(57)【要約】  間隔をおいて設けられた複数の突起がそこから突き出している壁を有するチャネルを備えるデバイスが開示される。突起は突起の中への液体の侵入を実質的に防止する。
2009519141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴射出デバイスにおいて、
壁を有する液体チャネル、及び
前記壁から前記チャネル内に突き出している、間隔をおいて配された複数の突起、
を備え、
前記突起が前記突起の中への前記液体の侵入を実質的に防止する、
ことを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記チャネルが加圧アクチュエータを有するポンピングチャンバに隣接して配置されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記加圧アクチュエータが圧電材料を有することを特徴とする請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記チャネルの少なくとも一部がシリコン材料を含む基板内に画成されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記チャネルが複数の壁を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記チャネルの断面が非円形であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記突起のそれぞれが疎水性被膜を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記疎水性被膜の厚さが約１００オングストロームから約７５０オングストロームであることを特徴とする請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記チャネル内の液滴が約１５０°から約１７６°の接触角をなすことを特徴とする請求項７に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記疎水性被膜がフルオロポリマーを含むことを特徴とする請求項７に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記突起が前記チャネルの前記壁の実質的に全面から突き出していることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記チャネルが複数の壁を有し、前記突起が前記チャネルの前記壁のそれぞれから突き出していることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記突起のそれぞれが、前記突起のそれぞれが突き出している前記壁に実質的に垂直であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記突起のそれぞれの横断面が実質的に円形であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記壁における前記突起のそれぞれの横断面積が終端における横断面積より小さいことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記突起のそれぞれに前記壁から終端にかけてテーパがかけられており、前記終端が０.３μｍより小さい最大横寸法を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１７】
直近突起間の間隔が、終端において縁対縁で測定して、約１μｍより小さいことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記突起のそれぞれの高さが、前記壁に垂直に測定して、約２μｍから約３５μｍであることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記突起のそれぞれが、前記壁に垂直に測定して、実質的に等しい高さを有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記突起が突き出している前記壁に画成された開口をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記開口が真空源と流体流通可能な態様で連結されていることを特徴とする請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記チャネルがノズル開口の近傍領域から廃液を取り去るように構成された廃液制御システムの一部であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記突起の密度が約６.０×１０９突起/ｍ２から約３.０×１０１１突起/ｍ２であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記チャネルが積層されたプレートで画成されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項２５】
基板上に液滴を被着するための装置において、複数の、請求項１に記載のデバイスを備えることを特徴とする装置。
【請求項２６】
液体射出方法において、
液滴射出デバイスであって、
壁を有する液体チャネル、及び
前記壁から前記チャネル内に突き出している、間隔をおいて配された複数の突起、
を備え、
前記突起が前記突起の中への前記液体の侵入を実質的に防止する、
液滴射出デバイスを提供する工程、
前記チャネルに前記液体を供給する工程、及び
