(57)【要約】  連続液滴エミッタであって、正圧に保持された液体を含む液体供給室と；液体の第１及び第２の連続流を放出する液体供給室ノズルと流体連通している第１及び第２のノズルと；液体の第１及び第２の連続流がそれぞれ所定の体積を有する液滴の第１及び第２の流れに分裂するのを独立に同期化するように構成された、第１及び第２の流れ分裂トランスデューサと；第１及び第２の流れ分裂トランスデューサにより液体供給室内に発生した音波を減衰させるために、液体供給室に隣接して又は液体供給室の内部に配置された音響減衰性材料とを含む連続液滴エミッタ。この連続液滴エミッタは、音響刺激エネルギーを吸収するために音響減衰性材料をその中に有するヘルムホルツ共振室であって、臨界刺激周波数に同調されたヘルムホルツ共振室を有するように構成することもできる。ヘルムホルツ共振室は、第１及び第２のジェットのための共通液体供給部分として機能することができ、その場合、音響減衰性材料は、液体が通過可能であるように多孔質であることができる。音響減衰性材料は、分子運動によりエネルギーを熱に変換する音響損失性材料であることができる。音響減衰性材料は、液体を小さな通路に通過させて粘性流体エネルギーを失わせることにより音響エネルギーを吸収する多孔質材料であることができる。さらに、音響減衰性材料は、液体とは一致しないインピーダンスを有する材料、高密度材料又は気体封入ボイドからの反射によって、音波の崩壊をもたらす音響減衰性材料を含むことができる。
2010506749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正圧に保持された液体を含む液体供給室と、
液体の第１及び第２の連続流を放出する液体供給室ノズルと流体連通している第１及び第２のノズルと、
液体の第１及び第２の連続流がそれぞれ所定の体積を有する液滴の第１及び第２の流れに分裂するのを独立に同期化するように構成された第１及び第２の流れ分裂トランスデューサと、
第１及び第２の流れ分裂トランスデューサにより液体供給室内で発生した音波を減衰させるために液体供給室に隣接して又は液体供給室の内部に配置された音響減衰性材料と、
を含む連続液滴エミッタ。
【請求項２】
音響減衰性材料が、多孔質材料であり、かつ、液体供給室と流体連通している、請求項１に記載の連続液滴エミッタ。
【請求項３】
液体中の音速が第１音速であり、多孔質材料が第２音速を有する音響散乱性材料から構成されており、第２音速は、第１音速よりも実質的に高いか又は実質的に低い、請求項２に記載の連続液滴エミッタ。
【請求項４】
音響減衰性材料が音響損失性材料から構成されており、音波が、液体中を伝搬するときよりも著しく高い空間速度で音響損失性材料中を伝搬している間にエネルギーを損失する、請求項１に記載の連続液滴エミッタ。
【請求項５】
音響減衰性材料が、音響損失性材料により取り囲まれた気体封入ボイドから構成されており、音波が、液体中を伝搬するときよりも著しく高い空間速度で音響損失性材料中を伝搬している間にエネルギーを損失する、請求項１に記載の連続液滴エミッタ。
【請求項６】
音響減衰性材料が、液体供給室内に含まれた多孔質材料であり、液体が、音響減衰性材料を通過して第１及び第２のノズルに達する、請求項１に記載の連続液滴エミッタ。
【請求項７】
音響減衰性材料が、液体供給室に隣接して配置されており、かつ、音速が液体中の音速よりも著しく高いか又は著しく低い音響散乱性成分と、音響損失性材料とから構成されており、音波が、液体中を伝搬するときよりも著しく高い空間速度で音響損失性材料中を伝搬している間にエネルギーを損失する、請求項１に記載の連続液滴エミッタ。
【請求項８】
液体が複数の構成成分から構成されており、音響減衰性材料が、それら複数の構成成分のそれぞれとの接触に関して化学的に不活性である、請求項１に記載の連続液滴エミッタ。
【請求項９】
第１及び第２の流れ分裂トランスデューサが、それぞれ独立に、第１及び第２のノズルから放出された連続液体流を加熱するように構成された抵抗ヒータ装置である、請求項１に記載の連続液滴エミッタ。
【請求項１０】
第１及び第２の流れ分裂トランスデューサが、それぞれ独立に、第１及び第２のノズルから放出された連続液体流を電気流体力学的に同期化するように構成された電極装置である、請求項１に記載の連続液滴エミッタ。
【請求項１１】
第１及び第２の流れ分裂トランスデューサが、同じ公称液滴周波数で第１及び第２の液体流の分裂を同期化し、また公称液滴分裂音波長を有する公称液滴周波数で液体中の音波を発生させ、音響減衰性材料が、第１及び第２のノズルから公称液滴分裂音波長の半分以下の距離をおいて配置されている、請求項１に記載の連続液滴エミッタ。
【請求項１２】
第１のノズルへの液体流と第２のノズルへの液体流とを分離する少なくとも１つの流れ分離要素をさらに含み、音響減衰性材料が、当該少なくとも１つの流れ分離要素のすぐ隣りの液体供給室内の多孔質材料である、請求項１に記載の連続液滴エミッタ。
【請求項１３】
液体がインクであり、連続液滴エミッタがインクジェット印刷システムにおいて使用される、請求項１に記載の連続液滴エミッタ。
【請求項１４】
正圧に保持された液体を含む液体供給室と、
液体の第１及び第２の連続流を放出する液体供給室ノズルと流体連通している第１及び第２のノズルと、
液体の第１及び第２の連続流が、それぞれ、同じ公称液滴周波数ｆ0で、所定の体積を有する液滴の第１及び第２の流れに分裂するのを独立に同期化し、公称液滴周波数ｆ0で液体中の音波を発生させるように構成されている第１及び第２の流れ分裂トランスデューサと、
選択された音響クロストーク周波数ｆx（ここで、（ｆ0／１０）≦ｆx≦２ｆ0である）に同調されたヘルムホルツ共振器であって、共振体積室と、液体供給室と音響連通している少なくとも１つの共振器カップリング通路とから構成されたヘルムホルツ共振器と、
第１及び第２の流れ分裂トランスデューサにより液体供給室内で発生した音波を減衰させるためにヘルムホルツ共振器内に配置された音響減衰性材料と、
を含む連続液滴エミッタ。
【請求項１５】
共振体積室の少なくとも一部が流体供給室から構成されており、少なくとも１つの共振器カップリング通路が第１及び第２のノズルと流体連通している、請求項１４に記載の連続液滴エミッタ。
【請求項１６】
共振体積室の少なくとも一部に多孔質音響減衰性材料が充填されている、請求項１４に記載の連続液滴エミッタ。
【請求項１７】
共振体積室の少なくとも一部に音響損失性材料が充填されており、音波は、液体中を伝搬するときよりも実質的に高い空間速度で音響減衰性材料中を伝搬している間に、エネルギーを損失する、請求項１４に記載の連続液滴エミッタ。
【請求項１８】
液体中の音速が第１音速であり、多孔質材料が第２音速を有する音響散乱性材料から構成されており、第２音速が第１音速よりも実質的に高いか又は実質的に低い、請求項１６に記載の連続液滴エミッタ。
【請求項１９】
第１及び第２の流れ分裂トランスデューサが、それぞれ独立に、第１及び第２のノズルから放出された連続液体流を加熱するように構成された抵抗ヒータ装置である、請求項１４に記載の連続液滴エミッタ。
【請求項２０】
液体が複数の構成成分から構成されており、音響減衰性材料が、それら複数の構成成分のそれぞれとの接触に関して化学的に不活性である、請求項１４に記載の連続液滴エミッタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、デジタル制御される印刷装置及び液体パターン化装置の分野に関し、特に、液体流が液滴に分裂し、それらの液滴のいくつかが選択的に偏向される連続インクジェットシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット印刷は、そのノンインパクト低ノイズの特徴を有し、普通紙が使用され、そしてトナーの転写及び定着が回避されるという理由から、デジタル制御式電子印刷分野における有力候補として認識されるようになってきている。インクジェット印刷機構は、ドロップ・オン・デマンド・インクジェット又は連続インクジェットとして、技術に基づいて分類することができる。
【０００３】
第１の技術「ドロップ・オン・デマンド」インクジェット印刷は、加圧アクチュエータ（熱式、圧電式など）を使用することにより、記録表面上に衝突するインク滴を提供する。多くの一般的に実施されているドロップ・オン・デマンド技術は、ノズルからインク滴を放出させるためにサーマルアクチュエーション（thermal actuation）を用いる。ノズルに又はノズルの近くに配置されたヒータが、インクが沸騰してインク滴を放出させるのに十分な内圧を生成する蒸気バブルを形成するように十分にインクを加熱する。この形態のインクジェットは、一般的に「サーマル・インクジェット（ＴＩＪ）」と呼ばれる。他の公知のドロップ・オン・デマンド液滴放出機構は、圧電アクチュエータ、例えば１９９３年７月６日付けでvan Lintelに発行された米国特許第５，２２４，８４３号明細書に開示されているもの、２００３年５月１３日付けで発行された米国特許第６，５６１，６２７号明細書にJarrold他によって開示されているもの；及び２００２年１１月５日付けで発行された米国特許第６，４７４，７８４号明細書にFujii他によって記載されている静電アクチュエータを含む。
【０００４】
