JP2013525161A

JP2013525161A - プリントヘッド刺激装置またはフィルタ装置の印刷方法

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Publication number: JP2013525161A
Application number: JP2013508100A
Authority: JP
Inventors: ヨンリンシエ; マイケルフランクバウマー; アリゲラルドロペス
Original assignee: イーストマンコダックカンパニー
Priority date: 2010-04-27
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2013-06-20
Also published as: US8287101B2; CN102905900A; WO2011137013A1; EP2563594A1; BR112012024937A2; US20110261117A1

Abstract

液滴を形成する方法は、噴射モジュール（４８）を設ける工程であって、噴射モジュールは、ノズルプレート（４９）であって、ノズルプレートの一部がノズル（５０）を画定するノズルプレート（４９）と、複数の孔（１１０）及び１つ以上の発熱体（１５０）を含む熱刺激膜（１００）と、ノズルから熱刺激膜に向けて延びる筐体であって、ノズルと熱刺激膜との間に配置され、ノズル及び複数の孔と流体連結する液室を画定する筐体とを含む工程と、液体が熱刺激膜を通って流れる間に、液体を複数の部分に分離するのに十分な圧力を液体に与える工程であって、液体の各部分が、複数の孔のうち１つの孔を通って流れる工程と、ノズルを介して液体の個々の液流を噴射する工程と、液体の各部分に熱エネルギーのパルスを印加することによって、液体の個々の液流から液滴を切り離す工程とを含む。

Description

本発明は、デジタル制御方式プリンタシステム、特に、システムのプリントヘッドのノズルを介して放出される液体の刺激及びフィルタリングに関する。

従来から、デジタル制御方式カラー印刷機能は、２つの技術によってそれぞれ実現されている。インクは、プリントヘッドに形成されたチャネルを介して供給される。各チャネルは、ノズルを備え、インクの液滴は、ノズルから選択的に押し出され、媒体上に堆積される。一般的に、それぞれの技術は、印刷に用いられるインクの色ごとに別々のインク供給システムを必要とする。通常、３色の主要な減法混色の原色、すなわち、シアン、イエロー及びマゼンタが用いられる。なぜならば、これらの色が、一般に、最大で数百万の色調または色の組み合わせを生成することができるからである。

１つ目の技術は、一般に、「ドロップレット・オン・デマンド」インクジェット印刷と呼ばれ、（熱や圧電などの）加圧アクチュエータを用いて、記録面に衝突させるインク液滴を選択的に供給する。アクチュエータを選択的に起動することにより、プリントヘッドとプリント媒体との間の空間を通って印刷媒体に当たるインク液滴を形成し、放出する。印刷された画像は、所望の画像を作成するために必要とされるように、インク液滴の個々の形成を制御することによって形成される。一般的に、各チャネル内の僅かな負圧は、インクがノズルを通って誤って漏れてしまうことを防ぎ、ノズルにおいて僅かに凹状のメニスカスを形成し、ノズルをきれいに保つ役割を果たす。

従来のドロップレット・オン・デマンド・インクジェットプリンタは、熱アクチュエータまたは圧電アクチュエータを利用して、プリントヘッドの開口部にインクジェット滴を生成する。熱アクチュエータでは、適当な場所に配置されたヒータが、インクを加熱して、局在量のインクを、インク液滴を放出するのに十分な程度まで内部インク圧を上げるガス状の蒸気泡に相変化させる。圧電アクチュエータでは、機械的な力によってインク液滴が放出される。

２つ目の技術は、一般に、「連続流型」、または単に、「連続型」インクジェット印刷と呼ばれ、インク液滴の連続流を生成する加圧されたインクソースを使用する。従来、インク液滴は、選択的に帯電されていた。偏向電極は、帯電されたこれらのインク液滴を、帯電されなかったインク液滴の飛行経路と異なる飛行経路に沿って導く。偏向された液滴、または、偏向されていない液滴は、受け媒体に印刷するのに用いられ、他の液滴はインク捕獲機構（キャッチャー、インターセプタ、排水溝など）に進み、再循環されるか、または、廃棄される。Ｈａｎｓｅｌｌによる、１９３３年１２月２６日に発行された米国特許第１，９４１，００１号及びＳｗｅｅｔ他による、１９６８年３月１２日に発行された米国特許第３，３７３，４３７号には、それぞれ、印刷するインク液滴を選択的に帯電し、記憶媒体に向けて偏向する連続インクジェットノズルアレイが開示されている。

連続インクジェット印刷の別の形態には、例えば、開示内容をここに援用する、同一出願人による、２００２年１２月１０日に発行されたＪｅａｎｍａｉｒｅの米国特許第６，４９１，３６２Ｂ１号に記載されているように、刺激装置をプリントヘッドの様々なノズルに用いる形態がある。これらの刺激装置は、制御手段によって刺激装置に供給された液滴形成波形に応じて、関連した１つまたは複数のノズルから放出する液体流を攪乱する。攪乱は、液体流からの液滴の分離を引き起こす。様々な波形を用いて、様々な液滴体積の液滴を生成してもよい。刺激装置に供給された一連の制御された波形は、一連の液滴を生成し、その液滴体積は、用いられている波形によって制御される。液滴偏向装置は、液滴に力を加えて、液滴の大きさに基づいて液滴の軌道を分離する。印刷媒体に当たる液滴の軌道もあれば、キャッチャーまたは排水溝に妨害される液滴の軌道もある。

従来の熱刺激装置は、液体流から液滴を切り離すのに有効であるが、刺激振幅が比較的低い場合がある。ある条件下で、より高い刺激振幅を用いることが望ましい。そのため、連続プリンタシステムに用いるのに適した、より高い刺激振幅を提供可能な熱刺激アクチュエータがなお必要とされている。