前記液体を加圧することによって前記チャネルと流体流通可能な態様で連結されているノズルを通して前記液体を射出する工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２７】
前記液体がインクを含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記液体が約１０〜６０ダイン/ｃｍ（１０〜６０×１０−３Ｎ/ｍ）の表面張力を有することを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記液体が約１から５０センチポアズ（１〜５０×１０−９Ｐａ・秒）の粘度を有することを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
液体を脱ガスする方法において、
壁を有するチャネルであって、
前記壁から前記チャネル内に突き出している、間隔をおいて配された複数の突起であって、前記突起の中への前記液体の侵入を実質的に防止する突起と、
前記突起が延び出している前記壁に画成され、ポンプと流体流通可能な態様で連結されている、開口と、
を前記突起が有するチャネルを提供する工程、
前記チャネルに前記液体を導入する工程、及び
前記開口周りの圧力が大気圧より低くなるように、前記ポンプを作動させる工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３１】
液体を脱ガスする方法において、
壁を有するチャネルであって、前記壁が前記壁から前記チャネル内に終端まで延びる、間隔をおいて配された、複数の突起を有し、前記突起は前記突起の中への前記液体の侵入を実質的に防止する、チャネルを提供する工程、
前記壁と前記突起の前記終端の間の領域と通じる態様で連結されている真空源を提供する工程、及び
前記チャネルに前記液体を導入する工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３２】
液体から泡を取り除く方法において、
壁を有するチャネルであって、前記壁が前記壁から前記チャネル内に終端まで延びる、間隔をおいて配された、複数の突起を有し、前記突起は前記突起の中への前記液体の侵入を実質的に防止する、チャネルを提供する工程、
前記壁と前記突起の前記終端の間の領域と通じる態様で連結されている真空源を提供する工程、及び
前記チャネルに前記液体を導入する工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３３】
前記泡の直径が５μｍより小さいことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記泡の直径が２μｍより小さいことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液滴射出デバイスに関し、また関連するデバイス及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットプリンタは一般にインク供給源からノズル路までのインク路を有する。ノズル路は、そこからインク滴が射出される開口で終端する。インク滴射出は、例えば、圧電型デフレクタ、熱バブルジェット（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内のインクを加圧することによって制御される。代表的なプリントヘッドは、それぞれのノズル開口からの液滴射出を独立に制御できるように、対応するノズル開口及び付帯アクチュエータをもつインク路のアレイを有する。ドロップオンデマンド型プリントヘッドでは、プリントヘッドと印刷基板が互いに対して移動しているときに、画像の特定のピクセル場所において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発される。高性能プリントヘッドでは、ノズル開口の直径は一般に５０μｍないしそれより小さく、例えば約３５μｍであり、開口間隔のピッチは１００〜３００ノズル/インチ（約４〜１２ノズル/ｍｍ）であり、解像度は１００〜３０００ｄｐｉ（約４〜約１２０ドット/ｍｍ）ないしさらに高く、約１〜７０ピコリットルないしそれ以下の大きさの液滴が与えられる。液滴射出頻度は一般に、１０ｋＨｚないしそれより高い。
【０００３】
プリントヘッド、特に高性能プリントヘッドの印刷精度は、プリントヘッドのノズルによって射出される液滴の大きさ及び速度の一様性を含む、多くの要因の影響を受ける。
【０００４】
ホイジントン（Hoinsington）等の特許文献１は、半導体基体及び圧電型アクチュエータを有する集成印刷部品を説明している。基体はシリコンでつくられ、エッチングでインクチャンバが画成されている。ノズル開口は、シリコン基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ている。圧電型アクチュエータは、印加電圧に応答して形状寸法が変化する、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おかれたポンピングチャンバ内のインクを加圧する。圧電型集成インクジェット印刷部品は、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，ホイジントンの特許文献５及びバイブル（Bibl）等の特許文献６に説明されている。
【特許文献１】米国特許第５２６５３１５号明細書
【特許文献２】米国特許第４８２５２２７号明細書
【特許文献３】米国特許第４９３７５９８号明細書
【特許文献４】米国特許第５６５９３４６号明細書