「連続」インクジェット印刷と一般的に呼ばれている第２の技術は、ノズルからインク滴の連続な流れを生じる加圧インク源を用いる。インク滴流は何らかの様式で摂動され、その結果、インク滴流はノズルから名目上一定の距離、つまり分離長（break-off length）を置いて実質的に均一なサイズの液滴に分裂（break up）する。分離時に液滴上にデータに依存する量の電荷を誘導するために、名目上一定の点に荷電用電極構造体が位置する。荷電された液滴は、固定された静電界領域を通るように指向され、各液滴をその電荷に比例して偏向させる。それにより、分離点において確立された電荷レベルは、液滴を記録媒体上の特定の場所に移動させるか、又は捕集及び再循環用の溝に移動させる。
【０００５】
連続インクジェット（ＣＩＪ）液滴発生器は、F.R.S.(Lord) Rayleighにより２次元で最初に分析された非拘束流体ジェットの物理学的特性に依存する（“Instability of jets”, Proc. London Math. Soc. 10(4), 1878年発行）。Lord Rayleighの分析から、圧力Ｐ下にある液体が、穴、つまりノズルから流出し、直径ｄjのジェットを形成し、速度ｖjで運動することを示した。ジェット直径ｄjは有効ノズル直径Ｄdnにほぼ等しく、そしてジェット速度は、リザーバ圧力Ｐの平方根に対して比例する。Rayleighの分析から、ジェットは、πｄjよりも長い、すなわちλ≧πｄjの波長λを有する表面波に基づいて様々なサイズの液滴に自然に分裂することが示された。また、Rayleighの分析から、特定の表面波長が、十分に大きな規模で誘起されると優勢になり、それにより、ジェットを「同期化」して単一サイズの液滴が生成することも示された。連続インクジェット（ＣＩＪ）液滴発生器は、何らかの周期的物理プロセス、いわゆる「摂動（perturbation）」又は「刺激（stimulation）」を採用し、このプロセスは、ジェットに及ぼす特定の主表面波を確立する効果を有する。表面波は成長して、摂動の周波数に同期化された単一サイズの液滴へのジェットの分離をもたらす。
【０００６】
Rayleighの刺激を適用することからもたらされる液滴流を、本明細書中では、様々な体積を有する液滴の自然発生的な流れと区別して、所定の体積を有する液滴の流れと呼ぶことにする。従来技術のＣＩＪシステムの場合には、印刷又はパターン化層堆積のための液滴は常に実質的に単一の体積（unitary volume）を有していたが、本発明の場合には、以下に説明するように、単一の体積の所定の実質的な倍数の液滴を生成するように、刺激信号を操作することができる。従って、「所定の体積を有する液滴の流れ」という語句は、全てが名目上１つのサイズを有する液滴に分裂されている液滴流、又は選択された（所定の）種々異なる体積を有する液滴に分裂されている流れを包含する。
【０００７】
ＣＩＪシステムでは、所定の単位体積よりも体積がかなり小さい、通常「サテライト」と呼ばれるいくつかの液滴が、流れのネックとして形成され、細い流体索になることがある。このようなサテライトは、全体的に予測できないことがあり、或いは、別の液滴と予測可能な形式で常に合体するとは限らず、そのため、印刷又はパターン化用のための意図された液滴の体積を僅かに変化させる。しかしながら、小さな予測できないサテライト液滴の存在は、本発明にとっては重要ではなく、また、液滴サイズが本発明に使用される同期化エネルギー信号によって予め決められているという事実を取り除くために考慮されることはない。このように、「所定の体積」という語句は、本発明を記述するために使用される場合に、計画した目標値を中心とした液滴体積の何らかの小さな変動が、予測できないサテライト液滴形成のために、発生し得ることを含むものと理解されるべきである。
【０００８】
商業的に実用されているＣＩＪプリントヘッドは、プリントヘッドに音響カップリングされた圧電装置を使用することにより、ジェット上に主表面波を誘発させる。カップリングされた圧電装置は、ベース・リザーバ圧力に周期的な圧力変動を重ね合わせ、速度又は流れの摂動を引き起こし、これにより同期表面波を誘発させる。１９７１年７月２７日付けで発行された米国特許第３，５９６，２７５号明細書においてR. Sweetによって（以下、Sweetの２７５号という）、圧電刺激型ＣＩＪ装置が先駆的に開示されている。Sweetの２７５号によって開示されたこのＣＩＪ装置は、単一ジェット、すなわち単一液滴発生液体室と、単一ノズル構造とから成る。
【０００９】
Sweetの２７５号には、摂動周波数に対して液滴の分離を同期化するために、所要の周期的摂動をジェットに与えることを目的としたいくつかの方法が開示されている。Sweetの２７５号は、電気コイルによって包囲された毛管ノズルに固定された磁歪材料を開示している。この電気コイルは、所望の液滴発生周波数で電気的に駆動され、ノズルを振動させることにより、ジェット速度を介してジェットに主表面波摂動を導入する。Sweetの２７５号には、未分裂の流体ジェットを取り囲むが接触しないように配置された薄いリング電極も開示されている。噴射される流体が導電性であり、流体フィラメントとリング電極との間に周期的な電界が印加される場合、流体ジェットを周期的に膨張させることができ、それによりジェット分離を同期化することができる表面波摂動を直接的に導入する。このＣＩＪ技術は一般に、電気流体力学的（ＥＨＤ）刺激と呼ばれる。
【００１０】
Sweetの２７５号にはさらに、ジェットを形成するベース・リザーバ圧力に圧力変動を重ね合わせることにより同期化摂動を適用するためのいくつかの技術が開示されている。Sweetの２７５号には、所望の刺激周波数で機械的に振動させることができる壁を有する加圧流体室、つまり液滴発生器室が開示しされている。開示された機械的振動手段は、磁歪又は圧電トランスデューサ駆動装置又は電磁可動コイルの使用を含む。このような機械的振動法は、ＣＩＪに関する文献ではしばしば「音響刺激」と呼ばれている。
【００１１】
Sweetの２７５号によって開示された幾つかのＣＩＪ刺激方法は全て、単一ジェット・システムとの関連においては実際的である場合もある。しかし、多くのジェットを有するＣＩＪシステムのために実際の刺激機構を選択することは、はるかにより複雑である。１９６８年３月１２日付けで発行された米国特許第３，３７３，４３７号明細書においてSweet他によって（以下、Sweetの４３７号という）、マルチ・ジェットＣＩＪプリントヘッドが先駆的に開示されている。Sweetの４３７号は、液滴放出ノズル列（アレイ）と連通している共通の液滴発生器室を有するＣＩＪプリントヘッドを開示している。共通の液滴発生器室の後壁を磁歪装置によって振動させ、それにより室の圧力を変調し、ジェット・アレイのジェット毎にジェット速度摂動を引き起こす。
【００１２】
Sweetの２７５号及びSweetの４３７号の先駆的なＣＩＪの開示以来、開示されたほとんどのマルチ・ジェットＣＩＪプリントヘッドが、前記明細書中に記載されたジェット分離摂動手段の何らかの変化形を採用している。例えばTaylor他に１９７１年２月２日付けで発行された米国特許第３，５６０，６４１号明細書には、複数のマルチ・ジェット・アレイを有するＣＩＪ印刷装置であって、複数のＣＩＪプリントヘッドにインクを供給する高圧インク供給ラインに固定された振動装置によって液滴分離刺激が導入されるＣＩＪ印刷装置が開示されている。Lyon他に１９７３年６月１２日付けで発行された米国特許第３，７３９，３９３号明細書には、複数のノズルが単一の薄いノズルプレート中のオリフィスとして形成されており、ノズルプレートを振動させることにより液滴分離摂動がもたらされるマルチ・ジェットＣＩＪアレイが開示されている。これはSweetの２７５号に開示された単一ノズル振動器と同種の手法である。Loeffler他に１９７５年８月８日付けで発行された米国特許第３，８７７，０３６号明細書には、圧電トランスデューサが共通の液滴発生器室の内壁に結合されているマルチ・ジェットＣＩＪプリントヘッドが開示されている。これはSweetの４３７号及びSweetの２７５号によって開示された刺激の概念の組み合わせである。
【００１３】
残念ながら、プリントヘッド構造体の何らかの構成部分の振動、又は共通の供給圧力の変調を採用する刺激方法の全ては、マルチ・ジェットＣＩＪアレイのそれぞれの個々のジェットに印加された摂動の大きさに或る程度の不均一性をもたらす。不均一な刺激は、アレイのジェット間の分離長及びタイミングの変動を招く。分離特性のこの変動は、共通の液滴荷電集成体を配置すること、又はアレイのジェットの全てのために役立つことができるデータ・タイミング・スキームを使用することを不可能にする。
【００１４】
アレイのジェット間で分離時間を制御することの問題点に対処することに加えて、液体パターン・データに基づいて異なる所定の体積を有する液滴を発生させる連続液滴システムが、液体パターン・データに応答して、独立した方式で、それぞれ個々のジェットを刺激する手段を必要とする。結果として、近年は、個々の刺激信号を個々のジェットに印加することができる実際的な「ジェット毎刺激（stimulation per jet）」装置を開発する努力がなされている。以下で論じるように、多数の刺激要素装置が成功裡に開発されてはいるものの、若干のジェット間刺激「クロストーク」の問題がいまだ未解決であることがある。
【００１５】
