JP2007516877A - 液滴射出集成体 - Google Patents

Abstract

液滴送出プリントヘッドは射出性能を高めるためにノズル開口の周りにウエルを備える。

Description

本発明は液滴の射出に関する。

インクジェットプリンタは基板上に液滴を被着するための装置の一種である。インクジェットプリンタは一般にインク源からノズル路へのインク路を備える。ノズル路は、インク滴が射出されるノズル開口で終端する。インク滴射出は一般に、例えば、圧電偏向器、サーマルバブルジェット（登録商標）発生器または静電偏向素子とすることができる、アクチュエータでインク路にあるインクに圧力を加えることによって制御される。一般的なプリント集成体は対応するノズル開口及び付帯するアクチュエータをもつインク路のアレイを有する。それぞれのノズル開口からの液滴射出は独立に制御することができる。オンデマンド液滴射出プリント集成体においては、プリント集成体及びプリントする基板が互いに対して移動するとともに画像の特定の画素位置に液滴を選択的に射出するためにそれぞれのアクチュエータが起動される。高性能プリント集成体において、ノズル開口は一般に５０μｍないしそれより小さい、例えば約２５μｍの直径を有し、１００〜３００ノズル/インチ（３.９４〜１１.８１ノズル/ｍｍ）のピッチで隔てられ、１００〜３０００ｄｐｉ（３.９４〜１１８.１１ドット/ｍｍ）ないしそれより高い解像度を有し、約１〜１２０ピコリットル（ｐＬ）ないしそれより少ない体積の液滴を供給する。液滴射出頻度は一般に１０ｋＨｚないしそれより高い。

ホイジングトン（Hoisington）等の特許文献１は、半導体の本体及び圧電型アクチュエータを有するプリント集成体を説明している。本体はエッチングでインクチャンバが画成されたシリコンでつくられる。ノズル開口はシリコンの本体に取り付けられた個別のノズルプレートによって画成される。圧電型アクチュエータは、印加電圧に応答して形状寸法を変える、すなわち曲がる、圧電材料層を有する。圧電層の曲がりがインク路に沿って配置されたポンプ室内のインクに圧力を加える。圧電型インクジェットプリント集成体は、フィッシュベック（Fishbeck）等の特許文献２，ハイン（Hine）の特許文献３モイニハン（Moynihan）等の特許文献４及びホイジングトンの特許文献５にも説明されており、これらの全内容は本明細書に参照として含まれる。
米国特許第５２６５３１５号明細書 米国特許第４８２５２２７号明細書 米国特許第４９３７５９８号明細書 米国特許第５６５９３４６号明細書 米国特許第５７５７３９１号明細書

本発明の課題はインクジェットプリンタのプリントヘッドにおいて液滴の射出性能を高める手段を提供することである。

一態様において、本発明の特徴は液滴射出である。ノズル開口から液滴を射出するためにその中で液体に圧力が加えられる流路を備えるプリントヘッドが提供される。ノズル開口はウエル枚に配置される。メニスカスを形成するために液体がノズル開口からウエルに供給される。メニスカスは、ウエルが液体で満たされているノズル開口幅の約１〜１５％に等しい、ノズル開口の端より上方の液体深さを定める。

別の態様において、本発明は、ノズル開口から液滴を射出するためにその中で液体に圧力が加えられる流路を備えるプリントヘッドを提供する。ノズル開口はウエル内に配置される。ノズル開口の断面に対するウエルの断面の比は約１.４〜約２.７５である。実施形態において、ノズル開口の断面に対するウエル深さの比は約０.１５〜０.５である。

別の態様において、プリントヘッドは、ノズル開口から液滴を射出するために液体にその中で圧力が加えられる液体流路を備える。ノズル開口はウエル内に配置される。ウエルは比較的長い軸及び短い軸を有する。

