(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ流体吐出ヘッドから、２２℃で約２０ｍＰａ−ｓｅｃから約１００ｍＰａ−ｓｅｃまでの粘度を有する流体を吐出する方法であって、
前記吐出ヘッドからの連続又は間欠流体吐出のための定常状態流体吐出温度より約２０°高い第１の温度まで前記吐出ヘッドを加熱するため、第１の期間、前記吐出ヘッドに加熱信号を印加するステップと、
前記吐出ヘッド上の基板ヒータに射出信号を印加し、その間に前記吐出ヘッドからの流体吐出が起こるステップと、
前記吐出ヘッドの温度が約３０℃よりも低いとき、前記吐出ヘッドが約６０分以上休止していたとき、又は前記吐出ヘッドが高粘度流体で新たに充填されたとき、前記吐出ヘッドに約３０から約６０秒までの期間、予熱信号を提供するステップと、
前記吐出ヘッドから液垂れする流体を吐出するため、前記予熱信号に続き、前記吐出ヘッド上の前記基板ヒータに流体吐出信号を提供するステップと、を含み、
前記流体吐出信号が、２５０から３５０ｎｓｅｃの射出前パルス、約１２００ｎｓｅｃのデッドタイム、７５０から１０００ｎｓｅｃの射出パルスを有する
方法。
【請求項２】
前記吐出ヘッドを前記第１の温度まで加熱するため、前記加熱信号が１つ以上の前記基板ヒータに提供される、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の期間が約３から約６秒である、
請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記吐出ヘッドの温度が、前記吐出ヘッド上の温度センサを用いて判断される、
請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記射出信号が約１から約５キロヘルツまでの周波数で前記基板ヒータに印加される、
請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記射出信号が、約２００から約３００ナノ秒（ｎｓｅｃ）の予熱パルス、約１２００ｎｓｅｃのデッドタイム、約７００から約９５０ｎｓｅｃまでの射出パルスを有する、
請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記予熱信号が、１つ以上の前記基板ヒータを用いて前記吐出ヘッドに印加される、
請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記吐出ヘッドを約６０から約１００℃までの温度に加熱するため、前記予熱信号が前記吐出ヘッドに印加される、
請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
マイクロ流体吐出ヘッドから、２２℃で約２０ｍＰａ−ｓｅｃから約１００ｍＰａ−ｓｅｃまでの粘度を有する流体を吐出する方法であって、
前記吐出ヘッドからの連続又は間欠流体吐出のための定常状態流体吐出温度より約２０°高い第１の温度まで前記吐出ヘッドを加熱するため、第１の期間、前記吐出ヘッドに加熱信号を印加するステップと、
前記吐出ヘッド上の基板ヒータに射出信号を印加し、その間に前記吐出ヘッドからの流体吐出が起こるステップと、
前記吐出ヘッドの温度が約３０℃よりも低いとき、前記吐出ヘッドが約６０分以上休止していたとき、又は前記吐出ヘッドが高粘度流体で新たに充填されたとき、前記吐出ヘッドに約３０から約６０秒までの期間、予熱信号を提供するステップと、
前記吐出ヘッドから液垂れする流体を吐出するため、前記予熱信号に続き、前記吐出ヘッド上の前記基板ヒータに流体吐出信号を提供するステップと、を含み、
前記流体吐出信号が約３から約６秒の継続時間を有する、
方法。
【請求項１０】
新たに充填されたマイクロ流体吐出ヘッドから、又は６０分以上の吐出ヘッド休止期間の後に、初めて高粘度流体を吐出する方法であって、