Sweetの２７５号に開示された電気流体力学的（ＥＨＤ）ジェット刺激は、放出された液体ジェット・フィラメントに対して直接作用して、プリントヘッド構造体自体の最小限の音響励起を引き起こすことによりプリントヘッド及び取付構造体の共振の上述の交絡関与を回避する。Crowleyに１９８０年９月２日付けで発行された米国特許第４，２２０，９５８号明細書には、液滴間隔のほぼ半分に等しい長さのポンプ電極から成るＥＨＤ励起子によって摂動が達成されるＣＩＪプリンタが開示されている。これら複数のポンプ電極は、ノズルから下流側の液滴間隔又は波長のほぼ半分の倍数の間隔を置いて配置されている。この配列は、液滴分離を達成するために必要な電圧を、Sweetの２７５号によって開示された構造体と比べて大幅に低減する。
【００１６】
ＥＨＤ刺激は音響刺激の代わりとして追求されているが、所要の極めて近接したジェットと電極との間の間隔及び配列状態を有するため、静電破壊が生じることなく信頼性高く動作するプリントヘッド構造を製作するのは困難であるため、ＥＨＤ刺激は商業的には用いられていない。また、電界効果の比較的長い範囲のため、ＥＨＤは、狭い間隔で並んだジェットのアレイにおける個々のジェットに個々の刺激信号を提供しにくい。
【００１７】
単一ジェットＣＩＪシステムのための、音響刺激又はＥＨＤ刺激の欠点の全てを克服する、代わりのジェット摂動概念が、J. Eatonに１９７５年４月１５日付けで発行された米国特許第３，８７８，５１９号明細書（以下、Eatonという）に開示されている。Eatonには、局在化光エネルギーによって、又はノズル、すなわち流体ジェットの形成点に配置された抵抗ヒータによって、ジェット流体フィラメントを熱刺激することが開示されている。Eatonは、ジェットの加熱された部分の流体特性、特に表面張力は、ジェットの直径を局所的に変化させるように、加熱されていない部分に対して十分に変化させることができ、それにより、適切な周波数で印加された場合に主表面波を誘発させることができると説明している。Drake他に１９８７年１月２０日付けで発行された米国特許第４，６３８，３２８号明細書（以後Drake）には、サーマル・インクジェット装置と同様に製作された熱刺激型マルチ・ジェットＣＩＪ液滴発生器が開示されている。すなわち、Drakeは、高圧インクを供給し、そして、同期化された分離を引き起こすのに十分であるが蒸気バブルを発生させないようなエネルギーパルスをヒータに印加することにより、伝統的なサーマル・インクジェット（ＴＩＪ）エッジシュータ又はルーフシュータ装置をＣＩＪモードで操作することを開示している。
【００１８】
また最近、仕事を行うための機械的エネルギーを発生させる電気機械的及び熱機械的トランスデューサを利用するマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）が開示されている。例えば、印加された電界に応答して拡張又は収縮する層として役立つように、薄膜圧電、強誘電、又は電歪材料、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）、又はニオブ酸チタン酸鉛マグネシウム（ＰＭＮＴ）を、スパッタリング又はゾルゲル技術により堆積させることができる。例えば、２００２年５月１４日付けで発行されたShimada他の米国特許第６，３８７，２２５号明細書；２００３年１月２８日付けで発行されたSumi他の米国特許第６，５１１，１６１号明細書；及び２００３年４月８日付けで発行されたMiyashita他の米国特許第６，５４３，１０７号明細書を参照されたい。大きい熱膨張率を有する電気抵抗材料、例えばチタンアルミナイドを利用する熱機械的装置が、半導体基板上に構成された熱アクチェエータとして開示されている。例えば２００３年５月１３日付けで発行されたJarrold他の米国特許第６，５６１，６２７号明細書を参照されたい。従って、ジェット毎に刺激エネルギーを提供するためにマイクロ電子プロセスを用いて、電気機械的装置を構成して製作することもできる。
【００１９】
２００３年１月１４日付けで発行されたChwalek他の米国特許第６，５０５，９２１号明細書（以下、Chwalekの９２１号という）には、複数の熱偏向された液体流が、大きい及び小さい体積、すなわち大きい及び小さい断面積を有する液滴に分裂される方法及び装置が開示されている。熱偏向を用いることにより、より小さい液滴を、複数の液滴流の成す平面から離れるように指向させるのに対して、大きい液滴は名目上「真直ぐ」な経路に沿って飛行することが可能になる。さらに、様々な断面積を有する液滴の流れのアレイに対して垂直であり、かつ、それらのアレイを横切る速度成分を有する方向に、均一なガス流が与えられる。垂直なガス流速度成分は、より大きな断面積を有する液滴に対してよりも、より小さな断面積を有する液滴に対して、単位質量当たりより多くの力を加え、その結果、小さな液滴の偏向加速の増幅をもたらす。
【００２０】
ジェット装置毎の刺激を利用する連続液滴放出システムは、ジェットの大きなアレイ内の個々のジェットの分裂パラメータを制御する上で効果的である。しかし、本発明の発明者は、刺激が、例えば各ジェットのノズル出口における抵抗加熱を介して、各ジェットに高度に局在化されたとしても、何らかの刺激クロストークがまだ、共通の供給室を介して液体を通して音響エネルギーとして伝搬することを見いだした。隣接するジェットから生じるこの加えられる音響刺激クロストークは、分離タイミング又はサテライト液滴形成に関して、ジェット分裂に不都合な影響を及ぼすおそれがある。液体パターン・データに従って種々異なる所定の液滴体積を発生させる印刷モードで動作する場合には、音響刺激クロストークは、所望の所定の体積ではない液滴を生成するジェット分裂を変化させるおそれがある。特に、複数の所定の液滴体積を使用するシステムの場合、音響刺激クロストークの影響はデータに依存し、予想が難しい複雑な相互作用をもたらす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】米国特許第５，２２４，８４３号明細書
【特許文献２】米国特許第６，５６１，６２７号明細書
【特許文献３】米国特許第６，４７４，７８４号明細書
【特許文献４】米国特許第３，５９６，２７５号明細書
【特許文献５】米国特許第３，３７３，４３７号明細書
【特許文献６】米国特許第３，５６０，６４１号明細書
【特許文献７】米国特許第３，７３９，３９３号明細書
【特許文献８】米国特許第３，８７７，０３６号明細書
【特許文献９】米国特許第４，２２０，９５８号明細書
【特許文献１０】米国特許第３，８７８，５１９号明細書
【特許文献１１】米国特許第４，６３８，３２８号明細書
【特許文献１２】米国特許第６，３８７，２２５号明細書
【特許文献１３】米国特許第６，５１１，１６１号明細書
【特許文献１４】米国特許第６，５４３，１０７号明細書
【特許文献１５】米国特許第６，５６１，６２７号明細書
【特許文献１６】米国特許第６，５０５，９２１号明細書
【非特許文献】
【００２２】
【非特許文献１】F.R.S.(Lord) Rayleigh, “Instability of jets”, Proc. London Math. Soc. 10(4), 1878年発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
従って、個々のジェットの分裂特性が予想可能であり、そして液体パターンデータを、連続液滴エミッタの大型アレイ内における複数のジェットに対応する液滴生成パルス系列に変換する際に信頼することができるように、ジェット間の音響刺激クロストークを低減することによりジェット毎刺激タイプの連続液滴エミッタを改善する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の前記及び数多くの他の特徴、目的及び利点は、ここに記載された詳細な説明、特許請求の範囲及び図面を検討すれば、容易に明らかになる。これらの特徴、目的及び利点は、連続液滴エミッタであって、正圧に保持された液体を含有する液体供給室と、液体の第１及び第２の連続流れを放出する液体供給室ノズルと流体連通している第１及び第２のノズルとを含む連続液滴エミッタを構成することにより達成される。連続液滴エミッタはさらに、液体の第１及び第２の連続流れがそれぞれ所定の体積を有する液滴の第１及び第２の流れに分裂するのを独立に同期化するように構成された第１及び第２の流れ分裂トランスデューサから構成される。第１及び第２の流れ分裂トランスデューサにより液体供給室内部に発生した音波を減衰させるために液体供給室に隣接して又は液体供給室の内部に配置された音響減衰性材料を具備することによって、第２の流れ分裂トランスデューサから第１のノズルの液体供給の際に生じる刺激クロストーク、及びその逆の場合に生じる刺激クロストークを低減させる。
【００２５】
本発明は、選択された音響クロストーク周波数に同調されたヘルムホルツ共振室であって、音響刺激エネルギーを吸収するために音響減衰性材料を有するヘルムホルツ共振室を用いて構成することもできる。ヘルムホルツ共振室は、第１及び第２のジェットのための共通液体供給部分として役立つことができ、この場合、音響減衰性材料は、液体が通過するのを可能にするように多孔質であってよい。
【００２６】
本発明はさらに、音響損失性材料にカップリングすることによって音響エネルギーを吸収する音響減衰性材料から構成される。
