JP2023500649A

JP2023500649A - 液体滴を分注するための方法及び装置

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Publication number: JP2023500649A
Application number: JP2022525303A
Authority: JP
Inventors: キュー，サイモン; ハッド，アラン; ブライス，トーマス; タオ，アンディ; コチシュ，アルベルト
Original assignee: ジェトロニカ・リミテッド
Priority date: 2019-11-01
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2023-01-10
Also published as: WO2021084254A1; GB2592868A; US20220388304A1; US11945220B2; GB201915906D0; EP4051504A1

Abstract

液体分注要素が提供されている。要素は、複数のオリフィスを備えた分注プレートであって、少なくとも部分的に流体流れ経路を画定している分注プレートと；それぞれがピストンを備えた複数の圧電トランスデューサであって、ピストンは、分注プレートに対し直角に、ピストンが分注プレートに近接する第１の位置とピストンが分注プレートから遠ざかる第２の位置との間で動くように構成されている、複数の圧電トランスデューサと；を備えている。第１の位置と第２の位置の間の運動は、滴の直径がオリフィスの直径より小さくなるようなサーフェスキャビテーション滴出射プロセスを介した流体の滴の出射をもたらす。
【選択図】図１ａ及び図１ｂ

Description

この発明は液体滴を分注するための方法及び装置に関する。

ノズルを通して滴を分注することは技術的に知られている。そうするための多種多様な装置がインクジェットプリンタの分野に見出され得る。

塗工用途やデジタル画像化用途のための流体の分注は、様々な技術を駆使して実現されており、密閉された体積部内の流体へエネルギーを与えてノズルからの滴の出射を生じさせるのが典型的である。ドロップ・オン・デマンド（ＤＯＤ）式インクジェットは、圧電素子を使用し、密閉されたチャンバ内に圧力波を生成し、体積数ピコリットルの滴を出射させるという、高解像度印刷を実現するための十分に確立された技法である。インクジェットプリントヘッドは、典型的に、３００～６００ドット毎インチ（ＤＰＩ）のネイティブ印刷解像度を実現させるべく高密度の圧電分注素子を備えた設計である。プリントヘッドの造りは非常に複雑であり、微細機械加工された流体経路、レーザ穿孔されたノズル、及び複雑な組立体を含んでいる。インクジェットプリントヘッドは、流体流れ経路の設計及び圧電素子の一体化ゆえに、典型的に非改修可能とされている。加えて、高水準の工学的複雑性は、産業的インクジェットが比較的高コストの印刷技術であることを裏付ける。

典型的には、滴サイズはノズル直径によって決まり、しかも滴直径は典型的にオリフィスよりも大きい。したがって、高解像度印刷を実現するためには、ノズル直径は典型的に５０ミクロン未満、最も好ましくは２５ミクロン以下であるべきだと判明している。加えて、高解像度を高スループットで達成するためにノズルは大凡５０ｋＨｚの周波数で作動されることになる。このことが、使用できる流体へ厳しい制約を課し、その結果、１０ｃＰｏｉｓｅ（０．０１Ｐａ・ｓ）より低い粘度の流体しか分注できず、固形粒子は直径が１μｍを超えてはならない。更にまた、その様な低いノズル直径は、オリフィスが流体蒸発に極めて弱いことを意味しており、流体蒸発はノズルを詰まらせ、ゆくゆくはプリントヘッドを失陥させる可能性がある。

代替的には、ドロップ・オン・デマンド式インクジェットよりもはるかに広い範囲の流体粘度向けの単一ユニット分注部として圧電噴射弁がよく知られている。但し、これらの技法は、低解像度分注を低スループットで達成することしかできない。分注部オリフィスは、典型的に５００μｍから１０００μｍの範囲内であり、弁は典型的に１００Ｈｚまででしか動作できず、画像化用途には不向きである。圧電噴射弁は、典型的に、画像化用途のためのアレイ状での使用を排除してしまうフットプリントを必要とする。

フィジカルレビューレター１０２、０３４５０２、２００９年１月２３日発行（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１０２，０３４５０２――Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ２３Ｊａｎｕａｒｙ２００９）