米国特許第１，９４１，００１号明細書米国特許第３，３７３，４３７号明細書米国特許第６，４９１，３６２号明細書

本発明の一態様によれば、液滴を形成する方法は、その一部がノズルを画定するノズルプレートと、複数の孔及び１つ以上の発熱体を含む熱刺激膜と、ノズルから熱刺激膜に向けて延びるとともにノズルと熱刺激膜との間に配置されて前記ノズル及び前記複数の孔と流体連結する液室を画定する筐体とを含む噴射モジュールを設ける工程と、液体が熱刺激膜を通って流れる間に、液体を複数の部分に分離するのに十分な圧力を液体に与える工程であって、液体の各部分が、複数の孔のうち１つの孔を通って流れる工程と、ノズルを介して液体の個々の液流を噴射する工程と、液体の各部分が複数の孔のそれぞれ１つを通って流れる間、液体の各部分に熱エネルギーのパルスを印加することによって、液体の個々の液流から液滴を切り離す工程とを含む。

本発明に関わる印刷システムの実施形態例の簡略化した概略ブロック図である。本発明に関わる連続プリントヘッドの実施形態例の概略図である。本発明に関わる連続プリントヘッドの実施形態例の概略図である。本発明に関わる噴射モジュールの概略断面側面図である。図４Ａの噴射モジュールの概略斜視図である。本発明の実施形態例に関わる熱刺激膜の働きを概略的に示す。本発明の別の実施形態例に関わる熱刺激アクチュエータの概略上面図である。本発明の別の実施形態例に関わる熱刺激アクチュエータの概略図である。本発明の別の実施形態例に関わる熱刺激アクチュエータの概略図である。本発明の別の実施形態例に関わる熱刺激アクチュエータの概略図である。

以下に示す本発明の実施形態例の詳細な説明において、図面を参照する。本明細書は、特に、本発明に関わる装置の一部を形成するか、または、より直接的に協力する要素を対象にする。詳細に表示または記載しない要素は、当業者に既知の様々な形態をとることを理解されたい。以下の記載及び図において、同一の要素を示すのに、可能な場合、同一の参照番号を用いる。

本発明の実施形態例を、明確にするために一定の縮尺ではなく、概略的に示す。当業者は、本発明の実施形態例の要素の特定の大きさ及び相互接続を容易に決定することができるだろう。

本明細書に記載するように、本発明の実施形態例は、インクジェット印刷システムに一般的に用いられるプリントヘッドまたはプリントヘッド構成要素を提供する。しかし、精密に測定し、高い空間精度で堆積する必要がある（インク以外の）液体を放出するためのインクジェットプリントヘッドを用いる他の多くの用途が出てきている。そのため、本明細書に記載するように、「液体」及び「インク」という語は、以下に記載するプリントヘッドまたはプリントヘッド構成要素によって噴出されるあらゆる材料を示す。

図１を参照して、連続印刷システム２０は、ラスター画像データ、ページ記述言語の形式の輪郭画像データ、または、他の形式のデジタル画像データを提供するスキャナやコンピュータなどの画像ソース２２を含む。この画像データは、メモリに画像データを保存する画像処理部２４によって、ハーフトーンビットマップ画像データに変換される。複数の液滴形成装置制御回路２６が、データを画像メモリから読み出し、時間変動電気パルスを、プリントヘッド３０の１つ以上のノズルに関連づけられた液滴形成装置２８に印加する。これらの電気パルスは、適切な時間に、適切なノズルに印加されるので、連続インクジェット流から形成された液滴は、記録媒体３２上の、画像メモリのデータによって指定された適切な場所にスポットを形成する。

記録媒体３２は、記録媒体搬送システム３４によってプリントヘッド３０に対して相対的に動かされ、記録媒体搬送システム３４は、記録媒体搬送制御システム３６によって電気的に制御され、記録媒体搬送制御システム３６は、マイクロコントローラ３８によって制御される。図１の記録媒体搬送システムは単なる模式図であり、多くの異なる機械的構成が可能である。例えば、転写ローラを記録媒体搬送システム３４として用いて、記録媒体３２へのインク液滴の転写が容易に行われるようにすることができる。このような転写ローラの技術は、当業者に周知である。ページ幅プリントヘッドの場合、固定されたプリントヘッドを通過して記録媒体３２を移動させることが最も好都合である。しかし、走査印刷システムの場合は、プリントヘッドを相対ラスター動作の一軸（副走査方向）に沿って移動させ、記録媒体を同ラスター動作の直交軸（主走査方向）に沿って移動させることが、一般に最も好都合である。

インクは加圧状態でインク容器４０に収容される。非印刷状態では、連続インクジェット液滴流は、液滴流を遮るインクキャッチャー４２により記録媒体３２に到達できない。インクキャッチャー４２は、インクの一部をインク再循環部４４によって再循環させる。インク再循環部は、インクを再調整し、容器４０に戻す。このようなインク再循環部は、当業者に周知である。最適動作に適したインク圧力は、ノズルの形状や熱的性質などの多くの要因に依存する。インク容器４０に加える圧力をインク圧力調整装置４６で制御することにより、一定のインク圧力が得られる。或いは、インク容器は、加圧されないか、または、減圧（真空）されてもよく、ポンプを用いて、加圧されたインク容器からプリントヘッド３０へインクを供給する。このような実施形態において、インク圧力調整装置４６は、インクポンプ制御システムを備える。図１に示すように、キャッチャー４２は、一般的に「ナイフエッジ」キャッチャーと呼ばれる種類のキャッチャーである。