【００２７】
本発明はさらに、液体を小さな通路に強制的に通して粘性流エネルギー損失を引き起こすことにより音響エネルギーを吸収する多孔質音響減衰性材料から構成される。
【００２８】
本発明はまた、液体とは一致しないインピーダンスを有する材料、高密度材料又は気体封入ボイドからの反射によって、音波の崩壊をもたらす音響減衰性材料を含む。
【００２９】
本発明のこれらの及びその他の目的、特徴及び利点は、図面と併せて下記詳細な説明を読めば当業者には明らかである。図面には、本発明の例示的実施態様が示され、記載されている。
【００３０】
以下に示す本発明の好ましい実施態様の詳細な説明において、添付の図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、本発明に従って構成された液体パターン堆積装置の一例を示す単純化されたブロック概略図である。
【図２ａ】図２（ａ）は、連続液体流が液滴に自然に分裂されることを示す概略断面図である。
【図２ｂ】図２（ｂ）は、連続液体流が液滴に同期的に分裂されることを示す概略断面図である。
【図３ａ】図３（ａ）は、本発明の好ましい一実施態様に従う単一のサーマル流れ分裂トランスデューサを示す概略平面図である。
【図３ｂ】図３（ｂ）は、本発明の好ましい一実施態様に従う複数のサーマル流れ分裂トランスデューサのアレイの一部を示す概略平面図である。
【図４ａ】図４（ａ）は、本発明の好ましい一実施態様に従う、流れ分裂ヒータ抵抗器により流体ジェットの同期分裂を刺激して異なる所定の体積を有する液滴をもたらすためのエネルギーパルス系列を示す図である。
【図４ｂ】図４（ｂ）は、本発明の好ましい一実施態様に従う、流れ分裂ヒータ抵抗器により流体ジェットの同期分裂を刺激して異なる所定の体積を有する液滴をもたらすためのエネルギーパルス系列を示す図である。
【図４ｃ】図４（ｃ）は、本発明の好ましい一実施態様に従う、流れ分裂ヒータ抵抗器により流体ジェットの同期分裂を刺激して異なる所定の体積を有する液滴をもたらすためのエネルギーパルス系列を示す図である。
【図５】図５は、液体パターンデータに従って、大きな液滴及び小さな液滴で動作する液滴エミッタを示す上面断面図である。
【図６】図６は、隣接ジェット間の刺激クロストークの影響を示す連続液滴エミッタのアレイの一部を示す上面断面図である。
【図７】図７は、ジェット刺激からの音響クロストークを示す連続液滴エミッタのアレイの２つのジェットを示す上面断面図である。
【図８】図８は、共通の供給室内に音響減衰性材料を配置したときのクロストーク減衰効果を示す上面断面図である。
【図９】図９は、図８の部分を拡大した図である。
【図１０】図１０は、本発明に従う粒状多孔質音響減衰性材料を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明に従う繊維状多孔質音響減衰性材料を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明に従う気体封入ボイドを有する多孔質音響減衰性材料を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の好ましい一実施態様に従う損失性マトリックス材料を有する多孔質音響減衰性材料を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明に従う気体封入ボイドを有する非多孔質の音響減衰性材料を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明による高密度材料粒子を有する非多孔質音響減衰性材料を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の好ましい一実施態様に従う、共通の液滴供給室内に２つのタイプの音響減衰性材料を有する連続液滴エミッタの側方断面図である。
【図１７】図１７は、図１６の部分を拡大した図である。
【図１８】図１８は、本発明の好ましい一実施態様に従う、共通の液体供給室がヘルムホルツ共振器として構成されている連続液滴エミッタの側方断面図である。
【図１９】図１９は、本発明の別の好ましい一実施態様に従う共通の液体供給室がヘルムホルツ共振器として構成されている連続液滴エミッタの側方断面図である。
【図２０】図２０は、本発明の好ましい一実施態様に従う共通の流体供給通路に隣接して配置された非多孔質の音響減衰性材料を有する連続液滴エミッタの側方断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
この説明は、特に、本発明に従う装置の部分を成す要素、又は本発明に従う装置とより直接的に協働する要素に関する。機能的な要素及び特徴には、これらが同じ要素である場合、又は本発明を理解する目的で同じ機能を発揮する場合、図面で同じ数字符号が付されている。言うまでもなく、具体的に示されていない、又は説明されていない要素は当業者に良く知られた種々の形態をとることができる。
【００３３】
図１には、液体パターンを堆積するための連続液滴放出システムが示されている。典型的には、このようなシステムは、インクジェット・プリンタであり、そして液体パターンは受理体シート又はウェブ上に印刷された画像である。しかしながら、例えば製造プロセスのためのマスキング層及び化学開始剤層などの他の液体パターンを、図示のシステムによって堆積することができる。本発明を理解する目的で、「液体」及び「インク」という用語は、インクが典型的には本発明の潜在的な用途の部分集合である画像印刷と関連することを認識して、互換的に使用される。液体パターン堆積システムは、プロセス・コントローラ４００によって制御され、コントローラ４００は、種々の入力・出力構成部分とインターフェイス接続し、データの必要な変換を計算し、そして所要のプログラム及びアルゴリズムを実行する。
【００３４】
液体パターン堆積システムはさらに、画像源又は液体パターンデータ源４１０を含む。このデータ源４１０は、ページ記述言語の形態、又はデジタル画像データの他の形態でラスター画像データ、アウトライン画像データを提供する。この画像データは、コントローラ４００によってビットマップ画像データに変換され、プリントヘッド電気インターフェイス２０に接続された複数のプリントヘッド・トランスデューサ回路４１２を介してマルチ・ジェット液滴放出プリントヘッド１０に伝送するために記憶される。ビットマップ画像データは、２次元位置マトリックスのピクチャ要素（画素）上への個々の液滴の堆積を指定し、個々の液滴は、所望のパターン分解能、すなわち「１インチ当たりのパターンドット数」などによって決定されるパターン・ラスター距離で等間隔を置いて堆積される。ラスター距離又は間隔は、パターンの２次元において等しくても異なっていてもよい。
【００３５】
コントローラ４００も、プリントヘッド・トランスデューサ回路への液滴同期信号を生成する。これらの信号は、続いてプリントヘッド１０に印加されることにより、放出された複数の流体流を予測可能なタイミングで所定の体積を有する液滴に分裂させる。プリントヘッド１０は「ページ幅」プリントヘッドとして図示されており、この場合、プリントヘッドは、プリントヘッド自体を移動させる必要なしに、媒体３００を横切る全ての走査線を印刷するのに十分な数の複数のジェット・ノズルを含有する。
【００３６】
記録媒体３００を、記録媒体搬送システムによってプリントヘッド１０に対して相対運動させる。記録媒体搬送システムは、媒体搬送制御システム４１４によって電子制御され、また媒体搬送制御システム４１４はコントローラ４００によって制御される。図１に示された記録媒体搬送システムは概略図にすぎない。多くの異なる機械的構成が可能である。例えば、液滴の記録媒体３００への転写を促進するために、入力側転写ローラ２５０と出力側転写ローラ２５２とを記録媒体搬送システムにおいて使用することができる。このような転写ローラ技術は当業者に良く知られている。図１に示されたページ幅プリントヘッドの場合、記録媒体３００を定置のプリントヘッドを越えて動かすことが最も好都合である。記録媒体３００は速度ＶMで搬送される。走査印刷システムの場合、１つの軸（副走査方向）に沿ってプリントヘッドを、及び直交軸（主走査方向）に沿って記録媒体を、相対ラスター運動で移動させることが通常最も好都合である。本発明は、可動又は定置のプリントヘッド、及び可動又は定置の受理媒体、及びこれらの全ての組み合わせを有する印刷システムに等しく適用することができる。
【００３７】
パターン液体は、加圧下で液体リザーバ４１８内に収容されている。非印刷状態において、連続液滴流は、流体溝（図示せず）がこの流れを捕らえることにより記録媒体３００に達することができず、流体溝は、液体の一部が液体再循環ユニット４１６によって再循環されるのを可能にする。液体再循環ユニット４１６は、プリントヘッド流体出口２４５を介して未印刷液体を受容し、液体を再状態調節し、そしてこの液体をリザーバ４１８に戻し、又はそれを貯蔵する。液体再循環ユニットは、プリントヘッド流体出口２４５に真空圧を印加するように構成することにより、液体回収を助け、またプリントヘッド１０を通るガス流に影響を与えることもできる。このような液体再循環ユニットは当業者に良く知られている。最適な動作に適した液体圧力は、ノズルの幾何形状及び熱特性、並びに液体の熱特性を含む数多くの要因に依存する。コントローラ４００によって管理された液体供給コントローラ４２４の制御下で液体リザーバ４１８に圧力を加えることにより、一定の液体圧力を達成することができる。