本発明の目的は、小滴を分注するための方法及び装置を提供することである。特に、本発明の目的は、これまでの技術のノズル組み込み型分注装置を使用して実現可能な最小サイズよりも小さい滴を作製することである。本発明の方法及び装置は、より小さい滴サイズがより高い数のドット毎インチ（ＤＰＩ）を有する印刷物の作製を可能にし、したがって本発明を組み入れたプリンタを通してより高い画像解像度が実現され得ることから、インクを使用する印刷の分野への特定の適用可能性を有する。

本発明の更なる目的は、本発明の方法及び装置の高信頼度利用を提供することである。特に、滴が通って分注されるオリフィスよりも小さい滴を作成する噴射効果を達成するために、装置構成は細かに調整されねばならない。滴分注を円滑にするために流体流れ経路とピストン構成には特に注意が払われる。

圧電式に作動させる印刷システム内の認知されている問題は、意図された流体経路からのインクの浸み出しとそれに付随する圧電アクチュエータとの接触に起因する。これは圧電アクチュエータを機能不全に陥らせかねない。

この様な事情を背景に本発明が生まれた。

本発明によれば、液体滴を分注する方法であって、オリフィスを備えた分注プレートを提供する工程と；ピストンを提供する工程であって、ピストンが分注プレートに近接する第１の位置とピストンが分注プレートから離れて遠く隔てられオリフィスを覆う第２の位置との間で可動であるように配置されたピストン、を提供する工程と：分注プレートの上に液体のストリームを流す工程と；オリフィスから滴を出射するキャビテーション事象を生じさせるのに十分な速さでピストンを第１の位置から第２の位置へ動かす工程であって、滴はオリフィスよりも小さい直径を有しキャビテーション事象によって生じる、ピストンを動かす工程と；を備える方法が提供されている。

更に、本発明によれば、複数のオリフィスを備えた分注プレートであって、少なくとも部分的に流体流れ経路を画定している分注プレートと；それぞれがピストンを備えた複数の圧電トランスデューサであって、ピストンは、分注プレートに対し直角に、ピストンが分注プレートに近接する第１の位置とピストンが分注プレートから離れて遠く隔てられる第２の位置との間で動くように構成されている、複数の圧電トランスデューサと；を備える液体分注要素において、各ピストンは、圧電構成要素によって作動されると、第１の位置と第２の位置の間で動いて、分注プレートの対応するオリフィスに方向決めされた圧力波を作成し、それによって、流体経路に沿って流れる流体中にサーフェスキャビテーション事象を生じさせ、直径がオリフィスの直径よりも小さい流体の滴の出射をもたらすように構成されている、液体分注要素が提供されている。

第１の位置では、ピストンは分注プレートの平面から５μｍ～５００μｍの距離、最適には大凡１０μｍの距離にあり得る。第２の位置では、ピストンはピストンの第１の位置から５ｎｍ～１０００ｎｍであり得るが、最適には１０ｎｍである。上記条項の何れか一項に記載の液体分注要素において、圧電トランスデューサは、ピストンを１０^-3ｍｓ^-1の速さで動かすように構成されているが、速さは１０^-2ｍｓ^-1から１０^-4ｍｓ^-1の範囲であり得る。

オリフィスは、２５μｍ～１５０μｍの直径、特に１００μｍの直径を有し、キャビテーション事象によって生じる出射滴は１０μの直径を有し得る。滴の直径は、オリフィスのサイズによるというよりむしろキャビテーションによって生じる。

ピストンは第１の位置では液体のストリームに接触し得る。

ピストンは、圧電要素を使用しオリフィスを通して液体の滴を押し進めるために、第１の位置から第２の位置へ動かされ得る。分注プレートの上方には上部プレートがそれらの間にチャネルを形成するように提供され、分注プレートの上に液体のストリームを流す工程は、チャネル内に液体のストリームを流す工程を備え得る。ピストンは、第１の位置及び第２の位置にて上部プレートの孔を通過し得る。ピストンと上部プレートの間には、液体のストリームを上部プレートより上の体積部から絶縁するために、シーリング手段が提供され得る。シーリング手段はＯリング又はゴムグロメットを備えることができる。

