(57)【要約】プリントヘッド(120)は、チャンバ層(140)と少なくとも２つのオリフィス層(142,144)とを備える。第１のオリフィス層(142)がチャンバ層(140)上に配置され、第２のオリフィス層(144)が第１のオリフィス層(142)上に配置される。第２のオリフィス層(144)には少なくとも１つのカウンタボア(146)が形成される。第１のノズル(126)は、両方のオリフィス層(142,144)を通って形成され、第１の液滴重量の小滴を生成する。第２のノズルは、第１のオリフィス層(142)を通ってカウンタボア(146)と一致して形成され、第１の液滴重量と異なる第２の液滴重量の小滴を生成する。一実施形態では、プリントヘッド(120)は、スタンドアロン型流体ディスペンサ装置(100)で使用される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタンドアロン型流体ディスペンサ装置(100)であって、
流体供給源を収容するためのチャンバ(114)を画定するペン(102)と、
該チャンバ(114)と流体的に連絡した状態で前記ペン(102)に取り付けられたプリントヘッド(120)であって、第１の液滴重量を有する小滴を生成する手段(126)と第２の液滴重量を有する小滴を生成する手段(128)とを含み、前記第１の液滴重量が前記第２の液滴重量よりも大きい、プリントヘッド(120)と
を備えている、スタンドアロン型流体ディスペンサ装置(100)。
【請求項２】
前記第１の液滴重量が、前記第２の液滴重量の約５倍である、請求項１に記載のスタンドアロン型流体ディスペンサ装置(100)。
【請求項３】
前記第１の液滴重量が、前記第２の液滴重量の約10倍である、請求項１に記載のスタンドアロン型流体ディスペンサ装置(100)。
【請求項４】
プリントヘッド(120)であって、
チャンバ層(140)と、
該チャンバ層(140)上に配置された第１のオリフィス層(142)と、
該第１のオリフィス層(142)上に配置され、及びカウンタボア(146)が形成されている、第２のオリフィス層(144)と、
前記第１及び第２のオリフィス層(142,144)を通って形成され、及び第１の液滴重量の小滴を生成する、第１のノズル(126又は128)と、
前記カウンタボア(146)と一致する前記第１のオリフィス層(142)を通って形成され、及び前記第１の液滴重量とは異なる第２の液滴重量の小滴を生成する、第２のノズル(130又は132)と
を備えている、プリントヘッド(120)。
【請求項５】
前記第１の液滴重量が、前記第２の液滴重量の約５倍である、請求項４に記載のプリントヘッド(120)。
【請求項６】
前記第１の液滴重量が、前記第２の液滴重量の約10倍である、請求項４に記載のプリントヘッド。
【請求項７】
前記第１及び第２のオリフィス層(142,144)を通って形成され、及び前記第１及び第２の液滴重量とは異なる第３の液滴重量の小滴を生成する、第３のノズル(126又は128)を更に備えている、請求項４に記載のプリントヘッド(120)。
【請求項８】
前記第２のオリフィス層(144)に更なるカウンタボア(146)が形成されており、該更なるカウンタボア(146)と一致する前記第１のオリフィス層(142)を通って形成された第３のノズル(130又は132)を更に備えており、該第３のノズル(130又は132)が、前記第１及び第２の液滴重量とは異なる第３の液滴重量の小滴を生成する、請求項４に記載のプリントヘッド(120)。
【請求項９】
プリントヘッド(120)の製造方法であって、
基板(122)を配設し、
該基板(122)上にチャンバ層(140)を配置し、
該チャンバ層(140)上に第１のオリフィス層(142)を配置し、
該第１のオリフィス層(142)上に第２のオリフィス層(144)を配置し、
該第２のオリフィス層(144)内にカウンタボア(146)を形成し、
前記第１及び第２のオリフィス層(142,144)を通って第１のノズル(126)を形成し、
前記第１及び第２のオリフィス層(142)のみを通り、及び前記カウンタボア(146)と一致する、第２のノズル(128)を形成する、
という各ステップを含む、プリントヘッド(120)の製造方法。
【請求項１０】
特定の流体の所望の液滴重量を得るのに適したディスペンス形状寸法を決定する方法であって、
