列の一部を示す平面図であ
る。

【図１２】 本発明の異なる二つの実施の形態による、
着脱可能な本体を持つ印刷装置を示す断面図である。

【図１３】 本発明による、被印刷物質の印刷に関する
工程系統図である。

【図１４】 本発明の実施の形態による、環状電極を用
いた印刷物質調量装置の断面図（図１４（ａ））及び平
面図（図１４（ｂ））である。

【図１５】 本発明の別の実施の形態による、二つの電
極を用いた、印刷物質調量装置の断面図である。

【図１６】 本発明の更に別の実施の形態による、音響
インキ射出器を用いた、印刷物質調量装置の断面図であ
る。

【図１７】 本発明のまた別の実施の形態による、ＴＩ
Ｊ射出器を用いた、印刷物質調量装置の断面図である。

【図１８】 本発明の更にまた別の実施の形態による、
圧電トランスデューサ／振動板を用いた、印刷物質調量
装置の断面図である。

【図１９】 マトリックスアドレス化のために結合し
た、印刷物質調量装置の配列の略図である。

【図２０】 マトリックスアドレス化のために結合し
た、印刷物質調量装置の配列の別の略図である。

【図２１】 キャビティ中に印刷物質の流動床を発生さ
せる、実施の形態の断面図であ。

【図２２】 実施の形態の、圧力を平衡させたキャビテ
ィにおける、時間に対する圧力をプロットしたグラフで
ある。

【図２３】 別の印刷物質供給装置を用いた、本発明の
実施の形態を示す断面図である。

【図２４】 本発明の実施の形態による、電極グリッド
及び静電進行波を用いた、印刷物質輸送装置の断面図で
ある。

【図２５】 本発明の別の実施の形態による、印刷物質
輸送及び調量を共に行う組立品の断面図である。

【図２６】 本発明による、印刷物質の流動床で満たさ
れた実施の形態の断面図である。

【図２７】 本発明の実施の形態による、流路配列とア
ドレス化回路構成要素の平面図である。

【図２８】 本発明の弾道エーロゾル印刷装置の実施の
形態により得た、スポットサイズ（又はスポット密度）
当たりの色数の分布を示すグラフである。

【図２９】 被印刷体の真上から見た、被印刷体との界
面における、推進体流パターンの一例を示す平面図であ
る。

【図３０】 図２９の推進体流パターンの側面図と、推
進体流中における位置の関数としての、印刷物質粒子分
布を示すグラフである。

【図３１】 最も極端な場合における、印刷物質のスポ
ット中心から横方向への偏りを算出するためのモデル図
である。

【図３２】 補助溶融などの、レーザーによる射出後印
刷物質処理に必要なレーザー出力を算出するためのモデ
ル図である。

【図３３】 印刷物質の抽出及び／又は定着前保持を静
電気的に補助する、弾道エーロゾル印刷装置の断面図で
ある。

【図３４】 液状キャリヤ媒体中に懸濁した固体印刷物
質粒子を用いた、本発明の実施の形態の断面図である。

【図３５】 本発明の実施の形態における、運動エネル
ギー融着のしきい値を示す、運動エネルギーに対する粒
子数をプロットしたグラフである。

【図３６】 本発明による、収束／発散部を持つ又は持
たない流路における、推進体圧力に対する排出オリフィ
スでの推進体速度をプロットしたグラフである。

【図３７】 光補助射出後印刷物質処理を行うために配
置した、流路と光ビームを示す断面図である。

【図３８】 光補助射出後印刷物質処理の有効範囲を示
す、印刷物質粒径に対する光源の出力をプロットしたグ
ラフである。

【図３９】 本発明の実施の形態による、目詰まり、湿
気の影響等を減じる又は防ぐための閉鎖構造を用いた、
弾道エーロゾル印刷装置を示す断面図である。

【図４０】 本発明の実施の形態による、プラテンを移
動して排出オリフィスと接触させることによる、流路の
閉鎖を示す断面図である。

【図４１】 本発明によるプリントヘッドの製造過程を
示す断面図である。

【図４２】 本発明によるプリントヘッドの製造過程を
示す断面図である。

【図４３】 本発明による、弾道エーロゾル印刷装置の
別の実施の形態の、特定部分を示す断面図である。

【符号の説明】

１０ 弾道エーロゾル装置、１２ 射出器、１４ 推進
体、１６ 印刷物質、１８ 輸送機構、２０，２２ 制
御、２１ 調量、２３ 射出後処理、２４ 弾道エーロ
ゾル装置、２６ 本体、２８ キャビティ、２９ 開口
部、３０ 推進体キャビティ、３１ バルブ、３２ 取
り付け部品、３３ 推進体源、３４ プリントヘッド、
３６ 支持体、３７ 流路層、３８ 被印刷体、４０
プラテン、４２ ポート、４３ 開口部、４４ ポー
ト、４５ コロナ、４６ 流路、４７ 推進体受け部、
４８ 収束部、５０ 発散部、５２ 印刷物質注入部、
５３スロート、５４ 電極、５５ 対電極、５６ 排出
オリフィス、６０ 本体、６２ 推進体源、６４ マウ
ント部、６６ コロナ、６８ トランスデューサ／振動
板、６９ アドレス化手段、７０ プロセス、８６ 流
動床、８７ 加熱要素、８８，９０ 電極、９１ 接触
層、１０４ 調量供給装置、１０６ 行アドレス導線、
１０８ 列アドレス導線、１１０ 流線、１１２ 印刷
物質スポット、１１４ ガウス密度分布、１１６ 粒
子、１１８ 推進体流、１２０ 横方向への推進体流、
１２２，１２４ 加熱したフィラメント、１３０ 流