【特許文献５】米国特許第５７５７３９１号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００４/０００４６４９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、液体チャネルの液流抵抗を下げ、よって高精度/高信頼性インクジェット印刷を可能にする手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は液滴射出デバイスに関し、また関連するデバイス及び方法に関する。
【０００７】
全般的に、本発明は、壁及び間隔をおいて配された複数の突起、例えば突起アレイまたは突起原を有する液体チャネルを備え、突起は壁からチャネル内に突き出している、デバイスを含む。突起は突起の中への液体、例えばインクまたは生体液の侵入を防止するように構成され、そのための寸法につくられる。
【０００８】
一態様において、本発明は壁を有する液体チャネルを備える液滴射出デバイスを含む。間隔をおいて配された複数の突起が壁からチャネル内に突き出す。突起は突起の中への液体の侵入を実質的に防止する。
【０００９】
別の態様において、本発明は液体射出の方法を含む。方法は、壁及び間隔をおいて配された複数の突起を有する液体チャネルを備え、突起は壁からチャネル内に突き出している、液滴射出デバイスを提供する工程を含む。突起は突起の中への液体の侵入を実質的に防止する。液体がチャネルに供給され、液体を加圧することによって、チャネルと流体流通可能な態様で連結されているノズルを通して液体が射出される。いくつかの実施形態において、液体は、例えば表面張力が約１０〜６０ダイン/ｃｍ（１０〜６０×１０−３Ｎ/ｍ）で粘度が約１〜５０センチポアズ（１〜５０×１０−９Ｐａ・秒）の、インクである。
【００１０】
別の態様において、本発明は、壁を有するチャネルであって、壁からチャネル内に突き出している、間隔をおいて配された、複数の突起を壁が有し、壁に画成された開口を有する、チャネルを提供する工程を含む、液体を脱ガスする方法を含む。開口はポンプと流体流通可能な態様で連結している。突起は突起の中への液体の侵入を実質的に防止する。液体がチャネルに供給され、開口周りの圧力が大気圧力より低くなるように、ポンプが作動される。
【００１１】
別の態様において、本発明は、壁を有するチャネルであって、間隔をおいて配された複数の突起を壁が有し、突起は壁からチャネル内を終端まで延びている、チャネルを提供する工程を含む、液体を脱ガスする方法を含む。突起は突起の中の液体の侵入を実質的に防止する。真空源が壁と突起の終端の間の領域と通じる態様で連結し、液体がチャネルに導入される。
【００１２】
別の態様において、本発明は液体から泡を取り除く方法を含む。壁を有するチャネルであって、間隔をおいて配された複数の突起を壁が有し、突起は壁からチャネル内を終端まで延びている、チャネルが提供される。突起は突起の中への液体の侵入を実質的に防止する。真空源が壁と突起の終端の間の領域に通じる態様で連結し、液体がチャネルに導入される。いくつかの実施形態において、泡の直径は５μｍより小さく、例えば、４μｍ、３μｍ、２μｍ、１μｍ、またはさらに小さく、例えば０.５μｍである。
【００１３】
その他の態様または実施形態に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含めることができる。チャネルは加圧アクチュエータ、例えば圧電型アクチュエータを備えるポンピングチャンバに隣接して配置される。チャネルの少なくとも一部はシリコン材料からなる基板に画成される。チャネルは複数の壁を有する。チャネルの断面は非円形である。突起のそれぞれは、例えば厚さが約１００オングストロームから約７５０オングストロームの、疎水性被膜を有する。チャネル内の液滴は、例えば約１５０°から約１７６°の、接触角をなすことができる。疎水性被膜はフルオロポリマーを含む。突起は実質的にチャネルの壁の全面から突き出す。チャネルは複数の壁を有し、突起はチャネルのそれぞれの壁から突き出す。それぞれの突起は突起が突き出す壁に対して実質的に垂直である。それぞれの突起の横断面は実質的に円形である。壁におけるそれぞれの突起の横断面積は終端における横断面積より小さい。それぞれの突起には壁から終端にかけてテーパがかけられており、終端は０.３μｍより小さい最大横寸法を有する。終端において縁対縁で測定した、直近突起間の間隔は約１μｍより小さい。それぞれの突起の高さは、壁に垂直に測定して、約２μｍから約３５μｍである。それぞれの突起の高さは、壁に垂直に測定して、実質的に等しい。チャネルは、ノズル開口近傍領域から廃液を除去するように構成された廃液制御システムの一部である。突起の密度は約６.０×１０９突起/ｍ２から約３.０×１０１１突起/ｍ２である。チャネルは積層されたプレートによって画成される。
【００１４】
装置は上述のデバイスの、複数の、いずれによっても構成することができる。
【００１５】
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。間隔をおいて配された突起はいかなる、例えばポンピングチャンバに隣接する、液体流路にも、組み込むことができ、よって液体、例えばインクが、低抵抗で流路を流過することが可能になる。流抵抗は、そのような突起がない流路に比較して、例えば、６０％，７０％，８０％，９０％，９５％，さらには９９％以上も低減することができる。流抵抗が低くなるほど、例えばポンピングチャンバのより高速な再充填が可能になる。例えば、ポンピングチャンバの高速再充填は、より高い、例えば、２５ｋＨｚ，５０ｋＨｚ，１００ｋＨｚ，ないしさらに高い、例えば１５０ｋＨｚの頻度で液滴を射出できる能力を意味することができる。印刷頻度を高めることによって、液滴射出レートが高まり、射出液滴寸法が小さくなり、射出液滴の速度一様性が高まることで、射出液滴の解像度を向上させることができる。ポンピングチャンバの高速再充填により、印刷品質の低下を招き得る、ノズルにおける空気吸込みによる誤射出、例えば不発、も低減することができる。