(57)【要約】      （修正有）【課題】粒子速度、軌道、弾道エアロゾルマーキング装置における目標精度に対する改善されて制御を提供する。【解決手段】推進剤の流れに対称に配置され、弾道エアロゾルの噴射実施において滑らかな、よく制御された軌道を得るための微小流路を有するインライン材料入口チャネルの配向を有する材料射出装置（例えば、プリントヘッド）形状が本明細書で開示される。推進剤（例えば、加圧空気）が、微小流路アレイ面の上方および下方（または左右）から供給される。鋭角（例えば、９０度）を回避することにより、推進剤は、微小流路内に巨視的なソースからスムーズに流れることが可能となる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に粒子状物質を選択的に付着させる装置であって、
ノズルと微小流路領域を画定する材料噴射器本体と、
前記微小流路領域内に配置され、ノズルプロファイルを規定する壁構造体を有する微小流路と、
前記ノズル内に配置され、ほぼ均一に前記ノズルの少なくとも第１および第２の反対側の面から離間することにより、粒子入口チャネルと前記ノズルの少なくとも対向する２面との間で実質的に対称な第１および第２の流れ領域を規定する、粒子入口チャネルと、
前記粒子入口チャネルが配置された少なくとも１つの静電粒子移送サブシステムと、
粒状物質の送達のために、上記粒子入口チャネルに通信可能に結合された粒子リザーバと、
前記ノズルに通信可能に結合された推進剤供給源と、
を備え、
前記粒子入口チャネルは、前記推進剤供給源によって提供された推進剤が、前記第１および第２の流れ領域内の前記粒子入口チャネルを通ってほぼ均一に流れることができるように、前記推進剤供給源に対して前記ノズル内に配置され、
粒状物質が前記粒子入口チャネルに前記粒子リザーバによって提供され、前記粒状物質は前記静電粒子移送サブシステムにより計量され、前記第１および第２の流れ領域内の前記粒子入口チャネルを通ってほぼ均一に流れる推進剤によって前記静電粒子移送サブシステムから搬送され、前記推進剤によって運ばれて、前記基板に向けて前記微小流路領域を介して前記材料噴射器本体を出る、装置。
【請求項２】
前記壁構造体は、基端部および先端部を有する長手方向本体を含み、前記基端部は、半径平面形状、楔の平面形状および角度のついた平面形状からなる群から選択された端部処理部を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記粒子入口チャネルは、複数の独立して制御可能な静電粒子移送サブシステムを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記粒子リザーバは、独立して制御可能な静電粒子移送サブシステムに通信可能に結合される複数の粒子リザーバをさらに備える、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記粒子入口チャネルと前記微小流路領域との間の推進剤流速の関数として、前記少なくとも１つの静電粒子移送サブシステムを制御するためのコントローラをさらに備える、請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記コントローラに通信可能に結合され、前記粒子入口チャネルと微小流路領域との間の領域に配置された流量センサをさらに備え、前記コントローラは、前記流量センサによって提供されたデータに応答して、前記少なくとも１つの静電粒子移送サブシステムを制御する、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記微小流路領域は、出口流れ面を画定し、前記粒子入口チャネルは前記出口流れ面内に位置する、請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、材料搬送システムおよび方法の分野に関し、特に、高速の推進剤の流れにマーキング物質を導入することにより、基板に材料を供給することができるシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットが現在基板にマーキング材料を供給するための共通の技術である。インクジェット印刷の種類は、熱インクジェット（ＴＩＪ）、圧電インクジェット等様々である。一般に、液体インクは、マーキング材料容器に対向するチャネルの一方の末端に配置されたオリフィスから噴出される。ＴＩＪプリンタにおいて、例えば、インク軸受経路内の気泡の爆発的な形成によって液滴が吐出される。蒸気バブルがヒータで形成され、抵抗の形態で、チャネルの一方の面に配置される。