インクは、インクチャネル４７を通ってプリントヘッド３０に供給される。インクは、プリントヘッド３０のシリコン基板を貫通してエッチングされた溝または穴を通じて、複数のノズルが設置されたプリントヘッド３０の前面に流れることが好ましい。プリントヘッド３０がシリコンで作製されている場合、液滴形成機構制御回路２６を、プリントヘッドと一体化することができる。プリントヘッド３０はまた、以下に図２及び図３を参照して詳細に記載する偏向機構も備える。

連続液プリントヘッド３０の概略図を示す図２を参照する。プリントヘッド３０の噴射モジュール４８は、ノズルプレート４９に形成されたノズル５０のアレイまたは複数のノズル５０を備える。図２において、ノズルプレート４９は、噴射モジュール４８に装着されている。しかし、図３に示すように、ノズルプレート４９は、噴射モジュール４８と一体的に形成されてもよい。

液体、例えば、インクは、アレイの各ノズル５０を通って加圧されて放出され、液体５２の液流を形成する。図２において、ノズルのアレイまたは複数のノズルが図に亘って及び図の外に広がる。

噴射モジュール４８は、各ノズルを介して、第１寸法または体積を有する液滴及び第２寸法または体積を有する液滴を形成するように動作可能である。これを達成するために、噴射モジュール４８は、選択的に起動されることで、液体５２、例えば、インクの一部を攪乱して関連付けられた液流の一部を液流から切り離し、結合して液滴５４及び５６を形成する（図１に示す）液滴刺激または液滴形成装置２８を備える。

一般的に、１つの液滴形成装置２８は、ノズルアレイの各ノズルに関連付けられる。しかし、液滴形成装置２８は、ノズル５０のグループまたはノズルアレイの全てのノズル５０に関連付けられてもよい。

プリントヘッド３０が動作中である場合、液滴５４及び５６は、一般的に、複数の寸法または体積、例えば、第１寸法または体積の大液滴５６や第２寸法または体積の小液滴５４の形状で形成される。小液滴５４の質量に対する大液滴５６の質量の割合は、一般的に、約２から１０の整数である。液滴５４及び５６を含む液滴流５８は、液滴経路または軌道５７を辿る。

プリントヘッド３０はさらに、気体、例えば、空気の流れ６２を液滴軌道５７の一部を通過するように向ける気体流偏向機構６０も備える。液滴軌道のこの部分は、偏向領域６４と呼ばれる。気体の流れ６２は、偏向領域６４において液滴５４及び５６と交差して、液滴軌道を変える。液滴軌道は、偏向領域６４から出ると、偏向されない液滴軌道５７に対して、偏向角度と呼ばれる角度をなして進む。

小液滴５４は、大液滴５６よりも気体の流れの影響を受けやすいので、小液滴軌道６６は、大液滴軌道６８から分岐する。すなわち、小液滴５４の偏向角度は、大液滴５６の偏向角度よりも大きい。気体の流れ６２は、十分な液滴偏向を与えるため、小液滴軌道と大液滴軌道とを十分に分岐させる。それにより、（図１及び図３に示す）キャッチャー４２を、小液滴軌道６６及び大液滴軌道６８のうち１つを妨害するように配置することで、一方の軌道を辿る液滴がキャッチャー４２により収集され、他方の軌道を辿る液滴がキャッチャーを回避し、（図１及び図３に示す）記録媒体３２に衝突する。

キャッチャー４２が大液滴軌道６８を妨害するように配置されている場合、小液滴５４は、キャッチャー４２との接触を避けるのに十分な程度偏向され、印刷媒体に衝突する。このモードは、小液滴が印刷されるので、小液滴印刷モードと呼ばれる。キャッチャー４２が小液滴軌道６６を妨害するように配置されている場合、大液滴５６が印刷する液滴となる。このモードは、大液滴印刷モードと呼ばれる。

図３を参照すると、噴射モジュール４８は、ノズル５０のアレイ、または、複数のノズル５０を備える。（図２に示す）チャネル４７を介して供給された液体、例えば、インクは、圧力を受けて、アレイの各ノズル５０を通って放出され、液体５２の液流を形成する。図３では、複数のノズル５０のアレイが図に亘って及び図の外に広がる。

（図１に示す）液滴刺激または液滴形成装置２８は、選択的に起動されて液体５２の一部を妨害し、液滴を関連付けられた液体５２の液流から切り離すように促す。このように、液滴は、記録媒体３２に向かって進む大液滴及び小液滴の形状で選択的に作成される。

気体流偏向機構６０の正圧気体流構造６１は、液滴軌道５７の第１側に位置する。正圧気体流構造６１は、下壁７４及び上壁７６を備える第１気体流管７２を備える。気体流管７２は、正圧源９２から液体５２の液流に対して下方向に約４５度の角度で供給された気体流６２を（図２にも示す）液滴偏向領域６４に導く。随意的な密封部材８４により、噴射モジュール４８と気体流管７２の上壁７６との間が気密される。

気体流管７２の上壁７６は、（図２に示す）液滴偏向領域６４まで延びる必要はない。図３において、上壁７６は、噴射モジュール４８の壁９６で終わる。噴射モジュール４８の壁９６は、上壁７６の一部としての機能を果たし、液滴偏向領域６４で終わる。

気体流偏向機構６０の負圧気体流構造６３は、液滴軌道５７の第２側に位置する。負圧気体流機構は、キャッチャー４２と上壁８２との間に位置し、偏向領域６４から気体流を排気する第２気体流管７８を備える。第２気体流管７８は、第２気体流管７８を流れる気体の除去を助けるのに用いられる負圧源９４に接続されている。随意的な密封部材８４により、噴射モジュール４８と上壁８２との間が気密される。

