JP2008260288A - 連続式ｍｅｍｓインクジェットのための方法、装置および印刷ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】微小静電機械システム（ＭＥＭＳ）膜を利用し、均一性及び劣化安定性を有するインク吐出方法を提供する。
【解決手段】加圧された流体チャンバ１０５からインクの連続的な流れ１２９を形成するステップと、駆動回路１４０により駆動信号を作動させてＭＥＭＳ膜１１０を作動させるステップと、インクの連続的な流れ１２９を摂動させるためのＭＥＭＳ膜１１０の摂動に応答して流れ１２９を均一な流滴１５０に分裂させるステップと、を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、インクを吐出させる方法に関し、詳細にはインクジェット印刷システムにおけるインクを吐出させる方法に関する。

通常、インクジェット印刷システムは、連続流れ式（continuous stream）およびドロップオンデマンド式（drop-on-demand）の２つの基本的タイプに区分される。連続流れ式インクジェット印刷システムでは、インクは、１つ以上のオリフィスまたはノズルを通して加圧状態で連続的な流れの中に放出される。この流れは、ノズルから所定の固定された距離で液滴に分裂するように摂動される（perturbate）。分裂点において、液滴は、デジタル化されたデータ信号を表す変化する大きさの電圧に従って帯電される。帯電された液滴は、この液滴を紙などの記録媒体上の特定位置に向けまたは採集および再循環のためのガターに向けるために、各液滴の軌道を調整または偏向する一定の静電界を通じて推進される。

ドロップオンデマンド式インクジェット印刷システムにおいては、液滴は、ノズルから直接記録媒体に向けて概ね直線的な軌道に沿って、すなわち、概ね記録媒体に対して垂直に排出される。液滴の排出はデジタル情報信号に応答したものであり、液滴は、それが記録媒体の上に置かれるようにならない限り排出されない。ノズル内のインクメニスカスを乾燥から守るために全てのノズルからレセプタクル（receptacle）の中に液滴を周期的、同時的に排出することを除いて、ドロップオンデマンド式システムは、インクを採集し再循環させるためのインク回収ガターを必要とせず、液滴を記録媒体上の特定の画素位置に導くための荷電電極または偏向電極を必要としない。したがって、ドロップオンデマンド式システムは連続流れ式よりもはるかに単純である。しかし、通常、連続流れ式システムは、はるかに高い生産性を有する。

一般に、連続流れ式インクジェットプリンタにおけるインクは、規則的な圧力変化が印刷ヘッドマニホールド内のインクに付与されるように印刷ヘッドに取り付けられた圧電素子によって摂動されまたは刺激される。通常、圧電素子は１００〜１２５ｋＨｚの範囲の周波数で駆動される。また、インクの摂動（ink perturbations）は、印刷ヘッドオリフィスのところに位置決めされた電気−流体力学的電極と或る形式の熱エネルギーパルスとによって達成されることができることも知られている。

熱エネルギーパルスに関する１つの課題は、電力が各インクチャネルによって各切り離しサイクル中に浪費されることである。全サイクルは多くの（例えば、６０００サイクル毎秒の）ジェットを有することができ、かつ通常、各ジェットは５０〜１５０，０００サイクル毎秒で動作するので、連続式ジェットを駆動するために必要とされる電力はサーマルドロップオンデマンド式ジェットに比較してはるかに少ないものの、電力の浪費は著しいものになりうる。

米国特許第４，６３８，３２８号明細書

大多数の従来のインクジェットヘッドは圧電駆動を使用しており、これは本質的に容量性（capacitive）であるので電力をほとんど浪費しない。しかし、圧電駆動技術はいくつかの欠点および不利な点を有する。例えば、圧電駆動技術は、不均一性ならびに圧電材料および液滴発生器ダイアフラムへの接着に関連した劣化問題に苦しめられている。したがって、均一で、かつ時間またはサイクル数と共に劣化することのない容量性の連続式インクジェット駆動技術を有することは有用である。

実施形態は、一般に、インクを吐出する方法に関する。この方法は、加圧された流体チャンバからインクの連続的な流れを形成するステップと、微小静電機械システム（ＭＥＭＳ）膜を作動するために駆動信号を作動させるステップとを含む。また、本方法は、インクの連続的な流れを摂動させる（perturb）ためのＭＥＭＳ膜の駆動に応答してジェット流れを均一な液滴に安定的に分裂させるステップも含む。

他の実施形態は、一般に、インクを吐出するための装置に関する。本装置は、インクを保持するように構成された流体チャンバと、インクを流体チャンバから流れの中に吐出するように構成されたノズルとを含む。また、本装置は、流体チャンバ内に２つの副チャンバを形成するために流体チャンバ内に配置された微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）膜も含み、副チャンバの第１副チャンバはインクで満たされ、第２副チャンバはインクで満たされない。本装置は、第２副チャンバ内に配置されるように構成された駆動電極をさらに含み、この駆動電極は、駆動電極上の作動信号に応答してインクがノズルから連続的に吐出されてインクの液滴を形成するときに、流れを均一な液滴に安定的に分裂させるようにＭＥＭＳ膜を駆動するように構成される。