その他の態様すなわち実施形態は、上記の態様の特徴及び／または以下の特徴の１つまたはそれより多くの組合せを有することができる。メニスカスにおける圧力を制御することによってメニスカスが形成される。メニスカスの形成は液体の圧力を下げることによって行われる。ノズル開口の上流の場所で真空が与えられる。ノズル開口における真空は約０.５〜約１０ｉｎｗｇである（本明細書において真空圧の単位はインチ水柱（ｉｎｗｇ）（１ｉｎｗｇ＝２４９Ｐａ）である）。

ノズル開口幅に対するウエル幅の比は約１.４〜約２.８である。ウエルはノズル開口の約０.１５〜０.５の深さを有する。ウエル周縁とノズル周縁の間隔はノズル幅の約０.２ないしそれより大きい。液体は約２０〜４５ダイン/ｃｍ（１ダイン/ｃｍ＝１０^−３Ｎ/ｍ）の表面張力を有する。ノズル開口及びウエルは共通の構体によって画成される。ノズル開口及び／またはウエルは、例えば、シリコン材料内に画成される。ノズル開口及び／またはウエルは、金属、炭素またはプラスチック内に画成することもできる。

液体には圧電素子によって圧力が加えられる。ノズル開口は約７０μｍないしそれより小さい幅を有する。方法は複数のノズル開口を含み、ノズル開口のピッチは約２５ノズル/インチ（約０.９８ノズル/ｍｍ）またはそれより短くすることができる。方法は約１〜約７０ｐＬの体積を有する液滴を射出する工程を含む。

実施形態は以下の利点の１つまたはそれより多くを有することができる。プリントヘッドの動作は、ノズルプレート面周りの残余インクが液滴形成及び射出との干渉を小さくするように制御されるから、頑強で確実である。小ノズルの大アレイが基板上の精確な場所にインクを正確に射出しなければならない高性能プリントヘッドにおいて、液滴の速度及び軌道直線性が維持される。ウエル構造が残余インクを制御し、粘度及び表面張力特性が変わるインクのような、様々な液体を噴射する望ましい噴射特性及びノズル開口における圧力特性が変わるヘッドを可能にする。ウエル構造自体は頑強であり、可動部品を必要とせず、例えばシリコン材料のような半導体材料に、エッチングで施すことができる。

さらに別の態様、特徴及び利点は以下に示される。例えば、特定の態様は以下に論じられるウエルの寸法及び特性を有する。

様々な図面において同様の参照記号は同様の要素を示す。

図１を参照すれば、インクジェット装置１０は、供給インク１２を入れている液溜め１１及び液溜め１１から圧力チャンバ１４に通じる液路１３を備える。アクチュエータ１５，例えば圧電変換器が圧力チャンバ１４に重なる。アクチュエータは、インクに力を加えて圧力チャンバ１４からノズルプレート１８のノズル開口１８に通じる液路１６を通し、ノズル１７から基板２０に向けてインク液滴１９を射出させるために使用できる。動作中、インクジェット装置１０及び基板２０は互いに対して移動することができる。例えば、基板はロール２２及び２３の間を移動させられる連続ウエブとすることができる。ノズルプレート１８のノズル１７のアレイからの液滴の選択的射出によって、所望の画像が基板上につくられる。

インクジェット装置は、システムが液滴を射出していないときのノズル開口近傍のインクメニスカスにおける動作圧力も制御する。図示される実施形態において、圧力制御は、液溜め１１内のインク１２の上方のヘッドスペース９に真空を与える、メカニカルポンプのような真空源３０によって与えられる。真空は、重力によってノズル開口１７を通るインクの滴下を防止するために、インクを介してノズル開口に伝えられる。コントローラ３２，例えばコンピュータコントローラが、液溜め１１のインク上方の真空を監視し、液溜めを所望の真空に維持するために真空源３０を制御する。別の実施形態において、真空源はインク液溜めをノズル開口の下に配置してノズル開口近傍に真空を生じさせることによって与えられる。インクレベルモニタが、プリント動作中にインクが消費されるとともに低下するインクレベルを検出し、よってノズルにおける真空を高める。コントローラがインクレベルを監視し、インクが所望のレベルより低下したときに真空を所望の動作範囲内に維持するために、大量容器からインクを液溜めに補充する。メニスカスの真空がノズルの毛管作用力に打ち勝つに十分に離して液溜めがノズルの下方に配置されている別の実施形態においては、インクに圧力を加えてノズル開口近傍のメニスカスを維持することができる。実施形態において、動作真空は約０.５〜約１０ｉｎｗｇに維持される。

