JP5133691B2 - 非導電性流体液滴の特定用装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は一般的に、デジタル制御された流体滴下物生成素子の分野に関し、特に非導電性流体で滴下物を生成する素子に関する。

記録媒体への情報のプリントにおけるインクジェットプリンタの利用は、十分に確立されている。この目的に用いられるプリンタは2つのグループに分類される。1つは、連続的に流体滴下物の流れを放出するプリンタで、もう1つは、対応する情報がプリントされるときにのみ滴下物を放出するプリンタである。前者のグループは一般的に、連続式インクジェットプリンタとして知られ、後者のグループはドロップ・オン・デマンド式インクジェットプリンタとして知られている。両グループのプリンタの動作に関する一般的原理は十分に知られている。ドロップ・オン・デマンド式インクジェットプリンタは、家庭用コンピュータシステムで利用されるプリンタにおいて主流を占める。その一方で、連続式インクジェットシステムは、産業用及び業務用に主として利用される。一般的には、連続式インクジェットシステムは、ドロップ・オン・デマンド式よりも高速で高品質の像を生成する。

連続式インクジェットシステムは一般的にプリントヘッドを有する。そのプリントヘッドは、流体用の流体供給システム、及び流体供給部によって供される1つ以上のノズルを有するノズル板を内蔵する。流体はノズル板を介してジェットとなり、1つ以上のほぼ連続した流体の流れを生成する。各液滴流内部では、一部の液滴が記録面上にプリントされるように選択される一方で、他の液滴はプリントされないように選択され、その結果ガターに回収される。ガターアセンブリは一般的に、ガターに回収される液滴の経路中の、ノズル板から下流に位置している。

液滴流を生成するため、液滴生成装置がプリントヘッドに取り付けられている。液滴生成装置は、当技術分野で既知の様々な方法により、ある周波数で、プリントヘッド内部及び外部の流体流を刺激する。その周波数では、連続的な流体流は、ノズル板近傍内における特定の中断点で一連の液滴に分割される。最も単純な場合では、流体流への刺激は、ある固定周波数で実行される。その固定周波数は、特定の流体にとって最適と計算された値で、かつノズルオリフィスから排出される流体ジェット滴下物の固有間隔に一致する。連続して生成される液滴間の距離Sは、ジェット速度v及び刺激周波数fと、v=fSの式で関係づけられる。特許文献1は、一定速度及び質量を有する、連続式インクジェットレコーダにおける、固定周波数での液滴の発生方法を3種類開示している。第1の方法は、ノズルそのものを振動させる方法を有する。第2の方法は、一般的にはノズルを供する空洞内に設けられる圧電トランスデューサの手段によって、ノズル中の流体に圧力変化をかける。第3の方法は、流体ジェットを電気流体力学(EHD)液滴刺激電極で電気流体力学的に励起する方法を有する。

それに加えて、高品質プリント操作に用いられる連続式インクジェットシステムは一般的に、高均一性の製作公差を有し、互いに密接した小さなノズルを必要とする。これらのノズルでの圧力によって流れる流体は一般的に、大きさにして数ピコリットルオーダーの小さな液滴を、10m/sから50m/sの範囲の速度で進行するように排出する。これらの液滴は、数十kHzから数百kHzの範囲のレートで生成される。しっかりとした幾何学的形状で、しっかりと設置された、互いに密接した小さなノズルは、半導体産業において知られるようになったマイクロマシニング技術を用いて構築されて良い。一般的には、これらの方法によって作製されたノズルチャネル板は、マイクロマシニング製造(MEMS)で一般的に用いられているシリコン及び他の材料で作製される。様々な機能を有する、多層に組み合わせられた材料が用いられて良い。そのような機能には伝導性が含まれる。マイクロマシニング技術はエッチングを含んで良い。従って、ノズル板基板に貫通孔がエッチングされることで、ノズルが作製されて良い。これらのエッチング技術は、湿式化学エッチング法、不活性プラズマエッチング法、又は化学反応性プラズマエッチング法を有して良い。これらの他の構造物は、インク供給チャネル及びインク容器を有して良い。よって、ノズルチャネルのアレイは、基板表面を介して、大きな凹部又は容器へ貫通させるようにエッチングすることによって形成されて良い。大きな凹部又は容器それ自体は、基板のもう一方の面をエッチングすることによって形成される。

図1は、導電性流体のジェットを液滴流に励起するのに用いられる、従来技術の電気流体力学(EHD)刺激手段を概略的に図示している。流体供給部10は、ある圧力下で導電性流体12を含む。その圧力は、導電性流体ジェットの状態でノズルチャネル20を介してインクを流す。導電性流体12は接地されているか、さもなければ電流経路を介して接続している。従来技術の液滴刺激電極15は、図1Aの断面図に示されているように、ノズルチャネル20の排出オリフィス21に対してほぼ同心円状である。液滴刺激電極15は一般的に、導電性電極構造13を有する。導電性電極構造13は、表面メタライゼーション層を含む様々な導電性材料から、又はある伝導性レベルを実現するためにドーピングされた1層以上の半導体基板から作製される。従来技術の導電性電極構造13は、刺激信号駆動装置17と電気的に接続する。刺激信号駆動装置17は、刺激信号19に従って、選択された電圧振幅、周期及び時間に対する関数関係を有する電位波形を生成する。図1では、刺激信号19の例は、50%の負荷サイクルを有する単極性方形波を有する。その結果生成されるEHD刺激は、排出オリフィス21近傍の導電性流体12の表面で生成される電場強度の2乗の関数である。そのEHD刺激は、導電性流体ジェット22内に電荷を誘起し、そのジェットに沿って圧力変化を生じさせる。導電性電極構造13は、1層以上の絶縁層24によって被覆されている。1層以上の絶縁層24は、導電性流体12の電場の破綻、過剰な電流引き込み、及び/又は抵抗加熱を防ぐために、液滴刺激電極15を導電性流体12から隔離するのに必要である。導電性流体ジェット22を電気流体力学的に刺激することで、中断点26に生成される液滴を生成するため、導電性流体12は、電荷が接地された流体供給部10から流体を介して移動できるくらい十分な導電性を有していなければならない。導電性流体が用いられるため、刺激電場の外側の流体ジェット柱内では、不均一な電荷分布をとることができない。電気流体力学的刺激効果は、ノズルオリフィス20で導電性流体12内に電荷が絶え間なく誘起されるために起こる。刺激信号19の正確に選択された周波数では、中断点26で中断が起こるまで、圧力の変化によって生じる摂動が、導電性流体ジェット22で大きくなる。

液滴の連続流中のプリントされない液滴からプリントされる液滴を区別すなわち特徴づけるための様々な手段が、当技術分野で説明されてきた。一般的に用いられている1つの方法は、特許文献2及び特許文献3で説明されているような、選択された液滴を静電的に帯電させ、かつ静電的に偏向させる方法である。これらの特許では、帯電電極は、流体ジェットの中断点に隣接して設けられている。この電極に電圧が印加されることで、液滴が流体から分離される領域内に電場が発生する。帯電電極の機能は、液滴が流体ジェットから分離するように、液滴を選択的に帯電させることである。

再度図1を参照すると、典型的な従来技術の静電液滴特定用手段は帯電電極30を有する。導電性流体12は、電流の戻り経路が流体供給部10を介して存在するように用いられる（たとえば接地を介して）。帯電電極30によって発生する電場の影響下にある特定の液滴中に電荷が誘起される。この液滴の電荷は、流体ジェット22から分離するときに、液滴上に固定される。帯電電極30は、帯電電極駆動装置32と電気的に接続する。帯電電極30は、時間変化する電圧によって駆動される。電圧は、導電性流体12を介して、流体流端部へ電荷を引きつける。流体流端部では、一旦液滴がジェット22から分離すると、電荷は帯電した液滴34に固定すなわち捕獲される。

これらの従来技術のシステムでは、生成される液滴を有効に帯電させるには、流体12の伝導性は高レベルであることが求められる。静電液滴特定用手段を利用する従来技術のインクジェットプリントヘッドは一般的に、5mS/cmオーダーの伝導性を有する導電性流体12を用いる。これらの伝導性レベルによって、下流での静電偏向が可能になるほどに十分な電荷を、帯電液滴34に誘起することが可能となる。液滴帯電に必要な伝導性は一般的に、液滴刺激に必要な伝導性よりもはるかに大きい。一般的には、帯電に適した導電性流体はまた、EHDの原理を用いることによって刺激させても良い。従来技術のインクジェットシステムで液滴を選択的に帯電させることによって、各液滴を明確にすることができる。つまり、導電性インクは、様々なレベル及び極性の電荷を、液滴に選択的に誘起させることができる。それにより、液滴が様々な目的で特定できる。そのような目的は、プリントに用いられる液滴又はプリントに用いられない液滴の各々を選択的に明らかにする工程を有して良い。

