JP5618832B2 - 液滴選択機構 - Google Patents

Description

本発明は、連続印刷システムのための液滴選択装置に関する。これについて、連続ジェット印刷とは、所定の印刷処理のために選択的に使用される液滴を連続的に生成することを意味する。液滴の供給は連続的に行われる。これは、所定の印刷処理に応じて液滴が生成される、いわゆるドロップオンデマンドの技術とは対照的である。

既知の装置が、例えばＵＳ３，７０９，４３２に開示されている。この公報には、吐出路から噴出した流体から第１の液滴の連続流を生成するよう構成された第１の液滴噴出装置を用いた、印刷材料用のいわゆる連続ジェットプリンタが開示されている。吐出路から流体が噴出する間、圧力調整機構は所定の間隔で、流出開口に隣接する粘性流体の圧力に変化を与える。これにより、流出開口から流出する流体ジェットに乱れが発生する。この乱れによってジェットが圧縮され、ジェットが液滴に分散される。その結果、液滴の寸法等の特性が均一に分布した吐出液滴の連続流が生成される。

この公報には、液滴の向きを選択的に変えるためのガスジェット機構が開示されている。調整機構によって生成される液滴用の液体ジェットの長さが制御される。液滴の偏向特性はジェットとは異なるため、液滴を選択的に偏向させることができる。

１つの態様として、本発明は、第１の液滴の連続流をずらすために用いられる連続液滴噴出システムに代わるシステムを提供することを目的とする。

本発明の一態様によると、連続印刷用の液滴選択装置は、流出路から噴出した第１の流体から液滴の連続流を生成するように構成された液滴噴出装置と、液滴流と衝突する第２のジェットを生成するように構成されたジェットシステムとを備え、ジェットシステムは、第２のジェットを液滴の連続流に向けて選択的に偏向する偏向器を備える。

本発明の別の態様によると、連続印刷により噴出された流体ジェットからの液滴を選択する方法は、流出路から噴出した第１の流体ジェットから液滴の連続流を生成し、液滴に衝突させ、当該液滴を予め決められた印刷軌道から選択的にずらすための第２のジェットを生成し、第２のジェットは、選択的に噴射されて所定の第１の液滴と衝突する。

なお、ここでは、「ジェット」という用語は、空間を移動する、長手方向に連続した形状の材料を表すために用いており、それぞれが分離した球体のかたまりとして形成される液滴（群）とは対照的なものを意味する。

これに限定するわけではないが、液滴周波数は２〜８０ｋＨｚ、液滴は８０ミクロンよりも小さくすることができる。

さらに、高圧を利用することにより、処理の際に、とくに高い粘性の流体、例えば３００・１０^−３Ｐａ．ｓ以上の粘性流体を印刷することもできる。とくに、所定の圧力を、最大６００ｂａｒとしてもよい。

他の特徴および効果は、明細書および添付の図面から明らかである。

図１は、本発明に用いられる印刷システムの第１の実施の形態を概略的に示す。 図２は、偏向ジェットシステムの第１の実施の形態を示す。 図３は、偏向ジェットシステムの第２の実施の形態を示す。 図４は、偏向ジェットシステムの第３の実施の形態を示す。 図５は、偏向ジェットシステムの別の実施の形態を示す。

図１は、本発明による連続印刷プリンタヘッド１の第１の実施の形態を示す。プリンタヘッド１は、吐出路５から噴出した流体から第１の液滴６の連続流を生成するよう構成された第１の液滴噴出装置１０を備える。液滴噴出装置１０は、壁４によって規定されたチャンバ２を備える。チャンバ２は、例えばポンプや加圧装置（不図示）で加圧された加圧液体３を収容するのに適している。チャンバ２は吐出路５を備え、この吐出路５を通って、加圧された流体ジェット６０が噴出し、液滴６の形状に分離される。概略的に示すように、アクチュエータ７は吐出路５の近傍に形成される。アクチュエータ７は振動圧電部材であってもよい。アクチュエータ７の作動により、圧力パルスが形成されて流体ジェットを分裂し、これにより微細な単分散液滴６が生成される。