流体流抵抗の低下に加えて、間隔をおいて配された突起は一般に小さく、したがってスペースを僅かしか占有しない。流抵抗が小さいため、液体流路厚を低減することができて、印刷装置をさらに小型化できることが多い。間隔をおいて配された突起の別の利点は、突起がエネルギーを吸収でき、よって印刷装置に収められた個々の液滴射出器間の音響干渉効果、例えばクロストークを低減できる。さらに、間隔をおいて配された突起からなる突起原は、流路内に液体を入れるための膜を必要とせずに、流路を流れる液体を脱ガスするために真空源とともに用いることができる。そのような脱ガスは、印刷装置に用いられた場合、ポンピングチャンバの極めて近くで行われると特に効率が高くなり得る。この結果、液体を高効率で脱ガスすることができ、したがって、印刷装置内での改善されたパージプロセスを改善された高頻度動作、例えば低整流拡散ともに得ることができる。いくつかの構成において、間隔をおいて配された突起は液体が突起を流過する際に液体から泡を除去することができる。いかなる特定の理論にも束縛されることは望まずに、低流抵抗及びエネルギー吸収という利点は突起内にトラップされた空気によって生じると考えられる。
【００１６】
本明細書に挙げられる全ての刊行物、特許出願明細書、特許明細書及びその他の参考資料はそれぞれの全体が本明細書に参照として含まれる。
【００１７】
その他の態様、特徴及び利点は説明及び図面から、また特許請求の範囲から、明らかであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
全般的に、壁及び間隔をおいて配された複数の突起を有する液体チャネルであって、突起は壁からチャネル内に突き出している、液体チャネルを備えるデバイスが開示される。突起は突起の中への液体、例えばインクまたは生体液の侵入を実質的に防止する。そのようなチャネルは、例えば、チャネル内の流体流抵抗を下げるため、チャネル内の液体の脱ガス及び／または液体からの泡の除去を行うため、あるいは音響干渉効果、例えばクロストークを低減するためのエネルギー吸収流路を提供するために用いることができる。
【００１９】
図１を参照すれば、液滴射出デバイス１００は、断面が長方形の液体チャネル１０２を備える。チャネル１０２は二対の対向する壁１０４，１０４’及び１０５，（この断面図では見えない）１０５’によって画成される。チャネル１０２のそれぞれの壁から複数の突起１０６が突き出している。突起１０６は、例えば隣り合う突起間の間隔を最小限に抑え、疎水性材料、例えばポリテトラフルオロエチレンで突起を被覆することによって、突起１０６の中への液体１０９の侵入を実質的に防止するように構成される。デバイス１００は基板１１０及びアクチュエータ１１２，例えば圧電型アクチュエータも備える。基板１１０は、チャネル１０２，フィルタ１１４，ポンピングチャンバ１１６，ノズル路１１８及びノズル開口１２０を画成する。アクチュエータ１１２はポンピングチャンバ１１６を覆って配置される。液体１０９はマニホールド流路（図示せず）からチャネル１０２に供給され（矢印１２１）、次いでフィルタ１１４を通って（矢印１２３）、ポンピングチャンバ１１６内に導かれる（矢印１２５）。ポンピングチャンバ１１６内の液体１０９は、圧力がノズル路１１８に沿って伝達され（矢印１２７）、ノズル開口１２０からの液滴１２２の射出を生じさせるように、アクチュエータ１１２によって加圧される。
【００２０】
基板１１０は、例えば、絶縁物上シリコン（ＳＯＩ）基板のような、モノリシック半導体とすることができ、チャネル１０２，ポンピングチャンバ１１６及びノズル路１１８は基板１１０内にエッチングによって形成される。そのような場合、基板１１０は、単結晶シリコンでつくられた上部層１２４，同じく単結晶シリコンでつくられた下部層１２６及び二酸化シリコンでつくられた障壁層１３０を有することができる。この態様で形成された基板は、特許文献６でバイブル等により説明されているように、高い厚さ一様性を有することができる。
【００２１】
次に図１，１Ａ，１Ｂ及び１Ｃを参照すれば、液体１０９がポンピングチャンバ１１６に隣接するチャネル１０２に入り（矢印１２１）、流れに対する抵抗は、同様の寸法でつくられているがそのような突起１０６はないチャネルに比較して低減されている。いかなる特定の理論にも束縛されることは望まずに、この低減された流れに対する抵抗は、液体１０９が突起１０６の終端１３０に支持されるため、液体１０９と壁１０４，１０４’，１０５及び１０５’の間の接触量が有効に減じていることから生じると考えられる。これが液体１０９とチャネル１０２の間の摩擦力を減じて、観測される低減された流体流抵抗を可能にする。いくつかの実施形態において、流抵抗は、例えば、６０％，７０％，８０％，９０％，９５％，さらには９９％以上も、低減され得る。流抵抗が下げれば、より高い頻度の噴射及び向上した解像度が可能になり得る。流抵抗を下げれば、より薄いチャネルで流れに対する同様の抵抗を得ることができるから、小型化改善も可能になり得る。
【００２２】
突起１０６は深反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）によって作成することができる。例えば、「マイクロ−グラス」を作成するための方法が、J. Micromech. Microeng.,１９９５年,第５巻,ｐ.１１５-１２０，及びIEEE,１９９６年,ｐ.２５０-２５７でジャンセン（Jansen）によって説明されている。さらに、キム（Kim）がIEEE,２００２年,ｐ.４７９-４８２に方法を開示している。
【００２３】
突起がつくられる材料は、突起の間隔、寸法、場所、形状、数及びパターンとともに、突起１０６の中への液体１０９の侵入を防止するように選ばれる。液体１０９が終端１３０で支持されるときに、流れに対する低減された抵抗が生じるが、突起が液体１０９で濡れているときには高められた流抵抗が観測される。