れ、１３２レーザービーム、１３４ レーザー、１３６
流路部、１３８ 層、１４０スペーシング層、１４
２，１４４ 板状電極、１４６ 閉鎖構造、１４８ グ
リッド、１５４ 実施の形態、１５６ プール、１５８
トランスデューサ、１６０ 支持体、１６２ 収束手
段、１６４ 飛沫、１６８ ＴＩＪ射出器、１７０印刷
物質、１７２ ポート、１７４ キャビティ、１７６
加熱要素、１７７泡、１７８ 流路、１８０ プラテ
ン、１８１ 飛沫、１８２ ドナーローラ、１８４ ベ
ルト、１８６ 加熱及び／又は圧力ロール、１８８ 印
刷物質粒子、１９０ プロット、１９２ 境界線、１９
４，１９６ 部分、２００ 配列、２０２ 調量供給装
置、２０６ 共通線路、２０８ 配線、２１０，２１２
マルチプレクサ、２１４ キャビティ、２２０ フィ
ルタ、２２２ 配管、２２４バルブ、２２６ 回路構成
要素、２２８，２３０ 圧力センサ、２３２ 開口部、
２４０，２４２，２４４ 線、２５０ 実施の形態、２
５４ 壁、２５６圧電物質、２６０ 配置、２６２ 印
刷物質キャリヤ、２６４ キャビティ、２６６ 本体、
２６８ ポート、２７２ 半導体層、２７４ 絶縁層、
２７６ 第１電極、２７８ 第２電極、２８２ 印刷物
質、２８３ 磁気ブラシ、２８４印刷物質輸送ロール、
２８６ 固体状印刷物質粒子、２８７ 印刷物質溜め、
２８８ 液状キャリヤ媒体、２９０ プール、２９２
電極、２９４ ポート、２９６ 流路、２９８ 補助電
極、３００ メニスカス、３１０，３１２ 層、３１
４，３１５ 電極、３２０ 実施の形態、３２２ プリ
ントヘッド、３２６バルブ、３２４ 流動床、３２８
エーロゾル部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジャーン ノーランディ カナダ オンタリオ州 ミッシソーガ ソ ーミル バリー ドライブ 3480 (72)発明者 ラジュ ビー アプテ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 パロ アルト マタデロ アベニュー 210 (72)発明者 フィリップ ディ フロイド アメリカ合衆国 カリフォルニア州 サニ ーベイル ヴィセンテ ドライブ 1251 アパーティメント 103 (72)発明者 メング エイチ リーン アメリカ合衆国 ニューヨーク州 ブライ ヤークリフ マナー スリーピー ハロー ロード 353 (72)発明者 アーメン アール ボルケル アメリカ合衆国 カリフォルニア州 パロ アルト アルマ ストリート 3351 ＃113

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プリントヘッドであって、前記プリント
   ヘッドは、 推進体受け部と、印刷物質受け部と、排出オリフィスと
   を持つ流路であって、前記排出オリフィスの幅が０μｍ
   以上、２５０μｍ以下である流路と、 印刷物質を受けるための前記印刷物質受け部と連結した
   第１ポートと、 推進体を受けるための前記推進体受け部と連結した第２
   ポートとをその中に備えた本体を含み、前記推進体受け
   部に供給された推進体を、前記流路から前記排出オリフ
   ィスへ移動し、通過する推進体流とし、また前記印刷部
   に供給された印刷物質を、前記推進体流に流入させ、十
   分なエネルギーを与えて、前記排出オリフィスへ移動
   し、通過させるものであることを特徴とするプリントヘ
   ッド。
2. 【請求項２】 請求項１のプリントヘッドであって、 前記流路は、更に収束部と発散部とを備え、 前記収束部と前記発散部は、前記推進体受け部と前記印
   刷物質受け部との間に設置され、 このとき前記推進体流は前記収束部に第１速度及び第１
   圧力で入り、前記発散部に流入し、更に、前記推進体は
   前記発散部より第２速度及び第２圧力で排出され、前記
   第１圧力が前記第２圧力より大きく、前記第１速度が前
   記第２速度より小さいことを特徴とするプリントヘッ
   ド。
3. 【請求項３】 プリントヘッドであって、前記プリント
   ヘッドは、 その中に第１及び第２流路を形成した支持体であって、
   各々の前記流路は推進体受け部と、印刷物質受け部と、
   排出オリフィスとを備え、各々の前記排出オリフィスの
   幅が０μｍ以上、２５０μｍ以下である支持体と、 前記支持体上に被覆した物質層であり、前記物質層には
   第１及び第２印刷物質ポートを備え、前記第１印刷物質
   ポートは前記第１流路の印刷物質受け部と連結し、前記
   第２印刷物質ポートは前記第２流路の印刷物質受け部と
   連結し、前記物質層は更に、第１及び第２推進体ポート
   を備え、前記第１推進体ポートは前記第１流路の推進体
   受け部と連結し、前記第２推進体ポートは前記第２流路
   の推進体受け部と連結している物質層とを含み、 各々の前記流路の前記推進体受け部に供給された推進体
   を、各前記流路から各前記排出オリフィスへ移動し、通
   過する推進体流とし、また各前記印刷部に供給された印
   刷物質を、各前記推進体流に流入させ、十分なエネルギ
   ーを与えて、各前記排出オリフィスへ移動し、通過させ
   ることを特徴とするプリントヘッド。