(57)【要約】プリンタは、プリントヘッドおよび流体の供給源を含む。プリントヘッドはノズル（１１）を含む。流体には、前記ノズルから流体柱を放出する十分な圧力がかけられている。前記流体は特定の温度を有する。非対称温度調節装置（１９）は、前記ノズルに対応付けられ、前記流体が前記ノズルから放出されるときに、前記流体の第１の部分の温度を一時的に低下させる構造と、前記流体が前記ノズルから放出されるときに、前記流体の第２の部分の温度を一時的に上昇させる構造とを含む。
2010536604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルを含むプリントヘッドと、
前記ノズルから流体柱を放出する十分な圧力がかけられ、かつ特定の温度を有する流体の供給源と、
前記ノズルに対応付けられ、前記流体が前記ノズルから放出されるときに、前記流体の第１の部分の温度を一時的に低下させる構造と、前記流体が前記ノズルから放出されるときに、前記流体の第２の部分の温度を一時的に上昇させる構造とを含む、非対称温度調節装置と、を含むプリンタ。
【請求項２】
前記流体の第１の部分の温度を一時的に低下させる前記非対称温度調節装置の構造は、前記流体の第２の部分の温度を一時的に上昇させる前記非対称温度調節装置の構造と同時に駆動することができる、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項３】
前記非対称温度調節装置と電気的に連通し、前記流体の第１の部分の温度を一時的に低下させる前記非対称温度調節装置の構造に特定の波形を供給し、かつ、前記流体の第２の部分の温度を一時的に上昇させる前記非対称温度調節装置の構造に特定の波形を供給する電気パルス供給源をさらに含む、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項４】
前記電気パルス供給源は、前記特定の波形を同時に供給する、請求項３に記載のプリンタ。
【請求項５】
前記電気パルス供給源は直流電圧バイアスを含む、請求項３に記載のプリンタ。
【請求項６】
前記非対称温度調節装置は、前記ノズルを囲繞するように配置される、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項７】
前記非対称温度調節装置の構造のうちの少なくとも一方は、ペルティエ素子を含む、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項８】
前記非対称温度調節装置の構造のうちの少なくとも一方は、機械式片持ち梁を含む、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項９】
前記プリントヘッドは、１インチ当たり少なくとも６００個のノズルを有する密度のアレイに配列される複数のノズルを含む、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項１０】
ノズルを含むプリントヘッドを配設し、
前記ノズルから流体柱を放出する十分な圧力がかけられ、かつ特定の温度を有する流体を供給し、
前記流体が前記ノズルから放出されるときに、前記流体の第１の部分の温度を一時的に低下させることと、前記流体が前記ノズルから放出されるときに、前記流体の第２の部分の温度を一時的に上昇させることとを、非対称温度調節装置を利用して行うこと含む、流体の液滴を形成する方法。
【請求項１１】
前記流体の第１の部分の温度を一時的に低下させること、および前記流体の第２の部分の温度を一時的に上昇させることを同時に行う、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記流体の第１の部分の温度を一時的に低下させること、および前記流体の第２の部分の温度を一時的に上昇させることは、前記非対称温度調節装置に電気的に連通する電気パルス供給源を配設し、前記電気パルス供給源を動作させて、前記流体の第１の部分の温度を一時的に低下させ、かつ前記流体の第２の部分の温度を一時的に上昇させる前記非対称温度調節装置に特定の波形を供給することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記非対称温度調節装置に電気的に連通した電気パルス供給源を配設することは、直流電圧バイアスを有する電気パルス供給源を配設することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記非対称温度調節装置は熱電素子を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記非対称温度調節装置は機械式片持ち梁を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
ノズルを含むプリントヘッドと、
前記ノズルから流体柱を放出する十分な圧力がかけられ、かつ特定の温度を有する流体の供給源と、
前記ノズルに対応付けられ、前記流体が前記ノズルから放出されるときに、前記流体の一部のみの温度を一時的に低下させるように動作できる非対称温度調節装置と、を含むプリンタ。
【請求項１７】
前記非対称温度調節装置に電気的に連通し、前記流体の一部の温度を一時的に低下させる前記非対称温度調節装置の構造に特定の波形を提供する電気パルス供給源をさらに含む、請求項１６に記載のプリンタ。
【請求項１８】
前記電気パルス供給源は直流電圧バイアスを含む、請求項１７に記載のプリンタ。
【請求項１９】