インク噴射中、インクはノズルプレート上に溜ることができる。時間の経過とともに、インクはプリントエラーを生じさせる液塊を形成し得る。例えば、ノズル開口の縁端近傍の液塊は、射出される液滴の軌道、速度または体積に影響を与え得る。また、液塊は印刷基板２０上に落下して無意味なマークを生じさせるように十分に大きくもなることもできるであろう。液塊はノズルプレート１８の表面から十分遠くまで突き出し、印刷基板２０に接触するようになって、印刷基板２０上に汚れを生じさせることもできるであろう。

図１Ａも参照すれば、ノズルプレート１８は密間隔ノズル開口１７のアレイを有し、それぞれのノズル開口１７はウエル４０内に配置される。図１Ｂも参照すれば、図示される実施形態において、ノズル開口１７はウエル４０の床面４２に画成され、床面４２の中心に配置される。ウエルの床面４２は、ノズルプレートの面４６まで外側に延びる、ウエルの壁４４まで拡がる。

ウエルの幅Ｗ_Ｗ，深さｄ_Ｗ及びウエル壁とノズル開口周縁の間隔Ｓを含む、ウエルの寸法は、残余インクを制御するように選ばれる。インク５０がウエルに配されると、メニスカス５２が形成される。動作圧力（矢印５４）の条件の下でメニスカスは、ノズル開口の縁端において、ノズル幅Ｗ_Ｎに比較して小さい深さｄ_ｍを有する。予測可能なメニスカス形状により確実な噴射が得られる。浅いメニスカス深さにより液滴の方向または速度に実質的に影響することのない噴射が得られる。さらに、間隔Ｓは、ノズルプレート１８の面４６上の残余インクは液滴の形成または射出に影響する可能性を低めるように選ばれる。

図２〜２Ｃを参照すれば、ウエル幅Ｗ_Ｗが大きくなり、動作圧力が変化するときのメニスカスへの効果が示される。Ｍ_Ｈ，Ｍ_Ｉ及びＭ_Ｌでそれぞれが表される、高真空圧力、中真空圧力及び低真空圧力におけるメニスカスが示される。ノズル開口にわたるメニスカス深さは、ウエル幅が大きくなるにつれて減少する。特に図２を参照すれば、いずれの圧力においてもメニスカスはノズル開口全体にかかる。高真空圧力において、メニスカス深さは比較的浅く、浅いメニスカスは一般に噴射に望ましい。低真空圧力において、メニスカス深さは大きくなり、深いメニスカスは最適ではない噴射を生じ得る。この場合、ウエル深さを小さくしてメニスカス深さを浅くすることができる。図２Ａを参照すれば、メニスカスは、高真空圧力及び中真空圧力において選ばれた深さにあり、低真空圧力において最適ではない深さにある。図２Ｂを参照すれば、メニスカスは、中真空圧力において望ましい動作深さにあり、低真空圧力において最適ではない深さにあり、高真空圧力においては浅すぎて最適ではなくなっている。高真空圧力においては、メニスカスがノズル開口全体にわたっては形成されていない。インクのほとんどがノズル開口に引き込まれ、若干の残余インクがウエルに保持される。図２Ｃを参照すれば、いずれの動作圧力においてもメニスカスがノズル開口全体にわたっては形成されていない。液体はウエル床面と壁の間の角に集まり、ノズル開口の周縁に沿って拡がる。この状態は、ノズル開口の周縁にある液体が噴射に影響を与えるから、最適ではない。図２〜２Ｃにおいて、メニスカスの曲率半径Ｒは、２×表面張力/圧力によって計算される。メニスカス液体は３０ダイン/ｃｍの表面張力を有し、動作圧力は２，４及び６ｉｎｗｇである。寸法はｍｍである。