吐出路５は、比較的薄いノズル板４に設けられている。ノズル板４は、厚さ０．３ｍｍ、例えば０．１〜３ｍｍの金属箔から製造された板とすることができる。プレート４内の吐出路５の直径は、本実施例では５０μｍである。吐出路５の横方向の寸法は、２〜５００μｍの間とすることができる。圧力調整範囲のサイズを示すものとして、例えば、平均圧力は最大６００ｂａｒｓ（≡６００ｘ１０^５Ｐａ）である。プリンタヘッド１０には、チャンバ内の高圧によって崩壊しないように、ノズル板４を支持する支持板４０を設けてもよい。振動アクチュエータの例は、例えば、ＷＯ２００６／１０１３８６に記載されており、吐出路５の近傍に配置された振動プランジャピンを備えるものとすることができる。

振動プランジャピンの距離間隔は、流体の粘性に依存させることができる。印刷流体が高粘度の場合は、端部から吐出開口までの距離を、比較的小さくすることが望ましい。最大５Ｂａｒｓ（≡５・１０^５Ｐａ）の圧力で作動するシステムの場合、例えば、この距離は１．５ｍｍ程度である。より高圧の場合、この距離をより一層小さくすることが望ましい。例えば３００〜９００・１０^−３Ｐａ．ｓの、とくに粘性の高い粘性流体を印刷する特殊用途の場合、間隔距離を１５〜３０μｍとすることができる。振動ピンは、比較的小さい、例えば１〜５ｍｍ^２の中心領域(focusing surface area)を有することが望ましい。一般に、適切な粘性の範囲は、２０〜９００・１０^−３Ｐａ．ｓとすることができる。

図１において、ジェットシステム７０は第２のジェット６１を生成するように構成されている。第２のジェット６１は、液滴６の流れに向けられている。第２のジェット６１は、対象の液滴と衝突し、当該液滴を基板８に向かう予め決められた印刷軌道３から選択的にずらすことができる。ジェットは、流体、一般的には、気相物質からなる。ジェットシステム７０には、液滴６の連続流から離れる方向へ、または近づく方向へ、第２のジェット６１をずらす偏向システム７１が設けられている。ジェット６１は、これにより、基板８に向かう予め決められた印刷軌道に対して交差する方向に移動する。図１に示すように、ジェットシステム７０から噴射された液体ジェット６１は、所定の液滴６２と衝突する。これにより、液滴６の流れのうちの所定の液滴６２は、基板８には到達せず、例えば収集溝９に回収される。好ましい実施の形態においては、収集溝９の印刷材料はジェット材料６１と液滴材料６２の混合物であり、分離（ｄｅｍｉｘ）により、印刷液体３をプリンタヘッド１０に循環、および／または印刷液体を偏向システム７０に供給する。一般に、プリンタヘッド１０は連続プリンタヘッドとすることができる。ジェットシステム７０、とくに偏向器７１は、制御回路１１によって制御される。制御回路１１は、偏向器７１の作動を制御する信号出力１２と、第１の液滴噴出装置１０の液滴生成頻度を示す信号入力１３とを備える。さらに、制御回路１１は、ジェット６１を偏向する偏向器７１の偏向動作を、プリンタヘッド１０による第１の液滴６の噴出周波数（頻度）に同期させる同期回路１４を備える。制御回路１１により、プリンタヘッド１０の液滴流６から液滴６２を１つ１つ選択的にずらすことができる。本発明の１つの態様においては、プリンタヘッド１０の液滴周波数は２０ｋＨｚよりも高い。このような周波数の場合、とくに、液滴の直径は１００ミクロン未満、とくに５０ミクロン未満とすることができる。ジェット速度を８ｍ／ｓ以上とすることに加えて、偏向器７１の偏向速度は、連続流６の所定の液滴６２を選択し、流体ジェット６１と衝突させて液滴６２を予め決められた印刷軌道から選択的にずらすように適切に設定されている。ジェット材料６０の粘性が３００〜９００・１０^−３Ｐａ．ｓの範囲から選択されることもあること、およびジェット材料が絶縁された印刷材料から生成され、印刷材料が非極性であることもあることから、生成された液滴６を電磁場により偏向するのは困難である。本発明概念により、個々の液滴を正確に特定して制御する適切な代替システムを提供することができる。このように、図１に示す本発明の実施の形態による偏向方法によって、高ダイナミックレンジを得ることができる。１つの態様においては、第１の液滴６は粘性が高く、かつ／または絶縁印刷材料からなる。これに対し、流体ジェット６１は、一般的に、ガス、もしくは非常に粘性の低い流体である。図１に示す構成により、連続プリンタヘッドから噴出された流体ジェット６０から液滴６を選択する方法を提供することができる。液滴は、イメージプリント、高速生産、医療器具、および重合体エレクトロニクスを含む多くの目的に使用できる。とくに、この方法は、静電気、または、電気力学的な偏向方法に反応しない印刷流体に適している。従って、流体ジェット６０から発生する第１の液滴６の連続流についての偏向方法は、吐出路５から噴出された第１の流体ジェット６０から液滴の連続流６を生成することによって提供される。第２のジェット６１を生成し、液滴６と衝突させて液滴６を選択的に予め決められた印刷軌道からずらす。第２のジェット６１は、選択的に偏向され、所定の第１の液滴６２と衝突する。なお、軌道変化の所要時間は非常に短いため、とくに２０ｋＨｚ以上の高周波数の印刷方法に利用することができる。さらに、上述した偏向方法は、従来の方法に比べて、液滴サイズの変化や液滴電荷の変化に敏感ではなく、これらの変化によっても偏向挙動はそれほど影響を受けない。