図３に示すように、気体流偏向機構６０は、正圧源９２及び負圧源９４を備える。しかし、検討される特定の用途によって、気体流偏向機構６０は、正圧源９２と負圧源９４の一方のみを備えてもよい。

第１気体流管７２によって供給された気体は、液滴偏向領域６４に向かい、そこで、大液滴５６は、大液滴軌道６８を辿り、小液滴５４は、小液滴軌道６６を辿るように向けられる。図３に示すように、小液滴軌道６６は、キャッチャー４２の前面９０によって妨害される。小液滴５４は、前面９０に接触し、前面９０を伝って流れ、キャッチャー４２と刷版８８との間に配置、または、形成された液体戻り管８６に流れ込む。回収された液体は、再利用のために、再循環され、（図１に示す）インク容器４０に戻されるか、または、廃棄される。大液滴５６は、キャッチャー４２を回避し、記録媒体３２上に進む。

図３に示すように、キャッチャー４２は、一般に、「コアンダ」キャッチャーと呼ばれる種類のキャッチャーである。しかし、図１に示す「ナイフエッジ」キャッチャー及び図３に示す「コアンダ」キャッチャーは、互いに代替可能であり、同様に機能する。或いは、キャッチャー４２は、多孔面キャッチャー、デリミテッドエッジキャッチャーまたは上述のいずれかの組み合わせを含むが、これらに限定されない適切な設計でもよい。

図４Ａは、本発明の実施形態例に用いられる噴射モジュール４８の断面図を示す。具体的には、ノズルプレート４９、チャネル４７及び液滴形成装置２８の断面図を示す。チャネル４７は、噴射モジュール４８に組み立てられた別の構成要素の中に形成される。ノズルプレート４９は、複数のノズル５０を画定する部分８０を含む。明確にするために、４個のノズル５０のみが示される。他の実施形態において、他の適切な数のノズル５０を用いることができることを理解されたい。噴射モジュール４８は、ノズル５０から延びる複数の液室５３を備え、液室５３はそれぞれ、壁付き筐体の１つと対応する。ある実施形態において、各筐体は、複数の接合された壁面を含む壁を備える。他の実施形態において、各筐体は、例えば、楕円形や円形の連続壁面を形成する壁を備える。各液室５３は、ノズル５０のそれぞれと流体連結するように配置される。本実施形態例では、液体５２がチャネル４７によって液室５３のそれぞれに供給される。液体５２がチャネル４７に供給されるポートであり、液体５２がチャネル４７から抜かれるポートは、図を明確にするために、以下に説明される図４Ａ及び図４Ｂから省略される。

当業者に既知の異なる方法を用いてプリントヘッド３０内の構成要素を生成してもよい。例えば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を形成するのに用いられる技術を用いてプリントヘッド３０の構成要素を形成してもよい。ＭＥＭＳ製造工程は、一般的に、半導体素子の改良された製造技術を含む。また、ＭＥＭＳ製造技術は、一般的に、フォトイメージング技術をエッチング技術と組み合わせて基板に外形を形成する。フォトイメージング技術は、基板のエッチングしない領域から基板のエッチングする所望の領域を画定するのに用いられる。ＭＥＭＳ製造技術は、インク供給チャネル、インク容器、導電体、電極、及び、絶縁及び誘電要素などのプリントヘッド要素と共に、ノズルプレート４９を生成するのに用いることができる。

ノズルプレート４９は、ＭＥＭＳ製造技術を用いて基板８５から形成される。シリコンを用いた基板は、比較的コストが安く、一般的に欠陥のない組成物であり、シリコンを用いた基板用に開発された高度な製造工程であるので、一般的にこの用途に用いられる。プリントヘッド要素は、単一の構成要素の基板または複数の構成要素の基板から形成されてもよい。ある実施形態例において、１つの物質層を含む基板が用いられ、一方、他の実施形態例において、複数の物質層を含む基板が用いられる。プリントヘッド要素は、堆積工程によって形成された少なくとも１つの物質層を含むか、または、積層工程によって適用された少なくとも１つの物質層を含む基板から形成されてもよい。

本実施形態例において、エッチング工程により、ノズル５０及び液室５３などの外形が、基板８５に形成される。エッチング工程は、基板８５の表面に（図示しない）パターン化マスクを形成する工程を含む。パターン化マスクは、フォトリソグラフィ工程によって形成されてもよい。パターン化マスクは、一般的に、フォトレジストとして知られている光画像形成可能なポリマー物質層から形成される。適切なフォトレジストは、液体フォトレジスト及びドライフィルムフォトレジストを含む。液体フォトレジストの均一な被膜が、限定されない例としてスピンコーティングを含む方法によって基板８５の表面に施されてもよい。ドライフィルムレジストは、通常、バッキング層及びレジスト層を含む集合体を含む。集合体は、基板８５の表面に積層され、レジスト層を基板８５に接触させたままバッキング層が除去される。

フォトレジストがとる形状に関わらず、フォトレジストは、基板８５の実質的にエッチングされる領域及び基板８５の実質的にエッチングされない領域を画定するように、パターン化される。フォトレジストを用いる実施形態例において、これらの領域は、フォトレジストをパターン化するようにフォトレジストを照射に露出することによって画定されてもよい。フォトレジストは、補助マスクによって画像通りに調整された照射によってパターン化されてもよいし、フォトレジストの特定の領域を露出するように選択的に制御された１つ以上の照射ビームによって直接パターン化されてもよい。用いられる照射の種類は、一般的に、フォトレジストの組成によって決定され、限定されない例として、紫外線照射を含む。フォトレジストは、付加的な化学現像工程及び熱処理工程を施されてパターン化マスクを形成してもよい。