前記非対称温度調節装置は、さらに、前記流体が前記ノズルから放出されるときに、前記流体の他の一部の温度を一時的に上昇させるように動作できる、請求項１６に記載のプリンタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してデジタル制御された印刷装置に関し、特に、温度調節を利用して小滴を生成し、温度パルスの非対称印加を利用して小滴の方向制御を行う連続インクジェットプリントヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット印刷は、現在のところ、デジタル制御される電子印刷の市場で選択される技術に関して、最も成功している候補の一つとして認識されている。この技術の２つの卓越した形式は、ドロップオンデマンド（ＤＯＤ）および連続インクジェット（ＣＩＪ）である。ＣＩＪ技術は、ハンセル（Ｈａｎｓｅｌｌ）に発行された米国特許第１，９４１，００１号において、早くも１９２９年に認識されている。１９６０年代には、音響的に駆動されるプリントヘッドを利用したＣＩＪ印刷機構が開発されており、このプリントヘッドは、静電気によって適切に偏向される、均一なサイズのインク小滴を生成している。
【０００３】
ＣＩＪプリンタの実装には多数の利点がある。例えば、抵抗加熱素子を有するＣＭＯＳ／ＭＥＭＳ実装プリントヘッドを利用して、流体柱を液滴に分解し、さらにその液滴を所望の軌道に沿って舵取り（すなわち、偏向）することができる。例えば、米国特許第６，０７９，８２１号、６，４５０，６１９号、６，８６３，３８５号、６，２１３，５９５号、６，５１７，１９７号、および６，５５４，４１０号を参照されたい。
【０００４】
熱は、プリントヘッドヒータに供給される電位によって、流体柱（すなわちジェット）に印加することができる。熱パルスを頻繁に印加すると、小さい液滴が生成されるが、熱パルスの印加頻度が少ないと生成される液滴が大きくなる。液滴の分解に熱を利用することによって、各ノズルにおいて液滴のサイズを制御することができる。熱パルスは、振幅の小さいものであっても、液滴の分離を正確に制御することができる。熱パルスは、例えば、ヒータがノズルを囲繞する単一のリング形状であるときには対称に印加することができ、例えば、複数のヒータがノズルを囲繞する場合に、そのうちの一つのヒータのみを起動すると非対称に印加することができる。
【０００５】
より大きいエネルギー量を持つ、振幅の大きい熱パルスは、非対称に印加されたときに、液滴を舵取りする（偏向する）と共に、液滴の切り離しを行う。このような場合には、通常、偏向量を可能な限り大きくして、印刷されない液滴が、確実に受け具またはトイに送られるようにすることが望ましい。ただし、振幅の大きい熱パルスは、流体の沸騰や、熱分解を引き起こす可能性があるため、前述の偏向量には限界がある。
【０００６】
偏向を大きくする一つの方法は、流体に成分を追加して、沸騰または分解が生じる温度を高くすることである。ただし、このように配合された流体は、印刷画像への色配偶子（color gamete）の提供などの他の機能にとって最適であるとは限らない。米国特許第６，８３０，３２０号に開示されている偏向を大きくする他の方法として、流体およびプリントヘッドの動作温度を下げることが挙げられる。ただし、このような処理に必要なハードウェアは、システムを複雑にすると共にコストを増やすものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第１，９４１，００１号明細書
【特許文献２】米国特許第６，０７９，８２１号明細書
【特許文献３】米国特許第６，４５０，６１９号明細書
【特許文献４】米国特許第６，８６３，３８５号明細書
【特許文献５】米国特許第６，２１３，５９５号明細書
【特許文献６】米国特許第６，５１７，１９７号明細書
【特許文献７】米国特許第６，５５４，４１０号明細書
【特許文献８】米国特許第６，８３０，３２０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように、流体を不必要に加熱したり、流体を分解する可能性を高めたりせずに、従来の偏向技術と比べて大きさがより増加または拡大した流体ジェットの偏向を、様々な動作条件で各種の流体に提供することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、プリンタは、プリントヘッドおよび流体の供給源を含む。プリントヘッドはノズルを含む。前記流体には、前記ノズルから流体柱を放出する十分な圧力がかけられている。前記流体は、特定の温度を有する。非対称温度調節装置は、前記ノズルに対応付けられ、ノズルから前記流体が放出されるときに、前記流体の第１の部分の温度を一時的に低下させる構造と、ノズルから前記流体が放出されるときに、前記流体の第２の部分の温度を一時的に上昇させる構造とを含む。
【００１０】
本発明の他の態様によれば、プリンタは、プリントヘッドおよび流体の供給源を含む。プリントヘッドはノズルを含む。前記流体には、前記ノズルから流体柱を放出する十分な圧力がかけられている。前記流体は、特定の温度を有する。非対称温度変調装置は、前記ノズルに対応付けられると共に、ノズルから前記流体が放出されるときに、前記流体の一部のみの温度を一時的に低下させるように動作することができる。
【００１１】
本発明の他の態様によれば、流体液滴を形成する方法は、ノズルを含むプリントヘッドを配設し、前記ノズルから流体柱を放出する十分な圧力がかけられ、かつ特定の温度を有する流体を供給し、前記ノズルから前記流体が放出されるときに、前記流体の第１部分の温度を一時的に低下させることと、前記ノズルから前記流体が放出されるときに、前記流体の第２部分の温度を一時的に上昇させることとを、非対称温度調節装置を利用して行うことを含む。
【００１２】