ウエル壁とノズル周縁の間隔Ｓは、ノズルプレート面上の残余インクが噴射に影響を与える可能性を低める距離を与える。実施形態において、間隔Ｓはノズル幅Ｗ_Ｎの約２０％ないしそれより大きく、例えば２５〜１００％である。ウエルの寸法によりノズル開口にわたる望ましいメニスカス深さが得られる。実施形態において、ウエルは、ウエルが与えられた表面張力をもつ液体で満たされ、ノズルが与えられた動作圧力範囲内にあるときに、ノズル開口端にかかる、ノズル幅の約１〜１５％のメニスカス深さをノズル開口の縁端にわたって与える（ウエルはウエルの壁を実質的に覆うに十分な液体があるときに液体で満たされている）。実施形態において、ノズルの縁端で測定されるメニスカス深さは、ノズル開口の約１〜２５％である。実施形態において、所望のメニスカス深さは所望の動作圧力範囲にわたって維持される。実施形態において、動作圧力は約−０.５〜−１０ｉｎｗｇ，例えば、−２〜―４または−６ｉｎｗｇである。実施形態において、液体は約２０〜４０ダイン/ｃｍの表面張力を有する。ノズル幅に対するウエル幅の比は約１.４〜約２.８，例えば１.５〜約１.７である。ウエル深さはノズル開口幅の約０.１５〜０.５である。ウエル寸法は一定の量の残余インクを入れるに必要な容積を収めるように選ぶこともできる。非円形ノズル開口及び／またはウエル、例えば非対称であるかまたは不規則な形状寸法に対しては、ウエル及びノズルの幅は最小値で測定される。深さが変化するウエルに対しては、ウエル深さはノズル開口とノズルプレートの間で測定される。実施形態において、ノズル幅は約２００μｍないしそれより小さく、例えば約１０〜３０μｍであり、ノズルピッチは約１００ノズル/インチ（約３.９ノズル/ｍｍ）ないしそれより短く、例えば３００ノズル/インチ（約１１.８ノズル/ｍｍ）であって、液滴体積は約１〜７０ｐＬである。実施形態において、液体は約１センチポアズから約４０センチポアズの粘度を有する（１センチポアズ＝１０^−１１Ｎ・秒/ｍ^２）。

一実施形態における図３を参照すれば、ノズルプレート７０は、円形のノズル開口７２，及び楕円形のウエル７４を有する。楕円の長軸Ａ_Ｌは、ノズル面を手によるかまたは機械による清掃作業において拭うかまたは洗うことができる方向（矢印７６）に沿って配置される。楕円形ウエルは長軸Ａ_Ｌの長さに沿ってノズル開口から離れた場所に屑を集め、これにより、清掃中にウエルに運び入れられる屑によるノズル開口の閉塞の可能性が低められる。一実施形態において、長軸に沿うウエルの長さは約３００〜６００μｍであり、短軸にわたるウエルの幅は約５０〜７０μｍである。別の実施形態において、ノズル開口はウエルの形状寸法に整合するかまたは整合しない非円形の形状寸法を有する。さらに、ノズル開口はウエル中心からずらすことができる。実施形態において、ウエル深さはノズル開口とウエル周縁がノズルプレートと会合する場所の間で変わることができる。

ウエル及び/またはノズル開口は、機械加工、レーザアブレーションあるいは化学エッチングまたはプラズマエッチングで形成することができる。ウエルは成形によって、例えばプラスチック素子で形成することもできる。ウエル及びノズル開口は、共通の構体または組み立てられる別々の構体に形成することができる。例えば、ノズル開口はインク流路の別のコンポーネントを画成する構体に形成され、ウエルはノズル開口を画成する構体と組み立てられる別の構体に形成される。別の実施形態において、ウエル、ノズル開口及び圧力チャンバは共通の構体に形成される。構体は金属、炭素、またはシリコン材料、例えばシリコンまたは二酸化ケイ素などの、エッチング可能な材料とすることができる。エッチング法を用いるプリントヘッドコンポーネントの形成は、２００２年７月３日に出願された米国特許出願第１０/１８９９４７号の明細書、及び２００３年１０月１０日に出願された米国特許出願第６０/５１０４５９号の明細書に詳細に説明されており、これらの明細書のそれぞれの全内容は本明細書に参照として含まれる。実施形態において、ウエルは非湿潤性被覆を有することができる。