さらに他の実施形態は一般に印刷ヘッドに関する。印刷ヘッドはノズルの配列を含む。ノズルの配列の各ノズルは、インクを流体チャンバから流れの中に吐出するように構成された開口に保持するように構成された流体チャンバを含む。また、印刷ヘッドは、流体チャンバ内に２つの副チャンバを形成するために流体チャンバ内に配置される微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）膜も含み、副チャンバの第１副チャンバはインクで満たされ、第２副チャンバはインクで満たされない。印刷ヘッドは、第２副チャンバ内に配置されるように構成された駆動電極をさらに含み、この駆動電極は、駆動電極上の作動信号に応答してインクがノズルから連続的に吐出されてインクの液滴を形成するときに、流れを均一な液滴に安定的に分裂させるようにＭＥＭＳ膜を駆動するように構成される。

本実施形態の様々な特徴は、それが本実施形態の以下の詳細な説明を参照して添付図面に関連して考察されたときより良く理解されるようになるにつれて、より完全に理解されることができる。

実施形態は、一般に、ＭＥＭＳ印刷ヘッドに関連する。より詳細には、静電的微小電子機械システム（「ＭＥＭＳ」）膜は、印刷ヘッド内のインク液滴を正確かつ制御された方法で切り離すように構成され得る。印刷ヘッドは、開口を有する加圧された流体チャンバを含むように構成され得る。開口はインクが流体チャンバから吐出される場所にある。インクは、加圧された流体チャンバによって流体チャンバから連続的な流れの中に押し出される。加圧された流体チャンバ内では、静電的ＭＥＭＳ膜が流体チャンバ内に圧力波を形成するために屈曲するように摂動されまたは作動されることができ、したがって、加圧されたジェット流れからのインク液滴の切り離しを引き起こす。静電的ＭＥＭＳ膜は、約５０ｋＨｚから約２５０ｋＨｚまでの範囲の周波数を有する駆動信号によって駆動され得る。

静電的ＭＥＭＳ膜および駆動回路は、シリコンウェーハ製造技法を使用して製造され得る。静電的ＭＥＭＳ膜は容量性である（capacitive）ので、これらのデバイスは従来の連続式インクジェット印刷ヘッドと違ってほとんど電力を浪費しない。より低電力の要件は、約６００ノズル毎インチ（nozzles per inch、以下「ｎｐｉ」と略す）から約１２００ｎｐｉまでの範囲にあることを可能にする高いノズル密度を許容するというさらなる利点を有する。

図１は、実施形態による例示のＭＥＭＳ膜インクジェット液滴発生器１００を示すものである。

図１に示されるように、液滴発生器１００は、流体チャンバ１０５およびＭＥＭＳ膜１１０を含む。流体チャンバ１０５は、基板１１５の上に形成された３次元チャンバであるように構成することができる。壁１０６および囲み部材（enclosing member）１０７が取り囲まれた空間（an enclosed space）を形成する。いくつかの実施形態において、流体チャンバ１０５の寸法は、幅５０μｍ×長さ５００μｍであり得る。他の寸法が、請求された本願発明の範囲および精神を逸脱することなく実施され得る。流体チャンバ１０５は、シリコン、ポリイミド、または当業者に知られた他の類似材料などの材料で構築され得る。また、流体チャンバ１０５は、囲み部材１０７を貫通する開口（または、オリフィス、ノズル、等）１２０を備えて構成され得る。開口１２０の直径は、いくつかの実施形態では、約１０μｍから約１００μｍまでの範囲に及ぶことができる。他の実施形態は、インクジェットノズル１００の用途に応じてより小さな開口１２０またはより大きな開口１２０を有し得る。

ＭＥＭＳ膜１１０は、流体チャンバ１０５の内部に形成され得る。ＭＥＭＳ膜１１０は、それが接地される一方で電圧がＭＥＭＳ膜１１０の下の駆動電極に印加されるように、容量性である。ＭＥＭＳ膜１１０は膜壁１１１によって支持され得る。ＭＥＭＳ膜１１０は流体チャンバ１０５の空間の中に２つの副チャンバ１２５Ａ、１２５Ｂを形成することができる。副チャンバ１２５Ａは加圧されたインク１２７で満たされ得る。インク入口（図示せず）は壁１０６または囲み部材１０７と一体化され得る。副チャンバ１２５Ａの加圧により、インク１２７を、開口１２０を貫通して連続的流動または流れ１２９の中に押し込むことができる。

第２副チャンバ１２５Ｂは、電極１３０と接地電極１３５とを含み得る。電極１３０は、当業者に知られている駆動回路１４０にインターフェースするように構成され得る。接地電極１３５は接地信号に繋げられ得る。駆動回路１４０は、所望の印刷ヘッドの要件に応じて約５０ｋＨｚから約２５０ｋＨｚまでの周波数で電極１３０を駆動することができる。第２副チャンバ１２５Ｂは空気または他の圧縮可能な気体で満たされ得る。代替として、第２副チャンバ１２５Ｂは真空であってもよい。（第２副チャンバ１２５Ｂにおける）選択された封入気体（filler gas）または気体の欠如は、ＭＥＭＳ膜１１０のたわみを著しく妨げない性質を有する。