一旦パターン化マスクが形成されると、パターン化マスクの開口を介して、基板８５の一部を適切なエッチング液に露出することによって、ノズル５０などの要素が形成される。プリントヘッド３０に要素を形成するエッチング工程は、湿式化学エッチング工程、気相エッチング工程、不活性プラズマエッチング工程及び化学反応エッチング工程を含むが、これらに限定されない。

ノズル５０及び液室５３は、別のエッチング工程で形成されてもよい。例えば、ノズル５０と液室５３の両方が基板８５の同じ面をエッチングすることによって形成されてもよいし、または、基板８５の異なる面にエッチングされてもよい。異なる面は、例えば、基板８５の反対面を含む。異なる物質層がエッチング工程間で堆積されてもよい。

液室５３はそれぞれ、筐体から形成されるが、筐体の側壁は、筐体がノズル５０のうち関連付けられた１つから離れて延びるにつれて、広がる。図示された液室５３などの傾斜面を有する構造は、異方性エッチング技術を含む工程によって形成されてもよい。等方性エッチング工程と異なり、異なる方向に沿った異なるエッチング速度が異方性エッチング工程と関連付けられる。水酸化カリウム（ＫＯＨ）などの特定の化学物質の存在下で、結晶面に沿った選択性エッチング特性を示す単結晶材料の例としては、シリコンがある。例えば、開口が、＜１００＞シリコン基板８５にエッチングされる場合、基板８５の＜１１１＞結晶面側壁が露出されることによって、傾斜または分岐する側壁を有する開口が形成される。

図４Ａに示すように、液滴形成装置２８は、ノズルプレート４９とチャネル４７との間に配置される。液滴形成装置２８は、液体５２の液流が放出されるノズルプレート４９の表面５５のノズル５０の周囲には配置されない。むしろ、液滴形成装置２８は、噴射モジュール４８の内部の液室５３の入口付近に配置される。本実施形態例において、液滴刺激装置２８は、液室５３のそれぞれにまたがって、または、「わたって」延びる膜状構造によって提供される。本明細書では、膜状構造は、熱刺激膜１００である。熱刺激膜１００は、筐体の壁によって画定された液室の全周囲と接触し、取り付けられる。

熱刺激膜１００は、様々な物質層を含んでもよく、ＭＥＭＳ製造技術を含む様々な適切な技術によって形成される。本実施形態例において、熱刺激膜１００は、複数の絶縁性物質層１０５Ａ及び１０５Ｂ、及び、抵抗性物質層１１５を含む。絶縁性物質層１０５Ａ及び１０５Ｂ及び抵抗性物質層１１５は、ＭＥＭＳ製造技術によって提供されるような堆積または積層方法を含むあらゆる適切な工程によって形成されてもよい。絶縁性物質層１０５Ａ及び１０５Ｂ及び抵抗性物質層１１５の外形は、ＭＥＭＳ製造技術によって提供されるようなフォトリソグラフィ及び物質堆積またはエッチング技術を含むあらゆる適切な工程によって形成されてもよい。抵抗性物質層１１５は、抵抗加熱用途での使用に適した物質を含んでもよい。例えば、窒化ケイ素タンタル（ＴａＳｉＮ）が、抵抗加熱用途に用いられる物質である。絶縁性物質層１０５Ａ及び１０５Ｂは、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）の利用を含む様々な技術によって形成されてもよい。しかし、本発明は、これらの物質に限定されず、場合によって、必要な抵抗性または絶縁性性質を有する他の適切な物質を容易に用いることができる。

図４Ｂは、図４Ａの熱刺激膜１００の斜視断面図を概略的に示す。図４Ａの詳細図に示すように、熱刺激膜１００は、複数の孔１１０及び孔の間の膜物質に埋め込まれた熱アクチュエータ１５０を含む。図４Ｂにおいて、絶縁性物質層１０５Ａの一部は、熱アクチュエータ１５０が見えるように取り外されている。

孔１１０は、チャネル４７と液室５３との間の流体連結を可能にする。孔１１０は、規則的またはランダムに配置されてもよい。孔１１０は、セット１２０にグループ化され、各セット１２０は、液室５３のそれぞれと対応する。液室５３のある１つに入る全ての液体５２は、液室５３にわたるセット１２０の孔１１０を通過する。ノズルを通る流体の流れの方向から見ると、孔１１０の少なくとも１つは、ノズル５０と重なる。孔１１０の壁は、絶縁性物質層１０５Ａ及び１０５Ｂを含む。絶縁性物質層１０５Ａは、チャネル４７から熱刺激膜１００を通る液体の流れの方向を妨害するように配置された平面を含む。

熱アクチュエータ１５０は、抵抗性物質層１１５にある１つ以上の抵抗発熱体１５５を含む。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、抵抗発熱体１５５のそれぞれは、絶縁物質に包まれた抵抗性物質を含む。本実施形態例において、孔１１０は、絶縁性物質層１０５Ａ及び１０５Ｂのそれぞれによって画定され、熱アクチュエータ１５０は、抵抗性物質層１１５によって画定される。

ノズル５０、液室５３及び熱刺激膜１００を含む液滴生成アセンブリは、あらゆる適切な技術を用いて製造される。例えば、ノズル５０及び液室５３は、前述したように、基板８５に製造されてもよい。液室は、犠牲材料で充填してもよい。熱刺激膜を形成する層は、適切な堆積工程によって形成され、その後、犠牲材料を除去してもよい。