まだ別の実施形態がある。例えば、プリント動作においてはインクを噴射させることができるが、プリントヘッドはインク以外の液体を射出するために利用することができる。例えば、被着される液滴はＵＶ硬化性またはその他の輻射線硬化性の材料、あるいは液滴として送出され得るその他の材料、例えば化学的または生物学的液体とすることができる。例えば、説明される装置は、精密計量分配システムの一部とすることができよう。アクチュエータは電気機械アクチュエータまたは熱アクチュエータとすることができる。ウエル配列は、２００３年１２月３０日に出願された米国特許出願第１０/７４９８２９号の明細書に説明されるアパーチャ、２００３年１２月３０日に出願された米国特許出願第１０/７４９８１６号の明細書に説明される突起及び／または２００３年１２月３０日に出願された米国特許出願第１０/７４９８３３号の明細書に説明されるチャネルのような、その他の残余液制御態様と組み合わせて用いることができる。例えば、一連の突起またはチャネルをウエル内部に、またはウエル近傍のノズル面に、例えばウエルを囲んで、設けることができる。ウエル内にまたはノズル面にアパーチャを設けることができる。液体制御構造を、クリーニング液がノズルプレートに与えられ、拭い取られる、手動または自動の洗浄及び拭取りシステムと組み合わせることができる。クリーニング構造は噴射残余インクではなくクリーニング液及び屑を集めることができる。

また別の実施形態は添付される特許請求の範囲内にある。

図１は液滴射出集成体の略図である 図１Ａはノズルプレートの斜視図である 図１Ｂはノズルプレートのノズル開口を通る拡大断面である 図２は、様々な条件の下でのメニスカスを示す、ノズルプレートのノズル開口を通る断面である 図２Ａは、様々な条件の下でのメニスカスを示す、ノズルプレートのノズル開口を通る断面である 図２Ｂは、様々な条件の下でのメニスカスを示す、ノズルプレートのノズル開口を通る断面である 図２Ｃは、様々な条件の下でのメニスカスを示す、ノズルプレートのノズル開口を通る断面である 図３はノズル液溜めの斜視図である

符号の説明

９ ヘッドスペース
１０ インクジェット装置
１１ 液溜め
１２ インク
１３，１６ 液路
１４ 圧力チャンバ
１５ アクチュエータ
１７ ノズル
１８ ノズルプレート
１９ インク液滴
２０ 基板
２２，２３ ロール
３０ 真空源
３２ コントローラ
４０ ウエル

Claims (37)