本発明の一実施形態において、非対称温度調節装置は、プリントヘッドの流体ノズルを囲繞し、かつ、第１および第２の側を含み、その各側は、前記ノズルを通って放出される流体ジェットに温度上昇パルスまたは温度低下パルスのいずれかを印加するように構成される。温度上昇パルスは、そのパルスが印加されない場合に持つことになる温度より高い温度まで、前記流体ジェットの一部の温度を上昇させ、前記温度低下パルスは、そのパルスが印加されない場合に持つことになる温度より低い温度まで、前記流体ジェットの一部の温度を低下させる。前記プリントヘッドに、電気的処理回路を配設して、前記非対称温度調節装置の特定の部分に沿って、温度低下パルスをトリガすると同時に、前記非対称温度調節装置の第２の部分に沿って温度上昇パルスをトリガする。
【００１３】
有利な構成として、液滴の分離および液滴の舵取り（偏向）は、同一の非対称温度調節装置及び電気的処理回路を利用して達成することができる。流体ジェットは、非対称温度調節装置の一方の側に温度低下パルスを印加すると同時に、非対称温度調節装置の反対側に温度上昇パルスを印加することによって偏向する。ノズルから放出される流体柱の偏向量は、温度低下パルスと温度上昇パルスとを同時に印加することによって増大する。
【００１４】
下記に提示する本発明の例示的実施形態についての詳細な説明では、下記の添付図面が参照される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】抵抗加熱器を有するノズル配列を含む、従来のプリントヘッドを模式的に示す上面図である。
【図１Ｂ】各ノズルに対応付けられた温度調節装置を有するノズル配列を含む、従来のプリントヘッドを模式的に示す上面図である。
【図１Ｃ】非対称抵抗加熱器を有するノズル配列を含む、従来のプリントヘッドを模式的に示す上面図である。
【図２Ａ】非対称温度調節装置が熱電素子として構成される、本発明に係る非対称温度調節装置の例示的実施形態を示す上面図である。
【図２Ｂ】図２Ａの非対称温度調節装置を含むプリントヘッドを模式的に示す上面図である。
【図２Ｃ】非対称温度調節装置が微小機械の片持ち梁装置として構成される、本発明に係る非対称温度調節装置の他の例示的実施形態を模式的に示す上面図である。
【図２Ｄ】（ｉ）および（ｉｉ）は、非対称温度調節装置の異なる側に印加される電圧波形またはパルスのグラフを示す例示的制御図であり、図２Ｄ（ｉ）は、図２Ｃに示した非対称温度調節装置の一方の側（例えば、図２Ｃに示した非対称温度調節装置の向きに応じて、上側または右側）に印加される波形に対応し、図２Ｄ（ｉｉ）は、図２Ｃに示した非対称温度調節装置の他方の側（非対称温度調節装置の向きに応じて、下側または左側）に印加される波形に対応し、両方の図において、ゼロ電圧の軸の上（下）に、温度上昇（温度低下）パルスを示した図である。
【図２Ｅ】（ｉ）および（ｉｉ）は、電圧波形またはパルスのグラフを示す制御図で、この電圧波形またはパルスによって、図２Ｃに示した非対称温度調節装置の一方の側（例えば、図２Ｃに示した非対称温度調節装置の向きに応じて、上側または右側）に温度上昇パルスが印加される一方で、図２Ｃに示した非対称温度調節装置の他方の側には波形またはパルスが印加されない状態を示した図である。
【図２Ｆ】図２Ｃに示した非対称温度調節装置の一方の側（この場合、図２Ｃに示した非対称温度調節装置の右側）に温度上昇パルスを印加することによって得られる流体ジェットの軌道の偏向において、温度上昇パルスが印加された側から離れる方に流体ジェットが偏向するモデル結果を示す図である。
【図２Ｇ】図２Ｃに示した非対称温度調節装置の一方の側（この場合、図２Ｃに示した非対称温度調節装置の右側）への温度上昇パルスの印加による流体ジェットの軌道の偏向において、温度上昇パルスが印加された側から離れる方に流体ジェットが偏向する実験結果を示す図である。
【図３Ａ】（ｉ）および（ｉｉ）は、非対称温度調節装置の一方の側に印加される図３Ａ（ｉ）の温度上昇パルスと、その反対側に同時に印加される図３Ａ（ｉｉ）の温度低下パルスとにより、温度上昇パルスが印加される側から離れて、温度低下パルスが印加される側に流体ジェットが偏向する第１の方向に流体ジェットを曲げる、図２Ｃに示した非対称温度調節装置の異なる側に印加される電圧の波形またはパルスのグラフを示す制御図である。
【図３Ｂ】（ｉ）および（ｉｉ）は、非対称温度調節装置の一方の側に印加される図３Ｂ（ｉｉ）の温度上昇パルスと、その反対側に同時に印加される図３Ｂ（ｉ）の温度低下パルスとにより、第２の方向に流体ジェットを曲げる、図２Ｃに示す非対称温度調節装置の異なる側に印加される電圧の波形またはパルスのグラフを示す制御図である。
【図３Ｃ】（ｉ）および（ｉｉ）は、図２Ｃに示した非対称温度調節装置の一方の側に温度低下パルスを印加し、その反対側にはパルスを印加しないことによりジェットを曲げる、図２Ｃに示す非対称温度調節装置に印加される電圧の波形またはパルスのグラフを示す制御図である。
【図４Ａ】図３Ａ（ｉ）および（ｉｉ）の波形による流体ジェットの軌跡の偏向において、温度上昇パルスが印加される側から離れて、温度低下パルスが印加される側に流体ジェットが曲がる実験結果を示す図である。
【図４Ｂ】図３Ｃ（ｉ）および（ｉｉ）の波形による流体ジェットの軌跡の偏向において、温度低下パルスが印加される側に流体ジェットが曲がる実験結果を示す図である。
【図４Ｃ】温度上昇パルスもしくは温度低下パルス、またはその両方が同時に、図２Ｃに示した非対称温度調節装置の一方の側、他方の側、または両側にそれぞれ印加されることで、温度上昇パルスが印加される側から離れて、温度低下パルスが印加される側に向かって流体ジェットが曲がる、その流体ジェットの偏向量を求める実験結果を示す表である。
【図５Ａ】図３Ａ（ｉ）に示した波形グラフに係る、流体液滴の流れの分離モデルを示す拡大図である。
【図５Ｂ】図３Ａ（ｉｉ）に示した波形グラフに係る、流体液滴の流れの分離モデルを示す拡大図である。
【図６Ａ】図２Ｅ（ｉ）に示した波形グラフに係る温度上昇パルスによって生じる流体液滴の流れにおいて、実験で観測された分離状態を示す拡大図である。
