JP2009542423A - 液滴付着方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズルを通る比較的早い流速の液体の有利な効果が「いわゆる」エンドシューター構造で達成できる、屑およびバブルを一掃する液滴付着方法および装置の提供。
【解決手段】液滴液体を含むための長形の流体室；液滴射出のための室の１つの末端と結合したノズル；該末端で室と連絡している高インピーダンスチャンネル；流体室において縦の音波を発生することによりノズルを経て液滴射出を行うための、室と結合した加動手段；および高インピーダンスチャンネルを経て室に流体を供給するように適合された流体供給手段からなる液滴付着装置；並びにノズルから離れた方向で室に沿って液滴付着液体の連続流を室に確立し、その流れが、流体室のそれよりも実質的に小さい断面積を有するチャンネルを経てノズルに隣接する室に入る段階、および室に縦の音波を発生してノズルを経て液滴射出を行う段階からなる液滴付着方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、液滴が室からノズルを経て射出される液滴付着（デポジション）方法および装置に関する。

周知の装置（例えば特許文献１および２参照）では、長形のインク室が、ピエゾ電気材料から形成される縦に延在する１つ以上の壁を有する。そのピエゾ電気材料のポーリングに適切な方向に電場をかけることにより、壁は、インク室の内外に動かされてインク中に縦の音波を確立する。発動する波形の適切なタイミングによりそして室の末端の適切な音の反射により、液滴のコントロールされた連続がノズルから射出される。

ノズルは、いわゆる「エンドシューター」配置で長形のインク室の一端に位置するか、または「サイドシューター」配置で室の中間に向かって配置される。
プリンターまたは他の液滴付着装置では、ノズルの閉塞を生じさせるかもしれない屑またはバブルによる汚染を避ける（またはインクから取り除く）ための配慮が、よく知られているように採られている。屑またはバブルの発生は、しかし、完全に避けることができず；いくらかの屑は、プリントヘッド内の製造上の不規則性によって生じ、そしていくらかのバブルは、液滴射出にともなう流体圧の変化の直接的な結果としてプリントヘッド内に、避けることができずに形成される。

この問題を解決するには、ノズルで閉塞を生じさせるかもしれないすべての屑およびバブルをノズルから一掃するために、サイドシューターおよびエンドシューターの構造の両方に、ノズルを通るインクの連続する流れを設ける。この連続する流れは、プリンターが印刷中でも、印刷していない間でも生じ、その速さは、ノズルを通る最大の流速よりも速いことが好ましく、１０倍までが示唆されている。

チャンネルを通る連続的または永続的なインクの流れは、操作の均一性および信頼性に顕著な改善をもたらすことができる。印刷前、流れは、ノズル、チャンネル、インクマニホルドまたはインク供給システムからすべての屑または空気を取り除くのに使用でき、そして必要なときには、システムは熱的コントロールを含む。印刷前、システムを熱的安定性に到達させるのが、しばしば必要になる。印刷中そして形成されるべきシステムに応じて、アクチュエーターの異なる部品が、異なる負担で操作され勝ちであり、その負担は、一定の流れがないならば、像の欠陥のリスクをわずかなものから破滅的なものまでに増大する異なる操作温度を生じさせることが知られている。

一定の再循環をともなうサイドシューターは、チャンネルおよびノズルが曝される時間の短縮または自給式のメカニズムの提供の何れかにより、欠陥の影響をいくらか低下できることが知られている。これらのいくつかの原因および効果について、以下にリストする。

振動：ノズルのメニスカスの移動または破壊。
屑（汚れ）：流れを分裂させる局所的な粘度のひずみを生じさせ、ノズルでの流体の射出を阻害する。
屑（空気）：大きな空気のバブルは、ノズル／チャンネル内の流体を不足させ、小さい空気のバブルは、音の能率を低下させる（コンプライアンスを増大させる）。チャンネル内のバブルは、調整される拡散により成長する。
吸い込まれた空気：ノズルで吸い込まれた溜まった空気。
粘度：例えば軽度の浮遊または汚染により、マクロスケールでの流体の粘度に対する変化。

ノズルを通る連続する流れを得ることは、サイドシューターの構造では比較的簡単である。この点については、特許文献３を引用する。この特許文献３では、インク室の両端は、開いたままにされ、ノズルを連続して通る比較的速い流速を得ることが簡単にできる。ノズルのこの流れは、液滴が射出される方向に沿って直交し、それによりノズルから屑およびバブルを一掃するのに特に有効である。