或いは、基板上に熱刺激膜を形成することから始めてもよい。その後、堆積工程により、液室５３の壁を形成してもよい。液室を、犠牲材料で充填してもよい。ノズルを含む層を、液室の壁及び犠牲材料上に堆積してもよい。その後、犠牲材料を液室から除去してもよい。構造が形成された基板を、裏面からエッチングして、液体を熱刺激膜１００に供給するチャネル４７を形成してもよい。この工程を用いて、熱刺激膜１００を越えて伸び、チャネル４７に及ぶ壁を作成してもよい。この工程が行われると、液室５３は、第１液室と呼ばれ、第１液室の壁は、熱刺激膜１００を越えて延び、第２液室を画定する。熱刺激膜１００は、第１液室５３と第２液室の間に吊るされる。

図５は、図４Ａ及び図４Ｂに示す熱刺激膜１００の一部の働きを概略的に示す。図１の容器４０からの液体は、噴射モジュール４８に供給される。噴射モジュール４８のチャネルに入った液体は、十分な圧力で供給されるので、液体５２は、熱刺激膜１００の孔１１０を通って流れて液室５３に入り、その後、液体５２の連続液流が各ノズル５０から流れるのに十分な流量で、ノズル５０から流れる。熱刺激膜１００は、液体５２の部分が最終的にノズル５０から噴射されるように、熱刺激膜１００を通って関連付けられた液室５３に流れる間、液体５２の部分を選択的に加熱するように動作する。図５に概略的に示すように、画像処理部２４からのデータが、液滴形成装置制御回路２６に提供される。液滴形成装置制御回路２６は、提供されたデータに従って、熱刺激膜１００の熱アクチュエータ１５０に時変電気パルスを印加するように制御される（図示しない）電源を備える。液体５２が熱刺激膜１００の孔１１０を通って流れる間、液滴形成装置制御回路２６によって、電気エネルギーパルスが熱刺激膜１００に選択的に与えられる。電気エネルギーパルスは、（図４Ｂに示す）導体１６５を介して熱アクチュエータ１５０に与えられる。電気パルスは、液体５２が熱刺激膜１００の孔１１０を通って流れる間、熱アクチュエータ１５０によって、液体５２に印加される熱エネルギーの時変パルスに変換される。

各ノズル５０は、異なる特徴を有する液滴の組み合わせを形成するように選択的に制御されるので、液滴形成装置制御回路２６は、各ノズル５０に関連付けられる。他の実施形態例では、各ノズル５０は、略一定の特徴（例えば、略一定容積）を有する均一の液滴流を提供するのに用いられ、単一の液滴形成装置制御回路２６が用いられてもよい。

液体５２の部分は、それぞれの孔１１０を通る間、熱エネルギーのパルスを受ける。これらの液体５２の部分は、その後、結合して液室５３内の液体熱層１７０を形成する。従って、熱刺激膜１００に与えられる電気パルスの特徴に応じて、異なる液体熱層１７０を液室５３内に形成することができる。電気パルスの持続時間や電圧などの要素を調整して複数の液体熱層１７０を形成してもよく、液体熱層１７０の１つ以上は、他の液体熱層１７０と異なる特徴を有する。異なる特徴は、異なる熱エネルギー量、異なる温度、速度、圧力、異なる密度、粘度、表面張力またはこれらの特徴の組み合わせを含むが、これらに限定されない。図５では、異なる特徴を有する液体熱層１７０が、互いに異なるようにパターン化される。

図５に示すように、液体熱層１７０は、液室５３を通ってノズル５０に流れ込む。液体５２がノズル５０から噴射されるに従って、液体熱層１７０は、噴射流の一部となり、液滴を噴射流から切り離す。液体熱層１７０の上述した特徴の違いにより、液体５２の液流は、所望の液滴流に分かれるのに適した方法で刺激されると考えられている。液室５３の壁は、図５に示すように、傾斜させてノズル５０への流れを漏斗状にして、液体熱層１７０の混合または融合を減少させてもよい。或いは、液室５３の壁は、まっすぐにして、ノズルプレート４９に対して垂直に配置してもよい。

ノズルに隣接したノズルプレートに埋め込まれたヒータを用いた従来の熱刺激技術は、液滴の形成を制御するのに効果的であったが、流体に伝達される熱量、ひいては、刺激振幅が限定されている。本発明は、ヒータ部分を熱刺激膜の複数の孔に隣接させて設置するので、より効果的に流体に熱を伝達することができ、より効果的にノズルから流れる液体流からの液滴の形成を刺激することができる。

熱アクチュエータ１５０は、本発明において様々な形態をとることができる。例えば、図６Ａは、図４Ｂに示す抵抗発熱体１５５の平面図を概略的に示す。抵抗発熱体１５５は、抵抗性物質層１１５の抵抗性物質１６０から形成される。絶縁性物質層１０５Ｂは、抵抗性物質層１１５の下にあり、絶縁性物質層１０５Ａの部分は、明確にするために図示しない。セット１２０の孔１１０は、絶縁性物質層１０５Ｂによって少なくとも部分的に画定される。本実施形態例において、液体５２が孔１１０を通って流れる間に、熱エネルギーを液体５２の部分に伝達する能力は、抵抗性物質１６０の孔１１０に対する空間分布に関係する。