【図６Ｂ】図３Ａ（ｉ）および（ｉｉ）に示した波形グラフに従って、温度上昇パルスと温度低下パルスとを、非対称温度調節装置の対向する両側に同時に印加することによって生じる流体液滴の流れにおいて、実験で観測された分離状態を示す拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本明細書は、特に、本発明に係る装置の一部を形成する要素、または当該装置とより直接的に協働する要素について説明するものである。具体的に図示および説明されない要素は、当業者に周知の各種の形式をとり得ることは理解されるであろう。
【００１７】
図１Ａを参照すると、例えば、米国特許第６，５５４，４１０号および第６，４５０，６１９号に記載されるものなど、連続式の従来のプリントヘッド１０の上面図が示されている。プリントヘッド１０は、温度上昇パルスを利用して、液滴形成を熱的に刺激する。プリントヘッド１０は、通常、アレイ状に配列されるノズル１１を含む。このアレイは、直線状または２次元であってよく、少なくともインチ当たり６００個のノズルを有する密度であってよい。流体供給源９は、ノズル１１から流体柱を放出するのに十分な圧力で流体を供給する。流体は、特定の温度を有する。プリントヘッド上の各ノズルを囲繞して、抵抗加熱器１２が設けられ、この抵抗加熱器１２は、印刷の要件に応じてインク流を分解するように、ＣＭＯＳ回路８によって駆動されることが好ましい。抵抗加熱器１２は、ノズル１１を囲繞するリングの一つ以上の区域という形状であってよい。起動された加熱器によって流体ジェットに印加される熱パルスまたは温度上昇パルスは、流体ジェットの前述の区域の温度を、加熱器が起動されない場合にその区域が持つことになる値よりも高い温度に上昇させて、流体ジェットを分解する。
【００１８】
図１Ｂを参照すると、熱刺激タイプである他の連続式プリンタの従来の温度調節装置プリントヘッド１４の上面図が示されている。このプリントヘッド１４において、温度上昇パルスまたは温度低下パルスのいずれかは、本願と共に譲渡された同時係属中の米国特許公開第２００８／００４３０６２号に記載されたものと同様の温度調節装置を利用して、流体ジェットに適用することができる。温度調節装置１３は、各ノズル１１に対応付けられる。温度調節装置１３は、流体ジェットがノズル１１から放出されるときに、その流体ジェットの周りで均一に、流体の温度を一時的に下げる、または上げるように動作することができる。温度調節装置１３は、電気パルス回路１５からの電位を用いて駆動することができる。このパルス回路１５は、電気パルスコネクタ１６を介して温度調節装置１３に接続される。温度上昇パルスまたは温度低下パルスは、図１Ｂの各流体ジェットの周りに対称に印加することができ、これにより、そのジェットの長さ方向において、パルスが存在しない場合に持つことになる値よりも高いまたは低い値までジェットの温度を上昇または低下させることができる。一つ以上の温度上昇パルスの印加後に流体ジェットに印加される温度低下パルスは、温度上昇パルスによって形成された大きな液滴が合体する長さを低減する。そうでない場合に持つことになる温度より低い温度に、流体ジェットの温度を低下させることは、流体ジェットから熱を除去すること、または流体ジェットを冷却することであると云うこともでき、この意味において、これらの表現は交換可能に用いられる。前記米国特許公開第２００８／００４３０６２号の開示内容は、本願明細書の一部として援用する。
【００１９】
同一出願人による同時係属中の米国特許公開第２００８／００４３０６２号では、温度低下パルスを適用することで、瞬間的に小さい液滴に砕ける流体ジェットが、より大きい流体液滴に再編成するのに要する「合体」時間を減らしている。温度低下パルスは、米国特許公開第２００８／００４３０６２号に記載されるように、例えば、熱電発生装置、吸熱化学反応、機械的熱的片持ち梁、ガス圧縮ポンプなどを利用して、各種の方法で生成することができる。
【００２０】
温度低下パルスは、合体時間を低減するために、温度上昇パルスから時間的に離隔される。温度低下パルスおよび温度上昇パルスは、流体ジェットの周りに対称に適用され、流体ジェットの温度を、パルスが適用されない場合に持つことになる温度よりも上昇、または低下させる。例えば、一実施形態には、リング形状の導体が開示されており、この導体は、ペルティエ素子によって、そのペルティエ素子に印加される電圧パルスの極性に応じて加熱または冷却することができる。ただし、米国特許公開第２００８／００４３０６２号に記載された素子では、温度低下パルスが、温度上昇パルスとは異なる時間に適用されるため、ジェットの偏向は行われず、また、噴出された流体は、その流体を沸騰または分解する可能性のある温度逸脱から保護されない。
【００２１】
図１Ｃを参照すると、熱刺激タイプである連続式プリンタの他の従来型プリントヘッド１０の上面図が示されている。このプリントヘッド１０は、図において、米国特許第６，０７９，８２１号に記載されるような分割リング型抵抗加熱器１２ａおよび１２ｂとして示される非対称抵抗加熱器を備えている。各分割加熱器の対向する面は、図１Ｃにおいて、太い直径線１７によって分離された状態で模式的に示されている。分割加熱器は、どの方向を向いてもよい。図１Ｃに示すように、すべての加熱器が分割されている必要はない。各分割リング型抵抗加熱器の片側は、それぞれ電気パルス回路１５および１６によって独立して制御され、電気パルス回路１５，１６は、電位を与えることによって分割リング型抵抗加熱器の片側または両側を作動させる。これにより、作動された加熱器に近い側の流体ジェットに温度上昇パルスが適用され、その部分の流体ジェットの温度は、前述の作動が行われない場合に持つことになる値よりも高い温度に上昇する。図１Ｃの従来のプリントヘッド１０は、流体ジェットに温度低下パルスを送ることはできない。
【００２２】