前記吐出ヘッド上の１つ以上の基板ヒータに予熱信号を印加することで、約６０℃から約１００℃までの温度に前記吐出ヘッドを予熱し、前記温度を約３０から約６０秒までの第１の時間維持するステップと、
前記吐出ヘッドから液垂れする流体を吐出するため、２５０から３５０ナノ秒（ｎｓｅｃ）の射出前パルスと、１２００ｎｓｅｃのデッドタイムと、７５０から１０００ｎｓｅｃの射出パルスとを有する流体吐出信号を、前記予熱信号に続き、前記吐出ヘッドに印加するステップと、
続いて、前記吐出ヘッドからの連続又は間欠流体吐出のための定常状態流体吐出温度より約２０℃高い温度まで前記吐出ヘッドを加熱するため、前記吐出ヘッド上の前記１つ以上の前記基板ヒータに、約３から約６秒までの期間、加熱信号を印加するステップと、
続いて、前記吐出ヘッド上の前記基板ヒータに射出信号を印加し、その間に前記吐出ヘッドからの定常状態流体吐出が起こるステップと
を含む方法。
【請求項１１】
前記流体吐出信号が約３から約６秒の継続時間を有する、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記射出信号が、２００から約３００ナノ秒（ｎｓｅｃ）の予熱パルスと、約１２００ｎｓｅｃのデッドタイムと、７００から約９５０ｎｓｅｃの射出パルスとを有する、
請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記基板ヒータに印加される前記射出信号が、約１から約５キロヘルツまでの周波数で印加される、
請求項１０から１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
約２０℃から約３０℃の融点を有する固体材料をマイクロ流体吐出ヘッドから吐出する方法であって、
前記吐出ヘッドに隣接する前記材料用の容器内の前記固体材料を、約２０から約１００
ｍＰａ−ｓｅｃの粘度を有する流動液体を提供するに十分な温度まで加熱するステップと、
前記吐出ヘッドからの連続又は間欠流体吐出のための定常状態流体吐出温度より約２０℃高い第１の温度まで前記吐出ヘッドを加熱するため、前記吐出ヘッド上の１つ以上の基板ヒータに、第１の期間、加熱信号を印加するステップと、
続いて、２００から約３００ナノ秒（ｎｓｅｃ）の予熱パルスと、１２００ｎｓｅｃのデッドタイムと、７００から約９５０ｎｓｅｃの射出パルスとを有する射出信号を前記吐出ヘッド上の前記基板ヒータに印加し、その間に前記吐出ヘッドからの流体吐出が起こるステップと
を含む方法。
【請求項１５】
前記吐出ヘッドの温度が約３０℃より低いとき、又は前記吐出ヘッドが約６０分以上休止していたとき、又は前記吐出ヘッドが前記固体材料を有する前記容器からの材料で新たに充填されたとき、約３０から約６０秒までの期間、約６０から約１００℃までの温度に前記吐出ヘッドを加熱するため、予熱信号を前記吐出ヘッド上の１つ以上の前記基板ヒータに提供することを更に含む、
請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記吐出ヘッドから液垂れする流体を吐出するため、２５０から３５０ｎｓｅｃの予熱パルスと、約１２００ｎｓｅｃのデッドタイムと、７５０から１０００ｎｓｅｃの射出パルスとを有する流体吐出信号を、前記予熱信号に続き、前記吐出ヘッド上の前記基板ヒータに提供することを更に含む、
請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記流体吐出信号が約３から約６秒の継続時間を有する、
