(57)【要約】  液滴射出器はノズル開口の近傍に液体流を制御するためのチャネルを有する。
2007516876.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴射出器において、
実質的プレーナ基板に形成された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、及び
前記ノズル開口近傍で前記基板に形成されたチャネルであって、前記開口から前記ノズル開口の幅の約２０％ないしそれより大きい距離だけ隔てられているチャンネル、
を備えることを特徴とする液滴射出器。
【請求項２】
前記ノズル開口が前記チャネルによって囲まれていることを特徴とする請求項１に記載の液滴射出器。
【請求項３】
前記チャネルが環形であることを特徴とする請求項２に記載の液滴射出器。
【請求項４】
前記チャネルが前記ノズル開口から放射状に延びることを特徴とする請求項１に記載の液滴射出器。
【請求項５】
前記チャネルが前記ノズル開口の幅の約２倍ないしそれより小さい幅を有することを特徴とする請求項１に記載の液滴射出器。
【請求項６】
前記チャネルが約１００μｍないしそれより小さい幅を有することを特徴とする請求項１に記載の液滴射出器。
【請求項７】
前記チャネルの深さが約２μｍから約５０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の液滴射出器。
【請求項８】
前記基板がシリコン材料であることを特徴とする請求項１に記載の液滴射出器。
【請求項９】
前記プレーナ基板が複数のノズル開口及び前記ノズル開口近傍のチャネルを有することを特徴とする請求項１に記載の液滴射出器。
【請求項１０】
前記ノズル開口の幅が約２００μｍないしそれより小さいことを特徴とする請求項１に記載の液滴射出器。
【請求項１１】
圧電アクチュエータを有することを特徴とする請求項１に記載の液滴射出器。
【請求項１２】
液体射出の方法において、
基板に形成されたノズル開口を通る射出のためにその中で液体に圧力が加えられる流路及び前記基板の前記ノズル開口の近傍に形成されたチャネルを有し、前記チャネルが前記ノズル開口から前記ノズル開口の幅の約２０％ないしそれより大きい距離だけ隔てられている、液滴射出器を提供する工程、
前記チャネルで画成される空間に毛管作用力によって吸い込まれる液体を供給する工程、及び
前記流路において前記液体に圧力を加えることによって前記ノズル開口を通して前記液体を射出する工程、
を有してなることを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記液体が約２０〜５０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１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記液体が約１〜４０センチポアズ（１センチポアズ＝１０−１１Ｎ・秒/ｍ２）の粘度を有することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液滴の射出に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、インク液滴が射出されるノズル開口で終端する。インク液滴射出は一般に、例えば、圧電偏向器、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印刷基板が互いに対して移動させられるとともに、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（３.９〜１１.８ノズル/ｍｍ）のピッチで隔てられ、１００〜３０００ｄｐｉ（３.９〜１１８.１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。
【０００３】
ホイジントン（Hoisington）等の特許文献１は半導体の構体及び圧電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。構体はエッチングでインクチャンバが定められたシリコンでつくられる。ノズル開口はシリコンの構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チャンバ内のインクに圧力を加える。圧電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及びホイジントンの特許文献５にも説明されており、これらの特許文献の全内容は本明細書に参照として含まれる。
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一態様において、本発明の特徴は、実質的プレーナ基板に形成された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液滴射出器である。基板にはチャネルもノズル開口の近傍に形成される。チャネルは、ノズル開口幅の約２０％ないしそれより大きい距離だけ、ノズル開口から隔てられる。
【０００６】
別の態様において、本発明の特徴は基板に形成されたノズル開口を通る射出のためにその中で液体に圧力が加えられる流路を備える液滴射出器を提供する工程を含む液体射出の方法である。基板にはチャネルもノズル開口の近傍に形成される。チャネルは、ノズル開口幅の約２０％ないしそれより大きい距離だけ、ノズル開口から隔てられる。本方法は、チャネルによって画成される空間に毛管作用力によって吸い込まれる液体を供給する工程及び流路内の液体に圧力を加えることによってノズル開口を通して液体を射出する工程も含む。