再度、図1に図示されている従来技術のシステムを参照すると、帯電電極駆動装置32によって生成される電位波形が、生成された液滴がどのように明らかにされるのかを決定する。電位波形は、生成された液滴のうちのどれがプリント用に選択され、どれがプリント用に選択されないのかを決定する。この例の液滴は、図示されているように、帯電液滴34及び非帯電液滴36に帯電されることによって特定される。特定の液滴を特定することが、その液滴がプリントに用いられるのか否かに依存するので、電位波形は一般的に、1つ以上のシステムコントローラ（図示されていない）によって供されるプリントデータ流の少なくとも一部に基づく。プリントデータ流は一般的に、液滴流内のどの特定液滴がプリントに用いられ、又は用いられないのかについての命令を有する。従って、電位波形は、生成される特定像の像内容に従って変化する。

それに加えて、電位波形はまた、たとえばプリント用に選択された液滴の正確な位置設定のような、様々なプリント品質態様を改善するのに用いられる方法にも基づいて良い。ガードドロップ法(guard drop scheme)は、これらの方法の一例である。ガードドロップ法は一般的に、液滴の連続流内において、特定液滴の規則的な繰り返しパターンを画定する。プリントデータ流によって要求された場合にプリントに用いられるように選択されることのできる、これら特定の液滴は、“プリント選択可能な(print-selectable)”液滴と呼ばれる。そのパターンは、さらなる液滴がプリント可能な液滴を分離するように、さらに備えられている。これらのさらなる液滴は、プリントデータ流に関係なくプリントには用いることができない。このような液滴は、“プリント選択不可能な”液滴と呼ばれる。プリント選択不可能な液滴によるプリント選択可能な液滴の分離は、連続するプリント選択可能な液滴間での意図しない静電場効果を最小限にするために行われる。ガードドロップ法は、1つ以上のシステムコントローラ（図示されていない）にプログラムされて良く、従ってプリント可能な液滴を画定するために電位を変更する。従って電圧波形は、プリントデータ流及び利用されるガードドロップ法に従って、液滴流内の個々の液滴を選択的に帯電させることによって、非プリント液滴からプリント液滴を明らかにする。

図1に図示された従来技術のシステムを再度参照すると、明らかにされた液滴の軌跡の近くに設けられる静電偏向板38は、帯電液滴34の電荷及び板間の電場に従って帯電液滴34を導くことによって、帯電液滴34と相互作用する。この例では、偏向板38によって偏向される帯電液滴34は、ガター40に回収される。その一方で、非帯電液滴36は、実質的に偏向されずに通過し、受像面42に塗布される。別なシステムでは、この状況は逆であって良い。つまり、偏向した帯電液滴が受像面42に塗布される。いずれの場合においても、帯電電極駆動装置32が、最適な電荷レベルが液滴に輸送されることを保証するために刺激用信号駆動装置17と同期しなければならないため、さらに複雑化する。最適な電荷レベルが液滴に輸送されることを保証することにより、記録装置の基本設計に従った、正確な液滴プリント又はガターへの回収が保証される。これらの同期に関する制約は、刺激から離れた場所及び時間での導電性流体液滴を帯電又は特定した結果起こる。たとえ従来技術の静電特定及び偏向システムは、大きな液滴の偏向を可能にする点で有利であるとしても、基本的には導電性流体しか使えないために、これらのシステムの用途が限定されてしまうとことが欠点である。

商業上でのインクジェット利用では、流体特性は広範囲であることが望ましい。ジェットインクは、油、溶媒、高分子又は水で構成される流体媒体中に懸濁又は溶解する染料又は色素で作られて良い。これらの流体は一般的に、粘性、表面張力及び伝導性を含む、広範にわたる物理的特性を有する。これらの流体の中には非導電性流体であるので、その伝導性は、導電性流体液滴の選択的静電帯電及び偏向に依存する連続式インクジェットシステムで用いるには不十分なレベルであると思われるものがある。

非導電性流体を刺激することで一連の液滴を生成し、かつ一連の液滴を明らかにすることで、“プリント”液滴及び“非プリント”液滴を生成する様々なシステム及び方法が提案されてきた。たとえば特許文献4は、ノズルから放出されるジェット中の導電性流体液滴をEHD刺激するのに有用なモノリシック構造の利用について説明している。

特許文献5及び特許文献6は、液滴が非導電性流体流から刺激されない、様々なインクジェットプリントヘッドの構造について説明している。むしろプリントヘッドは、プリントヘッドノズル自体の内部にEHDポンプを有する。液滴は、ドロップ・オン・デマンド式プリンタと同様の方法で、流体供給部から排出される。

特許文献7は、非プリントインク液滴を液滴捕獲装置に向かって偏向させる第1空気制御偏向装置の利用について説明している。第2空気制御偏向装置は、行単位プリント用に“オン・オフ”に基づいて動作するか、又は文字単位のプリント用に連続的に動作するかのいずれである。

特許文献8は、連続式インクジェット記録装置で生成される個々の液滴を生成及び偏向する非対称的ヒーターの利用について説明している。液滴の偏向は、ジェットが非対称的に加熱されることによって生じる。

特許文献9は、中断点の上流での偏向電極の利用について説明している。中断点の上流から、液滴が対応するジェットから生成される。流体流によって生成される液滴は、周期的に異なる電荷信号を偏向電極に印加することによって、様々な横方向の距離を有するプリント位置に導かれる。このことにより、液滴を所望のプリント位置へ導く、中断しない流体流の偏向が生じる。
米国特許第3596275号明細書 米国特許第1941001号明細書 米国特許第3373437号明細書 米国特許第3949410号明細書 米国特許第6312110号明細書 米国特許第6154226号明細書 米国特許第4190844号明細書 米国特許第6079821号明細書 米国特許第4123760号明細書 米国特許第6554410号明細書

非導電性流体液滴又は非導電性流体ジェットから生成される液滴を明らかにする装置及び方法を提供する必要があると思われる。

本発明の態様に従うと、非導電性流体ジェットから生成される液滴を明らかにする装置は、ノズルチャネル、ノズルチャネルと流体のやり取りをする非導電性流体の加圧源、及び特定用電極を有する。加圧源は、ノズルチャネルを介する非導電性流体のジェットを生成するように動作することができる。特定用電極の少なくとも一部は導電性で、かつ非導電性流体ジェットの第1部分との接触が可能で、その後非導電性流体ジェットの第2部分との接触が可能である。前記特定用電極の前記少なくとも一部は、第1電荷を非導電性流体ジェットの第1部分の領域に移送し、かつ第2電荷を非導電性流体ジェットの第2部分の領域に移送するように動作できる。非導電性流体ジェットの第1部分から生成される第1流体液滴は第1特性を有し、非導電性流体ジェットの第2部分から生成される第2流体液滴は第2特性を有する。

本発明の別な態様に従うと、流体液滴を特定する方法は、非導電性流体ジェットを供する工程、特定用電極の導電性部分に第1電荷を供する工程、第1電荷を、特定用電極の導電性部分から非導電性流体ジェットの第1部分へ移送することによって、非導電性流体ジェットの第1部分から生成される第1流体液滴を特定する工程、特定用電極の導電性部分に第2電荷を供する工程、及び第2電荷を、特定用電極の導電性部分から非導電性流体ジェットの第2部分へ移送することによって、非導電性流体ジェットの第2部分から生成される第2流体液滴を特定する工程を有する。

本発明の別な態様に従うと、非導電性流体ジェットから生成される流体液滴を特定する電極は、少なくとも1つの導電性部分を有する。その少なくとも1つの導電性部分は、非導電性流体の第1部分と接触し、その後非導電性流体の第2部分と接触することができる。前記少なくとも1つの導電性部分は、第1電荷を非導電性流体ジェットの第1部分へ移送し、かつ第2電荷を非導電性流体ジェットの第2部分へ移送するように動作できる。

本発明の別な態様に従うと、非導電性流体ジェットから生成される流体液滴を特定する装置は、ノズルチャネル、ノズルチャネルと流体のやり取りをする非導電性流体の加圧源、及び電極を有する。加圧源は、ノズルチャネルを介して非導電性流体ジェットを供するように動作できる。前記電極の少なくとも一部は導電性で、かつ非導電性流体ジェットと接触できる。前記電極の少なくとも1つの導電性部分は、第1電荷を非導電性流体ジェットの一部に移送するように動作できる。非導電性流体ジェットから生成される流体液滴は特性を有する。

本発明の別な態様に従うと、流体液滴を特定する方法は、非導電性流体ジェットを供する工程、電極の導電性部分に第1電荷を供する工程、第1電荷を、電極の導電性部分から非導電性流体ジェットの一部へ移送することによって、非導電性流体ジェットから生成される流体液滴を特定する工程を有する。電極の導電性部分から電荷を移送する工程は、非導電性流体ジェットと電極の導電性部分とを接触させる工程を有する。

