(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の流体路（２６）を規定する半導体本体（２０）を有する液滴吐出装置（１６）であって、各前記流体路（２６）は、
流体制限部（４０）を有する入口（３２）と；
前記入口（３２）に接続するポンピングチャンバ（３０）と；
前記ポンピングチャンバ（３０）と連通するノズル開口（２８）と
を有し、
前記半導体本体（２０）は、本体上面（２２）、本体下面（２４）、第１側面、および第２側面を有し、前記本体下面（２４）にはオリフィスプレート（２９）が配置され、前記オリフィスプレート（２９）の中心線上には、複数の前記ノズル開口（２８）が単一の列に配列され、前記第１側面と前記第２側面は前記列を間に挟むように位置し、
それぞれ前記流体路（２６）は、前記列に直交して配列され、且つ前記第１側面と前記第２側面に交互に向かって延び、延びた先の前記第１側面または前記第２側面においてインク供給源（３４）に連通し、前記ノズル開口（２８）の径は、前記ポンピングチャンバ（３０）の幅の半分よりも小さく設定され、
前記本体上面（２２）には、前記流体路（２６）ごとに前記ポンピングチャンバ（３０）を覆うようにそれぞれ前記列に直交する圧電アクチュエータ（３８）が配置され、前記ノズル流路（３６）は前記圧電アクチュエータ（３８）から前記ノズル開口（２８）に向かって延び、それぞれ前記圧電アクチュエータ（３８）は電圧パルスによって作動されると前記ポンピングチャンバ（３０）の体積を歪ませ、０Ｈｚ〜４０ｋＨｚの範囲の液滴駆動周波数にわたって液滴速度の変動が±２５％未満になるように、
前記液滴吐出装置（１６）に使用されるインクの粘度は、３から５０ミリパスカル・秒の範囲内に設定され、
前記ポンピングチャンバ（３０）の長さは、４ｍｍ未満に設定され、
前記ポンピングチャンバ（３０）の幅は、０．２１０ｍｍ〜０．２５０ｍｍの範囲内に設定され、
前記ポンピングチャンバ（３０）の深さは、０．０５ｍｍ〜０．０７ｍｍの範囲内に設定され、
前記ポンピングチャンバ（３０）の流体インピーダンスと、前記ポンピングチャンバ（３０）の入口流体抵抗の比は、０．０４〜０．９の範囲内に設定されることを特徴とする、液滴吐出装置（１６）。
【請求項２】
複数の流体路（２６）を規定する半導体本体（２０）を有する液滴吐出装置（１６）であって、各前記流体路（２６）は、
流体制限部（４０）を有する入口（３２）と；
前記入口（３２）に接続するポンピングチャンバ（３０）と；
前記ポンピングチャンバ（３０）と連通するノズル開口（２８）と
を有し、
前記半導体本体（２０）は、本体上面（２２）、本体下面（２４）、第１側面、および第２側面を有し、前記本体下面（２４）にはオリフィスプレート（２９）が配置され、前記オリフィスプレート（２９）の中心線上には、複数の前記ノズル開口（２８）が単一の列に配列され、前記第１側面と前記第２側面は前記列を間に挟むように位置し、
それぞれ前記流体路（２６）は、前記列に直交して配列され、且つ前記第１側面と前記第２側面に交互に向かって延び、延びた先の前記第１側面または前記第２側面においてインク供給源（３４）に連通し、前記ノズル開口（２８）の径は、前記ポンピングチャンバ（３０）の幅の半分よりも小さく設定され、
前記本体上面（２２）には、前記流体路（２６）ごとに前記ポンピングチャンバ（３０）を覆うようにそれぞれ前記列に直交する圧電アクチュエータ（３８）が配置され、前記ノズル流路（３６）は前記圧電アクチュエータ（３８）から前記ノズル開口（２８）に向かって延び、それぞれ前記圧電アクチュエータ（３８）は電圧パルスによって作動されると前記ポンピングチャンバ（３０）の体積を歪ませ、０Ｈｚ〜４０ｋＨｚの範囲の液滴駆動周波数にわたって液滴体積の変動が±２５％未満になるように、
前記液滴吐出装置（１６）に使用されるインクの粘度は、３から５０ミリパスカル・秒の範囲内に設定され、