液体はインクとすることができる。インクジェットプリンタが本発明による分注装置を備え得る。

更にまた、本発明によれば、複数のオリフィスを備えた分注プレートであって、少なくとも部分的に流体流れ経路を画定している分注プレートと；それぞれがピストンを備えた複数の圧電トランスデューサであって、ピストンは、分注プレートに対し直角に、ピストンが分注プレートから離隔される第１の位置とピストンが分注プレートに接近する第２の位置との間で動くように構成されている、複数の圧電トランスデューサと；を備える液体分注要素において、第１の位置と第２の位置の間の運動は、滴の直径がオリフィスの直径より小さくなるようなサーフェスキャビテーション滴出射プロセスを介した流体の滴の出射をもたらす、液体分注要素を提供している。

各ピストンは、それが第１の位置にあるときに流体流れ経路と接触するように構成され得る。各ピストンはテーパされていてもよい。他の場合には円筒状であり得るピストンのテーパされた形式は、ノズルへ送達される圧力を増加させる。

オリフィスは２５μｍと１５０μｍの範囲の直径を有し得る。オリフィスは、５０μｍから１５０μｍの範囲の直径、例えば５０μｍ又は７５μｍの直径を有し得る。分注プレートは金属、例えばステンレス鋼であり得る。

要素は、実質的に分注プレートに平行に設けられ且つ流体流れ経路を画定する上部プレート、を更に備え得る。上部プレートは複数のオリフィスを備え、それらを通過するようにピストンは構成される。上部プレートは、５０μｍから３００μｍの範囲の厚さ、例えば１５０μｍの厚さを有する弾性材料から形成され得る。

要素は、各オリフィスと対応するピストンとの間のシール、を更に備え得る。シールはＯリング又はラバーグロメットであり得る。

以上に説明されている液体分注要素のアレイが、プリントヘッドを形成するように組み合わされ得る。このシステムは、圧電トランスデューサと対応するピストンとの間の要求される機械的接面を、流体の適切な管理と併せて高い信頼度で達成する。それは、更に、流体流れの管理を通じてプリントヘッドの一貫した動作を可能にする。

上部プレートは、流体流れ経路を圧電トランスデューサからシールし得る。分注プレートを横断する流体流れ経路と圧電トランスデューサとの間の連続シールの提供は、圧電トランスデューサを流体から保護することに対する鍵である。連続シールの提供は、更に、追加のシーリング部分によって引き起こされる乱流を最小限にすることによって、流体流れの一貫性を改善する。更にまた、一貫したシールの提供は、各分注オリフィスに一貫した圧力が存在することを確約する。

上部プレートは、ピストンと係合するように構成された一連の突起を有し得る。突起は、圧電トランスデューサからの機械的エネルギーがピストンを介して流体流れ経路内の流体へ一貫して伝達されることを確約する。この構成は、上部プレートが途切れなく続き完全なシールを提供しているので、各ピストンの周りに更なるシールを提供することが不要であるという点で好都合である。

上部プレートは二層構成を有し得る。上部プレートは、流体流れ経路を圧電トランスデューサからシールする第１の軟質伸展性の層と、ピストンとかみ合うように構成された突起を提供する１つ又はそれ以上の更なる層と、を備え得る。液体滴の作製をもたらすべくピストンからのエネルギーを流体流れ経路の中へ効率よく伝達することを確約するために、突起はより硬質であり得る。

発明はこれより添付図面を参照しながら説明される。

本発明による或る分注要素の、ピストンが第１の位置にある状態の断面図を概略的に示す。本発明による或る分注要素の、ピストンが第２の位置にある状態の断面図を概略的に示す。本発明による或るプリントヘッドの斜視図を概略的に示す。図２に示されたプリントヘッドの更なる図を概略的に示す。膜を組み入れた２つの分注要素の側面図の一例を示す。膜のための或る代替構成を示す。膜のための更なる代替構成を示す。２つの異なる技法のうちの一方によって製作された分注要素の側面図を示す。２つの異なる技法のうちのもう一方によって製作された分注要素の側面図を示す。図８Ａの分注要素の上面図を示す。複数の圧電トランスデューサを提供する単一の構成要素である圧電トランスデューサアレイの一実施例を示す。或るプリントヘッドの側面図である。或るプリントヘッドの端面図である。或るプリントヘッドの平面図である。

図１ａは、本発明の第１の実施形態による分注要素１０の断面図を示す。分注要素１０は分注プレート１２を備えている。

分注プレート１２の上部表面上には液体１４の流れが維持されている。分注プレート１２はそれによって部分的に流体流れ経路１３を画定している。液体１４は常に矢印Ａによって指示される方向に動いている。分注プレート１２を横切って液体をポンピングすることによって、又は重力を用いて、又は技術的によく知られている何れかの他の適切なプロセスによって、液体１４は動いている状態に保たれ得る。