請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に、大気中又はガス中に、液体中に、又は固体物質上に、流体を確実に噴射するための方法に関するものであり、特に、マイクロ流体サーマル噴射ヘッドを用いて比較的高粘度な流体の微小流体量の噴射の確実性を向上するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１〜５ｍＰａ−ｓｅｃ以下の流体の吐出するとき、水性インクのインクジェット技術が非常に良く理解されている。１００ｍＰａ−ｓｅｃまでの粘度の非水性流体並びに水性流体を用いた新たな応用は、流体の定常状態噴射と、流体の不吐出期間後の初期流体噴射開始との両方における新たな問題を呈する。噴射ヘッドからの前回の吐出にもかかわらず、吐出シーケンスに組み込まれた拭き取り又はメンテナンスステップなしに、噴射ヘッド吐出ノズル又は噴射ヘッドが比較的短い期間キャップなしに置かれた場合に、流体は度々マイクロ流体噴射ヘッドからの吐出に失敗する。前述の吐出問題は、吐出される流体の粘度が高まることで悪化しうる。従って、無キャップ吐出ヘッドからの、さらに高粘度の流体の初期吐出は、マイクロ流体吐出装置での比較的高粘度の流体の使用において問題となる。「高粘度」とは、約２２℃で約２０から約１００ｍＰａ−ｓｅｃ以上までの粘度を意味する。更に、そのような高粘度流体は、インクジェットプリンタおよび印刷ヘッドの製造業者により用いられる従来的な温度と湿度の限度の外にある温度と湿度の環境において使用されることを度々要する。高粘度流体の噴射の応用は、高粘度インク、粘着成分、固体から液体への相変化組成物、医薬品、芳香向上化合物等を含みうるが、これに限定されない。従って、比較的高粘度の流体の使用に適したマイクロ流体吐出ヘッドが所望される。
【発明の概要】
【０００３】
本開示の実施形態は、マイクロ流体吐出ヘッドからの、２２℃で約２０ｍＰａ−ｓｅｃから約１００ｍＰａ−ｓｅｃまでの粘度を有する流体を吐出するための方法を提供する。この方法は、吐出ヘッドからの連続又は間欠吐出のための定常状態流体吐出温度より約２０℃高い第１の温度まで吐出ヘッドを加熱するために、第１の期間、吐出ヘッドに加熱信号を印加するステップと、続いて、吐出ヘッド上の基板ヒータに射出信号を印加し、その間に吐出ヘッドからの流体吐出が起こるステップを含む。
【０００４】
ある実施形態において、新たに充填されたマイクロ流体吐出ヘッドの、又は６０分以上の吐出ヘッド休止期間の後の、初めて高粘度流体を吐出する方法は、吐出ヘッド上の１つ以上の基板ヒータに予熱信号を印加することにより、約６０℃から約１００℃までの温度に吐出ヘッドを予熱し、約３０から６０秒の第１の期間、その温度を維持するステップと、吐出ヘッドから液垂れする流体を吐出するため、２５０から３５０ナノ秒（ｎｓｅｃ）の射出前パルスと、１２００ｎｓｅｃのデッドタイムと、７５０から１０００ｎｓｅｃの射出パルスとを有する流体吐出信号を、予熱信号に続き吐出ヘッドに印加するステップと、続いて、吐出ヘッドからの連続又は間欠流体吐出のための定常状態吐出温度より約２０℃高い温度まで吐出ヘッドを加熱するため、吐出ヘッド上の１つ以上の基板ヒータに、約３から６秒までの期間、加熱信号を印加するステップと、続いて、間、吐出ヘッド上の基板ヒータに射出信号を印加し、その間に吐出ヘッドからの定常状態流体吐出が起こるステップとを含む。
【０００５】
別の実施形態において、マイクロ流体吐出ヘッドから、約２０から約３０℃の融点を有する固形材料を吐出する方法が提供される。この方法は、吐出ヘッドに隣接した材料用容器内の固形材料を、約２０から約１００ｍＰａ−ｓｅｃの粘度を有する流動液体を提供するに十分な温度まで加熱するステップと、吐出ヘッドからの連続又は間欠吐出のための定常状態流体吐出温度より約２０℃高い第１の温度まで吐出ヘッドを加熱するため、吐出ヘッド上の１つ又は複数の基板ヒータに、第１の期間、加熱信号を印加するステップと、続いて、２００から約３００ナノ秒（ｎｓｅｃ）の射出前パルスと、１２００ｎｓｅｃのデッドタイムと、７００から約９５０ｎｓｅｃの射出パルスとを有する射出信号を、吐出ヘッド上の基板ヒータに印加し、その間に吐出ヘッドからの流体吐出が起こるステップを含む。
【０００６】