【０００７】
その他の態様または実施形態は上記の態様の特徴及び／または以下の１つまたはそれより多くの特徴の組合せを有することができる。ノズル開口はチャネルで囲まれる。チャネルは環形である。チャネルはノズル開口から放射状に延びる。チャネルはノズル開口幅の約２倍ないしそれより小さい幅を有する。チャネルは約１００μｍないしそれより小さい幅を有する。チャネルは約２μｍから約５０μｍである。基板はシリコン材料である。プレーナ基板は複数のノズル開口及びノズル開口近傍のチャネルを有する。ノズル開口幅は約２００μｍないしそれより小さい。液滴射出器は圧電アクチュエータを備える。液体は約２０〜５０ダイン/ｃｍ（１ダイン/ｃｍ＝１０−３Ｎ/ｍ）の表面張力を有する。液体は約１〜４０センチポアズ（１センチポアズ＝１０−１１Ｎ・秒/ｍ２）の粘度を有する。
【０００８】
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。液滴形成及び射出との干渉を低減するようにノズルプレートの面の周りの廃インク液が制御されるから、プリントヘッド動作は頑強及び確実である。基板上の精確な場所に小ノズルの大アレイが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。チャネルは廃インク液を制御し、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。チャネルは頑強であり、可動部品を必要とせず、経済的に、例えばシリコン材料のような半導体材料に、加工、例えばレーザ加工、あるいはエッチングで、実施することができる。
【０００９】
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説明されるチャネル寸法、特性及び動作条件を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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１７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させることができる。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り、所望の画像が基板２０上につくられる。
【００１１】
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。メニスカス圧力の変動は、プリントエラー及び滴下を生じさせ得る液滴の体積または速度の変動をおこさせ得る。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１７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を調節する。別の実施形態において、インク液溜めをノズル開口の下方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真空源が与えられる。インクレベルモニタ（図示せず）が、プリント動作中にインクが消費されるとともに低下し、よってノズルにおける真空を高める、インクレベルを検出する。コントローラがインクレベルを監視して、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、大量容器から液溜めにインクを補充する。メニスカスの真空がノズルの毛管作用力に打ち勝つのに十分に離してノズルの下方に液溜めが配置されている、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、真空は約０.５〜約１０インチ水柱（１インチ水柱＝２４９Ｐａ）に維持される。
【００１２】
図２〜２Ａを参照すれば、ノズルプレート部４０は実質的プレーナ基板４１に形成された複数のノズル開口４２を有する。基板４１には、それぞれのノズル開口４２の近傍にチャネル４４の形態のクリーニング構造も形成される。チャネル４４は、ノズル性能に影響を与え得るであろう、ノズルプレート上の不要インクを制御する。例えば、インク噴射中、ノズルプレート上にはインクが溜ってしまう。時間が経つにつれてインクはプリントエラーを引き起こす液塊を形成し得る。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上に滴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り得よう。液塊はノズルプレート４０の表面から十分遠くに突き出し、印刷基板２０に接触して、印刷基板２０上に汚れを生じさせることもできよう。チャネル４４は廃インク液を集め、局在化して、誘導する。特に図２Ａを参照すれば、チャネル４４は壇領域４３の中心に配置されたそれぞれのノズル開口４２を完全に囲む。チャネル４４は、チャネル４４から出る放射状チャネル４６及び４８によって連結され、ノズルプレート上の不要液体を誘導及び保持する連結チャネル網を形成する。
【００１３】
特に図３を参照すれば、液滴射出前のチャネル４４が隣接するノズル開口４２が示されている。図３Ａ及び３Ｂを参照すれば、廃インク液３８が壇領域４３上に溜り、毛管作用力によってチャネル４４に引き込まれる。図３Ｃを参照すれば、廃インク液３８はチャネル４４に入り、チャネル４４によってノズル開口４２の周りに広げられる。放射状チャネル４６または４８に出合うと、インクは放射状チャネルによって画成される空間内に移動し、次いで毛管作用力の下にノズル開口４２から放射状に離れる方向に移動して、不要液体を誘導及び保持する連結チャネル網（図２を見よ）に入る。ノズルプレートが垂直方向に配置されている場合、廃インク液は重力及び毛管作用力の両者の影響の下に、巨視的には単一方向に、チャネル網を通って移動する。ノズルプレートが水平方向に配置されている場合、チャネルからインクを除去するために真空源または吸上材料を用いることができる。