【００２４】
特に図１Ａを参照すれば、一実施形態において、材料及び突起１０６間の間隔の大きさＳは、隣り合う突起によって画成される開口内に毛管引力で、あるいは周囲大気圧より、約２.５気圧（約０.２５ＭＰａ）、２.０気圧（約０.２０ＭＰａ）、１.５気圧（約０.１５ＭＰａ）ないしそれより小さい、例えば０.５気圧（約５００ｈＰａ）、高い圧力の印加中に、液体が引き込まれないであろうように、選ばれる。実施形態において、突起１０６は十分に疎水性の材料でつくられ（またはそのような材料で被覆され）、隣り合う突起間の間隔の大きさＳは、終端１３０において縁対縁で測定して、約２μｍより小さく、例えば、１.５０μｍ、１.２５μｍ、１.００μｍ、０.７５μｍまたはさらに小さく、例えば０.２５μｍである。いくつかの実施形態において、突起１０６は数連の行及び列を画成する。別の実施形態において、突起１０６で画成されるパターンはそれほど規則的ではなく、行列パターンより乱雑である。
【００２５】
特定の実施形態において、突起１０６の中への液体１０９の侵入を防止するため、突起のそれぞれは疎水性被覆、例えばフルオロポリマー被覆を有し、直近突起１０６間の間隔Ｓは約１μｍより小さい。一般に、突起１０６を十分に疎水性にするには約１００オングストロームから約７５０オングストロームの被覆厚で十分である。被覆は、例えばテフロン（登録商標）を用いたスピンコーティングによって、突起上に着けることができる。被覆はフッ素ベースプラズマを利用するＤＲＩＥ法を用いることによっても突起１０６上に着けることができる。スピンコーティング法は、IEEE,２００２年，ｐ.４７９〜４８２でキムによって説明されている。疎水性表面も、イノウエ（Inoue）等，２０００年，Colloids and Surfaces, B: Biointerfaces，第１９巻，ｐ.２５７〜２６１；ヤングブラッド（Youngblood）等，Macromolecules，１９９９年，第３２巻，ｐ.６８００〜６８０６；チェン（Chen）等，Langmuir,１９９９年，第１５巻，ｐ.３３９５〜３３９９；ミワ（Miwa）等，Langmuir，２０００年，第１６巻，ｐ.５７５４〜５７６０；シブイチ（Shibuichi）等，J. Phys. Chem.，１９９６年，第１００巻，ｐ.１９５１２〜１９５１７；及びヒャルミャ（Haermae）等，IEEE，２００１年，２００１年，ｐ.４７５〜４７８に論じられている。
【００２６】
図３を参照すれば、基板の疎水性が液体、例えばインクによる濡れ性と関係付けられる。接触角によって基板の疎水性を定量化することが望ましいことが多い。一般に、液体についての接触角θを測定するための、ＡＳＴＭ Ｄ ５９４６-０４に説明されているように、角度は基線１５０と３相点において液滴表面に対して引かれた接線１５２の間で測定される。数学的に、θは２arctan（Ａ/ｒ）であり、ここで、Ａは液滴の像の高さであり、ｒはベース幅の１/２である。突起１０６をもつチャネル１０２については、基線１５０は突起１０６の終端によって画成される。いくつかの実施形態において、約１５０°と約１７６°の間、例えば、約１５５°から約１７５°または約１６０°から約１７２°の接触角θを有することが望ましい。
【００２７】
いくつかの実施形態において、突起の中への基体１０９の侵入を防止するため、それぞれの突起１０６は疎水性被覆を有し、突起は約６.０×１０９突起/ｍ２から約３.０×１０１１突起/ｍ２の密度で存在する。
【００２８】
いくつかの実施形態において、それぞれの突起１０６は突起が突き出す壁に対して実質的に垂直であり、それぞれの突起の横断面は実質的に円形である。特に図１Ｂを参照すれば、いくつかの実施形態において、突起１０６の高さＨＡは、突起が突き出す壁に対して垂直に測定して、約０.２５μｍから約３５μｍ、例えば、０.５，０.７５，０.９，１，２，５μｍあるいはさらに大きく、例えば１０μｍである。
【００２９】
それぞれの突起１０６が２５０オングストローム厚のフルオロポリマー被覆を有し、隣り合う突起間の間隔が約１μｍの、特定の実施形態では、突起を有していないチャネルに対してチャネル断面積を１/５に縮小し、同時に突起を有していないチャネルと同様の流抵抗を維持することが可能になるであろう。
【００３０】
チャネル１０２は、チャネル１０２を流過している液体を脱ガスするために、真空源とともに用いることができる。そのような脱ガスは、ポンピングチャンバ１１６に近接して、例えば隣接して、行われる場合に特に効率を高くすることができる。高効率で脱ガスされた液体により、例えば整流拡散がほとんどない、向上した高頻度動作を得ることができる、改善されたパージプロセスを得ることができる。図１Ａ及び１Ｃを参照すれば、壁１０４’に開口１６０を画成し、開口１６０を真空源１６２と流体流集可能な態様で連結することによって、液体１０９を脱ガスするためにチャネル１０２を用いることができる。突起１０６が「テフロン」で被覆され、隣り合う突起間の間隔の大きさＳが１μｍである場合、開口１６０における圧力は、突起１０６の中に液体１０９を侵入させずに、周囲大気圧より約７５０ｍｍＨｇ（１０５Ｐａ）低くすることができる。
【００３１】
図４を参照すれば、いくつかの実施形態において、チャネルは３枚のプレートを積層し合せることで形成される。例えば、下層プレート１８１は、複数の突起１０６をもつ壁を有する掘込み１８３を有する。中間プレート１８５は、掘込み１８３に相応する細長い卵形開口１８７を有する。上層プレート１８９は、中間プレート１８５の開口１８７及び下層プレート１８１の掘込み１８３に相応する掘込み１９１を有する。掘込み１９１も複数の突起１０６をもつ壁を有する。上層プレート１８９は３つの開口１９３，１９５及び１９７を有する。プレート１８１，１８５及び１８９は、掘込み１８３及び１９１が開口１８７に合せられてチャネルを形成するように、例えば接着剤で貼り合されることによって、組み立てられる。組立後、液体は開口１９３に流入し、開口１９７から流出する。液体１０９を脱ガスするための真空は開口１９５（または、望ましければ複数のそのような開口）に与えることができる。いくつかの実施形態において、開口１９５の直径は突起間の間隔Ｓにほぼ等しく、例えば１μｍより小さく、例えば０.５μｍであり、開口１９３及び１９５のそれぞれの直径は１５ｍｍより小さく、例えば、１０ｍｍ，５ｍｍまたはさらに小さく、例えば１ｍｍである。