抵抗発熱体１５５は、複数の開口１５６を有する単一の素子であり、各開口は、孔１１０の１つと対応する。導電性材料（例えば、アルミニウム）から作られた導体１６５は、（図６Ａには図示しない）液滴形成装置制御回路２６によって与えられたように、電気エネルギーのパルスを抵抗発熱体１５５に与えるように配置される。抵抗性物質１６０は、セット１２０の各孔１１０の全ての面上に配置される。抵抗性物質１６０は、孔１１０のそれぞれの周りに対称的に分布される。電気絶縁性物質１６２は、各開口１５６の内側を覆い、液体５２が孔１１０を通って流れる際に、液体５２から抵抗性物質１６０を電気的に絶縁する。絶縁性物質１６２は、あらゆる適切な被膜または堆積工程によって適用されてもよい。絶縁性物質１６２は、非限定的な例として、図示しない絶縁性物質層１０５Ａなどの絶縁性物質層の一部であってもよい。抵抗性物質１６０は、導電性液体と共に用いられる場合、電気分解を防ぐために絶縁性物質に包まれてもよい。図６Ａの実施形態では、抵抗発熱体１５５は、セット１２０の孔１１０のそれぞれを通って流れる液体５２の全ての面に、エネルギーの熱パルスを均一または一様に与えるように配置される。

図６Ｂは、熱アクチュエータ１５０の別の実施形態例の平面図を概略的に示す。熱アクチュエータ１５０は、抵抗発熱体１５５Ａを含む。図６Ａに示す実施形態例と同様に、抵抗発熱体１５５Ａは、絶縁性物質層１０５Ｂを覆う抵抗性物質層１１５から形成される。絶縁性物質層１０５Ａは、明確にするために、ここでも図示しない。抵抗発熱体１５５Ａは、導体１６５間に接続される細長い部材である。抵抗発熱体１５５Ａは、孔１１０の間の蛇行路に沿って延びる。蛇行路は、抵抗性物質１６０が孔１１０の全ての面ではなく、１つ以上の面に配置されるように配置される。しかし、蛇行路は、抵抗性物質１６０が孔１１０の周りに対称的に分布するように配置される。抵抗発熱体を広く引き延ばした形態を用いて、抵抗性物質１６０の所与の抵抗率に対して、抵抗性発熱体１５５Ａの実効抵抗を引き上げてもよい。

図６Ｃは、本発明の別の実施形態例に関わる熱アクチュエータ１５０に用いられる複数の抵抗発熱体１５５Ｂの平面図を概略的に示す。図６Ａ及び図６Ｂに示す実施形態例と同様に、各抵抗発熱体１５５Ｂは、絶縁性物質層１０５Ｂを覆う抵抗性物質層１１５から形成される。絶縁性物質層１０５Ａは、明確にするためにここでも図示しない。抵抗発熱体１５５Ｂは、導体１６５間に互いに平行な回路配置で配置される。すなわち、抵抗発熱体は、電気的に平行な回路として配置されるが、必ずしも幾何学的に平行ではない。抵抗発熱体１５５Ａと同様に、複数の抵抗発熱体１５５Ｂが、抵抗性物質１６０が孔１１０のいくつかの面に配置されるように配置される。特に、抵抗発熱体１５５Ｂは、抵抗性物質１６０が、各孔１１０の全ての面ではなく、１つ以上の面に配置されるように配置される。

抵抗発熱体１５５Ｂはそれぞれ、電気エネルギーパルスを抵抗発熱体１５５Ｂのそれぞれに供給するように構成された導体１６５の共通のセットに接続される。他の実施形態において、抵抗発熱体１５５Ｂの１つ以上は、１つ以上の導体１６５の異なるセットに接続され、導体１６５のそれぞれのセットは、様々な特徴を有する電気エネルギーパルスをそれぞれの抵抗発熱体１５５Ｂに供給する。電気エネルギーパルスの様々な特徴は、様々なパルス幅、パルス電圧及びパルスタイミングを含むが、これらに限定されない。このように、様々な熱特性は、液体５２がそれぞれの孔１１０を通って流れる間、液体５２の異なる部分に選択的に与えられる。例えば、パルス遅延タイミングを用いて、液体５２の異なる部分を僅かに異なるタイミングで加熱してもよい。遅延は、液室５３で、液体５２の内部と比べて外部において流れ特性または流路をできるだけ異なるようにするためなどの様々な理由で要求される。或いは、その後形成される液体５２の液流の偏向は、液室５３に入る液体５２の部分に非対称的に熱を加えることによって実現される。この性質で用いられる場合、本発明は、偏向機構だけでなく液滴形成装置として動作する。この種類の液滴形成及び偏向は、例えば、Ｃｈｗａｌｅｋ他による、２０００年６月２７日に発行された米国特許第６，０７９，８２１号に記載されているように周知である。

別の実施形態例を、図６Ｄに示す。本実施形態において、孔のセット１２０の孔１１０及び液室及びノズルに関連付けられた抵抗発熱体１５５Ｃは、他の実施形態と比べて、より遮断されている。液室及びノズルに関連付けられた熱刺激膜１００は、ヒータを形成する抵抗発熱体１５５Ｃを含む１つ以上の第１部分１３０、及び、複数の孔１１０が集められている１つ以上の第２部分１４０を有する。このように、孔とヒータ部分とを別の部分に集めることにより、液流から液滴を切り離す刺激に最も大きく寄与する液体流の部分への熱エネルギーの伝達を促進することができる。孔を第２部分１４０に集めることにより、全ての孔が側面の１つに沿ってヒータを有する必要がなくなる。例えば、中央の孔１１０Ａは、どの側面にもヒータを有さない。ある実施形態例では、孔１１０を含む第１部分１３０は、熱アクチュエータ１５０を含む第２部分１４０の１つの側面に位置する。熱刺激膜１００の第１部分１３０及び第２部分１４０は、同じ面に位置する。