流体収容チャンバ(114)と、異なる液滴重量の小滴を生成することができる複数のノズル(128〜132)を有するプリントヘッド(120)とを有する流体ディスペンサ装置(100)を配設し、
前記チャンバ(114)を前記流体で満たし、
前記複数のノズル(128〜132)の幾つかから前記流体の小滴を射出し、
前記複数のノズル(128〜132)のうちのどのノズルが前記所望の液滴重量を有する小滴を生成したかを判定する、
という各ステップを含む、特定の流体の所望の液滴重量を得るのに適したディスペンス形状寸法を決定する方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
様々な基材上に着色剤を噴射して文書、ラベル、ディジタル写真等をプリントするためにドロップオンデマンド及びコンティニュアスジェット技術が使用されてきた。インクジェットプリント技術は、コンピュータプリンタ、図形プロッタ、複写機、ファクシミリ装置等の多くの商品でよく使用される。インクジェット技術によって実現できる流体の小滴は、他の用途にも望ましい技術になる。近年、高価な材料を高精度にディスペンスする（dispense：分配する・小出しする）ための噴射技術の使用に関心が高まってきた。例えば、インクジェット技術を使用して、流体の混合又は化学反応の開始のためにウェルプレート内に試薬、酵素、又は他のタンパク質をディスペンスすることができる。他の代替用途の例には、LCDカラーフィルタ及びトランジスタバックプレーンのプリントがある。
【０００２】
実験室環境では、少量の様々な流体を高精度にディスペンスすることができると便利である。異なるディスペンス形状寸法が利用可能な複数のディスペンサを備えることにより、特定の流体について望ましい液滴体積又は線幅を実現できる可能性が高くなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特定のディスペンサから特定の流体の液滴体積がどれだけ出るかが分からないことが多い（例えば、エタノール、水、及びトルエンは全て、同じ物理的ディスペンス形状寸法から異なる液滴体積を提供する）。（比熱、気化熱、沸点等の基本的な流体特性と関連した流体／基材相互作用と液滴体積サイズに基づいて）液滴体積を予測する計算モデルを開発することは可能であるが、液滴−基材相互作用及び様々な流体の核生成パラメータの背後にある物理的過程は複雑であり、そのようなモデルは、不確実で誤差が多いことがある。従って、適切なディスペンス形状寸法は経験的に決定した方が容易で早いことが多い。そのためには、多数のディスペンサに特定の流体を充填して、どのディスペンサが所望の液滴体積又は線幅を提供するかを判定しなければならない。多数のディスペンサに充填を行って適切な形状寸法を経験的に明らかにするためには、比較的大量の流体が必要であり、このため、高価な流体を扱う場合には費用がかかる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】携帯型及び／又は固定式の流体ディスペンサ装置の一実施形態の斜視図である。
【図２】図１の流体ディスペンサ装置からのペンの一実施形態の断面図である。
【図３】図１の流体ディスペンサ装置からのプリントヘッドの一実施形態の斜視図である。
【図４】図３の線4−4に沿って切断したプリントヘッドの一実施形態の断面図である。
【図５】図３の線5−5に沿って切断したプリントヘッドの一実施形態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
様々な図全体にわたって同一の符号が同じ要素を指す図面を参照すると、図１は、一例として実験室環境で少量の様々な流体を高精度にディスペンスするために使用することができる流体ディスペンサ装置100を示している。該流体ディスペンサ装置100は携帯式の態様で使用することができるものであり、ユーザが該流体ディスペンサ装置100を片手だけで所望の場所で適所に容易に保持すると共に流体の１つ又は２つ以上の液滴をディスペンスすることができるようになっている。代替的に、流体ディスペンサ装置100をX−Yキャリッジ等の適当な位置決め手段に取り付けて、該流体ディスペンサ装置100を所望の場所に位置決めすることが可能である。流体ディスペンサ装置100は、静止している物体に取り付けることも可能である。