インク室を通る連続流を用意することは、エンドシューターの構造では簡単ではない。従前の提案（例えば特許文献４を参照）では、バリヤーがインク室を縦に分ける。使用にあたって、連続するインクの流れは、バリヤーの１つの側面のノズルに向かい、ノズルの全域に及び、そしてバリヤーの別の面のノズルから離れて、室にＵ字形の路を設ける。この配置は有利である場合があるが、すべての場合に適切とはならない。

ヨーロッパ特許Ａ０２７７７０３ ヨーロッパ特許Ａ０２７８５９０ ヨーロッパ特許Ａ１１４０５１３

ノズルを通る比較的速い流速の液体の有利な効果が「いわゆる」エンドシューター構造で達成できる、改善された液滴付着方法および装置を提供するのが本発明の目的である。

従って、本発明は、１つの側面において、液滴付着液体を含むための長形の流体室；液滴射出のための室の１つの末端で結合したノズル；該末端で室と連絡する高インピーダンスチャンネル；流体室で縦の音波を発生することによりノズルを通る液滴射出を行うための室に結合した加動手段；並びに高インピーダンスチャンネルを経て室に流体を供給するように適合された流体供給手段からなる液滴付着装置からなる。

好ましくは、高インピーダンスチャンネルは、ノズルに直近する出口を有する。
好適には、高インピーダンスチャンネルは、流体室の長さ方向に直交する。
有利には、高インピーダンスチャンネルは、液滴射出に一定の体積を残す供給マニホルドと室との間を連絡する。

好ましくは、高インピーダンスチャンネルは、ノズルを通る液滴射出の方向と直交する。
本発明の１つの形では、高インピーダンスチャンネルのインピーダンスは、流体室のそれよりも少なくとも５倍そして好ましくは少なくとも１０倍大きい。

本発明の１つの形では、流体室の断面積は、高インピーダンスチャンネルのそれよりも少なくとも５倍そして好ましくは少なくとも１０倍広い。
高インピーダンスチャンネルを経て室に入る液体の流れは、液滴射出においてノズルを経る最大の流れの少なくとも等しく、少なくとも２倍、少なくとも５倍または少なくとも１０倍である。

高インピーダンスチャンネルからノズルへの液体の流速は、液滴射出においてノズルを経る最大の流速の少なくとも等しく、少なくとも２倍、少なくとも５倍または少なくとも１０倍である。

本発明は、他の側面で、液滴付着液体を含みそして液滴射出のために室と結合しているノズルを一端で有する長形の流体室からの液滴付着方法であって、ノズルから離れた方向に室に沿って液滴付着液体の連続流を室に確立し、その流れが流体室のそれよりも実質的に小さい断面積を有するチャンネルを通ってノズルに隣接する室に入る段階；並びに室に縦の音波を発生してノズルを経て液滴射出を行う段階からなる方法からなる。

好適には、チャンネルを出る流れは、ノズルを通る液滴射出の方向と直交する。
好ましくは、高インピーダンスチャンネルを通る液体の流れは、液滴射出においてノズルを通る最大の流れの少なくとも２倍、好ましくは少なくとも５倍そしてさらに好ましくは少なくとも１０倍である。

有利には、高インピーダンスチャンネルからノズルへの液体の流速は、液滴射出においてノズルを通る最大の流速の少なくとも等しく、少なくとも２倍、少なくとも５倍または少なくとも１０倍である。

驚くべきことには、液滴は、ノズルの周辺のチャンネルの存在にかかわらず、流体室の音波発生により、能率的に射出されてノズルを通る高速の流れをもたらす。これは、流体室のインピーダンスと比較して高インピーダンスのチャンネルを形成することにより達成される。流体室のそれに比べて小さい断面を有する高インピーダンスチャンネルを用意することによって、高速の流れがノズルで形成されて屑およびバブルを一掃することが工夫される（液滴射出においてノズルを通る最大の流速に等しいかまたはそれより遙かに遅い連続する流速で、たとえあっても）。

チャンネルから室へのこの流れ（むしろ逆であっても）を確立する有利さは、室のバブルまたは屑がチャンネルをブロックする傾向がないことである。
好ましくは、高インピーダンスチャンネルの出口での流れは、液滴が射出される方向および流体室の長さ方向に直交する。高インピーダンスチャンネルの出口は、好ましくは、ノズルに直近して位置し、事実、ノズル入口の断面は、高インピーダンスチャンネル内に延在できる。