【０００３】
本発明者らは、当技術分野で公知のＴＩＪ（および他のインクジェット）システムに伴ういくつかの問題を同定した。これらの欠点の多くは、材料供給システムの使用目的に応じている。例えば、ＴＩＪ技術の最も一般的な用途はおそらく、印刷または類似の基板マークである。このような用途では、印刷解像度を増大させるために印刷されたスポットサイズおよびピッチを小さくすることが望まれている。改良されたスポット寸法制御、したがって改良されたグレースケールプリントを提供したいという要望がある。印刷速度とシステムの信頼性は改良が望まれる付加的な領域である。以前のエジェクタシステムの別の欠点は、小型のジェットを創出するための小さな出口孔に頼ることにより、吐出される材料に課せられる高いせん断応力である。機械的応力に敏感な送達ペイロードでの用途の場合、この手法には問題がある。例えば、薬物送達用途について、タンパク質、核酸（ＤＮＡ／ＲＮＡ）や生物学的な薬学的構成とすることができる供給材料である場合、高いせん断応力がペイロードを損傷し、治療効力を減少させることがある。弾道エアロゾルマーキング（ＢＡＭ）は、他の既知の材料搬送システムおよび方法の欠点に対処し、克服できる１つの技術として同定されている。
【０００４】
弾道エアロゾルマーキングシステムおよび方法の特定の実施形態では、流体または粒子は、連続高速流（例えば、超音波）ジェットを使用して基板上に堆積される。特定のシステムおよび方法によれば、キャリア（例えば、空気）は、ラバルノズルに連結されたそれぞれの微小流路アレイを通って加速され、集束される。液体または粒状物質はキャリアガス流中に導入される。この材料は、ラバルノズルをちょうど越えた微小流路に対して垂直な入口を通して供給することができる。しかし、このようなシステムは、多くの複雑化させる要因を呈し、例えば、比較的長い微小流路（例えば３０００μｍの長さで６５μｍ×６５μｍ断面）の狭い横断面による空気ジェットの高粘性損失、主空気流方向に対しての垂直配向に起因するトナー入口内の渦形成、チャネルの側壁に衝突するジェットに導入される粒子状物質による原料ジェット焦点ずれ等である。
【０００５】
ＴＩＪをＢＡＭの探査および本開示を推進する背景技術として上述したが、関連する可能性がある他の技術は、静電グリッド、静電吐出方式（またはトーンジェット）、音響インク印刷、昇華型などのいくつかのエアロゾルおよび噴霧システムが含まれる。さらに、背景は、基板にマーキング材料を適用する観点から最初に構成されてきたが、本開示の範囲はそのように限定されるものではないことが理解され、化学的および生物学的研究、製造、試験、表面および補助皮薬剤および免疫送達、薬物送達、マイクロスケール材製造、３次元プリンティング等に使用されるような多種多様な流体および粒子送達システムおよび方法に適用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本開示は、粒子速度、軌道、弾道エアロゾルマーキング装置における目標精度に対する改善された制御を提供するためのシステムおよびプロセスを対象とする。用語「マーキング」は、開示された弾道エアロゾルマーキングプリントヘッドに関して本明細書で使用されているが、本発明の適用は、マーキングよりも広く包含するように意図されており、マーキング材料（肉眼で可視および非可視のマーキング）、表面仕上げ材、実験用の化学的および生物学的材料、分析、製造および治療的使用の送達に限らず、マイクロおよび／またはマクロスケールの製造（例えば、３次元印刷）、表面および皮下薬剤および免疫感作などの広範な目的のための様々な材料を含むが、これらに限定されない。さらに、「粒子」は本明細書で様々な実施例において使用することができるが、これらの説明はあくまで一例であり、一般に、本明細書で説明したタイプのシステムによって供給される材料は、粒子に限定されない。さらに、本明細書で様々な実施形態の説明で「プリントヘッド」が使用されているが、そのような構造は、上述した配送機能などの印刷機能に縛られないが本明細書で企図される実施形態における材料射出装置のように一般化できる。