前述の方法は、高粘度流体が初回に充填されて、又は吐出ヘッド不使用により約３０℃よりも低く冷えて、初めて使用されるサーマル流体吐出ヘッドから、高粘度を有する流体の初回の吐出に特に適する。流体は、約３０℃よりも低い、又は固体から液体へ相変化する材料であってよい。吐出ヘッドが約３０℃から約５０℃までの温度にあるとき、以下により詳細に説明される、改変された手順が用いられてもよい。開示された方法の利点は、その手順が、マイクロ流体吐出ヘッドからの高粘度流体の吐出を始めるのに、サーマル吐出ヘッドワイパー、又は吐出ヘッドのノズルと流動特徴を塞ぐ流体を取り除くための吸引の使用といった入念なメンテナンス手順を必要とせず、効果的なことである。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
本発明の更なる利点は、例示的な実施形態の詳細な説明を参照し、図面と併せて考察することにより明白となり、そのうち、下記のいくつかの図を通し、類似の符号文字は類似又は同様の構成要素を示す。
【図１】図１は、サーマルマイクロ流体吐出ヘッドの一部の、一定の比率ではない、平面図である。
【図２】図２は、図１のサーマルマイクロ流体吐出ヘッドの一部の、一定の比率ではない、断面図である。
【図３】図３は、従来の予熱手順を用いたサーマルマイクロ流体吐出ヘッドの、時間に対し一定の比率ではない、温度分布である。
【図４】図４は、本開示による予熱手順を用いたサーマルマイクロ流体吐出ヘッドの、時間に対し一定の比率ではない、温度分布である。
【０００８】
［例示的な実施形態の詳細な説明］
サーマルマイクロ流体吐出ヘッド１０の一部の平面図が図１に示される。吐出ヘッド１０は、シリコン基板１２と、基板１２に取り付けられたノズルプレート１４を含む。基板１２は、単一の流体供給スロット又は複数の流体供給スロット１６と１８を含んでもよい。複数の吐出装置２０が、スロット１６と１８に隣接する。吐出装置２０の起動において、流体はノズルプレート１４のノズル孔２２から吐出される。基板１２は、基板を予熱するための、供給スロット１６と１８に外接する抵抗発熱体といった基板ヒータ２４を含んでもよい。基板１２を所定の動作温度に維持するために、１つ以上の温度センサ２６が、制御ロジックに温度フィードバックを提供するため基板上に含まれてもよい。
【０００９】
サーマルマイクロ流体吐出ヘッド１０の一部の、一定の比率ではない、断面図が図２に示される。シリコン基板１２は、複数のヒータ抵抗３０を定義する複数の層２８を、その装置側に含む。ノズルプレート１４は、ノズル孔２２と、ヒータ抵抗３０に流体を提供するためにスロット１６と流体流動連津している、総称して流動特徴と呼ばれる流体室３２と流体流路３４とを含む。吐出ヘッド１０に供給される流体の粘度が高まるにつれ、ヒータ抵抗３０への流体の流量が低下し、従って、高粘度流体を吐出するための吐出ヘッドは、従来のサーマルマイクロ流体吐出ヘッドに用いられる２５から５０キロヘルツ以上までの範囲でありうる吐出周波数ではなく、約１から約３キロヘルツといった、約０．７５から約５キロヘルツまでの吐出周波数を有してもよい。
【００１０】
サーマルマイクロ流体吐出ヘッドの流動特徴は典型的に微小であるため、高粘度流体が１つ以上の流体供給スロット１６、流体流路３４、流体室３２、及び／又はノズル孔２２を比較的詰まらせやすい。そのような流体の詰りは、サーマルマイクロ流体吐出ヘッドが所定温度よりも低く冷えるに十分なある期間、休止していた場合に特に問題となる。
【００１１】
図３を参照し、従来の予熱手順を用いた、約１から約５ｍＰａ−ｓｅｃまでの粘度を有する流体の吐出のための、予熱と流体吐出の吐出ヘッドの温度分布が示されている。初期予熱ステップＡは約１００から約５００ミリ秒といったように比較的短く、吐出ヘッドの温度曲線３６が示すように、流体吐出ステップＢが開始する前に吐出ヘッドが高粘度流体の最低温度に達することを可能としない。吐出ヘッドから流体を吐出するために、約５００から約９００ナノ秒（ｎｓｅｃ）の射出パルスが典型的に用いられる。
【００１２】