【００３８】
液体は、液体供給ラインを介して分配され、プリントヘッド１０の液体入口４２に入る。液体は好ましくは、プリントヘッド１０のシリコン基板を貫通するようにエッチングによって形成されたスロット及び／又は穴を通してその前面に流れる。この前面には、複数のノズル及びプリントヘッド・トランスデューサが配置されている。本発明のいくつかの好ましい実施態様において、プリントヘッド・トランスデューサは抵抗ヒータである。他の実施態様において、抵抗ヒータ、電界電極及びマイクロ電気機械的流動弁の何らかの組み合わせなどの、１ジェット当たり２つ以上のトランスデューサを設けることができる。プリントヘッド１０がシリコンから少なくとも部分的に製作されている場合には、プリントヘッド・トランスデューサ制御回路４１２の何らかの部分を、プリントヘッドと一体化することが可能であり、プリントヘッド電気コネクタ２２を単純化することができる。
【００３９】
液滴放出ノズルの下流に、以下で詳述する二次液滴偏向装置を設けることができる。この二次液滴偏向装置は、パターンデータに基づいて所定の経路に沿って飛行する液滴の複数の流れ中の個々の液滴に衝突する空気流を発生させる気流プレナムを含む。負圧制御装置４２２を通してコントローラ４００によって制御された負圧源４２０が、負圧源入口９９を介してプリントヘッド１０に接続される。
【００４０】
好ましいプリントヘッドの実施態様の単一のノズル５０の正面図が図２（ａ）に示されている。複数のこのようなノズルのアレイの一部が図２（ｂ）に示されている。判りやすいように、複数のジェット及び構成要素を示すときには、添え字「ｊ」、「ｊ＋１」などを使用することにより、このような要素の大型アレイに沿って順番に同じ機能要素を示す。図２（ａ）及び２（ｂ）は、直径Ｄdnの円形状を有するプリントヘッド１０の液滴発生器部分のノズル５０を示している。これらのノズルは、ノズル・アレイ方向又は軸に沿って液滴ノズル・スペースＳdnの等間隔を置いて配置されており、ノズル層１４内に形成されている。円形ノズルが示されているが、液体放出オリフィスのために他の形状が使用されてもよく、有効直径、すなわち等価開口面積を特定する円直径で表すこともできる。典型的には、ノズル直径は、堆積させようとする液体パターンに適した液滴サイズに応じて、８ミクロン〜３５ミクロンで形成される。典型的には、液滴ノズル間隔は、ノズル軸方向のパターン・ラスター分解能３００画素／インチ〜１２００画素／インチに対応する８４〜２１ミクロンとなる。
【００４１】
ノズル孔を取り囲む前面層上に包囲抵抗ヒータ３０が形成されている。抵抗ヒータ３０は、電極３８及び３６によってアドレスされる。これらの電極３６のうちの１つが、他のジェットを取り囲む抵抗器と共有されていてもよい。しかし、少なくとも１つの抵抗器リード３８が、ジェットに個別に電気パルスを提供することにより、そのジェットの独立した刺激を引き起こす。或いは、２つのアドレス・リード３８，３６が所与のジェットに刺激パルスを選択的に印加するために連携して使用されるマトリックス・アドレス配列が採用されてもよい。これらの同じ抵抗ヒータは、適切な波長の表面波を誘起させることにより、液体ジェットの、ほぼ均一な直径Ｄd、体積Ｖo及び間隔λdを有する液滴への分裂を同期化するために利用される。体積Ｖm（ＶmはＶ0の約整数倍である）の液滴に、すなわち約ｍＶ0（ｍは整数である）の体積を有する液滴に融合された流体のセグメントへの流れの分裂をもたらすパルス形成スキームを考え出すこともできる。
【００４２】
連続流体流６２に対するパルス形成ノズル・ヒータ３０の効果が、図３（ａ）及び３（ｂ）に側面図で示されている。図３（ａ）及び３（ｂ）は、複数のノズルのうちの１つのノズル５０の周りの液滴発生器基板１２の一部を示している。加圧流体６０が、近接した液体供給室４８を介してノズル５０に供給される。ノズル５０は、液滴ノズル前面層１４内に、そして場合によっては熱及び電気的アイソレーション層１６内に形成される。
【００４３】
図３（ａ）において、ノズル・ヒータ３０は励起されていない。連続流体流６２は、変化する間隔を有する自然な蛇行表面ネック６４を形成し、その結果、位置７７において、幅広く変化する直径及び体積を有する液滴６６の流れ１００への非同期分裂をもたらす。自然分離長ＢＯＬnは、ノズル面から、連続流体柱から液滴が引き離される点までの距離として定義される。このような自然な非同期分裂の場合、分離長ＢＯＬnは明確に定義されず、経時的にかなり変化する。
【００４４】
図３（ｂ）において、ノズル・ヒータ３０には、流体柱６２に主表面蛇行ネック７０を生じさせる主表面波を誘起させるのに十分なエネルギーパルスが与えられ、それにより、ノズル面からの作用距離ＢＯＬoに位置する安定な作用分離点７６で、実質的に均一な直径Ｄd、及び間隔λ0を有する液滴８０の流れ１２０への分裂の同期化がもたらされる。図３（ａ）及び３（ｂ）における流体流及び個々の液滴６６及び８０は、流体加圧の強さ、ノズルの幾何形状及び流体特性に基づいて、Ｖdの速度で、名目上の飛行経路に沿って移動する。
【００４５】
連続液体ジェットの分裂の熱パルス同期化も、単位体積Ｖ0のほぼ整数ｍの倍数の体積ｍＶ0を有するいくつかの液滴が形成される所定の体積を有する液滴の流れを発生させることを可能にすることが知られている。例えば本発明と同一譲受人による、Jeanmaire他に発行された米国特許第６，５８８，８８８号明細書を参照されたい。図４（ａ）〜４（ｃ）は、いくつかの異なる電気エネルギーパルス系列により連続な流れに熱刺激を加えることを示している。エネルギーパルス系列は、単位周期τ0の間に刺激エネルギーパルスを形成するために、ヒータ抵抗器を「オン」及び「オフ」にするものとして概略的に示されている。
【００４６】
図４（ａ）において、刺激パルス系列は、単位周期パルス６１０の列から成る。このパルス列によって刺激された連続ジェット流は、τ0の時間間隔を置いて、飛行経路に沿ってλ0の間隔を置いて、全て体積Ｖ0を有する液滴８５に分裂される。図４（ｂ）に示されたエネルギーパルス列は、単位周期パルス６１０と、サブ系列６１２に対応する４τ0の周期及びサブ系列６１６に対応する３τ0の周期を生じるいくつかのパルスの欠失とから成る。刺激パルスの欠失によって、ジェット内の流体は、単位周期よりも長い周期と一致する体積を有する液滴にまとめられる（融合する）。すなわち、サブ系列６１２は、約４Ｖ0の融合体積を有する液滴８６をもたらし、サブ系列６１６は、約３Ｖ0の融合体積を有する液滴８７をもたらす。図４（ｃ）は、約８Ｖ0の融合体積を有する液滴８８を発生させる周期８τ0のサブ系列を有するパルス列を示す。複数の流体単位を融合させて単一液滴にするために、分離点からのある移動距離及び時間が必要となる。融合した液滴は、流体が名目体積Ｖ0を有する複数の個々の液滴に分裂されたならば占めていたはずのスペースの中心近くに位置する傾向がある。
【００４７】
印刷液滴と非印刷液滴とを区別する際に有利になるように、単位体積Ｖ0の実質的に倍数の単位で液滴を生成する能力を用いることができる。液滴を横空気流場中に流入させることにより偏向させることができる。より大きな液滴であるほど、抗力対質量比がより小さいので、空気流場においてより小さな体積の液滴よりも偏向されにくい。こうして空気偏向ゾーンを使用することにより、異なる体積を有する液滴を、異なる飛行経路に分散させることができる。大きな体積の液滴で印刷して、小さな液滴を溝に送るように、又はその反対の形で、液体パターン堆積システムを構成することができる。
【００４８】
図５は、大きな体積の液滴８５で印刷して、空気流プレナム９０により設定された、Ｘ方向の偏向空気流を受けた小さな体積の液滴８４を溝に送るように構成された液滴パターン堆積システムを平面断面図で示す。複数ジェット・アレイ・プリントヘッド１０は、複数のジェット・ノズルと一緒に形成された半導体基板１２と、共通液体供給室構成部分４４に取り付けられたジェット刺激トランスデューサとから成る。液体供給入口４２、すなわち図５の例ではアレイの長手方向に延在するスリットを介して、パターニング液体６０が供給される。液滴発生器共通液体供給室内には多孔質音響減衰性材料１５０が配置されており、これにより、本発明に従って、各ジェットの熱刺激により生成された音響エネルギーを吸収する。マルチ・ジェット液滴発生器１０の性能に関しては、本発明を説明するために、音響減衰性材料を内蔵する形態及び内蔵しない形態について以下で論じる。なお、図５に示す大きな液滴８５は、一貫して「融合されたもの」として示されているが、実際には、流体流分離点から或る程度の距離までは、大きな液滴８５を形成する流体は融合しないことがある。
【００４９】
図６は、（図５におけるＹ方向に沿って配列された）第ｊ番目のジェット及び隣接ジェットｊ＋１、ｊ＋２及びｊ−１と関連するノズル、流れ及びヒータ抵抗器を含むマルチ・ジェット・アレイの一部を示す平面断面図である。個々のノズルへの流体流は、この場合液滴発生器基板１２内に孔として形成された流れ分離機構２８によって仕切られている。図７は、図６の２つの中央ジェットの拡大図を示す。図６及び７のプリントヘッド１０は、共通液体供給プレナム領域内に配置された音響減衰性材料を有していない。図４（ａ）に関して説明したように熱抵抗器３０j及び３０j-1にエネルギーパルスを印加することにより、ジェット６２j及び６２j-1が、ベースライン刺激周波数ｆ0で能動的に刺激され、それにより、前述のような単一体積の液滴８０が生成する。