【０００６】
流体ディスペンサ装置100は、１つ又は２つ以上の小滴の流体を射出する使い捨て式で交換可能なペン102と、該ペン102を支持し且つ携帯可能及び／又は取り付け可能な該装置100の一部である筐体104とを備える。該筐体104は、プラスチックその他のタイプの材料から作製することが可能である。流体ディスペンサ装置100は、幾つかのユーザ操作可能な制御手段106と１つのディスプレイ108から構成されたユーザインタフェースを備えている。該制御手段106は、筐体104内に配置され及び該筐体104を通って延びるボタン及び／又はスクロールホイールを備え、図１に示すように外部に露出することが可能である。前記ディスプレイ108は、液晶ディスプレイ（LCD）又はその他のタイプのディスプレイとすることが可能であり、これもまた筐体104内に配置され及び該筐体104内に延びて、やはり外部に露出している。
【０００７】
ディスプレイ108は、幾つかのタイプの情報の中でも特にペン102に関する情報を提示する。ユーザは、ディスプレイ108上に提供される情報フィードバックと共に制御手段106を介して流体ディスペンサ装置100を使用してペン102から流体を射出させることができる。該流体ディスペンサ装置100を使用して、ペン102から流体をスタンドアロンベースで射出させることができ、すなわち、流体ディスペンサ装置100をデスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、ディジタルカメラ等のホスト装置といった別の装置に接続することなく流体を射出させることができる。
【０００８】
流体ディスペンサ装置100は、更に、排出制御手段110を備えている。ユーザが該排出制御手段110を操作することにより、該ユーザが該装置100からペン102を直接引き抜いたり引き離したりすることなく、該流体ディスペンサ装置100からペン102が排出される。このようにして、ユーザが触れないことが望ましい腐食性流体や他のタイプの流体をペン102が含む場合に、単に流体ディスペンサ装置100を適切な廃棄物容器の上に位置決めして該ペン102を装置100から廃棄物容器に排出するだけで、ペン102を破棄することができる。
【０００９】
図２を参照すると、ペン102は、射出される流体の供給源を収容するチャンバ114を画定する実質的に中空の本体112を有する。該本体112は、プラスチックやその他の材料で作製することが可能であり、第１の端部116及び第２の端部118を有する。図示の実施形態では、本体112は、第１の端部116から第２の端部118までテーパが付けられている。ペン102は、第１の端部116で筐体104に接続され、チャンバ114と流体的に連絡した状態でペン本体112の第２の端部118に位置決めされ又は配置される流体射出装置又はプリントヘッド120を備える。該プリントヘッド120は、一般に、液滴を射出する複数のオリフィス又はノズルを有する。また、ペン102は、筐体104内に配置されたコントローラ（図示せず）にプリントヘッド120を電気的に接続する電気コネクタ（図示せず）を備える。
【００１０】
一般に、ペン102は、プリントヘッド120を介して、ピコリットル範囲（例えば500ピコリットル以下）の流体の液滴を射出することができる。これと比べて、一般に流体分析や他の目的で流体の個別の液滴を噴射するために使用される従来のピペット技術は、せいぜい１マイクロリットル程度の体積を有する液滴しか射出できない。従って、流体ディスペンサ装置100は、従来のピペット技術の約100万分の1の液滴の流体をディスペンスすることができるので、この用途には従来のピペット技術よりも有利である。ナノリットル範囲の体積を有する液滴を射出できる新しいピペット技術が開発されたが、かかる装置は、極めて高価であり、流体ディスペンサ装置100は実際には更に約1000分の1の液滴の流体をディスペンスすることができる。
【００１１】