ピストン１６が第１の位置にて分注プレート１２の上方に懸架されている。ピストン１６は分注プレート１２に近接して保持されているのが好ましい。例えば、図１ａに示されている様に、ピストン１６は第１の位置では分注プレート１２の上方で液体１４に接触し得る。ピストン１６はこの第１の近接位置から矢印Ｂによって指示される方向に、図１ｂに示される分注プレート１２から離隔された第２の位置まで動くように配置されている。ピストン１６が分注プレート１２から遠ざかるとき、ピストンは分注プレート１２から大凡３００μｍ離れた位置へ動く。例えば、それは、第１の位置での分注プレートの１００μｍ以内から、分注プレートから大凡３００μｍの第２の位置へ動き得る。ピストンの分注プレート１２からの運動距離の選定は圧電作動の選択とつり合いが取られる。第１の位置の分注プレート１２からの距離がより大きければ、圧電アクチュエータによって提供される力はより大きくされるだろう。ピストンの第１の位置と分注プレート１２との間の距離が非常に小さいなら、圧電アクチュエータへの減弱された力でもなおオリフィスを通して流体の滴の出射をもたらすに足る力を提供し得る。

分注プレート１２には分注オリフィス１８が存在する。図１ａ及び図１ｂに示されている様に、分注要素１０が完全に組み立てられたときにピストン１６は分注オリフィス１８の真上に位置する。分注オリフィス１８は、分注プレート１２に押し抜かれ又は穿孔されてもよいし、又は技術的によく知られている何れかの他の適切なプロセスによって形成されてもよい。

ピストン１６がその第１の位置にある状態で、液体１４はその慣性に因り分注オリフィス１８に進入もしなければ通過もしない。

分注要素１０から液体の滴を分注することが所望されたとき、ピストン１６は、ピストン１６が分注プレート１２から遠ざかるその第２の位置へ動かされる。圧電トランスデューサ１７を使用して、ピストン１６はその第２の位置へ動かされる。ピストンの矢印Ｂの方向への運動は、分注オリフィス１８の領域に陰圧を生じさせ、ここに流体の流れは横方向に動くのみならず分注オリフィス１８に向かって押し出されもする。この陰圧が液体を分注オリフィスに隣接する液体１４の表面張力に打ち勝たせる。

結果的に、分注オリフィス１８に隣接して形成されたメニスカスが破れ、（図１ｂに）項目２０で描かれている様に液体の滴が分注オリフィスを通って押し進められる。これは、滴が通って分注されるオリフィス１８の直径よりも小さい直径を有する滴の出射をもたらすサーフェスキャビテーションを介して起こる。サーフェスキャビテーションプロセスの使用の結果として、滴サイズは、それが通って分注されるオリフィスのサイズとは独立している。滴の直径は、したがって、オリフィスより小さくなるように選択されることができ、それにより、分注されるべき滴より小さいオリフィス及び対応する流れ経路はもはや必要なくなるのでデバイスの製造が簡略化され得る。

滴出射のメカニズムは、滴の作成をもたらす指向性圧力波を作り出すという分注オリフィス１８に密に近接したピストン変位に依拠する。この効果を下支えするメカニズムは、分注オリフィスに隣接する分注体積中に非指向性圧力波が生成されるという従来のドロップ・オン・デマンド式インクジェットとは異なる。報告される噴射メカニズムは誘発サーフェスキャビテーション現象に基づいている。

固体物体を液体表面上へ落下させたときに物体のモーメンタムとは逆のジェットが形成されることになる、ということは知られている。これらはいわゆる「ワージントンジェット（Worthington Jets）」である。

このメカニズムは、詳細に特徴づけられモデル化されているものであって（フィジカルレビューレター１０２、０３４５０２――２００９年１月２３日発行（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１０２，０３４５０２――Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ２３Ｊａｎｕａｒｙ２００９）を参照）、表面付近のキャビテーション－インプロージョンプロセスの結果としての噴射の観察を解説する。キャビティが崩れて、固体物体のモーメンタムとは逆方向にジェットを作り出す。