図２には、図１に示した偏向器７１の特定の実施の形態を示す。具体的には、回転盤７２に空気ノズル７３が設けられている。空気ノズル７３を回転させることによって、ジェット６１を偏向することができ、この回転を流れ６の液滴周波数と同期させることにより、液滴６２を基板８に向かう予め決められた印刷軌道から選択的にずらすことができる。そこで、ノズル７３は、液滴６の所定の軌道に向かうように、あるいは離れるようにジェットを回転させるように構成されている。

図３は、偏向器７１の別の実施の形態を示す。ここで、流体ジェット６１は、ノズル７３の移動、例えばノズル７３に取り付けられピエゾ素子の振動によって、横方向に移動する。そこで、振動体７４は、ノズル７３に取り付けられ、予め決められた軌道に対してノズルを横方向に移動させ、ジェット６１が液滴流６に向かうように、または離れるように横移動させる。

図４は、偏向器７１のさらなる代替の実施の形態を示している。ここで、ジェット生成器７０によって生成されたジェット６１は、ジェット６１と接触するように構成された曲面７５によって向きが変わる。ジェット６１と「接触」することによって、コアンダ効果によりジェットの向きが変わり、液滴６の軌道に対してジェットが横方向に変位することができる。そこで、偏向器７１には流体ジェットと接触させるための曲面７５が設けられる。

図５は、偏向器７１の代替の実施の形態を示している。具体的には、ジェット６１の噴出方向に対して交差する方向に回転可能な空気ノズル７３が設けられている。空気ノズル７３を回転させることによって、ジェット６１を偏向することができ、この回転を流れ６の液滴周波数と同期させることによって、基板８に向かう予め決められた印刷軌道から液滴６２を選択的にずらすことができる。そこで、ノズル７３は、予め決められた液滴６の軌道に向かうように、あるいは離れるようにジェットを回転させるように構成されている。なお、ノズル７３に対する液滴６２の距離によっては、ノズルを微小回転させたり傾けるだけで、ビームを適切な距離、移動させることができる。これにより、２０ｋＨｚより高い周波数の液滴を個々に選択することが可能となる。

１つの態様では、第１の液滴を印刷基板８に向かう所定の印刷軌道から選択的にずらすために、衝撃伝達による偏向を利用することもできる。

あるいはまた、ジェット偏向方法を用い、第１の液滴６２を化学的に活性化することも可能であり、例えば、所定の印刷作用を得るために、流体ジェット６１によって液滴６２の特性を選択的に変化させることができる。例えば、温度を変化させたり、混合により化学特性を変化させることができる。

さらに、液滴を流体ジェット６１と衝突させることにより、カプセルに封入された特別な形状の液滴を提供することができる。これにより、特別な液滴組成を提供することができる。例えば、親水側と疎水側を有する液滴、または複数の有色側を有する液滴、例えば黒色側と白色側を有する液滴や赤色側、緑色側、および青色側を有する液滴を提供することができる。