【００３２】
別形の積層流路も可能である。例えば図４Ａ，４Ｂ及び４Ｃを参照すれば、液流チャネルは下層プレート４０１，中間プレート４０５及び上層プレート４１７を積層することで形成される。上層プレート４１７は３つの開口４１１，４１３及び４１５を有する。下層プレート４０１は複数の突起１０６が植わる卵形のエッチングされた領域４０３を有し、突起は、突起の高さに等しい量だけプレート４０１の上面４３１に対して掘り込まれた壁４３３から突き出す。したがって、突起１０６の終端１３０は表面４３１と同じ平面にある。中間プレート４０５は、端４３７及び４３９で横方向長さが画成されている細長い卵形開口４０７を有する。細長卵形領域４０３は開口４０７の末端４３７の先に延びる領域４３５を除いて開口４０７に相応する。プレート４０１，４０５及び４１７は、開口４１１の末端４５１が開口４０７の末端４３９に揃い、領域４０３の末端４５３と揃うように、例えば接着剤で貼り合されることによって、組み立てられる。同時に、開口４１３の末端４５５は開口４０７の末端４３７と合せられ、プレート４１７の開口４１５はプレート４０５の開口４２１に合せられる。組み立てられると、開口４１５が真空源（図示せず）に連結される。これにより、液体の脱ガス及び／または、例えば、直径が１０μｍより小さい、例えば５，４，３μｍまたはさらに小さく、例えば１μｍの泡の除去を行うため、壁４３３とそれぞれの突起１０６の終端１３０の間の領域４６７に真空源が通じることが可能になる。
【００３３】
改めて図１Ａ及び１Ｃを参照すると、いくつかの実施形態において、突起１０６は突起１０６と壁との交点１３２における横断面積は突起１０６の終端１３０における横断面積より小さい。例えば、突起１０６と壁との交点１３２における最大横寸法Ａは、例えば１μｍとすることができ、突起１０６の終端１３０における最大横寸法Ｂは、例えば２μｍとすることができる。次に図２Ａ及び２Ｃを参照すれば、いくつかの実施形態において、それぞれの突起１０６’には、突起１０６’と壁の交点１３２’から尖鋭終端１３４にかけてテーパがかけられている。いくつかの実施形態において、それぞれの突起１０６’は、突起１０６’と壁の交点１３２’において２μｍより小さい最大横寸法Ｃを有し、０.３μｍより小さく、例えば０.２μｍないしさらに小さい、例えば０.０５μｍの最大横寸法Ｅを有する尖鋭終端１３４にかけてテーパがかけられている。
【００３４】
液体流に対する低減された抵抗に加えて、発明者等は、突起１０６の中に捕えられた空気がエネルギーを吸収でき、よって、印刷装置のアレイ化された個々の液滴射出器間の音響干渉効果、例えばクロストークを低減できるという点で、突起１０６が極めてコンプライアンスが高いことを見いだした。図１及び２Ｂを参照すれば、液滴１２２の射出中、圧力がノズル路１１８に沿って伝達されてノズル開口１２０からの液滴１２２の射出をおこさせるようにアクチュエータ１１２によってポンピングチャンバ１１６が加圧される。液滴射出中、圧力はチャネル１０２にも伝達される。この結果、チャネル１０２内の液体１０９は突起１０６の中に公称メニスカス位置１７０から高圧メニスカス位置１７２まで若干押し込まれる。この若干の侵入は、インクのコンプライアンスよりかなり高いコンプライアンスを生じさせ、有効に圧力波を反射してポンピングチャンバ内に戻し、液滴射出デバイスの１つで発生するエネルギーによる近傍の、例えば隣接する、液滴射出デバイスの液滴射出への干渉を防止することができる。加圧後、メニスカス位置１７２はメニスカス位置１７０に戻る。２５０オングストローム厚フルオロポリマー被覆を有し、隣り合う突起間の間隔が約１μｍの、面積５５平方μｍ突起原は、１ピコリットル/ｐｓｉ（約１.４５×１０-４ピコリットル/Ｐａ）のコンプライアンスを与えるであろうと推定される。
【００３５】
いくつかの構成において、間隔をおいて配された突起は、液体が突起を横切って流過する際に、液体内の泡を除去するように作用することができる。
【００３６】
デバイス１００はアレイ化して基板上に液滴を被着するための装置をつくることができる。図５は、基板３０２（例えば紙）上に液滴、例えばインク滴を連続的に被着するための装置３００を示す。基板３０２は供給スタンド３０２上のロール３０４から引き出されて、基板３０２上に複数の液滴、例えば色の異なる液滴を着けるための一連の液滴被着ステーション３０８に送り込まれる。それぞれの液滴被着ステーション３０８は、基板３０２の上方に配置された、基板３０２上に液滴を被着するための集成液滴射出部品３１０を有する。それぞれの集成液滴射出部品は複数の図１のデバイス、例えば約２５０から約１０００ないしさらに多くのそのようなデバイスを有する。コントローラ３２５があらかじめ画成されたパターンで液滴を射出させるための信号をデバイス１００のアクチュエータ１１２に与える。それぞれの集成液滴射出部品３１０において、基板３０２の下には基板支持構造体３１２（例えばプラテン）がある。基板３０２が最終被着ステーション３１４をでた後、基板３０２は予備仕上げステーション３１６に進むことができる。予備仕上げステーション３１６は基板３０２を乾燥するために用いることができる。次いで、基板３０２は仕上げステーションに進み、そこで折り畳まれ、切り離されて、最終製品３２０になる。いくつかの実施形態において、基板３０２は約０.２５ｍ/秒から約５.０ｍ/秒ないしさらに高い速度で送られる。