我々の噴射原理もまた、流体噴射プロセスを生成し流体メニスカスからの十分に画定された滴の出射を生じさせるという流体表面でのキャビテーション現象の生成を伴う。圧電作動式の「噴射キャビティ（Jetting Cavities）」の形成は、従来のドロップ・オン・デマンド式インクジェットに係る分注オリフィスの寸法というよりむしろキャビティの寸法が滴体積を支配するとした滴形成に対する我々の手法を下支えするものである。

図１ａ及び図１ｂに描かれている分注要素は単一のピストンと単一のオリフィスを含んでいるが、アレイを形成するために複数のピストンと複数のオリフィスが組み合わされるものと理解しておきたい。

アレイ内の隣接するピストン同士の分離の選択は、１つのピストンと隣接ピストンとの間の「クロストーク」を避けるための要件を含む幾つかの因子によって影響される。液体が更なる既定の閾値距離を進んだとき、第１のピストンによって引き起こされた流体流れへの破壊が取るに足らないほどであるように、ピストンの分離が十分であることが条件とされる。

ピストン１６は、図示の様に上部プレート２２の孔を通過しており、流体経路１４と上部プレート２２より上の体積部との間にはシーリング手段２４がシールを形成している。シーリング手段２４は、例えば、Ｏリングの様なシーリングリング又はラバーグロメットを備え得る。

この配置は、上部プレート２２より上の体積部に位置付けられている品目が液体１４から絶縁されるという有益な効果を有する。これは、液体への暴露によって損傷し得る傷つきやすい構成要素（例えば、圧電トランスデューサ１７の様なエレクトロニクス）を保護するうえで有用であり得る。この配置は、更に、液体１４がチャネル１５へ拘束されるという有益な効果を有しており、それは液体が開放表面を横切って渡る配置に比較して、流体流れの圧力がより良好に監視され制御されることを可能にする。この配置は更に液体流れが乾き切る速度を減少させる。これは特に使用される液体がインクの様な速乾性の液体である場合に望ましいであろう。

図２は、以上に図１を参照して説明されている分注要素１０のアレイを備えたプリントヘッド３０の斜視図を示す。この例示としての実施形態では、プリントヘッドは３×２０アレイを備えている。但し、アレイ構成のこの特定の選定は必須ではないことが容易に理解されるだろう。各次元にはより多い又はより少ないピストンがあってもよい。例示の実施形態に戻ると、３つのピストンが１０４で指示されている。各ピストンは、関連付けられた圧電素子を有している。３つの圧電素子が１０２で指示されている。プリントヘッド３０の動作は、以上に図１に関して説明されているのと同じであるが、単一のピストンの代わりに３つが一列に配列され、これらの列２０個が隣同士に積重されてアレイを形成している。

図３は、図２に示されているプリントヘッド３０の更なる図を概略的に示す。この図では、分注プレート１０６に複数の分注オリフィスが見える。各分注オリフィスの位置は、分注プレート１０６の上方に懸架されたピストンの位置に対応する。３つの分注オリフィスが１０８で指示されている。

以上の実施形態のそれぞれでは、ピストンは、流体が通って出射されることになるオリフィスと整列するように構成されている。ピストンとオリフィスの整列が、分注される滴のサイズと分注プレートに対する分注方向の両方に関して滴出射の一貫性を確約する。それは更に各オリフィスからの噴射の対称性を確約する。

圧電アクチュエータの作動は、０から＋５０Ｖの電圧ステップを数マイクロ秒の期間に亘って印加することによって実現される。プリントヘッドは大凡１０ｋＨｚの周波数で動作し得る。電圧プロファイルは、台形状の形状を取り得る。電圧パルスプロファイルの使用は、別の滴が出射されるのを可能にするためにミニスカス形状をリセットするのに要する時間を最小化する。幾つかの実施形態では、電圧降下よりも高いスルーレートの電圧立ち上がりを含む台形パルスが配備される。例えば、我々の電圧立ち上がり速度は５０Ｖｍｓｅｃ^-1である。１５０Ｖ／ｍｓ～１０Ｖ／ｍｓの範囲の比較的高い電圧立ち上がり速度がシステムでの動作における噴射原理を可能にする。