【０００７】
本発明は、さらに薬剤供給の一般用途に適用され、医療目的のために生物学的サンプルに向かって任意の材料の輸送を参照する。これは、特に経皮や経粘膜経路を含み、生物学的サンプルに浅いおよび深い表面での目標深さを有する。生物学的サンプルは、すべての形態において生細胞、人工的手段（ｉｎ  ｖｉｔｒｏ）によって支持された生物または細胞上の組織を含む。
【０００８】
平滑な、良好に制御された、吐出軌道を得るために微小流路を有するインライン材料入口チャネルの配向を有する材料射出装置形状が本明細書で開示される。推進剤（例えば、加圧空気）は、微小流路アレイ平面の上方および下方より供給される。任意の鋭角（例えば、９０度）を回避することにより、推進剤の流れは微小流路内に巨視的なソースからスムーズに通過する。「μＡｔｏｍ移動装置」等の静電搬送サブシステムを、チャネル出口に材料を制御可能に供給するために選択的に使用することができる。微小流路のアレイは、Ｓｉウェハにエッチングしてもよいが、ガラス基板上に積層されたポリマー層にエッチングすることも可能である。
【０００９】
本明細書に開示される設計では、プリントヘッドの解像度は、μａｔｏｍ移動装置、ゲート電極、微小流路の密度によって決定される。一実施例では、微小流路およびμａｔｏｍ移動装置は、最大３００ｄｐｉの印刷解像度を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一態様によれば、基板上に粒子状物質を選択的に堆積させるための装置が開示されている。この装置は、ノズルと出口チャネルを画定するプリントヘッド本体と、前記ノズル内に配置され、ほぼ均一に前記ノズルの少なくとも第１および第２の反対側の面から離間することにより、前記粒子入口チャネルと前記ノズルの少なくとも対向する２面との間で実質的に対称な第１および第２の流れ領域を規定する、粒子入口チャネルと、粒状物質の送達のために、上記粒子入口チャネルに通信可能に結合された粒子リザーバと、前記ノズルに通信可能に結合された推進剤供給源と、と備え、前記粒子入口チャネルは、前記推進剤供給源によって提供された推進剤が、前記第１および第２の流れ領域内の前記粒子入口チャネルを通ってほぼ均一に流れることができるように、前記推進剤供給源に対して前記ノズル内に配置され、これにより粒子状物質が粒子リザーバによって粒子入口チャネルに供給され、第１および第２の流れ領域内の粒子入口チャネルを通ってほぼ均一に流れる推進剤によって粒子入口チャネルから運ばれ、噴射剤によって基板に向かって出口チャネルを通してプリントヘッド本体を出る。
【００１１】
この態様の実施は、出口通路内に配置された１つまたは複数の微小流路を含んでいてもよい。微小流路はノズルプロファイルを画定する壁構造を有する。壁構造は、基端部および先端部を有する長手方向本体を有し、前記基端部は、半径平面形状、楔の平面形状および角度のついた平面形状からなる群から選択された端部処理部を含む。
【００１２】
本開示の１つまたは複数のさらなる態様によれば、粒子入口チャネルは、少なくとも１つの静電粒子移送サブシステムを備え、粒子入口チャネルは、複数の独立して制御可能な静電粒子移送サブシステムを備え、装置はさらに、粒子リザーバを複数備え、粒子リザーバのそれぞれは、独立して制御可能な静電粒子移送サブシステムに通信可能に接続する。
【００１３】
実施態様はまた、粒子入口チャネルと出口チャネルとの間の推進剤流速の関数として少なくとも１つの静電粒子移送サブシステムを制御するためのコントローラを含み、そして随意に、流量センサは、通信可能にコントローラに接続されており、粒子入口チャネルと出口チャネルとの間の領域に配置され、コントローラは、流量センサによって提供されたデータに応答する少なくとも１つの静電粒子移送サブシステムを制御する。
【００１４】