図２Ａを参照すると、熱電素子として構成される、本発明に係る非対称温度調節装置１９の例示的実施形態が示されている。非対称温度調節装置は、米国特許公開第２００８／００４３０６２号の温度調節装置に基づいたものである。ただし、ノズルを取り囲み、かつ対称に動作するリング状の構造を含むのではなく、非対称温度調節装置は、基本的には、ノズルを囲繞する複数の温度調節装置区画である。この各温度調節装置区画は、下記で説明するようにそれぞれ独立して動作することができる。図２Ａにおいて、熱導体２０は、流体の流れに直接接触する。この熱導体２０は、多結晶シリコンや金属などの熱伝導性の高い材料で形成される。導体２０には、ｎ型およびｐ型のドープペレット２３および２４がそれぞれ接触しており、これらのペレット２３および２４は、本質的に電流の流れる方向に応じて加熱または冷却を行う役割を担う。ペレットを形成するためにドープされる材料は、特に限定するものではないが、ビスマスおよびテルル化物であってよい。ｎ型ドープペレット２３およびｐ型ドープペレット２４は、電気の通路を提供すると共に、ペレットを直列に接続することができる銅製プリント配線２１によって互いに連結される。したがって、ｎ型ドープペレット内の電子およびｐ型ドープペレット内のホールは、同一方向（ノズル１１の中を通る流体の流れから離れる方向、または流体の流れに近付く方向）に熱を伝達することができる。冷却動作において、ヒートシンク２５は、流体の流れから取り出された熱を散逸させることができる物体を提供する。銅製プリント配線２１によって接続された各ペレットは、温度調節装置の一方の側の電極２２を介して電源に接続される。最終的に、各電極２２は、極性決定スイッチを介して、ＤＣ電源（Ｖ１ａ，Ｖ１ｂ，Ｖ２ａ，Ｖ２ｂによって図示）に接続される。この極性決定スイッチの設定により、電源の正端子が、ｎ型ドープペレット２３またはｐ型ドープペレット２４のいずれに接触するのかが決まる。その結果、導体２０の内部は、ペルティエ冷却素子の分野で周知のように、それぞれ冷却または加熱される。図２Ａのヒートシンクの一方の側、例えば、底面側から流体の流れに熱が移入し、図２Ａのヒートシンクの他方の側からは、流体の流れに対して熱が移入または流出しない場合、このように駆動される非対称温度調節装置は、流体ジェットに対して、米国特許第６，０７９，８２１号に開示された加熱器の片側のみが駆動されたときと同じ効果を与えることになる。図２Ａに記載した非対称温度調節装置は、非対称温度調節装置１９の一方の側を電気的に制御して、温度上昇または温度低下いずれかの「パルス」をジェットに供給できる点で、米国特許公開第２００８／００４３０６２号の温度調節装置と異なる。熱電素子はヒートポンプであるため、過剰な熱または冷たさは、ヒートシンク２５に伝達されて除去され、ジェットの流れに伝わることはない。
【００２３】
図２Ｂに、各種の角度で配向される複数の非対称温度調節装置を有する非対称温度調節装置プリントヘッド２６を示す。太線１７は、この例において、２つの部分を有する非対称温度調節装置の部分間の境界を視覚的に描いたものである。
【００２４】
図２Ｃに、微小電子機械片持ち梁構造を持つ非対称温度調節装置１９を示す。調節装置１９は、熱導電性材料を用いて、ノズル穴１１を囲繞するように作製される非対称抵抗加熱器１２を含む。したがって、加熱パルスは、加熱器１２の電気刺激によって制御される。ただし、低温パルスは、加熱器１２をオフに保持すると共に、片持ち梁４１の先端が加熱器１２に接触するまで撓むように刺激することによって生成される。片持ち梁４１自体は、熱導電性材料、特に限定するものではないが、多結晶シリコンや金属などで構成される。片持ち梁４１は、冷却を行うための低温を供給する供給源４０の上に据えられる。この温度は、噴出する流体の周囲温度よりも大幅に低い温度であってよい。低温の供給源４０は、各種の手段を用いてその状態を維持することができ、このような手段には、特に限定するものではないが、熱電冷却素子などがある。したがって、低温の持続的供給源４０に加熱器１２を選択的に接続することによって、噴出流体に低温パルスを印加することを実現するのは、片持ち梁４１の撓みである。片持ち梁４１の撓み自体は、静電気によって制御することができる。独立した電気パルス供給源１５および１６は、分割加熱器１２および片持ち梁４の動作を制御する。
【００２５】
米国特許公開第２００８／００４３０６２号には、図１Ｂに示したペルティエ構造以外の構造を有する、温度調節装置の代替実施形態も記載されている。例えば、微小電子機械片持ち梁構造を利用した温度調節装置が記載されている。図１Ｂに示したペルティエ構造の温度調節装置と、これに対応する図２Ａおよび図２Ｂに示したペルティエ構造の非対称温度調節装置の関係について述べた上記の説明から、米国特許公開２００８／００４３０６２号の温度調節装置の各代替実施形態は、対応する非対称温度調節装置の構造に利用できることが判るであろう。
【００２６】
例えば、微小電子機械片持ち梁構造を用いた非対称温度調節装置は、米国特許公開第２００８／００４３０６２号に記載された微小電子機械片持ち梁構造の温度調節装置のうちの２つの動作可能部分、例えば、各半分を採用し、共通のノズルの周りにこれら２つの部分を配置し、例えば、電気パルス制御装置に各部分を接続して、その２つの部分を独立して動作させることによって構成することができる。２つの独立した動作可能部分はそれぞれ、共通のノズルから噴出する流体に温度上昇パルスまたは温度低下パルスのいずれかを供給することができ、これにより、微小電子機械片持ち梁構造を用いた代替の調節装置が提供される。したがって、当業者であれば理解されるように、米国特許公開第２００８／００４３０６２号に記載された温度調節装置は、各対応ノズルの周りに連続的に延びるように意図されたものであるが、この米国特許公開第２００８／００４３０６２号に記載の温度調節装置は、いずれも該当するタイプの対応する非対称温度調節装置に組み込むことができる。本発明の目的に関して、このようなタイプはすべて動作的に等価である。
【００２７】