使用される圧電トランスデューサは、典型的には、約２００×１０^-12ｍ／ＶのＤ３１値とＱファクタ＝１００を有する積重された圧電トランスデューサである。～５０Ｖの作動ドライブパルスに基づき、我々は約１０ｎｍの線形変位を予測することができる。

圧電作動は、典型的には、周波数１ｋＨｚ～１００ｋＨｚにて、最も好ましくは１０ｋＨｚ～５０ｋＨｚの範囲の周波数にて適用される。インクジェット印刷用途向けには滴の繰り返し発射が欠かせず、我々はこの出願に開示されている設計を使用して５０ｋＨｚまでにて滴の安定繰り返し分注を観察した。滴の分注から次の分注にかかる時間の大部分は、流体流れ経路の関連部分の再充填である。この再充填プロセスに影響を与える因子は、流体の表面張力、流体の粘度、及び流体がニュートンか非ニュートンかということ、である。

［ピストン－膜構成要素の設計］
図４に描かれている膜２２の設計は、実質的にピストン様の幾何学を提供する形状にされていて、圧電トランスデューサ１７から流体への機械的エネルギーの伝達を、別体のシールを必要とすることなく可能にする。図４では、膜２２は、膜２２の平面に直角に延びる円筒状突起２３を有している。分注プレート１２は一連の実質的に円筒状をしたウェル２１を提供する形状である。ウェル２１は大凡１ｍｍの直径を有し、円筒状突起２３は約０．３ｍｍの直径を有している。このことは、突起がウェル２１内を容易に上下動できるということを意味する。図４に描かれている膜２２は、単一の均質層である。材料選択は、液体シールが有効に作られ得るような伸展性に対する要件に基づく。それは例えばシリコンから形成され得る。

図５は二層膜２２を示す。２つの層は異なる材料から形成され得る。上部層２２ａは、シリコンの様な、優れたシーリング特性を理由に選択された材料から形成され得る。下部層２２ｂは、圧電トランスデューサ１７からのエネルギーが膜２２によって吸収されるのではなく流体１４の中へ伝達されるのを確約するために、低圧縮性材料から形成され得る。描かれている構成では、隣接する分注要素間には５ｍｍのピッチが存在する。膜の上部層２２ａは厚さ１ｍｍであり、突起２３は高さ４ｍｍである。

図６は、２つの分注要素１０の側面図を示す。この図では、流体流れ経路は紙面に入／出する方向にある。この実施形態では、突起２３はテーパされている。図示の実施形態のテーパ型突起２３は均質膜２２の一部であるが、テーパ型突起は図５に示されている二層構成に配備されることもでき得ることが当業者には理解されるだろう。テーパ型突起２３は一定した半径の円筒体より製造が容易である。更にまた、テーパ型の形状は滴形成を集束させ得る。

電気的接続の高信頼度は、構成要素をシールする役目を果たす一体型の膜を用いて、流体収容区域を非流体収容区域から分離することによって実現される。

加えて、分注要素１０内に使用される構成要素は製造の便宜及び費用に影響する。分注要素１０のアレイから形成されたプリントヘッド３０は、数百の個別ピストンを単一の構成要素で置換することができる。これは、プリントヘッド組立体全体の製造への顕著な簡略化効果を有する。

更にまた、マイクロ流体流れチャネルの一方の側を画定するのに膜２２を配備しているこの噴射要素設計は、多構成要素組立体に比較して、より一貫した流体流れを実現させることを可能にする。

［圧電トランスデューサ構成要素の設計］
圧電トンランスデューサ１７は、電極－電極軸に直角に、膜２２の突起２３と直接的な機械的接触にあって膜２２の突起２３へ接続されている積重型設計であり得る。直接的な機械的接触は、圧電トランスデューサの機械的な運動が１００ｋＨｚにも上る周波数でピストン膜へ伝達されるのを確約するうえで不可欠である。２つの実施例が図７及び図８Ａに描かれている。図７は、圧電トランスデューサ１７に適合するべく変形された膜２２を示している。図８Ａは、圧電トランスデューサ１７と膜２２の間に適用された接着ボンド２６を示している。図７と図８は異なる接合技法であるが、分注要素の構成に依存して、これらの技法は互いと及び／又は図示の実施形態には示されていない他の機械的干渉嵌めと組み合わされ得るものと理解しておきたい。