図４は、本開示の手順を用いる吐出ヘッド１０のための吐出ヘッドの温度曲線３８を示しており、そのうち、処理ステップがより明確に見られるよう、時間軸は一定の比率ではない。本開示の実施形態によると、吐出ヘッド１０が初回に吐出される流体で満たされたとき、又は吐出ヘッド１０が約６０分以上の休止期間の後に用いられるとき、吐出ヘッド１０は、予熱ステップＣの間、環境温度から流体吐出のための所望の動作温度よりも相対的に高く、典型的に約６０℃から約１５０℃まで、加熱される。前述の基板ヒータ２４が、吐出ヘッドを加熱するために用いられてもよい。例えば、高粘度流体が、１つが水であり他が２５℃で約１５００ｍＰａ−ｓｅｃの粘度の高粘度流体である混和性液体の混合を含むとき、約１５０℃までの温度がステップＣで用いられてもよい。典型的に、温度は１００℃までであってよく、望ましくはステップＣで約１００℃より低い温度である。
【００１３】
ステップＣにて吐出ヘッド１０を予熱するために用いられる主な手順は、シリコン基板１２の高い熱伝導性を利用し、１つ又は複数の基板ヒータ２４の使用を介しシリコン基板１２を加熱することである。予熱ステップＣの目標は、射出流体の温度を上げ、流体の粘度及び／又は表面張力を下げることである。ステップＣは、流体を加熱し、流体の粘度を下げるため、約３０から約６０秒の総加熱時間を用いてもよい。温度センサ２６と組み合わせた制御ロジックが、予熱ステップＣの間の基板ヒータ２４のオン／オフ制御に用いられてもよい。
【００１４】
流体吐出ステップＢの前に基板温度が低すぎる場合、より長い流体補充時間又は吐出ヘッドの流動特徴の詰まりにより、吐出ヘッド１０からの確実な流体の射出が妨げられる。より長い流体の吐出ヘッド１０の補充時間は、ノズルからの誤射、減少した流体液滴体積、遅い流体吐出速度、流体液滴のミスディレクション等の結果となりうる。高粘度インク組成物の典型的な流体液滴の量は、カラーインクで約２０００ピコグラムから黒インクで約１６０００ピコグラムまでの範囲にわたりうる。対応する流体液滴直径は、約１４μｍから約２９μｍまでの範囲にわたりうる。他の流体は、流体の粘度により前述した量よりも多い又は少ない液滴量を有しうる。
【００１５】
吐出ヘッドが高粘度流体で初めて満たされたとき、又はこれまでに吐出ヘッドから高粘度流体が吐出されていないとき、吐出ヘッドにおいて背圧は典型的に低い。このため、ステップＣでの流体の加熱は、ノズル孔２２からの流体の液垂れを引き起こしうる。従って、加熱された吐出ヘッド１０の表面に近接するノズル孔２２から液垂れした流体がある場合にそれを吐出するための予防ステップである、ステップＤが用いられてもよい。ステップＤの間、２５０から３５０ｎｓｅｃの射出前パルス、１２００ｎｓｅｃのデッドタイム、７５０から１０００ｎｓｅｃの射出パルスを含むパルス列が、定常状態吐出ステップＢの前に、蒸気気泡を生成し吐出ヘッドから液垂れする流体を除去するための、液垂れ軽減用予防ステップとして用いられてもよい。ステップＤのパルス列は、ヒータ抵抗３０に印加される。ステップＤの目標温度は、吐出ヘッドから流体を吐出するためにステップＢで用いられる定常状態温度と同一である。ステップＤはステップＣよりも実質的に短く、約３から約６秒のみ続きうる。
【００１６】
ステップＥにおいて、ステップＤの間に僅かに冷えた流体を加熱するため、吐出ヘッドが前述の基板ヒータ２４を用いて再加熱される。ステップＥもステップＣよりも大幅に短い約３から約６秒の継続時間を有し、目標温度はステップＢの目標温度よりも約２０℃高い。典型的に、ステップＥの間は吐出ヘッド１０からの流体の吐出は起こらない。
【００１７】
ステップＢは、吐出パルスが用いられる定常状態流体吐出ステップである。吐出パルスは、２００から３００ｎｓｅｃの射出前パルス、１２００ｎｓｅｃのデッドタイム、７００から９５０ナノ秒の射出パルスを含むパルス列を有する。ステップＢの目標温度は、典型的に約５０℃である。ステップＢにおいて、流体の目標体積（用量）がステップＢの継続時間にて、吐出ヘッドから連続的又は間欠的に吐出される。