以上が、本開示の多くの固有の態様、特徴、および利点の要約である。上記の概要は、以下の完全な記述に関連する文脈および特定の概念を導入するために設けられている。しかし、この概要は網羅的なものではない。上記要約は、態様、特徴、またはクレームされた主題の利点の排他的識別として意図するものではなく、またそのように読み取るべきものでもない。したがって、上記の概要は、特許請求の範囲に制限を付与すると解釈すべきでなく、他の任意の方法で特許請求の範囲を決定するものではない。
添付図面において、同様の参照番号は、様々な図面間で類似の要素を示している。例示的ではあるが、各図面は縮尺通りに描かれていない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、当技術分野で一般に知られているタイプの弾道エアロゾルプリントヘッドの切欠き側面図である。
【図２】図２は、本開示の実施形態にしたがった弾道エアロゾルプリントヘッドの切欠き側面図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態にしたがった、弾道エアロゾルプリントヘッドの切欠上面図である。
【図４】図４は、本開示の実施形態にしたがった、弾道エアロゾルプリントヘッドの端面図である。
【図５】図５は、本開示の一実施形態に係るモデル化されたプリントヘッドのための位置で流線速度の大きさを示す粒子のトレースモデルである。
【図６】図６は、本開示の実施形態に係るモデル化されたプリントヘッドのための粒子の軌跡を示す粒子のトレースモデルである。
【図７】図７は、当技術分野で一般に知られているタイプのプリントヘッドの位置により速度ベクトルを示す粒子のトレースモデルである。
【図８】図８は、当技術分野で一般に知られているタイプのプリントヘッドのための位置で粒子の軌跡を示す粒子のトレースモデルである。
【図９】図９は、本開示の別の実施形態にしたがった、弾道エアロゾルプリントヘッドの切欠上面図である。
【図１０】図１０は、本開示のさらに別の実施形態にしたがった、弾道エアロゾルプリントヘッドの切欠上面図である。
【図１１】図１１は、本開示の別の実施形態におけるモデル化されたプリントヘッドのための位置によって推進速度を示すトレースモデルである。
【図１２】図１２は、本開示の実施形態による２種類の異なるチャネル長に対する推進剤入力圧力対推進速度のプロットである。
【図１３】図１３は、本開示のさらに別の実施形態にしたがった、弾道エアロゾルプリントヘッドの切欠き側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明者らは最初に、よく知られた出発材料、処理技術、構成要素、装置およびその他周知の詳細な説明を要約するだけでよいこと、または本発明の詳細を不必要に不明瞭にしないように省略できることを指摘しておく。よって、詳細が通常は周知である場合、それらの詳細に関する選択の示唆または指示については本開示を適用する。
【００１７】
本開示によるプリントヘッド設計は、弾道エアロゾルマーキングシステムの空気流内に粒子のスムーズな噴射を提供する。粒子入口および微小流路は互いに一列に整列され、互いにほぼ垂直に粒子入口および微小流路を配向させる周知の構成とは対照的である。連続的な空気流は、粒子入口の周囲で対称となるノズルを通して微小流路内に集束する。この形状により、粒子注入は、微小流路と同一平面内で行われ、空気は、第３の次元（すなわち、微小流路アレイ面の下方および上方）から供給される。
【００１８】
典型的なＢＡＭプリントヘッドサブシステム２０は、図１に示されている。サブシステム２０は、ラバル型膨張管２４が形成された本体２２を備える。空気、ＣＯ２等のキャリアは、本体２２の第１の近位端２６で注入されてパイプ２４内の推進剤の流れを形成する。複数のトナーチャネル２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄが本体２２に形成されている。これらのチャネルは、推進剤の流れに、着色トナーなどの材料を送達するように構成されている。チャネル２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄからの物質導入の制御が、例えば、それぞれ静電ゲート３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ、または他の適切なゲート機構によって達成される。