前記ポンピングチャンバ（３０）の長さは、４ｍｍ未満に設定され、
前記ポンピングチャンバ（３０）の幅は、０．２１０ｍｍ〜０．２５０ｍｍの範囲内に設定され、
前記ポンピングチャンバ（３０）の深さは、０．０５ｍｍ〜０．０７ｍｍの範囲内に設定され、
前記ポンピングチャンバ（３０）の流体インピーダンスと、前記ポンピングチャンバ（３０）の入口流体抵抗の比は、０．０４〜０．９の範囲内に設定されることを特徴とする、液滴吐出装置（１６）。
【請求項３】
複数の流体路（２６）を規定する半導体本体（２０）を有する液滴吐出装置（１６）であって、各前記流体路（２６）は、
流体制限部（４０）を有する入口（３２）と；
前記入口（３２）に接続するポンピングチャンバ（３０）と；
前記ポンピングチャンバ（３０）と連通するノズル開口（２８）と
を有し、
前記半導体本体（２０）は、本体上面（２２）、本体下面（２４）、第１側面、および第２側面を有し、前記本体下面（２４）にはオリフィスプレート（２９）が配置され、前記オリフィスプレート（２９）の中心線上には、複数の前記ノズル開口（２８）が単一の列に配列され、前記第１側面と前記第２側面は前記列を間に挟むように位置し、
それぞれ前記流体路（２６）は、前記列に直交して配列され、且つ前記第１側面と前記第２側面に交互に向かって延び、延びた先の前記第１側面または前記第２側面においてインク供給源（３４）に連通し、前記ノズル開口（２８）の径は、前記ポンピングチャンバ（３０）の幅の半分よりも小さく設定され、
前記本体上面（２２）には、前記流体路（２６）ごとに前記ポンピングチャンバ（３０）を覆うようにそれぞれ前記列に直交する圧電アクチュエータ（３８）が配置され、前記ノズル流路（３６）は前記圧電アクチュエータ（３８）から前記ノズル開口（２８）に向かって延び、それぞれ前記圧電アクチュエータ（３８）は電圧パルスによって作動されると前記ポンピングチャンバ（３０）の体積を歪ませ、前記ポンピングチャンバ（３０）における圧力波の減衰についての時定数が２５マイクロ秒未満になるように
前記液滴吐出装置（１６）に使用されるインクの粘度は、３から５０ミリパスカル・秒の範囲内に設定され、
前記ポンピングチャンバ（３０）の長さは、４ｍｍ未満に設定され、
前記ポンピングチャンバ（３０）の幅は、０．２１０ｍｍ〜０．２５０ｍｍの範囲内に設定され、
前記ポンピングチャンバ（３０）の深さは、０．０５ｍｍ〜０．０７ｍｍの範囲内に設定されることを特徴とする、液滴吐出装置（１６）。
【請求項４】
前記液滴速度の変動は、０Ｈｚ〜６０ｋＨｚの範囲の液滴駆動周波数にわたって±２５％未満である、請求項１記載の液滴吐出装置（１６）。
【請求項５】
前記液滴速度の変動は、０Ｈｚ〜８０ｋＨｚの範囲の液滴駆動周波数にわたって±１０％未満である、請求項１記載の液滴吐出装置（１６）。
【請求項６】
前記液滴体積の変動は、０Ｈｚ〜６０ｋＨｚの範囲の液滴駆動周波数にわたって±２５％未満である、請求項２記載の液滴吐出装置（１６）。
【請求項７】
前記液滴体積の変動は、０Ｈｚ〜８０ｋＨｚの範囲の液滴駆動周波数にわたって±１０％未満である、請求項２記載の液滴吐出装置（１６）。
【請求項８】
前記入口流体抵抗の比は、０．２〜０．８である、請求項１または２記載の液滴吐出装置（１６）。
【請求項９】
前記入口流体抵抗の比は、０．５〜０．７である、請求項１または２記載の液滴吐出装置（１６）。
【請求項１０】
前記半導体本体（２０）は、モノリシック本体である、請求項１、２、４いずれか１項記載の液滴吐出装置（１６）。
【請求項１１】
前記ポンピングチャンバ（３０）の長さは２ｍｍ以下に設定される、請求項１、２、４いずれか１項記載の液滴吐出装置（１６）。
【請求項１２】
前記ポンピングチャンバ（３０）における圧力波の減衰の時定数は２５マイクロ秒未満である、請求項１または２記載の液滴吐出装置（１６）。