図８Ｂは、６つの圧電トランスデューサ１７を結着させるための６つの箇所に提供された接着部２６を示す膜２２の上面図を示している。この実施例では、圧電トランスデューサは３ｍｍ×０．３ｍｍである。隣接するウェル２１間の距離は突起の直径によって支配され圧電トランスデューサ１７の深さによるのではないので、この浅いトランスデューサ１７はプリントヘッド３０が密に積重されることを可能にする。

図９は、複数の圧電トランスデューサ１７を提供する単一の構成要素である圧電トランスデューサアレイ９０の一実施例を示している。この「くし型」構成は、幾つかの電気的に分離され且つ機械的に一体化された圧電トランスデューサ１７で構成されている。

［プリントヘッド組立体］
図１０Ａ、図１０Ｂ、及び図１０Ｃに描かれているプリントヘッド３０は、噴射要素又は分注要素１０のアレイに基づく。アレイの構築は、インクの滴をオンデマンドで送達することに基づく高解像度印刷を実現するうえで十分なネイティブ解像度（噴射要素のピッチ）を提供するために不可欠である。

プリントヘッド３０は、図１０Ｃの平面図に最も分かり易く描かれている様に、インターロッキング層の積重体で構成されているのが最も好ましい。単一列の分注要素１０の中へ流体を導入し及びそこから流体を収集するためにマニホルド９２提供されている。各分注要素１０は、分注オリフィス１８と、ウェル２１と、圧電トランスデューサ１７と、プリントヘッドの湿潤部分と圧電トランスデューサ１７を収容している流体不含部分との間にシールを提供するように構成された膜２２と、を含んでいる。

図１０Ｂに描かれている様に、圧電トランスデューサ１７は、膜２２から延びていて膜２２の一部を形成している突起２３と整列されている。圧電トランスデューサ１７は分注オリフィス１８とも整列されている。

図示の実施形態では、プリントヘッド３０は、分注部オリフィス１８と整列される突起２３のアレイを含んだ膜２２を利用している。これは、分注部オリフィス１８を突起２３のアレイと整列させる働きをし、何百もの別々のピストン要素に付きまとう整列問題を打開する。

［流体流れ経路］
ピストン噴射システムは、画像化の能力のあるプリントヘッド３０を作成するべくアレイ状に構成されるのが最も好ましい。各分注オリフィス１８は、２大機能、即ち、
１．粒子の懸濁液を維持し気泡を除去するためにインクの連続した流れを送達する、
２．分注オリフィスに一貫したメニスカス圧力を維持する、
を遂行する流体送達マニホルド９２からインクを充填される。

プリントヘッド３０は、図１０Ａ、図１０Ｂ、及び図１０Ｃに示されている様に、分注要素１０が吐出マニホルド９４に実質的に平行であるマニホルド９２から充填される構成であるのが最も好ましい。この流れ経路設計は、分注要素１０内の一貫した圧力を吸込マニホルド９２及び吐出マニホルド９４内の実質的に均一な圧力に基づいて確約するものであり、それはマニホルドの流れ抵抗は分注要素１０を通るより実質的に低いからである。当然ながら、一貫した流れの通過を確約するために、圧力は吸込マニホルド９２の方が吐出マニホルド９４よりも高い。通過流量は最も好ましくは１ノズル当たり０．１ｍＬｍｉｎ^-1～０．５ｍＬｍｉｎ^-1である。

膜２２は、流体流れ経路の一部を形成し、マイクロ流体流れチャネルの一方の側をシールする役目を果たしている。チャネルの他方の側は、分注プレート１２によって形成されている。連続した単一の構成要素であるという膜２２の性質が、圧電トンランスデューサ１７と膜２２の間の接面に関連する何らかの乱流効果を最小化する。これは、プリンタヘッド３０内で高い一貫性のある流体流れが実現されることを可能にする。

以上の説明されている実施形態は例示でしかなく、発明の範囲内での他の可能性及び代替が当業者には自明であるだろう。

１０分注要素
１２分注プレート
１４流体
１５チャネル
１６ピストン
１７圧電トランスデューサ
１８分注（部）オリフィス
２０液体の滴
２１ウェル
２２上部プレート、膜
２２ａ上部層
２２ｂ下部層
２３突起
２４シーリング手段
２６接着ボンド
３０プリントヘッド
９０圧電トランスデューサアレイ
９２流体送達マニホルド、吸込マニホルド
９４吐出マニホルド
１０２圧電素子
１０４ピストン
１０６分注プレート
１０８分注オリフィス
Ａ液体が動く方向
Ｂピストンが動く方向