本発明の別な態様に従うと、液滴流が、非導電性流体の対応するジェットから生成される。各液滴は、特定の目的のために特定される。そのような目的には、プリントに利用できるように特定液滴を特定することが含まれる。あるいはその代わりに、液滴は、ガター回収手段に処理されるように特定されても良い。所与の目的のために選択される各液滴は、別な目的のために特定された他の液滴と区別されるように特定される。

液滴を特定する電極は、非導電性流体液滴流中の各液滴を特定するのに用いられる。液滴特定用電極は、非導電性流体ジェットの1つ以上の領域に電荷を移送する。ジェットは、特定の液滴がジェットの対応する領域から生成されるように刺激される。特定液滴の少なくとも一部は、対応する領域、又は液滴が生成される領域に移送された電荷によって、特定されることが可能である。

1つ以上のシステム制御装置は、液滴特定信号を生成かつ提供するのに用いられる。液滴特定信号は信号波形を有し、その信号波形はプリントデータ流に従って構築され、そのプリントデータ流は、所望の像を連続的に記録するのに必要なプリント用及び非プリント用液滴の選択された順序を定義する。液滴特定信号波形はまた、ガードドロップ法に従って構築されても良い。

液滴特定用信号は、液滴特定駆動装置として知られている電気駆動装置へ供される。その液滴特定用装置は、電位波形を液滴特定用電極に供することで、ジェットの様々な領域へ選択的に電荷を移送する。液滴特定用電極は、様々な特定電荷を、液滴特定用信号の特定情報に従って、ジェットの様々な領域へ移送することが可能である。様々な特定用電荷は、様々な大きさ又は極性を有して良い。特定用電荷は、意図した目的に従って印加されて良い。意図した目的とは、特定液滴が、これらの電荷の少なくとも一部を有することである。

たとえ液滴特定用電極が電荷の移送によって選択的に液滴を特定する能力を有するとしても、さらにこの電荷移送から液滴を生成する能力をも有する。電荷の移送は、非導電性ジェットを刺激して液滴を生成するのに用いられて良い。液滴特定用信号は、様々な波形を有して良い。その様々な波形により、様々な大きさの液滴からなる液滴流が生成される。液滴中の如何なる所与の液滴も、液滴用に選択された所望の特性を表す特定の大きさ又は体積で選択的に生成されることで、特定可能である。

上述の典型的な態様及び実施例に加えて、さらに別な態様及び実施例は、以降の図及び説明を参照することで明らかになる。

ここでの説明は特に、本発明に従った装置及び方法の一部を形成し、かつそれらと直接的に協働する素子に関する。特に図示又は説明されない素子は、当業者に周知である様々な形態をとって良いことに留意すべきである。

図2は、本発明の典型的実施例を有するプリント装置50を概略的に図示している。プリント装置50は筐体52を有して良い。筐体52は、箱、閉じた構造物、連続した面又は内部チャンバを画定する他の筐体のうちのいずれかを有して良い。図2の実施例では、筐体52の内部チャンバ54は、インクジェットプリントヘッド56、インクジェットプリントヘッド56に対する受像面42の位置を設定する並進ユニット58、及びシステム制御装置60を保持する。システム制御装置60は、マイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ、マイクロ制御装置、又は電気、電気機械及び電気光学回路の他の既知である構成を有して良い。システム制御装置60が有するこれらの構成部品は、インクジェットプリントヘッド56及び並進ユニット58へ信号を確実に伝送することで、非導電性流体ドナー流体62が受像面42でパターン状に配置できるようになる。システム制御装置60は、単一又は複数の制御装置を有して良い。

図2に図示されているように、インクジェットプリントヘッド56は、加圧容器又はポンプ構成のような、加圧された非導電性ドナー流体64の源、及びノズルチャネル20を有する。ノズルチャネル20により、その加圧された非導電性ドナー流体64は、受像面42へ向かって第1方向に進行する非導電性流体ジェット63を生成することが可能となる。液滴生成回路66は、液滴刺激用（つまり生成）電極100と電気的にやり取りする。液滴刺激用（つまり生成）信号に応答して、液滴刺激用電極100は、非導電性流体ジェット63に力を印加し、流体ジェット63を不安定にさせることで、中断点26で液滴流70を生成する。当業者に周知であるタイミング回路のような液滴生成回路66内部の個々の部品又は集積された部品は、液滴を生成するための液滴刺激用信号を発生するのに用いられて良い。

液滴70の流れの中の選択された液滴は、以降で説明される本発明の実施例にあるように、プリントされる液滴とプリントされない液滴とに特定されて良い。プリント装置50は、液滴70の流れの中で選択された液滴を特定する、本発明の実施例で説明されている方法及び装置を用いて良い。本発明の実施例は、液滴を選択的に特定するのに液滴刺激用電極100を用いて良い。この特定方法に基づいて、液滴刺激用手段74は、プリント用液滴を他の液滴から分離するのに用いられる。液滴分離手段74は、用いられる特定法に基づいて液滴を分離できる如何なる適切な手段を有して良い。無制限に、液滴分離手段74は、1つ以上の静電偏向板を有して良い。その1つ以上の静電偏向板は、特定法が液滴の選択的帯電を有するとき、静電力を印加することで液滴70の流れの中で液滴を分離するように動作できる。液滴が、各異なる大きさ及び体積で選択的に生成されることによって特徴づけられるとき、液滴分離手段74は、ジーンマイア(Jeanmaire)他によって特許文献10で説明されている横方向ガス偏向装置を有して良い。特許文献10では、連続式ガス源が、液滴流に対してある角度をなす位置に設けられている。ガス源は、液滴流と相互作用するように動作できることで、ある1種類の液滴体積からなる液滴を、それとは別な大きさの液滴体積からなる液滴から分離する。図2に図示されているように、液滴分離手段74は、第1特性を有する液滴を受像面42に塗布する一方で、第2特性を有する他の液滴をガター40へ送る。

本明細書で説明される実施例では、インクジェットプリントヘッド56内で非導電性ドナー流体62を刺激する、少なくとも1つの装置及び方法が説明されている。それに加えて、非導電性流体ジェット63から生成された液滴を選択的に特定する、少なくとも1つの装置及び方法が説明されている。非導電性流体62はインクに限定されず、本発明の実施例で説明されているように、ジェット及び選択的に特定された液滴を生成できる如何なる非導電性流体を有して良い。一般的には、非導電性ドナー流体62は、冷却剤、インク、色素又は他の像生成材料を運ぶ。しかしドナー流体62はまた、誘電材料、絶縁材料又は他の機能材料をも運んで良い。

さらに図2に図示された実施例では、一般的には紙である受像媒体を有する受像面42が図示されている。しかし本発明はそのようには限定されず、受像面42は多数の形状及び形態を有して良い。また受像面42は、一貫した方法で非導電性流体62のパターンを与えることのできる如何なる種類の材料で構成されても良い。それに加えて、図2に図示された実施例では、モーター76、及び静止したインクジェットプリントヘッド56に対して紙の受像面42を選択的に位置設定するように配置されているローラー78を有する並進ユニット58が図示されている。これも簡便のために図示されており、受像面42は如何なる型の受像面42であって良く、かつ並進ユニット58は、受像面42及びインクジェットプリントヘッド56のいずれか1つを動かし、互いの位置設定をする。

図3は、非導電性流体ジェット63からの液滴70の流れを刺激する液滴刺激用電極100を概略的に図示している。流体供給部64は、ある圧力下で非導電性流体62を有する。その圧力は、ノズルチャネル20を介する非導電性流体62をジェットの状態にする。液滴刺激用電極100は、導電性材料で構成されるのが好ましく、かつ排出オリフィス21に対して同心円状であることが好ましい。液滴刺激用駆動装置102と一緒になった液滴刺激用電極100は、液滴流への非導電性流体ジェットを電気流体力学的に刺激するように動作できる。

液滴刺激用電極100は、非導電性ドナー流体62と直接電気的にやり取りするように備えられている。液滴刺激用電極100は、それ自体が導電性であるか、又は非導電性ドナー流体62に近接する少なくとも1層の導電性電気コンタクト層112を有していなければならない。理想的には、電気コンタクト層は、非導電性ドナー流体62の組成物に対して適切な耐摩耗性及び耐化学性を有する材料から製造されなければならない。液滴刺激用電極100は、様々なマイクロマシニング法によって構築されて良く、かつ基板110上で、又は基板110から形成されて良い。電気コンタクト層112は、表面メタライゼーション層から構成されて良い。表面メタライゼーション層は一般的に、特に基板110が導電特性を有するときには、1層以上の絶縁層114上に堆積される。本発明の実施例に適している基板110は、ガラス、金属、ポリマー、セラミックス、及び様々な導電性のレベルにドーピングされた半導体を有して良いが、これらに限定されるわけではない。