【請求項１３】
前記時定数は１５マイクロ秒未満である、請求項３記載の液滴吐出装置（１６）。
【請求項１４】
前記時定数は１０マイクロ秒未満である、請求項３記載の液滴吐出装置（１６）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液滴吐出装置に関連する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットプリンタは液滴吐出装置の一種である。インクジェットプリンタの１つの型では、印刷される被印刷物の移動の方向に直交するように配置された複数の線状のインクジェットプリントヘッド装置から、インク粒子が送出される。各プリントヘッド装置は、モノリシックの半導体本体を有し、この本体は上面と下面とを有し、インク供給源から装置の長さに沿って単一の中央の列に配列された各ノズルへの複数の流体路を区画形成している。流体路は典型的にノズルの列に直交して配列されており、ノズルの中心線から装置の両側に延びて本体の二つの側面に沿ってインク供給源と連通している。各流体経路は上面に細長いポンピングチャンバ（ｐｕｍｐｉｎｇ  ｃｈａｍｂｅｒ）を有し、このポンピングチャンバは入口から（インク供給源から側面に沿って）ノズル流路へと延びており、このノズル流路は上表面から下面のノズル開口に及ぶ。各ポンピングチャンバを覆っている平坦な圧電アクチュエータが電圧パルスにより作動され、圧電アクチュエータの形状をひずませて、プリントヘッド装置を通過する被印刷物の移動と同期して所望の時間に液滴を吐出する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
これらの装置では、質の高い均一な画像をもたらす為に同一の速度及び同一の体積を有するインク粒子を放出することが望ましい。
各チャンバに対応しているそれぞれの個々の圧電素子は、独立してアドレス可能であり、所望に応じて（オンデマンドで）画像を生成するよう作動可能である。それ故にインク液滴を送出する周波数は、０Ｈｚから、インク粒子の速度又は体積が許容できないレベルまで変動する一定の値まで、変動可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一態様では、本発明は、複数の流体路を区画形成している本体を有する流体液滴吐出装置を特徴とする。前記複数の流体路の各々は、流体制限部を有する入口と、ポンピングチャンバと、流体液滴を放出する為にポンピングチャンバと連通するノズル開口とを有する。各ポンピングチャンバにはアクチュエータが関連付けられている。０Ｈｚ〜４０ｋＨｚの液滴周波数の範囲にわたってプラスマイナス２５％未満で変動する流体液滴速度対周波数応答がもたらされるように、前記ポンピングチャンバが十分に短い最大の寸法を有し、前記流体制限部が十分な流体抵抗を提供する。
【０００５】
別の態様では、全般に本発明が特徴としている流体粒子吐出装置においては、０Ｈｚ〜４０ｋＨｚの液滴周波数範囲にわたってプラスマイナス２５％未満で変動する流体液滴体積対周波数応答がもたらされるように、前記ポンピングチャンバが、十分に短い最大の寸法と、十分な流体抵抗を提供する入口流体制限部とを有する。
【０００６】
別の態様では、全般に本発明が特徴としている流体粒子吐出装置においては、ポンピングチャンバ流体インピーダンスに対する入口流体抵抗の比が０．０５〜０．９の間である。
【０００７】
別の態様では、全般に本発明が特徴としている流体粒子吐出装置においては、ポンピングチャンバが有するポンピングチャンバにおける圧力波の減衰についての時定数が、２５
マイクロ秒未満である。
【０００８】