本発明は、例示的な実施の形態に基づいて説明したが、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲内に入る種々の変形も可能である。例えば、流出路内の粘性印刷液体を、例えば１５〜３００℃の温度範囲内で加熱する調節可能な発熱体を設けることも考えられる。流体の温度を調整することによって、処理（プリント）目的のための特定の粘性を得ることができる。これにより、例えば、異種のプラスチックや金属（はんだ等）の粘性流体も印刷可能となる。

Claims (16)

1. 連続印刷用の液滴選択装置であって、
   流出路から噴出した第１の流体から２〜８０ｋＨｚの範囲の液滴周波数を有する液滴の連続流を生成するように構成された液滴噴出装置と、
   前記液滴流と衝突する第２のジェットを生成するように構成されたジェットシステムとを備え、
   前記ジェットシステムは、前記第２のジェットが前記液滴の連続流に向かうように、または離れるように前記第２のジェットの軌道を変更することにより、前記第２のジェットを選択的に偏向し、前記第２のジェットを選択的に所定の第１の液滴と衝突させる偏向器を備えることを特徴とする液滴選択装置。
2. 請求項１に記載の液滴選択装置において、
   前記ジェットシステムは、前記第２のジェットを選択的に偏向し、所定の第１の液滴と衝突させる制御回路を備えることを特徴とする液滴選択装置。
3. 請求項２に記載の液滴選択装置において、
   前記制御回路は、前記液滴噴出装置の液滴生成周波数を示す信号入力と、前記ジェットシステムの前記偏向器を前記液滴噴出装置の周波数と同期させる同期回路とを備えることを特徴とする液滴選択装置。
4. 請求項１に記載の液滴選択装置において、
   前記偏向器は、前記液滴の所定の軌道に向かうように、または離れるように前記第２のジェットを回転するように構成された回転ノズルを備えることを特徴とする液滴選択装置。
5. 請求項１に記載の液滴選択装置において、
   前記偏向器は、ノズルに取り付けられ、前記液滴の所定の軌道に対して前記ノズルを横移動させる振動体を備えることを特徴とする液滴選択装置。
6. 請求項１に記載の液滴選択装置において、
   前記第２のジェットは流体ジェットであり、前記偏向器は、前記流体ジェットと接触させるための曲面を備えることを特徴とする液滴選択装置。
7. 請求項１に記載の液滴選択装置において、
   前記流出路の直径は、２〜５００ミクロンの範囲であることを特徴とする液滴選択装置。
8. 請求項１に記載の液滴選択装置において、
   前記流出路の長さは、０．１〜３ミリメートルの範囲であることを特徴とする液滴選択装置。
9. 連続印刷用液滴選択方法であって、
   流出路から噴出した第１の流体から２〜８０ｋＨｚの範囲の液滴周波数を有する液滴の連続流を生成し、
   前記液滴流と衝突する第２のジェットを生成し、
   前記第２のジェットが前記液滴の連続流に向かうように、または離れるように前記第２のジェットの軌道を変更することにより、前記第２のジェットを選択的に偏向し、前記第２のジェットを選択的に所定の第１の液滴と衝突させることを特徴とする方法。
10. 請求項９に記載の方法において、
    前記液滴は絶縁印刷材料から生成されることを特徴とする方法。
11. 請求項９に記載の方法において、
    前記第２のジェットは、前記液滴の所定の軌道に向かうように、または離れるように回転されることを特徴とする方法。
12. 請求項９に記載の方法において、
    前記第２のジェットは、前記液滴の所定の軌道に対して横移動されることを特徴とする方法。
13. 請求項９に記載の方法において、
    前記第２のジェットは流体ジェットであり、前記流体ジェットの向きを選択的に変えるために、前記流体ジェットを曲面と接触させることを特徴とする方法。
14. 請求項９に記載の方法において、
    前記液滴は、３００〜９００・１０^−３Ｐａ．ｓより高い粘性を有する材料からなることを特徴とする方法。
15. 請求項９に記載の方法において、
    前記第２のジェットはガスジェットであることを特徴とする方法。
16. 請求項９に記載の方法において、
    衝突後の液滴は収集されて分離されることを特徴とする方法。
    

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