図4は、本発明の実施例に用いることのできる複数の液滴刺激用電極100を有する基板110の断面を図示している。各液滴刺激用電極100は、ノズルチャネルの排出オリフィス21を取り囲む電気コンタクト層112を有する。図4に図示されているように、電気コンタクト層112は、絶縁層114上に形成される金属層115から構成される。絶縁層114は、基板110から金属層115を隔離する。基板110は、本実施例では導電性基板である。ノズルチャネル20及びそれらに対応する排出オリフィス21は、エッチングによって形成されて良い。エッチングは、反応性イオンエッチングであることが好ましい。好適には二酸化シリコンで構成される絶縁層114はまた、ノズルチャネル20の内側面に成膜されることで、金属層115と基板110との間を電気的にさらに隔離して良い。任意で金属層115はまた、絶縁層114の一部の上に成膜されても良い。絶縁層114は、ノズルチャネル21の内側面を覆って良い。図3に図示されているように、ノズルチャネル20は、集積アセンブリに組み込まれた、基板110中の対応する開口部、絶縁層114及び電気コンタクト層112によって画定されて良い。この実施例では、電気コンタクト層112は、ジェット63が放出される排出オリフィス21を画定する。

図5に図示されているように、電気コンタクト層112は、ノズルチャネル20周辺でパターニングされることで、各ノズルオリフィス100に設けられた各液滴刺激用電極100への様々な電流経路を形成して良い。電気コンタクト層135は、各独立した電流経路に形成されて良い。電気リード線は、たとえばワイヤボンディングのような手段によって電流経路に取り付けられて良い。ノズル穴を取り囲む各電極を独立して駆動するため、分離した液滴刺激用駆動装置102（たとえば図3に図示されているようなもの）は、各電気リード線と接続して良い。あるいはその代わりに、液滴刺激用電極駆動装置102は、基板110に組み込まれても良い。

図5では、ノズルが2つの平行列をなすように基板上に配置されている。固定された間隔Aで、各列内のノズルチャネル20は互いに分離している。列自体は、距離Bによって互いに分離している。この配置では、2列の各々でのノズルチャネル20は、共に同一の中心間距離Aを有するが、列それ自体は、この間隔より小さな値で補正されて良い。このように構築することで、大きな間隔を有する（つまり解像度が低い）2列のノズルは、列同士を組み合わせることで実効的間隔の小さな（つまり解像度の高い）系を形成することが可能となる。2つの列の間隔B、及び所与の列内におけるノズルの間隔Aは一般的に、基板表面上の電気コンタクト135の余地をより大きくすることができるので、各異なるノズルチャネル20によって生成された液滴間での静電相互作用が減少するだけでなく、導電性経路130間での相互作用も減少する。本発明の他の実施例は、ノズルチャネル20及び液滴刺激用電極100に関して様々な配置を有して良い。

再度図4を参照すると、電気コンタクト層112が金属層115を有するとき、ノズルチャネル20周辺の金属層115がパターニングされる前に、1つ以上のノズルチャネル20がまず基板110内でエッチングされて良い。本発明のさらに別な実施例では、金属層115はまず、基板110上でパターニングされて良い。それにより、ノズルチャネル20の意図した位置を有するパターンが登録される。マスクとしてパターニングされた金属を用いることによって、ノズルチャネル20は、基板110を貫通するようにエッチングされて良い。

たとえ電気コンタクト層112が金属層を有して良いとしても、十分な導電性を有し、かつジェットとなる所望の非導電性流体との相性がよい特性を有する他の材料が用いられても良い。最先端のMEMS製造技術が用いられるとき、液滴刺激用電極100は、導電性を含む必要な特性を有する適切な半導体基板から作製されて良い。さらに、たとえ最先端のMEMS製造技術により製造される液滴刺激用電極について説明されているとしても、このことは限定と解されるべきことではない。そのようなものとして、本発明のさらに別な典型的実施例は、当技術分野で既知となっている適切な製造技術を用いることによって、適切な材料から製造される液滴刺激用電極を有して良い。

図3、図4及び図5に図示されているように、電気コンタクト層112内の開口部は、排出オリフィス周辺に設けられ、かつそのオリフィスと同程度の大きさを有する。それにより、非導電性流体62が排出オリフィスからジェットされるときに電気コンタクト層が非導電性流体62と直接的に接する。電気コンタクト層112の位置は、これらの図に示された実施例に限定されない。本発明の代替的実施例は、液滴刺激用電極を有して良い。その液滴刺激用電極は、ノズルチャネル20の内側表面上に設けられた電気コンタクト層112を有する。電気コンタクト層112が非導電性ドナー流体62に近接する限り、液滴刺激用電極の設置場所は変化して良い。近接していることで、非導電性流体ジェット63を刺激することで液滴70の流れを生成するために、電荷を非導電性ドナー流体62へ移送することが可能となる。

液滴刺激用駆動装置102の影響下で、液滴刺激用電極100は一般的に、装置上の複数の位置に設けられている接地点に対してある電位で駆動する。接地点の取り得る位置の1つは、導電性基板の一部であって良い。図3に図示されているように、その導電性基板は、1つ以上のノズルチャネル20を有するノズル板を形成する。所与の刺激用電位で流体ジェット63に移送される電荷量は、接地位置に依存して変化し、一般的には接地点が液滴刺激用電極から離れることで小さくなる。

図3に図示された本発明の典型的な実施例では、非導電性流体ジェット63の電気流体力学的刺激により、液滴70の流れが生成される。外側半径圧力が大きくなる結果、液滴の生成が可能となる。外側半径圧力の増大は、液滴刺激用電極100によってジェット63の表面に移送される“同種の”電荷の反発に起因する。たとえ本発明のこの典型的実施例が、非導電性流体ジェットへの電荷の移送による電気流体力学的な圧力の増大について説明しているとしても、これらの電気流体力学的圧力は、複数の機構によって発生しうる。主な機構は、電場中の自由電荷に作用するクーロン力に起因すると思われる。自由電荷は一般的に、注入されるか、又は流体と接する高電位の電極から流体へ直接移送される。非導電性流体に電気流体力学的圧力を発生させる第2の機構は、電荷分極効果及び電気歪み効果を含んで良い。たとえ非導電性流体中に電荷を確立することによるEHD圧力効果の誘起が一般的に、直接的電荷移送に起因するとしても、他のEHD機構もこれらの効果の確率に寄与しうることに留意すべきである。

非導電性流体ジェットを刺激し、反対符号を有する電荷を、ジェットの周辺に位置する様々な領域へ移送することによって液滴流を生成することもまた可能である。そのような場合では、液滴は、移送される反対符号を有する電荷の引力によって生じるピンチ効果によって生成することができる。これらの場合、液滴刺激用電極は、複数の対応する電極部分に分割されて良い。所望の極性を有する電荷でジェットの各対応する領域を帯電させる個々の液滴刺激用駆動装置によって、液滴刺激用電極の各部分は駆動されて良い。そのような場合には、正味としては中性の電荷を有する液滴を生成することができる。

図6及び図6Aは、本発明に従った液滴刺激用電極100の別な典型的実施例を図示している。液滴刺激用電極100は、複数の導電性部分112A及び112Bを有する。この実施例では、液滴刺激用電極100は、2つの電気コンタクト層部分112A及び112Bに分割される。各層は、非導電性流体ジェット63の対向する領域と近接するように備えられている。それぞれが分離している液滴刺激用駆動装置102A及び102Bは、それぞれが分離している電気コンタクト層部分112A及び112Bと電気的に接続する。液滴刺激用駆動装置102A及び102Bは、2つの液滴刺激用信号72A及び72Bによって駆動する。各液滴刺激用信号はたとえば、負荷サイクルが50%の単極性方形信号の波形を有して良い。たとえ2つの信号波形が、実質的に等しい振幅及び波長を有するとしても、それぞれの極性が異なっているので、2つの信号は異なっている。

液滴刺激用電極72A及び72Bの影響下では、対応する電位波形が生成される。そこでは、正の電荷が非導電性流体ジェット63の一部である第1領域138に付与される一方で、負の電荷が非導電性流体ジェット63の一部である第2領域139に付与される。2つの領域は、互いに対向した位置にあるのが好ましい。非導電性流体ジェット63の対向する領域に、大きさは等しいが異なる極性の電荷が付与されることで、2つの領域を有する流体の一部での正味の電荷は、実質的にゼロになる。しかし、これらの異なる電荷の引力により、これらの領域で、非導電性流体ジェット63への電気流体力学的ピンチ効果が発生する。その結果、異なった帯電状態の領域間に位置するジェットの領域から液滴が生成される。さらに、正と負の電荷が等しく分布した状態で、中断後に液滴に移送されるので、液滴70の全体としての電荷は、実質的に中性である。生成された液滴は、実質的に等しく帯電し、かつ実質的に等しい大きさを有する。液滴刺激用電極72Aと液滴刺激用電極72Bとは両方とも、異なる電荷分布における対向する領域が、ピンチ効果を発生させる位置になるように同期する。