本発明の好適な実施形態は以下の特徴の１つ以上を含み得る。本装置は望ましくはインク液滴を吐出するインクジェットプリントヘッドで使用される。液滴速度対周波数応答は、０Ｈｚ〜６０ｋＨｚの液滴周波数範囲にわたってプラスマイナス２５％未満で変動し得、より望ましくは、０Ｈｚ〜８０ｋＨｚの液滴周波数範囲にわたってプラスマイナス１０％未満で変動する。インク液滴体積対周波数応答は、０Ｈｚ〜６０ｋＨｚの液滴周波数範囲にわたってプラスマイナス２５％未満で変動し得、より望ましくは０Ｈｚ〜８０ｋＨｚの液滴周波数範囲にわたってプラスマイナス１０％未満で変動する。ポンピングチャンバ流体インピーダンスに対する入口流体抵抗の比は０．２〜０．８の間であり得、より望ましくは０．５〜０．７の間である。ポンピングチャンバにおける圧力波の減衰についての時定数が１５マイクロ秒未満であり得、より望ましくは１０マイクロ秒未満である。
【０００９】
前記液滴吐出装置の本体はモノリシックの本体、例えば、モノリシックの半導体本体であり得る。前記本体は上面と下面とを有し、前記ポンピングチャンバは前記上面に形成されている。前記本体は、前記ポンピングチャンバから前記ノズル開口に及ぶノズル流路を有し得る。前記ポンピングチャンバの長さは４ｍｍ以下であり得る。前記ポンピングチャンバの長さは、３ｍｍ以下の長さ、又は実施形態によっては２ｍｍ以下であり得る。前記ノズル流路の長さは、１ｍｍ以下、望ましくは０．５ｍｍ以下であり得る。。
【００１０】
特別の実施形態では、前記液滴吐出装置はインクジェットプリントヘッドである。
本発明の実施形態が以下の利点の１つ以上を有し得る。前記液滴吐出装置は、高い液滴形成周波数で、かつ広い範囲の周波数にわたって、均一な速度及び／又は体積を有し得る。前記液滴吐出装置は、高い液滴形成周波数で確実に動作できる。
【００１１】
本発明の他の利点及び特徴が、本発明の特別の実施形態の以下の記述及び特許請求の範囲から明白になる。
本発明の１つ以上の実施形態の詳細が添付の図面及び以下の記述に述べられている。本発明の他の特徴、目的、利点は、記述及び図面から、また特許請求の範囲から明白になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１を参照すると、インクジェットプリンタ構成要素１０はプリントヘッド１２を備える。プリントヘッド１２は、印刷される用紙１８の移動の方向に直交するように配置された複数の直線状のインクジェットプリントヘッド装置１６からインク粒子１４を送出する。このようなプリントヘッド装置は、２００２年７月３日提出の米国特許出願第１０／１８９，９４７号「プリントヘッド（Ｐｒｉｎｔｈｅａｄ）」に記載されており、この出願は参照により本願に援用される。
【００１３】
図２及び図３を参照すると、各プリントヘッド装置１６は、モノリシックの半導体本体２０を備える。半導体本体２０は上面２２と下面２４とを有し、インク供給源からそれぞれのノズル開口２８への複数の流体路２６を区画形成している。前記ノズル開口２８は、
装置１６の底面に沿って配置されたオリフィスプレート２９（図５）において、単一の列に配列されている。流体路は、典型的には、ノズル開口２８の列に直交して配列されており、ノズルの列の両側に延びて、本体の二つの側面でインク供給源と連通している。
【００１４】
図４及び図５を参照すると、各流体経路２６は上面に細長いポンピングチャンバ３０を備える。ポンピングチャンバ３０は入口３２から（インク供給源３４から側面に沿って）デセンダー通路３６のノズル流路へと延びている。デセンダー通路３６は上表面２２から装置１６の底面のノズル開口２８に及ぶ。各ポンピングチャンバ３０を覆っている平らな
圧電アクチュエータ３８は電圧パルスにより作動されて、圧電アクチュエータの形状、従ってチャンバ３０の体積を歪ませ、プリントヘッド装置を通過する用紙の移動と同期して所望の時間に液滴を吐出する。
【００１５】
各ポンピングチャンバへの入口３２には、流体制限部４０が設けられている。上記で参照した出願に記載されているように、流体制限部は複数のポストによって設けられている。