図３〜図５に移ると、プリントヘッド120の考え得る一実施形態が示されている。プリントヘッド120は一般に、基板122と該基板122の上に配置された流体層アセンブリ124を含む。該基板122は一般に、シリコン、ガリウムヒ素、ガラス、シリカ等の適当な材料の単一片である。前記流体層アセンブリ124には、第１のノズル126、第２のノズル128、第３のノズル130、及び第４のノズル132の４つのノズルが形成されている。該４つのノズルは、単なる一例として示したものであり、任意数のノズルを設けることが可能であることに留意されたい。基板122内に少なくとも１つの流体供給孔134が形成され、該流体供給孔134のまわりにノズルが配置される。図示の実施形態では、第１及び第２のノズル126,128が、流体供給孔134の一方の側に配置され、第３及び第４のノズル130,132が、流体供給孔134の他方の側に配置される。図３〜図５は、１つの一般的なプリントヘッド構成（即ち、共通のインク供給孔のまわり２列のノズルがある）を示しているが、本発明で他の構成を用いることも可能である。
【００１２】
各ノズルは、流体供給孔134と流体的に連絡した発射チャンバ136と結合される。流体射出手段138が、各発射チャンバ136内にあり、対応するノズルから流体の液滴を射出する働きをする。一実施形態では、流体射出手段138は、プリントヘッド120がサーマルインクジェットプリントヘッドとなるよう抵抗器等の発熱要素とすることが可能である。サーマルインクジェットプリントヘッドでは、発熱要素は、発射チャンバ内のインクを加熱して液滴を射出させる。本発明は、サーマルインクジェットプリントヘッドにとって有利なものであるが、圧電アクチュエータ等の他のタイプの流体射出手段を使用することも可能である。複数のノズルのうちの１つから小滴を射出するために、液体が流体供給孔134から関連する発射チャンバ136内へと導入される。関連する流体射出手段138が活動化されて対応するノズルから小滴が射出される。各小滴射出後に、流体供給孔134からの流体が発射チャンバ136に補充される。
【００１３】
ノズル126,128,130,132及び発射チャンバ136は、多層（基板122上に配置されたチャンバ層140、該チャンバ層140上に配置された第１のオリフィス層142、及び該第１のオリフィス層142上に配置された第２のオリフィス層144）として作製された流体層アセンブリ124内に形成される（本書で使用する用語「上に配置された」は、必ずしもすぐ上に存在することを意味するものではなく、１つの層の上に中間層を挟んで間接的に存在する場合も含む）。発射チャンバ136は、チャンバ層140内に形成され、ノズル126,128,130,132の各々は、オリフィス層142,144の一方又は両方に形成される。図示の実施形態は２つのオリフィス層を示しているが、本発明は３つ以上のオリフィス層を含むことが可能であることに留意されたい。また、チャンバ層は、２つ以上の薄膜で作成することが可能であることに留意されたい。
【００１４】
各ノズル126,128,130,132は、異なる液滴重量の小滴を射出するためにそれぞれ異なる形状寸法を有する。一般に、両方のオリフィス層142,144を使用して全層ノズルオリフィスを作成することにより大きな液滴重量が達成され、第１のオリフィス層142のみを使用して使用可能なオリフィスを作成することにより小さな液滴重量が達成される。更に、オリフィスの直径及び／又は流体射出手段のサイズを変更して異なる液滴重量を提供することができる。異なる形状寸法を使用することにより、各ノズル間で液滴重量を約5〜10倍に変化させることができる。即ち、１つのノズルにより生成される液滴重量を別のノズルにより生成される液滴重量の約5〜10倍大きくすることができる。
【００１５】
図示の実施形態では、第１のノズル126は最大の液滴重量を生成し、第２のノズル128は２番目に大きな液滴重量を生成し、第３のノズル130は３番目に大きな液滴重量を作成し、第４のノズル132は最小の液滴重量を生成する。図４に示すように、第１のノズル126は、オリフィス層142,144の両方を通って形成された比較的大きい直径のオリフィスからなる。これにより大きな断面積を有する全層ノズルが提供される。また、第２のノズル128もまた、図５に示すようにオリフィス層142,144の両方を通って形成されたオリフィスからなるが、かかるオリフィスは第１のノズル126よりも僅かに小さな直径を有する。このため、第２のノズル128は、一層小さな断面積を有し、第１のノズル126よりも小さな液滴重量を生成する（流体射出手段138より上の流体の体積が小さいため、それに従って第２のノズル128により射出される液滴体積が小さくなる）。