【００１４】
チャネルの間隔、寸法及び配置は廃インク液を制御するように選ばれる。実施形態において、チャネルの縁端からノズル開口の縁端までの間隔Ｓはノズル開口幅ＷＮの約２０％ないしそれより大きく、例えば３０％ないしそれより大きく、またノズル開口幅の約５倍ないしそれより小さく、例えばノズル開口幅の３倍ないしそれより小さい。チャネルの幅ＷＣ及び深さＤは、ノズル表面上の過剰なインクの溜りを防止し、チャネルで画成される空間への毛管作用力による液体の引込み及び保持を可能にするように選ばれる。実施形態において、チャネル幅はノズル開口幅の２倍ないしそれより小さく、ノズル開口幅の約１０％ないしそれより大きい。特定の実施形態において、チャネル幅ＷＣは、例えば約１００μｍないしそれより小さく、例えば５〜２０μｍであり、チャネル深さＤは、例えば約２〜１０μｍないしそれより大きく、例えば５０μｍである。実施形態において、ノズル開口幅ＷＮは、例えば２００μｍないしそれより小さく、例えば２５〜１００μｍであり、ノズル開口からチャネルの縁端までの間隔Ｓは、例えば４０μｍないしそれより大きく、例えば１００μｍである。実施形態において、ノズルピッチは約２５ノズル/インチ（約０.９８ノズル/ｍｍ）ないしそれより短く、例えば約３００ノズル/インチ（約１１.８ノズル/ｍｍ）であり、インク液滴体積は約１〜７０ｐＬであって、圧電アクチュエータにより液体に圧力が加えられる。実施形態において、噴射液体は約１〜４０センチポアズ（１センチポアズ＝１０−１１Ｎ・秒/ｍ２）の粘度を有し、約２０〜５０ダイン/ｃｍ（１ダイン/ｃｍ＝１０−３Ｎ/ｍ）の表面張力を有する。実施形態において、噴射液体はインクである。実施形態において、チャネルは吸上材料を有することができ、及び／またはノズルとチャネルの間のノズルプレート表面に非湿潤性被覆（例えばテフロン（登録商標）フルオロポリマー）を施すことができる。チャネル網は真空源（図示せず）と通じることもできる。廃インク液は、主インク供給源または個別の吸引システムに戻すことができる。実施形態においてチャネルは環形に配置される。別の実施形態において、チャネルは波形に配置される。
【００１５】
上述した実施形態のいずれにおいても、チャネル及び／またはノズル開口は、機械加工、電鋳、レーザアブレーション及び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。チャネルは成形で形成することもでき、例えば射出成形プラスチックチャネルとすることができる。実施形態において、チャネル、ノズル開口及び圧力チャンバは共通の構体内に形成される。構体は金属、炭素あるいは、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、それぞれの明細書の全内容は本明細書に参照として含まれる。
【００１６】
チャネルは、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１０/７４９６２２号の明細書に説明されるウエル及び／または２００３年１２月３０日に出願された米国特許出願第１０/７４９８１６号の明細書に説明される突起のような、その他の廃液制御態様と組み合わせて用いることができる。例えば、一連の突起をチャネル近傍のノズル面に設けることができる。
【００１７】
実施形態において、液滴射出システム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、例えば化学的液体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。クリーニング構造を、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後の廃インク液ではなくクリーニング液及び屑を集めることができる。
【００１８】
その他の実施形態は添付される特許請求の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は液滴射出集成体の略図である
【図２−１】図２はノズルプレートの斜視図である
【図２−２】図２Ａは図２の領域Ａの拡大図である
【図３−１】図３は、液滴射出を示す、図２Ａの線３−３に沿ってとられた、ノズルの断面図である
【図３−２】図３Ａは、液滴射出を示す、図２Ａの線３−３に沿ってとられた、ノズルの断面図である
【図３−３】図３Ｂは、液滴射出を示す、図２Ａの線３−３に沿ってとられた、ノズルの断面図である
【図３−４】図３Ｃは、液滴射出を示す、図２Ａの線３−３に沿ってとられた、ノズルの断面図である
【符号の説明】
【００２０】
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
４４    チャネル
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2007516876.tif 000008
【図３Ｃ】
2007516876.tif 000009
【国際調査報告】
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2007516876.tif 000011