図１に示されているのは、「エンドシューター」構造にノズルを有するインクチャンネルに縦の音波を生ずるピエゾ電気材料の作用を用いる従来のインクジェットプリントヘッドである。プリントヘッド１には、カバープレート８とともに働いて長形のインクチャンネル３を形成するピエゾ電気アクチュエーター２が設けられている。ピエゾ電気材料の長形の壁９は、隣接するチャンネル間で共有され、そして何れかのチャンネルの内外に動いてそのチャンネルの体積を変化させる。電極６は、ピエゾ電気壁の少なくとも一部にわたって作動電場を確立するために設けられる。

ノズル５は、インク室３のそれぞれの一端を閉じるようにピエゾ電気アクチュエーターに確保されるノズルプレート４に設けられる。カバープレートのマニホルド７は、インクチャンネルの補充を可能にする。

図１に示されるような液滴付着装置を通る縦の断面が図２に示される。
各インクチャンネルと境を接する壁のいずれかまたはその両方の横方向の動きの作用は、矢印２１で示される縦の音波を発生させる。特許文献１および２に詳述されているように、液滴はノズル５を経て射出される。液滴は、バイナリーまたはグレイスケールモードで射出され、その場合、複数の液滴が、射出前にノズルで一緒になって、種々のサイズの滴を形成する。ノズル５を経て射出されるインクは、マニホルド７を通って室３に入る矢印２２のチャンネル補充流によって入れ替えられる。

この構造により明らかになっている問題は、チャンネル補充流によりチャンネル３に沿って運ばれるインク中の屑またはバブルが、ノズルプレート４に隣接するチャンネルの末端で捕捉されるようになり、ノズル５の一時的または永久的な閉塞を生じさせることである。たとえ比較的小さいバブルであっても、もしそれがノズルプレートに隣接するチャンネルの末端に残されるならば、ノズルの閉塞を招く。これは、インクの圧力の変化のためであり、バブルのサイズを成長させるのを助ける液滴の射出を伴うことになる。

本発明の態様は、図３に示され、その図では、図２に示される配置から本質的に変わらないままのコンポーネントは、同じ番号を維持する。
本発明のこの態様では、矢印３１で示される追加の流路が確立される。この流れは、インク室３の長さ方向に平行に延在するチャンネル３２により運ばれる。チャンネル３２は、室３３の下に位置し、すなわち隣接するチャンネル間従って隣接するノズル間の空間を増大させないように、インクチャンネル３の列を含む平面の外に位置するのが都合がよい。流れ３１は、１つのインクチャンネル３に特定されており、そのためそれぞれのインクチャンネル３にとって側面の流れチャンネル３２が存在し、別の態様では、１つの比較的広いチャンネル３２は、すべてまたは多数のインクチャンネル３の要求を満たす。

高インピーダンスチャンネル３３は、チャンネル３２からチャンネル３に延在し、ノズルプレート５に隣接する。
チャンネル３の縦の入口に関するノズル５の位置は、調節されて高インピーダンスチャンネル３３の出口がノズル５に直近するようにされていることに注意すべきである。事実、ノズルへの入口の断面は、高インピーダンスチャンネル３３中に延在していることが認められる。

当業者は、図３はやや概略的であるが、インクの流れが確立される広範囲の構築技術が、特に矢印３３で示される側面の流れの確立に関して、存在することを認識するだろう。高インピーダンスチャンネル３３へインクを供給するチャンネル３２または他の構造が変わらないこと、すなわちその体積が液滴射出中に変化しないことを知るのは重要なことである。

使用にあたり、液滴射出におけるノズルを通るインクの最大の流れに少なくとも等しいかまたは好ましくはそれより大きいインクの側面の流れ３１が確立される。インクは、高インピーダンスチャンネル３３を通過しそしてチャンネル３に入る。（ノズルに直接隣接し、液滴射出に対して横方向で、比較的高速で）。

これらの理由から、流れは、ノズルをブロックするかもしれない屑、そしてもし正しい位置を離れると成長してノズルをブロックするかもしれない小さいバブルでも、ノズルから一掃するのに特に有効である。これらのバブルおよび屑は、次に室３の長さ方向に沿って通りそしてマニホルド７を経て出る。