これにより位置３２での、パイプ２４へのベンチュリ供給が達成される（あるいは、チャネル２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄの各々から位置３２に圧送することもできる）。パイプ２４を通過する材料と推進剤の流れの圧力が、速度に変換されることにより、チャネル２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄからの寄与を混合し、適切な混合物の材料は、集束した高速エアロゾル状ジェット３４として約１気圧でパイプ２４を出て、いくつかの実施形態では約３４３ｍ／ｓ（超音速）以上となる。特定の実施形態において、ジェット３４内の粒子は、衝撃融合が十分な運動量で基板３６に衝突する。
【００１９】
図１から分かるように、チャネル２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄの長軸は、パイプ２４の長軸に対してほぼ垂直に配置されている。すなわち、ジェット３４に送達すべき粒状物質は、その送達方向に直交する方向に導入される。いくつかの用途では、この配置は、多くの複雑化させる要因を導入する。例えば、パイプ２４は、粒子状物質の速度および混合の十分な向上を可能とするために、断面寸法（６５μｍ×６５μｍ）に比較して相対的に長い（３０００μｍ）。しかし、これによって、パイプ２４内のエネルギーの粘性損失をもたらす（よって、非効率である）。推進剤の流れに対するチャネル２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄの垂直配置が与えられると、渦が、チャネル２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄの送達先端付近に形成されることがある。これらの渦は、粒子状物質の正確な制御された送達を妨害する。また、推進剤の流れに対する、チャネル２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄからの粒状物質の垂直な導入によって、パイプ２４の側壁に衝突する粒子によるジェット焦点ずれが生じる可能性がある。
【００２０】
これらのおよび他の複雑化させる要因に対処し、システムおよび動作方法である改良を提供するために、本開示は、ＢＡＭシステムおよび方法で推進剤流れ内への材料のインライン導入を提供する。推進剤ストリームは、粒子導入口に対して下方および上方から（または、左右からあるいは上下左右から）対称的に設けられており、微小流路に設けられている。入口周りの推進剤の流れの対称性によって、一般に管側壁に影響を与えることなく、粒子がスムーズに推進剤の流れに入る。導入された粒子を含む推進剤の流れは、微小流路内の空気流の流れの集中による集束される。例えばノズル面に垂直な追加的な集束は、微小流路内のラバルノズルを使用することによって達成される。この構造は、粒子が装置を通過する際に受ける機械的せん断力を低下させ、粒子は、周囲の流体に囲まれている限り装置の剛性側壁に直接影響しない。これにより、より小さな剛性出口オリフィスを使用することなく、より小さい直径のジェットを可能にし、より小さいせん断応力でより小さな直径のジェットを可能にしている。より小径の噴流はより小さい目標衝撃領域を可能にし、マーキング用途のために解像度を向上させることができるが、目標基質が生体組織の場合、薬物送達用途について痛みが少ないという利点も有する。
【００２１】
図２、図３、および図４はそれぞれ、本開示の一実施形態にしたがった、弾道エアロゾルマーキングシステム５０の側面、上部、および端面図である。システム５０は、ソース構造または複数のソース構造体５４に通信可能に結合されたプリントヘッド本体５２を備えている。説明のために、本体５２と構造体５４は、図２、図３、図４において比較的同じスケールで示されている。しかしながら、多くの実施形態において、これらの２要素のスケールは、数桁の大きさだけ異ならせることができ、いくつかの実施形態において、本体５２は１００〜５００μｍのオーダーであり、数百ｍｍ以上のオーダーである構造体５４よりもかなり小さい。