【００３７】
液体供給経路の上方にチャネル１０２を示したが、いくつかの実施形態において、チャネル１０２はノズル開口近傍の領域から廃液を取り去るように構成された廃液制御システムの一部である。廃液制御システムは、名称を「集成液滴射出部品（Droplet Ejection Assembly）」とする米国特許出願第１０/７４９８２９号の明細書でホイジントン等によって説明されている。
【００３８】
次に図１，６，６Ａ，６Ｂ及び６Ｃを参照すれば、ノズル幅がＷＮの、ノズル１２０は、開口幅がＷＡの、廃インク制御開口２００で囲まれている。この開口は全体的にノズル１２０を囲み、ノズル開口１２０の周縁から距離Ｓ１だけ隔てられている。時間の経過と共に、誤印刷をおこさせ得る液塊がノズル開口周りに形成され得る。開口２００は過大な液塊が形成され得る前に廃液を取り除く。実施形態において、開口はノズル周縁に近接して配置される。例えば、実施形態において、間隔はノズル幅の約２００％未満、例えば５０％未満、例えば２０％未満である。実施形態において、開口はノズル周縁から間隔を大きく、例えばノズル直径の２００％から１０００％ないしさらに大きく、とって配置される。実施形態において、開口は、近接開口及び間隔が大きくとられた開口を含む、様々な間隔で設けることができる。実施形態において、それぞれのノズルに３つないしそれより多くの開口が付随する。特定の実施形態において、開口はノズル幅より約３０％ないしそれより小さい、例えば２０％ないしそれより小さいかまたは５％より小さい、幅を有する。液体吸込み中に開口にかかる真空は約０.５〜１０ｉｎｗｇ（約１.２×１０２〜２.５×１０３Ｐａ）ないしさらに高い。ノズル幅は約２００μｍないしさらに小さく、例えば１０から５０μｍである。インクまたはその他の噴出液の粘度は約１から４０センチポアズ（１〜４０×１０−９Ｐａ・秒）である。複数のノズルを約２５ノズル/インチ（約１ノズル/ｍｍ）ないしそれより密な、例えば１００〜３００ノズル/インチ（約４〜１２ノズル/ｍｍ）のピッチでノズルプレートに備えることができる。液滴の体積は約１から７０ピコリットルである。
【００３９】
特に図６Ａを参照すれば、開口２００は、断続的にまたは連続して真空を生成する真空源、例えばメカニカル真空装置（図示せず）に至るチャネル２０２に通じている。図６Ｂを参照すれば、真空がノズル周りから廃インク１１１を吸引する（矢印）。ノズルプレートから吸引されたインクはインク供給源にリサイクルするかまたは廃液容器に導くことができる。図６Ｃを参照すれば、壁２０４及び壁２０４から突き出している複数の突起１０６を有するチャネル２０２は、チャネル２０２内の液流抵抗をかなり下げる。これにより、廃液１１１を取り除くに必要な真空要件が緩和される。
【００４０】
また別の実施形態を以下に示す。
【００４１】
例えば、液滴射出デバイスは、インクを印刷動作において噴出させることができるが、インク以外の液体を射出するためにも利用することができる。例えば、被着される液滴は、液滴として送出することができる、ＵＶまたは他の光で硬化可能な材料あるいはその他の材料、例えば、化学的液体または生体液とすることができる。
【００４２】
液滴射出デバイスに用いるためのチャネルを説明したが、説明したチャネルは、例えば高スループットスクリーニング検定用の、精密計量分配システムの一部とすることができるであろう。本チャネルは別の装置の一部、例えばいずれかの液体ハンドリングシステム、例えば、ハンドリング中に細胞を損傷させないことが望ましい、血液ハンドリングシステムの一部とすることができる。さらに、そのようなチャネルは、いかなる液体ハンドリングシステムにおいても、望ましい場合に、液体を脱ガスするために用いることができる。
【００４３】
圧電型アクチュエータを論じたが、その他の電気機械アクチュエータも用いることができる。さらに、熱アクチュエータを利用することができる。
【００４４】
閉鎖チャネルを論じたが、開放チャネルも用いることができる。
【００４５】
いくつかの突起形状を説明したがその他の突起形状、例えば、正方形、五角形、六角形、八角形及び卵形も可能である。
【００４６】
さらにその他の実施形態も添付される特許請求個範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１−１】図１は液滴射出デバイスの断面図である
【図１−２】図１Ａは図１の領域１Ａの拡大図である
【図１−３】図１Ｂは図１の領域１Ｂの拡大図である
【図１−４】図１Ｃは図１の突起の斜視拡大図である
【図２Ａ】別の実施形態についての突起の上面図である
【図２Ｂ】図２Ａの突起の側面図である
【図２Ｃ】図２Ａの突起の斜視図である
【図３】接触角の測定を示す、側面図である
【図４−１】図４は積層流路の斜視分解組立図である
【図４−２】図４Ａは別の積層流路の斜視分解組立図である
【図４−３】図４Ｂは図４Ａの、４Ｂ-４Ｂに沿ってとられた、流路の断面図である
【図４−４】図４Ｃは図４Ｂの領域４Ｃの高倍拡大図である
【図５】基板上に印刷するための装置の側面図である
【図６−１】図６はノズル開口及びノズル開口近傍の清掃開口を示す液滴射出デバイスの一部の上面図である
【図６−２】図６Ａは図６の液滴射出デバイスの断面図である
【図６−３】図６Ｂは図６の液滴射出デバイスの断面図である
【図６−４】図６Ｃは図６Ａの領域６Ｃの拡大図である
【符号の説明】
【００４８】
１００    液滴射出デバイス
１０２    液体チャネル
１０４，１０４’，１０５    壁
１０６    突起
１０９    液体
１１０    基板
１１２    アクチュエータ
１１４    フィルタ
１１６    ポンピングチャンバ
１１８    ノズル路
１２０    ノズル開口