【００５０】
ジェット６２j+1及び６２j+2は、対応する刺激抵抗器３０j+1及び３０j+2へのエネルギーパルスにより刺激されない。ジェット６２j+2は、自然分散の体積を有する液滴６６に分裂されるものとして図示されている。しかし、刺激ジェット６２jに隣接する非刺激ジェット６２j+1は、自然なジェット分裂及び刺激されたジェット分裂の挙動の混合形を示すものとして図示されている。本発明の発明者は、基本刺激周波数ｆ0の倍数で誘発されたストロボスコープ照明を使用して、このようなジェット分裂挙動を観察した。刺激された近隣のジェットで生成された音響エネルギー１４０から「クロストーク」として生じる、反射された音響刺激エネルギー１４２が存在する場合、影響を受けた流れは、全体的に自然の分裂の場合よりも高い割合の液滴が、基本液滴体積Ｖ0及び液滴離間距離λ0で発生することを示す。自然に分裂したジェットのストロボスコープ照明画像は、ランダムな体積の液滴の重ね合わせによるぼやけを示す。発生源の音響エネルギー１４０が共通供給液体室内を伝搬するために、少量の音響刺激エネルギー１４２が流体流に加えられると、画像は、自然分裂のぼやけ上に重ね合わされた刺激ジェットの強い静止ゴースト像を示す。音響刺激クロストークは、ジェット６２j及び６２j-1の間に発生するものとして図６にも示したように、刺激ジェット間の分離長（δＢＯＬ）の差を生じさせることもある。音響刺激クロストークは、サテライト液滴形成に不都合な影響を与えることもある。
【００５１】
本発明の発明者は、音響減衰性材料を使用してノズル領域から放射された音響エネルギーを吸収することによって、共通流体供給室の領域内の流体中を伝搬する音響刺激クロストークを低減又は排除できることを認識している。図８には、特定の音響減衰性材料１５１が、流れ分離機構２８のすぐ上流側の共通液体供給室内に示されている。ジェット６２j及び６２j-1からの放射された発生源音響エネルギー１４０は、音響減衰性材料１５１によって吸収され、これにより無刺激ジェット６２j+1及び６２j+2への刺激をなくす。音響クロストーク・エネルギーの吸収は、刺激ジェット６２j及び６２j-1間の分離長の差もなくする。
【００５２】
図９は、図８の領域「Ａ」の拡大図を示す。この領域「Ａ」は、刺激によって発生した音響エネルギー１４０が音響減衰性材料１５１に当たる場所を含む、ノズル５０jへの流路内に位置する。図示した特定の音響減衰性材料１５１は、液体６０がそれらを通って移動し流れることができる微細通路１７０と、液体６０よりも実質的に高い密度の材料から形成された粒子１６０とから構成される多孔質マトリックスである。「実質的に高い密度」という語句は、ここでは少なくとも２０％及び好ましくは１００％（すなわち２倍）の差を示すものとする。音響エネルギー１４０はノズル領域から共通流体供給室に向かって液体中に、圧力波として伝搬する。圧力波１４０が音響減衰性材料１５１に当たるとき、エネルギーは、大きく分けて２つの機構、すなわち高密度粒子１６０からの音響散乱と、音圧により液体が微細通路１７０内を移動するのに伴う粘性流損失とによって、「吸収」又は「散逸（disorganize）」される。これらの現象は、反射音響エネルギーを表す仮想線１４２によって示された波面の減少及び多重の反射によって概略的に図示されている。この性質を有する多孔質音響減衰性材料１５１の一例は焼結ステンレス鋼である。
【００５３】
本発明の実施のために選択される音響減衰性材料は、種々多様な材料組成及び形態から選択できる。音響減衰は、一般的に、上記の２つの原理機構、（１）散乱界面を介した圧力波の散逸、及び（２）摩擦効果を介したエネルギーの熱への変換によって達成される。大部分の連続ジェット用途に関与する液体の密度は、１〜２ｇｍ／ｃｍ3である。従って、噴射される液体よりも実質的に高い又は低い質量密度を有する材料から成る微細構造を内蔵する音響減衰性材料によって、音響散乱現象を形成することができる。本発明の場合、「実質的に高い又は低い」という用語は、質量密度の２０％の差、好ましくは１００％（２倍）の差を意味する。
【００５４】
音響エネルギーを音響損失性材料にカップリングさせることにより、又は、粘性減衰及び熱へのエネルギー変換をもたらす微細通路内に液体を強制的に流入又は流通させることにより、熱へのエネルギー変換を実現することができる。音響損失性材料は、一般的に、低いヤング率を有する大きな分子の高分子固形物である。音響エネルギーがかかる材料に伝達されると、組織だった圧力波は消失して非弾性分子振動になる。両エネルギー変換機構は、マトリックスが損失性ポリマー、例えばポリウレタンである微細多孔質音響減衰性材料において誘起される。
【００５５】
言うまでもなく、複数の流れ分裂トランスデューサを操作することにより、共通液体供給室内に入った音響圧力波を吸収及び散逸させるための音響減衰性材料を設計及び選択する上で、想到し得る上記原理の多くの変化形がある。図１０〜１５は、本発明者が有用な音響減衰性材料形態と考える上記原理の多くの組み合わせのうちのいくつかを示す。
【００５６】
図１０は、噴射される液体よりも実質的に高い質量密度を有する１種又は２種以上の材料から作られたマトリックスを形成している粒子１６０間に微細通路１７０を有する多孔質音響減衰性材料１５１を示す。粒子形態は、高度に散逸された反射波面を生じさせる多くの音響反射表面を形成する上で効果的である。実質的に高い質量密度を有する材料は、液体中よりも実質的に高い音響伝送速度を示す。例えば、常温及び常圧における水中の音響速度は約１４８２ｍ／秒である。ステンレス鋼の場合、音響速度は約５０００ｍ／秒であり、またシリコンの場合これは約２２００ｍ／秒である。音響伝送速度が２つの媒質の間の境界を挟んで実質的に異なる場合、圧力波が音響伝送速度の不一致に対して或る程度比例して反射される。従って、ステンレス鋼粒子は、シリコン又は二酸化ケイ素粒子よりも効果的な散乱性成分である。ポリウレタンにおける音響速度は約１４３０ｍ／秒であり、これは水の音響速度に近い。その結果、水／ポリウレタン界面では、水波散乱がほとんど発生しない。
【００５７】
高質量密度材料は、噴射された流体中の構成成分の全てと化学的に適合するものであるべきである。例えば、液体が画像を印刷するためのインクジェット用インクである場合、液体は、水、染料又は顔料、分散剤又は可溶化剤、殺生物剤、保湿剤、浸透剤、紫外線遮断剤及び抗キレート剤などを含有することができる。実際には、本発明を実施するために、作動液と接触する音響減衰性材料のうちのいずれも、作動流体のどの構成成分に対してもほとんど化学的活性を示さないように選択されることが好ましい。
【００５８】
高質量密度マトリックス粒子１６０として使用され得る材料の例としては、ステンレス鋼及び無機粉末、例えば二酸化ケイ素、炭化ケイ素、グラファイト及び酸化タンタルなどが挙げられる。マトリックスの形態は、ルーズな粉末であってよく、或いは、作動液が材料を通過できないほど多孔性が犠牲にならない限り、粒子間に何らかの結合を形成するように焼結されていてもよい。
【００５９】
図１０に示された多孔質音響材料の物理的形態は、上記高質量密度粒子の代わりに音響損失性材料を使用して実現することもできる。このような音響減衰性材料は、マトリックス材料中の非弾性分子運動損失を通して、また、液体が微細通路内を移動するのに伴う粘性流損失を介して、刺激によって発生する音響エネルギーを変換するように作用する。使用できる損失性粒子材料としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）及び種々のウレタン及びその他のゴムが挙げられる。実際には、波面散乱のための高質量密度成分と損失性材料成分の両方を使用して多孔質音響減衰性材料を形成することにより、上記音響エネルギー減衰機構の全てが同時に用いられる。
【００６０】
図１１は、本発明により考えられる多孔質音響減衰性材料１５２の別の形態を示す。図示した材料１５２は、固形マトリックス相が粒子の代わりに繊維状材料１６２から形成されていることを除いて、上記材料１５１と同様に作用する。繊維間の間隙によって微細通路１７０が形成されている。繊維１６２は、音波散乱を生成するための高質量密度材料、例えばステンレス鋼又はガラスファイバー、又は分子運動によりエネルギーを吸収するための損失性材料、例えばポリエチレンであってよく、又はこれら２つのタイプの繊維状材料の組み合わせであってもよい。上述のように、繊維１６２のために選択される材料は好ましくは、作動流体の全ての成分に対して化学的に不活性である。
【００６１】
図１２は、多孔質構造の不透過性マトリックスを形成する散乱性要素として、損失性材料シェル内に封入された気体封入ボイド１６６を利用する多孔質音響減衰性材料１５３を示している。気体封入ボイド１６６は、図１０に関して記載された高密度粒子と同様の役割を果たす。すなわち、気体封入ボイド１６６は、入来する音響圧力波を反射してインコヒーレント波にする。空気中の音速は約３４０ｍ／秒であり、これは水中の音速１４８０ｍ／秒とかなり一致しない。従って、音波は、気体封入ボイド１６６に当たると実質的に反射される。