矢印２２で示されるような液滴射出後チャンネルを補充する流れは、チャンネル３３のそれよりも低い流体のインピーダンスによって作動チャンネルに隣接するマニホルドからの流れにより支配される。１大気圧または２大気圧のオーダーであるチャンネル３内に発生した圧力により、補充流体は、０．１ｍｓ^−１に近い時間平均速度に達する。

音の操作圧の場合、チャンネル内の流体の音波は、約５００ｍｓ^−１で補充流と同時に伝播する。補充流は、流体が圧力波のコントロールに従って射出されるときのみ、生ずる。

側面の流れの大きさは、チャンネルが屑（および他のもの、上記参照）に曝される時間が或るレベルより下に維持されるように選ばれる。或る基本的な画像の応用では、長さ１０００ピクセル以内の連続しない単一のノズルの欠陥が許容できることが認められている。主な応用における画像は、４０ピクセル以下の欠陥を許容する。「写真」品質の画像は、２０ピクセルより小さいことを要求する。機能デバイス（例えば、ＰＣＢ、ディスプレイ、エレクトロニックスなど）の印刷は、一層厳しい要求を課している。

流れの大きさに対する次の考慮すべき問題は、ノズルの後ろでの流速である。デバイスの操作中に吸い込まれたバブルは、チャンネルに向かって流れ、そして介入がなければ停滞するようになりそして射出の失敗のリスクを非常に増大させる。流体のタイプおよびその調整されたキャビテーションに依存すると、射出の失敗を促進するように作用する。屑が射出の欠陥を生じさせる時間を最小にするために、単一のノズルから１０００ピクセルを射出するのにかかる時間以内に室の流体が一掃される流体の速度をもたらすように、側面の流れは調整される。

側面の流速は、チャンネル３３を通る流れに依存し、さらにチャンネル３３と室３との相対的な断面積に依存する。
もしチャンネル３３を通る流れがノズルを通る最大の流れに等しいならば（それは、室の稼働率に依存する量およびプリントデータによって時間平均補充流れよりも大きいだろう）そしてもしチャンネル３３の断面積が室３の断面積の１０分の１であるならば、１０倍速いノズルを通る流速が期待できる。

有利には、側面の流れは、主な補充流に抵抗し、そのため側面の流れを提供するチャンネルがより小さいサイズであることから、作動する室はインク供給からの汚れの流入から保護される。
再循環する流れをデザインするのに考慮することは、もし大きければ望まないキャビテーションを誘発する流体へ適用される負の圧力である。記述された態様は、大きな正の圧力が、結合したマニホルドに適用されてアクチュエーター室で必要な流速を生ずるように、側面のチャンネルが大きなインピーダンスをもたらすことを必要とする。好都合には、相対するマニホルド（ノズルが大気圧より下に維持される負の圧力を提供しなければならない）は、キャビテーションのリスクが低いように適度の負の圧力（大気圧に関して）のみを提供するように調整できる。

高インピーダンスチャンネル３３の断面積は、チャンネル３の断面積より実質的に小さい。１つの配置では、インクチャンネル３は、高さ３００μｍおよび幅７５μｍである。高インピーダンスチャンネルは、７５μｍのディメンジョン、３０μｍの厚さ（インクチャンネル３の伸びの方向で）、インクチャンネル３の断面積の１０分の１の断面積で、インク室３の幅方向に延在している。振動すると、高インピーダンスチャンネル３３は、インクチャンネルの幅全部よりも小さく延在し、チャンネル３の長さの方向すなわち伸びで、より大きい量またはより小さい量に延在する。

改変したものが図４に示される。この場合には、高インピーダンスチャンネルは、ノズルプレート４に切り込まれた切り込み４１の形をとる。ノズルプレートは、この切り込みの受容および上述された態様と同じ長さのノズルの提供の両者のために、より厚くなるようにデザインされる。

本発明はプリントヘッドに関して説明されたが、本発明が、より広く液滴付着装置に適用できることを理解するだろう。同様に、ノズルの末端で室と連絡している高インピーダンスチャンネルが、上述のものとは別に種々の形をとり、そしてピエゾ電気材料の記述された壁が、流体室で縦の音波を発生することによりノズルを通る液滴射出を行うための室と結合した作動手段の１つの例に過ぎないことを理解するだろう。