【００２２】
ソース構造体５４は、本体５２を介して本体５２を出る粒子の担体として作用する推進剤を供給する加圧推進剤供給源５６を備えている。推進剤は、圧縮機、再充填可能または再充填不可能なリザーバ、材料の相変化（例えば、固体からガス状ＣＯ２への変化）、化学反応などによって与えられてもよい。多くの実施形態において、構造体５４によって提供された推進剤は、ＣＯ２などのガス、除湿された周囲空気などであってもよい。推進剤の提供に関するさらなる詳細は、米国特許第６，５１１，１４９号（その全体が参照により本明細書に組み入れられる）に記載されている。ソース構造体５４はまた、システム５０によって供給される粒子を含むリザーバ５８を備えている。粒子の例としては、トナーの粒子、ペレット、顆粒等や、有機化合物、金属や合金、薬剤、プラスチック、ワックス、研磨材、タンパク質、核酸、細胞があるが、これらに限定されない。リザーバ５８は、少なくとも１つの寸法において、出口ポート６０に向かって先端がテーパまたはフォーカスするよう構成することができる。以下にさらに記載するように、リザーバ５８は、さらに、推進剤供給源５６内に配置され、推進剤が、供給源５６を通過して先端面と基面（および／または、他の実施形態では横方向に対向する面）および出口ポート６０を越えて出口ポート６２に到達するように、供給源５６に対して構成される。
【００２３】
本体５２は、第１の近位端部にノズル６４を備えて構成されている。粒子入口チャネル６６はノズル６４内に配置される。粒子入口チャネル６６は、リザーバ５８の出口ポート６０から粒子を受け取るため、出口ポート６０にサイズおよび位置を合わせた入口ポート６８を備える。場合によっては、粒子入口チャネル６６は、上述した米国特許第６，５１１，１４９号に開示されているような１つ以上の組み合わされた粒子輸送および計量アセンブリ（μＡＴＯＭ移動装置）７０ａ，７０ｂをさらに備えてもよい。適切な場合には、材料移送と計量は様々な異なるシステムおよび方法のうちの一または複数により達成されてもよく、μＡＴＯＭ移動装置７０ａ，７０ｂは、あくまでも一例である。粒子入口チャネル６６はノズル６４内に配置され、前記ノズルの少なくとも第１および第２の両面から、上下または左右（あるいはその両方）にほぼ均一に離間して、粒子入口チャネル６６とノズル６４の少なくとも２つの対向面との間に実質的に対称的な第１および第２領域７１ａ，７１ｂを画定している。
【００２４】
本体５２は、壁構造体７４により画定された１つ以上の微小流路７２を備えている。微小流路７２は、パターニングされたエッチング、または他の適切なプロセスによって画定され、シリコンまたは類似体であってもよい。例えば、微小流路７２のアレイは、Ｓｉウェハにエッチングしてもよいし、代替的には、ガラス基板上に積層されたポリマー層にエッチングされ、本体構造体５２に嵌め込まれている。壁構造体７４は、ノズルプロファイル７６および／または端部処理部７８（例えば、楔形、丸みをつけられた、または傾斜した平面形状７８ａ，７８ｂ，７８ｃを有する近位端部）を設けてもよい。微小流路７２（および壁構造体７４）は、収集領域８０の分だけ、例えば１０−１００μｍだけ粒子入口チャネル６６から離間している。
【００２５】
特定の実施形態によれば、微小流路内に巨視的な圧力供給源からの空気を収束させるために使用されるノズル構造は、ガラス、プラスチック（例えば、プレキシグラス（Ｐｌｅｘｉｇｌａｓ）等からミリングされる。さらに、特定の実施形態によれば、微小流路７２とμＡｔｏｍ移動装置７０ａ，７０ｂとを整列させるために、μＡｔｏｍ移動装置および微小流路を含むチップでスライド可能な整合溝（図示せず）を有する側壁を用いることができる。
【００２６】
動作において、粒子は、重力、正圧または負圧、静電気等によってリザーバ５８から粒子入口チャネル６６に供給される。推進剤が、粒子入口チャネル６６の上および下（および／または左右）から加圧推進剤供給源５６により供給される。推進剤は、ノズル６４により微小流路７２へ集束され、粒子入口チャネル６６に対称的に整列される。μＡＴＯＭ移動装置７０ａ，７０ｂは、出口ポート８２で推進剤ストリーム中に粒子の制御された量を計量する。粒子の計量は、出口ポート８２を通過する推進剤の流れと共に、微小流路７２に向けて、また微小流路７２を通って粒子を運ぶ。推進剤と粒子の速度は、高速集束流の粒子がチャネルを出て、例えば基板８４に向かうように微小流路７２のノズルプロファイルによって増大される。