図２Ｄ（ｉ）および（ｉｉ）に、図２Ａ〜２Ｃに示した非対称温度調節装置を駆動して、非対称温度調節装置１９の２つの部分で高温パルスおよび低温パルスを生成できる例示的電圧波形を模式的に示す。図２Ｄ（ｉ）において、温度低下パルスが後に続く温度上昇パルスは、図示した波形によって生成されて、例えば、図２Ｂの非対称温度調節装置の右側部分に送られる。温度上昇パルスが後に続く温度低下パルスは、図２Ｄ（ｉｉ）に図示した波形によって生成されて、例えば、図２Ｂの非対称温度調節装置の左側部分に同時に送られる。動作中、この波形は、電気パルス生成装置１５および１６から供給されて、非対称温度調節装置１９を駆動する。波形グラフで参照される電圧Ｖ１ａ−１ｂ（Ｖ２ａ−２ｂ）には、図２Ａに示すように、電極２２の上側部分（下側部分）に印加される電圧が時間（ミリ秒で測定）を基準に描画されている。
【００２８】
非対称温度調節装置１９の特定の構成に関わらず、本発明に係る非対称温度調節装置は、通常、独立して稼働される少なくとも２つの温度調節装置部分を含み、各部分は、共通のノズルの近くで、例えばそのノズルを囲繞するように配置される。本発明に係る非対称温度調節装置の各部分（例えば、図２Ｂに示した右側または左側）は、該当する部分（側）の近くで共通のノズルから噴出する流体の対応する部分に、温度上昇パルスまたは温度低下パルスのいずれかを提供することができる。本発明に従ってジェットを大きく偏向させる、少なくとも２つの独立した部分を有する非対称温度調節装置の動作は、通常、少なくとも２つの非対称温度調節装置部分の独立的かつ同時の動作を含むため、温度上昇パルスおよび温度低下パルスは、共通のノズルから噴出する流体の反対側にそれぞれ同時に供給される。
【００２９】
図２Ｅ（ｉ）、図２Ｅ（ｉｉ）、および図２Ｆを参照して説明する。図２Ｅ（ｉ）および（ｉｉ）は、図２Ｂに示すような非対称温度調節装置の右側部分で温度上昇パルスのみを生成するように、図２Ａ〜２Ｃの非対称温度調節装置を駆動できる電圧波形の模式図である。図２Ｆは、非対称温度調節装置の右側に適用される温度上昇パルスに応答して、流体ジェットの軌道が垂直方向から偏向するモデル結果を示した図である。したがって、非対称温度調節装置のこの動作方法は、図１Ａおよび１Ｃを参照しながら前述した動作方法と同様である。ただし、図２Ｅ（ｉ）および（ｉｉ）では温度上昇パルスのみが供給されているが、本発明の動作方法は、非対称温度調節装置１９が、温度上昇パルスと温度低下パルスの両方を提供できる点が、図１Ａおよび１Ｃを参照しながら前述した動作方法とは異なっている。
【００３０】
図２（ｉ）および（ｉｉ）の模式図は、図２Ｆの非対称温度調節装置１９に送られて、流体ジェットの右側に温度上昇パルスを供給する波形を表している。温度低下パルスと温度上昇パルスはいずれも、非対称温度調節装置１９の反対側には供給されない。したがって、非対称温度調節装置１９に、図２Ｅ（ｉ）および（ｉｉ）に示した波形を適用することで得られる偏向は、分割加熱器の片側のみが流体ジェットの片側に熱を供給する米国特許第６，０７９，８２１号に記載された偏向と同様であると予想される。
【００３１】
この予想どおりであることは、図２Ｇに示す実験結果によって確認されている。図２Ｇは、図２Ｅの波形によって非対称温度調節装置を駆動した場合のジェットの偏向の写真を示したものである。この実験結果は、米国特許第６，０７９，８２１号および第６，４５０，６１９号に開示されるような、片側のみが起動されて動作する温度調節装置に関するものと基本的に同一である。米国特許第６，０７９，８２１号に記載されるとおり、液滴に分解する前のジェットの偏向はノズルの近くで観察され得るのに対し、液滴に分解された後のジェットの偏向は、ノズルからより遠いところで生じることは理解されよう。図２Ｇおよび図２Ｆにおいて、液滴の軌道の方向とジェットの軌道の方向は、同一であるため、均衡がとれている。ジェットの偏向は、そのジェットが連続した流体柱の形で示されているのか、または液滴に分解した後の状態で示されているのかに関わらず、適切に規定される。
【００３２】
本発明に従って本発明者らが発見したところによれば、２つの構成側を有する非対称温度調節装置１９のその２つの側を独立して動作させ、共通のノズルから噴出する流体に対して、一方の側から温度上昇パルスを供給すると同時に、他方の側から温度低下パルスを供給すると、その流体ジェットの軌道は、非対称温度調節装置の一方の側のみへの温度上昇パルスの印加によって観察される偏向よりも大きく偏向される。つまり、この偏向量は、図２Ｄを参照して説明した状態、または米国特許第６，０７９，８２１号に記載された状態で達成される偏向量よりも大きい。ジェットは、温度上昇パルスを供給する側の非対称温度調節装置１９に近い側のジェットから離れて、温度低下パルスを供給する側の非対称温度調節装置１９に近い側のジェットに向かって偏向する。
【００３３】
また、本発明者らは、２つの構成側を有する非対称温度調節装置において、その一方の側が、温度低下パルスを供給するように動作し、他方の側は、温度上昇パルスまたは温度低下パルスのいずれも供給しないように動作すると、非対称温度調節装置から噴出する流体は、温度低下パルスを供給する側の非対称温度調節装置に近い側のジェットに向かって偏向することも発見している。
【００３４】
予想外ではあったが、本発明者らは、２つの構成側を有する非対称温度調節装置のその２つの側を独立して動作させ、共通のノズルから噴出する流体に対して、一方の側から温度上昇パルスを供給すると同時に、他方の側から温度低下パルスを供給すると、温度上昇と温度低下の同時パルスは、流体ジェットの偏向を拡大するのみならず、適切に画定された小滴に流体ジェットを確実に分解するように働くことも発見した。通常、同時の温度上昇パルスと温度低下パルスは、電気パルス回路１５および１６から個別に印加される電圧波形によって、非対称温度調節装置１９の異なる側に供給される。