【００１６】
再び図４を参照すると、第３のノズル130は、第１のオリフィス層142のみを通って形成されたオリフィスからなる。これは、第２のオリフィス層144のカウンタボア146を第１のオリフィス層142のオリフィス上に中心が合うよう設けて、第３のノズル130が該カウンタボア146と一致するようにすることにより達成される。該カウンタボア146は、第１のオリフィス層142だけが液滴射出及び補充機構に関与することを保証するのに十分な大きさである（例えばノズルオリフィスの３〜４倍大きい）。換言すれば、カウンタボア146は、ノズルとして機能しないほど大きくなければならない。結果的に、第３のノズル130は、第１と第２のノズルほど長くも深くもないものとなる。第３のノズル130の直径は、該第３のノズル130の流体容量が第２のノズル128より小さく及び該第３のノズル130が第２のノズル128よりも小さな液滴重量を生成するように設定される。これは、その短い長さのため、第２のノズル128の直径と実質的に等しいかそれより少し大きい第３のノズル130の直径（ひいては断面積）によって達成することができる。図示の例では、第３のノズル130の直径は、第１のノズル126の直径とほぼ等しく且つ第２のノズル128の直径よりも僅かに大きいが、該第３のノズル130は、カウンタボア146のために一層少ない液滴重量を有する小滴を生成する。
【００１７】
カウンタボア146はまた、ノズル130の有効なワイピングを可能にするのに十分な大きさである。例えば、カウンタボア146は、プリントヘッド120が保守機構を有するインクジェットプリンタ内で使用される場合に該プリントヘッド120の保守を妨げず、層間剥離の過度の危険性を伴わずにプリントヘッド120を保守することが可能となる。
【００１８】
図５に示すように、第４のノズル132は、第１のオリフィス層142を通って形成され、これは、単に該第４のノズル132と一致する別のカウンタボア146が第２のオリフィス層144に形成されるからである。しかし、第４のノズル132は、第３のノズル130より僅かに小さな直径を有しているため、該第４のノズル132は一層小さな断面積を有し、及び第３のノズル130よりも小さな液滴重量を生成する。
【００１９】
以上、４つの異なる液滴重量を生成する４つのノズルを有するプリントヘッド120について説明した。しかし、既述のように、本発明は、４つのノズルに限定されず、５つ以上の多数のノズルを有することが可能である。この場合、ノズル径を変化させ及び該ノズルの幾つかにカウンタボアを選択的に設けることにより、異なる液滴重量が達成される。更に、プリントヘッド120は、ノズル間の液滴重量を更に異ならせるために異なる深さのカウンタボアが形成された３つ以上のオリフィス層を有することが可能である。例えば、プリントヘッド120は、チャンバ層上に配置された第１のオリフィス層、該第１のオリフィス層上に配置された第２のオリフィス層、及び該第２のオリフィス層上に配置された第３のオリフィス層を有することが可能である。複数のノズルのうちの幾つかは、該３つのオリフィス層の全てを通って形成されることになる。他のノズルは、第１及び第２のオリフィス層を通って形成され、第３のオリフィス層にカウンタボアが形成される。更に別のノズルは、第１のオリフィス層を通って形成され、第２及び第３のオリフィス層にカウンタボアが形成される。同様にして更に別のオリフィス層を提供することが可能である。更に、各ノズルは、固有の液滴重量を作成するための固有の形状寸法を有するよう示されているが、特定の液滴重量を生成する複数のノズルからなる複数のノズルグループをプリントヘッド120に配設することが可能であることに留意されたい。例えば、第１の液滴重量を有する小滴をそれぞれ生成する３つ又は４つのノズル、及び第２の液滴重量を有する小滴を生成する３つ又は４つのノズル等を配設することが可能である。
【００２０】
一実施形態では、オリフィス層142,144は、マサチューセッツ州ニュートンのMicroChem Corporationを含むいくつかの供給元から入手可能なSU8の商標で一般に知られている光重合型エポキシ樹脂等のドライフィルム材料から形成することが可能である。SU8は、ネガ型フォトレジスト材料であり、これは、該材料が、通常は現像液内で溶けるが、紫外線等の電磁放射にさらされた後は現像液内で溶けなくなることを意味している。この場合、オリフィス層142,144の作製は、第１のオリフィス層142を提供するために、最初に、基板122上に予め作製されたチャンバ層140上に所望の深さまでフォトレジスト材料層を付与する段階を含む。発射チャンバ136を画定するチャンバ層140の開口部は、一時的に犠牲充填材料で満たされる。