1. 液滴射出の方法において、
   液体に圧力を加えて、ウエル内に配置されたノズル開口から液滴を射出するための液体流路を有するプリントヘッドを提供する工程、及び
   メニスカスを形成するために前記ノズル開口から前記ウエルに液体を供給する工程、
   を有してなり、
   前記ウエルが液体で満たされているときに、前記メニスカスが、前記ノズル開口の幅の約１〜１５％に等しい、前記ノズル開口の周縁の上方の液体深さを定めることを特徴とする方法。
2. 前記メニスカスにおける前記圧力を制御することによって前記メニスカスを形成する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記液体の前記圧力を下げることによって前記メニスカスを形成する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記ノズル開口の上流の場所において真空を加える工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記ノズル開口における前記真空が約０.５〜１０ｉｎｗｇ（１ｉｎｗｇ＝２４９Ｐａ）であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記ノズル開口幅に対する前記ウエルの幅の比が約１.４〜約２.８であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記ウエルが前記ノズル開口の約０.１５〜０.５の深さを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. ウエル周縁とノズル周縁の間隔が前記ノズル幅の約０.２ないしそれより大きいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記液体が約２５〜４５ダイン/ｃｍ（１ダイン/ｃｍ＝１０^−３Ｎ/ｍ）の表面張力を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 前記ノズル開口及び前記ウエルが共通の構体によって画成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記ノズル開口及び／または前記ウエルがシリコン材料内に画成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. 前記ノズル開口及び／または前記ウエルが金属内に画成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 前記ノズル開口及び／または前記ウエルが炭素内に画成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. 前記ノズル開口及び／または前記ウエルがプラスチック内に画成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
15. 前記液体に圧電素子によって前記圧力が加えられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
16. 前記ノズル開口幅が約７０μｍないしそれより小さいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
17. 複数のノズル開口を有し、前記ノズル開口が約２５ノズル/インチ（約０.９８ノズル/ｍｍ）ないしそれより短いピッチを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
18. 約１〜約７０ｐＬの体積を有する液滴を射出する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
19. ノズル開口から液滴を射出するためにその中で液体に圧力が加えられる流路を有する液滴射出器において、
    前記ノズル開口がウエル内に配され、前記ノズル開口の幅に対する前記ウエルの幅の比が約１.４〜約２.８であることを特徴とする液滴射出器。
20. 前記ウエルの深さが前記ノズル開口幅の約０.１５〜０.５であることを特徴とする請求項１９に記載の液滴射出器。
21. 前記ウエルの周縁と前記ノズルの周縁の間隔が前記ノズル開口幅の約０.２ないしそれより大きいことを特徴とする請求項１９に記載の液滴射出器。
22. 前記ノズル開口を通して前記ウエル内の液体への圧力を制御する圧力制御機能を有することを特徴とする請求項１９に記載の液滴射出器。
23. 前記ノズル開口の下方に配置された液溜めを有することを特徴とする請求項２１に記載の液滴射出器。
24. 液体レベルモニタを備えることを特徴とする請求項２１に記載の液滴射出器。
25. 液体レベルを維持する流量コントローラを備えることを特徴とする請求項２１に記載の液滴射出器。
26. メカニカル真空ポンプを含む真空源を備え、前記メカニカル真空ポンプがインク溜めの圧力を下げるために配置されることを特徴とする請求項２１に記載の液滴射出器。
27. メニスカスにおける前記液体圧力を約−０.５〜−１０ｉｎｗｇの範囲に維持するためのコントローラを備えることを特徴とする請求項２０に記載の液滴射出器。
28. 前記ノズル開口が前記ウエルの中心に配置されることを特徴とする請求項１９に記載の液滴射出器。
29. 前記ノズル開口及び前記ウエルが共通の形状を有することを特徴とする請求項１９に記載の液滴射出器。
30. 前記ノズル開口及び前記ウエルが円形であることを特徴とする請求項２９に記載の液滴射出器。
31. 前記ノズル開口及び前記ウエルが共通の構体によって画成されることを特徴とする請求項１９に記載の液滴射出器。
32. 前記構体がシリコン材料であることを特徴とする請求項２７に記載の液滴射出器。
33. 前記液体に圧電素子によって圧力が加えられることを特徴とする請求項１９に記載の液滴射出器。
34. 前記ノズル開口が約７０μｍないしそれより小さい直径を有することを特徴とする請求項１９に記載の液滴射出器。
35. 複数のノズル開口を有し、前記ノズル開口が約１００ノズル/インチ（約３.９ノズル/ｍｍ）ないしそれより短いピッチを有することを特徴とする請求項１９に記載の液滴射出器。
36. ノズル開口から液滴を射出するためにその中で液体に圧力が加えられる流路を有する液滴射出器において、
    前記ノズル開口がウエル内に配置され、前記ウエルが比較的長い軸及び短い軸を有することを特徴とする液滴射出器。
37. 前記ウエルが楕円形であることを特徴とする請求項３６に記載の液滴射出器。

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