【００１６】
図６を参照すると、液滴の吐出に先立ってインクの下方境界がメニスカス５０を形成する。メニスカスは、液滴の吐出の直後には点線で示された位置４２に後退し、理想的には次の液滴の吐出に先立ってメニスカス５０の位置に戻る。
【００１７】
ポンピング作動周波数が高まるに従い、ポンプの動作に影響を及ぼし得る残留圧力波が生成される恐れがある。特に、高い動作周波数に近づくに従い、液滴の体積及び／又は速度の均一性が許容できるレベルを超えて変動する恐れがあり、装置の動作周波数が制限される。
【００１８】
インクジェットプリントヘッド装置１６では、ポンピングチャンバ３０の幾可学的形状と、流体制限部４０によりもたらされた流体抵抗とが制御されており、これにより、反射波を低減し残留圧力波の形成を低減するように制動がなされており、広い範囲の動作周波数にわたって液滴の体積及び速度がより均一にされる。
【００１９】
特に、ポンピングチャンバ３０の長さは、４ｍｍ未満に維持されており、望ましくは３ｍｍ未満である。３０ナノグラムの液滴質量を供給するよう設計された実施形態については、ポンピングチャンバ３０の長さは２．６ｍｍである。１０ナノグラムの液滴質量を供給するよう設計された実施形態については、ポンピングチャンバ３０の長さは１．８５ｍｍである。双方の実施形態において、ポンピングチャンバ３０の幅は０．２１０ｍｍ〜０．２５０ｍｍ、深さは０．０５ｍｍ〜０．０７ｍｍであり、デセンダー通路３６の長さが０．４５ｍｍである。ポンピングチャンバ長を短縮することにより、流体流路長が短縮され、従って共振周波数が高められる。ノズル流路長を短縮することは更に有益である。３０ナノグラムの液滴質量を供給する実施形態は、７０ｋＨｚまでの周波数で粒子体積±１０％を維持し、１０ナノグラムの液滴質量を供給する実施形態は、１００ｋＨｚまでの周波数で粒子体積±１０％を維持する。
【００２０】
ポンピングチャンバ流体インピーダンスと入口流体抵抗との比も制御されており、これにより、高い周波数で動作する際にメニスカスの回復（図６の後退したメニスカス４２の位置及び回復したメニスカス５０の位置を参照）が長くかかりすぎるような過剰な入口流体抵抗を回避すると同時に、反射圧力波の振幅が縮小される。特に、ポンピングチャンバ流体インピーダンスに対する入口流体抵抗の比が０．０４と０．９との間（望ましくは０．２〜０．８の間、より望ましくは０．５〜０．７の間）である。流体制限部４０の流体抵抗は２．５×１０１２パスカル秒／ｍ３〜１．５×１０１３パスカル秒／ｍ３、チャンバ３０の流体インピーダンスは１．０×１０１３パスカル秒／ｍ３〜７×１０１３パスカル秒／ｍ３であり得る。流体抵抗及びポンピングチャンバインピーダンスは、単純な幾可学的形状についての既知の公式、例えば、米国特許第４，２３３，６１０号及び同４，８３５，５５４号で説明されているような数式を用いて決定されてよい。複雑な幾可学的形状については、ニューメキシコ州サンタフェのフロー サイエンス インコーポレイテッド（Ｆｌｏｗ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｉｎｃ．）から市販されているＦｌｏｗ ３Ｄなどの流体動的ソフトウェアを用いたモデリングにより、抵抗及びインピーダンスを決定することが最もよい。流体動的ソフトウェアは、入口及びポンピングチャンバの幾可学的形状と流体特性とから抵抗及びインピーダンスを決定する。流体がインクであるインクジェットプリントヘッドでは、粘度の典型的な値は１０ミリパスカル・秒（センチポアズ）〜２５ミリパスカル・秒（センチポアズ）であるが、前記値は３ミリパスカル・秒（センチポアズ）〜５０ミリパスカル・秒（センチポアズ）の範囲に亘ってよい。インクジェットプリントヘッドは典型的に、公称値に対し粘度が±１０％又は±２０％であるインク用に設計されている。インクの密度は、典型的には、１．０グラム／ｃｃ前後であり、０．９グラム／ｃｃから１．０５グラム／ｃｃまで変動してもよい。チャネル内のインク中の音速が１０００ｍ／ｓから１５００ｍ／ｓまで変動してもよい。