ＭＥＭＳ膜１１０および駆動回路１４０、ならびに流体チャンバ１０５は、当業者に知られているシリコンウェーハ製造技法を使用して一体化され、実装され得る。シリコン製造技法は、圧電駆動技術に伴う電流問題のないインクジェット液滴吐出器を均一に作るための機構を提供する。

図１に示されるように、ＭＥＭＳ膜１１０の位置は作動されていない位置にある。すなわち、電圧が駆動回路１４０から電極１３０に印加されていない。図２は作動された位置にあるＭＥＭＳ膜１１０を示す。

図２は、別の実施形態による作動された位置にある膜１１０を示す。図１および図２は共通の特徴を共有しているので、図２の共通の特徴の説明は省略され、図１に関するこれらの特徴の説明が共通特徴の適切な説明を提供するために利用される。

図２に示されるように、例えば電圧信号である駆動信号は駆動回路１４０によって発生され得る。接地されたＭＥＭＳ膜１１０は電極１３０と共にコンデンサを形成するので、発生された電界は、接地されたＭＥＭＳ膜１１０を電圧が印加された駆動電極に向けて静電的に引き寄せる。すなわち、ＭＥＭＳ膜１１０は偏らせられる。駆動信号がオフに回帰すると電界は崩壊してＭＥＭＳ膜１１０を解放し、膜１１０は、引き下げられている間に蓄積されたばねのエネルギーによって図３に示された作動されていない位置に戻る。

図３は、別の実施形態による作動されていない位置に戻った状態の膜１１０を示す。

図３に示されるように、ＭＥＭＳ膜１１０の駆動電極への引き寄せおよびそれからの解放は、ドラムの皮を叩くと音圧波を生成するのと類似の方法で、副チャンバ１２５Ａ内に含まれる流体中に圧力波１４５を発生させる。圧力波１４５は、流体の吐出された流れ１２９の下流に伝搬し、最終的には流体のジェットを安定的かつ繰り返し可能に流滴１５０に分裂させる。流滴１５０は、切り離し過程の間に帯電され、次いで、印刷可能媒体またはガターに向けて静電的に偏向される。

インクなどの流体は、流体チャンバ１０５の加圧のために開口１２０から流れの中に吐出している。流体の流れは液滴の表面エネルギーによって自然に分裂する。駆動されていない流体の流れは、小さなランダム変動によってかなり無作為に分裂し、多くの異なった液滴サイズおよび切り離し長さを結果としてもたらす。ランダム変動よりも大きな、例えば圧力波である信号が流体の流れに印加されると、印加された信号はランダムノイズに対して優位に立ち、一定の液滴容積を有する液滴の切り離しが同じ場所で常に生じる。したがって、本発明の実施形態は、膜を運動させることによって流体の流れに駆動信号を容易に加える構成および方法を提供する。

さらに、本発明の実施形態は、ＭＥＭＳ膜の容量性の性質のために非常に少ない力を使用し、より低電力の要件を有する。それに応じて、インクジェット濃度の記録密度は従来の２００ノズル毎インチから６００または１２００ノズル毎インチまで高められ得る。

実施形態によるノズルを例示する図である。 実施形態による、作動された位置にあるノズルを例示する図である。 他の実施形態による、作動されていない位置に復帰したノズルを例示する図である。

符号の説明

１００ 液滴発生器、１０５ 流体チャンバ、１０６ 壁、１０７ 囲み部材、１１０ ＭＥＭＳ膜、１１１ 膜壁、１１５ 基板、１２０ 開口、１２５Ａ 第１副チャンバ、１２５Ｂ 第２副チャンバ、１２７ インク、１２９ 連続的な流動（流れ）、１３０ 電極、１３５ 接地電極、１４０ 駆動回路、１４５ 圧力波、１５０ 流滴。

Claims (5)

1. 加圧された流体チャンバからインクの連続的な流れを形成するステップと、
   駆動信号を作動させて微小静電機械システム（ＭＥＭＳ）膜を作動させるステップと、
   前記インクの連続的な流れを摂動させるための前記ＭＥＭＳ膜の摂動に応答してジェット流れを均一な液滴に安定的に分裂させるステップと、
   を含むことを特徴とするインクを吐出させる方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、圧力波を前記ジェット流れの下流に誘導するステップを含むことを特徴とする方法。
3. 請求項１または２に記載の方法であって、前記インクの連続的な流れを形成するためにインクを加圧するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
4. 請求項１、２または３のいずれか１項に記載の方法であって、前記ＭＥＭＳ膜は静電的な膜の１つであり、容量性であることを特徴とする方法。
5. 請求項１、２、３または４のいずれか１項に記載の方法であって、前記ＭＥＭＳ膜はシリコンウェーハ製造技法を使用して製造されることを特徴とする方法。

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