【００２１】
次いで、第１のオリフィス層142は、適当なマスクを介して選択された部分を電磁放射にさらすことによりイメージングが行われ、該マスクは、第１のオリフィス層142のうち後に除去されるべき領域を覆い、及び残されるべき領域を覆わないものである。第１のオリフィス層142のうち除去されるべき領域は、該第１のオリフィス層142のうちノズルを画定することになる部分に対応する。第１のオリフィス層142は一般に、プロセスのこの時点では現像されない。
【００２２】
次いで、第２のオリフィス層144を提供するために、第１のオリフィス層142の上に所望の深さまで別のフォトレジスト材料層が付与される。次いで、該第２のオリフィス層144が、適当なマスクを介して選択された部分を電磁放射にさらすことによりイメージングが行われ、該マスクは、第２のオリフィス層144のうち後に除去されるべき領域を覆い、及び残されるべき領域を覆わないものである。第１のオリフィス層142のうち除去されるべき領域は、第１のオリフィス層142のうちノズル又はカウンタボアを画定することになる部分に対応する。
【００２３】
第１及び第２のオリフィス層142,144が、露光された後に（任意の適切な現像技術を使用して）一緒に現像されて、露光されず溶解可能なボア層材料が除去され、及び露光されて溶解不能な材料が残る。更に、チャンバ層140を満たしている充填材料が除去される。代替的にポジ型フォトレジスト材料を使用することが可能であることに留意されたい。この場合には、フォトイメージング工程で使用されるマスクパターンは逆になることになる。更に、図４及び図５では、第１及び第２のオリフィス層142,144が等しい厚さを有するよう示しているが、これらの層は異なる厚さを有することが可能である。例えば、第１のオリフィス層142は、約20〜30ミクロンの範囲の厚さを有することが可能であり、第２のオリフィス層144は、約1〜2ミクロンの範囲の厚さを有することが可能である。
【００２４】
プリントヘッド120は、単一のダイで多数の液滴重量を提供し、同一の共通の流体リザーバからの多数のサイズの液滴の射出を可能にする。プリントヘッド120は、流体ディスペンサ装置100内で使用される場合、又は実験室環境で少量の異なる流体を精確にディスペンスするための他のスタンドアロン型装置で使用される場合に、大量の流体を浪費することなく流体空間を容易に調べることを可能にする。例えば、単一のペン102のチャンバ114を射出されるべき特定の流体で満たすことができる。次いでユーザは、流体ディスペンサ装置100を作動させてノズルの幾つか又は全てから流体の小滴を射出させ、次いでどのノズルが所望の液滴重量を有する液滴を生成したかを判定することになる。これにより、特定の用途又は基板にとって望ましい液滴体積又は線幅を達成するのに必要な適切な設計への非常に速い収束が提供される。一般に３つ以上の液滴重量の使用を不可能にする極めて高頻度での発射を行う従来のインクジェットイメージング用途とは異なり、実験室環境でのスタンドアロン型流体ディスペンサ装置の使用は、多液滴重量プリントヘッドによく適している。多液滴重量プリントヘッド120は、実験室用の流体ディスペンサ装置では特に有用であるが、従来のインクジェットプリンティングを含む他の用途でも有用なものとなり得る。
【００２５】
本発明の特定の実施形態を説明したが、特許請求の範囲に規定する本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、それら実施形態に様々な修正を加えることが可能であることに留意されたい。
【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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【国際調査報告】
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