【００２１】
ポンピングチャンバ３０での圧力波の減衰についての時定数も制御されており、これにより高い周波数での均一な液滴の体積及び速度を可能にする。流れチャネルでの圧力波の減衰についての時定数は、流れチャネルの抵抗、面積、長さ、流体特性から算出される。時定数は、チャネルの減衰率「Ｄａｍｐ」（無次元のパラメータ）から、及びチャネルでの圧力波の固有周波数から算出される。減衰率は、チャネルでの反射波の一往復中の流体の抵抗の為に減衰する圧力波の割合に近似する。圧力波が流体チャネルを進行する際に移動した流体を計算することで減衰率が導き出される。
【００２２】
Ｄａｍｐ＝Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ＊Ｃｓｏｕｎｄ＊Ａｒｅａ／Ｂｍｏｄ
上記式中、Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅは、任意の流量についての圧力降下（パスカル秒／ｍ３、例えば）であり、
Ｃｓｏｕｎｄは、チャネルでの実際の音速（ｍ／ｓ）であり、
Ａｒｅａは、チャネルの断面積（ｍ２）であり、
Ｂｍｏｄは、流体の体積弾性率（ｐａ）であり、密度＊Ｃｓｏｕｎｄ２に等しい。
【００２３】
圧力波の固有周波数は、圧力波が流れチャネルでの往復を完了するのにかかる時間であり、チャネルの音速及び長さから以下のように算出される。
Ｏｍｅｇａ＝２π＊Ｃｓｏｕｎｄ／（２＊Ｌｅｎｇｔｈ）
上記式中、Ｌｅｎｇｔｈは、ポンピングチャンバの最大の寸法、例えば、細長いチャンバのチャネルの、メートルでの長さである。
【００２４】
次にチャネルでの圧力波の減衰についての時定数（Ｔａｕ）が減衰比と固有周波数とから以下のように算出される。
Ｔａｕ＝１／（Ｏｍｅｇａ＊ｄａｍｐｉｎｇ）
ポンピングチャンバにおける圧力波の減衰についての時定数は２５マイクロ秒未満であるべきであり、望ましくは１５マイクロ秒未満（より望ましくは１０マイクロ秒未満）であるべきである。
【００２５】
圧電アクチュエータ３８の厚さは、２マイクロメートル〜３０マイクロメートル（望ましくは１５マイクロメートル〜２０マイクロメートル、例えば、１５マイクロメートル）である。薄いアクチュエータを用いることにより、アクチュエータの偏向及びインクの変位が大きくなり、任意の液滴の体積に対してポンピングチャンバ３０の面積の縮小（従って長さの短縮）を可能にする。
【００２６】
本発明の他の実施形態が添付の請求項の範囲内にある。例えば、他の種のインクジェットポンピングチャンバ、例えば、米国特許第５，７５７，４００号で説明されているようなマトリックス型の噴射などが使用されてもよく、さらに他の液滴吐出装置が使用されてもよい。他の種類の液体が他の種類の液滴吐出装置で吐出されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】インクジェットプリンタの構成要素の斜視図。
【図２】図１のインクジェットプリンタのプリントヘッド装置の半導体本体の部分斜視図。
【図３】図１のインクジェットプリンタのプリントヘッド装置の底面図。
【図４】図２の半導体本体の一部の平面図。
【図５】図４の５‐５における、図２の半導体本体及び対応している圧電アクチュエータの一部の縦断面図。
【図６】図４の６‐６における、図１のインクジェットプリンタのプリントヘッド装置の底面部分の縦断面図。
【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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