【００１８】
ステップＢが完了した後、次の流体吐出ステップの前には待機期間がありうる。もし待機期間が約６０分以内であれば、流体吐出はステップＥから開始して進められてもよい。言い換えると、ステップＣとＤは、一般的に約６０分よりも長い待機期間のためにのみ用いられる。前述の時間は、吐出ヘッド１０の冷却性質と、そこに収容された高粘度流体に基づく、流体依存である。吐出ヘッド１０と流体に十分な熱が残っており且つステップＣが用いられた場合、流体の過熱が上記のように液垂れをもたらす可能性があり、従って、吐出ヘッドからの流体の液垂れを軽減するためステップＤが再び用いられてもよい。各高粘度流体は、上記の流体加熱と図４に示された吐出ステップに基づき、適切な温度、継続時間、パルス列が用いられることを確実にするため、独立して特徴付けられるべきであることが理解される。従って、ステップＢの定常状態吐出ステップの前に、ステップＣ、Ｄ及び／又はＥの様々な組合せが用いられてもよい。
【００１９】
図４に示された前述の手順は、高粘度流体の確実で繰返し可能な流体吐出を得るために用いることができる。もし流体吐出ステップＢの前に基板温度が低すぎる場合は、より長い流体補充時間又は吐出ヘッドの流動特徴の詰りにより、吐出ヘッド１０からの確実な流体の吐出が妨げられうる。より長い流体の吐出ヘッドの補充時間は、ノズルからの誤射、減少した流体液滴体積、遅い流体吐出速度、流体液滴のミスディレクション等の結果となりうる。高粘度インク組成物の典型的な流体液滴の量は、カラーインクで約２０００ピコグラムから黒インクで約１６，０００ピコグラムまでの範囲にわたる。対応する流体液滴直径は、約１４μｍから約２９μｍまでの範囲にわたる。他の流体は、流体の粘度により前述した量よりも多い又は少ない液滴量を有しうる。
【００２０】
吐出ヘッドから流体の特定体積を吐出することを要する場合、図４の手順は、ノズル又は流動特徴のいくつかが、所望の動作温度よりも低く、そのため所望の用量の一致性が下がった流体により詰まる可能性があるという、吐出ヘッドの無キャップ起動の問題を軽減する。流動特徴又はノズルにおける流体の粘性の詰りは、説明された粘度低減アプローチの助けなしに噴出させることが、特に難しい。
【００２１】
図４の吐出ヘッドの温度曲線３６は、吐出ヘッドの半連続動作の間、吐出ヘッドの起動を向上させるための粘度低下の効果を更に高め、ノズルワイプ又は吸引メンテナンスステップを不要とさせるため、レール電圧といった、追加的な変数で調整されてもよい。従って、前述した手順は、高粘度流体を射出するとき、吐出ヘッドをより長い期間キャップなしに維持することを可能とするために有用である。
【００２２】
前述した手順は、約２０℃から約３０℃の間に固体である材料を用いるマイクロ流体吐出装置に適合されてもよい。そのような固体材料は、約２０ｍＰａ−ｓｅｃよりも高い粘度で吐出ヘッドへ流れるよう、加熱装置を用いて、吐出ヘッドに隣接する流体容器内で溶かされてもよい。従って、ここで説明した手順は、当初に固形形状である材料を吐出ヘッドから確実に、そして繰返し可能に吐出するために用いられてもよい。
【００２３】
当業者にとって、本開示の実施形態の改変と変更が成されうることは、前記の説明と添付図面から明白となり、予期される。従って、前述の説明と添付図面は、例示的な実施形態のみの図解であり、これに限定されず、また本開示の真の精神と範囲は添付の請求項を参照することで決定されることを明確に意図している。
【図１】
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【図２】
0006798553.tif 000003
【図３】
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【図４】
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