本発明の実施形態例は、刺激されて、最終的にノズル５０から噴射される際の液滴の流れを形成する液体５２への熱伝達を向上させる。これは、複数の孔１１０を用いて液体５２を多くの小さな部分に分割し、これらの部分がそれぞれの孔１１０を通って流れる間に、熱エネルギーをこれらの部分に伝達することにより、実現される。付加的及び／または代替の構成要素を用いて、本発明の機能をさらに高めることができることが理解される。例えば、液体５２が孔１１０のいずれかを通って進む経路は、過度の圧力損失を回避するために短くすべきであるが、これにより、熱刺激膜１００は、連続プリンタシステムに伴う高い流体圧力に耐えるのに適さない比較的薄い膜となる。従って、（図示しない）補助特徴が提供されてもよい。補助特徴は、基板８５または他の部材に形成されてもよい。例えば、ノズルの周りのノズルプレートに配置された熱刺激装置と共に使用するための米国特許出願公開第２００８／００４３０６２号に記載されているような、（図示しない）冷却、熱放散または放熱（ヒートシンク）特性を含む付加的な構成要素を形成して、熱刺激膜１００の残留熱を放散してもよい。

複数の孔１１０は、異なる大きさの孔を含んでもよい。ある実施形態例において、複数の孔１１０は、１つ以上の孔寸法を有する。孔１１０のいくつかは、代替及び／または付加的な機能に用いられてもよい。例えば、孔１１０のセット１２０は、孔を通って流れる流体に熱を連結する役割を果さずに、液体５２から粒子状物質をフィルタリングするのに適した少なくとも１つの孔１１０を含む。このような孔は、どの面にも抵抗性物質を有さない。少なくとも１つの孔１１０の大きさは、液体５２内の粒子状物質の測定または予測された大きさによって異なってもよい。用いられる孔１１０の数は、孔１１０を通る流れインピーダンス、ひいては、熱刺激膜１００にわたる圧力損失、及び、熱的刺激が要求される液体５２の量を考慮して調整されてもよい。本発明の実施形態例のように刺激及ろ過機能を組み合わせることで、連続プリンタシステムプリントヘッドの製造を容易にすることができる。

２０連続プリンタシステム、２２画像ソース、２４画像処理部、２６機構制御回路、２８液滴形成装置、３０プリントヘッド、３２記録媒体、３４記録媒体搬送システム、３６記録媒体搬送制御システム、３８マイクロコントローラ、４０容器、４２キャッチャー、４４再循環部、４６圧力調整装置、４７チャネル、４８噴射モジュール、４９ノズルプレート、５０複数のノズル、５２液体、５３液室、５４，５６液滴、５５表面、５７軌道、５８液滴流、６０気体流偏向機構、６１正圧気体流構造、６２気体流、６３負圧気体流構造、６４偏向領域、６６小液滴軌道、６８大液滴軌道、７２第１気体流管、７４下壁、７６上壁、７８第２気体流管、８０部分、８２上壁、８５基板、８６液体戻り管、８８刷版、９０前面、９２正圧源、９４負圧源、９６壁、１００熱刺激膜、１０５Ａ絶縁性物質層、１０５Ｂ絶縁性物質層、１１０孔、１１５抵抗性物質層、１２０セット、１３０第１部分、１４０第２部分、１５０熱アクチュエータ、１５５抵抗発熱体、１５５Ａ抵抗発熱体、１５５Ｂ抵抗発熱体、１５５Ｃ抵抗発熱体、１５６開口、１６０抵抗性物質、１６２絶縁性物質、１６５導体、１７０液体熱層。

Claims

液滴を形成する方法であって、
その一部がノズルを画定するノズルプレートと、複数の穴及び１つ以上の発熱体を含む熱刺激膜と、前記ノズルから前記刺激膜に向けて延びるとともに前記ノズルと前記熱刺激膜との間に配置されて前記ノズル及び前記複数の孔と流体連結する液室を画定する筐体と、を含む噴射モジュールを設ける工程と、
液体が前記熱刺激膜を通って流れる間に、前記液体を複数の部分に分離するのに十分な圧力を前記液体に与える工程であって、前記液体の各部分が、前記複数の孔のうち１つの孔を通って流れる工程と、
前記ノズルを介して前記液体の個々の液流を噴射する工程と、
前記液体の各部分が前記複数の孔のそれぞれ１つを通って流れる間、前記液体の各部部分に熱エネルギーのパルスを印加することによって、前記液体の個々の液流から液滴を切り離す工程と、
を含む方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記１つ以上の発熱体は、前記複数の孔のいくつかの孔の間を蛇行路に沿って延びる細長い発熱体を含み、
当該方法は、前記細長い発熱体に作用して前記熱エネルギーのパルスを前記液体の部分の少なくとも１つに印加する工程を含む、方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記１つ以上の発熱体は、複数の細長い発熱体を含み、
前記複数の細長い発熱体は、前記複数の孔のいくつかの孔の間に沿って互いに平行な配置で配置され、
当該方法は、前記複数の細長い発熱体に作用して前記熱エネルギーのパルスを前記液体の部分の少なくとも１つに印加する工程を含む、方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記１つ以上の発熱体は、複数の開口を含む発熱体を含み、
各開口は、前記複数の孔のそれぞれ１つに対応し、
当該方法は、前記発熱体に作用して前記熱エネルギーのパルスを前記液体の各部分に印加する工程を含む、方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記液室に一連の液体熱層を形成する工程を含み、
各液体熱層は、他の液体熱層と異なる量の熱エネルギーを有し、
各液体熱層は、前記液体が前記熱刺激膜を通って前記液室に流れる間に形成される、方法。
請求項５に記載の方法であって、
各液体熱層の前記液体は全て、前記複数の孔の少なくとも１つを通る、方法。
請求項５に記載の方法であって、
前記液体熱層が前記液室を通って流れる間、前記液室の各液体熱層を引き延ばす工程を含み、
各液体熱層は、前記液室で流体の流れ方向に沿って引き延ばされる、方法。