図3に図示された、液滴刺激用電極100の実施例によって示された刺激効果はまた、液滴刺激用電極102A及び102Bの各々に、同一波形（極性も含まれる）を有する液滴刺激用信号を同期させて供するだけで、図6に図示された電極の実施例でも実質的に再現できることに留意すべきである。

再度図3を参照すると、液滴刺激用駆動装置102は、選択された電圧振幅、周期、及び時間に対する関数関係を有する電位波形（図示されていない）を発生させる。この電位波形は、非導電性流体ジェット63の様々な領域を交互に帯電させる。本明細書で説明されているように、非導電性流体ジェットの領域は、液滴刺激用電極の電気コンタクト面によって近接するジェットの領域を有して良く、このことは、電荷がその領域に移送されるか否かに依存しない。そのようなものとして、領域は、ジェットの周囲を延在する表面領域全体、又はその一部を有して良い。所望の液滴生成特性に従うと、帯電領域120は、非導電性流体ジェット63の様々な帯電部分に相当する一方で、非帯電領域125は、ジェットの非帯電部分に相当する。電位波形の適切に選択された周波数では、液滴がさらに下流となる位置でジェットから中断するまで、非導電性流体ジェット63上でこれらの帯電及び非帯電領域から生じた摂動は大きくなる。

非導電性流体ジェット63からの液滴の中断は、中断点26で起こる。簡明を期すため、この液滴の中断は、図3では誇張して表されているが、中断の開始は、液滴間隔の何倍ものオーダーをとって良い。典型的には、”S”が生成された液滴間の中心間距離とすると、20Sである。従来技術の連続式インクジェットプリンタで、電気流体力学的に液滴が生成される間、刺激による電荷の再分布はすぐに消失する。その理由は、導電性流体が用いられるからである。本発明では、非導電性流体に移送され、その結果として、ジェットのEHD刺激を引き起こす電荷はすぐには消失しない。図3に図示されているように、非導電性流体ジェット63が、帯電領域120の間にある領域で分離することで、液滴が生成される。液滴刺激用信号72の非限定的実施例は、50%の負荷サイクルを有する単極性方形波を含む。図3に図示されているように、刺激用信号波形72が事実上均一でかつ周期的なため、結果として生成されるそれぞれの液滴は、実質的に等しい大きさすなわち体積を有し、等しい中心間距離で互いに均等に分離している。液滴の電荷レベル及び帯電の均一性は、液滴刺激用電極100に印加される電位波形、及び液滴が中断する前における流体ジェット63を介した電荷の漏れによって制御される。液滴刺激用電極100は、非導電性流体ジェットからの液滴への刺激と帯電を同時に起こす。

本発明の実施例では、非導電性流体ジェットからの液滴への刺激を誘起する電荷を、生成される液滴に“固定”することが可能となる。この電荷の“固定”により、生成された液滴は様々な目的で特定可能となる。前記目的には、プリントに用いられるか否かの判断が含まれて良い。本発明の様々な実施例では、刺激された非導電性流体ジェット63から生成される選択された液滴が生成される間、刺激用信号波形の様々な部分が必ず同一とはならないように、特定は一般的に、液滴刺激用信号72の調節を必要とする。液滴刺激用信号72の信号波形の一部は、複数の形式について変化して良い。そのような形式には、振幅、周期、パルス幅及び極性が含まれるが、それらに限定されるわけではない。液滴刺激用信号72の信号波形の一部は、様々な電荷レベル、電荷極性又は様々な大きさすなわち体積を有する液滴70の流れの中にある選択された液滴を特定するために変化して良い。これらの特別な特定法は、様々な目的で各液滴を少なくとも部分的に区別するのに用いられて良い。その目的には、特定の各液滴が、プリントされるか否かも含まれる。そのような液滴刺激用信号72の調節は、各異なって特定された液滴の中断時間を変化させてしまうと思われるが、本発明の実施例で説明されているような液滴刺激用機構には基本的に影響を及ぼさない。

液滴刺激用信号72が、非導電性流体ジェットの刺激から生成される液滴を特定するために変化するとき、液滴刺激用信号72は液滴特定用信号140となる。液滴特定用信号140は、液滴刺激用駆動装置102に供される。液滴刺激用駆動装置102は、液滴刺激用電極100に供される電位波形を生成する。この電位波形が、非導電性流体ジェット63から生成される液滴を選択的に特定するのに用いられるため、液滴刺激用駆動装置102及び液滴刺激用電極100はそれぞれ、液滴特定用駆動装置145及び液滴特定用電極150と呼ばれる。無制限に、液滴特定用電極150の典型的実施例は、これまでに参照されてきた液滴刺激用電極100の如何なる実施例をも含んで良い。

図7を参照すると、液滴特定用電極150は少なくとも1層の電気コンタクト層112を有し、液滴が生成される非導電性流体ジェット63の領域へ少なくとも部分的に、電荷を移送することによって非導電性流体を選択的に特定するように動作できる。前記少なくとも1層の電気コンタクト層112は、非導電性流体ジェット63と接するように備えられ、かつ位置設定される。前記少なくとも1層の電気コンタクト層112は、流体ジェット63の少なくとも1つの領域へ電荷を移送する能力を有する。液滴が生成されたジェットの一部である領域へ移送される電荷の一部によって、液滴は選択的に特定可能となる。液滴は、様々な目的で特定されて良い。そのような目的には、液滴をプリントするか否かが含まれて良い。

図7に図示されているように、本発明の典型的実施例は、液滴特定用信号140を有し、その液滴特定用信号140は、様々な体積を有する液滴を生成するのに用いることが可能である、典型的な信号波形を有する。液滴特定用信号140は、液滴特定用駆動装置145に供される。液滴特定用信号140は、様々な周期及びパルス幅をとる波形を有する。液滴特定用信号140の各パルスは、特定のパルス幅を有するように選ばれる。特定のパルス幅は、本実施例では、2つのパルス幅のうちの1つを有する。連続するパルス間の間隔は、その連続するパルスが同一のパルス幅を有しているか否かに関係なく、一定レベルに維持されている。それにより、波形の周期は様々な値をとる。液滴特定用電極150は、様々なパルス幅及び周期属性を有する、対応する電位波形を生成する。

本発明のこの典型的実施例では、液滴特定用信号140は、2つの異なる正のパルス幅の間で変化する。よって、非導電性流体ジェットの各領域に電荷が移送される期間は、これらの様々なパルス幅に従って異なる。たとえば、非導電性流体ジェット63が一定速度で進行するので、帯電領域120Aの長さは帯電領域120Bの長さと異なる。つまり帯電領域120Bは、より長い時間をかけて電荷が移送されるため、長くなる。非導電性流体ジェット63のこれらの領域への電荷の移送は、中断点26での液滴流の生成を引き起こす。連続して生成される液滴間の距離は一般的に、液滴特定用信号140の周期の変化に従って変化する。大きな液滴152及び小さな液滴154に例示されているように、生成される液滴の大きさはそれぞれ異なる。その理由は、各液滴の体積は、液滴を生成した特定用パルスのパルス幅に依存するからである。本発明のこの実施例では、所与の液滴体積は一般的に、信号波形の周期変化に依存する。

一般的には、生成される液滴の電荷と質量との比がほぼ一定である動作領域が存在する。電位波形のパルス幅は、電荷が移送される非導電性ジェットの領域の長さを決定する。そのジェットにおけるこの領域から生成される液滴の体積又は質量は、その領域の長さに比例する。移送される電荷の大きさは、非導電性流体ジェットの領域へ電荷を移送するのに用いられる、特定の電位波形パルスの負荷サイクル及び振幅に比例する。液滴特定用信号140の波形が変化する、図7に図示された本発明の実施例では、様々な大きさの非導電性流体が生成されるが、各液滴は実質的に等しいq/m比を有する。一般的には、従来の静電的手段を用いて、これらの液滴を特定かつ分離することは可能ではない。

そのような液滴が選択的に様々な電荷を有するにも関わらず、液滴の質量もまた、液滴の電荷レベルに直接比例して変化する。従来の静電的偏向手段は、電荷qを有する粒子に大きさFの力を印加する大きさEの電場を用いる。力の大きさFは、F=qEの関係式によって決定することが可能である。質量mの粒子が受ける静電場での偏向の大きさは、粒子の加速度aに比例する。加速度aは、関係式a=F/m又はa=(q/m)Eに従って決定することが可能である。この関係式は、所与の偏向場が存在する中での粒子の加速度は、電荷と質量との比に等しく、そのように特定された粒子は、従来の静電的方法では分離できないことを示唆している。