【００６２】
ボイド１６６を封入するシェル１６４は、作動液の作用供給圧、典型的には１０〜８０ｐｓｉの規模に耐えるのに十分に強くなければならない。ボイド・シェル１６４間の間隙１７０は、圧力波が液体を間隙に押し込むのに伴って粘性流損失をもたらす。シェル材料１６４内に何らかの音響減衰が発生してもよい。上記のように、シェル１６４のために選択される材料は好ましくは、作動流体の全ての成分に対して化学的に不活性である。
【００６３】
図１３は、連続発泡体、例えば網状ポリウレタンとして形成された多孔質音響減衰性材料１５６を示す。マトリックス材料１６８は、音響損失性ポリマーであり、このポリマー内に気泡が形成され、ボイドを生成する。ボイドは、気泡形成過程によりこのような接続を形成させることにより、又はボイド間の壁を破壊するための二次的な工程、例えば圧潰（網状化）により、相互接続（１７６）される。かかる材料は、一般的に、孔構造に基づいて、僅かに負の圧力でインクを保持する使い捨てインク供給容器のためのドロップ・オン・デマンド式インクジェット・プリンタ・システム内に使用される。本発明による音響減衰性材料として使用されると、これらの材料は、刺激によって発生した音響エネルギーを、微細通路１７６内の粘性損失を介して、そしてマトリックス材料１６８中の分子運動損失を介して熱に変換する。上記のように、シェル１６４のために選択される材料は好ましくは、作動流体の全ての構成成分に対して化学的に不活性である。
【００６４】
図１４は、気体封入ボイド１６６を含ませたポリマーマトリックス１７４として形成された非多孔質の音響減衰性材料１５５を示す。かかる材料は、気泡が接続して大きくなるようにはせず、また、この材料が、ボイド間の壁を破壊するように意図的に損傷されていないことを除いて、図１３に示したものとほぼ同様に形成することができる。かかる音響減衰性材料は、初期音響エネルギーがマトリックス材料１７４にカップリングされるのに伴って分子運動損失機構を誘起し、刺激によって発生した音響圧力波面が非常に低い質量の気体を封入したボイド１６６に当たるのに伴って波面散乱機構を誘起する。音響減衰性材料１５５は多孔質でないため、この材料は、液体補給通路に隣接する液体供給室内に配置されるが、本発明の先に述べた多孔質材料の実施態様の場合のように供給通路内に直接配置されない。上記のように、マトリックス材料１７４として選択される材料は、好ましくは、作動流体の全ての構成成分に対して化学的に不活性である。
【００６５】
図１５は、本発明に従う別の非多孔質音響減衰性材料１５４を示す。非多孔質の音響減衰性材料１５４は、音響損失性マトリックス材料１７２と、音響波面散乱のための高密度材料１６０とから形成されている。このような音響減衰性材料は、音響エネルギーがマトリックス材料１７２にカップリングされるのに伴って分子運動損失機構を誘起し、圧力波面が高質量密度粒子に当たるのに伴って波面散乱機構を誘起する。音響減衰性材料１５４は多孔質でないため、この材料は流体供給室内に液体補給通路に隣接して配置されるが、本発明の先に述べた多孔質材料の実施態様の場合のように供給通路内に直接配置されない。上記のように、マトリックス材料１７２及び高質量密度の散乱性材料１６０として選択される材料は、好ましくは、作動流体の全ての構成成分に対して化学的に不活性である。
【００６６】
言うまでもなく音響減衰性材料１５４と同様の材料を、繊維状高密度材料、例えば図１１に示した材料を用いて形成することもできる。さらに、非多孔質材料は、気体封入ボイドと高密度の散乱性粒子又は繊維との両方を組み合わせることにより、単一の複合材料にすることができる。さらに、音響減衰性材料は、共通液体供給室内で刺激によって誘発された音響クロストークを吸収する際に多孔質材料及び非多孔質材料の有益な音響減衰特性を効果的に生じさせる異なる材料形態の複数の層の形で提供することができることや、共通液体供給室内で刺激によって誘発された音響クロストークを吸収する際に多孔質材料及び非多孔質材料の有益な音響減衰特性を効果的に生じさせる組成変化を１つの層中に有することができることも考えられる。
【００６７】
図１６は、共通液体供給室４６の側方断面図であり、この共通液体供給室４６には、室４６内で発生し得る、刺激によって誘発されたクロストークを吸収及び散乱させるように２種の音響減衰性材料、つまり多孔質音響材料１５１及び非多孔質材料１５５が配置されている。液体が開放室スペース４３から、多孔質減衰材料１５１を通ることなしに、個々のジェットに液体が補給される。供給された液体の全てを多孔質材料の小さな間隙に強制的に通すのに必要な圧力よりも高い圧力で、噴射された液体の流れ全体をこの室に供給することを避けることが望ましい場合がある。音響クロストークの音響エネルギーは先ず、多孔質音響減衰性材料１５１にカップリングする。まだ伝搬している音響エネルギーが、非多孔質減衰材料１５５によってさらに吸収され散乱させられる。本発明によって考えられるように、異なるタイプの音響減衰性材料から成る多くの他の層状の組み合わせを採用することもできる。
【００６８】
多孔質材料１５１は、熱刺激されたジェット６２から「自由」伝搬距離Ｓadの位置にある。すなわち、ジェット６２の刺激によって発生したいずれの音圧波も、音響減衰性材料のエネルギー吸収機構及び波面散乱機構が、隣接するジェットをつなぐ共通液体供給室内での音響クロストーク・エネルギーの強度に影響を与え始める前に、距離Ｓadを伝搬することができる。最大の効果を得るために、本発明の音響減衰性材料は、ジェット刺激点のすぐ上流側にできる限り近接して配置されるか、又は、少なくとも、流れが個々のジェットに分離する液体供給通路内の位置に近接して配置されることが望ましい。自由伝搬距離は、少なくとも、基本刺激周波数ｆ0で発生する音波の波長ΛSOの半分以下、すなわちＳad≦１／２ΛSO＝ｃ1／ｆ0に維持されることが好ましい。ここで、ｃ1は、液滴発生器の動作圧力及び温度における液体中の音速である。約１４８２ｍ／秒の音速ｃ1の水から主として成る水性インクの場合に、ｆ0＝２００ＫＨｚでは、音波長ΛSO＝（１４８２ｍ／秒）／ｆ0は約７．４１ｍｍである。
【００６９】
音響クロストークの吸収を促進する付加的な液滴発生器の構成要素は、液滴発生器の性能にとって最も厄介なクロストーク音響周波数ｆx、例えば基本刺激周波数ｆ0に同調されたヘルムホルツ音響共振器の一部として作用する隣接共振室を提供することである。しかしながら、図４及び５に関して上述したように、単位体積の複数倍ｍＶ0の所定の液滴を発生させる液体パターン印刷システムの場合、最も厄介な周波数ｆxは、基本周波数ｆ0よりも低い周波数であることもある。すなわち、大きな液滴体積が生じるように（図４参照）、刺激手段をパルス動作させる頻度がより少ないほど、発生した破壊的音響クロストーク周波数は、基本周波数を整数で割り算して得られるより小さい値、すなわちｆxはほぼｆ0／ｍとなり得る。最後に、最も厄介な音響クロストーク周波数は、基本周波数よりも高い周波数、例えば第２調和周波数２ｆ0であることがあり、その強度は、第２調和音響クロストークのために不都合なサテライトの形成をもたらすおそれがある。従って、ヘルムホルツ共振器は、好ましくはｆ0／１０≦ｆx≦２ｆ0の範囲内の、選択されたクロストーク周波数ｆxに同調される。
【００７０】
共通流体供給リザーバとしても機能する部分４３を有する、図１６に示す方形断面の室４６は、室の奥行きＬcd及び室の高さＬchを適切に選ぶことにより、周波数ｆxのヘルムホルツ音響共振器の共振室として機能するように構成することができる。
【００７１】
音響ヘルムホルツ共振器は、音響伝送システムにおける物理的ノッチフィルタとして使用される。音響の特定の狭帯域を除去することが望ましい。共振室は、入口ネック部分により音響伝搬領域に接続されている。ネック領域を通って伝搬する音響は、反射によって共振室内で「トラップ」される。音響減衰性材料が共振室内に配置された場合、トラップされた音響はさらに、熱エネルギーへの変換により消失する。連続液滴発生器の場合、複数のノズルへの流れ分離点に対して最も近くに隣接する共通流体供給室は、当該供給室が、共通供給目的のために液体が完全に又は部分的に充填されているか、或いは全く充填されていないかにかかわらず、ヘルムホルツ共振室のための効果的な位置にある。
【００７２】
ヘルムホルツ共振器室の寸法は実験に基づいて容易に決定することができる。すなわち、場合によっては、刺激ジェットに隣接する非刺激ジェットの分裂挙動、又は単位液滴体積の所期の倍数の選択された液滴の体積を観察することにより、最大ノッチフィルタリング効果が検出されるまで、適切な範囲にわたる室の寸法を調節することができる。
【００７３】
本発明を理解するために、図１６の断面図に示した液滴発生器室４６は、ノズル・アレイに沿って第３次元に延びており、その長手方向に沿って同じ断面を有する真っ直ぐに延びる空洞を形成しているものと考えることができる。図１６において領域「Ｂ」と示した、方形の室に通じる入口ネック領域４８は、図１７に拡大図で示されている。入口ネック領域４８は、アレイ方向にも延びており、概ね三角形断面を有するネック領域を形成している。ヘルムホルツ共振周波数ｆhは、２次元ヘルムホルツ室面積Ａh、ヘルムホルツ室を満たす材料中の音速ｃh、入口ネックの有効幅Ｗn及び入口ネックの長さＬnに関連する。これらの変数間の一次関係式は下記の通りである：
【００７４】
【数１】