【００３５】
さらに本発明者らが発見したところによれば、２つの構成側を含む非対称温度調節装置のその２つの側を独立して動作させ、共通のノズルから噴出する流体に、第１の側から温度上昇パルスを供給すると同時に、第２の側から温度低下パルスを供給したときに、流体ジェットの軌跡が偏向する量は、次の２つの場合、すなわち温度上昇パルスを印加することが第１の側に適用され、第２の側にはいずれのパルスも印加されない場合、および温度低下パルスを印加することが第２の側に適用され、第１の側にはいずれのパルスも印加されない場合に得られる各偏向量の合計とほぼ等しい。換言すると、ジェットの偏向は、非対称温度調節装置の両側への温度上昇パルスおよび温度低下パルスの独立した印加によって得られる各偏向の和である。非対称温度調節装置から噴出する流体は、温度上昇パルスを提供する側の非対称温度調節装置に近い側のジェットから離れて、温度低下パルスを提供する側の非対称温度調節装置に近い側のジェットに向かって偏向することが観測されている。これらの発見は、後述する波形グラフおよび実験結果に示されている。
【００３６】
図３Ａ（ｉ）および（ｉｉ）は、非対称温度調節装置１９の異なる側に印加されて、第１方向の偏向を提供する電圧波形のグラフを示す制御図である。温度上昇パルスと温度低下パルスの両方が同時に印加される。当業者であれば理解されるように、図３Ａ（ｉｉ）に示すような波形は、直流オフセットと組み合わせることでき、これにより直流オフセットと温度低下パルスの和である波形を提供することができる。
【００３７】
図３Ｂ（ｉ）および（ｉｉ）は、非対称温度調節装置１９の異なる側に印加されて、第２方向の偏向を提供する波形のグラフを示す制御図である。温度上昇パルスと温度低下パルスの両方が同時に印加される。電気工学に通じた者であれば理解されるように、図３Ｂ（ｉ）に示すような波形は、直流オフセットと組み合わせることができ、これにより直流オフセットと温度低下パルスの和である波形を提供することができる。
【００３８】
図３Ｃ（ｉ）および（ｉｉ）は、非対称温度調節装置１９の一方の側に印加されて、第１方向の偏向を提供する電圧波形のグラフを示す制御図である。温度低下パルスのみが印加される。図３Ｃ（ｉｉ）に示すような波形は、前述したように、直流オフセットと組み合わせることができる。
【００３９】
図４Ａに、図３Ａ（ｉ）および（ｉｉ）、ならびに図３Ｂ（ｉ）および（ｉｉ）の波形に対応する、非対称温度調節装置１９から噴出する流体の偏向についての実験データを示す。この両方の事例において、ジェットは、温度上昇パルスを提供する側の非対称温度調節装置に近い側のジェットから離れて、温度低下パルスを提供する側の非対称温度調節装置に向かって偏向する。これら２つの事例は、ジェットを１８０度回転すると等価であるため、偏向の絶対量は、図３Ａ（ｉ）と（ｉｉ）の波形、および図３Ｂ（ｉ）と（ｉｉ）の波形に関して同一である。図４Ａに示されるように、２つの構成側を有する非対称温度調節装置のその２つの側を独立して動作させ、共通のノズルから噴出する流体に、一方の側から温度上昇パルスを供給すると同時に、他方の側から温度低下パルスを供給すると、流体ジェットの軌道は、片側が単独で稼働されたときに得られる各偏向の和に近い大きさで偏向する。
【００４０】
図４Ｂに、２つの構成側を有する非対称温度調節装置のその２つの側を独立して動作させ、第１の側から温度低下パルスを供給する一方で、他方の側からは温度パルスを供給しない事例である、図３Ｃ（ｉ）および（ｉｉ）の波形に対応する実験データを示す。単独の温度低下パルスは、その単独の温度低下パルスが印加される側の非対称温度調節装置に向かって流体ジェットを偏向させることが実験により判明している。
【００４１】
図４Ｃに、電圧波形の振幅が４．５ボルトと５．０ボルトである２つの事例における水性インクについての実験結果を要約した表を示す。「温度上昇パルス」および「温度低下パルス」という表題の列はそれぞれ、図２Ｅ（ｉ）と（ｉｉ）の波形グラフ、および図３Ｃ（ｉ）と（ｉｉ）の波形グラフに対応し、「温度上昇と温度低下の同時パルス」という表題の列は、図３Ａの（ｉ）と（ｉｉ）の波形グラフ、および図３Ｂ（ｉ）と（ｉｉ）の波形グラフに対応する。図４Ｃの表に記載されたデータは、２つの構成側を有する非対称温度調節装置のその２つの側を独立して動作させ、共通のノズルから噴出する流体に、一方の側から温度上昇パルスを供給すると同時に、他方の側から温度低下パルスを供給すると、流体ジェットの軌道は、非対称温度調節装置の対向する両側への温度上昇パルスおよび温度低下パルスの独立した印加から得られる各偏向の和にほぼ等しい大きさで偏向することを示している。記載したすべての事例において、非対称温度調節装置から噴出する流体は、温度上昇パルスを供給する側の非対称温度調節装置に近い側のジェットから離れて、温度低下パルスを供給する側の非対称温度調節装置に近い側のジェットに向かって偏向する。
【００４２】
図４Ａに戻って参照すると、流体ジェットは、偏向するだけでなく、米国特許第６，０７９，８２１号に記載された動作方法と同じように、規則的な小滴に分解することが判る。ただし、液滴の分解作用は、理論的には、温度上昇パルスおよび温度低下パルスの作用に反すると予想されるため、前述の結果は、完全に予想外のものである。したがって、温度低下パルスと温度上昇パルスの同時印加は、まったく分解を引き起こさないと予想されるであろうが、そうでないことは、実験的にはっきりと証明されている。
【００４３】
温度低下パルスのみが印加される場合に該当する図４Ｂには、流体ジェットが、米国特許第６，０７９，８２１号に記載される事例と同様、規則的な小滴に分解されることも示されている。ただし、液滴の分解についての温度パルスの作用は、理論的には、温度上昇パルスおよび温度低下パルスの作用に反すると予想されるため、前述の結果は、完全に予想外である。
【００４４】