再度図7を参照すると、生成された各液滴は、複数の液滴サイズすなわち液滴体積のうちの1つで構成されているため、特定可能であることに留意すべきである。本明細書では、液滴が均一な非導電性流体から生成されるときには、液滴サイズすなわち液滴体積もまた質量を意味しうることにも留意すべきである。サイズで特定されるこれらの液滴は、少なくとも、そのサイズに基づいて、プリントされるか否かの選択が可能である。よってサイズで特定されるこれらの液滴は、横方向ガス偏向法(lateral gas deflection method)を含む、当技術分野で既知の方法によって分離することが可能である。

本発明のこの実施例では、選択的特定は、様々なパルス幅の選択的パルスからなる波形を有する、液滴特定用信号140の生成を有する。第1組のパルスは第1パルス幅を有し、プリント用液滴を生成する電荷の移送を初期化して良い。第2組のパルスは第2パルス幅を有し、非プリント用液滴を生成する電荷の移送を初期化して良い。従って波形は、プリントデータ流に従って変化して良い。

図8は、本発明の別な典型的実施例を図示している。この実施例では、液滴特定用信号140は、様々な振幅を有するが、パルス幅及び周期は一定であるパルスから構成されている。本発明のこの典型的実施例では、液滴特定用信号140は、2つの異なる正のパルスレベルを繰り返す。液滴特定用信号140の影響下では、液滴特定用駆動装置145は、対応する電位波形を生成する。電位波形に従うと、電荷は、各領域が電気コンタクト層112と近接している間に、非導電性流体ジェット63の様々な領域へ選択的に移送される。

本発明のこの典型的実施例では、各帯電領域の長さは実質的に等しいが、各領域に移送される電荷の大きさは異なっていて良い。一例としては、帯電領域160Aに移送される電荷量は、帯電領域160Bに移送される電荷量とは異なる。たとえ帯電領域160Bが領域160Aと実質的に同一の長さを有するとしても、領域160Bは、より多くの移送された電荷を有する。続いて液滴の中断が起こるとき、液滴162及び液滴164は、一定のパルス幅が用いられるために、実質的に同一の大きさを有するが、これらの液滴の各々はそれぞれ異なる電荷の大きさを有する。それに加えて、連続的に生成される液滴の各々は、一定間隔Sで分離されている。従って、本発明のこの典型的実施例は、様々なq/m比を有する液滴を生成する。この実施例は、従来技術の静電偏向板を併用することで、各異なる帯電状態の液滴の軌道を変化させることができる。たとえ液滴に移送される電荷が同一の極性を有するとしても、これらの電荷の大きさは変化し、それぞれが異なる電荷を有する液滴の各々の軌道は、各対応する液滴の具体的な電荷レベルに比例して変化して良い。従って、プリントされる液滴として特定される液滴は、プリントされない液滴として特定される液滴からさらに偏析して良い。

本発明のこの典型的実施例では、液滴特定用信号140の波形の振幅は、プリントデータの流れに従って変化して良い。波形は、所与のガードドロップ法に従って変化して良いし、又は変化しなくても良い。ガードドロップ法を利用することで、意図しない液滴間での静電場効果の減少を促進することができる。よって液滴特定用信号140の各パルスの振幅は、この情報から生成された生成される液滴がプリントされるか否かに従って変化する。本発明のこの典型的実施例では、液滴特定用信号140は、結果として、非導電性流体を刺激し、かつ特定する情報を有する。

プリントされる液滴と特定される液滴は、所望の場合、記録面上の複数の異なる位置に衝突するように、さらに特定されて良いことに留意すべきである。これは、液滴特定用信号140の選択されたパルスの振幅をさらに変化させることによって実現可能である。そのように振幅を変化させることにより、対応する帯電液滴の電荷と質量との比は、対応する液滴が偏向される、記録面上での所望位置に従って変化する。

本発明の別な典型的実施例が図9に図示されている。本発明のこの典型的実施例では、反対の極性を有する電荷が、液滴特定用信号140に従って、液滴上に付与される。液滴特定用電極150は、液滴特定用駆動装置145と電気的に接続する。液滴特定用信号140は、データに依存した方法で、液滴特定用駆動装置145によって発生する電位波形を変化させるのに用いられる。たとえ液滴特定用信号145のパルスがそれぞれ異なる極性を有するとしても、それぞれのパルスは、実質的に均一の振幅、パルス幅及び周期を有する。続いて、等間隔でかつ実質的に等しい体積を有する液滴が生成される。しかし、これらの等しい大きさを有する液滴は、反対極性の電荷で、選択的に帯電される。

液滴特定用信号140の影響下では、液滴特定用駆動装置145は、対応する電位波形を発生させる。その電位波形に従うと、電荷は、非導電性流体ジェット63の様々な領域へ、各領域が電気コンタクト層112と近接している間に、選択的に移送される。よって、非導電性ジェット63の各帯電領域は、正の電荷が移送される領域166、又は負の電荷が移送される領域168のいずれかである。同一電荷の各領域でのEHD圧力は圧力の摂動を引き起こす。その圧力の摂動により、その後続いて、ジェットからの液滴の中断が誘起される。液滴が中断されると、各液滴は、非導電性流体ジェット63の一部である対応する領域へ移送される電荷を実質的に有する。その一部から各液滴は生成された。例としては、液滴170が正に帯電する一方で、液滴172は負に帯電する。生成された液滴の各々は、実質的に等しい電荷と質量との(q/m)比を有するが、2つの極性のうちのいずれかに帯電させることによって特定される。そのような液滴は、従来の静電偏向手段によって分離される。例としては、負に帯電した液滴172は、偏向電極（図示されていない）によって第1軌道に沿って偏向されて良いが、正に帯電した液滴170は、偏向電極（図示されていない）によって第2軌道に沿って偏向される。第1軌道は、液滴をガターに回収するように選択されて良い一方で、第2軌道は、プリントされると特定された液滴を、記録面（図示していない）へ向けて進行させて良い。液滴特定用信号140の波形は、記録される像のプリントデータシーケンスに対応して良い。本発明のこの典型的実施例では、液滴特定用信号140は、結果として、非導電性流体を刺激し、かつ特定する情報を有する。

図10は、本発明のさらに別な典型的実施例を図示している。この典型的実施例では、液滴特定用信号140の波形は、パルス幅が変化し、かつ振幅が変化しないパルスから構成される。さらに周期が一定に維持される。本発明のこの典型的実施例では、液滴特定用信号140は、2つの異なるパルス幅を有する信号波形を有する。液滴特定用信号140の影響下では、液滴特定用駆動装置145は、対応する電位波形を発生させる。その電位波形に従うと、電荷は、非導電性流体ジェット63の様々な領域へ、各領域が電気コンタクト層112と近接している間に、選択的に移送される。各領域へ移送される電荷の大きさは、対応するパルス幅に従って変化して良い。例としては、領域174へ移送される電荷量は、領域176へ移送される電荷量とは異なり、その違いは、各電荷量が移送されるのに必要な時間に従う。生成された液滴178及び180はそれぞれ、異なる電荷の大きさを有する。たとえパルスが様々なパルス幅を有するとしても、信号波形は一定の周期を有する。従って液滴は、一般的には実質的に一定の割合で生成され、かつ実質的に同一体積を有して良い。各液滴は、明確に区別される電荷と質量との比によって選択的に特定される。そのように特定された液滴は、本発明の他の典型的実施例で開示された適切な手段によって分離されて良い。たとえ連続的に生成された液滴が一般的に、一定の液滴間隔で生成されるとしても、液滴特定用信号140のパルスが様々に変化することで、各液滴の中断の時間が変化する場合、常に下流に留まることができるわけではないことに留意すべきである。

図11に図示されている本発明の別な典型的実施例では、中性の液滴、負に帯電した液滴又は正に帯電した液滴が生成される。液滴特定用電極150は、2つの電気コンタクト層112A及び112Bを有する複数の電極部分を有する。2層の各々は、非導電性流体ジェット63の対向する領域に近接するように備えられている。非導電性流体ジェット63における互いに反対極性を有する領域182と184との間で、液滴が生成され始めて良い。非導電性流体ジェット63では、反対の極性を有する対向する電荷が移送される。非限定的な例として、領域186へ移送される負の極性を有した電荷が図示されている。正の電荷、すなわち正味の電荷となる、様々な極性を有する多数の電荷もまた、すぐに領域186へ移送されることに留意すべきである。

移送された正味の電荷は結果として、中性の液滴190で表されているように実質的に中性の極性となることに留意すべきである。中性の液滴はまた、領域192からも生成されて良い。領域192へは、さらなる電荷は移送されない。そのような場合、これらの中性液滴は、正負の釣り合いのとれた電荷の移送の影響のみを受ける。その正負の釣り合いのとれた電荷は、相反する電荷によってのみ生成される。その相反する電荷が移送されることで、領域182及び領域184で例示されているように、液滴の生成は促進される。所与の液滴を生成する正負の釣り合いが取れ、かつ相反する電荷は一般的に、さらなる電荷へは影響を及ぼさず、そのような電荷は移送されることで、全体として正、負又は中性の極性を、所与の液滴へ与えることにもさらに留意すべきである。これは、負に帯電した液滴194によって実証されて良い。液滴194は、対応する領域への負電荷の移送によって、全体として負の極性を有する。液滴194は全体として負に帯電することによって、特定された。そのような領域の例には、領域186が挙げられる。よって、生成された液滴は、対応する領域へ移送される電荷、又は移送されない電荷によって基本的には特定される。そのような対応する領域では、液滴生成中にピンチオフ効果が起こる。