2010506749.tif 000003
【００７５】
最も厄介な音響クロストーク周波数ｆxをフィルタリング及び吸収するようにヘルムホルツ共振空洞を設計するために、この周波数は式１においてｆhに等しく設定する。
【００７６】
入口ネック領域の寸法の例を図１７に示す。上にノズル、刺激ヒータ及びパルス駆動トランジスタが形成されたシリコン基板１２は、１５０ミクロンの薄さに形成されている。直径１００ミクロンの流れ分離孔２８は、２５ミクロンの深さで形成されており、その深さの地点でこれらの流れ分離孔は、特徴的な三角形状を与える方向依存性エッチング（ＯＤＥ）によって形成された共通アレイ幅の流体共通溝に接続する。この例の場合、ネック長Ｌnは１５０ミクロンである。有効又は平均ネック幅Ｗnは、ネック総断面積Ａnをネック長Ｌnで割り算した値から計算される。すなわち、例えば図１７に示されたＯＤＥで形成された入口ネックの場合、Ｗn＝Ａn／Ｌnは約１７４ミクロンである。ｃh＝１５００ｍ／秒（水充填）及びｆh＝２００ＫＨｚとともに上記パラメータを前提として、共振ヘルムホルツ空洞断面積Ａhは、０．０２４８ｃｍ2である。
【００７７】
図１８及び１９は、２つの共通流体供給室（それぞれ４６及び４５）を示している。これらの共通流体供給室は、水（ｃh＝１５００ｍ／秒）を充填すると２００ＫＨｚで共振するような寸法に作られており、図１７に示すネック入口寸法を有する。図１８に示す四角形断面の流体供給室４６には、前述の音響減衰性材料１５１が充填されている。室の高さＬch及び室の奥行きＬcdは両方とも約１５７５ミクロンである。図１９に示す円形断面の流体供給室４５は、同様にｃh＝１５００ｍ／秒に対して、直径１７７５ミクロンである。流体供給室４５には、上記多孔質音響減衰性材料１５６が充填されている。２つの異なる供給流体入口４２の位置が、２つの異なる流体供給室の構成の場合として示されている。円形孔の室の場合、高圧液体６０が多孔質音響減衰性材料１５６の中心に供給される。
【００７８】
図２０は、水（ｃh＝１５００ｍ／秒）を充填されると２００ＫＨｚで共振するような寸法に作られた、図１７に示すネック入口寸法を有する共通流体供給室４６を示す。図２０に示す四角形断面の流体供給室４６には、前述の非多孔質の音響減衰性材料１５５が充填されている。非多孔質の音響減衰性材料は、共通流体供給通路４１に隣接している。共通流体供給通路４１を通して、高圧液体６０が供給される。共通流体供給通路４１内に伝搬する音響クロストーク音響エネルギーは、非多孔質の音響減衰性材料１５５にカップリングされ、そしてこの非多孔質の音響減衰性材料１５５によって吸収及び散乱される。室の高さＬch及び室の奥行きＬcdは両方とも約１５７５ミクロンである。
【００７９】
実際には、ヘルムホルツ共振器構造の幾何学的パラメータを流体特性及び共振周波数に関連付ける式１は、共振フィルタ効果の中心及び帯域幅に影響を与え得る、いくつかの他の特徴（供給入口、音響減衰性材料のタイプ及び配置など）を前提として近似式として最良のものと見なされる。気体封入ボイドを有する音響減衰性材料はヘルムホルツ空洞内の有効音速を低くし、高質量密度成分を有する充填物は有効音速を高くする。試験手順を繰り返すことにより、特定の作動液及び音響減衰性材料の選択肢に対する最も効果的なヘルムホルツ室の構成を得ることが提案される。
【００８０】
本発明の発明者はさらに、供給流体入口４２が共振空洞４６又は４５を通してではなく、ノズル・アレイの一方又は両方の端部から三角形ネック領域４２内に延びる点を除けば、非多孔質の音響減衰性材料を有するヘルムホルツ共振空洞を、図１６〜１９に示された構造と同様に構成できると考える。
【符号の説明】
【００８１】
１０    連続液滴放出プリントヘッド
１２    液滴発生器基板
１４    液滴ノズル前面層
１６    不動態化層
２０    トランジスタに給電するためのビア接点
２２    プリントヘッド電気コネクタ
２４    熱パルスを印加するための個々のジェット毎トランジスタ
３０    ノズルを取り囲む熱刺激ヒータ抵抗器
３６    ヒータ抵抗器へのアドレス・リード
３６    共通のヒータ・アドレス電極
３８    ノズル・アドレス・リード
３９    刺激ヒータ・アドレス電極
４０    加圧液体供給部
４１    共通液体供給通路
４２    加圧液体供給入口
４３    共通液体供給室の開放液体部分
４４    共通液体供給室
４５    円形断面ヘルムホルツ共振液体供給室
４６    四角形断面ヘルムホルツ共振液体供給室
４７    ヘルムホルツ共振室
４８    液滴発生器基板の、ヘルムホルツ共振器形態の入口ネック領域に形成された共通液体供給室
５０    有効直径Ｄdnのノズル開口部
６０    正圧で加圧された液体
６２    液体の連続流
６４    液体の連続流上の自然蛇行表面ネック
６６    体積不明の液滴
７０    液体の連続流上の刺激蛇行表面ネック
７２    自然（無刺激）分離長
７４    制御された刺激による作用分離長
８０    所定の体積を有する液滴
８２    媒体への名目飛行経路に従う偏向されない液滴
８４    小さな体積の液滴、約Ｖ0、単一体積液滴
８５    約５Ｖ0の体積を有する大きな体積の液滴
８６    約４Ｖ0の体積を有する大きな体積の液滴
８７    約３Ｖ0の体積を有する大きな体積の液滴
８８    約８Ｖ0の体積を有する大きな体積の液滴
９０    （Ｘ方向に向かう）液滴偏向のための空気流プレナム
９９    負圧源入口
１００    自然分裂から生じた体積不明の液滴の流れ
１０２    音響クロストークのために所定の体積を有するいくつかの液滴と混合された、自然分裂から生じた体積不明の液滴の流れ
１２０    １つのレベルの刺激による所定の体積を有する液滴の流れ
１２２    １つのレベルの刺激による所定の体積を有する液滴の流れ
１４０    ジェット刺激により流体中に発生した音波
１４２    ジェット間刺激（クロストーク）をもたらす反射又は散乱音波
１５０    音響減衰性材料
１５１    高密度粒状材料を有する多孔質音響減衰性材料
１５２    多孔質材料マトリックスを有する多孔質音響減衰性材料
１５３    気体封入セルを有する多孔質音響減衰性材料
１５４    損失性マトリックス材料中に高密度粒子を有する音響減衰性材料
１５５    損失性マトリックス材料中に気体封入セルを有する音響減衰性材料
１５６    損失性マトリックス材料を有する多孔質音響減衰性材料
１６０    高密度の音響散乱性材料
１６２    高密度、損失性又はその組み合わせであってよい繊維状材料
１６４    気泡を封入する強いシェル壁
１６６    気体封入ボイド
１６８    相互接続するボイド構造を有する損失性マトリックス材料
１７０    多孔質マトリックス材料内の微細流体通路
１７６    流体流の相互連通を可能にするボイド間の接続部
２４５    プリントヘッド流体出口
２５０    媒体搬送入力側駆動手段
２５２    媒体搬送出力側駆動手段
３００    印刷又は堆積平面
４００    コントローラ
４１０    入力データ源
４１２    プリントヘッド・トランスデューサ駆動回路
４１４    媒体搬送制御回路
４１６    真空源を含む液体再循環サブシステム
４１８    液体供給リザーバ
４２０    負圧源
４２２    空気サブシステム制御回路
４２４    液体供給サブシステム制御回路
６１２    約４Ｖ0の体積を有する液滴を生成する４τ0時間周期系列
６１５    約８Ｖ0の体積を有する液滴を生成する８τ0時間周期系列
６１６    約３Ｖ0の体積を有する液滴を生成する３τ0時間周期系列
【図１】
2010506749.tif 000004
【図２（ａ）】
2010506749.tif 000005
【図２（ｂ）】
2010506749.tif 000006
【図３（ａ）】
2010506749.tif 000007
【図３（ｂ）】
2010506749.tif 000008
【図４（ａ）】
2010506749.tif 000009
【図４（ｂ）】
2010506749.tif 000010
【図４（ｃ）】
2010506749.tif 000011
【図５】
2010506749.tif 000012
【図６】
2010506749.tif 000013
【図７】
2010506749.tif 000014
【図８】
2010506749.tif 000015
【図９】
2010506749.tif 000016
【図１０】
2010506749.tif 000017
【図１１】
2010506749.tif 000018
【図１２】
2010506749.tif 000019
【図１３】
2010506749.tif 000020
【図１４】
2010506749.tif 000021
【図１５】
2010506749.tif 000022
【図１６】
2010506749.tif 000023
【図１７】
2010506749.tif 000024
【図１８】
2010506749.tif 000025
【図１９】
2010506749.tif 000026
【図２０】
2010506749.tif 000027
【国際調査報告】
2010506749.tif 000028
2010506749.tif 000029