１２２    液滴
１２４    上部層
１２６    下部層
１３０    障壁層
【図１】
2009519141.tif 000003
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年3月17日(2009.3.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴射出デバイスにおいて、
加圧アクチュエータを含むポンピングチャンバ、
壁を有する液体チャネルであって、前記ポンピングチャンバに隣接して配置されたチャンネル、及び
前記壁から前記チャネル内に突き出している、間隔をおいて配された複数の突起、
を備え、
前記突起が前記突起の中への前記液体の侵入を実質的に防止し、該突起が、前記チャンネル内の流抵抗を減少させるために配置されている、
ことを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記加圧アクチュエータが圧電材料を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記チャネルの少なくとも一部がシリコン材料を含む基板内に画成されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記突起のそれぞれが疎水性被膜を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記疎水性被膜の厚さが約１００オングストロームから約７５０オングストロームであることを特徴とする請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記チャネル内の液滴が前記突起上で約１５０°から約１７６°の接触角をなすことを特徴とする請求項４に記載のデバイス。
【請求項７】
前記疎水性被膜がフルオロポリマーを含むことを特徴とする請求項４に記載のデバイス。
【請求項８】
前記壁における前記突起のそれぞれの横断面積が終端における横断面積より小さいことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記突起のそれぞれに前記壁から終端にかけてテーパがかけられており、前記終端が０.３μｍより小さい最大横寸法を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
直近突起間の間隔が、終端において縁対縁で測定して、約１μｍより小さいことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記突起のそれぞれの高さが、前記壁に垂直に測定して、約２μｍから約３５μｍであることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記突起が突き出している前記壁に画成された開口をさらに有し、前記開口が真空源と流体流通可能な態様で連結されていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記チャネルがノズル開口の近傍領域から廃液を取り去るように構成された廃液制御システムの一部であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記突起の密度が約６.０×１０９突起/ｍ２から約３.０×１０１１突起/ｍ２であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記チャネルが積層されたプレートで画成されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
液体射出方法において、
液滴射出デバイスであって、
加圧アクチュエータを含むポンピングチャンバ、
壁を有する液体チャネルであって、前記ポンピングチャンバに隣接して配置されたチャンネル、及び
前記壁から前記チャネル内に突き出している、間隔をおいて配された複数の突起、
を備え、
前記突起が前記突起の中への前記液体の侵入を実質的に防止し、該突起が、前記チャンネル内の流抵抗を減少させるために配置されている、
液滴射出デバイスを提供する工程、
前記チャネルに前記液体を供給する工程、及び
前記加圧アクチュエータを使用することによって前記チャネルと流体流通可能な態様で連結されているノズルを通して前記液体を射出する工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記液体が約１０〜６０ダイン/ｃｍ（１０〜６０×１０−３Ｎ/ｍ）の表面張力を有することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記液体が約１から５０センチポアズ（１〜５０×１０−９Ｐａ・秒）の粘度を有することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
液体を脱ガスする方法において、
ポンピングチャンバに隣接して配置されたチャネルであって、該チャンネルが壁を有し、該壁から、間隔をおいて配された複数の突起が終端で前記チャネル内に延び、前記突起は該突起間の間隔の中への前記液体の侵入を実質的に防止し、該突起が、前記チャンネル内の流抵抗を減少させるために配置されている、チャネルを提供する工程、
前記壁と前記突起の前記終端の間の領域と通じる態様で連結されている真空源を提供する工程、及び
前記チャネルに前記液体を導入する工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
前記泡の直径が５μｍより小さいことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【国際調査報告】
2009519141.tif 000020