図11に図示された本発明の典型的実施例によって生成された所与の液滴を特定する間、移送されることで液滴の生成を促進する、相反する電荷と、移送されることで特定の液滴の正、負又は中性の電荷を特定する、さらなる電荷との間での偏析が可能である。その理由は、非導電性ドナー流体62のジェットが非導電的特性を有するからである。液滴特定用駆動装置145A及び145Bによって供される波形の調節は、実質的に同一の体積を有する中性液滴及び帯電した液滴を生成するのに必要となるものと思われる。その理由は、領域186へ移送される同一の電荷は一般的に、より迅速にピンチオフしようとするからである。中性液滴及び帯電した液滴の間で同一の液滴体積を維持するため、液滴の生成を誘起するのに必要な、相反する電荷の移送に関連する電位波形パルスの負荷サイクルは、負及び正に帯電した液滴、又はその代わりに中性の液滴で変化して良い。従って、本発明の典型的実施例では、非導電性流体ジェットは刺激を受けることで、実質的に同一体積の液滴を生成して良い。各液滴は表面電荷によって特定されて良く、その表面電荷は、中性、正又は負に帯電して良い。

それに加えて、帯電した液滴は、中性液滴とは異なる体積を有することによってさらに特定されて良い。いずれの場合でも、そのような液滴は、多数の列からなるノズルアレイ（図示されていない）での利用に適している。このノズルアレイ内では、静電的偏向電極は、正に帯電した液滴を第1ガター手段へ偏向させ、かつ負に帯電した液滴を第2ガター手段へ偏向させるのに用いられ、中性液滴は、記録面へプリントするのに用いられる。

たとえば図7から図10に図示された液滴特定用電極100の実施例によって例示された様々な特定法はまた、2つの適切に構成された液滴特定用信号140A及び140Bを単純に供することによって、図11で図示された電極及び電気駆動装置の実施例によって実質的に再現可能であることは、当業者にはすぐに明らかとなる。液滴特定用信号140A及び140Bの波形は、所望の特定法に従って調節される。

本発明の実施例に従った液滴刺激及び特定に適する非導電性流体は、ある抵抗値の範囲で画定されて良い。その数値範囲は、パラメータによって決定されて良い。そのパラメータは液滴が中断する時間、流体ジェットの直径及び生成される液滴間の中心間距離Sを含むが、それらに限定されるわけではない。開示された本発明の典型的実施例に従うと、非導電性流体ジェットの液滴を刺激すること及び特定することが可能となる。その理由は、一旦電荷がジェットの様々な領域へ移送されると、電荷は、例外的に制限された容量を有することで、消失するか、又はジェットの長さ方向に移動する。好適には、移送された電荷は、続けて生成された液滴の中心間距離Sよりも長い距離での放電又は移動をしてはならない。移送された電荷の放電又は移動に必要な期間は、電荷が非導電性流体ジェット63の帯電領域へ移送され、それに続いてその帯電領域を中断点26での対応する液滴に組み込むのに必要な積算期間よりも長くてはならない。

液滴の刺激及び特定に必要な、非導電性流体の抵抗値の範囲を推定するのは、移送される電荷の放電時定数T_RCが、液滴の中断間隔T_b以上の長さ、つまりT_RC≧T_bであることが必要となることから決定されて良い。中断間隔の期間T_bは、電気コンタクト層112から所与の帯電領域へ電荷が移送される時間から、その所与の領域から、中断点26で特定の液滴が生成される時間までの期間で計測されて良い。中断感覚期間T_bは一般的に、電気流体力学的刺激強度、非導電性流体ジェット63及び非導電性流体特性それ自体の関数として変化する。

放電時定数T_RCは、非導電性流体ジェットを、接地された円柱面によって囲まれた自由空間内の流体柱とするモデルを立てることで推定されて良い。流体柱の単位長さでのキャパシタンスC_Lは、以下の関係式から推定されて良い。

C_L=2πε/｜ln(r_j/r_g)｜
ここで、r_jは非導電性流体ジェットの半径、r_gはジェットからそれを取り囲む接地面までの半径方向の距離で、εは非導電性流体ジェットを取り囲む媒体の誘電率である。

非導電性流体ジェットが空気によって取り囲まれているとき、上述の関係式でのεの値は、ε₀で表される自由空間すなわち真空での誘電率からわずかにしか異ならない。従って、ε=ε_air=1.0006ε₀である（大気圧で、20℃）。他の種類の取り囲む媒体は、実効誘電率を、ε=ε_eff*ε₀、ε_eff >1の関係式が成立するように変化させて良い。単位長さあたりのキャパシタンスを推定する目的で、キャパシタンスの下限を計算するのにε=ε₀の関係が用いられて良い。上述のように、様々な接地点が、本発明によって定義される装置に設けられて良い。たとえこれらの接地点が非導電性流体ジェット63の近傍に設けられて良いにもかかわらず、距離を置いて設けられている、ジェットを取り囲む円柱面として参照接地面のモデルを立てるのは、単位長さあたりのキャパシタンスの下限、つまり放電時定数T_RCの下限を供するのに用いられる。

1つの液滴間距離Sの最大ジェット長での電荷の消失が起こっても良い本発明の実施例では、液滴間距離Sに等しい長さの非導電性流体ジェットの長さでの全キャパシタンスCは、関係式C=C_L・Sによって推定されて良い。

長さSの非導電性流体ジェットの抵抗Rは、関係式R=ρ_f・S/(πr_j ²)によって推定されて良い。ここで、変数S及びr_jは先に定義されており、ρ_fは非導電性流体の抵抗率である。

放電時定数は、T_RC=RCの関係式で与えられる。従って、本発明の実施例によって説明されたような液滴の刺激及び特定に必要な、非導電性流体の最小抵抗率ρ_fは、関係式ρ_f≧｜T_b(1/2ε)(r_j ²/S²)ln(r_j/r_g)｜によって推定されて良い。ここで、変数T_b、ε、r_j、r_g及びSは先に定義されており、εは、大気存在下では実質的にはε₀に等しい。

例として、ジェット半径r_j=5μm、液滴の中心間距離S=50μmで、中断時間T_b=0.1msecでは、必要な非導電性流体の抵抗率ρ_fは、70MΩ-cmよりも大きな値となる。この値は、超純水の抵抗率のオーダー（約18 MΩ-cm）である。この例として挙げた抵抗率のレベルは、ほぼ下限であると見なして良い。この下限の設定により、本発明の実施例で様々な水性インクが使用できても良いし、又は使用できなくても良い。しかし、低粘性でかつ高抵抗の流体からなるインクは一般的には、推定された最小値よりも数桁も大きい抵抗率のレベルを有する。そのような流体の例には、2・10¹³ MΩ-cmの抵抗率を有するイソパラフィンがある。上の例で推定された抵抗率レベルは、非導電性流体ジェットから接地面までの距離を1m未満に特定したモデルに基づくため、非常に変化しにくいということに留意すべきである。本発明の実施例の実用にあたっては、非導電性流体ジェットと接地面との距離がより近接することで、非導電性流体の抵抗率の下限が可能となる。本発明の実施例で用いられた非導電性流体の抵抗率に関する実際の下限は、使用される接地面の構成に依存するが、1MΩ-cm程度と思われる。

本発明の実施例は、電荷を非導電性流体へ移送することで、液滴流を生成する手段及び方法について説明する。この電荷の移送はまた、ある電荷極性で液滴を特定するための電荷の移送をも含んで良い。電荷の移送はまた、ジェットを刺激することで所望の形状、大きさ又は体積の特性を有する液滴を選択的に生成するための電荷の移送をも含んで良い。非導電性流体ジェットへ移送される電荷は一般的には、導電性流体ジェットとは異なり、固定される。所与のレベルの電荷では、本発明の様々な実施例で説明された、発生する電気流体力学的刺激は一般的には、導電性流体の電気流体力学的刺激を含む従来技術よりも強い。

液滴を生成する刺激の強度は一般的に、非導電性流体ジェット63への電気流体力学的効果によって発生する内部での半径方向の圧力に比例する。ジェット63の領域へ移送される電荷による半径方向の圧力Pは、関係式P=1/(2ε)・σ²によって推定されて良い。ここで、εは先に定義されていて、大気存在下ではε₀と実質的に等しい。σは電荷密度で、関係式σ=q/(2πr_j・S)によって導出されて良い。ここで、変数qは結果として生じた液滴の電荷で、変数r_j及びSは先に定義されている。