【００２７】
上記の幾何学的形状に応じたプリントヘッドはモデル化され、モデル化された装置の様々な態様が検討され、図５および図６に示されている。このモデルは、リザーバ入力で１．２５気圧の入力圧力を含み、微小流路入力において１．３気圧である。図５は、位置による流線速度の大きさを示す粒子のトレースモデルであり、図の左から右へ粒子が流れている。図から分かるように、粒子供給源の上方および下方（あるいは左右、またはその両方）に対称に推進剤を設けた上記プリントヘッドの幾何学的形状によって、気流線の滑らかな収束が、粒子入口チャネル周囲および微小流路内に生じる。図６は、粒子の軌跡を示す粒子のトレースモデルであり、同じく図の左から右へ粒子が流れている。また、開示されたプリントヘッドの幾何学的形状は、注入粒子の「滑らかな」軌道を提供することが分かる。
【００２８】
図５および図６に示す条件は、粒子導入口を微小流路に直交させる公知の設計とは対照的である。これらの公知の設計において、図７、図８に示すように、渦は、主流に入ると、トナー入口内部で形成されて壁と粒子との多数の衝突に至る。図７、図８は、位置による速度の大きさと粒子軌跡を示す、選択された既知のプリントヘッドの幾何学的形状の粒子トレースモデルであり、それぞれ右から左へ粒子が流れている。（図７、図８において使用されるプリントヘッドのモデルは４ｍｍ長で８４μｍ幅チャネルを含んでおり、７５０μｍの高さのトナー入口の右端にラバルノズルがある。エア圧力を６気圧に設定した。トナー入口での圧力は１気圧であった）。図７、図８は、従来技術のＢＡＭプリントヘッド設計の特定の非効率性を示し、いくつかの用途でこの設計によって与えられる利点を強調する。
【００２９】
再び図２を参照すると、微小流路７２内に空気を収束するノズル６４の角度φは、入口チャネル６６内で必要な圧力を制御し、入口への空気の流入を防止する。φが減少するにつれて、空気の速度ｖは、粒子流入出口の周囲で増加する。全圧は一定であるため、流入出口における静圧は、逆流を防止するために入口内でバランスを取る必要があり、ベルヌーイの法則により低下する。
【数１】
2015112600.tif 000002
【００３０】
粒子は微小流路７２の前方の空気ストリーム内に導入される。粒子はしたがって収束空気流線（図６）によってノズル面で微小流路７２内に集束される。これにより、適切な微小流路長さを選択することにより出力先（例えば、ピクセル）サイズを最適化することが可能となる。
【００３１】
滑らかな粒子の軌跡は、粒子入口チャネル６６から微小流路７２内への、遅いが連続的な推進剤の流れから得ることができる。図９に示す一実施形態によれば、荷電粒子の弁調整は、制御部９２などによりＯＮ／ＯＦＦ状態を切り替え可能な出口ポート８２で、ゲート電極９０を介して達成される。ゲート電圧は、粒子入口の内部における静圧から計算される、または適切なセンサ（複数可）９４によって測定されるような、粒子入口チャネル６６から微小流路７２への推進剤流速の関数として制御することができる。
【００３２】
図１０に示す別の実施形態では、個々のμＡｔｏｍトラックによって個々の微小流路への粒子供給を制御する代わりに、単一のプリントヘッド幅μＡｔｏｍ移動装置９６が連続的に微小流路に粒子を搬送し、このμＡｔｏｍ移動装置に個々の電極９８ａ、９８ｂ、９８ｃ等が（出口ポート８２から離れるように）粒子を運んでもよい。しかしながら、搬送サブシステムはすべての実施例に対して必要とされないであろう。例えば、薬物送達の実施形態では、投与量は、リザーバに入った被供給薬物の設定量（例えば、リザーバの全内容量を消費する用量）によって制御することができる。薬物の粒子送達の場合、粒子の「クラウド」は、流動化剤や他の公知の手段により形成することができる。
【００３３】