図５Ａおよび図５Ｂに、温度上昇パルスと温度低下パルスとが対称的に流体ジェットに印加される場合についてのモデル結果を示す。当業者であれば理解されるように、温度上昇（温度低下）パルスを用いて対称に刺激されるジェットの分離は、少なくともジェットの温度分布とジェットの直径との関係において、非対称温度調節装置の一方の側のみにパルスが印加される場合と同様である。温度上昇パルスが印加される場合の図５Ａから判るように、そのパルスが存在しなかったときに持つことになる温度よりもジェットの表面温度が高くなる領域に極めて近いところで、ジェットがくびれ切れている。同様に、温度低下パルスが印加される場合の図５Ｂから判るように、そのパルスが存在しなかったときに持つことになる温度よりもジェットの両面温度が低くなる領域に極めて近いところで、ジェットがくびれ切れている。このように、温度下降パルスの作用と、温度上昇パルスの作用とは、流体ジェットの直径を変化させる傾向が逆である。流体ジェットの直径の減少（増加）により、ジェットが崩壊（膨張）することはよく知られている。したがって、温度低下パルスの作用と温度上昇パルスの作用は、ジェットの直径に対して逆の影響を与えるため、非対称温度調節装置によって印加される温度低下パルスと温度上昇パルスの同時適用は、液滴分離の信頼性を低下させると予測できるであろう。
【００４５】
驚いたことに、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、このような信頼性の低下は生じていない。図６Ａには、温度上昇パルスのみが印加される場合の液滴の分離状態が示されている。図６Ｂには、温度上昇パルスが、温度低下パルスと同時に印加される場合の液滴の分離状態が示されている。ジェットの分離状態の特徴は異なっているが、両方の事例においてジェットは、信頼できる液滴の分離を生じ、換言すると、両方の事例とも温度上昇パルスの印加（または、図６Ｂでは、温度上昇パルスと温度低下のパルスの同時印加）の頻度において、衛星を伴わない一連の液滴を確実に提供する。液滴分離のこの予想外の確実性についての理由は理解されていない。
【００４６】
これらの観察は予期しないものであるが、この観察結果の含意は極めて有利である。非対称温度調節装置を用いて適用される温度低下パルスは、偏向の度合いを大きくするのに有用であるのみならず、液滴の確実な分離を阻害または緩和することもない。インクジェット印刷の分野において周知であるとおり、確実な液滴分解は、印刷画像の品質にとって重要である。このように、温度低下パルスと温度上昇パルスの同時適用は、液滴の分離の確実性を低下させることになると予想され得るが、米国特許第６，０７９，８２１号に開示された装置を実用する上で有利であるこの特徴が阻害されていないことは明らかであり、かつ有利である。また、確実な液滴の分離は、偏向と同様に、温度低下パルスのみを用いても達成することができる。
【００４７】
本明細書において、プリントヘッドという用語が使用されているが、今日、プリントヘッドは、インクのみに留まらず他のタイプの流体の放出に利用されていることが認識されている。例えば、データフローおよび装置制御の分野の専門家であれば理解されるように、電気回路以外にも、温度上昇パルスおよび温度低下パルスの印加を行う方法は多く存在し、パルスは、例えば、光ファイバ内の光搬送波、または無線周波によってトリガすることができる。例えば、薬剤、顔料、染料、導電性有機物、半導性有機物、金属粒子、および他の材料を含む各種の流体の放出は、今日、プリントヘッドを用いて実施することができる。このように、プリントヘッド用語は、インクを放出する装置のみに限定されることを意図したものではない。
【符号の説明】
【００４８】
１  コンタクト電極、２  コンタクト電極、４  片持ち梁、８  ＣＭＯＳ回路、９  流体供給源、１０  プリントヘッド、１１  ノズル、１２ａ  抵抗加熱器、１２ｂ  非対称抵抗加熱器、１３  温度調節装置、１４  温度調節装置プリントヘッド、１５  電気パルス供給源、１６  電気パルスコネクタ、１８  非対称温度調節装置プリントヘッド、１９  非対称温度調節装置、２０  熱導体、２１  銅製プリント配線（電気路）、２２ａ  コンタクト電極１、２２ｂ  コンタクト電極２、２３  ｎ型ドープペレット、２４  ｐ型ドープペレット、２５  ヒートシンク、４０  低温供給源、４１  導電性微小電子機械片持ち梁、４２  電極、５５  流体供給源。
【図１Ａ】
2010536604.tif 000003
【図１Ｂ】
2010536604.tif 000004
【図１Ｃ】
2010536604.tif 000005
【図２Ａ】
2010536604.tif 000006
【図２Ｂ】
2010536604.tif 000007
【図２Ｃ】
2010536604.tif 000008
【図２Ｄ】
2010536604.tif 000009
【図２Ｅ】
2010536604.tif 000010
【図２Ｆ】
2010536604.tif 000011
【図２Ｇ】
2010536604.tif 000012
【図３Ａ】
2010536604.tif 000013
【図３Ｂ】
2010536604.tif 000014
【図３Ｃ】
2010536604.tif 000015
【図４Ａ】
2010536604.tif 000016
【図４Ｂ】
2010536604.tif 000017
【図４Ｃ】
2010536604.tif 000018
【図５Ａ】
2010536604.tif 000019
【図５Ｂ】
2010536604.tif 000020
【図６Ａ】
2010536604.tif 000021
【図６Ｂ】
2010536604.tif 000022
【国際調査報告】
2010536604.tif 000023
2010536604.tif 000024
2010536604.tif 000025