例として、結果として生じた液滴の電荷qが100fCのオーダーで、液滴の中心間距離S=50μmで、ジェット半径r_j=5μmでは、ジェットでの半径方向の圧力Pは、約230Paと推定されるものと思われる。この半径圧力値は、導電性流体ジェットを刺激するのに用いられた従来技術のEHD液滴刺激用電極によって誘起される圧力と同程度である。しかし、本発明の実施例での非導電性流体ジェットの刺激は一般的に、導電性流体ジェットでの同様の刺激よりも長い時間作用する。この作用時間の延長は、非導電性流体ジェットに移送された電荷が相対的に移動しにくくなったことに起因する。従って、本発明の実施例によって供される非導電性EHD刺激は、従来技術である導電性流体EHD刺激よりも強いものと考えられる。

本発明の様々な実施例の液滴刺激及び特定中での電荷の移送に必要な電位Vの対応する上限は、関係式V=q/Cによって推定されて良い。ここで、変数q及びCは先に定義されている。

電位Vは、先の例である、q=100fC、S=50μm、r_j=5μmで、さらにr_gを1mとした場合、430Vと推定されるものと思われる。この推定値を得るのに用いられたキャパシタンスの値は、大きな直径の接地円柱面内部での自由空間に位置する非導電性流体ジェットの単位長さあたりの導出されたキャパシタンスに基づく。従って、このキャパシタンスの値は下限と考えられ、従って上述の関係式から推定される電位は上限であると考えられる。実際には、液滴刺激用電極100に対する非導電性流体ジェット63のキャパシタンスは、電極形状の幾何学的構造及び非導電性流体ジェット63近傍の電極100の位置の関数である。実際のキャパシタンス値は一般的に、上で推定されたキャパシタンス値よりも大きい。従って、特に、電極の幾何学的構造を適切に選択し、かつ近傍の接地電極をさらに設けることで、さらにキャパシタンスを増大させるような適切な電位は、上で推定された値よりもはるかに小さくて良い。

本発明の様々な実施例で説明されているように、液滴刺激用電極100は、付随する駆動装置への入力信号が液滴刺激用信号と液滴特定用情報の両方を有する場合には、液滴特定用電極150と見なされる。従って液滴特定用電極150は、非導電性流体ジェットの様々な領域へ移送される1つ以上の電荷に基づいて、液滴を刺激及び特定するように動作させることができる。本発明のこれらの実施例では、液滴刺激用手段は、液滴特定用手段と実質的に同一である。

上記が所望である場合には、本発明の代替的実施例は、開示されてきた、電荷に基づく液滴特定態様のみを用いて良い。この場合、非導電性流体ジェットの液滴刺激は、別の手段によって実現される必要がある。そのような他の手段は、機械的刺激、圧電的刺激、及び熱適刺激を有して良いが、これらに限定されるわけではない。言うまでもないことだが、本発明のこれらの実施例は、実装するのに、よりコストを要し、かつ難しいものと思われる。その理由は、選択された刺激用手段が本発明の特定手段と同期する必要があるからである。さらに、これらの代替的刺激用手段の刺激強度は、液滴特定用電極150によって生成可能なさらなる液滴刺激効果を凌駕するほど大きくて良い。あるいはその代わりに、これらの他の刺激用手段によって発生する効果に加えて、さらに液滴特定用電極150によって発生する刺激効果が生じて良い。

本発明の様々な例示された実施例は、単一ノズルチャネルを参照しながら説明された。本発明の他の典型的実施例は、多数のノズルの群すなわち列を有して良い。本発明の他の典型的実施例はまた、多数ジェット又は多数列のノズルを有して良い。本発明の実施例を取り入れる様々な装置は制限なく、連続式インクジェット装置及び多数ジェットによる連続式インクジェット装置を有して良い。

静電帯電及び偏向手段を用いる従来技術のインクジェット記録装置の概略図である。図1Aは、従来技術の液滴刺激用電極の断面図である。 プリント装置の実施例である。 液滴刺激用電極を用いる装置の概略図である。 液滴刺激用電極を内蔵するプリントヘッドの断面図である。 多数のジェットノズル及び付随する液滴刺激用電極の上面図である。 複数の電気コンタクト層を有する液滴刺激用電極を用いる装置の概略図である。図6Aは、液滴刺激用電極の断面図である。 本発明の典型的実施例による、液滴特定用電極及び液滴特定用信号を用いる装置の概略図である。 本発明の別な典型的実施例による、図7に図示された液滴特定用電極及び別な液滴特定用信号の概略図である。 本発明の別な典型的実施例による、図7に図示された液滴特定用電極及びさらに別な液滴特定用信号の概略図である。 本発明の別な典型的実施例による、図7に図示された液滴特定用電極及び別な液滴特定用信号の概略図である。 本発明の別な典型的実施例による、複数の導電性部分を有する液滴特定用電極を用いた装置の概略図である。

符号の説明

10 流体供給部
12 導電性流体
13 従来技術の導電性流体構造
15 従来技術の液滴刺激用電極
17 従来技術の刺激用信号駆動装置
19 刺激用信号
20 ノズルチャネル
21 排出オリフィス
22 従来技術の導電性流体ジェット
24 絶縁層
26 中断点
30 帯電電極
32 帯電電極駆動装置
34 帯電液滴
36 非帯電液滴
38 静電的偏向板
40 ガター
42 受像面
50 プリント装置
52 筐体
54 内部チャンバ
56 プリントヘッド
58 並進ユニット
60 システム制御装置
62 非導電性ドナー流体
63 非導電性流体ジェット
64 加圧された非導電性ドナー流体源
65 第1方向
66 液滴生成回路
70 液滴流
72 液滴刺激用信号
72A 液滴刺激用信号
72B 液滴刺激用信号
74 液滴分離手段
76 モーター
78 ローラー
100 液滴刺激用電極
102 液滴刺激用駆動装置
102A 液滴刺激用駆動装置
102B 液滴刺激用駆動装置
110 基板
112 導電性電気コンタクト層
112A 電気コンタクト層の一部
112B 電気コンタクト層の一部
114 絶縁層
115 金属層
120 帯電領域
120A 帯電領域
120B 帯電領域
125 非帯電領域
130 電流経路
135 電気コンタクト
137 導電性接地リング
140 液滴特定用信号
140A 液滴特定用信号
140B 液滴特定用信号
145 液滴特定用駆動装置
145A 液滴特定用駆動装置
145B 液滴特定用駆動装置
150 液滴特定用電極
152 大きな液滴
154 小さな液滴
160A 帯電領域
160B 帯電領域
162 液滴
164 液滴
166 領域
168 領域
170 正に帯電した液滴
172 負に帯電した液滴
174 領域
176 領域
178 液滴
180 液滴
182 相反して帯電する領域
184 相反して帯電する領域
186 領域
190 中性の液滴
192 領域
194 負に帯電した液滴

Claims (2)

1. 非導電性流体ジェットから生成される流体液滴を特定する装置であって：
   ノズルチャネル；
   前記ノズルチャネルと流体のやり取りをし、かつ前記ノズルチャネルを介して前記非導電性流体のジェットを生成するように動作できる加圧源；及び
   特定用電極；
   を有し、
   前記特定用電極の少なくとも一部は導電性で、かつ前記非導電性流体の第1部分と接触し、その後前記非導電性流体の第2部分と接触し、
   前記特定用電極の前記少なくとも一部の導電性部分は、前記非導電性流体ジェットの前記第1部分である領域へ第1電荷を移送し、前記非導電性流体ジェットの前記第2部分である領域へ第2電荷を移送するように動作でき、
   前記非導電性流体ジェットの前記第1部分から生成される第1流体液滴は第1特性を有し、かつ
   前記非導電性流体ジェットの前記第2部分から生成される第2流体液滴は第2特性を有する、
   装置。
2. 流体液滴を特定する方法であって：
   非導電性流体ジェットを供する工程；
   特定用電極の導電性部分に第1電荷を供する工程；
   前記非導電性流体ジェットの第1部分と前記の特定用電極の導電性部分とを接触させる工程であって、前記の非導電性流体ジェットの第1部分から生成される第1流体液滴は第1特性を有する工程によって、前記第1電荷を、前記の特定用電極の導電性部分から前記の非導電性流体ジェットの第1部分へ移送することによって、前記の非導電性流体ジェットの第1部分から生成される前記第1流体液滴を特定する工程；
   前記特定用電極の前記導電性部分に第2電荷を供する工程；及び
   前記非導電性流体ジェットの第2部分と前記の特定用電極の導電性部分とを接触させる工程であって、前記の非導電性流体ジェットの第2部分から生成される第2流体液滴は第2特性を有する工程によって、前記第2電荷を、前記の特定用電極の導電性部分から前記非導電性流体ジェットの第2部分へ移送することによって、前記の非導電性流体ジェットの第2部分から生成される前記第2流体液滴を特定する工程；
   を有する方法。

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