周知のインクジェットプリントヘッドの分解図である。 図１に示されたインクジェットプリントヘッドの縦の断面図である。 本発明の１つの態様によるインクジェットプリントヘッドの縦の断面図である。 本発明の他の態様によるインクジェットプリントヘッドの縦の断面図である。

符号の説明

１ プリントヘッド
２ ピエゾ電気アクチュエーター
３ インクチャンネル
４ ノズルプレート
５ ノズル
６ 電極
７ マニホルド
８ カバープレート
９ ピエゾ電気材料の壁
２１ 縦の音波
２２ チャンネル補充流
３１ 追加のインクの流れ
３２ 側面の流れチャンネル
３３ 高インピーダンスチャンネル
４１ 切り込み

Claims (18)

1. 液滴液体を含むための長形の流体室；室の１つの末端と結合した液滴射出のためのノズル；該末端で室と連絡している高インピーダンスチャンネル；室と結合して流体室において縦の音波を発生することによりノズルを経て液滴射出を行うための加動手段；および高インピーダンスチャンネルを経て室に流体を供給するように適合された流体供給手段からなることを特徴とする液滴付着装置。
2. 高インピーダンスチャンネルがノズルに直近している出口を有する請求項１の装置。
3. 高インピーダンスチャンネルが、流体室の長さ方向に直交している請求項１または２の装置。
4. 高インピーダンスチャンネルが、液滴射出において一定の体積を維持する供給マニホルドと室との間を連絡する請求項１−３の何れか１つの項の装置。
5. 高インピーダンスチャンネルが、ノズルを経る液滴射出の方向と直交する請求項１−４の何れか１つの項の装置。
6. 高インピーダンスチャンネルのインピーダンスが、流体室のそれよりも少なくとも５倍好ましくは少なくとも１０倍大きい請求項１−５の何れか１つの項の装置。
7. 流体室の断面積が、高インピーダンスチャンネルのそれよりも少なくとも５倍好ましくは少なくとも１０倍大きい請求項１−６の何れか１つの項の装置。
8. 使用にあたって高インピーダンスチャンネルを経て室に入る液体の流れが、液滴射出におけるノズルを経る最大の流れに少なくとも等しいように適合される請求項１−７の何れか１つの項の装置。
9. 使用にあたって高インピーダンスチャンネルを経る液体の流れが、液滴射出におけるノズルを経る最大の流れの少なくとも２倍、好ましくは少なくとも５倍そしてより好ましくは少なくとも１０倍である請求項８の装置。
10. 使用にあたって高インピーダンスチャンネルからノズルへの液体の流れの速度が、液滴射出におけるノズルを経る流れの最大速度に少なくとも等しい請求項１−９の何れか１つの項の装置。
11. 使用にあたって高インピーダンスチャンネルからノズルへの液体の流れの速度が、液滴射出におけるノズルを経る流れの最大速度の少なくとも２倍、好ましくは少なくとも５倍そしてより好ましくは少なくとも１０倍である請求項１０の装置。
12. 加動手段が、ピエゾ電気材料の本体からなる請求項１−１１の何れか１つの項の装置。
13. ピエゾ電気材料の本体が、流体室の壁の少なくとも一部を形成する請求項１２の装置。
14. 液滴付着液体を含みさらに液滴射出のための室と結合しているノズルを一端で有する長形の流体室からの液滴付着方法であって、ノズルから離れた方向で室に沿って液滴付着液体の連続流を室に確立し、その流れが、流体室のそれよりも実質的に小さい断面積を有するチャンネルを経てノズルに隣接する室に入る段階；および室に縦の音波を発生してノズルを経て液滴射出を行う段階からなることを特徴とする液滴付着方法。
15. チャンネルを出る流れが、ノズルを経る液滴射出の方向と直交する請求項１４の方法。
16. 高インピーダンスチャンネルを経る液体の流れが、液滴射出におけるノズルを経る最大の流れの少なくとも２倍、好ましくは少なくとも５倍そしてより好ましくは少なくとも１０倍である請求項１４または１５の方法。
17. 高インピーダンスチャンネルからノズルへの液体の流れの速度が、液滴射出におけるノズルを経る流れの最大速度に少なくとも等しい請求項１４−１６の何れか１つの項の方法。
18. 高インピーダンスチャンネルからノズルへの液体の流れの速度が、液滴射出におけるノズルを経る流れの最大速度の少なくとも２倍、好ましくは少なくとも５倍そしてより好ましくは少なくとも１０倍である請求項１７の方法。

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