Claims

複数のオリフィスを備えた分注プレートであって、少なくとも部分的に流体流れ経路を画定している分注プレートと、
それぞれがピストンを備えた複数の圧電トランスデューサであって、前記ピストンは、前記分注プレートに対し直角に、前記ピストンが前記分注プレートに近接する第１の位置と前記ピストンが前記分注プレートから離れて遠く隔てられる第２の位置との間で動くように構成されている、複数の圧電トランスデューサと、
を備える液体分注要素において、
各ピストンは、圧電構成要素によって作動されると、前記第１の位置と前記第２の位置の間で動いて前記分注プレートの対応するオリフィスに方向決めされた圧力波を作成し、それによって、前記流体経路に沿って流れる流体中にサーフェスキャビテーション事象を生じさせ、直径が前記オリフィスの直径よりも小さい流体の滴の出射をもたらすように構成されている、液体分注要素。
請求項１に記載の液体分注要素において、
各ピストンは、当該ピストンが前記第１の位置にあるときに前記流体流れ経路に接触するように構成されている、液体分注要素。
請求項１又は２の何れか一項に記載の液体分注要素において、
第１の位置では、前記ピストンは前記分注プレートの平面から５μｍ～５００μｍの距離にある、液体分注要素。
請求項１乃至３の何れか一項に記載の液体分注要素において、
前記ピストンの前記第２の位置は、当該ピストンの前記第１の位置から５ｎｍ～１μｍである、液体分注要素。
請求項１乃至４の何れか一項に記載の液体分注要素において、
前記圧電トランスデューサは、前記ピストンを１０^-2ｍｓ^-1から１０^-4ｍｓ^-1の速さで動かすように構成されている、液体分注要素。
請求項１乃至５の何れか一項に記載の液体分注要素において、
各ピストンはテーパされている、液体分注要素。
請求項１乃至６の何れか一項に記載の液体分注要素において、
前記オリフィスは２５μｍと１５０μｍの範囲の直径を有している、液体分注要素。
請求項１乃至７の何れか一項に記載の液体分注要素であって、
実質的に前記分注プレートに平行に設けられていて前記流体流れ経路を画定している上部プレート、を更に備える液体分注要素。
請求項８に記載の液体分注要素において、
前記上部プレートは複数のオリフィスを備え、当該オリフィスを通過するように前記ピストンは構成されている、液体分注要素。
請求項８に記載の液体分注要素において、
前記上部プレートは弾性材料から形成されている、液体分注要素。
請求項１０に記載の液体分注要素において、
前記弾性材料は５０μｍから３００μｍの範囲の厚さを有している、液体分注要素。
請求項１乃至１１の何れか一項に記載の液体分注要素であって、
各オリフィスと対応する前記ピストンとの間のシール、を更に備える液体分注要素。
請求項１乃至１２の何れか一項に記載の液体分注要素のアレイを備えるプリントヘッド。
請求項１３に記載のプリントヘッドであって、請求項８に従属する場合において、
前記上部プレートは前記流体流れ経路を前記圧電トランスデューサからシールしている、プリントヘッド。
請求項１３に記載のプリントヘッドであって、請求項８に従属する場合において、
前記上部プレートは前記ピストンと係合するように構成された一連の突起を有している、プリントヘッド。
請求項１３に記載のプリントヘッドであって、請求項８に従属する場合において、
前記上部プレートは二層構成を有している、プリントヘッド。
液体滴を分注する方法であって、オリフィスを備えた分注プレートを提供する工程と；ピストンを提供する工程であって、前記ピストンが前記分注プレートに近接する第１の位置と前記ピストンが前記分注プレートから離れて遠く隔てられ前記オリフィスを覆う第２の位置との間で可動であるように配置されたピストンを提供する工程と；前記分注プレートの上に液体のストリームを流す工程と；前記オリフィスから滴を出射するキャビテーション事象を生じさせるのに十分な速さで前記ピストンを前記第１の位置から前記第２の位置へ動かす工程であって、前記滴は前記オリフィスよりも小さい直径を有し前記キャビテーション事象によって生じる、前記ピストンを動かす工程と；を備える方法。