ここで開示されたプリントヘッドの形状によって提供される複数の利点の１つは、既存の設計に示唆されているよりも短い微小流路を使用することである。本開示によれば、微小流路は、基板に推進剤ジェットを最終的に集束させるために、主にまたは排他的に（構成に依存する）必要とされる。推進剤供給の他の部分は、巨視的な（１ｍｍ超）の寸法に維持されている。図１１（推進剤流の速度ベクトル、図中の流れを左から右へ）と図１２（チャネル長の関数としての推進剤／粒子出口速度）によって示されているように、微小流路内の粘性損失が少ないと、高い（例えば、超音波）速度に推進剤を加速するために小さい入力圧が必要とされる。
【００３４】
図１３に示すプリントヘッドの別の設計によると、微小流路は設けられていない。ノズル６４は、直接マイクロスリット１００を介して推進剤を集束する。特定の実施形態では、これは、微小流路の実施形態と比較して、より長いマイクロスリット１００を必要とする。この長さを数ｃｍ以上のオーダーとすることができる。これらの実施例ではマイクロスリットで乱流を低減するために構成することもできる。
【００３５】
前述したように、荷電粒子は、個々のμＡｔｏｍ移動装置７０ａ，７０ｂ等によって個々の微小流路に供給されてもよい。すなわち、１つまたは複数のμＡｔｏｍ移動装置を、入口チャネル６６内に配置することができる。特定の実施形態において、各μＡｔｏｍ移動装置は、図３に示すように固有の粒子リザーバ（例えば、５８ａ〜７０ａおよび５８ｂ〜７０ｂに通信可能に連結し得る。μＡｔｏｍ移動装置７０ａ，７０ｂは、（マクロ）流動床から粒状物を供給する巨視的な原子移動装置（図示せず）に接続することができる。一般に、プリントヘッドの解像度はμＡｔｏｍ移動装置、ゲート電極、および微小流路の密度によって決定される。一実施例では、微小流路およびμＡｔｏｍ移動装置は、最大３００ｄｐｉの印刷解像度を提供するが、他の印刷解像度も本開示によって企図される。
【００３６】
本明細書に開示される構造の第１の部分が第２の部分の「上」または「上方」にあると言及されるとき、直接第２の部分に、または介在する構成に配置することが可能であり、または構造体が第１および第２の部分との間にあってもよい。また、第１の部分が第２の部分の「上」または「上方」にあると言及されるとき、第１の部分は、第２の部分全体または一部のみを覆っていてもよい。
【００３７】
現代のマイクロメカニカルデバイスの物理的特性およびその製造方法は絶対ではなく、統計的努力によって所望のデバイスおよび／または結果を生成する。処理の再現性、製造ラインの清浄度、開始物質および処理用物質の純度等に最大限の注意を払っても、変形や欠陥が生じる。したがって、本開示の説明またはその特許請求の範囲は、絶対的なものとして読むべきではない。特許請求の範囲の制限は、本開示の境界を規定することを意図し、これらの制限を含んで構成される。このことを明らかにするために、用語「実質的に」とは、請求項の限定（偏差および不完全さについての考慮は、この用語とともに使用される限定に制限されないが）および／または説明に関連して本明細書で使用されることがある。本開示自体の制限として正確に定義するのは困難であるが、本発明者らは、この用語の意味を「大体において」、「ほぼ実施可能」、「技術的制限の範囲内で」等として解釈されるものとして意図している。
【００３８】
実施例および変形は前述の説明で提示してきたが、膨大な数の変形が存在することを理解するべきであり、これらの例は、単に代表的なものであり、いかなる意味でも本開示の範囲、適用性または構成を限定するものではない。上記開示された、および他の様々な特徴および機能、または代替物を、多くの他の異なるシステムまたは用途に望ましく組み合わせることができる。様々な現在予測不可能なまたは予期しない代替、変更、変形、またはそれらへの改良が、当業者によってなされてもよく、それらも以下の特許請求の範囲に包含することを意図している。
【００３９】
したがって、前述の説明は、本開示を実施するための有用な指針を当業者に提供する。また、説明した各実施例の機能および構成に様々な変更が、特許請求の範囲により定義される開示の精神および範囲から逸脱せずになされ得ることが企図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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